Bài giảng Khí tượng nông nghiệp: Năng lượng bức xạ mặt trời và vai trò của nó với sinh vật cung cấp cho học viên các kiến thức về một số đặc trưng vật lý, thiên văn của mặt trời; quang phổ bức xạ mặt trời và một số định luật; cường độ bức xạ mặt trời và cân bằng bức xạ; quang chu kỳ;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
2012/9/7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ Năng lượng xạ mặt trời vai trị với sinh vật 1) Một số đặc trưng vật lý, thiên văn mặt trời 2) Quang phổ xạ mặt trời số định luật 3) Cường độ xạ mặt trời cân xạ 4) Quang chu kỳ 5) Vai trò xạ mặt trời sinh vật 1.1 Đặc tính vật lý • Là vật thể tụ tập chất khí có hình cầu • Thành phần chủ yếu H2 (70%), He (28%) số chất khí khác (2%) • Kích thước mặt trời (MT): – D= 1.392.000 km; S = 6075 x109 km2; – V = 142 x 106 km3 • Khoảng cách TB từ MT tời TĐ (1 đơn vị thiên văn) 149.5 x 106 km • Nhiệt độ mặt trời giảm dần từ tâm (15.6 x 106 K) bề mặt quang cầu (6000 K) • Từ bề mặt quang cầu, MT ln phát xạ theo định luật Stephan Bolsman Cực Bắc 1.2 Vận động TĐ xung quanh MT 23O27’ Mặt phẳng hoàng đạo 149,5 x 106 km 152 x 106 km Góc giữa trục TĐ và mặt phẳng hoàng đạo 66O33’ 147 x 106 km Thu phân Cực Nam 1.2 Vận động trái đất xung quanh mặt trời • Tự vận động xung quanh trục xung quanh mặt trời theo hướng ngược chiều kim đồng hồ • NLBXMT dồn tới mặt đất năm thay đổi 3,5% (?) • Tốc độ chuyển động TĐ: 26 km s-1-30 km s-1 (?) • Trục TĐ nghiêng với mặt hồng đạo góc 66o33’ • TĐ chuyển động hết vịng xung quanh MT hết 365 ngày 48 phút 46 giây 1.3 Mạng lưới tọa độ địa lý CB B = BTA CBEGCN= kinh tuyến gốc A = GTA = kinh tuyến gốc (Greenwich meridian) Hà Nội: 21o01’B; 105o52’Đ TP HCM:10 o10' B; 106o 22'Đ Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 2012/9/7 https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 1.3 Mạng lưới tọa độ địa lý 2) Quang phổ xạ mặt trời và mợt sớ định ḷt CB • BXMT sóng điện từ lan truyền không gian với tốc độ 300 x 106 m s-1 Một số vĩ độ quan trọng Vòng cực Bắc 66o33’ B Chí tuyến Bắc 23o 27’ B =0 Xích đạo 23o 27’ N Chí tuyến Nam 66o33’ N Vòng cực Nam • Tất cả các phần tử có nhiệt độ lớn Kelvin (273.15 oC) đều phát xạ lượng • Nhiệt độ vật phát xạ cao lượng xạ vật thể phát lớn (Stefan-Boltzmann) – Vật đen tuyệt đối (black body) : E = T4 – Vật thể xám (grey body) : E = δT4 • : hằng số Stefan-Boltzmann (0,826 x 10-10 cal cm-2 phut-1 K-4) • δ: hệ số bức xạ vật thể (VTĐ = 1; VTX = 0,85-0,99) • T: nhiệt đợ của vật thể (K) CN 2) Quang phổ xạ mặt trời và mợt sớ định ḷt • Nhiệt độ vật thể cao xạ mà vật thể phát có độ dài sóng ngắn (định luật Planck) λmax = (2897 K/ T)x10-6 m (định luật Wien) λmax: độ dài sóng mà phần tử phát xạ với lượng lớn nhất T: nhiệt độ Kelvin Quang phổ xạ mặt trời trái đất Wien’s Law (Cont.) Nhiệt độ bề mặt của mặt trời là 6000 K: λmax = (2897 K/6000 K) x 10-6 m λmax = 0.5x10-6 m = 0.5 μm Nhiệt độ bề mặt trái đất là 288 K: λmax = (2897 K/ 288 K) x 10-6 m λmax = 10x10-6 m = 10 μm Phân vùng quang phổ BXMT • Vùng tia t ngoi (0.76µm): 47% λmax Quang phở bức xạ mặt trời Quang phổ bức xạ trái đất λmax : 0.15 – 3.0 μm (sóng ngắn) : – 100 μm (sóng dài) Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam Quang phổ bức xạ Bức xạ mặt trời tới trái đất 2012/9/7 3.1 Khái niệm đơn vị đo Cường độ BXMT lượng BX chiếu tới đơn vị diện tích đặt vng góc với tia tới đơn vị thời gian Đơn vị đo: Cal cm-2 phút-1; Wm-2 W = Js-1 = 14.3 Cal phút -1 3.2 Hằng số mặt trời (I0) • Cường độ xạ mặt trời giới hạn ngồi khí tương đối ổn định nên gọi số mặt trời (1.96 Cal cm-2 phút-1 hay 1.366 Wm-2 ± 3.5%) • Hằng số mặt trời xác định công thức sau: I0 = 1.88(d0/d) = khoảng cách TB từ trái đất đến MT; d = khoảng cách thực tế tuỳ thuộc vào thời gian năm • Trục trái đất nghiêng so với mặt phẳng hoàng đạo góc 66.50 số mặt trời vĩ độ khác có biến động nhiều Vd: châu Âu I0 = 1.88 cal/cm2/phút 3.3 Sự suy yếu xạ mặt trời qua khí • Phản xạ (reflection) • Tán xạ (scatter) • Hấp thụ (absorption) Khi bức xạ MT qua bầu khí quyển, sự tán xạ và hấp thụ làm thay đổi cường độ và thành phần quang phổ châu Mỹ I0 = 1.96 cal/cm2/phút Theo Budghe và Menborate: Sự hấp thụ bức xạ mặt trời của bầu khí quyển I = I0.Pm m: khối lượng khí quyển tia sáng qua P: đợ suốt của khí quyển (P trung bình bằng 0,75) m nhỏ nhất nào? Cửa sổ khí 2012/9/7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam Sự thay đổi lương BXMT bởi bầu khí quyển và mặt đất 3.4 Các dạng xạ 3.4.1 Bức xạ mặt trời trực tiếp (trực xạ) 3.4.2 Bức xạ khuếch tán (tán xạ) 3.4.3 Bức xạ tổng cộng (tổng xạ) 3.4.4 Phản xạ 3.4.5 Bức xạ sóng dài mặt đất 3.4.6 Bức xạ nghịch khí http://www.physicalgeography.net/fundamentals/7f.html 3.4.1 Bức xạ mặt trời trực tiếp (S’) • Là lượng xạ chiếu thẳng từ MT xuống mặt đất dạng tia song song • Cường độ trực xạ tới mặt đất: S= S’ x sin h0 – – – – Mặt phẳng chứa vòng tròn ranh giới ánh nắng Cực Bắc δ=-23O27’ h0=70o h0 = 90o - + : vĩ độ địa lý : xích vĩ mặt trời ( = 23o27’) h0 =90o mặt trời qua thiên đỉnh h0=30o Sự thay đổi xích vĩ mặt trời () theo mùa Cực Nam Chuyển động biểu kiến của mặt trời Hạ chí: = 23o27’ 23o27’ B Đơng chí: = - 23o27’ 22/6 Xích vĩ mặt trời Xuân phân và thu phân =0 h0=900 vĩ độ nào tương ứng với ngày trên? Vào ngày nào h0=900 tại vòng cực? 23/9 Xích đạo 21/3 22/12 Độ cao mặt trời phụ thuộc vào vĩ độ địa lý, mùa và thời gian ngày Ngày 23o27’ N Hà Nội: h0 = 90 Lần 1: 12/6 Lần 2: 1/7 2012/9/7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam Độ cao mặt trời Độ cao so với mực nước biển Điều kiện thời tiết Địa hình Bức xạ (cal cm-2 tháng-1) • • • • Postdum (52o23’N) Theo GTKTNN (2005) 350 Các yếu tố ảnh hưởng tới trực xạ 300 250 mặt nằm ngang 200 sườn dốc phía Nam sườn dốc phía Đơng 150 sườn dốc phía Tây sườn dốc phía Bắc 100 50 10 11 12 tháng 3.4.2 Bức xạ khuếch tán (D) • Khi tia xạ MT chiếu xuống mặt đất, phần lượng bị khuếch tán hướng tới mặt đất gọi xạ khuếch tán • Định luật Rayleigh: D=C x I/4 – D cường độ xạ khuếch tán bước sóng , – I cường độ tia tới có bước sóng , – C số phụ thuộc vào số phân tử khơng khí có đơn vị thể tích chiết suất khí – Định luật kích thước vật thể khuếch tán nhỏ bước sóng • Các yếu tố ảnh hưởng: độ cao mặt trời, điều kiện bầu khí quyển, độ cao so với mực nước biển vĩ độ địa lý 3.4.4 Phản xạ (Rn) - Albedo • Albedo-tên thường gọi cho chó trắng • Xuất phát từ từ Latinh albus nghĩa trắng • Trong khí tượng: – Chỉ số Albedo phần trăm lượng bị phản xạ trở lại khí xạ mặt trời chiếu tới mặt đất A(%) = Rn/Q x 100 3.4.3 Bức xạ tổng cộng (Q) • Bức xạ tổng cộng: bao gồm trực xạ tán xạ chiếu mặt phẳng nằm ngang tự nhiên Q = S’ + D • Phụ thuộc vào độ cao mặt trời, mây độ suốt khí • Biến trình ngày năm tổng xạ – Biến trình ngày: cao vào trưa – Biến trình năm: cao vào lúc mặt trời qua gần thiên đỉnh • Biến trình vùng nội chí tuyến? • Thay đổi tổng xạ theo vĩ độ địa lý? – Càng gần vùng cực tổng xạ giảm – Cao vùng áp cao cận chí tuyến (đặc biệt châu Úc châu Phi) Mức độ phản xạ của các loại bề mặt -Tuyết mới rơi 95% - Mây (dầy) 70-95% - Mây (mỏng) 20-65% - Đất đen đậm 14% - Đất đen ẩm 8% - Đô thị 15% - Rừng lá kim 14% - Đất cát mịn 37% - Mặt nước 6-9% (vĩ độ 30o) - Ruộng 20-22% - Cỏ (khô) 31-33% - Đồng cỏ (xanh)26% - Rau xà lách 22% - Ruộng ngô 16-23% - Ṛng lúa 11-21% - Ṛng mía 18% Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam Mức độ phản xạ của các loại bề mặt 2012/9/7 Phân bố Albedo trái đất http://www.climatepedia.org/Albedo Mức phản xạ Oak độ dài sóng khác Mức phản xạ của lá mangrove The measured mangrove canopy reflectance between 400 and 1100 nm for mixed Florida mangroves (~40% Rhizophora, 30% Avicennia and 30% Laguncularia) The bandwidths of CASI (top graph) and SPOT XS (bottom graph) have been superimposed over the canopy spectral profile CASI bands and are either side of the mangrove ‘red edge’ which occurs between about 700 and 750 nm Canopy reflectance values based on: Ramsey, E.W., and Jensen, J.R., 1996, Remote sensing of mangrove wetlands: relating canopy spectra to site-specific data Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 62 (8), 939-948 3.4.5 Bức xạ sóng dài mặt đất (Eđ) • Mặt đất xạ so với vật đen tuyệt đối tính theo cơng thức: Eđ = ..T4 hệ số xạ nằm khoảng 0,85-0,99 • Bức xạ mặt đất phần lớn bị hấp thụ khí (trừ cửa sổ khí quyển-atmospheric window) 3.4.6 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 khơng khí Ehh = Eđ – Engh • Ehh thường > 0, đêm thay đổi, ngày đạt cực đại vào trưa • Những đêm trời trong, gió nhẹ thường có Engh nhỏ dẫn tới Ehh lớn nên lạnh 2012/9/7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 3.4.7 Cân xạ mặt đất (bức xạ – net radiation) 450 N B = S’ + D + Engh – Eđ - Rn Ehh Biến trình xạ theo ngày Rn D S’ Engh Rn Eđ http://www.physicalgeography.net/fundamentals/7l.html Biến trình xạ năm Thay đổi xạ theo vĩ độ địa lý Năng lượng dư chuyển về vùng vĩ đợ cao nhờ dòng hoàn lưu khí qủn và đại dương http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=35555 Quang chu kỳ http://www.eoearth.org/article/Energy_balance_of_Earth Cực Bắc Mặt phẳng chứa vòng tròn ranh giới ánh lá • Là sự thay đổi lặp lặp lại của độ dài ngày • Nhịp điệu ngày đêm Mặt phẳng xích đạo Trái đất tựa cầu Trái đất tự quay xung quanh trục • Độ dài ngày thay đổi theo mùa vĩ độ địa lý Trái đất chuyển động quanh mặt trời, trục không đổi hướng nghiêng so với mặt phẳng hoàng đạo góc 66o 33’ Cực Nam 2012/9/7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam Quang chu kỳ 4.1 Theo thời gian – 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 Quang chu ký 4.2 Theo vĩ độ địa lý – Tại xích đạo, ngày đêm ln – Độ chênh lệch tăng dần hai phía cực – Tại hai vịng cực, có ngày mặt trời khơng lặn ngày hồn tồn đêm – Số ngày hoàn toàn ngày đêm tăng dần lên từ vòng cực tới hai địa cực trái đất – Tại địa cực có tháng hồn toàn ngày tháng hoàn toàn đêm Thay đổi độ dài ngày theo vĩ độ địa lý Hà Nội: 21o01’B; 105o52’Đ TP HCM:10 o10' B; 106o 22'Đ http://plantphys.info/plant_physiology/photoperiodism.shtml ... Các dạng xạ 3.4.1 Bức xạ mặt trời trực tiếp (trực xạ) 3.4.2 Bức xạ khuếch tán (tán xạ) 3.4.3 Bức xạ tổng cộng (tổng xạ) 3.4.4 Phản xạ 3.4.5 Bức xạ sóng dài mặt đất 3.4.6 Bức xạ nghịch khí http://www.physicalgeography.net/fundamentals/7f.html... Albedo phần trăm lượng bị phản xạ trở lại khí xạ mặt trời chiếu tới mặt đất A(%) = Rn/Q x 100 3.4.3 Bức xạ tổng cộng (Q) • Bức xạ tổng cộng: bao gồm trực xạ tán xạ chiếu mặt phẳng nằm ngang tự nhiên... 3.4.5 Bức xạ sóng dài mặt đất (Eđ) • Mặt đất xạ so với vật đen tuyệt đối tính theo công thức: Eđ = ..T4 hệ số xạ nằm khoảng 0,85-0,99 • Bức xạ mặt đất phần lớn bị hấp thụ khí (trừ cửa sổ khí