Giáo trình khí tượng nông nghiệp - Chương I

Giáo trình khí tượng nông nghiệp

Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp--------------------------------------------- 9 B. KHÍ TƯỢNG ÐẠI CƯƠNG Chương I. NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI 1. MỘT SỐ ðẶC TRƯNG VẬT LÝ, THIÊN VĂN CỦA MẶT TRỜI Mặt 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. Một 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. Năng 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: Bức 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 vật lý khí quyển ., các quá trình hữu sinh như sinh trưởng, phát triển và vận ñộng của sinh giới . muốn xảy ra ñược thì cần phải có năng lượng. Xét về nguồn gốc thì các nguồn năng lượng ñó ñều là năng lượng bức xạ mặt trời. Các ñặc trưng của bức xạ mặt trời như cường ñộ năng lượng, quang chu kỳ, quang phổ và các dạng bức xạ mặt trời là những yếu tố tạo nên ñiều kiện thời tiết, khí hậu và tác ñộng trực tiếp tới ñời sống cây trồng. Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp--------------------------------------------- 10 H1 + H1 H2 + e + γ H2 + H1 He3 + γ He3 + He3 He4 + 2H1 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) Thu phân (23/IX) Hạ chí (22/VI) ðông chí (22/XII) Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp--------------------------------------------- 11 Năng lượng bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng ñầu tiên của mọi quá trình chuyển hoá năng lượng trên bề mặt trái ñất. Năng lượng bức xạ mặt trời chiếu tới trái ñất có thể chuyển sang các dạng khác như nhiệt năng và công năng tạo ra các quá trình vật lý trên bề 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. 2.2. Hằng số mặt trời ( Io) 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 : Trng i hc Nụng nghip 1 - Giỏo trỡnh Khớ tng Nụng nghip--------------------------------------------- 12 r0 l khong cỏch trung bỡnh t trỏi ủt ủn mt tri (r0 = 149.600.000 km) r l khong cỏch thc t Vỡ trỏi ủt cú trc nghiờng vi mt phng hong ủo mt gúc 66o33' cho nờn hng s mt tri cỏc v ủ ủa lý cng bin ủng ớt nhiu. Chõu u I0 = 1,88 cal/cm2.phỳt Chõu M I0 = 1,96 cal/cm2.phỳt Vit Nam I0 = 1,98 cal/cm2.phỳt 2.3. S suy yu ca bc x mt tri khi ủi qua khớ quyn. Khớ quyn bao bc xung quanh qu ủa cu gm cú cỏc thnh phn to nờn nh nit, oxy, acgụn, hi nc, ụzụn, bi (sol khớ) . Bc x mt tri ủi qua khớ quyn b suy yu ủi do mt s nguyờn nhõn nh: Mt phn bc x mt tri b mt s cht nh ụxy, ụzon, cacbonic, hi nc, bi . hp th cú chn lc, ngha l mi cht ch hp th nhng tia bc x cú bc súng nht ủnh. i vi oxy (O2) : Oxy cú cỏc di hp th trong khong ph nhỡn thy v cc tớm. Trong ph nhỡn thy, di hp th bc súng 0,69 - 0,76 à. Mc ủ hp th cỏc tia bc x trong di ny khụng ln nờn s suy gim bc x do oxy hp th khụng ủỏng k. Oxy hp th cỏc tia cc tớm vi bc súng nh hn 0,2 à khỏ mnh. S hp th cỏc tia cc tớm cỏc lp khớ quyn trờn cao dn ủn s phõn ly phõn t oxy ủ to thnh ozụn. i vi ozụn (O3) : Di hp th bc x quan trng nht ca ozụn cú bc súng = 0,2 - 0,32 à. Cỏc tia bc x trong di súng ny khi ủi qua lp ozon bi suy gim ủi mt na. Nh cú lp ozon hp th cỏc tia bc x cc tớm ca mt tri m s sng trờn trỏi ủt ủc bo v. Ngoi ra di cỏc tia bc x cú bc súng = 0,43 - 0,75 à cng b ozụn hp th. i vi khớ cacbonic (CO2) : Di bc x b hp th mnh nht l bc súng khong 2,05 ủn 2,7à v 4,3 à, tuy nhiờn quan trng hn c l di cú bc súng t 12,9 ủn 17,1 à. Nh vy khớ cacbonic hp th di súng di nờn nú cú tỏc dng lm núng trỏi ủt. i vi hi nc (H2O): Hi nc cú nhiu di bc x hp th nh 0,58-0,61 à, 0,68 - 0,73 à, ủc bit t 4 - 40 à. Tuy nhiờn, di bc x t 8-12 à ủc gi l ca s ca khớ quyn, khụng b hi nc hp th v li l vựng phỏt x ca mt ủt v khớ quyn mnh nht, nh ủú trỏi ủt ngui nhanh do thoỏt nhit vo khụng gian v tr. i vi sol khớ (bi): S hp th bc x rt phc tp tu thuc vo bn cht, kớch thc v hm lng . ca bi. Tuy nhiờn, bi quỏ nhiu cú th lm gim trc x. Khi chỏy rng trờn din rng hoc nỳi la hot ủng phun tro bi vo khớ quyn ủó lm gim cng ủ bc x mt tri, nhit ủ khụng khớ cng cú th ủt ngt gim xung. Mt phn bc x mt tri b cỏc phn t khụng khớ, hi nc, bi v mõy lm khuch tỏn do vy bc x mt tri khi ủi qua khớ quyn cng b suy yu ủi. Khi bc x mt tri ủi qua khớ quyn ủó gp phi cỏc phn t gõy khuch tỏn nờu trờn thỡ to ra cỏc dao ủng cng bc. Sau ủú chớnh cỏc phn t khuch tỏn li tr thnh ngun phỏt súng ủin t th cp cựng tn s vi bc x mt tri. Do ủú bc x mt tri ủó b mt ủi mt phn nng lng. Mt phn bc x mt tri b ngn cn bi cỏc ủỏm mõy hoc b phn x tr li khớ quyn nờn b suy yu ủi. Reifsnyder v Lull (1965) dn theo Gates, vo nhng ngy tri nng, nng lng ỏnh sỏng m mt ủt nhn ủc gm 10% bc x t ngoi, 45% bc x trụng thy v 45% bc x hng ngoi (hỡnh 1.2) Khi ủi qua khớ quyn do chu tỏc dng ca cỏc quỏ trỡnh hp th, khuch tỏn v phn x nờn bc x mt tri b suy yu ủi. ng ủi ca tia bc x trong khớ quyn cng di thỡ Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp--------------------------------------------- 13 ảnh hưởng của các quá trình trên càng mạnh và sự suy yếu của bức xạ càng nhiều. Theo Bughe và Menborate, sự giảm của cường ñộ bức xạ mặt trời khi ñi qua khí quyển phụ thuộc Hình 1.2. Phổ bức xạ mặt trời chiếu xuống mặt ñất (Gates, 1965) [Không bị sai lệch khi xuyên qua khí quyển (I) ; mặt biển nhận ñược vào ngày trời nắng (II); xuyên qua lớp 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 bức xạ trong khí quyển là ngắn nhất có khối lượng khí quyển tia sáng ñi qua quy ước bằng 1. Lúc ñó mặt trời nằm ở thiên ñỉnh, ñộ 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. Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp--------------------------------------------- 14 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 (ho) ðộ cao mặt trời (ho) 90o 70o 60o 50o 40o 30o 20o 10o 5o 3o 1o 0o Khối lượng khí quyển (m) 1 1,06 1,15 1,30 1,55 2,00 2,90 5,60 10,4 15,3 28,9 37,4 2.4. Các dạng bức xạ mặt trời Căn cứ vào hướng truyền bức xạ, ñặc ñiểm của các tia bức xạ mặt trời trong khí quyển và ở mặt ñất, chia bức xạ mặt trời thành các dạng như sau: a) Bức xạ mặt trời trực tiếp (S’) Bức xạ mặt trời trực tiếp còn gọi là trực xạ. Trực xạ là phần năng lượng mặt trời chiếu trực tiếp xuống mặt ñất dưới dạng chùm tia song song. Vào những ngày trời nắng trong phần phổ nhìn thấy của bức xạ mặt trời, trực xạ chính là phần tạo ra vết sáng trên mặt ñất (chỗ mặt ñất ñược chiếu sáng). 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 Hình 1.3 là sơ ñồ ñuờng ñi của tia sáng khi ñi qua khí quyển với nhừng ñộ cao mặt 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 Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp--------------------------------------------- 15 lá cây . Ta có thể tính cường ñộ trực xạ trên bề mặt nằm ngang hoặc nghiêng theo biểu thức sau: Sng = S’.sinho (3) Trong ñó : Sng là cường ñộ bức xạ trên bề mặt nằm ngang hay nằm nghiêng [cal/cm2/phút] S’ là cường ñộ trực xạ [ cal/cm2/phút] ho là ñộ cao mặt trời ( góc tạo bởi tia bức xạ với mặt phẳng nằm ngang hay nằm nghiêng) (hình 1.5) ☼ C S Sng ho A B mặt nằm ngang. Trong thiên văn học người ta xác ñịnh ñộ cao mặt trời ở các vĩ ñộ ñịa lý theo công thức: Sinho = sinφsinδ + cosφcosδcosω (4) Trong ñó: φ là vĩ ñộ ñịa lý, δ là xích vĩ " góc giữa mặt phẳng xích ñạo và mặt phẳng hoàng ñạo", thay ñổi theo thời gian trong năm giữa hai giá trị ± 23o27', còn ω là góc giờ, ω = 2πt/τ với τ là chu kỳ quay của trái ñất quanh trục của nó ( τ ≈ 24 giờ), còn t là thời gian thực trong ngày. Như vậy qua các công thức (3) và (4) dễ dàng nhận thấy trong các yếu tố chi phối trực xạ thì ñộ cao mặt trời là yếu tố chính. ðộ cao mặt trời thay ñổi không những theo vĩ ñộ ñịa lý mà còn thay ñổi theo thời gian trong năm. Nhìn chung trực xạ phụ thuộc vào các yếu tố sau ñây: • ðộ cao mặt trời: hàng ngày vào sáng sớm khi mặt trời mới mọc ñộ cao mặt trời nhỏ trực xạ nhỏ, sau ñó ñộ cao mặt trời tăng dần trực xạ cũng tăng theo, ñến buổi trưa khi ñộ cao mặt trời lớn nhất trực xạ cũng lớn nhất. Trong một năm quy luật thay ñổi của trực xạ theo ñộ cao mặt trời cũng tương tự. Vào thời kỳ mặt trời ở thiên ñỉnh thì trực xạ lớn nhất, còn vào thời kỳ mặt trời xa thiên ñỉnh nhất thì trực xạ có giá trị nhỏ nhất. • ðộ cao so với mặt biển: nhìn chung càng lên cao so với mặt biển, do ñộ trong suốt của khí quyển càng cao nên trực xạ càng tăng • Vĩ ñộ ñịa lý: càng lên vĩ ñộ cao, ñộ cao mặt trời càng giảm nên trực xạ càng giảm • Lượng mây: trời càng nhiều mây trực xạ càng giảm, khi trời ñầy mây thì hầu như không có trực xạ. • ðịa hình: Cường ñộ trực xạ chiếu ñến những bề mặt có ñộ nghiêng và hướng nghiêng khác nhau thì rất khác nhau. Lượng bức xạ chiếu ñến một bề mặt có cùng ñộ dốc thì rất khác nhau khi chúng khác nhau về hướng, vĩ ñộ ñịa lý và thời gian trong năm. ðất dốc theo hướng ðông - Tây có cường ñộ trực xạ lớn hơn so với hướng Bắc - Nam (bảng 1.2) Hình 1.5. Sơ ñồ trực xạ trên bề mặt nằm ngang Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp--------------------------------------------- 16 Bảng 1.2. Lượng bức xạ trung bình tháng (cal/cm2/tháng) ở vùng Postdum (52o23'N) Tháng Hướng dốc có ñộ nghiêng 30o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm Mặt nằm ngang 20 44 102 196 276 319 269 223 165 81 25 15 1735 Sườn dốc phía Nam 54 91 161 248 303 326 283 263 235 149 63 45 2221 Sườn dốc phía ðông 18 42 96 182 251 289 240 204 153 76 24 14 1589 Sườn dốc phía Tây 19 42 92 175 245 281 239 198 149 76 25 15 1556 Sườn dốc phía Bắc - - 15 91 176 228 183 124 50 - - - 867 b) Bức xạ khuyếch tán ( D) Bức xạ khuyếch tán còn ñược gọi là tán xạ. Tán xạ là một phần năng lượng bức xạ mặt trời ñược khí quyển, mây . khuyếch tán từ bầu trời xuống mặt ñất. Vào ban ngày khi ñứng trong bóng dâm hoặc ngồi trong phòng mặc dù không ñược 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 chính là tán xạ. Cường ñộ tán xạ là năng lượng tính 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 ñại của bức xạ khuyếch tán thường thấp hơn nhiều so với bức xạ trực tiếp. ðộ cao mặt trời, ñộ vẩn ñục của khí quyển quyết ñịnh ñộ lớn của bức xạ khuyếch tán. Vào những ngày trời trong bức xạ khuyếch tán có thể ñạt tới 0,10 - 0,25 cal/cm2/phút, còn những ngày trời ñầy mây bức xạ khuyếch tán chỉ ñạt 0,08 - 0,1 cal/cm2/phút. Bản chất vật lý của bức xạ khuyếch tán ñã ñược trình bày trong phần 2.3. + Chỉ số khuyếch tán: ðặc trưng cho mức ñộ khuyếch tán các tia bức xạ mặt trời người ta dùng chỉ số khuyếch tán hay ñộ khuyếch tán (d). Trong trường hợp các phần tử gây khuyếch tán có kích thước nhỏ hơn ñộ dài bước sóng của các tia bức xạ thì ñộ khuyếch tán tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc bốn của ñộ dài sóng. Quy luật này gọi là quy luật Roley. Quy luật Roley ñược biểu diễn bằng công thức sau: C dλ = ― Iλ (5) λ4 Trong ñó: dλ là ñộ khuếch tán của tia bức xạ ñơn sắc có bước sóng λ. Iλ là cường ñộ tia bức xạ ñơn sắc có bước sóng λ. C là hằng số phụ thuộc vào số phân tử không khí có trong 1 ñơn vị thể (N) tích và chiết suất khí quyển (n), γ là hằng số thực nghiệm. γ.π2.(n-1)2 C = ------------- (6) 3N Công thức (5) cho thấy những tia bức xạ có bước sóng càng nhỏ thì bị khuếch tán càng mạnh và ngược lại. Nếu sắp xếp các tia sáng ñơn sắc theo thứ tự từ ñỏ ñến tím thì bước sóng tương ứng của nó giảm dần và do vậy tia tím sẽ bị khuếch tán mạnh nhất, còn tia ñỏ bị khuếch tán ít nhất. Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp--------------------------------------------- 17 Nếu kích thước (r) của các phần tử khuếch tán nằm trong khoảng: r < 10-6 mm thì sự khuếch tán sẽ tỉ lệ nghịch với luỹ thừa nhỏ hơn 4 của ñộ dài sóng. 10-3 mm > r > 10-6 mm ñịnh luật Roley kém tác dụng. Nếu r > 10-3 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: 1 D = ― Io (1- Pm) sinh ho (7) 2 Trong ñó: Io là hằng số mặt trời m là khối lượng khí quyển quy ước. P ñộ trong suốt của khí quyển. ho là ñộ cao mặt trời. Từ công thức (7) ta thấy rằng yếu tố chính chi phối tán xạ là ñộ cao mặt trời. Nhìn chung những yếu tố ảnh hưởng tới tán xạ gồm có: - ðộ cao mặt trời: ñộ cao mặt trời càng lớn thì tán xạ càng lớn và ngược lại. Hiện tượng khuyếch tán và khúc xạ ánh sáng ñã có từ trước khi mặt trời mọc và sau khi mặt trời 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. c) Tổng xạ (Q) Tổng xạ là lượng bức xạ mặt trời tổng cộng chiếu xuống mặt ñất. Q = S + D (8) Tổng xạ phụ thuộc vào các yếu tố chi phối trực xạ và tán xạ. Tuy nhiên những yếu tố chính ảnh hưởng tới tổng xạ là ñộ cao mặt trời, mây và ñộ trong suốt của khí quyển 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 Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp--------------------------------------------- 18 Hình 1.6. Phân bố trung bình năm của tổng xạ (Kcal/cm2/năm) [...]... nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nơng nghiệp 18 Hình 1.6. Phân bố trung bình năm của tổng xạ (Kcal/cm 2 /năm) Trường ð i học Nơng nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nơng nghiệp 26 5. CÂU H I ƠN TẬP 1. Anh chi hãy nêu m i quan hệ giữa mặt tr i và tr i ñất ? Ý nghĩa của năng lượng bức xạ mặt tr i đ i v i các vùng khí hậu tr i ñất ? 2. Cho biết nguồn gốc của năng lượng bức xạ mặt tr i, hằng... bị chi ph i b i i u kiện tự nhiên của m i vùng như địa hình, th i tiết, sự khúc xạ ánh sáng (bảng 1.6 ) Chu kỳ chiếu sáng có ảnh hưởng rất lớn đến đ i sống sinh vật, ñặc biệt là những nhịp i u sinh trưởng và phát dục của chúng. Khi xem xét ảnh hưởng của ñộ d i chiếu sáng t i một số quá trình sinh lý ở thực vật ngư i ta tính đến cả khoảng th i gian trước lúc mặt tr i mọc và sau khi mặt tr i lặn... ñộ d i ngày ? 6. Nêu thành phần quang phổ của bức xạ mặt tr i. Vì sao n i bức xạ mặt tr i là bức xạ sóng ngắn cịn bức xạ của mặt đất là bức xạ sóng d i ? Trường ð i học Nơng nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp 11 Năng lượng bức xạ mặt tr i là nguồn năng lượng ñầu tiên của m i quá trình chuyển hố năng lượng trên bề mặt tr i đất. Năng lượng bức xạ mặt tr i chiếu t i tr i ñất... vùng phổ sóng ngắn và ngược l i. Trường ð i học Nơng nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nơng nghiệp 22 Hình 1.7. Sự phân bố cân bằng bức xạ trên tr i ñất (Kcal/cm 2 /phút) Trường ð i học Nơng nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp 16 Bảng 1.2. Lượng bức xạ trung bình tháng (cal/cm 2 /tháng) ở vùng Postdum (52 o 23'N) Tháng Hướng dốc có độ nghiêng 30 o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10... d i ngày, ñêm càng tăng. Riêng t i 2 cực tr i ñất (90 0 ) chỉ có một ngày d i (6 tháng) và 1 ñêm d i (6 tháng). Ngư i ta phân biệt ñộ d i chiếu sáng thiên văn và ñộ d i chiếu sáng ñịa phương. ðộ d i chiếu sáng thiên văn được tính tốn dựa trên các cơng thức lý thuyết, phụ thuộc vào th i gian trong năm và vĩ ñộ ñịa lý. ðộ d i chiếu sáng ñịa phương thường sai khác so v i ñộ d i chiếu sáng thiên... ño gần ñây bằng thiết bị ñặt trên vệ tinh ñịa tĩnh thì hằng số mặt tr i là 1,95 cal/cm 2 /phút. Hằng số mặt tr i (I 0 ) có thể xác ñịnh theo biểu thức sau: I 0 r 2 0 = (1) 1,88 r 2 Trong đó : Trường ð i học Nơng nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nơng nghiệp 25 đêm kéo d i cả 24 giờ. Sau qng th i gian này, từ đơng chí (22/12) ñến xuân phân (21/3) ñộ d i ban ngày l i d i dần ra. Vào ngày... đồng bơng 2 0-2 5 ðất xám ướt 1-2 0 Rừng thường xanh 1 0-2 0 ðất sét 2 0-3 5 Rừng lá to 1 5-2 0 ðất cát khô 2 5-4 5 Rừng lá kim 1 0-1 5 Mặt ruộng khoai tây 1 5-2 5 Mặt nước 7 0-8 5 ðồng lúa 1 5-2 5 Mặt tuyết m i r i 8 0-9 5 Tất nhiên hệ số này cịn phụ thuộc vào độ cao sóng, độ ñục của nước Thực vật phản xạ các tia xanh và hồng ngo i. Cây trồng ở vùng nhiệt ñ i phản xạ tia hồng ngo i nhiều hơn so v i cây trồng...Trường ð i học Nơng nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp 21 Bảng 1.4. Khả năng bức xạ tương ñ i của các lo i bề mặt khác nhau (δ) Lo i bề mặt δ Lo i bề mặt δ Vật ñen tuyệt ñ i 1,00 ðồng cỏ 0,94 ðất ñen 0,87 nước 0,96 Cát 0,89 tuyết 0,99 Biểu thức Wien có dạng: λ max = b/T (13) Trong đó: b là hằng số Wien, b = 2,886.10 -3 mm.ñộ Giả sử nhiệt ñộ của mặt ñất trung... 18 21 24 Ngày d i nhất Phút 05 40 18 02 58 18 45 43 0 Giờ 12 11 10 10 9 8 05 3 0 Ngày ngắn nhất Phút 05 30 53 10 16 0 35 22 0 Bảng 1.7. ðộ d i chiếu sáng sinh lý ở các vĩ ñộ khác nhau ðơn vị: giờ/phút ( Theo Sunghin, 1987) Vĩ ñộ Tháng 0 o 10 o 20 o 30 o 40 o 50 o 60 o 70 o I II III 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... tác giả thì ph i lấy các giá trị độ phản xạ cực tiểu quan sát được trong năm, coi đó là các giá trị mặt đệm. ðể kiểm tra độ chính xác của các số liệu vệ tinh ngư i ta ph i so sánh chúng v i các số liệu quan trắc t i mặt đất. e) Bức xạ sóng d i của mặt đất và khí quyển M i vật có nhiệt độ lớn hơn 0 o K đều có khả năng bức xạ, tức là khả năng phát ra năng lượng dư i dạng các tia sóng i n từ. . Trường ð i học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp- -- -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - 9 B. KHÍ TƯỢNG Ð I CƯƠNG Chương I. NĂNG LƯỢNG. Trường ð i học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp- -- -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - 25 ñêm kéo d i cả 24 giờ. Sau quãng th i gian