Bài giảng Khí tượng nông nghiệp - Bài 2: Năng lượng bức xạ mặt trời và vai trò của nó với sinh vật (Phần 1) - Nguyễn Thị Bích Yên

Nội dung text: Bài giảng Khí tượng nông nghiệp - Bài 2: Năng lượng bức xạ mặt trời và vai trò của nó với sinh vật (Phần 1) - Nguyễn Thị Bích Yên

1. 2012/9/7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam Năng lượng bức xạ mặt trời và vai trò của nó 1.1. Đặc tính vật lý với sinh vật • Là một vật thể tụ tập các chất khí có hình cầu • Thành phần chủ yếu là H2 (70%), He (28%) và một số chất khí 1) Một số đặc trưng vật lý, thiên văn của mặt khác (2%) trời • Kích thước mặt trời (MT): 2) Quang phổ bức xạ mặt trời và một số định – D= 1.392.000 km; S = 6075 x109 km2; luật – V = 142 x 106 km3 3) Cường độ bức xạ mặt trời và cân bằng bức xạ • Khoảng cách TB từ MT tời TĐ (1 đơn vị thiên văn) là 149.5 x 4) Quang chu kỳ 106 km 5) Vai trò của bức xạ mặt trời đối với sinh vật • Nhiệt độ của mặt trời giảm dần từ tâm (15.6 x 106 K) ra ngoài bề mặt quang cầu (6000 K). • Từ bề mặt quang cầu, MT luôn phát xạ theo định luật Stephan Bolsman. Cực 1.2. Vận động của TĐ xung quanh MT Bắc 23O27’ Mặt phẳng hoàng đạo Góc giữa trục TĐ và mặt phẳng hoàng đạo 149,5 x 106 km 66O33’ 152 x 106 km 147 x 106 km Thu phân Cực Nam 1.2. Vận động của trái đất xung quanh mặt trời 1.3. Mạng lưới tọa độ địa lý • Tự vận động xung quanh trục và xung quanh mặt trời CB = BTA theo hướng ngược chiều kim đồng hồ B C EGC = kinh tuyến gốc • NLBXMT dồn tới mặt đất trong năm thay đổi 3,5% (?) B N • Tốc độ chuyển động của TĐ: A = GTA 26 km s-1-30 km s-1 (?)  = 0 kinh tuyến gốc • Trục TĐ nghiêng với mặt hoàng đạo một góc 66o33’ (Greenwich meridian) • TĐ chuyển động hết một vòng xung quanh MT hết 365 ngày 5 giờ 48 phút 46 giây HàN ội: 21o01’B; 105o52’Đ TP HCM:10 o10' B; 106o 22'Đ 1
2. 2012/9/7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 1.3. Mạng lưới tọa độ địa lý 2) Quang phổ bức xạ mặt trời và một số định luật CB • BXMT là sóng điện từ lan truyền trong không gian với tốc độ Một số vĩđ ộ 300 x 106 m s-1 quan Vòng cực Bắc o trọng 66 33’B • Tất cả các phần tử có nhiệt độl ớn hơn 0 Kelvin (- 273.15 oC) đều phát xạ năng lượng Chítuy ến Bắc 23o 27’ B • Nhiệt độ của vật phát xạ càng cao thì năng lượng bức xạ của = 0 vật thể đó phát ra càng lớn (Stefan-Boltzmann) Xích đạo – Vật đen tuyệt đối (black body) : E = T4 23o 27’ N Chítuy ến Nam – Vật thể xám (grey body) : E = δT4 o • : hằng số Stefan-Boltzmann (0,826 x 10-10 cal cm-2 phut-1 K-4) Vòng cực Nam 66 33’ N • δ: hệ số bức xạ vật thể( VTĐ = 1; VTX = 0,85-0,99) CN • T: nhiệt độ của vật thể(K) 2) Quang phổ bức xạ mặt trời và một số định luật Wien’s Law (Cont.) Nhiệt độ bềm ặt của mặt trời là 6000 K: • Nhiệt độ của một vật thể càng cao thì bức xạ mà 6000 -6 vật thể đó phát ra có độ dài sóng càng ngắn (định λmax = (2897 K/ K) x 10 m luật Planck) -6 = 0.5 m λmax = 0.5x10 m μ λ = (2897 K/ T)x10-6 m (định luật Wien) max Nhiệt độ bềm ặt trái đất là 288 K: λ = (2897 K/ 288 K) x 10-6 m λ : độ dài sóng màph ần tử phát xạv ới max max năng lượng lớn nhất λ = 10x10-6 m = 10 μm T: nhiệt độKelvin max Quang phổ bức xạ mặt trời và trái đất Phân vùng quang phổ BXMT • Vùng tia tử ngoại ( 0.76µm): 47% λmax λmax Quang phổ bức xạ mặt trời : 0.15 – 3.0 μm (sóng ngắn) Quang phổ bức xạ trái đất : 3 – 100 μm (sóng dài) 2
3. 2012/9/7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam Quang phổb ức xạ 3.1. Khái niệm và đơn vị đo Bức xạ mặt trời tới trái đất Cường độ BXMT là năng lượng BX chiếu tới một đơn vị diện tích đặt vuông góc với tia tới trong một đơn vị thời gian Đơn vị đo: Cal cm-2 phút-1; Wm-2 1 W = 1 Js-1 = 14.3 Cal phút -1 3.2. Hằng số mặt trời (I0) 3.3. Sự suy yếu của bức xạ • Cường độ bức xạ mặt trời ở giới hạn ngoài của khí quyển tương mặt trời khi đi qua khí quyển đối ổn định nên gọi là hằng số mặt trời (1.96 Cal cm-2 phút-1 hay 1.366 Wm-2 ± 3.5%) • Hằng số mặt trời được xác định bằng công thức sau: • Phản xạ (reflection) I0 = 1.88(d0/d) • Tán xạ (scatter) do = khoảng cách TB từ trái đất đến MT; d = khoảng cách thực tế tuỳ thuộc vào thời gian trong năm • Hấp thụ (absorption) • Trục của trái đất nghiêng so với mặt phẳng hoàng đạo một góc 66.50 hằng số mặt trời ở các vĩ độ khác nhau có biến động ít Khi bức xạ MT đi qua bầu khí quyển, sự tán xạ và nhiều hấp thụ đã làm thay đổi cả cường độ và thành phần 2 quang phổ. Vd: ở châu Âu I0 = 1.88 cal/cm /phút 2 ở châu Mỹ I0 = 1.96 cal/cm /phút Theo Budghe và Menborate: Sựh ấp I = I .Pm 0 thụ bức m: khối lượng khí quyển xạ mặt tia sáng đi qua P: độ trong suốt của khí trời của quyển (P trung bình bằng 0,75) bầu khí m nhỏ nhất khi nào? quyển Cửa sổ khíquy ển 3
4. 2012/9/7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam Sựthay đổi năng lương BXMT bởi bầu khíquy ển vàm ặt đất 3.4. Các dạng bức 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 quyển Cực Mặt phẳng chứa vòng Bắc tròn ranh giới ánh nắng 3.4.1. Bức xạ mặt trời trực tiếp (S’) • Là năng lượng bức xạ chiếu thẳng từ MT xuống mặt đất dưới dạng các tia song song • Cường độ trực xạ tới mặt O đất: o δ=-23 27’ h0=70 S= S’ x sin h0 o – h0 = 90 - +  – : vĩ độ địa lý – : xích vĩ mặt trời ( = 23o27’) o – h0 =90 mặt trời đi qua thiên đỉnh. o h0=30 Cực Nam Sự thay đổi của xích vĩ mặt trời () theo mùa Chuyển động biểu kiến của mặt trời Hạchí :  = 23o27’ 23o27’ B Đông chí:  = - 23o27’ 22/6 Xuân phân và thu phân trời  = 0 0 23/9  h0=90 ở những vĩ độ nào mặt Xích đạo tương ứng với những ngày vĩ 21/3 trên? 0 Vào ngày nào h0=90 tại vòng cực? Xích 22/12 23o27’ N Độ cao mặt trời phụ thuộc vào vĩ độ địa lý, mùa và thời HàN ội: h0 = 90 gian trong ngày Lần 1: 12/6 Ngày Lần 2: 1/7 4
5. 2012/9/7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam o 350 Postdum (52 23’N) Các yếu tố ảnh hưởng tới trực xạ Theo GTKTNN (2005) 300 ) 1 - ng • Độ cao mặt trời 250 thá 2 - mặt nằm ngang • Độ cao so với mực nước biển 200 sườn dốc phía Nam • Điều kiện thời tiết cm (cal sườn dốc phía Đông 150 xạ xạ sườn dốc phía Tây c c • Địa hình ứ sườn dốc phía Bắc B 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 tháng 3.4.2. Bức xạ khuếch tán (D) 3.4.3. Bức xạ tổng cộng (Q) • Khi tia bức xạ MT chiếu xuống mặt đất, phần năng lượng bị • Bức xạ tổng cộng: bao gồm trực xạ và tán xạ chiếu trên mặt khuếch tán hướng tới mặt đất được gọi là bức xạ khuếch tán phẳng nằm ngang tự nhiên Q = S’ + D • Định luật Rayleigh: • Phụ thuộc vào độ cao mặt trời, mây và độ trong suốt của khí 4 D=C x I/ quyển – D là cường độ bức xạ khuếch tán của bước sóng , • Biến trình ngày và năm của tổng xạ – I là cường độ của tia tới có bước sóng , – Biến trình ngày: cao nhất vào giữa trưa – C là hằng số phụ thuộc vào số phân tử không khí có trong một đơn vị – Biến trình năm: cao nhất vào lúc mặt trời đi qua hoặc gần thiên đỉnh thể tích và chiết suất khí quyển. • Biến trình trong vùng nội chí tuyến? – Định luật này chỉ đúng khi kích thước của vật thể khuếch tán nhỏ hơn • Thay đổi tổng xạ theo vĩ độ địa lý? bước sóng – Càng gần vùng cực tổng xạ càng giảm • Các yếu tố ảnh hưởng: độ cao mặt trời, điều kiện bầu khí – Cao nhất ở vùng áp cao cận chí tuyến (đặc biệt châu Úc và châu Phi) quyển, độ cao so với mực nước biển và vĩ độ địa lý 3.4.4. Phản xạ (Rn) - Albedo Mức độ phản xạ của các loại bề mặt • Albedo-tên thường gọi cho -Tuyết mới rơi 95% - Ruộng bông 20-22% chú chó trắng - Mây (dầy) 70-95% - Cỏ (khô) 31-33% - Mây (mỏng) 20-65% • Xuất phát từ từ Latinh albus - Đồng cỏ (xanh)26% nghĩa là trắng - Đất đen đậm 14% - Rau xà lách 22% • Trong khí tượng: - Đất đen ẩm 8% – Chỉ số Albedo là phần trăm năng - Đô thị 15% - Ruộng ngô 16-23% lượng bị phản xạ trở lại khí - Rừng lá kim 14% - Ruộng lúa 11-21% quyển khi bức xạ mặt trời chiếu - Đất cát mịn 37% tới mặt đất - Ruộng mía 18% - Mặt nước 6-9% A(%) = Rn/Q x 100 (vĩ độ 30o) 5
6. 2012/9/7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam Mức độp hản xạ của các loại bề mặt Phân bố Albedo trên trái đất Mức phản xạ của lá cây Oak ở các độ Mức phản xạ của lácây mangrove dài sóng khác nhau 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 6 and 7 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. 3.4.6 Bức xạ nghịch của khí quyển (Engh) 3.4.5. Bức xạ sóng dài mặt đất (Eđ) và bức xạ hữu hiệu (Ehh) • Mặt đất bức xạ ít hơn so với vật đen tuyệt đối • Engh là phần bức xạ sóng dài do khí quyển phát ra và được tính theo công thức: hướng xuống mặt đất 4 Eđ = ..T • Engh phụ thuộc vào độ ẩm và thành phần không khí  là hệ số bức xạ nằm trong khoảng 0,85-0,99 Ehh = Eđ – Engh • Bức xạ mặt đất phần lớn bị hấp thụ bởi khí • Ehh thường > 0, đêm ít thay đổi, ngày  và đạt cực đại vào giữa trưa quyển (trừ cửa sổ khí quyển-atmospheric • Những đêm trời trong, gió nhẹ thường có E nhỏ window) ngh dẫn tới Ehh lớn nên rất lạnh 6
7. 2012/9/7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 3.4.7. Cân bằng bức xạ mặt đất (bức xạ thuần – net radiation) Biến trình bức xạ thuần theo ngày 450 N B = S’ + D + Engh – Eđ - Rn Ehh Rn D S’ Engh Rn Eđ Biến trình bức xạ thuần trong năm Thay đổi bức xạ thuần theo vĩ độ địa lý Năng lượng dư chuyển về vùng vĩđ ộ cao nhờ dòng hoàn lưu khí quyển vàđ ại dương Cực Mặt phẳng chứa vòng 4. Quang chu kỳ Bắc tròn ranh giới ánh lá • Là sựthay đổi lặp đi lặp lại của độ dài ngày Mặt phẳng xích đạo • Nhịp điệu ngày đêm Trái đất tựa cầu Trái đất tự quay xung quanh trục • Độ dài ngày thay đổi theo mùa và vĩ độ địa lý Trái đất chuyển động quanh mặt trời, trục không đổi hướng và nghiêng so với mặt phẳng hoàng đạo một góc 66o 33’ Cực Nam 7
8. 2012/9/7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 4. Quang chu kỳ 4. Quang chu ký 4.1. Theo thời gian 4.2. Theo vĩ độ địa lý – Vào ngày 21/03 và 23/09, thời gian ngày bằng – Tại xích đạo, ngày và đêm luôn bằng nhau đêm mọi nơi trên trái đất – Độ chênh lệch tăng dần về hai phía cực – Từ 22/03 đến 22/09: • Ngày dài hơn đêm ở BBC và ngược lại ở NBC – Tại hai vòng cực, có một ngày mặt trời không lặn • Ngày 22/06, ngày dài nhất ở BBC và ngắn nhất ở NBC và một ngày hoàn toàn là đêm – Từ 24/09 đến 20/03: – Số ngày hoàn toàn là ngày hoặc đêm tăng dần lên từ vòng cực tới hai địa cực của trái đất • Ngày ngắn hơn đêm ở BBC và ngượi lại ở NBC • Ngày 22/12, ngày ngắn nhất ở BBC và dài nhất ở NBC – Tại địa cực có 6 tháng hoàn toàn là ngày và 6 tháng hoàn toàn là đêm Thay đổi độ dài ngày theo vĩ độ địa lý HàN ội: 21o01’B; 105o52’Đ TP HCM:10 o10' B; 106o 22'Đ 8