N ội dung bài h ọc 1. Một số đặc trưng vật lý, thiên văn của mặt trời 2. Khái niệm và định luật về bức xạ 3. Sự phát xạ, hấp thu và trạng thái cân bằng bức xạ 4. Hấp thụ có chọn lọc và hiệu ứng nhà kính 5. Các dạng bức xạ và cân bằng bức xạ mặt đất 6. Nhịp điệu ngày đêm và sự hình thành mùa khí hậu Đặc trưng vật lý thiên văn của mặt trời • Là quả cầu lửa khổng lồ với kích thước
NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI Trần Thanh Vân Bộ môn Sinh thái Nông nghiệp Khoa Môi trường Nội dung học 1. Một số đặc trưng vật lý, thiên văn mặt trời 2. Khái niệm định luật xạ 3. Sự phát xạ, hấp thu trạng thái cân xạ 4. Hấp thụ có chọn lọc hiệu ứng nhà kính 5. Các dạng xạ cân xạ mặt đất 6. Nhịp điệu ngày đêm hình thành mùa khí hậu Đặc trưng vật lý thiên văn mặt trời • Là cầu lửa khổng lồ với kích thước: – D = 1.392.000 km; S = 6075 x109 km2; V = 142 x 106 km3 • Gồm chủ yếu chất khí: khí H2 (70%), He (28%) chất khí khác (2%) • Nhiệt độ mặt trời giảm dần từ tâm bề mặt quang cầu: Tại tâm 15 x 106K; Tại bề mặt quang cầu 6000K • Khoảng cách TB từ MT tới TĐ (1 đơn vị thiên văn) 149.5 x 106 km • Sự phát xạ từ bề mặt quang cầu tuân theo định luật Stephan-Boilzman Sự chuyển động Trái đất xung quanh Mặt trời • Trái đất chuyển động xung quanh mặt trời từ tây sang đông theo quỹ đạo elip chuyển động xung quanh trục • NLBXMT tới mặt đất năm thay đổi ±3,5% • Trái đất chuyển động quanh MT với tốc độ trung bình 28km/s (26 km/s: ngày viễn nhật - 30 km/s: ngày cận nhật) • TĐ chuyển động vòng xung quanh MT: 365 ngày 48 phút 46 giây • Trục TĐ nghiêng với mặt hoàng đạo góc 66o33’ Khái niệm định luật xạ • Bức xạ sóng điện từ lan truyền không gian với tốc độ 300 x 106 m/s – tốc độ ánh sáng • Tất vật thể không kể to hay nhỏ, có nhiệt độ lớn không độ tuyệt đối có khả phát xạ • Độ dài bước sóng mà vật thể phát xạ phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ vật thể (tỷ lệ nghịch) • Định luật Stefan-Boltzmann: Nhiệt độ vật phát xạ cao lượng xạ vật thể phát lớn Vật đen tuyệt đối (black body) : E = σ.T4 Thành phần quang phổ xạ MT TĐ • Định luật Plank: Nhiệt độ vật thể cao xạ vật thể phát có độ dài bước sóng ngắn • Định luật Wien λmax = (2897 K/ T)x10-6 m – λmax: độ dài sóng mà phần tử phát xạ với lượng lớn – T: nhiệt độ Kelvin • Áp dụng: – Nhiệt độ bề mặt quang cầu 6000 K: λmax = ? – Nhiệt độ bề mặt trái đất 288 K: λmax = ? Phân vùng quang phổ xạ mặt trời Chia làm ba vùng chính: • Vùng tia tử ngoại (0.76µm): 47% Thành phần quang phổ xạ mặt trời trái đất c Bức xạ tổng cộng (Q, tổng xạ) • Tổng xạ xạ mặt trời tổng công chiếu xuống mặt phẳng nằm ngang tự nhiên: Q = I’ + D • Các yếu tố ảnh hưởng tới tổng xạ: độ cao mặt trời, mây độ suốt khí • Tổng xạ ngày cao vào trưa • Trong năm: tổng xạ cao vào lúc mặt trời qua gần thiên đỉnh c Bức xạ tổng cộng (tiếp) • Tổng xạ thay đổi theo vĩ độ địa lý: Giảm dần cực; Trên đồ cho thấy tổng xạ cao vùng áp cao cận chí tuyến (đặc biệt châu Úc châu Phi) d Bức xạ phản chiếu (Phản xạ) • Phản xạ phần xạ mặt trời chiếu tới mặt đất bị phản xạ trở lại khí • Để đánh giá khả phản xạ bề mặt khác sử dụng đại lượng suất phản xạ albedo (A) • Chỉ số Albedo phần trăm lượng bị phản xạ trở lại khí xạ mặt trời chiếu tới mặt đất Trị số Albedo loại bề mặt Bề mặt nhận xạ Albedo Bề mặt nhận xạ Albedo Tuyết rơi 95% Đất cát mịn 37% Mây (dầy) 70-95% Mặt nước (vĩ độ 30o) 6-9% Ruộng lúa 11-21% Ruộng mía 18% Mây (mỏng) 20-‐65% Ruộng 20-22% Đất đen đậm 14% Cỏ (khô) 31-‐33% Đất đen ẩm 8% Đồng cỏ (xanh) 26% Đô thị 15% Rau xà lách 22% Rừng kim 14% Ruộng ngô 16-23% Mức độ phản xạ loại bề mặt e Bức xạ sóng dài mặt đất (Eđ) • Mặt đất hấp thụ BXMT nóng lên theo định luật nhiệt động học mặt đất xạ, phần lượng phát xạ tính theo công thức: Eđ = δ.σ.T4 - δ: hệ số xạ nằm khoảng 0,85-0,99 - T: nhiệt độ mặt đất (K) • Phát xạ mặt đất làm giảm nhiệt độ mặt đất • Bức xạ mặt đất phần lớn bị hấp thụ bầu khí e Bức xạ nghịch khí (Engh) xạ hữu hiệu (Ehh) • Engh phần xạ sóng dài khí phát hướng xuống mặt đất • Engh phụ thuộc vào độ ẩm thành phần không khí • Bức xạ hữu hiệu (Ehh ) = Eđ – Engh • Ehh thường > 0, đêm thay đổi, ngày tăng đạt cực đại vào trưa • Engh nhỏ vào đêm trời trong, gió nhẹ thường nên lạnh Ehh lớn f Cân xạ mặt đất (Bức xạ – net radiation) • Cân xạ mặt đất tổng đại số lượng thành phần xạ nhận vào thoát khỏi mặt đất • Cân xạ phụ thuộc vào vĩ độ địa lý, địa hình điều kiện thời tiết • Là nhân tố quan trọng việc hình thành chế độ nhiệt vùng khác Thay đổi xạ theo vĩ độ địa lý 6.1 Nhịp điệu ngày đêm • Là thay đổi phiên ngày đêm – Trái đất tựa cầu – Trái đất tự quay xung quanh trục • Độ dài ngày độ dài khoảng thời gian chiếu sáng ngày tính từ mặt trời mọc mặt trời lặn • Độ dài ngày thay đổi theo mùa vĩ độ địa lý Thay đổi độ dài ngày theo mùa vĩ độ địa lý Theo mùa năm • Vào ngày 21/03 23/09, thời gian ngày đêm nơi trái đất • Từ 22/03 đến 22/09: – Ngày dài đêm BBC ngược lại NBC – Ngày 22/06, ngày dài BBC ngắn NBC • Từ 24/09 đến 20/03: – Ngày ngắn đêm BBC ngượi lại NBC – Ngày 22/12, ngày ngắn BBC dài NBC Theo vĩ độ địa lý • Tại xích đạo, ngày đêm • Độ chênh lệch ngày đêm tăng dần hai phía cực • Tại hai vòng cực, có ngày mặt trời không lặn ngày hoàn toàn đêm • Số ngày hoàn toàn ngày đêm tăng dần lên từ vòng cực tới hai địa cực trái đất • Tại hai cực Trái đất (900) có tháng hoàn toàn ngày tháng hoàn toàn đêm 6.2 Mùa khí hậu trái đất • Mùa phân chia năm dựa thay đổi chung theo chu kỳ thời tiết • Nguyên nhân chính: thay đổi độ cao mặt trời độ dài chiếu sáng ngày • Theo quy định ngày xuân phân, hạ chí, thu phân, đông chí ngày bắt đầu mùa • Mùa hai bán cầu Bắc Nam khác định: tính chất mặt đệm thời gian kéo dài [...]... xạ) • Phản xạ là phần của bức xạ mặt trời chiếu tới mặt đất bị phản xạ trở lại khí quyển • Để đánh giá khả năng phản xạ của các bề mặt khác nhau sử dụng đại lượng suất phản xạ albedo (A) • Chỉ số Albedo là phần trăm năng lượng bị phản xạ trở lại khí quyển khi bức xạ mặt trời chiếu tới mặt đất Trị số Albedo trên các loại bề mặt Bề mặt nhận bức xạ Albedo Bề mặt nhận bức xạ Albedo Tuyết mới rơi 95%... cal/cm2/phút ; ở châu Mỹ I0 = 1.96 cal/cm2/phút a .2 Bức xạ mặt trời trực tiếp (I’) – trực xạ • Là phần năng lượng bức xạ MT chiếu trực tiếp xuống mặt đất dưới dạng các tia song song • Cường độ trực xạ tới mặt đất: I= I’ x sin h0 h0 = 90o - φ + δ φ: vĩ độ địa lý δ: xích vĩ mặt trời (δ = 23 o27’) h0 = 900 khi mặt trời đi qua thiên đỉnh Sự thay đổi của xích vĩ mặt trời (δ) theo mùa • Hạ chí: δ = 23 o27’... bức xạ hồng ngoại mạnh – N2O, CH4, O3: hấp thụ ít hơn • Sự hấp thụ bức xạ và phát xạ hồng ngoại giữa khí quyển – trái đất làm nhiệt độ trái đất trung bình 15oC • Hiệu ứng nhà kính khí quyển: sự hấp thụ bức xạ của H2O , CO2, N2O, CH4, O3 Sự hấp thụ bức xạ mặt trời của các chất khí (nguồn: http://eesc.columbia.edu) 5 Các dạng bức xạ a Dạng bức xạ mặt trời trực tiếp b Bức xạ khuếch tán c Bức xạ. .. động học mặt đất bức xạ, phần năng lượng phát xạ được tính theo công thức: Eđ = δ.σ.T4 - δ: là hệ số bức xạ nằm trong khoảng 0,85-0,99 - T: nhiệt độ của mặt đất (K) • Phát xạ mặt đất làm giảm nhiệt độ mặt đất • Bức xạ mặt đất phần lớn bị hấp thụ bởi bầu khí quyển e Bức xạ nghịch của khí quyển (Engh) và bức xạ hữu hiệu (Ehh) • Engh là phần bức xạ sóng dài do khí quyển phát ra hướng xuống mặt đất... phần không khí • Bức xạ hữu hiệu (Ehh ) = Eđ – Engh • Ehh thường > 0, đêm ít thay đổi, ngày tăng và đạt cực đại vào giữa trưa • Engh nhỏ vào những đêm trời trong, gió nhẹ thường nên rất lạnh Ehh lớn f Cân bằng bức xạ mặt đất (Bức xạ thuần – net radiation) • Cân bằng bức xạ mặt đất là tổng đại số năng lượng của các thành phần bức xạ nhận vào và thoát khỏi mặt đất • Cân bằng bức xạ phụ thuộc vào... 37% Mây (dầy) 70-95% Mặt nước (vĩ độ 30o) 6-9% Ruộng lúa 11 -21 % Ruộng mía 18% Mây (mỏng) 20 -‐65% Ruộng bông 20 -22 % Đất đen đậm 14% Cỏ (khô) 31-‐33% Đất đen ẩm 8% Đồng cỏ (xanh) 26 % Đô thị 15% Rau xà lách 22 % Rừng lá kim 14% Ruộng ngô 16 -23 % Mức độ phản xạ của các loại bề mặt e Bức xạ sóng dài mặt đất (Eđ) • Mặt đất hấp thụ BXMT nóng... vùng Pôstdam ( 520 23’) Sự suy yếu của bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển BXMT suy yếu bởi: • Phản xạ (reflection) • Tán xạ (scatter) • Hấp thụ (absorption) Bức xạ MT đi qua bầu khí quyển đã thay đổi cả cường độ và thành phần quang phổ do sự tán xạ và hấp thụ của khí quyển Theo Budghe và Menborate: Bức xạ mặt trời chiếu tới TĐ được xác định theo công thức: I = I0 Pm -‐ m: khối lượng khí quyển... quang phổ bức xạ mặt trời và trái đất Sự phát xạ, hấp thụ và trạng thái cân bằng bức xạ • TĐ + mọi vật xung quanh: vừa phát xạ + hấp thụ năng lượng • Mức độ phát xạ + hấp thụ phụ thuộc nhiều vào đặc tính vật thể: màu sắc, độ nhẵn, độ ẩm và nhiệt độ • Vật đen tuyệt đối: vật thể hấp thụ hoàn toàn tất cả bức xạ chiếu đến và phát xạ một cách tối đa ở nhiệt độ nhất định • Khi cân bằng bức xạ xảy ra:... thể tích và chiết suất khí quyển b Bức xạ khuếch tán (tiếp) • Định luật cho phép giải thích hiện tuợng quang học trong khí quyển: màu xanh của bầu trời, … • Các yếu tố chi phối tán xạ: – Độ cao mặt trời, – Điều kiện bầu khí quyển, – Độ cao so với mực nước biển – Vĩ độ địa lý c Bức xạ tổng cộng (Q, tổng xạ) • Tổng xạ là bức xạ mặt trời tổng công chiếu xuống mặt phẳng nằm ngang tự nhiên: Q = I’... tổng xạ: độ cao mặt trời, mây và độ trong suốt của khí quyển • Tổng xạ ngày cao nhất vào giữa trưa • Trong năm: tổng xạ cao nhất vào lúc mặt trời đi qua hoặc gần thiên đỉnh c Bức xạ tổng cộng (tiếp) • Tổng xạ thay đổi theo vĩ độ địa lý: Giảm dần về cực; Trên bản đồ cho thấy tổng xạ cao nhất ở vùng áp cao cận chí tuyến (đặc biệt châu Úc và châu Phi) d Bức xạ phản chiếu (Phản xạ) • Phản xạ là ... • NLBXMT tới mặt đất năm thay đổi ±3,5% • Trái đất chuyển động quanh MT với tốc độ trung bình 28km/s (26 km/s: ngày viễn nhật - 30 km/s: ngày cận nhật) • TĐ chuyển động vòng xung quanh MT: 365... Pôstdam (52023’) Sự suy yếu xạ mặt trời qua khí BXMT suy yếu bởi: • Phản xạ (reflection) • Tán xạ (scatter) • Hấp thụ (absorption) Bức xạ MT qua bầu khí thay đổi cường độ thành phần quang... Đồng cỏ (xanh) 26% Đô thị 15% Rau xà lách 22% Rừng kim 14% Ruộng ngô 16-23% Mức độ phản xạ loại bề mặt e Bức xạ sóng dài mặt đất (Eđ) • Mặt đất hấp thụ BXMT nóng lên