Giáo trình khí tượng nông nghiệp - Chương I

Giáo trình khí tượng nông nghiệp

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.

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)

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 ( I o )

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 :

r0 là khoảng cách trung bình từ trái ñất ñến mặt trời (r0 = 149.600.000 km)

r là khoảng cách thực tế

Vì trái ñất có trục nghiêng với mặt phẳng hoàng ñạo một góc 66o33' cho nên hằng số mặt trời ở các vĩ ñộ ñịa lý cũng biến ñộng ít nhiều

Ở Châu Âu I0 = 1,88 cal/cm2.phút

Ở Châu Mỹ I0 = 1,96 cal/cm2.phút

Ở Việt Nam I0 = 1,98 cal/cm2.phút

2.3 Sự suy yếu của bức xạ mặt trời khi ñi qua khí quyển

Khí quyển bao bọc xung quanh quả ñịa cầu gồm có các thành phần tạo nên như nitơ, oxy, acgôn, hơi nước, ôzôn, bụi (sol khí) Bức xạ mặt trời ñi qua khí quyển bị suy yếu ñi do một số nguyên nhân như:

• Một phần bức xạ mặt trời bị một số chất như ôxy, ôzon, cacbonic, hơi nước, bụi hấp thụ có chọn lọc, nghĩa là mỗi chất chỉ hấp thụ những tia bức xạ có bước sóng nhất ñịnh ðối với oxy (O2) : Oxy có các dải hấp thụ trong khoảng phổ nhìn thấy và cực tím Trong phổ nhìn thấy, dải hấp thụ ở bước sóng 0,69 - 0,76 µ Mức ñộ hấp thụ các tia bức xạ trong dải này không lớn nên sự suy giảm bức xạ do oxy hấp thụ không ñáng kể Oxy hấp thụ các tia cực tím với bước sóng nhỏ hơn 0,2 µ khá mạnh Sự hấp thụ các tia cực tím ở các lớp khí quyển trên cao dẫn ñến sự phân ly phân tử oxy ñể tạo thành ozôn

ðối với ozôn (O3) : Dải hấp thụ bức xạ quan trọng nhất của ozôn có bước sóng λ = 0,2 - 0,32 µ Các tia bức xạ trong dải sóng này khi ñi qua lớp ozon bi suy giảm ñi một nửa Nhờ có lớp ozon hấp thụ các tia bức xạ cực tím của mặt trời mà sự sống trên trái ñất ñược bảo vệ Ngoài ra dải các tia bức xạ có bước sóng λ = 0,43 - 0,75 µ cũng bị ozôn hấp thụ

ðối với khí cacbonic (CO2) : Dải bức xạ bị hấp thụ mạnh nhất là bước sóng khoảng 2,05 ñến 2,7µ và 4,3 µ, tuy nhiên quan trọng hơn cả là dải có bước sóng từ 12,9 ñến 17,1 µ Như vậy khí cacbonic hấp thụ dải sóng dài nên nó có tác dụng làm nóng trái ñất

ðối với hơi nước (H2O): Hơi nước có nhiều dải bức xạ hấp thụ như 0,58-0,61 µ, 0,68 - 0,73 µ, ñặc biệt từ 4 - 40 µ Tuy nhiên, dải bức xạ từ 8-12 µ ñược gọi là cửa sổ của khí quyển, không bị hơi nước hấp thụ và lại là vùng phát xạ của mặt ñất và khí quyển mạnh nhất, nhờ ñó trái ñất nguội nhanh do thoát nhiệt vào không gian vũ trụ

ðối với sol khí (bụi): Sự hấp thụ bức xạ rất phức tạp tuỳ thuộc vào bản chất, kích thước và hàm lượng của bụi Tuy nhiên, bụi quá nhiều có thể làm giảm trực xạ Khi cháy rừng trên diện rộng hoặc núi lửa hoạt ñộng phun tro bụi vào khí quyển ñã làm giảm cường

ñộ bức xạ mặt trời, nhiệt ñộ không khí cũng có thể ñột ngột giảm xuống

• Một phần bức xạ mặt trời bị các phần tử không khí, hơi nước, bụi và mây làm khuếch tán do vậy bức xạ mặt trời khi ñi qua khí quyển cũng bị suy yếu ñi Khi bức xạ mặt trời

ñi qua khí quyển ñã gặp phải các phần tử gây khuếch tán nêu trên thì tạo ra các dao ñộng cưỡng bức Sau ñó chính các phần tử khuếch tán lại trở thành nguồn phát sóng ñiện từ thứ cấp cùng tần số với bức xạ mặt trời Do ñó bức xạ mặt trời ñã bị mất ñi một phần năng lượng

• Một phần bức xạ mặt trời bị ngăn cản bởi các ñám mây hoặc bị phản xạ trở lại khí quyển nên bị suy yếu ñi

Reifsnyder và Lull (1965) dẫn theo Gates, vào những ngày trời nắng, năng lượng ánh

sáng mà mặt ñất nhận ñược gồm 10% bức xạ tử ngoại, 45% bức xạ trông thấy và 45% bức

xạ hồng ngoại (hình 1.2)

Khi ñi qua khí quyển do chịu tác dụng của các quá trình hấp thụ, khuếch tán và phản

xạ nên bức xạ mặt trời bị suy yếu ñi ðường ñi của tia bức xạ trong khí quyển càng dài thì

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

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 (h o )

ðộ cao mặt

trời (ho) 90

o 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

lá cây Ta có thể tắnh cường ựộ trực xạ trên bề mặt nằm ngang hoặc nghiêng theo biểu thức

sau:

Sng = SỖ.sinho (3) Trong ựó :

Sng là cường ựộ bức xạ trên bề mặt nằm ngang hay nằm nghiêng [cal/cm2/phút]

SỖ là cường ựộ trực xạ [ cal/cm2/phút]

ho là ựộ 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 ựịnh ựộ cao mặt trời ở các vĩ ựộ ựịa lý theo công

thức:

Sinho = sinφsinδ + cosφcosδcosω (4) Trong ựó: φ là vĩ ựộ ựịa lý, δ là xắch vĩ " góc giữa mặt phẳng xắch ựạo và mặt phẳng

hoàng ựạo", thay ựổi theo thời gian trong năm giữa hai giá trị ổ 23o27', còn ω là góc giờ, ω =

2πt/τ với τ là chu kỳ quay của trái ựất 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 ựộ cao mặt trời là yếu tố chắnh độ cao mặt trời thay ựổi không những theo vĩ ựộ

ựịa lý mà còn thay ựổi theo thời gian trong năm Nhìn chung trực xạ phụ thuộc vào các yếu

tố sau ựây:

Ớ độ cao mặt trời: hàng ngày vào sáng sớm khi mặt trời mới mọc ựộ cao mặt trời nhỏ

trực xạ nhỏ, sau ựó ựộ cao mặt trời tăng dần trực xạ cũng tăng theo, ựến buổi trưa khi ựộ cao

mặt trời lớn nhất trực xạ cũng lớn nhất Trong một năm quy luật thay ựổi của trực xạ theo ựộ

cao mặt trời cũng tương tự Vào thời kỳ mặt trời ở thiên ựỉnh thì trực xạ lớn nhất, còn vào

thời kỳ mặt trời xa thiên ựỉnh nhất thì trực xạ có giá trị nhỏ nhất

Ớ độ cao so với mặt biển: nhìn chung càng lên cao so với mặt biển, do ựộ trong suốt

của khắ quyển càng cao nên trực xạ càng tăng

Ớ Vĩ ựộ ựịa lý: càng lên vĩ ựộ cao, ựộ cao mặt trời càng giảm nên trực xạ càng giảm

Ớ Lượng mây: trời càng nhiều mây trực xạ càng giảm, khi trời ựầy mây thì hầu như

không có trực xạ

Ớ địa hình: Cường ựộ trực xạ chiếu ựến những bề mặt có ựộ nghiêng và hướng nghiêng khác nhau thì rất khác nhau Lượng bức xạ chiếu ựến một bề mặt có cùng ựộ dốc thì

rất khác nhau khi chúng khác nhau về hướng, vĩ ựộ ựịa lý và thời gian trong năm đất dốc

theo hướng đông - Tây có cường ựộ trực xạ lớn hơn so với hướng Bắc - Nam (bảng 1.2)

Hình 1.5 Sơ ựồ trực xạ trên bề mặt nằm ngang

Bảng 1.2 Lượng bức xạ trung bình tháng (cal/cm /tháng) ở vùng Postdum (52 23'N)

Tháng Hướng dốc có

ñộ nghiêng 30 o

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

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

2 /nă