Trưng ði hc Nông nghip 1 - Giáo trình Khí tưng Nông nghip---------------------------------------------
9
B. KHÍ TƯNG ÐI CƯƠNG
Chương I. NĂNG LƯNG BC X MT TRI
1. MT S ðC TRƯNG VT LÝ, THIÊN VĂN CA MT TRI
Mt tri là mt qu cu la khng l có ñưng kính khong 1.392.000 km, th tích
1,41.10
18
km
3
. cu to ch yu gm hyñrô,heli và ôxy trng thái plasma. Trong h mt tri
gm có mt ngôi sao là mt tri ñng v trí trung tâm (ñnh tinh) là vt duy nht phát sáng
và 9 hành tinh khác không phát sáng quay xung quanh mt tri.
Theo h thng phân loi sao trong thiên văn hc thì mt tri có tên gi là " sao lùn
vàng". Trong Thiên hà ca chúng ta, mt tri ch là mt ngôi sao dưi trung bình v công
sut bc x, kích thưc và nhit ñ so vi hàng t ngôi sao khác.
Mt s thông s vt lý chung ca mt tri
• Mt tri có cu trúc phc tp, tâm ca mt tri là nhân hoc lõi tip ñn là vùng bc
x, khong cách cách tâm chng 0,7-0,8 bán kính mt tri là vùng ñi lưu, ngoài cùng
là b mt mt tri. nhân mt tri nơi xy ra phn ng ht nhân nhit ñ lên ti 15 triu
ñ. Nhit ñ b mt ca mt tri phn quang cu vào khong 6000
o
K, phn sc cu
khong 20.000
o
K, phn nht hoa vào khong 2.000.000
o
K ( tính theo ñng năng trung
bình ca các phân t).
• Trái ñt chuyn ñng xung quanh mt tri theo qu ño elíp (hình 1) do vy khong
cách t mt tri ñn trái ñt luôn thay ñi tuỳ thuc vào v trí ca nó trên qu ño.
Khong cách trung bình t mt tri ñn trái ñt vào khong 149,6 triu km, khong cách
này gi là 1 ñơn v thiên văn (ñvtv). Khong cách ngn nht 147 triu km (ngày 3/I)
b"ng 0,983 ñvtv, khong cách dài nht khong 152 triu km (ngày 5/VII ) b"ng
1,017ñvtv. Xem hình 1.1
• Thành phn hoá hc ca mt tri: Hyñrô chim khong 70-71% v khi lư#ng, hêli t
27-29% , còn li t 1-3% là các nguyên t nng hơn như cacbon, ôxy ...
• C m$i giây mt tri tiêu hao trên 4 tn hyñrô ñ to ra năng lư#ng.
• Gió mt tri là dòng các ht prôton và electron xut phát t b mt mt tri bay vào
không gian. Khi các dòng ht trên thi ti các lp trên cùng ca khí quyn trái ñt vi
vn tc khong 400-500 km/s gây ra hin tư#ng bão t và c%c quang. Vào nh&ng ngày
gió mt tri hot ñng mnh vic thông tin vô tuyn ñin trên trái ñt b cn tr hoc
không th%c hin ñư#c.
Năng lưng bc x mt tri
• Trong lòng mt tri có nhit ñ rt cao vì th ti ñó luôn luôn xy ra phn ng nhit
hch còn gi là phn ng tng h#p ht nhân bin hiñrô (H
2
) thành hêli (He) và gii
phóng mt năng lư#ng vô cùng ln. Phn ng tng h#p ht nhân có th biu di'n theo
sơ ñ sau:
Bc x mt tri là ngun năng lưng nguyên thu ca hu ht các quá trình v
n
ñng vô sinh và hu sinh trên trái ñt. Các quá trình vô sinh như ho
t ñng ca máy
móc, các quá trình vt lý khí quyn..., các quá trình hu sinh như sinh trư
ng, phát trin
và vn ñng ca sinh gii... mun xy ra ñưc thì cn phi có năng lư
ng. Xét v ngun
gc thì các ngun năng lưng ñó ñu là năng lưng bc x mt tri. Các ñc trưng c
a
bc x mt tri như cưng ñ năng lưng, quang chu kỳ, quang ph và các d
ng bc x
mt tri là nhng yu t to nên ñiu kin thi tit, khí hu và tác ñ
s
ng cây trng.
Trưng ði hc Nông nghip 1 - Giáo trình Khí tưng Nông nghip---------------------------------------------
10
H
1
+ H
1
H
2
+ e + γ
H
2
+ H
1
He
3
+ γ
He
3
+ He
3
He
4
+ 2H
1
Trong sơ ñ trên: H
1
- hyñrô ( prôton); H
2
- ñơteri (ñơtron ) ; He
3
, He
4
là các ñng v ca
heli; e - electron; γ - bc x gama.
Hình 1.1. Sơ ñ H mt tri - trái ñt
Do khi lư#ng ca 4 ht nhân H
1
ln hơn khi lư#ng ca 1 ht nhân He
3
. ð h*t khi
lư#ng trong phn ng là cơ ch sinh ra năng lư#ng theo công thc Anhxtanh: E = ∆mc
2
.
Năng lư#ng tng h#p 4 ht nhân H
1
thành 1 ht nhân He
3
là E = (4m
H
- m
He
).c
2
. Trong ñó:
∆m = (4m
H
- m
He
); c = 10
7
Jun. Nu có 1 g ht nhân H
1
chuyn thành He
3
thì ∆m = 0,01g và
năng lư#ng gii phóng là 10
12
Jun.
• Công sut bc x mt tri là năng lư#ng toàn phn ca mt tri chiu trên din tích mt
cu có tâm là mt tri, bán kính (d/2) là 1 ñvtv trong 1 giây. Nu h"ng s mt tri là I
0
thì W = I
0 .
4πd
2
/60 = 3,86.10
26
W ( tc 3,86.10
26
J/s) nói cách khác c m$i phút mt
tri phát vào không gian xung quanh mt lư#ng năng lư#ng vào khong 5,5.10
24
Kcal
nhưng trái ñt ch nhn ñư#c mt phn rt nh- năng lư#ng ñó ( khong 0,5 phn t công
sut bc x năng lư#ng toàn phn ca mt tri).
• Mt tri không nh&ng phát ra bc x dưi dng các tia sóng ñin t mà t mt tri còn
phát ra dòng liên t*c các ht ( ch yu là electron và pozitron). Ngoài ra ngưi ta còn
nhn thy ph bc x ñin t ca mt tri rt rng, t tia gama ñn sóng vô tuyn.




Xuân phân (21/III)
Thu phân
(23/IX)
H chí (22/VI)
ðông chí
(22/XII)
Trưng ði hc Nông nghip 1 - Giáo trình Khí tưng Nông nghip---------------------------------------------
11
Năng lư#ng bc x mt tri là ngun năng lư#ng ñu tiên ca mi quá trình chuyn
hoá năng lư#ng trên b mt trái ñt. Năng lư#ng bc x mt tri chiu ti trái ñt có th
chuyn sang các dng khác như nhit năng và công năng to ra các quá trình vt lý trên b
mt trái ñt, các hin tư#ng thi tit, khí hu. ðc bit, bc x mt tri là ngun năng lư#ng
gn như duy nht ñư#c th gii th%c vt s d*ng trong quá trình quang h#p bin các cht
vô cơ (CO
2
, H
2
O) thành cht h&u cơ ñu tiên, ñó là glucoza. T glucoza có th tng h#p
hàng lot các cht to thành mt th gii h&u cơ phong phú.
ð hiu ñy ñ v năng lư#ng bc x mt tri chúng ta cn nghiên cu s% bin ñi
cưng ñ và mt s ñc trưng ca nó.
2. CƯNG ð BC X MT TRI
2.1. Khái nim và ñơn v ño:
Cưng ñ bc x mt tri (I) là năng lư#ng bc x chiu ti mt ñơn v din tích ñt
vuông góc vi nó trong mt ñơn v thi gian.
Theo ñnh nghĩa, ta có th dùng ñơn v ño cưng ñ bc x mt tri là : calo/cm
2
/phút,
calo/cm
2
/ngày, Kcal/cm
2
/tháng, Kcal/cm
2
/năm.
Calo (cal) là lư#ng nhit cn thit làm cho nhit ñ ca 1 gam (1 ml) nưc nóng lên 1
o
C
nhit ñ nưc t 14,5
o
C ñn 15,5
o
C
Kilocalo (Kcal) là lư#ng nhit cn thit làm cho 1 kg nưc (1lít) tăng lên 1
o
C nhit ñ
nưc t 14,5
o
C ñn 15,5
o
C. 1 Kcal = 1000 cal.
Mt khác, năng lư#ng bc x mt tri có th chuyn hoá thành nhit năng và công năng,
do vy có th dùng các ñơn v ño năng lư#ng ñ làm ñơn v ño cưng ñ bc x mt tri.
Mt s ñơn v cơ s ño năng lư#ng bc x mt tri
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 lư#ng nhit cn thit làm cho
1 funt nưc nóng lên 1
o
F)
1 lengli = 1 cal/cm
2
1Watt/m
2
= 10 microeinsteins/m
2
/s = 100 lux
1 cal/cm
2
/phút = 69 930 lux.
2.2. Hng s mt tri ( I
o
)
H"ng s mt tri là năng lư#ng bc x toàn phn ca mt tri truyn th/ng góc ñn din
tích 1 cm
2
trong 1 phút khong cách trung bình t mt tri ti trái ñt (1 ñvtv). Ti gii hn
trên ca khí quyn cưng ñ bc x mt tri tương ñi n ñnh ñư#c gi là h"ng s mt tri
(Solar constant). Th%c ra do khong cách t mt tri ñn trái ñt thay ñi theo thi gian
trong năm nên h"ng s mt tri cũng có s% thay ñi ít nhiu ( t 1308 W/m
2
ñn 1398 W/m
2
, dao ñng khong 3,5%). Nh&ng ln ño gn ñây b"ng thit b ñt trên v tinh ña tĩnh thì
h"ng s mt tri là 1,95 cal/cm
2
/phút.
H"ng s mt tri (I
0
) có th xác ñnh theo biu thc sau:
I
0
r
20
= (1)
1,88 r
2
Trong ñó :
Trưng ði hc Nông nghip 1 - Giáo trình Khí tưng Nông nghip---------------------------------------------
12
r
0
là khong cách trung bình t trái ñt ñn mt tri (r
0
=
149.600.000 km)
r là khong cách th%c t
Vì trái ñt có tr*c nghiêng vi mt ph/ng hoàng ño mt góc 66
o
33' cho nên h"ng s
mt tri các vĩ ñ ña lý cũng bin ñng ít nhiu.
Châu Âu I
0
= 1,88 cal/cm
2
.phút
Châu M I
0
= 1,96 cal/cm
2
.phút
Vit Nam I
0
= 1,98 cal/cm
2
.phút
2.3. S suy yu ca bc x mt tri khi ñi qua khí quyn.
Khí quyn bao bc xung quanh qu ña cu gm có các thành phn to nên như nitơ,
oxy, acgôn, hơi nưc, ôzôn, b*i (sol khí)... Bc x mt tri ñi qua khí quyn b suy yu ñi do
mt s nguyên nhân như:
• Mt phn bc x mt tri b mt s cht như ôxy, ôzon, cacbonic, hơi nưc, b*i... hp
th* có chn lc, nghĩa là m$i cht ch hp th* nh&ng tia bc x có bưc sóng nht ñnh.
ði vi oxy (O
2
) : Oxy có các di hp th* trong khong ph nhìn thy và c%c tím.
Trong ph nhìn thy, di hp th* bưc sóng 0,69 - 0,76 1. Mc ñ hp th* các tia bc x
trong di này không ln nên s% suy gim bc x do oxy hp th* không ñáng k. Oxy hp th*
các tia c%c tím vi bưc sóng nh- hơn 0,2 1 khá mnh. S% hp th* các tia c%c tím các lp
khí quyn trên cao d2n ñn s% phân ly phân t oxy ñ to thành ozôn.
ði vi ozôn (O
3
) : Di hp th* bc x quan trng nht ca ozôn có bưc sóng λ =
0,2 - 0,32 1. Các tia bc x trong di sóng này khi ñi qua lp ozon bi suy gim ñi mt na.
Nh có lp ozon hp th* các tia bc x c%c tím ca mt tri mà s% sng trên trái ñt ñư#c
bo v. Ngoài ra di các tia bc x có bưc sóng λ = 0,43 - 0,75 1 cũng b ozôn hp th*.
ði vi khí cacbonic (CO
2
) : Di bc x b hp th* mnh nht là bưc sóng khong
2,05 ñn 2,71 và 4,3 1, tuy nhiên quan trng hơn c là di có bưc sóng t 12,9 ñn 17,1 1.
Như vy khí cacbonic hp th* di sóng dài nên nó có tác d*ng làm nóng trái ñt.
ði vi hơi nưc (H
2
O): Hơi nưc có nhiu di bc x hp th* như 0,58-0,61 1,
0,68 - 0,73 1, ñc bit t 4 - 40 1. Tuy nhiên, di bc x t 8-12 1 ñư#c gi là ca s ca khí
quyn, không b hơi nưc hp th* và li là vùng phát x ca mt ñt và khí quyn mnh nht,
nh ñó trái ñt ngui nhanh do thoát nhit vào không gian vũ tr*.
ði vi sol khí (b*i): S% hp th* bc x rt phc tp tuỳ thuc vào bn cht, kích
thưc và hàm lư#ng... ca b*i. Tuy nhiên, b*i quá nhiu có th làm gim tr%c x. Khi cháy
rng trên din rng hoc núi la hot ñng phun tro b*i vào khí quyn ñã làm gim cưng
ñ bc x mt tri, nhit ñ không khí cũng có th ñt ngt gim xung.
• Mt phn bc x mt tri b các phn t không khí, hơi nưc, b*i và mây làm khuch
tán do vy bc x mt tri khi ñi qua khí quyn cũng b suy yu ñi. Khi bc x mt tri
ñi qua khí quyn ñã gp phi các phn t gây khuch tán nêu trên thì to ra các dao ñng
cư4ng bc. Sau ñó chính các phn t khuch tán li tr thành ngun phát sóng ñin t
th cp cùng tn s vi bc x mt tri. Do ñó bc x mt tri ñã b mt ñi mt phn
năng lư#ng.
• Mt phn bc x mt tri b ngăn cn bi các ñám mây hoc b phn x tr li khí
quyn nên b suy yu ñi.
Reifsnyder và Lull (1965) d2n theo Gates, vào nh&ng ngày tri nng, năng lư#ng ánh
sáng mà mt ñt nhn ñư#c gm 10% bc x t ngoi, 45% bc x trông thy và 45% bc
x hng ngoi (hình 1.2)
Khi ñi qua khí quyn do chu tác d*ng ca các quá trình hp th*, khuch tán và phn
x nên bc x mt tri b suy yu ñi. ðưng ñi ca tia bc x trong khí quyn càng dài thì
Trưng ði hc Nông nghip 1 - Giáo trình Khí tưng Nông nghip---------------------------------------------
13
nh hưng ca các quá trình trên càng mnh và s% suy yu ca bc x càng nhiu. Theo
Bughe và Menborate, s% gim ca cưng ñ bc x mt tri khi ñi qua khí quyn ph* thuc
Hình 1.2. Ph bc x mt tri chiu xung mt ñt (Gates, 1965)
[Không b sai lch khi xuyên qua khí quyn (I) ; mt bin nhn ñưc vào ngày tri nng (II);
xuyên qua lp mây dày (III); xuyên qua thm thc vt (IV) xuyên qua mái kính (V)].
Nu ñ cao mt tri càng thp ñưng ñi ca tia bc x càng dài. Do phi ñi qua nhiu lp
không khí có lư#ng hơi nưc và chit sut khác nhau nên tia sáng càng b khúc x to thành
ñưng cong hoc ñưng gp khúc.
Hình 1.3. Sơ ñ ñưng ñi ca tia sáng trong khí quyn
vào ñ
d
ài ñư
ng ñi ca các
tia b
c x trong khí quyn
hay khi lư#ng quy ư
c ca
khí quyn m
à tia sáng ñi
qua. Nu ñư
ng ñi ca tia
bc x trong khí quyn là
ngn nht có khi lư
#ng
khí quy
n tia sáng ñi qua
quy ư
c b"ng 1. Lúc ñó mt
tri n"m thiên ñ
nh, ñ
cao mt tri là 90
0
. Khi ñ
cao m
t tri thay ñi t 0
ñn 90
0
, khi lư
#ng khí
quyn m
à tia sáng ñi qua
trình bày bng 1.1.