Bức xạ mặt trời là gì ? Đặc điểm và tác động đến trái đất

Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng nền tảng duy trì sự sống, chi phối khí hậu và thúc đẩy các chu trình tự nhiên trên Trái Đất. Từ quang hợp của thực vật, vòng tuần hoàn nước, đến các công nghệ hiện đại như điện mặt trời, tất cả đều bắt nguồn từ dòng năng lượng phát ra liên tục từ Mặt Trời. Trong bài viết này, DAT Group sẽ mang đến cho bạn những thông tin hữu ích giúp bạn hiểu rõ hơn về hiện tượng này. 

1. Khái niệm bức xạ mặt trời là gì?

Để hiểu đúng bản chất, cần tiếp cận bức xạ mặt trời dưới góc độ vật lý thiên văn và khí quyển. Bức xạ mặt trời là năng lượng điện từ do Mặt Trời phát ra trong quá trình phản ứng nhiệt hạch ở lõi, nơi hydro hợp nhất thành heli và giải phóng năng lượng khổng lồ. Năng lượng này lan truyền trong không gian dưới dạng sóng điện từ và đến Trái Đất sau khoảng 8 phút 20 giây.

Cường độ bức xạ mặt trời (solar irradiance) được xác định theo công thức:
E = P / A

 Trong đó:

• E là cường độ bức xạ (W/m²)
• P là công suất bức xạ nhận được (W)
• A là diện tích bề mặt nhận bức xạ (m²)

Khi xét theo khoảng thời gian dài (ngày, tháng), năng lượng bức xạ mặt trời được tính theo:
H = ∫ E · dt, thường biểu diễn bằng kWh/m²/ngày.

Ở đỉnh khí quyển, thông lượng bức xạ trung bình (hằng số mặt trời) vào khoảng 1.361 W/m² theo đo đạc của các vệ tinh hiện đại. Khi đi qua khí quyển, một phần năng lượng bị phản xạ, tán xạ và hấp thụ bởi mây, khí và aerosol; phần còn lại tới bề mặt và trở thành năng lượng bức xạ mặt trời có ích cho sinh quyển và các ứng dụng kỹ thuật.

Các nghiên cứu của NASA và NOAA cho thấy biến thiên bức xạ theo chu kỳ 11 năm của hoạt động Mặt Trời chỉ ở mức ~0,1%, nhưng vẫn đủ ảnh hưởng đến khí hậu dài hạn khi kết hợp với các yếu tố nhân sinh.

2. Vai trò của bức xạ mặt trời đối với hệ Trái Đất

Từ khái niệm cơ bản, ta mở rộng sang vai trò hệ thống của bức xạ trong toàn bộ hệ Trái Đất (khí quyển – thủy quyển – sinh quyển – thạch quyển). Bức xạ mặt trời là “động cơ” vận hành các quá trình tự nhiên then chốt:

• Điều hòa khí hậu: Phân bố không đều theo vĩ độ và mùa tạo ra chênh lệch nhiệt, hình thành gió, dòng hải lưu và thời tiết.
• Duy trì sự sống: Quang hợp chuyển hóa năng lượng bức xạ thành năng lượng hóa học, nuôi dưỡng chuỗi thức ăn.
• Vòng tuần hoàn nước: Nhiệt từ bức xạ làm bốc hơi nước, tạo mây và mưa.
• Nguồn năng lượng tái tạo: Cơ sở cho điện mặt trời, sưởi ấm và các giải pháp giảm phát thải.

Theo IPCC, khoảng 70% năng lượng mặt trời tới Trái Đất được hấp thụ bởi bề mặt và khí quyển, phần còn lại phản xạ trở lại không gian, tạo nên cân bằng bức xạ quyết định nhiệt độ trung bình toàn cầu.

3. Các nhóm bức xạ mặt trời thường gặp

Để ứng dụng hiệu quả và đánh giá tác động, bức xạ mặt trời được phân loại theo nhiều tiêu chí. Phần này làm rõ các nhóm thường gặp trong khoa học và kỹ thuật.

3.1. Phân loại bức xạ theo bản chất vật lý

Để hiểu bức xạ mặt trời đến bề mặt Trái Đất theo những cách nào, cần phân loại dựa trên bản chất lan truyền và sự tương tác của bức xạ với khí quyển, từ đó lý giải sự khác biệt về cường độ bức xạ mặt trời trong thực tế.

Trước hết, xét theo cách năng lượng đến bề mặt:

• Bức xạ trực tiếp: Đi thẳng từ Mặt Trời, cường độ cao, quyết định hiệu suất các hệ Tấm pin PV.
• Bức xạ khuếch tán: Bị tán xạ bởi mây và khí quyển, vẫn đóng góp đáng kể ở vùng nhiều mây.
• Bức xạ phản xạ (albedo): Phản xạ từ mặt đất, nước hoặc bề mặt sáng màu, có thể được tận dụng gián tiếp.

Sự kết hợp của ba thành phần này tạo nên tổng năng lượng bức xạ mặt trời tại điểm đo.

3.2. Phân loại bức xạ theo dải bước sóng

Bức xạ mặt trời không chỉ khác nhau về cách lan truyền mà còn được phân loại theo dải bước sóng điện từ. Mỗi dải mang đặc trưng năng lượng và tác động riêng đối với khí quyển, sinh quyển và các hệ thống công nghệ ứng dụng, đặc biệt là ứng dụng năng lượng bức xạ mặt trời trong sản xuất điện bằng Tấm pin PV.

Theo phổ bức xạ Mặt Trời, ta có thể chia thành các dải chính như sau:

Như vậy, phổ bức xạ mặt trời trải dài từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại. Dải ánh sáng nhìn thấy chiếm phần lớn năng lượng mà bề mặt Trái Đất nhận được, trong khi phần tử ngoại có thể gây ảnh hưởng sinh học rõ rệt và dải hồng ngoại góp phần lớn vào cân bằng năng lượng bề mặt. Việc phân loại này là cơ sở để đánh giá hiệu suất hấp thụ của Tấm pin PV, thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời và nghiên cứu tác động đến sinh quyển.

Theo World Health Organization, tầng ozone hấp thụ gần như toàn bộ UV-C và phần lớn UV-B, bảo vệ sinh vật khỏi tổn thương DNA nghiêm trọng.

4. Cường độ bức xạ mặt trời là gì và đo thế nào?

Sau khi hiểu phân loại, cần làm rõ cường độ bức xạ mặt trời – chỉ số cốt lõi trong đánh giá khí hậu và thiết kế hệ thống năng lượng. Cường độ bức xạ là công suất năng lượng nhận được trên một đơn vị diện tích, đơn vị W/m².

Trong thực hành, cường độ bức xạ mặt trời thường được ký hiệu là I hoặc E và đo bằng watts trên mét vuông (W/m²). Đây là cách diễn đạt trực quan: năng lượng nhận được trên mỗi mét vuông mỗi giây.

Công thức tính cường độ bức xạ

Để mô tả mối quan hệ giữa năng lượng nhận được và diện tích, ta sử dụng công thức:

I = Q / A

Trong đó:

• I là cường độ bức xạ mặt trời (W/m²)
• Q là tổng năng lượng bức xạ mặt trời nhận được (W)
• A là diện tích bề mặt đặt cảm biến hoặc bề mặt nhận bức xạ (m²)

Công thức này thể hiện rằng cùng một lượng năng lượng nếu trải rộng trên diện tích lớn hơn sẽ dẫn đến cường độ bức xạ nhỏ hơn và ngược lại.

Ngoài ra, khi xét theo khoảng thời gian cụ thể trong ngày, tổng năng lượng bức xạ mặt trời mà một diện tích nhận được được tính bằng tích phân:

H = ∫ I(t) dt

Trong đó:

• H là tổng năng lượng bức xạ nhận được trong ngày (kWh/m²/ngày)
• I(t) là cường độ bức xạ theo thời gian

Việc sử dụng cả hai biểu thức này giúp đánh giá cả giá trị tức thời (thông số quan trọng để thiết kế hệ thống) và giá trị theo thời gian (phân tích tiềm năng năng lượng trong ngày hay theo mùa).

Việc đo đạc sử dụng các thiết bị chuyên dụng:

• Pyranometer: Đo tổng bức xạ (trực tiếp + khuếch tán).
• Pyrheliometer: Đo bức xạ trực tiếp theo hướng Mặt Trời.
• Vệ tinh khí tượng: Cung cấp dữ liệu diện rộng, liên tục.

Dữ liệu của World Meteorological Organization cho thấy cường độ bức xạ bề mặt thay đổi mạnh theo vĩ độ, mùa và độ che mây. Ở Việt Nam, tổng bức xạ trung bình năm dao động khoảng 4–5 kWh/m²/ngày, thuận lợi cho khai thác điện mặt trời.

5. Bức xạ mặt trời ảnh hưởng thế nào đến cuộc sống?

Từ chỉ số đo lường, tác động của bức xạ mặt trời thể hiện rõ rệt trong đời sống, cả ở mặt tích cực lẫn rủi ro cần quản lý.

5.1. Những tác động tích cực của bức xạ mặt trời

Ở khía cạnh tích cực, bức xạ mặt trời mang lại nhiều lợi ích đã được chứng minh:

• Sức khỏe: Ánh sáng mặt trời hỗ trợ tổng hợp vitamin D, cải thiện nhịp sinh học.
• Nông nghiệp: Quyết định năng suất cây trồng thông qua quang hợp.
• Năng lượng sạch: Điện mặt trời giúp hộ gia đình tiết kiệm 30–70% chi phí điện; hệ thống có thể hoàn vốn sau 3–5 năm và tiếp tục tạo giá trị trong 25–27 năm tiếp theo. Tuổi thọ Tấm pin PV thường 25–30 năm; bảo hành tấm pin 12–15 năm, inverter 5–10 năm, pin lưu trữ Lithium 7–10 năm.

Trong thực tế triển khai, các dự án điện mặt trời do DAT Group thực hiện tuân thủ quy trình kỹ thuật bốn bước (tư vấn – đề xuất – cung cấp – lắp đặt & bàn giao), bảo đảm hiệu quả và an toàn vận hành dài hạn.

5.2. Các tác động tiêu cực và rủi ro từ bức xạ mặt trời

Song song lợi ích, cần nhận diện rủi ro để chủ động phòng ngừa:

• Tia UV: Phơi nhiễm quá mức làm tăng nguy cơ ung thư da và lão hóa sớm.
• Nắng nóng cực đoan: Góp phần vào các đợt sóng nhiệt, ảnh hưởng sức khỏe cộng đồng.
• Suy giảm vật liệu: Bức xạ và nhiệt có thể làm lão hóa nhanh các bề mặt ngoài trời nếu không chọn vật liệu phù hợp.

WHO khuyến nghị sử dụng chỉ số UV để điều chỉnh thời gian tiếp xúc và áp dụng các biện pháp bảo vệ cá nhân.

Bức xạ mặt trời không chỉ là hiện tượng vật lý mà còn là nền tảng của sự sống, khí hậu và chuyển dịch năng lượng bền vững. Hiểu đúng bản chất, cường độ bức xạ mặt trời và các tác động giúp chúng ta khai thác năng lượng bức xạ mặt trời hiệu quả, đồng thời giảm thiểu rủi ro cho sức khỏe và môi trường. Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng sạch tăng cao, các giải pháp điện mặt trời được triển khai bài bản bởi DAT Group (thành lập năm 2006) là một hướng đi thực tiễn, lâu dài. 

Tham khảo thêm tại: https://datsolar.com/ 

Nguồn tham khảo:

1. NASA – Solar Radiation and Climate
2. NOAA – Solar Irradiance and Earth’s Energy Budget
3. IPCC – Climate Change 2023: The Physical Science Basis
4. World Meteorological Organization (WMO) – Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation
5. World Health Organization (WHO) – Ultraviolet Radiation and Human Health