Giáo trình khí tượng nông nghiệp đh nông nghiệp 1

Những ñiểm mới của giáo trình: Căn cứ vào nhiệm vụ giảng dạy của khối ngành Nông - Lâm ở bậc Ðại học và khung chương trình ñào tạo mới ñưọc Hội ñồng tư vấn Bộ Giáo dục và Ðào tạo thông

-o0o -

đoàn văn điếm (chủ biên)

giáo trình khí t−ợng nông nghiệp

các tác giả: trần đức hạnh

Lê quang vĩnh

Nguyễn thanh bình

Hà Nội - 2008

Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp - ii

trường nông nghiệp, Khoa học ñất, Sư phạm kỹ thuật nông nghiệp… thuộc các trường ðại học Nông nghiệp và Nông - Lâm nghiệp Giáo trình còn là một tài liệu tham khảo cần thiết ñối với các Học viên cao học, Nghiên cứu sinh, Cán bộ giảng dạy và nghiên cứu trong các lĩnh vực thuộc ngành Nông Lâm

2 Mục tiêu cuốn giáo trình:

Trang bị cho sinh viên kiến thức về thời tiết, khí hậu, biến ñổi khí hậu và tác ñộng của chúng ñối với cây trồng và sâu bệnh ngoài ñồng ruộng, kỹ năng khảo sát và ñánh giá các yếu

tố thời tiết, khí hậu, ảnh hưởng của chúng ñối với sinh vật và sản xuất nông nghiệp

3 Kiến thức trọng tâm của giáo trình:

Khái quát về khí tượng nông nghiệp, khí hậu nông nghiệp, phương pháp quan trắc, thu thập số liệu khí tượng, phân tích ñịnh tính, ñịnh lượng các yếu tố khí tượng ảnh hưởng ñến tình hình sinh trưởng, phát triển, năng suất của cây trồng, phát sinh của sâu bệnh và sản xuất nông nghiệp

4 Phân công biên soạn:

Chủ biên và hiệu ñính: PGS.TS ðoàn Văn ðiếm

Trường ðại học nông nghiệp I

1 PGS.TS ðoàn Văn ðiếm, Trường ðHNN I biên soạn các chương II, IV, VI, VIII, IX, phần mở ñầu và thực tập

2 PGS TS Trần ðức Hạnh, Trường ðHNN I biên soạn các chương X và XI

3 TS Lê Quang Vĩnh, Trường ðHNL Huế biên soạn các chương III và VII

4 ThS Nguyễn Thanh Bình, ðH Tây Nguyên biên soạn các chương I và V

5 Những ñiểm mới của giáo trình:

Căn cứ vào nhiệm vụ giảng dạy của khối ngành Nông - Lâm ở bậc Ðại học và khung chương trình ñào tạo mới ñưọc Hội ñồng tư vấn Bộ Giáo dục và Ðào tạo thông qua, trên cơ

sở cuốn Giáo trình Khí tượng nông nghiệp của trường ÐHNNI xuất bản năm 1997 và các tài liệu trong và ngoài nước cùng nhiều ý kiến ñóng góp của các chuyên gia, giáo trình Khí

tượng nông nghiệp lần này ñã cập nhật các kiến thức mới, bổ sung các nội dung phù hợp với

mục tiêu ñào tạo của các ngành học Giáo trình ñã bổ sung thêm các chương về tác ñộng của các yếu tố khí tượng tới sinh vật ( chương VI), thiên tai khí tượng nông nghiệp (chương VII), biến ñổi khí hậu (chương IX) và phần thực tập khí tượng nông nghiệp (phần E) Giáo trình cũng ñã bổ sung nội dung về mối quan hệ giữa khí hậu và sản xuất nông nghiệp (mục I, phần A), Thực trạng và giải pháp sử dụng hợp lý tài nguyên khí hậu ở Việt Nam (mục 1 và 2, chương X) Ngoài ra giáo trình lần này ñã hiệu ñính chuẩn xác nhiều kiến thức, công thức ñịnh lượng và số liệu khí tượng… cung cấp cho bạn ñọc nguồn tài liệu sử dụng trong nghiên cứu khoa học

6 Hướng dẫn sử dụng Giáo trình:

Giáo trình viết cho nhiều chuyên ngành, tùy từng chuyên ngành khi sử dụng có thể chọn lựa các chương chuyên sâu phù hợp ñể giảng dạy cho sinh viên Nếu sử dụng cho 3 ñơn

vị học trình (3 ðVHT), nên giảng lý thuyết 35 tiết (2 ÐVHT) và thực tập 10 tiết (1 ÐVHT)

7 Tài liệu tham khảo khi ñọc Giáo trình:

1 Trần ðức Hạnh, Văn Tất Tuyên, ðoàn Văn ðiếm, Trần Quang Tộ, Giáo trình khí tượng nông nghiệp NXB Nông nghiệp, H - 1997

2 Trần ðức Hạnh, ðoàn văn ðiếm, Nguyễn Văn Viết, Lý thuyết về khai thác hợp lý nguồn tài nguyên khí hậu nông nghiệp, Giáo trình Cao học, NXB Nông nghiệp - 1997

3 Lê Quang Huỳnh và cộng tác viên Ðánh giá tài nguyên khí hậu nông nghiệp Việt Nam, Báo cáo khoa học ñề tài cấp nhà nước, Mã số 42A-01 Tổng cục KTTV, Hà Nội - 1989

AcTS Active Temperature Sum Tắch ôn hoạt ựộng

ASEAN Association of South-East Asian Nation Các nước đông Nam Á

ENSO En Nino - Southern Oscilation En Nino - Dao ựộng Nam bán cầu

ETA Actual Evapo-Transpiration Bốc thoát hơi nước thực tế ETS Effective Temperature Sum Tắch ôn hữu hiệu

FAO Food and Agricultural Organization Tổ chức nông - lương Thế giới

GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin ựịa lý

ICRAF International Centre for Research in

KTTV Hydrometeorological Service of Vietnam Khắ tượng thủy văn

N,S ,E,W North, South, East, West Hướng gió: Bắc, Nam, đông, Tây NASA National Aeronautics and Space

quốc gia (Mỹ) PAR Photosynthesis Active Radiation Bức xạ quang hợp

PET Potential Evapo-Transpiration Bốc thoát hơi nước tiềm năng

SOI Southern Oscilation Index Chỉ số Dao ựộng Nam bán cầu

WMO World Meteorological Organization Tổ chức Khắ tượng thế giới

Trường đại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khắ tượng Nông nghiệp - iii

Bảng 1.1 Khối lượng khắ quyển (m) tia sáng ựi qua ứng với ựộ cao mặt trời (ho) 14 Bảng 1.2 Lượng bức xạ trung bình tháng (cal/cm2/tháng) ở vùng Postdum 16 Bảng 1.3 Trị số albedo trên các loại bề mặt (%) 20 Bảng 1.4 Khả năng bức xạ tương ựối của các loại bề mặt khác nhau (δ) 21 Bảng 1.5 độ dài bước sóng và năng lượng của thành phần bức xạ mặt trời 24 Bảng 1.6 độ dài ngày thiên văn tắnh theo vĩ ựộ ựịa lý (ựơn vị: giờ, phút) 25 Bảng 1.7 độ dài chiếu sáng sinh lý ở các vĩ ựộ khác nhau 25 Bảng 2.1 Nhiệt ựộ không khắ khảo sát lúc 7h (0h GMT) ở các ựộ cao tại Hà Nội 29 Bảng 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt ựộ và ẩm ựộ ựến mật ựộ không khắ 31 Bảng 2.3 Thành phần không khắ khô, không bị ô nhiễm 32

Bảng 2.5 Ảnh hưởng của biện pháp trồng cây che bóng ựối với sâu, bệnh hại cà

phê chè Catimor ở huyện Hướng hóa, Quảng trị 39

Bảng 3.2 Nhiệt dung thể tắch của một số loại ựất có ựộ ẩm khác nhau 42 Bảng 3.3 Hệ số dẫn nhiệt của một số vật chất cấu tạo ựất 42 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của tỷ trọng và ựộ ẩm ựối với hệ số truyền nhiệt ựộ của ựất 43 Bảng 3.5 Biến thiên nhiệt ựộ hàng ngày của một số loại ựất, ựá tại Huế (oC) 45 Bảng 3.6 Biên ựộ nhiệt ựộ ngày ựêm của ựất trồng chè Phú Hộ - Phú Thọ 47 Bảng 3.7 Ảnh hưởng của việc làm luống tới nhiệt ựộ ựất 48 Bảng 3.8 Biến thiên nhiệt ựộ ngày theo khoảng cách từ bờ biển 52 Bảng 3.9 Nhiệt ựộ tối cao tuyệt ựối các tháng mùa nóng và năm (0C) 55 Bảng 3.10 Nhiệt ựộ tối thấp tuyệt ựối các tháng mùa lạnh và năm (0C) 56 Bảng 3.11 Tổng nhiệt ựộ trung bình, hoạt ựộng và hữu hiệu của ngô Bioseed 9670 59 Bảng 3.12 Chế ựộ nhiệt và bức xạ các vườn cà phê ở Khe Sanh (Quảng Trị) 59

Bảng 4.2 Hệ số tương quan giữa lượng mưa với thời gian sinh trưởng và các yếu

tố cấu thành năng suất ngô LVN10 vụ đông ở đBSH 82 Bảng 5.1 Cấp gió Beaufort (Theo Quy phạm quan trắc - Tổng cục KTTV 1994) 98 Bảng 6.1 Hiệu suất sử dụng bức xạ mặt trời trong ựiều kiện kỹ thuật tối ưu 106 Bảng 6.2 Bức xạ quang hợp các tháng ở một số nơi 107 Bảng 6.3 Một số chỉ tiêu nhiệt ựộ của cây trồng (oC) 111 Bảng 6.4 Giới hạn nhiệt ựộ tối thấp sinh vật học ( B 0C) của cây trồng 112 Bảng 6.5 Nhu cầu nhiệt ựộ ựất của một số hạt giống cây trồng thời kỳ nảy mầm 113 Bảng 6.6 Ảnh hưởng của nhiệt ựộ ựến tốc ựộ sinh trưởng chiều dài của rễ ngô 113 Bảng 6.7 Tốc ựộ gió trong các lô cà phê có ựai rừng chắn gió ở Khe Sanh 118 Bảng 7.1 Tần số sương muối trung bình ở một số vùng 121 Bảng 7.2 Quan hệ giữa hệ số C và ựộ ẩm tương ựối của không khắ 122 Bảng 7.3 Mức ựộ gió khô nóng ở một số ựịa ựiểm vùng Bắc Trung Bộ 123 Bảng 7.4 Chỉ số khắ tượng của các loại hạn không khắ 125 Bảng 7.5 Tần suất hạn hán trong mùa khô ở Quảng Ngãi (%) 126 Bảng 7.6 Thiệt hại do lũ lụt gây ra ở miền Trung (Quảng Bình - Bình Thuận) 128 Bảng 7.7 Tần số bão, áp thấp nhiệt ựới ảnh hưởng trực tiếp (*) hay gián tiếp (**) 132 Bảng 8.1 Ngày mặt trời qua thiên ựỉnh ở các vĩ ựộ ựịa lý 135 Bảng 8,2, Độ cao mặt trời và ựộ dài ngày ở các vĩ ựộ ựịa lý 136

Bảng 8.6 Một số ñặc trưng của không khí vịnh Bengan trên lãnh thổ Việt Nam 139 Bảng 8.7 Ðặc trưng khái quát của gió mùa Ðông Nam Á trên lãnh thổ nước ta* 139 Bảng 8.8 So sánh các ñặc trưng khí hậu ở một số ñịa ñiểm vùng nội chí tuyến 141 Bảng 8.9 Các khối không khí, thời kỳ ảnh hưởng và phạm vi tác ñộng 142 Bảng 8.10 Tổng lượng bức xạ mặt trời các tháng ở một số ñịa ñiểm 146 Bảng 8.11 Nhiệt ñộ không khí trung bình các tháng (0C) 148 Bảng 8.12 Biên ñộ trung bình ngày của nhiệt ñộ không khí (0C) 149

Bảng 8.14 Ðộ ẩm không khí tương ñối trung bình ở một số nơi (%) 153 Bảng 8.15 Tần số bão ñộ bộ vào bờ biển Việt Nam (cơn) 154 Bảng 8.16 Các ñặc trưng khí hậu trung bình năm ở một số nơi 155 Bảng 9.1 Sự thay ñổi vĩ ñộ ở một số nơi trong các thời ñại ñịa chất 166 Bảng 9.2 Ngày tan băng các thời kỳ trên các sông, hồ thuộc Bắc Âu 167 Bảng 9.3 Thời gian thu hoạch nho qua các thế kỷ ở Dijion, Pháp 167 Bảng 9.4 Biến ñổi khí hậu từ sau Công nguyên ñến thế kỷ XIX 168 Bảng 9.5 Số lượng các tác nhân ô nhiễm trên toàn thế giới trong năm 1992 170 Bảng 9.6 Thống kê hiện tượng En Nino từ 1949 ñến nay 180 Bảng 9.7 Chuẩn sai nhiệt ñộ trung bình của thập kỷ 1986 - 1995 (0C) 182 Bảng 10.1 Tiềm năng năng suất lúa tính theo các phương pháp khác nhau (tạ/ha) 191 Bảng 10.2 Nhu cầu nước, lượng nước tưới và mức giảm năng suất do nước gây ra 193 Bảng 10.3 Năng suất khoai tây ở các thời vụ có bức xạ quang hợp khác nhau 194

Phần thực tập

Bảng I.1 Tần số và tần suất (%) các nhóm nhiệt ñộ 216 Bảng II.1 Phương trình tương quan giữa số giờ nắng và bức xạ quang hợp 221 Bảng III.1 Lập bảng hiệu chính giản ñồ nhiệt ký 226 Bảng IV.1 Bảng tra sức trương hơi nước bão hòa (Emb) và ñiểm sương (τ 0C) 232 Bảng VI.1 Xác ñịnh tốc ñộ gió theo vòng răng máy Wind-gauge 246

Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp - v

Hình 1.2 Phổ bức xạ mặt trời ñi qua khí quyển xuống mặt ñất (Gates, 1965) 13 Hình 1.3 Sơ ñồ ñường ñi của tia sáng trong khí quyển 13 Hình 1.4 ðộ cao mặt trời và ñường ñi của tia sáng trong khí quyển 14

Hình 1.6 Phân bố trung bình năm của tổng xạ (Kcal/cm2/phút) 18 Hình 1.7 Sự phân bố cân bằng bức xạ trên trái ñất (Kcal/cm2/phút) 22

Hình 2.1 Nhiệt ñộ và khí áp trung bình ở các tầng cấu trúc của khí quyển 28 Hình 2.1 Quang hợp của cây thông và nồng ñộ CO2 trong không khí 36 Hình 3.1 Biến thiên nhiệt ñộ ñất feralit trồng cà phê theo chiều sâu tại Tây Hiếu,

Hình 4.2 Vòng tuần hoàn nước trong giới hạn lục ñịa 62 Hình 4.3 Ðồ thị biểu diễn phụ thuộc của áp suất hơi nước bão hòa vào nhiệt ñộ 64

Hình 4.12 Mây tằng tích - Sc (Strato - cumulus) 78

Hình 5.9 Tác dụng của lực làm lệch hướng do sự tự quay của trái ñất 94 Hình 5.10 Hướng của lực ma sát và hướng chuyển ñộng của không khí 95

Hình 5.15 Sơ ñồ giải thích sự hình thành gió ñất - biển 100

Hình 5.17 Sơ ñồ giải thích sự hình thành gió fohn 101

Hình 7.3 ðường ñi của các cơn bão vào Việt Nam qua các tháng 132 Hình 8.1 Sơ ñồ vị trí trái ñất - mặt trời ngày 22/6 135 Hình 8.2 Bản ñồ phân bố khí áp mặt biển và hoàn lưu khí quyển tháng I (mb) 138 Hình 8.3 Bản ñồ phân bố khí áp mặt biển và hoàn lưu khí quyển tháng VII (mb) 140

Hình 8.5 Toán ñồ suất bảo ñảm ngày bắt ñầu và kết thúc mùa nóng (t0 > 250C) 147 Hình 8.6 Toán ñồ suất bảo ñảm ngày bắt ñầu và kết thúc mùa lạnh (t < 200C) 151 Hình 9.1 Nêm nhiệt ở Thái Bình Dương trong ñiều kiện bình thường 175 Hình 9.2 Nêm nhiệt ở Thái Bình Dương trong ñiều kiện El Ninô 176 Hình 9.3 Những khu vực chịu tác ñộng mạnh của El Ninô mùa ñông 177 Hình 9.4 Những khu vực chịu tác ñộng mạnh của El Ninô mùa hè 177

Phần thực tập

Hình III.1 Nhiệt kế thường (A); Bầu nhiệt kế tối cao (B); Vi quản nhiệt kế tối thấp 224

Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp - vi

Sản xuất nông nghiệp bị chi phối rất nhiều bởi ựiều kiện ngoại cảnh vì ựối tượng của

nó là sinh vật Trong các yếu tố ngoại cảnh như khắ hậu, ựất, nước, con người và sinh vật khác thì khắ hậu ựược coi là yếu tố tác ựộng trực tiếp và thường xuyên nhất ựối với sinh vật Trong thời ựại ngày nay, do những hoạt ựộng công nghiệp ngày càng gia tăng, khắ hậu ựang biến ựổi theo chiều hướng bất lợi Vì vậy, vấn ựề sử dụng hợp lý tài nguyên khắ hậu ựang là một thách thức với con người trước mọi hoạt ựộng trong ựó có sản xuất nông nghiệp để hiểu rõ tầm quan trọng vấn ựề sử dụng bền vững tài nguyên khắ hậu, chúng ta cần tìm hiểu mối quan hệ giữa khắ hậu và sản xuất nông nghiệp

1.1 Sự phân bố sinh vật trên trái ựất phụ thuộc vào ựiều kiện khắ hậu

Như chúng ta ựã biết, trên bề mặt trái ựất ở các vùng khác nhau có những ựặc ựiểm khắ hậu khác nhau Mỗi vùng khắ hậu ựược quyết ựịnh do ựiều kiện ựịa lý và vật lý riêng của chúng Người ta ựã phân biệt các ựới khắ hậu với những ựặc ựiểm riêng biệt rõ nét về chế ựộ bức xạ, chế ựộ nhiệt, chế ựộ mưa, ẩm Ngay trong mỗi ựới khắ hậu thì tùy thuộc vào ựiều kiện của mỗi nước, mỗi vùng khắ hậu, thời tiết khác nhau rất xa Do ựặc ựiểm khắ hậu, sinh vật ựược phân bố một cách phù hợp Các loài sinh vật, ngay cả các giống trong cùng một loài cũng có thể chỉ sinh trưởng, phát triển tốt trong mỗi vùng khắ hậu nào ựó Không phải ngẫu nhiên mà sinh vật chỉ lựa chọn ựiều kiện khắ hậu cho riêng mình như vậy Ngược lại, chắnh ựiều kiện khắ hậu diễn ra hàng ngàn năm nay ựã lựa chọn chủng loại sinh vật phù hợp cho nó Ngoài ra, sinh vật cũng tìm cách thắch nghi dần với ựiều kiện khắ hậu mà nó sinh sống Tuy nhiên, những biến ựổi thất thường của ựiều kiện khắ hậu ựã tiêu diệt nhiều cá thể có sức khỏe yếu ựể dần dần lựa chọn ựược những cá thể và chủng loại sinh vật phù hợp nêu trên Kết quả

là nhiều loại sinh vật chỉ phân bố hẹp trong những ựiều kiện khắ hậu rất riêng mà khó có thể di chuyển sang những vùng khắ hậu khác ựược

Theo nhà chọn giống cây trồng người Nga Vavilốp, ngay từ xa xưa trên trái ựất ựã hình thành nhiều Trung tâm khởi nguyên về giống cây trồng ở các vùng khắ hậu khác nhau Theo các nhà khoa học, vùng đông Nam Á là vùng có khắ hậu nhiệt ựới, gió mùa với tài nguyên nhiệt, bức xạ dồi dào, lượng mưa và ựộ ẩm cao ựã hình thành Trung tâm khởi nguyên loài lúa nước (Oryza Sativa) Tương tự như vậy, có rất nhiều cái nôi của những giống cây trồng, vật nuôi ựược gọi là các Trung tâm khởi nguyên như Trung Quốc, Trung Á, địa Trung Hải, Trung đông, Abixini, Trung Mỹ, Nam Mỹ Không phải ngẫu nhiên mà các nền văn minh từ cổ ựại ựến hiện ựại chỉ hình thành và phát triển ở những vùng ựịa lý riêng của nó Cách ựây 5 - 6 ngàn năm, vùng Cận đông ựã tồn tại nền văn minh Lưỡng hà rực rỡ, ở Trung

Mỹ là nền văn minh Maya , sự phát triển và suy vong của các nền văn minh ựó ựều có bàn tay của khắ hậu Các vùng sa mạc của vùng Cận động rộng lớn ngày nay chắnh là những khu vực ựất ựai màu mỡ ngày xưa Xyry trước ựây là một vùng nguyên liệu cung cấp cho Ai Cập nhiều loại gỗ quý và cho La Mã nho và cọ dầu Hy Lạp xưa kia phồn vinh và nổi tiếng với cảnh quan trù phú, núi xanh và ựồng ruộng phì nhiêu xã hội ựạt tới một trình ựộ văn minh tuyệt ựỉnh đây chắnh là một chặng dừng chân của con ựường tơ lụa từ đông sang Tây Ngày nay, vùng này chỉ là một vùng ựịa lý bình thường với những ngọn ựồi trơ trụi, ựất ựai khô cằn ựang sa mạc hóa Một nguyên nhân quan trọng là sự thay ựổi của khắ hậu ở khu vực này trong suốt nhiều thiên niên kỷ qua từ ẩm ướt sang khô hạn

Trường đại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khắ tượng Nông nghiệp - - 2

ựất ựai, khắ hậu riêng mà thiên nhiên ựã ban tặng, loại cây trồng ựặc sản không những cho phẩm chất ựặc biệt mà năng suất cũng rất cao Khắ hậu là môi trường gắn liền với ựất ựai và liên hệ tới cây trồng Các yếu tố khắ hậu như năng lượng bức xạ mặt trời, nhiệt ựộ, ựộ ẩm không khắ, lượng mưa, bốc hơi thường ựược phối hợp tác ựộng khá tinh vi ựối với các loại men sinh học trong các tế bào ựể tổng hợp hay phân giải các chất hữu cơ tạo nên chất lượng nông sản Bức xạ mặt trời là nguồn cung cấp năng lượng cho quá trình quang hợp, tổng hợp các chất Nhiệt ựộ, ựộ ẩm và biên ựộ ngày ựêm của chúng trong những trường hợp thuận lợi

ựã ựiều chỉnh, gia giảm ựể tổng hợp nên những chất thơm, alcaloid, tanin, vitamine, ựường bột, protein, lipid hay một chất hoạt tắnh riêng nào ựó Trong nghệ thuật nấu ăn người dầu bếp

ựã từng gia giảm các chất gia vị ựể tạo ra các món ăn nổi tiếng của ựịa phương mình đối với khắ hậu cũng như người ựầu bếp vậy, nó cần mẫn ựiều chỉnh chút nắng, chút gió, chút sức nóng hay ựộ lạnh ựể có một sản phẩm riêng của nó Còn các loại cây ựặc sản thì tiếp nhận sự gia giảm tác ựộng của các yếu tố khắ hậu ựể tạo nên những trái thơm, quả ngọt

Không phải ngẫu nhiên miền núi lại có những loại dược liệu chất lượng cao từ cây trồng, vật nuôi để có sản phẩm hàng hóa, con người ựã tiến hành sản xuất dược liệu ngay ở vùng ựồng bằng khắ hậu ôn hòa với năng suất cao nhưng ựã không tạo ra ựược sản phẩm chất lượng cao Khắ hậu khắc nghiệt ựối với chất lượng dược liệu cũng giống như ựặc tắnh chữa bệnh của dược liệu là Ộ thuốc ựắngỢ thì Ộdã tậtỢ Ở miền núi, các yếu tố khắ hậu thường biến ựộng rất nhiều: ban ngày trời nắng, nóng, ban ựêm trời lạnh; ựộ ẩm không khắ lúc cao, lúc thấp đặc biệt trong chế ựộ mưa, ẩm thì phân biệt rõ thời kỳ mưa nhiều, thời kỳ mưa ắt Chắnh do hình thành và tắch lũy các chất dược hoạt tắnh trong những ựiều kiện ựó mà cây dược liệu ựã cho chất lượng cao

Ở miền Bắc ựối với cây mắa, nông dân ựã tổng kết: ỘMắa tháng bảy ựường chảy lên ngọnỢ Từ tháng bảy âm lịch, khắ hậu ở miền Bắc bắt ựầu chuyển sang tiết heo may (ảnh hưởng của trung tâm khắ áp cao cận chắ tuyến): trời trong xanh, không một gợn mây, ban ngày tròi nắng, ban ựêm se lạnh, ựộ ẩm không khắ thấp Từ ựộ tiết Thu sang thì cây cối bước vào thời kỳ tắch lũy các chất dinh dưỡng, chất lượng mắa và hoa quả ựều tăng lên ựáng kể Biên ựộ nhiệt ựộ ngày ựêm cao ựã tạo ựiều kiện cho các loại men tổng hợp ựường saccaroza hoạt ựộng tốt còn men hô hấp, phân giải thì hoạt ựộng yếu ựi

Còn một vắ dụ nữa về sự chi phối của khắ hậu ựối với chất lượng nông sản phẩm Ở các tỉnh vùng đồng bằng Bắc Bộ thường biết rất rõ về chất lượng của cơm, gạo lúa vụ mùa đặc sản ở một số nơi ựã nổi tiếng về Ộcơm niêu ựất, thổi gạo mùaỢ để có thứ cơm ựó người

ta thường phải chọn loại gạo hạt trong, không bị bạc bụng, ựó là gạo lúa vụ mùa Do thời gian làm hạt vào tháng 9, tháng 10 có thời tiết heo may như trên mà chất lượng cơm gạo lúa mùa hơn hẳn so với lúa vụ chiêm, xuân (xét cùng một giống) Lúa vụ chiêm, xuân thì làm hạt vào tháng 4, tháng 5, với thời tiết nhiều mây, nóng nực, biên ựộ nhiệt ựộ ngày ựêm thấp mà ựộ ẩm không khắ cao đó là ựiều kiện thường làm cho cây trồng tắch lũy dinh dưỡng kém, hô hấp mạnh

Khi bước tới vườn cây ăn quả, nếu bạn muốn hái một quả thơm ngon thì hãy chọn những quả ở ựầu cành, trên một cây ở giữa vườn nhiều nắng, nhiều gió, không bị che khuất bởi tán của những cây khác đó chắnh là chất lượng mà khắ hậu ựã ban tặng bạn

1.3 Quan hệ giữa khắ hậu và ựất ựai

Theo các tiêu chuẩn ựành giá ựất ựai của Tổ chức Nông nghiệp, lương thực Quốc tế

hàng giờ có ảnh hưởng tới ñất ñai Trong quá trình hình thành ñất, các yếu tố khí hậu như bức

xạ mặt trời, nhiệt ñộ, lượng mưa, ñộ ẩm ñã tác ñộng không chỉ tới thành phần nông hóa mà còn ảnh hưởng tới cấu trúc ñất, thành phần cơ giới của ñất ðất không xuất hiện ñột ngột từ

ñá mẹ mà phát triển từ từ dưới ảnh hưởng của khí hậu và sinh vật sống trên ñó Tùy theo các vùng khí hậu khác nhau mà hình thành nhiều loại ñất khác nhau Ở vùng nhiệt ñới, sự phân hủy ñá mẹ xảy ra với cường ñộ mạnh hơn nhiều so với các vùng ôn ñới ðất nhiệt ñới có khuynh hướng rửa trôi rất mạnh dioxit silic và tích tụ các ôxit sắt, nhôm, mangan làm cho ñất

có màu vàng ñỏ Cùng với dioxit silic, các chất dễ tan, chất màu mỡ cũng bị rửa trôi, xói mòn làm cho ñất trở nên nghèo dinh dưỡng ñối với cây trồng Các loại ñất feralit của vùng nhiệt ñới có các tiểu phần riêng biệt rất mảnh nhưng thường ñược gắn chặt với nhau thành những hạt nhỏ như cát (hạt cát giả) nên ít dẻo, nhẹ, ít trương khi bị thấm nước và rất dễ cày Các loại ñất này nếu gặp ñiều kiện khí hậu khô hạn thì rời rạc, không có kết cấu và gây ra hiện tượng

bị xói mòn do gió Ví dụ, khoảng năm 1935 ở Hoa kỳ, người ta ñã phải kéo còi báo ñộng vì những cơn lốc bụi (dust bowls) Trên những ñồng bằng rộng lớn vùng Têchzat bị khô hạn nghiêm trọng, ñất ñai bị vỡ vụn dưới chân của ñàn gia súc và biến thành bụi, bị gió tung lên

mù mịt không trung Các khu ñất màu mỡ trước ñó ñã biến thành những ñụn cát trên sa mạc

ðất thường ñược che phủ bởi thảm thực vật nên nước mưa không rơi trực tiếp làm phá

vỡ kết cấu ñât Ở tầng canh tác, ñất ñược bảo vệ bởi hệ thống rễ cây, tạo thành một “miếng bọt biển” khổng lồ hút vào và giữ lại nước mưa ñể chúng có thể ngấm dần xuống mạch nước ngầm rồi mới chảy ra sông, ra suối Nếu thực bì bị tiêu diệt thì nước sau những trận mưa sẽ không ñược giữ lại mà chảy tràn trên mặt ñất, gây ra sự xói mòn ñất Theo số liệu ñiều tra của FAO, trong mỗi thế kỷ có trên 1/4 ñất nông nghiệp ñã bị thoái hóa do khí hậu và sự sử dụng không hợp lý của con người Hàng năm nước mưa có thể cuốn trôi hơn 3 tỷ tấn chất hữu cơ trên mặt ñất Ở Trung Quốc, hàng năm hiện tượng xói mòn ñã mang ñi khoảng 2,5 tỷ tấn ñất màu mỡ ñổ vào các con sông Hoàng Hà, Hoàng Hải Ở nước ta, mỗi năm những trận mưa rào cũng ñã cuốn ñi hàng triệu tấn ñất vào các dòng sông rồi ñổ ra biển Lượng ñất này bị mất ñi

mà không bao giờ có thể hoàn lại ñược

1.4 Khí hậu và mùa vụ sản xuất

Khác với sản xuất công nghiệp, sản xuất nông nghiệp có tính thời vụ Do yêu cầu khác nhau về ñiều kiện khí hậu của mỗi loại cây trồng mà nó chỉ sinh trưởng, phát triển tốt và cho năng suất cao ở một giai ñoạn khí hậu nào ñó trong một năm Nếu gieo trồng trái mùa vụ thì con người sẽ không ñạt ñược những mong muốn của họ Trong quá trình sản xuất người nông dân ñã có những kinh nghiệm canh tác ñối với mỗi loại cây trồng trên những thời vụ nhất ñịnh Ở Việt Nam, hàng năm người ta thường tiến hành từ 2 ñến 4 vụ trồng trọt ñối với loại cây lương thực và cây công nghiệp ngắn ngày ðối với các loại cây ăn quả lâu năm thì hàng năm thường ñược một mùa thu hái Thời vụ ñược hình thành như vậy và yếu tố chủ yếu quyết ñịnh thời vụ cây trồng là khí hậu

Do sản xuất nông nghiệp mang tính thời vụ nên mọi hoạt ñộng khác của người nông dân cũng dần dần hình thành tính thời vụ Chúng ta ñều biết ñến vấn ñề sử dụng lao ñộng ở nông thôn thường gặp nhiều khó khăn do tính thời vụ Mỗi năm, ở nông thôn thường có thời

kỳ “ñông vụ” rất căng thẳng về lao ñộng và thời kỳ “nông nhàn” dư thừa lao ñộng ðiều này ảnh hưởng không những ở nông thôn mà ngay cả tới các thành phố nữa Vào thời kỳ “nông

Trường ðại học Nơng nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nơng nghiệp - - 4

mỗi làng quê Từ xa xưa vùng đồng bằng Bắc Bộ đã truyền miệng những tập quán tốt, xấu gắn liền với thời kỳ nơng nhàn như: “Tháng giêng là tháng ăn chơi, tháng hai cờ bạc, tháng ba hội hè ”

Người ta cũng đã nhận thấy rằng, ngay trong các lĩnh vực văn hĩa, văn học, nghệ thuật cũng cĩ bĩng dáng của khí hậu Chúng ta chắc cũng đã nghiệm thấy trong các bài thơ hay các tác phẩm văn học, nghệ thuật nổi tiếng thường mang những nét đặc sắc riêng của những vùng xuất xứ của nĩ Cuối cùng trong mỗi tác phẩm đĩ cũng đã cho ta thấy rõ điều kiện khí hậu của chính nơi xuất xứ của nĩ

2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN KHÍ TƯỢNG NƠNG NGHIỆP

2.1 Lược sử Khí tượng Thế giới

Nơng nghiệp là hoạt động sản xuất xuất hiện sớm nhất của lồi người Ngay từ buổi ban đầu trong lao động sản xuất nơng nghiệp con người đã phải đối mặt với thiên nhiên vơ cùng khắc nghiệt, đặc biệt là thời tiết và khí hậu ðứng trước những hiện tượng thiên nhiên kỳ

vĩ, con người cổ xưa chưa thể hiểu biết được bản chất của nĩ nên đã giải thích bằng những sức mạnh của ðấng tối cao Trên thế giới, hầu như tất cả mọi nền văn minh cổ đại đều tồn tại những vị thần linh cai quản các cơng việc của trời đất trong tín ngưỡng của lồi người như Thần mặt trời, Thần giĩ, Thần mưa, Thần sấm Con người rất cần sự giúp đỡ của các vị Thần

đĩ để tạo niềm tin chiến thắng mọi sức mạnh của thiên nhiên Bên cạnh đĩ, trong sản xuất nơng nghiệp từ xa xưa con người cũng đã tích luỹ được nhiều kinh nghiệm về dự đốn thời tiết, bảo vệ mùa màng, chế ngự thiên tai Cĩ thể coi những cao dao, tục ngữ về thời tiết, khí hậu là những mầm mống đầu tiên của cơng cuộc nghiên cứu khí hậu học của lồi người tuy những kinh nghiệm như vậy cịn rất thơ sơ và cĩ thể cịn nhiều sai lầm do ảnh hưởng của tơn giáo

Những nhà tư tưởng Hy lạp là những người đầu tiên đưa ra được sự giải thích logic về các hiện tượng tự nhiên, về thế giới và nguồn gốc của nĩ Thế kỷ VI TCN, nhà thơng thái người Hy lạp Thales đã biết tính trước nhật thực Một thế kỷ sau, Anarxagore đã khẳng định mặt trời, mặt trăng khơng phải là những Thần linh Ngay từ năm 384 trước cơng nguyên G.Aristot đã viết cuốn sách “Bầu trời” (The Sky) cho rằng mọi vật đều do các yếu tố cấu tạo thành, đĩ là đất, khơng khí, nước và lửa Ơng cho rằng mỗi yếu tố đều cĩ vận động riêng Thời tiết là những biến tướng của các yếu tố xảy ra hàng ngày quanh chúng ta Chúng ta cĩ thể coi đây là một tác phẩm khí hậu đầu tiên của lồi người mặc dù nhiều hiện tượng thời tiết được mơ tả và giải thích theo quan điểm đã lỗi thời của Aristot Năm 130 Ptơlêmê đưa ra

“Thuyết địa tâm” cho rằng trái đất là trung tâm của vũ trụ, quay xung quanh trái đất là vành đai các vì sao cố định, ngồi cùng là Thượng đế tối cao điều khiển mọi hoạt động của mặt đất

và các vì sao Thuyết Ptơlêmê tồn tại 14 thế kỷ đã giúp cho các tơn giáo củng cố thế lực của

họ Thời gian này những tầng lớp thống trị như giới quý tộc và nhà thờ Thiên chúa giáo đã ngăn chặn mọi tiến bộ của khoa học Thời Trung cổ những thế lực này đã dựa vào thần quyền

để trình bày những ý kiến của họ như là những chân lý do Chúa mách bảo

Cơn giĩ lớn thời Phục Hưng đã quét sạch những điều khẳng định của Tơn giáo Năm

1543 nhà thiên văn học người Ba Lan là Nicolas Copécnic (1473 - 1543) chỉ vài ngày trước khi chết đã đưa ra “Thuyết Nhật tâm” cho rằng mặt trời là trung tâm của vũ trụ, cĩ 9 hành tinh quay xung quanh mặt trời trong đĩ cĩ trái đất Thuyết nhật tâm đã đả phá quan điểm sai lầm

Thế kỷ thứ XVI, Galilê ñã sáng chế ra kính thiên văn và nhiệt kế Năm 1644 Torixenly chế tạo ra khí áp kế và chứng minh ñược không khí có trọng lượng 1649 Torixenly ñã quan sát thấy khi áp suất khí quyển giảm thì sau ñó thời tiết thường là không ổn ñịnh, có gió và mưa Năm 1783 tại Pháp, anh em nhà Montgolfier ñã chế tạo ra khí cầu bằng không khí nóng Sau này người ta dúng hydro ñể thay không khí nóng và ñến 1930 thì khinh khí cầu trở thành những phi thuyền chuyên chở hành khách trên tuyến ñường giữa châu Âu và Nam Mỹ Thế kỷ XVIII (năm 1785) Lavoisier ñã phát hiện ra ôxy và khí cacbonic

Nhà bác học Nga vĩ ñại Lômônôxốp từ thế kỷ XVIII ñã chế tạo ra nhiều thiết bị khí tượng Ông ñã có nhiều công trình nghiên cứu về vật lý khí quyển, khí hậu ñối với sản xuất và ñời sống

Tiếp theo nhiều nhà bác học Nga khác như P.I Brơunôp, A.I Vôâycôp ñã tổ chức mạng lưới nghiên cứu khí tượng nông nghiệp khắp nước Nga vào khoảng cuối thế kỷ XIX và sau ñó cho toàn Liên bang Xô Viết Liên Xô rất thành công trong việc ñánh giá tiềm năng khí hậu ñất nước ñối với nông nghiệp, phân vùng khí hậu nông nghiệp, sử dụng tài nguyên khí hậu phục vụ các ngành kinh tế quốc dân; ðặc biệt các nhà khoa học Liên Xô có nhiều thành công trong việc phòng chống thiên tai như băng giá, bão tuyết, dự báo khí tượng nông nghiệp

Ở Mỹ, nhà bác học B.Lêvingstơn ñã có nhiều công trình nghiên cứu về ñánh giá và xử lý tiềm năng khí hậu ñất nước phục vụ sản xuất và ñời sống, ñặc biệt trong lĩnh vực dự báo khí tượng nông nghiệp Các nhà khoa học Mỹ ñã ñạt ñược ñộ chính xác tới trên 90% ñối với dự báo sâu bệnh hại, dự báo năng suất bông, lúa mì và hàng loạt cây trồng khác

Ở Pháp nhà bác học Gasparene ñã thành công trong việc nghiên cứu các phương pháp sử dụng tiềm năng khí hậu phục vụ sản xuất như bức xạ mặt trời Nhiều ngành sản xuất nông nghiệp của Pháp nhờ áp dụng các thành tựu về khí tượng nông nghiệp ñã có những bước phát triển mạnh mẽ về sản lượng và phẩm chất như nho, hướng dương, lúa mì và củ cải ñường

Nhà bác học Ý Assi ñã mô hình hoá mối quan hệ phức tạp giữa ñiều kiện khí tượng và sinh vật, ứng dụng rất có hiệu quả trong việc dự báo khí tượng nông nghiệp, xác ñịnh vùng sinh thái cho các loại cây trồng

Ngành Khí tượng Nông nghiệp thế giới chính thức ñược thành lập từ năm 1921, ñặt trụ sở tại Rome (Italia) ðể hoạt ñộng phục vụ sản xuất nông nghiệp có hiệu quả, Tổ chức Khí tượng Nông nghiệp thế giới ñược ñặt trong cơ quan Lương thực và Nông nghiệp thế giới (Food and Agricultural Organization - FAO) dưới sự hợp tác về chuyên môn của Tổ chức Khí tượng thế giới (World Meteorological Organization - WMO)

Sau này, mạng lưới nghiên cứu của Tổ chức Khí tượng Nông nghiệp thế giới ñược phát triển rộng khắp ở các châu lục như: Viện nghiên cứu lúa Quốc tế (IRRI) tại Philippin, Israel, Mỹ, Ucraina Nhờ mạng lưới nghiên cứu này, Khí tượng Nông nghiệp ñã phục vụ ñắc lực cho sản xuất nông nghiệp ở các khu vực ðến nay, Hội thảo khoa học về Khí tượng Nông nghiệp ñã ñược tổ chức ở nhiều nước Trong các cuộc hội thảo này, các nhà khoa học các nước ñã ñạt ñược nhiều thoả thuận về phương pháp nghiên cứu Khí tượng Nông nghiệp, tổ chức mạng lưới nghiên cứu ở các quốc gia, nối mạng thông tin và ñào tạo cán bộ

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học khác như toán học, vật lý, thiên văn học ngành vũ trụ học cũng từng bước phát triển rực rỡ Ngày 4 tháng 10 năm 1957 Liên Xô ñã phóng Vệ tinh nhân tạo ñầu tiên vào thăm dò vũ trụ Ngày 12 tháng 4 năm 1961 nhà du hành người Nga Iuri Gagarin ñã bay vào vũ trụ, mở ñầu cho kỷ nguyên chinh phục vũ trụ của con người Nga và Mỹ là những nước tiên phong ñặt chân lên mặt trăng và phóng các

Trường đại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khắ tượng Nông nghiệp - - 6

từ vệ tinh chúng ta có thể nghiên cứu sâu hơn về thời tiết và khắ hậu trên bề mặt trái ựất Vấn

ựề trang bị kỹ thuật hiện ựại cho nghiên cứu Khắ tượng Nông nghiệp ngày càng ựược chú ý Việc ứng dụng kỹ thuật vi tắnh vào công việc khảo sát, quản lý số liệu là một bước phát triển quan trọng của Khắ tượng Nông nghiệp

Những kết quả nghiên cứu ứng dụng Khắ tượng Nông nghiệp ựã giúp cho nhiều quốc gia tự giải quyết nạn thiếu lương thực ở khu vực sa mạc Sahara (Châu Phi) Ở các nước này hàng năm mưa rất ắt, lượng bốc hơi nước nhiều, tình trạng hạn hán nghiêm trọng xảy ra liên tục, làm thất thu nông nghiệp dẫn ựến thiếu lương thực, thực phẩm Dự báo mùa màng dựa vào ựộ ẩm ựất và những giải pháp khắc phục ựã giúp các nước này hạn chế ựược tác hại của hạn hán, tự túc khá ổn ựịnh tới 50% nhu cầu lương thực hàng năm Những kết quả nghiên cứu

ựó ựã góp phần xây dựng và làm phong phú kho tàng lý luận của Ngành Khắ tượng Nông nghiệp thế giới Ở khu vực đông Nam Á, với sự giúp ựỡ của FAO, WMO mà trực tiếp là các nhà khoa học như M Frère, G.F Popôp, L.K Oldeman Khắ tượng Nông nghiệp ựã có những ựóng góp quan trọng vào việc tăng năng suất cây trồng, giữ vững mức an toàn lương thực, thực phẩm cho vùng đáng chú ý là kết quả nghiên cứu phát triển Hệ thống canh tác nền lúa ở các ựịa bàn ựủ nước và thiếu nước của Thái Lan, Inựônexia, Malaixia, Philippin bằng những giải pháp về thời vụ và sử dụng cây trồng chịu hạn

Ngày nay, một vấn ựề lớn ựặt ra ựó là khắ hậu trái ựất ựang có những biến ựổi không thuận lợi ựối với sản xuất và ựời sống như việc nhiệt ựộ không khắ tăng lên, dâng mực nước biển, giảm sút nguồn nước ngọt Hơn nữa, dân số thế giới lại ựang bùng nổ mãnh liệt, nạn ựói ựang ựe doạ trên phạm vi toàn cầu Con người phải làm gì ựể ựối phó với các biến ựổi khắ hậu, giữ vững cân bằng sinh thái ? đó là câu hỏi lớn ựặt ra trước các nhà khoa học, các nhà khắ tượng nông nghiệp thế giới

2.2 Lược sử phát triển Khắ tượng nông nghiệp ở Việt Nam

Ở Việt Nam, từ xa xưa người nông dân ựã có nhiều kinh nghiệm về sản xuất và thời tiết phục vụ cho nghề trồng trọt, nghề chài lưới và nghề làm muối Từ thế kỷ XIII, trong Binh thư yếu lước của Trần Hưng đạo ựã có những ghi chép và nhận ựịnh về tình hình khắ hậu, ựịa

lý Tác phẩm Dư ựịa chắ của Nguyễn Trãi (thế kỷ XV) ựã mô tả chi tiết ựiều kiện ựịa lý, khắ hậu, nhân văn ở nhiều ựịa phương trong cả nước như Thăng Long, Phố hiến, Thiên Trường Nhiều tài liệu còn lưu giữ lại của các nhà bác học như Lê Quắ đôn, Ngô Thời Sỹ, Nguyễn Nghiễm ựã cho thấy trước ựây việc quan sát khắ hậu và thời tiết, ựặc biệt là vấn ựề nông lịch

và mùa vụ ựã ựược chú ý rất nhiều đặc biệt là 2 cuốn Ộ Việt sử thông giám cương mụcỢ và

ỘLịch triều hiến chương loại chắỢ ựã ghi chép về khắ hậu, thiên tai và hiện tượng thời tiết ựặc biệt Thế kỷ XVIII Hải Thượng Lãn Ông ựã có sáng kiến lập mạng lưới quan sát khắ hậu và nghiên cứu ảnh hưởng của khắ hậu tới sinh lý, bệnh lý Các tài liệu ựó cho ựến ngày nay vẫn còn nguyên giá trị Việc khảo sát khắ hậu ở Việt Nam ựã ựược tiến hành từ trên một trăm năm nay bằng các máy ựo ựạc ựịnh lượng Việc lập ra các trạm khắ tượng ựầu tiên do người Pháp tiến hành ở những nơi có nhiều tiềm năng phát triển kinh tế nhằm mục ựắch khai thác thuộc ựịa Phần lớn các trạm khắ tượng ựến nay ựã có dãy số liệu quan trắc trên 60 năm

Ở Việt Nam công tác nghiên cứu khắ tượng nông nghiệp ựã ựược bắt ựầu từ lâu đặc biệt từ năm 1954, Nhà nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa ựã thành lập cơ quan Khắ tượng Quốc gia với hệ thống các ựài trạm nghiên cứu khắ tượng Lúc ựầu, những nghiên cứu khắ tượng nông nghiệp ựược tiến hành bởi các chuyên gia thuộc phòng Nghiên cứu khắ hậu Năm

nước và một ựội ngũ cán bộ nghiên cứu chuyên sâu khá hùng hậu Nhiều quy trình khảo sát

cơ bản về khắ tượng nông nghiệp ựã ựược phòng Khắ tượng nông nghiệp thuộc Nha khắ tượng hoặc Tổng cục Khắ tượng - Thủy văn trước ựây, Trung tâm nghiên cứu Khắ tượng nông nghiệp, Viện Khắ tượng - Thuỷ văn ngày nay soạn thảo và áp dụng Ở các tỉnh có các ựài trạm khắ tượng nông nghiệp quan trắc các ựiều kiện khắ tượng và vật hậu Ngành khắ tượng nước ta

ựã gia nhập Tổ chức Khắ tượng thế giới (WMO), ựã ựược Tổ chức khắ tượng thế giới tài trợ kinh phắ ựể nghiên cứu và xây dựng cơ bản Một số dự án ựã ựược xây dựng và ựang triển khai Sự giúp ựỡ của Liên Xô (cũ) ựối với ngành khắ tượng nước ta, trong ựó có khắ tượng nông nghiệp rất có hiệu quả Viện nghiên cứu khắ tượng nhiệt ựới và bão ựược xây dựng nhờ

sự hợp tác với Liên Xô ựã tiến hành nhiều chương trình lớn như nghiên cứu bão và tác hại của

nó ựối với sản xuất và ựời sống

Bên cạnh ựó, nhiều ựề tài khắ tượng nông nghiệp ựã ựược thực hiện như nghiên cứu ựiều kiện khắ tượng ựối với một số cây trồng chắnh (lúa, ngô, ựậu tương, lạc, bông, cao su, cà phê) Một số ựề tài lớn ựược thực hiện như ựánh giá tiềm năng khắ hậu nông nghiệp ựất nước, phân vùng khắ hậu nông nghiệp, bước ựầu lập ra ựược những bản tin dự báo khắ tượng nông nghiệp ựạt ựộ chắnh xác cho phép ựối với nhiều vùng

Thành tựu lớn nhất của ngành khắ tượng thuỷ văn Việt Nam là:

- Khảo sát ựánh giá tài nguyên khắ hậu, thuỷ văn Xây dựng Atlat quốc gia và Tuyển tập số liệu khắ tượng - thuỷ văn phục vụ ựắc lực cho việc quy hoạch phát triển kinh tế

- Dự báo thời tiết ngắn hạn và hạn vừa có ựộ chắnh xác cho phép đặc biệt là dự báo nhiệt ựộ

và thời tiết mùa ựông, dự báo thiên tai, hạn hán, bão, lụt, gió mùa và sương muối, giải pháp khắc phục

- Nghiên cứu khắ tượng phục vụ sản xuất nông nghiệp như cơ cấu mùa vụ, thời vụ gieo cấy, chăm sóc, phòng trừ sâu bệnh và thu hoạch

- Nghiên cứu về sự ô nhiễm môi trường, kiểm kê khắ hiệu ứng nhà kắnh, biến ựổi khắ hậu và

hệ quả của biến ựổi khắ hậu, những giải pháp ứng phó

Nhiệm vụ ựặt ra ựối với ngành khắ tượng nông nghiệp rất lớn nhằm góp phần xây dựng nền sản xuất nông nghiệp nhiệt ựới, hạn chế tác hại của thiên tai, ựưa sản xuất nông nghiệp nước ta tới bước phát triển cao hơn

3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Nội dung của môn học

Khắ tượng nông nghiệp là một môn khoa học nghiên cứu ảnh hưởng của ựiều kiện thời tiết, khắ hậu ựối với sản xuất, các biện pháp khai thác và bảo vệ nguồn tài nguyên khắ hậu phục vụ sản xuất nông - lâm - ngư nghiệp để ựạt ựược mục tiêu ựó, Khắ tượng nông nghiệp quan tâm tới các vấn ựề sau ựây:

1 Nghiên cứu quá trình sinh trưởng, phát triển (phenology) của cây trồng, vật nuôi và sự tác ựộng của ựiều kiện khắ hậu, xác ựịnh yêu cầu về ựiều kiện khắ tượng ựối với mỗi loại sinh vật

2 Nghiên cứu khắ quyển, các quá trình vật lý xảy ra trong khắ quyển, các ựặc trưng thời tiết, khắ hậu có ảnh hưởng tới cây trồng, vật nuôi, ựất ựai, nguồn nước và sâu bệnh đánh giá mối tương quan giữa khắ hậu với sinh vật và các yếu tố môi trường khác, xác ựịnh các ngưỡng khắ hậu của mỗi giống nhằm xây dựng cơ cấu cây trồng, vật nuôi hợp lý ở các vùng sinh thái khác nhau

Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp - - 8

4 Nghiên cứu các phương pháp dự báo khí tượng nông nghiệp, cung cấp các thông tin dự báo chi tiết cho mỗi vùng sản xuất Dự báo về khả năng áp dụng các biện pháp kỹ thuật nông nghiệp trong ñiều kiện thời tiết khác nhau

5 Nghiên cứu sự biến ñổi khí hậu, vấn ñề ô nhiễm không khí và các biện pháp hạn chế sự ô nhiễm gây ra biến ñổi khí hậu Nghiên cứu thiên tai, các biện pháp phòng chống thiên tai nhằm hạn chế ñến mức thấp nhất tác hại ñối với sản xuất và ñời sống

3.2 Phương pháp nghiên cứu môn học

Với những nội dung nêu trên, Khí tượng nông nghiệp cần sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau ñây:

1 Phương pháp vật lý và toán học: Khí tượng nông nghiệp áp dụng phương pháp này ñể ño ñạc, khảo sát và ñánh giá các yếu tố thời tiết, khí hậu

2 Phương pháp quan sát song song: Phương pháp này ñược dùng trong những nghiên cứu về sinh trưởng, phát triển của sinh vật và những tác ñộng của các yếu tố khí hậu ñối với sinh vật Nội dung của phương pháp quan sát song song như sau: gieo trồng các giống vào các thời vụ khác nhau, thông thường các thời vụ cách nhau 5, 10, 15 ngày, sau ñó theo dõi sinh trưởng, phát triển, năng suất và ñiều kiện khí tượng tương ứng Người ta cũng có thể gieo trồng các giống cùng một thời ñiểm nhưng bố trí ở các vùng ñịa lý khác nhau Việc khảo sát sinh trưởng, phát triển của cây trồng và ñiều kiện khí tượng cũng ñược tiến hành tương tự như trên Kết quả của phương pháp quan sát song song là tài liệu ñược sử dụng ñể xác ñịnh thời vụ hoặc phân tích tìm các chỉ tiêu khí hậu của sinh vật

3 Phương pháp thống kê tài liệu lịch sử: tiến hành ñiều tra thống kê tài liệu của 2 nhóm ñối tượng là sinh vật và khí hậu trong nhiều năm Ở các vùng ñịa lý khác nhau người ta nghiên cứu các chỉ tiêu sinh học trên các giống hoặc các chủng loại cây trồng từ ñó tìm ra quy luật diễn biến và tác ñộng của khí hậu ñối với sinh vật kiểm chứng các mô hình thống kê thực nghiệm, phục vụ cho sản xuất diện rộng

4 Phương pháp nghiên cứu riêng rẽ: ñược tiến hành trong phòng thí nghiệm hay trong các nhà khí hậu nhân tạo, các yếu tố khí tượng ñược ñiều chỉnh thống nhất, chỉ cho một yếu tố nào ñó thay ñổi Việc theo dõi tình hình sinh trưởng, phát triển của cây trồng cũng ñược tiến hành thường xuyên như trên Phương pháp này ñòi hỏi nhiều trang thiết bị ñắt tiền, nghiên cứu mang tính cơ bản, kết quả thu ñươc có nhiều ý nghĩa về lý thuyết nhưng thường xa rời thực tế sản xuất

5 Phương pháp GIS: sử dụng các thông tin từ ảnh vệ tinh, ảnh hàng không ñể tìm hiểu diễn biến khí hậu và các hệ sinh thái Phương pháp này ñã ñược nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học như Dự báo thời tiết, Nghiên cứu biến ñổi khí hậu, Nghiên cứu bão Ở Việt Nam, các ảnh vệ tinh thu ñược từ vệ tinh "ðịa tĩnh" ñã ñược sử dụng trong việc dự báo thời tiết, tìm kiếm các tai nạn và dự báo khí tượng nông nghiệp vụ sản xuất

Ngày nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, Kết quả thu ñược bằng các phương pháp nghiên cứu nêu trên ngày càng ñáp ứng ñược nhiều vấn ñề cấp bách của sản xuất và ñời sống

M ặt trời là một quả cầu lửa khổng lồ có ñường kính khoảng 1.392.000 km, thể tích

1,41.1018 km3 cấu tạo chủ yếu gồm hyñrô,heli và ôxy ở trạng thái plasma Trong hệ mặt trời gồm có một ngôi sao là mặt trời ñứng ở vị trí trung tâm (ñịnh tinh) là vật duy nhất phát sáng

và 9 hành tinh khác không phát sáng quay xung quanh mặt trời

Theo hệ thống phân loại sao trong thiên văn học thì mặt trời có tên gọi là " sao lùn vàng" Trong Thiên hà của chúng ta, mặt trời chỉ là một ngôi sao dưới trung bình về công suất bức xạ, kích thước và nhiệt ñộ so với hàng tỷ ngôi sao khác

M ột số thông số vật lý chung của mặt trời

• Mặt trời có cấu trúc phức tạp, ở tâm của mặt trời là nhân hoặc lõi tiếp ñến là vùng bức

xạ, ở khoảng cách cách tâm chừng 0,7-0,8 bán kính mặt trời là vùng ñối lưu, ngoài cùng

là bề mặt mặt trời Ở nhân mặt trời nơi xảy ra phản ứng hạt nhân nhiệt ñộ lên tới 15 triệu

ñộ Nhiệt ñộ bề mặt của mặt trời ở phần quang cầu vào khoảng 6000oK, ở phần sắc cầu khoảng 20.000oK, ở phần nhật hoa vào khoảng 2.000.000oK ( tính theo ñộng năng trung bình của các phân tử)

• Trái ñất chuyển ñộng xung quanh mặt trời theo quỹ ñạo elíp (hình 1) do vậy khoảng cách từ mặt trời ñến trái ñất luôn thay ñổi tuỳ thuộc vào vị trí của nó trên quỹ ñạo Khoảng cách trung bình từ mặt trời ñến trái ñất vào khoảng 149,6 triệu km, khoảng cách này gọi là 1 ñơn vị thiên văn (ñvtv) Khoảng cách ngắn nhất 147 triệu km (ngày 3/I) bằng 0,983 ñvtv, khoảng cách dài nhất khoảng 152 triệu km (ngày 5/VII ) bằng 1,017ñvtv Xem hình 1.1

• Thành phần hoá học của mặt trời: Hyñrô chiếm khoảng 70-71% về khối lượng, hêli từ 27-29% , còn lại từ 1-3% là các nguyên tố nặng hơn như cacbon, ôxy

• Cứ mỗi giây mặt trời tiêu hao trên 4 tấn hyñrô ñể tạo ra năng lượng

• Gió mặt trời là dòng các hạt prôton và electron xuất phát từ bề mặt mặt trời bay vào không gian Khi các dòng hạt trên thổi tới các lớp trên cùng của khí quyển trái ñất với vận tốc khoảng 400-500 km/s gây ra hiện tượng bão từ và cực quang Vào những ngày gió mặt trời hoạt ñộng mạnh việc thông tin vô tuyến ñiện trên trái ñất bị cản trở hoặc không thực hiện ñược

N ăng lượng bức xạ mặt trời

• Trong lòng mặt trời có nhiệt ñộ rất cao vì thế tại ñó luôn luôn xảy ra phản ứng nhiệt hạch còn gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân biến hiñrô (H2) thành hêli (He) và giải phóng một năng lượng vô cùng lớn Phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể biểu diễn theo

sơ ñồ sau:

B ức xạ mặt trời là nguồn năng lượng nguyên thuỷ của hầu hết các quá trình vận ñộng vô sinh và hữu sinh trên trái ñất Các quá trình vô sinh như hoạt ñộng của máy

móc, các quá trình v ật lý khí quyển , các quá trình hữu sinh như sinh trưởng, phát triển

và v ận ñộng của sinh giới muốn xảy ra ñược thì cần phải có năng lượng Xét về nguồn

g ốc thì các nguồn năng lượng ñó ñều là năng lượng bức xạ mặt trời Các ñặc trưng của

b ức xạ mặt trời như cường ñộ năng lượng, quang chu kỳ, quang phổ và các dạng bức xạ

m ặt trời là những yếu tố tạo nên ñiều kiện thời tiết, khí hậu và tác ñộng trực tiếp tới ñời

s ống cây trồng.

Trong sơ ñồ trên: H1 - hyñrô ( prôton); H2 - ñơteri (ñơtron ) ; He3 , He4 là các ñồng vị của heli; e - electron; γ - bức xạ gama

Hình 1.1 Sơ ñồ Hệ mặt trời - trái ñất

Do khối lượng của 4 hạt nhân H1 lớn hơn khối lượng của 1 hạt nhân He3 ðộ hụt khối lượng trong phản ứng là cơ chế sinh ra năng lượng theo công thức Anhxtanh: E = ∆mc2 Năng lượng tổng hợp 4 hạt nhân H1 thành 1 hạt nhân He3 là E = (4mH - mHe).c2 Trong ñó:

∆m = (4mH - mHe); c = 107 Jun Nếu có 1 g hạt nhân H1 chuyển thành He3 thì ∆m = 0,01g và năng lượng giải phóng là 10 12 Jun

• Công suất bức xạ mặt trời là năng lượng toàn phần của mặt trời chiếu trên diện tích mặt cầu có tâm là mặt trời, bán kính (d/2) là 1 ñvtv trong 1 giây Nếu hằng số mặt trời là I0

thì W = I0 4πd2 /60 = 3,86.1026 W ( tức 3,86.1026 J/s) nói cách khác cứ mỗi phút mặt trời phát vào không gian xung quanh một lượng năng lượng vào khoảng 5,5.1024 Kcal nhưng trái ñất chỉ nhận ñược một phần rất nhỏ năng lượng ñó ( khoảng 0,5 phần tỉ công suất bức xạ năng lượng toàn phần của mặt trời)

• Mặt trời không những phát ra bức xạ dưới dạng các tia sóng ñiện từ mà từ mặt trời còn phát ra dòng liên tục các hạt ( chủ yếu là electron và pozitron) Ngoài ra người ta còn nhận thấy phổ bức xạ ñiện từ của mặt trời rất rộng, từ tia gama ñến sóng vô tuyến

152 106 km (5/VII) 147.106 Km (3/I)

Xuân phân (21/III)

mặt trái ñất, các hiện tượng thời tiết, khí hậu ðặc biệt, bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng gần như duy nhất ñược thế giới thực vật sử dụng trong quá trình quang hợp biến các chất

vô cơ (CO2, H2O) thành chất hữu cơ ñầu tiên, ñó là glucoza Từ glucoza có thể tổng hợp hàng loạt các chất tạo thành một thế giới hữu cơ phong phú

ðể hiểu ñầy ñủ về năng lượng bức xạ mặt trời chúng ta cần nghiên cứu sự biến ñổi cường ñộ và một số ñặc trưng của nó

2 CƯỜNG ðỘ BỨC XẠ MẶT TRỜI

2.1 Khái niệm và ñơn vị ño:

Cường ñộ bức xạ mặt trời (I) là năng lượng bức xạ chiếu tới một ñơn vị diện tích ñặt vuông góc với nó trong một ñơn vị thời gian

Theo ñịnh nghĩa, ta có thể dùng ñơn vị ño cường ñộ bức xạ mặt trời là : calo/cm2/phút, calo/cm2/ngày, Kcal/cm2/tháng, Kcal/cm2/năm

Calo (cal) là lượng nhiệt cần thiết làm cho nhiệt ñộ của 1 gam (1 ml) nước nóng lên 1oC ở nhiệt ñộ nước từ 14,5oC ñến 15,5oC

Kilocalo (Kcal) là lượng nhiệt cần thiết làm cho 1 kg nước (1lít) tăng lên 1oC ở nhiệt ñộ nước từ 14,5oC ñến 15,5oC 1 Kcal = 1000 cal

Mặt khác, năng lượng bức xạ mặt trời có thể chuyển hoá thành nhiệt năng và công năng,

do vậy có thể dùng các ñơn vị ño năng lượng ñể làm ñơn vị ño cường ñộ bức xạ mặt trời Một số ñơn vị cơ sở ño năng lượng bức xạ mặt trời

1 Jun = 0,24 calo

1 watt = 1J/s = 14,3 calo

1 B.T.U ( British Thermal Unit) = 251,9 calo ( B.T.U là lượng nhiệt cần thiết làm cho

1 funt nước nóng lên 1oF)

1 lengli = 1 cal/cm2 1Watt/m2 = 10 microeinsteins/m2/s = 100 lux

1 cal/cm2/phút = 69 930 lux

Hằng số mặt trời là năng lượng bức xạ toàn phần của mặt trời truyền thẳng góc ñến diện tích 1 cm2 trong 1 phút ở khoảng cách trung bình từ mặt trời tới trái ñất (1 ñvtv) Tại giới hạn trên của khí quyển cường ñộ bức xạ mặt trời tương ñối ổn ñịnh ñược gọi là hằng số mặt trời (Solar constant) Thực ra do khoảng cách từ mặt trời ñến trái ñất thay ñổi theo thời gian trong năm nên hằng số mặt trời cũng có sự thay ñổi ít nhiều ( từ 1308 W/m2 ñến 1398 W/m2 , dao ñộng khoảng 3,5%) Những lần ño gần ñây bằng thiết bị ñặt trên vệ tinh ñịa tĩnh thì hằng số mặt trời là 1,95 cal/cm2/phút

Hằng số mặt trời (I0) có thể xác ñịnh theo biểu thức sau:

I0 r20

= (1) 1,88 r2

Trong ñó :

mặt trời ở các vĩ ñộ ñịa lý cũng biến ñộng ít nhiều

Ở Châu Âu I0 = 1,88 cal/cm2.phút

Ở Châu Mỹ I0 = 1,96 cal/cm2.phút

Ở Việt Nam I0 = 1,98 cal/cm2.phút

2.3 Sự suy yếu của bức xạ mặt trời khi ñi qua khí quyển

Khí quyển bao bọc xung quanh quả ñịa cầu gồm có các thành phần tạo nên như nitơ, oxy, acgôn, hơi nước, ôzôn, bụi (sol khí) Bức xạ mặt trời ñi qua khí quyển bị suy yếu ñi do một số nguyên nhân như:

• Một phần bức xạ mặt trời bị một số chất như ôxy, ôzon, cacbonic, hơi nước, bụi hấp thụ có chọn lọc, nghĩa là mỗi chất chỉ hấp thụ những tia bức xạ có bước sóng nhất ñịnh ðối với oxy (O2) : Oxy có các dải hấp thụ trong khoảng phổ nhìn thấy và cực tím Trong phổ nhìn thấy, dải hấp thụ ở bước sóng 0,69 - 0,76 µ Mức ñộ hấp thụ các tia bức xạ trong dải này không lớn nên sự suy giảm bức xạ do oxy hấp thụ không ñáng kể Oxy hấp thụ các tia cực tím với bước sóng nhỏ hơn 0,2 µ khá mạnh Sự hấp thụ các tia cực tím ở các lớp khí quyển trên cao dẫn ñến sự phân ly phân tử oxy ñể tạo thành ozôn

ðối với ozôn (O3) : Dải hấp thụ bức xạ quan trọng nhất của ozôn có bước sóng λ = 0,2 - 0,32 µ Các tia bức xạ trong dải sóng này khi ñi qua lớp ozon bi suy giảm ñi một nửa Nhờ có lớp ozon hấp thụ các tia bức xạ cực tím của mặt trời mà sự sống trên trái ñất ñược bảo vệ Ngoài ra dải các tia bức xạ có bước sóng λ = 0,43 - 0,75 µ cũng bị ozôn hấp thụ

ðối với khí cacbonic (CO2) : Dải bức xạ bị hấp thụ mạnh nhất là bước sóng khoảng 2,05 ñến 2,7µ và 4,3 µ, tuy nhiên quan trọng hơn cả là dải có bước sóng từ 12,9 ñến 17,1 µ Như vậy khí cacbonic hấp thụ dải sóng dài nên nó có tác dụng làm nóng trái ñất

ðối với hơi nước (H2O): Hơi nước có nhiều dải bức xạ hấp thụ như 0,58-0,61 µ, 0,68 - 0,73 µ, ñặc biệt từ 4 - 40 µ Tuy nhiên, dải bức xạ từ 8-12 µ ñược gọi là cửa sổ của khí quyển, không bị hơi nước hấp thụ và lại là vùng phát xạ của mặt ñất và khí quyển mạnh nhất, nhờ ñó trái ñất nguội nhanh do thoát nhiệt vào không gian vũ trụ

ðối với sol khí (bụi): Sự hấp thụ bức xạ rất phức tạp tuỳ thuộc vào bản chất, kích thước và hàm lượng của bụi Tuy nhiên, bụi quá nhiều có thể làm giảm trực xạ Khi cháy rừng trên diện rộng hoặc núi lửa hoạt ñộng phun tro bụi vào khí quyển ñã làm giảm cường

ñộ bức xạ mặt trời, nhiệt ñộ không khí cũng có thể ñột ngột giảm xuống

• Một phần bức xạ mặt trời bị các phần tử không khí, hơi nước, bụi và mây làm khuếch tán do vậy bức xạ mặt trời khi ñi qua khí quyển cũng bị suy yếu ñi Khi bức xạ mặt trời

ñi qua khí quyển ñã gặp phải các phần tử gây khuếch tán nêu trên thì tạo ra các dao ñộng cưỡng bức Sau ñó chính các phần tử khuếch tán lại trở thành nguồn phát sóng ñiện từ thứ cấp cùng tần số với bức xạ mặt trời Do ñó bức xạ mặt trời ñã bị mất ñi một phần năng lượng

• Một phần bức xạ mặt trời bị ngăn cản bởi các ñám mây hoặc bị phản xạ trở lại khí quyển nên bị suy yếu ñi

Reifsnyder và Lull (1965) dẫn theo Gates, vào những ngày trời nắng, năng lượng ánh

sáng mà mặt ñất nhận ñược gồm 10% bức xạ tử ngoại, 45% bức xạ trông thấy và 45% bức

xạ hồng ngoại (hình 1.2)

Khi ñi qua khí quyển do chịu tác dụng của các quá trình hấp thụ, khuếch tán và phản

xạ nên bức xạ mặt trời bị suy yếu ñi ðường ñi của tia bức xạ trong khí quyển càng dài thì

Hình 1.2 Phổ bức xạ mặt trời chiếu xuống mặt ñất (Gates, 1965)

[Không b ị sai lệch khi xuyên qua khí quyển (I) ; mặt biển nhận ñược vào ngày trời nắng (II);

xuyên qua l ớp mây dày (III); xuyên qua thảm thực vật (IV) xuyên qua mái kính (V)]

Nếu ñộ cao mặt trời càng thấp ñường ñi của tia bức xạ càng dài Do phải ñi qua nhiều lớp

không khí có lượng hơi nước và chiết suất khác nhau nên tia sáng càng bị khúc xạ tạo thành

ñường cong hoặc ñường gấp khúc

Hình 1.3 Sơ ñồ ñường ñi của tia sáng trong khí quyển

vào ñộ dài ñường ñi của các

tia bức xạ trong khí quyển

hay khối lượng quy ước của

khí quyển mà tia sáng ñi

qua Nếu ñường ñi của tia

cao mặt trời là 900 Khi ñộ

cao mặt trời thay ñổi từ 0

ñến 900 , khối lượng khí

quyển mà tia sáng ñi qua

trình bày ở bảng 1.1

Hình 1.4 ðộ cao mặt trời và ñường ñi của tia sáng trong khí quyển ở các vĩ ñộ

quyển quy ước mà tia bức xạ ñi qua

Io: là hằng số mặt trời (cường ñộ bức xạ mặt trời ở giới hạn trên của khí quyển)

P: là ñộ trong suốt của khí quyển, phụ thuộc vào lượng hơi nước trong khí quyển, bụi, mây Khi khí quyển trong sạch và khô, ñộ trong suốt lớn nhất, trung bình P = 0,75

Bảng 1.1 Khối lượng khí quyển (m) tia sáng ñi qua ứng với ñộ cao mặt trời (h o )

ðộ cao mặt trời (ho) 90

o 70o 60o 50o 40o 30o 20o 10o 5o 3o 1o 0o

Khối lượng khí quyển (m)

Cường ñộ trực xạ (S’) là năng lượng của chùm tia sáng trực tiếp chiếu ñến một ñơn

vị diện tích bề mặt ñặt vuông góc với tia tới trong một ñơn vị thời gian

Bức xạ mặt trời trực tiếp là một chỉ tiêu quan trọng dùng ñể ñánh giá ñặc ñiểm khí hậu của mỗi vùng Khí hậu ñạt tiêu chuẩn nhiệt ñới phải có cường ñộ bức xạ trực tiếp trên

130 Kcal/cm2/năm Trong thực tiễn ñôi khi ta cần biết lượng bức xạ trực tiếp trên một bề mặt nào ñó, chẳng hạn trên một thửa ruộng nằm ngang, sườn ñồi nghiêng hoặc trên diện tích của

trời khác nhau Hình 1.4 cho

thấy, càng lên vĩ ñộ cao

ñường ñi của tia sáng qua khí

quyển càng dài, vì thế càng

lên vĩ ñộ cao, cường ñộ bức

xạ càng giảm

Bức xạ mặt trời chiếu tới mặt

ñất ñuợc xác ñịnh theo công

thúc Bughe:

I = Io.Pm (2) Trong ñó:

M: là khối lượng khí

2πt/τ với τ là chu kỳ quay của trái ựất quanh trục của nó ( τ ≈ 24 giờ), còn t là thời gian thực

mặt trời lớn nhất trực xạ cũng lớn nhất Trong một năm quy luật thay ựổi của trực xạ theo ựộ

cao mặt trời cũng tương tự Vào thời kỳ mặt trời ở thiên ựỉnh thì trực xạ lớn nhất, còn vào

thời kỳ mặt trời xa thiên ựỉnh nhất thì trực xạ có giá trị nhỏ nhất

Ớ độ cao so với mặt biển: nhìn chung càng lên cao so với mặt biển, do ựộ trong suốt của khắ quyển càng cao nên trực xạ càng tăng

Ớ Vĩ ựộ ựịa lý: càng lên vĩ ựộ cao, ựộ cao mặt trời càng giảm nên trực xạ càng giảm

Ớ Lượng mây: trời càng nhiều mây trực xạ càng giảm, khi trời ựầy mây thì hầu như không có trực xạ

Ớ địa hình: Cường ựộ trực xạ chiếu ựến những bề mặt có ựộ nghiêng và hướng nghiêng khác nhau thì rất khác nhau Lượng bức xạ chiếu ựến một bề mặt có cùng ựộ dốc thì

rất khác nhau khi chúng khác nhau về hướng, vĩ ựộ ựịa lý và thời gian trong năm đất dốc

theo hướng đông - Tây có cường ựộ trực xạ lớn hơn so với hướng Bắc - Nam (bảng 1.2)

Hình 1.5 Sơ ựồ trực xạ trên bề mặt nằm ngang

ựộ nghiêng 30 o

M ặt nằm ngang 20 44 102 196 276 319 269 223 165 81 25 15 1735

S ườn dốc phắa Nam 54 91 161 248 303 326 283 263 235 149 63 45 2221

S ườn dốc phắa đông 18 42 96 182 251 289 240 204 153 76 24 14 1589

S ườn dốc phắa Tây 19 42 92 175 245 281 239 198 149 76 25 15 1556

S ườn dốc phắa Bắc - - 15 91 176 228 183 124 50 - - - 867

b) Bức xạ khuyếch tán ( D)

Bức xạ khuyếch tán còn ựược gọi là tán xạ Tán xạ là một phần năng lượng bức xạ mặt trời ựược khắ quyển, mây khuyếch tán từ bầu trời xuống mặt ựất Vào ban ngày khi ựứng trong bóng dâm hoặc ngồi trong phòng mặc dù không ựược ánh sáng mặt trời trực tiếp chiếu vào nhưng ta vẫn nhìn rõ mọi vật, phần bức xạ mặt trời giúp ta nhìn rõ mọi vật trong trường hợp này chắnh là tán xạ

Cường ựộ tán xạ là năng lượng tắnh bằng calo do bức xạ khuyếch tán từ bầu trời chiếu trên 1 cm2 bề mặt nằm ngang trong 1 phút (cal/cm2/phút)

Giá trị cực ựại của bức xạ khuyếch tán thường thấp hơn nhiều so với bức xạ trực tiếp

độ cao mặt trời, ựộ vẩn ựục của khắ quyển quyết ựịnh ựộ lớn của bức xạ khuyếch tán Vào những ngày trời trong bức xạ khuyếch tán có thể ựạt tới 0,10 - 0,25 cal/cm2/phút, còn những ngày trời ựầy mây bức xạ khuyếch tán chỉ ựạt 0,08 - 0,1 cal/cm2/phút Bản chất vật lý của bức xạ khuyếch tán ựã ựược trình bày trong phần 2.3

+ Ch ỉ số khuyếch tán: đặc trưng cho mức ựộ khuyếch tán các tia bức xạ mặt trời người ta dùng chỉ số khuyếch tán hay ựộ khuyếch tán (d) Trong trường hợp các phần tử gây

khuy ếch tán có kắch thước nhỏ hơn ựộ dài bước sóng của các tia bức xạ thì ựộ khuyếch tán tỉ

l ệ nghịch với luỹ thừa bậc bốn của ựộ dài sóng Quy luật này gọi là quy luật Roley Quy luật

Roley ựược biểu diễn bằng công thức sau:

C

dλ = ― Iλ (5)

λ4

Trong ựó: dλ là ựộ khuếch tán của tia bức xạ ựơn sắc có bước sóng λ

Iλ là cường ựộ tia bức xạ ựơn sắc có bước sóng λ

C là hằng số phụ thuộc vào số phân tử không khắ có trong 1 ựơn vị thể (N) tắch và chiết suất khắ quyển (n), γ là hằng số thực nghiệm

Nếu r > 10 mm (cỡ các hạt mây, hạt mưa phùn) quy luật Roley không còn ñúng

nữa, lúc này tất cả các tia bức xạ ñều bị khuếch tán

Như vậy, quy luật khuyếch tán của Roley cho phép ta giải thích ñược nhiều hiện tượng quang học trong khí quyển như nền trời có màu xanh vào những ngày ñẹp trời, bầu

trời có ráng ñỏ khi trời xấu, lúc bình minh hoặc hoàng hôn mặt trời có màu ñỏ

+ Cường ñộ bức xạ khuyếch tán: Nếu coi lượng bức xạ mặt trời bị khí quyển hấp thụ

là không ñáng kể (1 - 2%) và một nửa lượng bức xạ khuyếch tán hướng xuống mặt ñất thì

cường ñộ bức xạ khuếch tán (D) có thể xác ñịnh theo công thức sau:

m là khối lượng khí quyển quy ước

P ñộ trong suốt của khí quyển

lặn chừng 15 - 20 phút (bình minh và hoàng hôn) nhưng cường ñộ nhỏ Hàng năm cường ñộ

bức xạ khuyếch tán có gía trị nhỏ vào thời kỳ mặt trời ở xa thiên ñỉnh nhất và ñạt giá trị lớn

vào thời kỳ mặt trời ở gần thiên ñỉnh nhất

- Khí quyển càng nhiều mây, bụi và hơi nước thì cường ñộ tán xạ càng tăng Tuy nhiên, nếu mây dầy ñặc và phủ kín bầu trời thì tán xạ cũng giảm xuống Như vậy trong

những ngày nhiều mây, thời kỳ nhiều mây hoặc ở bề mặt khuất nắng thì ánh sáng tán xạ

chiếm ưu thế hơn so với ánh sáng trực xạ

- Bức xạ khuyếch tán cũng giảm dần theo ñộ cao so với mặt biển

- Càng lên vĩ ñộ cao tỷ lệ tán xạ trong tổng lượng bức xạ chiếu ñến mặt ñất càng tăng vì ñường ñi của tia sáng trong khí quyển càng dài nên các tia sáng bị khuyếch tán mạnh

Cường ñộ bức xạ khuyếch tán trong thực tế có thể ñạt ñến 0,25 cal/cm2/phút

Hàng ngày tổng xạ thường có giá trị lớn nhất vào giữa trưa Chừng 60 % tổng xạ

hàng ngày nhận ñược vào thời gian từ 10 giờ ñến 14 giờ

Hàng năm bức xạ tổng cộng có giá trị lớn nhất vào thời kỳ mặt trời ở thiên ñỉnh hoặc gần thiên ñỉnh nhất Tổng xạ có giá trị nhỏ nhất vào thời kỳ mặt trời ở xa thiên ñỉnh nhất

Với các vùng ngoại chí tuyến biến trình hàng năm của tổng xạ là biến trình tuần hoàn một

cực ñại vào hạ chí và một cực tiểu vào ñông chí Với các vùng nội chí tuyến biến trình hàng

chừng 20 % so với tổng xạ ở giới hạn trên của khí quyển, khi trời có mây tổng xạ tiếp tục giảm thêm 20 -30% nữa Do vậy tính trung bình mặt ñất chỉ nhận ñược chừng 50-60% so với tổng xạ ở giới hạn trên của khí quyển

Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sự phụ thuộc của tổng xạ vào lượng mây có thể biểu diễn theo biểu thức sau:

Q = Q0[1 - (a +b)n] (9) Trong ñó:

Q là tổng xạ trên mặt ñất khi trời có mây

Q0 là tổng xạ trên mặt ñất khi trời không mây

n là lượng mây tính theo phần mười

a, b là các hệ số biến ñổi phụ thuộc vào vĩ ñộ Công thức (9) cho biết nếu trời không mây tổng xạ tới mặt ñất chỉ bằng 80% so với ở giới hạn trên của khí quyển thì khi lượng mây che phủ 50 % bầu trời (n = 0,5) tổng xạ trên mặt ñất chỉ còn bằng khoảng 65% và khi lượng mây che phủ cả bầu trời (n = 1) thì tổng xạ chỉ xấp xỉ 20% so với ở giới hạn trên của khí quyển

Nhìn chung bức xạ tổng cộng giảm dần từ xích ñạo về cực Tuy nhiên cũng có những khác biệt do ñặc ñiểm ñịa lý ñịa phương gây nên, chẳng hạn như cự ly cách biển, ñịa hình, thời tiết Do vậy sự phân bố ñịa lý của tổng xạ năm khá phức tạp Tổng xạ lớn nhất quan sát thấy ở vùng áp cao cận chí tuyến Bắc và Nam bán cầu chứ không phải ở vùng xích ñạo Ở vùng cận chí tuyến lượng mây rất ít, thời gian chiếu sáng trong ngày lớn hơn so với vùng xích ñạo Hình 1.6 là bản ñồ phân bố tổng xạ trên trái ñất (ñơn vị là Kcal/cm2/năm) Tổng xạ

có vai trò quan trọng nhất trong quá trình hình thành chế ñộ khí hậu ở các vùng khác nhau trên thế giới Trên bản ñồ cho thấy, tổng xạ lớn nhất trên lục ñịa châu Phi, châu Úc và một số nơi có vĩ ñộ 0 - 200, trị số tổng xạ từ 180 - 220 Kcal/cm2/năm Ở nước ta tổng xạ trên miền Bắc từ 90 - 110 Kcal/cm2/năm; miền Nam từ 120 - 130 Kcal/cm2/năm

d) Phản xạ ( Rn)

Bức xạ mặt trời chiếu xuống mặt ñất phần lớn ñược hấp thu ñể biến thành nhiệt Tuy nhiên một phần bức xạ sóng ngắn bị phản chiếu (phản xạ) trở lại khí quyển Phản xạ (Rn) là phần của bức xạ mặt trời chiếu tới mặt ñất bị phản xạ trở lại khí quyển Mức ñộ phản xạ phụ thuộc vào tính chất của các bề mặt như màu sắc, ñộ gồ ghề, ñộ ẩm, loại ñất, lớp phủ thực vật và phụ thuộc vào góc tới của tia bức xạ ðể biểu diễn khả năng phản xạ của các bề mặt khác nhau người ta dùng ñại lượng gọi là suất phản xạ hay Albedo (A) của các bề mặt Albedo là tỷ số giữa bức xạ phản chiếu và bức xạ tổng cộng (tổng xạ), ñược biểu diễn bằng biểu thức sau:

Tất nhiên hệ số này còn phụ thuộc vào ñộ cao sóng, ñộ ñục của nước

Thực vật phản xạ các tia xanh và hồng ngoại Cây trồng ở vùng nhiệt ñới phản xạ tia hồng ngoại nhiều hơn so với cây trồng ở xứ lạnh

Trong kỹ thuật viễn thám người ta sử dụng hệ số phản xạ ñể theo dõi sự biến ñộng của nhiều chỉ tiêu như ñộ cao sóng biển, phun trào dung nham, sinh trưởng phát triển của cây trồng, hạn hán, ngập lụt, cháy rừng, sâu bệnh hại rừng, ñồng ruộng trên một diện rộng Tuy nhiên những quan trắc bằng kỹ thuật viễn thám (hàng không, vệ tinh) luôn chịu ảnh hưởng của khí quyển ðể giảm bớt sự ảnh hưởng này, theo một số tác giả thì phải lấy các giá trị ñộ phản xạ cực tiểu quan sát ñược trong năm, coi ñó là các giá trị mặt ñệm ðể kiểm tra ñộ chính xác của các số liệu vệ tinh người ta phải so sánh chúng với các số liệu quan trắc tại mặt ñất

e) Bức xạ sóng dài của mặt ñất và khí quyển

Mọi vật có nhiệt ñộ lớn hơn 0oK ñều có khả năng bức xạ, tức là khả năng phát ra năng lượng dưới dạng các tia sóng ñiện từ ðối với vật ñen tuyệt ñối khả năng bức xạ (phát ra năng lượng) và khả năng hấp thụ (nhận năng lượng) là lớn nhất Cường ñộ bức xạ (Eo) do vật ñen tuyệt ñối phát ra có thể tính theo công thức Stefan-Boltzmann :

Eñ = δ.σ.T4 (12)

Hệ số khả năng bức xạ tương ñối của các loại bề mặt khác nhau thay ñổi trong khoảng

từ 0,85 ñến 0,99 Chẳng hạn cát có hệ số bức xạ tương ñối là 0,89; lớp cỏ phủ là 0,98; tuyết 0,99; ñất ñen là 0,87; nước 0,96 Vì thế hệ số bức xạ tương ñối của mặt ñất có thể lấy trung bình bằng 0,95

Theo ñịnh luật Wien thì bước sóng lớn nhất (λmax) mà một vật phát ra tỷ lệ nghịch với nhiệt ñộ (T) của vật thể, cho nên vật có nhiệt ñộ càng cao thì năng lượng phát xạ càng tập trung ở vùng phổ sóng ngắn và ngược lại

Vật ñen tuyệt ñối 1,00 ðồng cỏ 0,94

Bức xạ nghịch của khí quyển (E ng ):

Bức xạ nghịch của khí quyển là phần bức xạ sóng dài của khí quyển hướng xuống mặt ñất Bức xạ nghịch khí quyển phụ thuộc vào ñộ ẩm của không khí Người ta có thể tính ñộ lớn cường ñộ bức xạ nghịch (Eng) dựa vào công thức sau:

Eng = σ.T4(a1 + b1)√e (14)

Trong ñó: e là áp suất hơi nước của không khí (ñộ ẩm)

a1, b1 là các hệ số phụ thuộc vào ñặc ñiểm thành phần không khí trong khí quyển

Bức xạ hữu hiệu (E hh ):

Bức xạ hữu hiệu là hiệu số giữa bức xạ của mặt ñất và bức xạ nghịch của khí quyển

Ehh = Eñ - Eng (15)

Nếu Ehh > 0 thì lượng nhiệt mặt ñất mất ñi do bức xạ lớn hơn lượng nhiệt mà nó nhận ñược,

do ñó mặt ñất bị lạnh ñi Thông thường vào những ñêm trời trong, gió nhẹ nhiệt ñộ không khí và mặt ñất tương ñối thấp,do Ehh rất lớn nên những ñêm ñó thời tiết rất giá lạnh

Những ngày có Ehh = 0 thì nhiệt ñộ của mặt ñất không thay ñổi, thường xảy ra vào những ñêm trời có nhiều mây, ñộ ẩm không khí cao

Ehh < 0 , là trường hợp thường xảy ra vào những ngày có lớp nghịch nhiệt, không khí nóng truyền nhiệt xuống mặt ñất bằng cách bức xạ nhiệt

Cân bằng bức xạ không chỉ phụ thuộc vào vĩ ñộ mà còn phụ thuộc vào ñiều kiện ñịa lý, vật lý ñịa phương như loại mặt ñệm, ñịa hình, mây, ñộ trong suốt khí quyển,

Cân bằng bức xạ là một trong những nhân tố rất quan trọng trong việc hình thành chế ñộ nhiệt ở các vùng khác nhau Cân bằng bức xạ ở mỗi thời ñiểm tại ñịa phương là cơ sở ñể dự báo thời tiết Ngoài ra cân bằng bức xạ rất cần thiết trong việc xác ñịnh cơ cấu mùa vụ, sinh trưởng, phát triển và năng suất của các loại cây trồng Phân bố ñịa lý của cân bằng bức xạ trên bề mặt trái ñất ñã ñược nhà khí hậu học người Nga M.I Buñưcô khảo sát và vẽ bản ñồ (hình 2.8) Trên hình 2.8 ta thấy cân bằng bức xạ mọi nơi trên trái ñất ñều có giá trị dương Cân bằng bức xạ mặt ñất lớn nhất ở vùng xích ñạo và giảm dần về 2 cực trái ñất

3 QUANG PHỔ CỦA BỨC XẠ MẶT TRỜI

Bức xạ mặt trời lan truyền xuống mặt ñất dưới dạng sóng ñiện từ Quang phổ của bức

xạ mặt trời là một dải bước sóng liên tục Về lý thuyết, quang phổ bức xạ mặt trời gồm các tia có bước sóng λ từ 0 µ (micromet) ñến vô cùng lớn Tuy nhiên các bước sóng quá ngắn và quá dài có năng lượng quá nhỏ, cho nên trong thực tế có thể coi quang phổ của bức xạ mặt trời bao gồm những tia có bước sóng từ 0,1 ñến 5µ Gần 99% năng lượng bức xạ mặt trời nằm trong khoảng phổ từ 0,17 ñến 4,0 µ, trong ñó tia bức xạ mang năng lượng lớn nhất có bước sóng 0,474 µ, vì thế người ta thường gọi bức xạ mặt trời là bức xạ sóng ngắn

Khi xem xét ảnh hưởng của các tia bức xạ ñối với sinh trưởng, phát triển của thực vật P.N Thoxki cho rằng quang phổ bức xạ mặt trời là các tia có bước sóng từ 0,2 ñến 24 µ và chia thành 3 nhóm tia:

• Các tia tử ngoại (tia bức xạ sóng ngắn) có bước sóng từ 0,2 - 0,38 µ

• Các tia trông thấy (ánh sáng nhìn thấy) có bước sóng từ 0,39µ ñến 0,76 µ

• Các tia hồng ngoại (tia sóng dài) có bước sóng từ 0,76µ ñến 24,0 µ

0,140 0,008 0,025 0,107

7 0,4 1,2 5,4 Bị O3 hấp thụ Trông thấy

A

B

C

0,39 -0,76 0,39 - 0,52 0,52 - 0,62 0,62 - 0,76

0,910 0,350 0,300 0,260

46,0 18,0 15,0 13,0

Tím, chàm,lục, vàng, ñỏ

0,930 0,640 0,250 0,040

47,0 32,0 13,0 2,0

Gần ñỏ

4 QUANG CHU KỲ

Quang chu kỳ là sự thay ñổi lặp ñi lặp lại của ñộ dài ngày Tại một ñịa phương nào

ñó, tùy thuộc vào mỗi mùa khí hậu mà quang chu kỳ dài, ngắn khác nhau ðộ dài ngày là ñộ dài của khoảng thời gian chiếu sáng trong một ngày tính từ khi mặt trời mọc cho ñến khi mặt trời lặn Vì ñộ dài ngày thay ñổi có tính chu kỳ nên ñộ dài ngày ñược gọi là quang chu kỳ Ngoài sự thay ñổi theo mùa, quang chu kỳ còn thay ñổi theo vĩ ñộ ñịa lý

• Quang chu kỳ thay ñổi theo mùa trong năm: Quả ñất hình cầu di chuyển xung

quanh mặt trời theo quỹ ñạo hình elip, trong quá trình di chuyển trục quả ñất luôn luôn nghiêng một góc 66o33' so với mặt phẳng quỹ ñạo, một năm nó quay ñược một vòng xung quanh mặt trời Mặt khác trong một ngày ñêm (24 giờ) trái ñất tự xoay quanh trục của mình ñược một vòng

Hàng năm có 2 ngày, trên quỹ ñạo chuyển ñộng xung quanh mặt trời, trục quả ñất nằm ở vị trí vuông góc với các tia bức xạ mặt trời ñó là ngày xuân phân (21/3) và ngày thu phân (23/9) Vào 2 ngày này, trên mọi vĩ ñộ ñịa lý nửa trái ñất ñược mặt trời chiếu sáng ñúng bằng nửa còn lại không ñược chiếu sáng, do ñó mọi nơi trên trái ñất ñều có ngày và ñêm dài như nhau (12 giờ)

Từ ngày xuân phân ñến ngày hạ chí (22/6) Bắc bán cầu ngày càng nghiêng nhiều về phía mặt trời Khi trái ñất quay quanh trục của nó, trên các vòng vĩ ñộ phần trái ñất ñược chiếu sáng nhiều hơn phần không ñược chiếu sáng, vì vậy càng về phía Bắc ngày càng dài

ra, ñêm càng ngắn lại Vào ngày hạ chí, Bắc bán cầu nghiêng nhiều nhất về phía mặt trời do vậy ñộ dài ngày ở các vĩ ñộ là lớn nhất ðặc biệt, các vĩ ñộ trong vùng cực ñới (>66033’B) mặt ñất ñều ñược chiếu sáng, do vậy ñộ dài ban ngày kéo dài 24 giờ, không có ban ñêm Sau

ñó, quãng thời gian từ hạ chí ñến thu phân (23/9) Bắc bán cầu giảm dần ñộ nghiêng về phía mặt trời nên ñộ dài ban ngày ở Bắc bán cầu lại ngắn dần còn ñêm lại dài dần ra

Nửa thời gian còn lại trong năm, từ thu phân (23/9) ñến ñông chí (22/12), Nam bán cầu nghiêng dần về phía mặt trời, trên các vòng vĩ ñộ Bắc phần trái ñất ñược chiếu sáng nhỏ dần so với phần không ñược chiếu sáng, do vậy ñộ dài ban ngày ngắn dần Vào ngày ñông chí, tại các vĩ ñộ Bắc bán cầu ñộ dài ban ngày ñều ngắn nhất ðặc biệt, các vĩ ñộ trong vòng cực ñới (>66033’B) mặt ñất ñều bị che khuất hết nên vùng này không có ban ngày, còn ban

Diễn biến ñộ dài ngày ở Nam bán cầu tương tự như Bắc bán cầu nhưng nếu ở Bắc bán cầu là thời kỳ ngày dài, ñêm ngắn thì Nam bán cầu là thời kỳ ngày ngắn, ñêm dài

• ðộ dài ngày thay ñổi theo vĩ ñộ ñịa lý:

Do ở vị trí trung tâm dao ñộng của góc thiên ñỉnh nên vùng xích ñạo ngày và ñêm luôn luôn bằng nhau suốt cả năm Càng ñi lên vĩ ñộ cao chênh lệch về ñộ dài ngày, ñêm càng tăng Riêng tại 2 cực trái ñất (900 ) chỉ có một ngày dài (6 tháng) và 1 ñêm dài (6 tháng) Người ta phân biệt ñộ dài chiếu sáng thiên văn và ñộ dài chiếu sáng ñịa phương ðộ dài chiếu sáng thiên văn ñược tính toán dựa trên các công thức lý thuyết, phụ thuộc vào thời gian trong năm và vĩ ñộ ñịa lý

ðộ dài chiếu sáng ñịa phương thường sai khác so với ñộ dài chiếu sáng thiên văn vì

nó bị chi phối bởi ñiều kiện tự nhiên của mỗi vùng như ñịa hình, thời tiết, sự khúc xạ ánh sáng (bảng 1.6 )

Chu kỳ chiếu sáng có ảnh hưởng rất lớn ñến ñời sống sinh vật, ñặc biệt là những nhịp ñiệu sinh trưởng và phát dục của chúng Khi xem xét ảnh hưởng của ñộ dài chiếu sáng tới một số quá trình sinh lý ở thực vật người ta tính ñến cả khoảng thời gian trước lúc mặt trời mọc và sau khi mặt trời lặn vì vào thời gian này cường ñộ ánh sáng khoảng 250 - 650 lux, vẫn có tác dụng cho thực vật quang hợp ðộ dài ngày trong trường hợp này người ta còn gọi là ñộ dài chiếu sáng sinh lý (bảng 1.7)

Bảng 1.6 ðộ dài ngày thiên văn tính theo vĩ ñộ ñịa lý (ñơn vị: giờ, phút)

Bảng 1.7 ðộ dài chiếu sáng sinh lý ở các vĩ ñộ khác nhau

ðơn vị: giờ/phút ( Theo Sunghin, 1987)

IV

V

VI VII VIII

IX

X

XI XII

12,54 12,51 12,51 12,50 12,53 12,53 12,54 12,51 12,50 12,51 12,51 12,53

12,22 12,35 12,48 13,06 13,21 13,31 13,26 13,13 12,55 12,39 12,25 12,21

11,54 12,18 12,46 13,24 13,55 14,12 14,04 13,37 13,00 12,27 12,00 11,47

11,19 12,01 12,48 13,47 14,35 15,02 14,48 14,06 13,02 12,17 11,31 10,09

10,41 11,39 12,49 14,13 15,27 16,08 15,51 14,47 13,26 12,06 11,00 10,26

9,49 11,16 12,57 14,55 16,45 17,50 17,24 15,46 13,46 11,57 10,19 9,26

8,32 10,42 13,08 16,07 19,16 22,19 20,46 17,37 14,23 11,41 9,26 7,54

5,44 9,40 13,36 18,55 24,00 24,00 24,00 23,16 15,38 11,18 7,12 4,16

mặt trời ñối với các vùng khí hậu trái ñất ?

2 Cho biết nguồn gốc của năng lượng bức xạ mặt trời, hằng số mặt trời, cường ñộ bức xạ mặt trời và các quá trình làm suy yếu bức xạ mặt trời khi ñi qua khí quyển trái ñất ?

3 Trình bày ñặc ñiểm vật lý và phân bố của tán xạ, trực xạ và tổng xạ ? Các nhân tố ảnh hưởng ñến chúng ?

4 Trình bày ñặc ñiểm vật lý và phân bố của bức xạ phản chiếu sóng ngắn, bức xạ sóng dài mặt ñất và khí quyển ? Các nhân tố ảnh hưởng ñến chúng ?

5 Trình bày khái niệm về ñộ dài ngày và các nhân tố ảnh hưởng ñến ñộ dài ngày ?

6 Nêu thành phần quang phổ của bức xạ mặt trời Vì sao nói bức xạ mặt trời là bức xạ sóng ngắn còn bức xạ của mặt ñất là bức xạ sóng dài ?

1 CẤU TRÚC THEO CHIỀU THẰNG ÐỨNG CỦA KHÍ QUYỂN

Dựa trên những ñặc tính vật lý và tính chất hoạt ñộng, khí quyển trái ñất ñược chia thành 5 tầng mỗi tầng có những ñặc trưng vật lý khác nhau (xem sơ ñồ hình 2.1)

1.1 Tầng ñối lưu (Troposphere)

Là tầng không khí gần mặt ñất nhất, ñộ cao trung bình của nó vào khoảng 11 km: ở hai cực trái ñất chỉ cao từ 8 - 10 km, còn ở vùng xích ñạo là 15 - 18 km Ðộ cao của tầng khí quyển này do ñộ cao của các dòng ñối lưu quyết ñịnh, bởi vậy nó thay ñổi theo mùa trong năm và thay ñổi theo vĩ ñộ ñịa lý, do tính chất nhiệt lực quyết ñịnh

Tầng ñối lưu là tầng khí quyền hoạt ñộng nhất Các hiện tượng thời tiết, mưa, nắng, mây, dông bão ñều xảy ra ở tầng khí quyển này Tầng ñối lưu cũng là môi trường sống của tất cả các sinh vật trên trái ñất

Ðặc ñiểm quan trọng của tầng ñối lưu là nhiệt ñộ giảm dần theo ñộ cao Trung bình cứ lên cao 100m nhiệt ñộ giảm xuống 0,640C Nhiệt ñộ ở giới hạn trên của nó xuống rất thấp, có thể ñạt - 700C ở vùng xích ñạo của trái ñất

Ở tầng này thường xảy ra hiện tượng các dòng không khí ñi lên hoặc ñi xuống (do các trung tâm khí áp cao, khí áp thấp , do gặp các chướng ngại vật trên mặt ñất, do sự tranh chấp

ñược gọi là khí quyển Lớp khí quyển gần mặt ñất có vai trò hết sức lớn lao ñối với sự sống

trên trái ñất, là môi trường quan trọng của nền sản xuất nông nghiệp

Hỗn hợp các chất khí tạo nên khí quyển ñược gọi là không khí Trong khí quyển liên tục xẩy ra các quá trình và hiện tượng vật lý: sự tuần hoàn nước, các hiện tượng quang học,

ñiện học Tập hợp các hiện tượng và quá trình vật lý ñó chính là chế ñộ thời tiết của một

vùng Ở một chừng mực nào ñó sự biến ñối của thời tiết ñã tạo nên những ñiều kiện cần thiết cho sự sống nói chung và cho ngành sản xuất nông nghiệp nói riêng Sự biến ñộng thái quá của nó có thế dẫn ñến những thiên tai ñe dọa cuộc sống và các hoạt ñộng sản xuất của con người

Giữa khí quyển, sinh quyển, thủy quyển và ñịa quyển luôn luôn trao ñổi tương tác lẫn nhau trong suốt quá trình lịch sử hình thành trái ñất ñă tạo nên những cân bằng ñộng Những cân bằng này có tác dụng duy trì, tái tạo các pha của cân bằng tư nhiên Nếu một

ñiều kiện nào ñó trong cân bằng bị phá vỡ sẽ gây ra những tổn thất không lường trước ñược Sự hoạt ñộng thiếu ý thức bảo vệ thiên nhiên của con người ngày càng xâm phạm cân

bằng sinh thái, làm cho nguồn tài nguyên ngày càng cạn kiệt Hàng năm 17 triệu hecta rừng nhiệt ñới, 300.000 ha rừng thưa bị khai thác quá mức Một phần ba diện tích ñất ñai bị ñe doạ bởi nạn hoang mạc hóa Nạn ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước ñã làm mất ñi ước chừng 5 - 10% số loài sinh vật từ nay ñến năm 2020; và ñến năm 2050 số loài sinh vật bị diệt chủng sẽ lên ñến 25% Sinh quyển bị phá vỡ sẽ gây ra sự biến ñộng khí hậu và khô hạn,

lũ lụt trên trái ñất ngày một gia tăng

Việc bảo vệ cân bằng sinh thái là vấn ñề quyết ñịnh sự tồn vong của loài người Mọi người cần có ý thức bảo vệ nó Ðể làm cơ sở cho những hiểu biết chúng ta lần lượt xem xét những vấn ñề sau ñây:

(Khảo sát khí quyển, Oklahoma - 1997)

Chúng ta biết rằng các chất khí ñều chứa ñựng năng lượng ñược gọi là ñộng năng Ðộng năng của chất khí phụ thuộc vào áp suất khí quyển, nó ñiều khiển trạng thái nhiệt: khi bị nén chúng nóng lên, khi giãn nở chúng bị lạnh ñi Từ nguyên lý ñó ta có thể suy ra rằng: Khối không khí khi chuyển ñộng ñi lên, áp suất giảm dần và giãn ra do dó chúng lạnh ñi

Ngược lại, sự vận chuyển từ cao xuống thấp, không khí ở trạng thái bị nén và làm nhiệt

ñộ của nó tăng lên Giả thiết rằng khối không khí chuyển ñộng nhanh, không có sự trao ñổi nhiệt hoặc sự xáo trộn với khối không khí xung quanh Hiện tượng ñó ñược gọi là ñoạn nhiệt,

có nghĩa là không có sự trao ñổi nhiệt với xung quanh

Các khối không khí ñi lên bao giờ cũng có hiện tượng ñoạn nhiệt lạnh; các khối không khí ñi xuống thường kèm theo hiện tượng ñoạn nhiệt nóng Ở các khối không khí khô (chưa

bởi vì nó chưa bão hòa hơi nước, ựến một ựộ cao nhất ựịnh nhiệt ựộ không khắ ựã giảm ựến ựiểm sương, và trở nên bão hòa hơi nước, sự tiếp tục giảm nhiệt ựộ theo mức ựộ ựoạn nhiệt

ẩm

Kết quả thống kê số liệu cao không 30 năm (1961 - 1990) ở Hà Nội cho thấy, vào mùa đông ở lớp không khắ 500 mét thường xuất hiện lớp nghịch nhiệt (thể hiện rõ trong giá trị nhiệt ựộ tối cao), còn mùa Hè lớp nghịch nhiệt yếu hơn Do có lớp nghịch nhiệt, ở lớp không khắ cao hơn thường xảy ra ngưng kết hơi nước

Bảng 2.1 Nhiệt ựộ không khắ khảo sát lúc 7h (0h GMT) ở các ựộ cao tại Hà Nội

Nguồn: TS Hoàng Thị Phương Hồng (đài khắ tượng cao không Hà Nội)

Hiện tượng thăng, giáng của các khối không khắ trong tầng ựối lưu thường diễn ra hàng ngày, với cường ựộ mạnh hay yếu tùy theo chế ựộ nhiệt của mặt ựất và là nguyên nhân làm hơi nước ngưng kết, tạo thành mây, mưa Hiện tượng ựi xuống của các khối không khắ (ở các trung tâm áp cao, trên các sườn núi xuống ) làm cho không khắ nóng lên, ựộ ẩm xa dần trạng thái bão hòa Hiện tượng thăng, giáng của các khối không khắ là một hiện tượng ựặc trưng quan trọng của tầng ựối lưu

Tầng ựối lưu chiếm 80% khối lượng khắ quyển và 90% hơi nước, thành phần khắ quyển

ở tầng này luôn luôn diễn ra sự trao ựổi giữa mặt ựất, mặt ựại dương và khắ quyển

1.2 Tầng bình lưu (Stratosphere)

Tầng bình lưu là tầng tiếp giáp với tầng ựối lưu, lên cao tới 50 - 55km Đặc ựiểm của tầng bình lưu là không khắ ắt bị xáo trộn theo chiều thẳng ựứng Có thể tách tầng này thành hai lớp:

- Lớp ựẳng nhiệt: nằm sát tầng ựối lưu lên cao tới 25km, nhiệt ựộ ắt thay ựổi, trung bình vào khoảng -550C Lớp khắ quyển này thường chuyển ựộng theo chiều nằm ngang từ ựông sang tây Kắch thước các khối không khắ này có thể tới hàng nghìn cây số

hấp thu mạnh các tia sóng ngắn của bức xạ mặt trời

- Phía trên tầng nghịch nhiệt là ñỉnh tầng bình lưu (Stratopause), nhiệt ñộ khá ổn ñịnh, khoảng 00C ở ñộ cao 55km

1.3 Tầng trung gian (Mesosphere)

Tầng trung gian nằm trên tầng bình lưu cho ñến ñộ cao 80 - 90 km Tầng này nhiệt ñộ giảm dần theo ñộ cao và ñạt ñến giá trị - 700C ñến - 800C

1.4 Tầng ñiện ly (Thermosphere)

Tầng ñiện ly hay còn gọi là tầng nhiệt quyển là tầng không khí có ñộ cao từ 80 ñến 800km Ở tầng này không khí rất thưa loăng Dưới tác dụng của các tia bức xạ, các chất khí ñều bị phân ly và bị ion hoá mạnh Khí quyển ở ñây có ñộ dẫn ñiện cao

Ðộ dẫn ñiện cao ở tầng ñiện ly là nguyên nhân làm phản hồi các sóng vô tuyến phát ñi

từ mặt ñất, nhờ vậy mà mọi thiết bị vô tuyến ñiện ở mặt ñất, ở các vệ tinh nhân tạo mới có thể hoạt ñộng bình thường ñược

Tầng ion có thể nhận thấy hai cực ñại ion hóa ở ñộ cao 100 km và 180 - 200km

Ðặc ñiểm quan trọng của tầng khí quyển này là nhiệt ñộ không khí cao và tăng nhanh theo ñộ cao Ở ñộ cao 200km có nhiệt ñộ 6000C, còn ở giới hạn trên là 20000C

1.5 Tầng khuyếch tán (Exosphere)

Giới hạn trên của tầng này vào khoảng 2000 ñến 3000 km, là tầng chuyển tiếp giữa khí quyển và không gian vũ trụ (Outer space), không khí tầng này rất thưa loãng thành phần chủ yếu là hydrô và hêli

2 MẬT ÐỘ, KHỐI LƯỢNG VÀ SỰ PHÂN BỔ KHÍ QUYỂN THEO CHIỀU CAO 2.1 Mật ñộ không khí

Mật ñộ không khí là khối lượng chất khí có trong 1m3 không khí, hay là tỷ số giữa khối lượng và thể tích của chất khí, ñược kí hiệu là ρ

Lần ñầu tiên trên thế giới, mật ñộ không khí ñược xác ñịnh vào thế kỷ thứ 17 sau khi sáng chế ra bơm không khí Mật ñộ không khí ở ñiều kiện tiêu chuẩn (áp suất khí quyển 760 mm; nhiệt ñộ không khí 00C) bằng 1,293 kg/m3 Còn nếu áp suất khí quyến bằng 1000 mm thì mật ñộ không khí là 1,276 kg/m3

Mật ñộ không khí phụ thuộc vào một số yếu tố vật lý như: nhiệt ñộ, áp suất khí quyển

và ñộ ẩm không khí Ðể xác ñịnh mật ñộ không khí người ta có thể dùng các thiết bị máy móc

ño ñếm trực tiếp, và cũng có thể xác ñịnh một cách gián tiếp dựa trên hai yếu tố là nhiệt ñộ và

áp suất khí quyển

Ðại lượng nghịch ñảo của mật ñộ không khí ñược gọi là thể tích riêng của không khí (V):

Mật ñộ không khí phụ thuộc vào nhiệt ñộ (T) và áp suất khí quyển (P) Sự phụ thuộc này ñược biểu thị bằng phương trình Clapayron là phương trình ñược rút ra từ những ñịnh luật vật lý cơ bản Boymariotte và Gayluitsac

PV = RT (2) Trong ñó: P- áp suất khí quyển (mm);

0,4845

P hay ρ = 0,4845 x

273 + t

t là nhiệt ñộ không khí tính theo ñộ bách phân (0C)

Ta có thể dùng phương trình (3) ñể xác ñịnh mật ñộ không khí ở bất kỳ ñiều kiện nhiệt

ñộ và áp suất nào của khí quyển

Từ phương trình (3) ta suy ra rằng: Mật ñộ không khí tỷ lệ thuận với áp suất của khí quyển (áp suất càng tăng thì khối lượng chất khí có trong 1m3 không khí càng 1ớn và do ñó mật ñộ không khí tăng) Mật ñộ không khí tỷ lệ nghịch với nhiệt ñộ Nhiệt ñộ không khí càng tăng thì mật ñộ không khí giảm, vì nhiệt ñộ tăng thể tích tăng làm cho khối lượng của một ñơn

Mật ñộ khí quyển còn phụ thuộc vào ẩm ñộ không khí Ẩm ñộ không khí càng tăng thì mật ñộ không khí càng giảm (bảng 2.2)

(3)

2.2 Khối lượng khí quyển và sự phân bố theo ñộ cao

Khối lượng khí quyển trái ñất bằng 5,26.1018 kg Trong khi ñó khối lượng của ñịa quyển

là 5,96.1024 kg Như vậy khối lượng khí quyển chỉ bằng 1/1.000.000 khối lượng của ñịa quyển Các kết quả nghiên cứu gần ñây cho thấy: Gần 50% khối lượng khí quyển phân bố từ mặt ñất ñến ñộ cao 5km, 75% ở ñộ cao 10km và 95% ở ñộ cao từ mặt ñất ñến 20km Lớp khí quyển trên 80km chỉ chứa 0,5% khối lượng của nó Cho ñến nay việc xác ñịnh ñộ cao của khí quyển còn gặp nhiều khó khăn vì càng lên cao không khí càng thưa loãng Người ta còn quan sát thấy hiện tượng cực quang ở ñộ cao 1.100 km Ðiều ñó cho ta thấy ở ñộ cao ñó vẫn còn không khí Những chất khí ở ñộ cao 1000 km trở lên hết sức loăng Các chất khí có tốc ñộ chuyển ñộng lớn vì gần như thoát khỏi trường trọng lực của trái ñất và tỏa vào không gian vũ trụ Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy khí quyển trái ñất không có dạng ñối xung mà nó lép

về phía mặt trời và làm thành cái ñuôi chất khí của trái ñất kéo dải hàng chục vạn cây số

3 THÀNH PHẦN KHÔNG KHÍ TRONG KHÍ QUYỂN TRÁI ÐẤT

3.1 Thành phần không khí của lớp khí quyển gần mặt ñất

Bảng 2.3 Thành phần không khí khô, không bị ô nhiễm