Bài giảng Khí tượng nông nghiệp - Chương I: Năng lượng bức xạ mặt trời

7/18/15 1 Ch-ơng I. năng l-ợng bức xạ mặt trời 1.1. Đặc điểm vật lý và nguồn gốc năng lượng mặt trời  mặt trời có  = 1,39.106 km, V = 1,41.1018km3. Nhiệt độ quang cầu 6000 0K, vùng lõi 15.106 0K, sắc cầu 2. 106 0K, nhật hoa 20.103 0K.  Thành phần mặt trời gồm 70 - 71% thể tích là H2, 27 - 29% là Heli và 1 - 3% là các khí khác. Dới áp suất và nhiệt độ rất lớn, phản ứng nhiệt hạch xảy ra tạo ra năng l-ợng khổng lồ nêu trên: H2 He + Q Phản ứng xảy ra 3 bớc: B1. H1 + H1 = H2 +  B2. H2 + H1= He3 +  + e B3. He3 + He3 = He4 + 2H1 1. vùng lõi (core) 7. Tai lửa (Sunspot) 6 7 Cấu tạo mặt trời 2. vùng phát xạ (Radiation layer) 3. vùng đối lu (Convective layer) 4. quang cầu (Photosphere) 5. sắc cầu (Chromosphere) 6. nhật hoa (Corona) 1 4 3 2 5 1. vùng lõi 2. vùng phát xạ 3. vùng đối lu 4. quang cầu 5. sắc cầu 6. nhật hoa 7. Tai lửa 6 7 Cấu tạo mặt trời Hoạt động của Mặt trời Sơ đồ Hệ mặt trời của Nicola Côpecnic Tính toán năng l-ợng mặt trời Theo Einstain thì năng l-ợng sinh ra tính theo công thức: E = C2.m trong đó: hằng số C = 107 jun, m = (4mH1 - mHe4)  Nếu có 1g H2 phản ứng thì m = 0,01g nên E = 10 12 jun. Cứ mỗi giây tiêu hao 4 tấn H2 nên năng l-ợng sinh ra tới 4.10 18jun/s. hay bằng là 5,7.1016 Kcal/phút.  Hằng số mặt trời là năng l-ợng BXMT chiếu trên 1 cm2, trong 1 phút của mặt cầu t-ởng t-ợng có tâm là mặt trời và bán kính là 1 ĐVTV, (chính là ở giới hạn ngoài của khí quyển trái đất) bằng 2 + 3,5% Cal/cm2/phút (Odum - 1971). 1 ĐVTV = 149.6.106 km là khoảng cách TB từ TĐ đến MT  Năng l-ợng toàn phần của mặt trời chiếu trên một mặt cầu t-ởng t-ợng có tâm là mặt trời và bán kính là 1 ĐVTV đ-ợc gọi là công suất mặt trời (W).  Vậy W = 4R2.I0 W = 3,86.10 26 jun/s (hay watt).  Mặt trời còn phát ra các hạt electron và pozitron gọi là gió mặt trời, gây ra bão từ ở trái đất. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 2 Xuân phân (21/III) Thu phân (23/IX) Hạ chí (22/VI) Đông chí (22/XII) 147.106 Km (3/I) 152.106 km (5/VII) 1.2. Đặc diểm thiờn văn Hệ mặt trời – Trỏi đất Đơn vị c-ờng độ BXMT  Cal/cm2/phút (Bội số Kcal/cm2/năm)  100 lux = 1Watt/m2  1 microeinsteins/m2/s = 10 lux  1 lengli = 1 cal/cm2  1 cal/cm2/phút = 69 930 lux  1 Jun = 0,24 calo  1 watt = 14,3 calo Gọi Q là năng l-ợng của chùm tia sáng: Q = I.[AB] = S'.[CB] S' là năng l-ợng trên A mặt nằm ngang I h0 [AB] S' S' = I. ----- [CB] C B mặt nằm ngang Hình 1. Sơ đồ trực xạ trên bề mặt nằm ngang S' = I.sinh0 1.3. Cường độ Bức xạ mặt trời Chế độ mặt trời vựng nội chớ tuyến Chuyển động biểu kiến của mặt trời (Solar zenith) Sự hấp thụ bức xạ súng ngắn và súng dài bởi một số cỏc chất khớ trong bầu khớ quyển (Fleagle & Businger 1980) CO2 là chất khớ nhà kớnh chủ yếu, nếu khụng cú CO2, nhiệt độ của trỏi đất = -18 oC Hình 1.2. Phổ bức xạ mặt trời chiếu xuống mặt đất (Gates, 1965) [Khi xuyên qua khí quyển (I) ; mặt biển nhận đ-ợc vào ngày trời nắng (II); xuyên qua lớp mây dày (III); xuyên qua thảm thực vật (IV) xuyên qua mái kính (V)]. Ôxy (O2) hấp thu: bớc sóng 0,69 - 0,76  và < 0,2  Ôzôn (O3) hấpthu: bớc sóng 0,2 - 0,32  và 0,43 - 0,75  Cacbonic (CO2) hấp thu: 2,05 - 2,7 ; 4,3  và 12,9 - 17,1. Hơi nớc (H2O) hấp thu: bớc sóng 0,58 - 0,61, 0,68 - 0,73 và 4 - 40. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 3 Hỡnh 1.3. Sơ đồ đường đi của tia sỏng trong khớ quyển Bảng 2. Khối l-ợng khí quyển (m) tia sáng đi qua ứng với độ cao mặt trời (ho) độ cao mặt trời (ho) 90o 70o 60o 50o 40o 30o 20o 10o 5o 3o 1o 0o Khối l-ợng khí quyển (m) 1,0 1,06 1,15 1,3 1,55 2,0 2,9 5,6 10,4 15,3 28,9 37,4 Hình 1.4. Độ cao mặt trời và đ-ờng đi của tia sáng trong khí quyển ở các vĩ độ I = I0.P m Trực xạ (S): Phần năng l-ợng BXMT chiếu xuống mặt đất d-ới dạng các tia song song, trực tiếp từ mặt trời. S là chỉ tiêu đánh giá khí hậu của các vùng, S phụ thuộc: vĩ độ, độ cao địa hình, mùa trong năm, thời tiết... Tán xạ (D): Phần năng l-ợng BXMT chiếu xuống mặt đất sau khi bị khuyếch tán ở trong khí quyển. Định luật Roley: D tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của b-ớc sóng  và kích th-ớc của phần tử gây khuyếch tán: C D = --- I 4 1 D = --- Io (1- P m) sinho 2 Tổng xạ (Q): Q = S + D Hình 2. Phân bố trung bình năm của tổng xạ (Kcal/cm2/năm) Bức xạ sóng dài mặt đất (Eđ) và bức xạ nghịch khí quyển (EKQ) Công thức Stefan-Boltzmann:  = 0,826.10-10 [cal/cm2/phút.độ-4] T nhiệt độ của vật bức xạ (0K)  Khả năng bức xạ t-ơng đối của mặt đất Loại bề mặt  Loại bề mặt  Vật đen tuyệt đối 1,00 đồng cỏ 0,94 đất đen 0,87 mặt n-ớc 0,96 Cát 0,89 mặt tuyết 0,99 Biểu thức Wien: Hằng số b = 2,886.10-3 mm.độ Eo = .T 4 Eđ = ..T 4 max = b/T Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 4 Bức xạ phản chiếu sóng ngắn (Rn) Là phần bức xạ mặt trời chiếu xuống mặt đất bị phản xạ trở lại khí quyển. Rn phụ thuộc đặc điểm bề mặt phản xạ (do màu sắc, độ nhẵn, cấu trúc khác nhau) Albedo: Rn A% = --------- 100 Q Bảng 3. Trị số albedo trên các loại bề mặt (%) Bề mặt phản xạ Albedo Bề mặt phản xạ Albedo Đất đen 5-15 Cánh đồng bông 20-25 Đất xám -ớt 10-20 Rừng th-ờng xanh 10-20 Đất sét 20-35 Rừng lá to 15-20 Đất cát khô 25-45 Rừng lá kim 10-15 Ruộng khoai tây 15-25 Mặt n-ớc 70-85 Đồng lúa 15-25 Măt tuyết mới rơi 80-95 Hình 3. Phân bố cân bằng bức xạ hàng năm (Kcal/cm2/năm) Cân bàng bức xạ: B = S + D + EKQ- Eđ - Rn Lượng bức xạ súng dài đi ra khỏi bầu khớ quyển hàng năm Lượng bức xạ súng ngắn mặt đất nhận được hàng năm B<0 B>0 Bức xạ quang hợp (PAR - Photosynthesis Active Radiation):  PAR = Cs . S  PAR = CD . D  PAR = CQ . Q Trong đó: CS là hệ số trực xạ (CS = 0,2 - 0,45) CD là hệ số tán xạ (CD = 0,5 - 0,8) CQ là hệ số tổng xạ (CQ = 0,52) 1. Giống có năng suất cao: thấp cây, lá đứng, góc lá nhỏ có hiệu suất quang hợp cao (kiểu cây lý tởng) 2. Giống có năng suất thấp: cao cây, lá nằm ngang, góc lá lớn (kiểu cây có hiệu suất quang hợp thâp) Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 5 Hỡnh 1.10. Loài hoa phong lan ưa búng Hỡnh 1.11. Nho là cõy ưa sỏng Quang chu kỳ Khái niệm: Sự lặp đi lặp lại của độ dài thời gian chiếu sáng mỗi ngày.  Quang chu kỳ thiên văn: thay đổi theo vĩ độ địa lý  Quang chu kỳ địa ph-ơng Bảng 4. Quang chu kỳ ở một số vĩ độ địa lý (Sunghin - 1987) Đơn vị: (giờ.phút) Tháng Vĩ độ địa lý 0o 10o 20o 30o 40o 50o 60o 70o 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 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 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 6 Hỡnh 1 12. Hoa cỳc mựa thu (QCK - 11h) Hỡnh 1.13. Hoa Thanh Long (QCK > 13h) Hỡnh 1.14. Hoa và củ khoai tõy Hỡnh 1.15. Hoa Cỏt tường (QCK – 16h) Quang phổ bức xạ mặt trời Quang phổ BX mặt trời rất rộng, từ tia  đến sóng vô tuyến và có 2 vạch đen: +/ Vạch Frongofer (do khí quyển mặt trời hấp thu) +/ Vạch Telure (do khí quyển trái đất hấp thu) Năng lợng tập trung ở cá vùng tử ngoại, nhìn thấy và hồng ngoại 1. Tia tử ngoại: (0,2à – 0,39à): chiếm 7% tổng năng lợng BXMT, nhng chỉ có 1% xuống tới mặt đất.  Kìm hãm sinh trởng chiều cao thực vật  Nhóm A: gây ban đỏ, tạo thành sắc tố da (ảnh hởng tới thể nhiễm sắc)  Nhóm B: Kích thích hoạt động steroid sinh học (biến esgosterine D2 – tiền VTMD thành VTMD3 - 7 dehydro colesterine...)  Nhóm C: gây ung th da, bị hấpthu do tầng ôzôn khí quyển. 2. Tia nhin thấy (0,39à – 0,76à): chiếm 43% tổng nang lợng BXMT, gồm các tia đơn sắc (đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím).  Cung cấp nang lợng cho cây trồng quang hợp (tia đỏ và tia lam là bức xạ sinh lý) Giúp ngời và động vật nhin đợc màu sắc, hinh khối... Làm tang nhiệt độ mặt đất và không khí, duy tri khí hậu trái đất... 3. Tia hồng ngoại: (0,76à - 24,0à): chiếm 50% tổng năng l-ợng MT, đ-ợc gọi là tia nhiệt. Kích thích sinh tr-ởng chiều cao cây.  Đốt nóng mặt đất và không khí, gây hiệu ứng nhà kính.  S-ởi ấm trong mùa đông cho động, thực vật. Năng l-ợng Nhóm tia bức xạ Đ ộ dài sóng () Cal/cm2.phút (%) Ghi chú Tử ngoai C B A 0,20 - 0,39 0.20 - 0,28 0,29 - 0,32 0,33 - 0,39 0,140 0,008 0,025 0,107 7,0 0,4 1,2 5,4 O3 hấp thu 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, da cam, đỏ Hồng ngoại A B C 0,76 - 24,00 0,76 - 1,40 1,40 - 3,00 3,00 - 24,00 0,930 0,640 0,250 0,040 47,0 32,0 13,0 2,0 Gần đỏ Tổng số 0,20 - 24,00 1,980 100,0 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 7 Sử dụng năng lượng BX mặt trời Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/