लघु-तरंग, दीर्घ-तरंग एवं तापीय विकिरण, शुद्ध विकिरण एवं एल्बेडो (Short-wave, Long-wave & Thermal Radiation, Net Radiation & Albedo) | AGMET 311 Lecture 7

AGRO PATH FINDER Digital Textbook
EDUCATION • RESEARCH • INNOVATION
विषय (Subject) Introduction to Agro-meteorology
विषय कोड (Subject Code) AGMET 311
सेमेस्टर एवं पाठ्यक्रम (Semester) B.Sc. (Hons.) Ag. | Sem V (SKNAU / ICAR 6th Dean)
व्याख्यान संख्या (Lecture No.) Lecture 07 of 16

व्याख्यान 07: लघु-तरंग, दीर्घ-तरंग एवं तापीय विकिरण, शुद्ध विकिरण एवं एल्बेडो

Lecture 07: Short-wave, Long-wave and Thermal Radiation, Net Radiation and Albedo

SECTION 02

अध्ययन के उद्देश्य (Learning Objectives)

इस व्याख्यान के अध्ययन के पश्चात् विद्यार्थी निम्नलिखित वैज्ञानिक अवधारणाओं और गणितीय समीकरणों में पूर्ण दक्षता प्राप्त करेंगे:

1. लघु-तरंग एवं दीर्घ-तरंग विकिरण में विभेद: सौर विकिरण ($0.15–4.0\text{ }\mu\text{m}$) को लघु-तरंग और पार्थिव विकिरण ($4.0–100\text{ }\mu\text{m}$) को दीर्घ-तरंग कहे जाने के वैज्ञानिक आधार को स्पष्ट करना।
2. तापीय विकिरण एवं वायुमंडलीय खिड़की: तापीय विकिरण (Thermal Radiation), प्रति-विकिरण (Counter-radiation) तथा वायुमंडलीय खिड़की (Atmospheric Window: $8–13\text{ }\mu\text{m}$) के कृषि महत्त्व को समझना।
3. एल्बेडो (Albedo / परावर्तन गुणांक): एल्बेडो की परिभाषा, सूत्र, प्रभावित करने वाले कारक तथा विभिन्न प्राकृतिक सतहों (हिम, जल, मरुस्थल, मृदा) व फसलों के मानक एल्बेडो मानों को जानना।
4. शुद्ध विकिरण (Net Radiation — $R_n$): शुद्ध विकिरण की अवधारणा, गणितीय संतुलन समीकरण तथा दिन (धनात्मक $R_n$) और रात्रि (ऋणात्मक $R_n$) में इसके व्यवहार का विश्लेषण करना।
5. मापक यंत्र (Albedometer & Net Radiometer): एल्बेडोमीटर, पाइरजियोमीटर (Pyrgeometer) तथा नेट रेडियोमीटर (Net Pyrradiometer) की कार्यविधि को समझना।
6. व्यावहारिक कृषि अनुप्रयोग एवं गणनाएँ: परावर्तक वाष्पोत्सर्जन-रोधी (Kaolin spray), पलवार (Mulching), विकिरण पाला तथा $R_n$ और एल्बेडो पर आधारित संख्यात्मक प्रश्नों को हल करना।
SECTION 03

प्रस्तावना (Introduction)

पृथ्वी और उसका वायुमंडल न केवल सूर्य से निरंतर ऊर्जा प्राप्त करते हैं, बल्कि स्वयं भी अंतरिक्ष की ओर ऊर्जा का उत्सर्जन करते हैं। यदि पृथ्वी केवल सूर्य से ऊर्जा ग्रहण करती रहती और उसे वापस उत्सर्जित न करती, तो पृथ्वी का तापमान प्रतिदिन बढ़ता जाता और यहाँ संपूर्ण वनस्पति व कृषि जलकर नष्ट हो जाती। इसके विपरीत, पृथ्वी का औसत वार्षिक तापमान लगभग स्थिर ($+15^\circ\text{C}$ या $288\text{ K}$) बना रहता है, क्योंकि पृथ्वी जितनी सौर ऊर्जा अवशोषित करती है, उतनी ही ऊर्जा दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण के रूप में वापस अंतरिक्ष में लौटा देती है।

किसी खेत या फसल वितान (Crop Canopy) पर पड़ने वाली संपूर्ण सौर विकिरण ऊर्जा फसल के काम नहीं आती। उसका एक हिस्सा (लगभग $15\%–25\%$) पत्तियों और मृदा की सतह से टकराकर तुरंत वापस चमक कर परावर्तित हो जाता है, जिसे उस सतह का एल्बेडो (Albedo) कहते हैं। साथ ही, खेत की सतह और वायुमंडल के बीच चौबीसों घंटे अदृश्य अवरक्त तापीय विकिरण (Thermal / Long-wave Radiation) का आदान-प्रदान चलता रहता है। आने वाले और जाने वाले इन सभी विकिरणों के लेखांकन के बाद फसल और मृदा के पास जो वास्तविक ऊर्जा शेष बचती है, उसे शुद्ध विकिरण (Net Radiation — $R_n$) कहते हैं। यही शुद्ध विकिरण वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन (Evapotranspiration), मृदा तापन और प्रकाश संश्लेषण को संचालित करने वाली मुख्य शक्ति है।

SECTION 04

संपूर्ण अध्ययन सामग्री (Complete Study Material)

4.1 लघु-तरंग, दीर्घ-तरंग एवं तापीय विकिरण (Short-wave, Long-wave and Thermal Radiation)

1. लघु-तरंग विकिरण (Short-wave Radiation / Solar Radiation)

वीन के विस्थापन नियम ($\lambda_{\max} = \frac{2897}{T}$) के अनुसार किसी वस्तु से उत्सर्जित विकिरण का तरंगदैर्घ्य उसके परम तापमान के व्युत्क्रमानुपाती होता है। चूँकि सूर्य की सतह का तापमान अत्यंत उच्च (लगभग $6000\text{ K}$) है, इसलिए सूर्य से निकलने वाले विकिरण की अधिकतम तीव्रता $0.483\text{ }\mu\text{m}$ ($483\text{ nm}$) पर केंद्रित होती है और इसकी कुल ऊर्जा का $99\%$ भाग $0.15\text{ }\mu\text{m}$ से $4.0\text{ }\mu\text{m}$ ($150\text{ से } 4000\text{ nm}$) के संकरे व छोटे तरंगदैर्घ्य परास में सीमित रहता है। इसीलिए मौसम विज्ञान में सूर्य से आने वाले विकिरण को ‘लघु-तरंग विकिरण’ (Short-wave Radiation) कहा जाता है।

  • यह केवल दिन के समय (सूर्योदय से सूर्यास्त तक) प्राप्त होता है; रात्रि में लघु-तरंग विकिरण का मान शून्य ($0$) होता है।
  • धरातल पर इसके दो घटक होते हैं: (क) आवक लघु-तरंग विकिरण (Incoming Short-wave Radiation — $R_s$ या $S\downarrow$) तथा (ख) धरातल से टकराकर लौटने वाला परावर्तित लघु-तरंग विकिरण (Reflected Short-wave Radiation — $\alpha R_s$ या $S\uparrow$)।

2. दीर्घ-तरंग विकिरण या पार्थिव विकिरण (Long-wave Radiation / Terrestrial Radiation)

पृथ्वी की सतह (मृदा, जल, फसलें) और वायुमंडल सूर्य के प्रकाश को अवशोषित कर गर्म हो जाते हैं और स्टीफन-बोल्ट्जमैन नियम ($E = \varepsilon\sigma T^4$) के अनुसार स्वयं भी चौबीसों घंटे (दिन और रात दोनों समय) विकिरण उत्सर्जित करते हैं। पृथ्वी का औसत सतही तापमान लगभग $288\text{ K}$ ($15^\circ\text{C}$) है। वीन के नियम के अनुसार इस तापमान पर उत्सर्जित विकिरण की अधिकतम तीव्रता का तरंगदैर्घ्य:

$$\lambda_{\max} = \frac{2897}{288} \approx \mathbf{10.06\text{ }\mu\text{m} \text{ (या लगभग } 10\text{ }\mu\text{m)}}$$

होता है, और इसका कुल तरंगदैर्घ्य विस्तार $4.0\text{ }\mu\text{m}$ से $100\text{ }\mu\text{m}$ (मुख्यतः $4\text{ से } 50\text{ }\mu\text{m}$) के अवरक्त क्षेत्र (Far-Infrared Region) में फैला होता है। चूँकि इसका तरंगदैर्घ्य सौर विकिरण की तुलना में लगभग 20 गुना लंबा होता है, इसलिए पृथ्वी और वायुमंडल द्वारा उत्सर्जित विकिरण को ‘दीर्घ-तरंग विकिरण’ (Long-wave Radiation) या ‘पार्थिव विकिरण’ (Terrestrial Radiation) कहते हैं।

  • यह विकिरण मानवीय आँखों को दिखाई नहीं देता (अदृश्य / Invisible Infrared) है और यह दिन तथा रात चौबीसों घंटे (24 Hours continuously) उत्सर्जित होता रहता है।
  • पृथ्वी का वायुमंडल नीचे से गर्म होता है: वायुमंडल लघु-तरंग सौर विकिरण के लिए लगभग पारदर्शी है, किंतु पृथ्वी से ऊपर जाने वाले दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण का लगभग $85\%–90\%$ भाग वायुमंडलीय जलवाष्प ($\text{H}_2\text{O}$) और कार्बन डाइऑक्साइड ($\text{CO}_2$) द्वारा अवशोषित कर लिया जाता है। अतः वायुमंडल प्रत्यक्ष सूर्य से नहीं, बल्कि मुख्यतः दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण द्वारा नीचे से गर्म होता है!

3. वायुमंडलीय प्रति-विकिरण एवं प्रभावी बहिर्गामी विकिरण (Counter-Radiation & Effective Outgoing Radiation)

  • वायुमंडलीय प्रति-विकिरण (Atmospheric Counter-Radiation / Sky Long-wave Radiation — $L\downarrow$): जलवाष्प, $\text{CO}_2$ और बादल पार्थिव विकिरण को सोखकर गर्म हो जाते हैं और उस ऊष्मा का एक बड़ा भाग दीर्घ-तरंगों के रूप में वापस नीचे पृथ्वी की सतह की ओर विकिरित करते हैं, जिसे प्रति-विकिरण (Counter-radiation) कहते हैं। यही प्रति-विकिरण रात्रि में पृथ्वी को अत्यधिक ठंडा होने से बचाता है (प्राकृतिक हरितगृह प्रभाव)। बादल वाली रातों में प्रति-विकिरण बहुत अधिक होने के कारण रातें गर्म रहती हैं।
  • प्रभावी बहिर्गामी दीर्घ-तरंग विकिरण (Effective Outgoing Long-wave Radiation — $L_n$): पृथ्वी की सतह द्वारा ऊपर की ओर उत्सर्जित दीर्घ-तरंग विकिरण ($L\uparrow$) और वायुमंडल से नीचे की ओर आने वाले प्रति-विकिरण ($L\downarrow$) के अंतर को प्रभावी बहिर्गामी विकिरण ($L_n = L\uparrow – L\downarrow$) कहते हैं।
वायुमंडलीय खिड़की (Atmospheric Window — 8.0 से 13.0 μm) — परीक्षा हेतु अति महत्त्वपूर्ण: यद्यपि जलवाष्प और $\text{CO}_2$ अधिकांश दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण को सोख लेते हैं, किंतु $8.0\text{ }\mu\text{m}$ से $13.0\text{ }\mu\text{m}$ (विशेषकर $8.5–11.0\text{ }\mu\text{m}$) तरंगदैर्घ्य की पट्टी ऐसी है जिसमें (ओजोन के एक छोटे $9.6\text{ }\mu\text{m}$ बैंड को छोड़कर) जलवाष्प और $\text{CO}_2$ कोई अवशोषण नहीं करते। इस तरंगदैर्घ्य परास से होकर पृथ्वी की ऊष्मा सीधे बिना रुके अंतरिक्ष में निकल जाती है (जब तक कि आकाश में बादल न हों)। इसे ‘वायुमंडलीय खिड़की’ (Atmospheric Window) कहते हैं। शीत ऋतु की मेघरहित साफ रातों में इसी खिड़की से तेजी से ऊष्मा बाहर निकलने के कारण फसलों पर विकिरण पाला (Radiation Frost) पड़ता है।

4. तापीय विकिरण (Thermal Radiation)

भौतिक विज्ञान के अनुसार परम शून्य तापमान ($0\text{ K}$ या $-273.15^\circ\text{C}$) से ऊपर तापमान वाली प्रत्येक वस्तु अपने अणुओं के तापीय कंपन के कारण जो विद्युत-चुंबकीय विकिरण उत्सर्जित करती है, उसे व्यापक अर्थ में तापीय विकिरण (Thermal Radiation) कहते हैं। कृषि मौसम विज्ञान एवं सुदूर संवेदन (Remote Sensing) के व्यावहारिक संदर्भ में $0.7\text{ }\mu\text{m}$ से $100\text{ }\mu\text{m}$ तक के अवरक्त विकिरण (विशेषकर $3.0\text{ से } 100\text{ }\mu\text{m}$ के मध्य एवं सुदूर अवरक्त दीर्घ-तरंग विकिरण) को ही तापीय विकिरण कहा जाता है, क्योंकि यह वस्तुओं में सीधा तापन प्रभाव (Heating / Thermal Effect) पैदा करता है। इसी सिद्धांत पर इन्फ्रारेड थर्मामीटर (Infrared Thermometer) बिना पत्ती को छुए फसल वितान का तापमान (Canopy Temperature) मापकर फसल में जल तनाव (Crop Water Stress Index — CWSI) बताता है।

4.2 एल्बेडो / परावर्तन गुणांक (Albedo / Reflection Coefficient)

‘Albedo’ शब्द की उत्पत्ति लैटिन शब्द ‘Albus’ से हुई है, जिसका शाब्दिक अर्थ है “सफेदी” (Whiteness) (प्रस्तावक: जोहान हेनरिक लैम्बर्ट, 1760)।

एल्बेडो (Albedo) की वैज्ञानिक परिभाषा एवं सूत्र: “किसी सतह (मृदा, फसल, जल या हिम) द्वारा परावर्तित किए गए कुल लघु-तरंग सौर विकिरण (Reflected Short-wave Radiation) तथा उस सतह पर आपतित कुल लघु-तरंग सौर विकिरण (Incident / Incoming Short-wave Radiation) के अनुपात (या प्रतिशत) को उस सतह का एल्बेडो (Albedo — $\alpha$) अथवा परावर्तन गुणांक (Reflection Coefficient) कहते हैं।” $$\text{Albedo }(\alpha) = \frac{\text{Reflected Short-wave Solar Radiation }(R_r \text{ or } S\uparrow)}{\text{Incoming Short-wave Solar Radiation }(R_s \text{ or } S\downarrow)}$$ $$\text{Albedo in Percentage }(\%) = \left(\frac{\text{Reflected Solar Radiation}}{\text{Incoming Solar Radiation}}\right) \times 100$$
  • एल्बेडो एक विमाहीन राशि (Dimensionless Quantity) है। इसका मान भिन्न (Fraction) में $0\text{ से } 1.0$ के बीच तथा प्रतिशत में $0\%\text{ से } 100\%$ के बीच होता है।
  • एक आदर्श कृष्णिका (Black Body) का एल्बेडो $0$ ($0\%$) और एक पूर्ण परावर्तक दर्पण (Perfect White Reflector) का एल्बेडो $1.0$ ($100\%$) होता है।
  • संपूर्ण पृथ्वी-वायुमंडल तंत्र का औसत ग्रहीय एल्बेडो (Planetary Albedo of Earth): लगभग $0.30\text{ से } 0.31$ (अर्थात् $30\%\text{ से } 31\%$) होता है।

विभिन्न प्राकृतिक सतहों, मृदाओं एवं कृषि फसलों के मानक एल्बेडो मान (Exam Master Table):

क्र.सं. सतह / मृदा / फसल का प्रकार (Surface / Soil / Crop Type) एल्बेडो मान — प्रतिशत में (Albedo in %) एल्बेडो गुणांक (Fraction $\alpha$) प्रमुख परीक्षा एवं वैज्ञानिक तथ्य (Key Scientific Fact)
1. ताजा गिरी हुई सफेद बर्फ (Fresh Snow) $75\%\text{ – } 95\%$ $0.75\text{ – } 0.95$ प्रकृति में सर्वाधिक एल्बेडो वाली सतह (Highest Albedo)।
2. पुरानी या पिघलती बर्फ (Old / Melting Snow) $40\%\text{ – } 60\%$ $0.40\text{ – } 0.60$ धूल जमने व पिघलने से एल्बेडो घट जाता है।
3. घने बादल (Thick Cumulonimbus / Stratus Clouds) $60\%\text{ – } 80\%$ $0.60\text{ – } 0.80$ पृथ्वी के ग्रहीय एल्बेडो में सर्वाधिक योगदान।
4. शुष्क रेतीली मरुस्थलीय मृदा (Dry Sandy Desert Soil — थार) $25\%\text{ – } 40\%$ $0.25\text{ – } 0.40$ हल्के रंग और शुष्कता के कारण मृदाओं में उच्च एल्बेडो।
5. नम काली मृदा / जुताई की गई आर्द्र मृदा (Moist Dark / Black Soil) $5\%\text{ – } 15\%$ $0.05\text{ – } 0.15$ गहरे रंग और नमी के कारण सौर विकिरण का सर्वाधिक अवशोषण।
6. सामान्य कृषि फसलें (Most Field Crops — गेहूँ, मक्का, सरसों, कपास, घास) $18\%\text{ – } 25\%$
(मानक औसत: $23\%$)
$0.18\text{ – } 0.25$
($\alpha = 0.23$)
FAO पेनमैन-मोंटीथ समीकरण में मानक संदर्भ फसल (Reference Grass Crop) का एल्बेडो $0.23$ ($23\%$) लिया जाता है।
7. जलमग्न धान का खेत (Puddled / Flooded Rice Field) $10\%\text{ – } 12\%$
(पकने पर $20–25\%$)
$0.10\text{ – } 0.12$ खड़े पानी के कारण प्रारंभिक अवस्था में फसलों में सबसे कम एल्बेडो।
8. घने वन क्षेत्र (Coniferous / Deciduous Forests) $10\%\text{ – } 20\%$ $0.10\text{ – } 0.20$ ऊँचे वृक्षों के वितान में प्रकाश के बार-बार फँसने (Light trapping) से कम एल्बेडो।
9. शांत जल सतह (Water Surface — दोपहर में उच्च सूर्य कोण पर) $3\%\text{ – } 10\%$
(सूर्योदय/अस्त पर $50–80\%$)
$0.03\text{ – } 0.10$ दोपहर में सबसे कम एल्बेडो वाली प्राकृतिक सतह; किंतु तिरछी किरणों पर चमकदार दर्पण की तरह परावर्तन करती है।

एल्बेडो को प्रभावित करने वाले कारक (Factors Affecting Albedo):

  1. मृदा की नमी (Soil Moisture): सूखी मिट्टी की तुलना में गीली या सिंचित मिट्टी का एल्बेडो कम होता है (सिंचाई करने पर मिट्टी गहरे रंग की हो जाती है और प्रकाश जल की फिल्म में आंतरिक परावर्तन से अवशोषित हो जाता है)।
  2. सतह का रंग (Colour of Surface): हल्के या सफेद रंग की सतहों का एल्बेडो अधिक और काले या गहरे रंग की सतहों का एल्बेडो कम होता है।
  3. सूर्य की किरणों का आपतन कोण (Solar Elevation Angle): सुबह और शाम को जब सूर्य क्षितिज के पास होता है (कम उन्नयन कोण), तब फसलों और जल का एल्बेडो अधिकतम होता है; दोपहर में जब सूर्य सिर के ऊपर होता है, तब एल्बेडो न्यूनतम होता है।
  4. सतह का खुरदरापन एवं वितान संरचना (Surface Roughness & Canopy Height): चिकनी सतह का एल्बेडो अधिक होता है, जबकि जुते हुए खुरदरे खेत या ऊँचे फसल वितान में किरणें अंदर फँस जाने से एल्बेडो कम होता है।

4.3 शुद्ध विकिरण (Net Radiation — $R_n$): अवधारणा एवं संतुलन समीकरण

शुद्ध विकिरण (Net Radiation — $R_n$) की वैज्ञानिक परिभाषा: “पृथ्वी की सतह या फसल वितान पर प्रति इकाई क्षेत्रफल में आने वाले कुल विकिरण (सभी तरंगदैर्घ्यों — लघु-तरंग + दीर्घ-तरंग) और उस सतह से वापस जाने वाले कुल विकिरण (परावर्तित लघु-तरंग + उत्सर्जित दीर्घ-तरंग) के बीजगणितीय अंतर को शुद्ध विकिरण (Net Radiation — $R_n$) कहते हैं।”

शुद्ध विकिरण का पूर्ण गणितीय समीकरण (Complete Mathematical Equation of Net Radiation):

मान लीजिए किसी फसल या मृदा सतह पर:

  • $R_s$ (या $S\downarrow$) = आवक कुल लघु-तरंग सौर विकिरण (Incoming Short-wave Radiation)
  • $\alpha$ = सतह का एल्बेडो $\implies$ परावर्तित लघु-तरंग विकिरण $(S\uparrow) = \alpha \cdot R_s$
  • अतः शुद्ध लघु-तरंग विकिरण (Net Short-wave Radiation, $R_{ns}$) $= R_s – \alpha R_s = \mathbf{R_s(1 – \alpha)}$
  • $L\downarrow$ = वायुमंडल से नीचे आने वाला दीर्घ-तरंग प्रति-विकिरण (Incoming Atmospheric Long-wave Counter-radiation)
  • $L\uparrow$ = पृथ्वी/फसल सतह से ऊपर जाने वाला दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण (Outgoing Terrestrial Long-wave Radiation)
  • अतः प्रभावी बहिर्गामी दीर्घ-तरंग विकिरण (Net Outgoing Long-wave Radiation, $L_n$) $= L\uparrow – L\downarrow$
मास्टर शुद्ध विकिरण समीकरण (Master Net Radiation Equation — परीक्षा में अनिवार्य): $$R_n = (S\downarrow – S\uparrow) + (L\downarrow – L\uparrow)$$ $$\mathbf{R_n = R_s(1 – \alpha) – L_n} \quad \text{अथवा} \quad \mathbf{R_n = R_s(1 – \alpha) + L\downarrow – L\uparrow}$$
  • दिन के समय (Daytime): आवक सौर विकिरण $R_s(1-\alpha)$ का मान जाने वाले दीर्घ-तरंग विकिरण ($L_n$) से बहुत अधिक होता है, इसलिए दिन में शुद्ध विकिरण ($R_n$) धनात्मक (Positive, $+$) होता है (ऊर्जा की प्राप्ति / Energy Gain)।
  • रात्रि के समय (Nighttime): सूर्यास्त के बाद सौर विकिरण शून्य ($R_s = 0$) हो जाता है। अतः समीकरण में केवल दीर्घ-तरंग भाग बचता है: $$R_n\text{ (Night)} = 0 – L_n = -(L\uparrow – L\downarrow) = \mathbf{-L_n}$$ चूँकि सामान्यतः $L\uparrow > L\downarrow$, इसलिए रात्रि में शुद्ध विकिरण ($R_n$) ऋणात्मक (Negative, $-$) होता है (ऊर्जा का ह्रास / Energy Loss एवं रात्रि शीतलन)।

शुद्ध विकिरण एवं एल्बेडो के मापक यंत्र (Measuring Instruments):

  1. एल्बेडोमीटर (Albedometer): इसमें दो पाइरेनोमीटर एक साथ विपरीत दिशा में जुड़े होते हैं—ऊपर की ओर मुख किया हुआ पाइरेनोमीटर (Upward-facing) आवक सौर विकिरण ($R_s$) मापता है, और नीचे जमीन/फसल की ओर मुख किया हुआ पाइरेनोमीटर (Downward-facing / Inverted Pyranometer) परावर्तित विकिरण ($\alpha R_s$) मापता है। दोनों के अनुपात से सीधे एल्बेडो ($\alpha$) ज्ञात हो जाता है।
  2. नेट रेडियोमीटर / शुद्ध विकिरणमापी (Net Radiometer / Net Pyrradiometer): इसमें ऊपर और नीचे दोनों ओर संवेदक सतहें होती हैं जो पॉलीथीन गुंबद से ढकी रहती हैं (जो $0.3\text{ से } 100\text{ }\mu\text{m}$ तक की लघु और दीर्घ दोनों तरंगों के लिए पारदर्शी होता है)। यह सीधे शुद्ध विकिरण ($R_n$) मापता है।
  3. पाइरजियोमीटर (Pyrgeometer): यह केवल दीर्घ-तरंग अवरक्त विकिरण (Long-wave Radiation) को मापने वाला यंत्र है।
SECTION 05

वैज्ञानिक आरेख एवं शैक्षिक चित्रण (Scientific Diagrams & Educational Images)

आरेख 5.1: फसल सतह पर दिन एवं रात्रि में विकिरण संतुलन तथा शुद्ध विकिरण ($R_n$) के घटक

1. दिन का विकिरण संतुलन (Daytime: Rn > 0, धनात्मक) सूर्य फसल वितान एवं मृदा सतह (Crop & Soil Surface) S↓ (आवक सौर लघु-तरंग: Rs) S↑ = α·Rs (एल्बेडो परावर्तन) L↑ (पार्थिव दीर्घ-तरंग) L↓ (प्रति- विकिरण) दिन में: Rn = Rs(1 – α) + L↓ – L↑ [धनात्मक: ऊर्जा लाभ] 2. रात्रि का विकिरण संतुलन (Nighttime: Rn < 0, ऋणात्मक) रात्रि में सौर विकिरण: S↓ = 0, S↑ = 0 फसल वितान एवं मृदा सतह (रात्रि शीतलन) L↑ पार्थिव दीर्घ-तरंग (8–13 μm खिड़की से ह्रास) L↓ वायुमंडलीय प्रति-विकिरण (GHGs/मेघ) रात्रि में: Rn = L↓ – L↑ = -Ln [ऋणात्मक: ऊर्जा ह्रास]
शैक्षिक व्याख्या (Academic Explanation): दिन के समय चारों विकिरण घटक ($S\downarrow, S\uparrow, L\downarrow, L\uparrow$) सक्रिय रहते हैं और शुद्ध विकिरण ($R_n$) धनात्मक रहता है जिससे वाष्पोत्सर्जन व मृदा तापन होता है। रात्रि में लघु-तरंग सौर विकिरण शून्य हो जाता है और पार्थिव दीर्घ-तरंग विकिरण ($L\uparrow$) प्रति-विकिरण ($L\downarrow$) से अधिक होने के कारण $R_n$ ऋणात्मक हो जाता है जिससे सतह ठंडी होती है।

आरेख 5.2: विभिन्न प्राकृतिक सतहों, मृदाओं एवं कृषि फसलों के एल्बेडो मानों (Albedo %) की तुलना

प्रमुख सतहों एवं फसलों का परावर्तन गुणांक / एल्बेडो (Albedo % Scale: 0% to 100%) 1. ताजा सफेद बर्फ (Fresh Snow) 75% – 95% (सर्वाधिक) 2. घने बादल (Thick Clouds) 60% – 80% 3. शुष्क रेतीली मृदा (Dry Sand) 25% – 40% 4. पृथ्वी का औसत एल्बेडो (Earth) 30% – 31% 5. सामान्य कृषि फसलें (Crops) 18% – 25% (मानक: 23%) 6. जलमग्न धान एवं नम काली मृदा 8% – 15% 7. शांत जल सतह (दोपहर में) 3% – 10% (न्यूनतम)
शैक्षिक व्याख्या (Academic Explanation): यह तुलनात्मक बार चार्ट प्रतियोगी परीक्षाओं में पूछे जाने वाले सभी प्रमुख सतहों के एल्बेडो मानों को घटते क्रम में दिखाता है—ताजा बर्फ ($75–95\%$) > घने बादल ($60–80\%$) > शुष्क रेत ($25–40\%$) > पृथ्वी का औसत ($30–31\%$) > कृषि फसलें ($18–25\%$) > जलमग्न धान व नम काली मृदा ($8–15\%$) > शांत जल सतह दोपहर में ($3–10\%$)।

आरेख 5.3: एल्बेडोमीटर (Albedometer) एवं नेट रेडियोमीटर (Net Radiometer) की संरचना

1. एल्बेडोमीटर (Albedometer = 2 Pyranometers) ऊपरी गुंबद: आवक विकिरण (Rs↓) निचला उल्टा गुंबद: परावर्तित (α·Rs↑) अनुपात (निचला पाठ्यांक ÷ ऊपरी पाठ्यांक) = एल्बेडो (α) 2. नेट रेडियोमीटर (Net Pyrradiometer) ऊपर: (S↓ + L↓) नीचे: (S↑ + L↑) पॉलीथीन गुंबद (0.3–100 μm) → सीधा शुद्ध विकिरण (Rn) मापन
शैक्षिक व्याख्या (Academic Explanation): एल्बेडोमीटर में काँच के गुंबद होते हैं जो केवल लघु-तरंग विकिरण ($0.3–3.0\text{ }\mu\text{m}$) को जाने देते हैं, जबकि नेट रेडियोमीटर में विशेष पॉलीथीन के गुंबद होते हैं जो लघु-तरंग और दीर्घ-तरंग ($0.3–100\text{ }\mu\text{m}$) दोनों को ग्रहण कर सीधे शुद्ध विकिरण ($R_n$) मापते हैं।
SECTION 06

विजुअल माइंड मैप (Compulsory Visual Mind Map)

माइंड मैप 6.1: लघु-तरंग, दीर्घ-तरंग एवं तापीय विकिरण, शुद्ध विकिरण एवं एल्बेडो (Complete Lecture Mind Map)

लघु/दीर्घ विकिरण, शुद्ध विकिरण (Rn) एवं एल्बेडो AGMET 311 • Lecture 07 1. लघु-तरंग विकिरण (Solar) • स्रोत: सूर्य (तापमान ~6000 K) • परास: 0.15 से 4.0 μm (λmax = 0.48 μm) • केवल दिन में (रात्रि में शून्य) • वायुमंडल इसके लिए लगभग पारदर्शी 2. दीर्घ-तरंग व तापीय विकिरण • स्रोत: पृथ्वी एवं वायुमंडल (~288 K) • परास: 4.0 से 100 μm (λmax = 10 μm) • दिन व रात 24 घंटे निरंतर उत्सर्जन • वायुमंडलीय खिड़की: 8.0 से 13.0 μm 3. एल्बेडो (Albedo — α) • सूत्र: (परावर्तित ÷ आपतित) × 100 • सर्वाधिक: ताजा बर्फ (75–95%) • पृथ्वी औसत: 30–31% | फसलें: 18–25% • नम काली मृदा व जलमग्न धान: 8–12% 4. शुद्ध विकिरण (Net Radiation) • सूत्र: Rn = Rs(1 – α) + L↓ – L↑ • दिन में Rn = धनात्मक (+) [ऊर्जा लाभ] • रात में Rn = ऋणात्मक (-) [ऊर्जा ह्रास] • विभाजन: Rn = LE + H + G + P 5. मापक यंत्र (Instruments) • एल्बेडोमीटर: सतह का एल्बेडो (α) • नेट रेडियोमीटर: शुद्ध विकिरण (Rn) • पाइरजियोमीटर: दीर्घ-तरंग विकिरण • IR थर्मामीटर: फसल वितान तापमान 6. कृषि अनुप्रयोग (Agri Uses) • काओलिन (Kaolin 5%) स्प्रे → एल्बेडो ↑, ET ↓ • पुआल मल्चिंग → एल्बेडो ↑, मृदा ठंडी • पेनमैन विधि से फसल जल मांग (ET) गणना • साफ रातों में L↑ ह्रास से विकिरण पाला
माइंड मैप सारांश: यह माइंड मैप लघु-तरंग बनाम दीर्घ-तरंग विकिरण, वायुमंडलीय खिड़की ($8–13\text{ }\mu\text{m}$), एल्बेडो मानों, शुद्ध विकिरण समीकरण ($R_n$), मापक यंत्रों और शुष्क कृषि में काओलिन स्प्रे व मल्चिंग के अनुप्रयोगों को स्पष्ट करता है।
SECTION 07

प्रवाह चार्ट एवं इन्फोग्राफिक्स (Flowcharts and Infographics)

खेत में प्राप्त होने वाले शुद्ध विकिरण ($R_n$) का विभिन्न कृषि-भौतिक प्रक्रियाओं में बँटवारा (Partitioning of Net Radiation) नीचे चरणबद्ध कार्डों में दर्शाया गया है:

घटक 01 (70% – 85% of Rn)

गुप्त ऊष्मा फ्लक्स ($LE$) — वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन

सिंचित फसल में शुद्ध विकिरण का सबसे बड़ा हिस्सा (70–85%) मृदा से वाष्पन और पत्तियों से वाष्पोत्सर्जन (Evapotranspiration) चलाने में खर्च होता है।

घटक 02 (10% – 20% of Rn)

संवेदी ऊष्मा फ्लक्स ($H$) — वायु तापन

शुद्ध विकिरण का दूसरा भाग फसल के आसपास की हवा को गर्म करने (Sensible Heat Flux) में लगता है (सूखे खेत या थार मरुस्थल में $H$ सर्वाधिक होता है)।

घटक 03 (5% – 10% of Rn)

मृदा ऊष्मा फ्लक्स ($G$) — मृदा तापन

लगभग 5–10% भाग चालन (Conduction) द्वारा मृदा की निचली परतों (जड़ क्षेत्र) को गर्म करने में व्यय होता है।

घटक 04 (1% – 2% of Rn)

प्रकाश संश्लेषण ऊर्जा ($P$) — जैवभार

फसल पर प्राप्त शुद्ध विकिरण का मात्र 1% से 2% (अधिकतम 3–5%) भाग ही प्रकाश संश्लेषण द्वारा रासायनिक ऊर्जा (उपज) के रूप में संचित होता है।

SECTION 08

तुलनात्मक सारणियाँ (Scientific Comparison Tables)

8.1 लघु-तरंग सौर विकिरण (Short-wave Solar Radiation) एवं दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण (Long-wave Terrestrial Radiation) में अंतर

क्र.सं. तुलना का आधार (Basis) लघु-तरंग विकिरण (Short-wave / Solar Radiation) दीर्घ-तरंग विकिरण (Long-wave / Terrestrial Radiation)
1. उत्सर्जक स्रोत एवं तापमान (Source & Temp) यह अत्यंत गर्म सूर्य (तापमान $\approx 6000\text{ K}$) द्वारा उत्सर्जित होता है। यह अपेक्षाकृत ठंडी पृथ्वी की सतह एवं वायुमंडल (तापमान $\approx 288\text{ K}$) द्वारा उत्सर्जित होता है।
2. तरंगदैर्घ्य परास (Wavelength Range) $0.15\text{ }\mu\text{m}$ से $4.0\text{ }\mu\text{m}$ ($99\%$ ऊर्जा)। $4.0\text{ }\mu\text{m}$ से $100\text{ }\mu\text{m}$ (सुदूर अवरक्त / Far-Infrared)।
3. अधिकतम तीव्रता तरंगदैर्घ्य ($\lambda_{\max}$) वीन नियम के अनुसार $\lambda_{\max} \approx \mathbf{0.483\text{ }\mu\text{m}}$ (नीला-हरा दृश्य प्रकाश)। वीन नियम के अनुसार $\lambda_{\max} \approx \mathbf{10.06\text{ }\mu\text{m}}$ (अदृश्य तापीय अवरक्त)।
4. समय एवं अवधि (Time of Occurrence) केवल दिन के समय (सूर्योदय से सूर्यास्त तक) प्राप्त होता है; रात में शून्य। दिन और रात चौबीसों घंटे (24 Hours) निरंतर उत्सर्जित होता रहता है।
5. प्रवाह की मुख्य दिशा (Main Direction) अंतरिक्ष (सूर्य) से नीचे पृथ्वी की सतह की ओर (Downward Flux)। पृथ्वी की सतह से ऊपर वायुमंडल व अंतरिक्ष की ओर ($L\uparrow$) तथा प्रति-विकिरण ($L\downarrow$) के रूप में नीचे।
6. वायुमंडलीय पारदर्शिता (Atmospheric Behaviour) स्वच्छ वायुमंडल इसके लिए अधिकांशतः पारदर्शी है (केवल $17–19\%$ अवशोषित)। वायुमंडल की हरितगृह गैसें ($\text{H}_2\text{O}, \text{CO}_2$) इसका $85–90\%$ भाग अवशोषित कर वायुमंडल को गर्म करती हैं।
7. मापक यंत्र (Measuring Instrument) पाइरेनोमीटर (Pyranometer) एवं पिरहेलियोमीटर (Pyrheliometer)। पाइरजियोमीटर (Pyrgeometer)।

8.2 दिन के शुद्ध विकिरण (Daytime Net Radiation) एवं रात्रि के शुद्ध विकिरण (Nighttime Net Radiation) में अंतर

क्र.सं. विशेषता (Parameter) दिन का शुद्ध विकिरण (Daytime $R_n$) रात्रि का शुद्ध विकिरण (Nighttime $R_n$)
1. सक्रिय विकिरण घटक लघु-तरंग ($S\downarrow, S\uparrow$) और दीर्घ-तरंग ($L\downarrow, L\uparrow$) चारों घटक उपस्थित। लघु-तरंग घटक शून्य ($S\downarrow = 0$); केवल दीर्घ-तरंग ($L\downarrow, L\uparrow$) उपस्थित।
2. गणितीय चिह्न एवं मान सदैव धनात्मक (Positive, $R_n > 0$) होता है (अधिकतम मान दोपहर 12–1 बजे)। सदैव ऋणात्मक (Negative, $R_n < 0$) होता है ($R_n = -L_n$)।
3. भौतिक प्रभाव सतह को ऊर्जा का शुद्ध लाभ (Net Energy Gain) होता है जिससे तापमान बढ़ता है और वाष्पोत्सर्जन चलता है। सतह से ऊर्जा का शुद्ध ह्रास (Net Radiative Cooling) होता है जिससे रात्रि में तापमान गिरता है और ओस/पाला बनता है।
SECTION 09

व्यावहारिक कृषि अनुप्रयोग एवं भारतीय/राजस्थान के उदाहरण (Practical Applications)

  • 1. बारानी/शुष्क कृषि (राजस्थान) में परावर्तक वाष्पोत्सर्जन-रोधी (Reflective Antitranspirants — Kaolin) का छिड़काव: जब जोबनेर, सीकर या जोधपुर जैसे बारानी क्षेत्रों में खरीफ या रबी फसलों में लंबा सूखा अंतराल (Dry spell) आता है, तो फसल पर $5\%$ काओलिन (Kaolin — सफेद चीनी मिट्टी) या चूने के घोल का छिड़काव किया जाता है। पत्तियों पर सफेद परत जमने से फसल वितान का एल्बेडो (Albedo) बढ़ जाता है, जिससे पत्तियाँ कम सौर ऊर्जा सोखती हैं, पत्ती का तापमान $3^\circ\text{C}–4^\circ\text{C}$ गिर जाता है और प्रकाश संश्लेषण को रोके बिना वाष्पोत्सर्जन (Transpiration) में $20\%–30\%$ की बचत होती है!
  • 2. पलवार (Mulching) में एल्बेडो का उपयोग:
    • सफेद/चाँदी रंग की प्लास्टिक मल्च या पुआल मल्च (Straw Mulch): इसका एल्बेडो उच्च ($35\%–50\%$) होता है, जो गर्मियों में सौर विकिरण को परावर्तित कर जड़ क्षेत्र की मृदा को ठंडा रखती है और वाष्पन रोकती है।
    • काली प्लास्टिक मल्च (Black Polythene Mulch): इसका एल्बेडो बहुत कम होता है; यह सौर विकिरण को अवशोषित कर खरपतवारों को प्रकाश से वंचित कर नष्ट कर देती है तथा शीतकाल में मृदा को गर्म रखती है।
  • 3. बादल वाली रातों में पाला न पड़ना (Cloud Cover & Counter-Radiation): दिसंबर-जनवरी में यदि रात को आकाश में बादल छाए हों, तो सरसों व चने में पाला नहीं पड़ता क्योंकि बादल पृथ्वी से जाने वाले दीर्घ-तरंग विकिरण ($8–13\text{ }\mu\text{m}$ वायुमंडलीय खिड़की) को बंद कर देते हैं और प्रबल प्रति-विकिरण ($L\downarrow$) द्वारा खेत को गर्म रखते हैं। इसके विपरीत मेघरहित साफ रातों में पाला पड़ने का सर्वाधिक खतरा रहता है।
  • 4. सिंचाई करने से एल्बेडो और तापमान नियंत्रण: सूखी रेतीली मिट्टी का एल्बेडो $30\%–35\%$ होता है जो सिंचाई करते ही घटकर $12\%–15\%$ रह जाता है, जिससे मिट्टी अधिक सौर ऊर्जा सोखती है और जल की उच्च विशिष्ट ऊष्मा के कारण रात में खेत ठंडा नहीं होता (पाले से बचाव)।
SECTION 10

प्रमुख समीकरण एवं हल किए गए संख्यात्मक प्रश्न (Formulas & Numericals)

10.1 प्रमुख सूत्र (Master Formulas)

  • एल्बेडो सूत्र: $\alpha = \frac{R_r}{R_s} \implies R_r = \alpha \cdot R_s$
  • शुद्ध लघु-तरंग विकिरण: $R_{ns} = R_s – R_r = R_s(1 – \alpha)$
  • शुद्ध दीर्घ-तरंग (प्रभावी बहिर्गामी) विकिरण: $L_n = L\uparrow – L\downarrow$
  • शुद्ध विकिरण (Net Radiation): $R_n = R_{ns} – L_n = R_s(1 – \alpha) – (L\uparrow – L\downarrow)$

10.2 हल किए गए संख्यात्मक प्रश्न (Solved Numerical Problems)

उदाहरण 1 (एल्बेडो की गणना): प्रश्न: गेहूँ के एक खेत के ऊपर लगे एल्बेडोमीटर के ऊपरी पाइरेनोमीटर ने आवक सौर विकिरण $600\text{ W m}^{-2}$ तथा निचले उल्टे पाइरेनोमीटर ने परावर्तित सौर विकिरण $138\text{ W m}^{-2}$ दर्ज किया। गेहूँ की फसल का (i) एल्बेडो प्रतिशत में तथा (ii) अवशोषित शुद्ध लघु-तरंग विकिरण ($R_{ns}$) ज्ञात कीजिए।

हल (Solution):
दिया गया है: आवक विकिरण $(R_s) = 600\text{ W m}^{-2}$, परावर्तित विकिरण $(R_r) = 138\text{ W m}^{-2}$
(i) $\text{Albedo }(\%) = \left(\frac{R_r}{R_s}\right) \times 100 = \left(\frac{138}{600}\right) \times 100 = \mathbf{23\%}$ (या गुणांक $\alpha = 0.23$)
(ii) शुद्ध लघु-तरंग विकिरण $(R_{ns}) = R_s – R_r = 600 – 138 = \mathbf{462\text{ W m}^{-2}}$।
उदाहरण 2 (शुद्ध विकिरण $R_n$ की गणना — विश्वविद्यालय परीक्षा हेतु अति महत्त्वपूर्ण): प्रश्न: दोपहर के समय सरसों के एक खेत पर आपतित कुल लघु-तरंग सौर विकिरण ($R_s$) $700\text{ W m}^{-2}$ है। यदि फसल का एल्बेडो ($\alpha$) $0.20$ ($20\%$) हो, वायुमंडल से आने वाला दीर्घ-तरंग प्रति-विकिरण ($L\downarrow$) $340\text{ W m}^{-2}$ हो तथा खेत से ऊपर जाने वाला पार्थिव दीर्घ-तरंग विकिरण ($L\uparrow$) $430\text{ W m}^{-2}$ हो, तो फसल को उपलब्ध शुद्ध विकिरण ($R_n$) की गणना कीजिए।

हल (Solution):
चरण 1: शुद्ध लघु-तरंग विकिरण $(R_{ns}) = R_s(1 – \alpha) = 700 \times (1 – 0.20) = 700 \times 0.80 = 560\text{ W m}^{-2}$
चरण 2: प्रभावी बहिर्गामी दीर्घ-तरंग विकिरण $(L_n) = L\uparrow – L\downarrow = 430 – 340 = 90\text{ W m}^{-2}$
चरण 3: शुद्ध विकिरण $(R_n) = R_{ns} – L_n = 560 – 90 = \mathbf{470\text{ W m}^{-2}}$।
SECTION 11

त्वरित पुनरावलोकन (Quick Revision Points)

लघु-तरंग बनाम दीर्घ-तरंग विकिरण:
  • लघु-तरंग (सौर): $0.15–4.0\text{ }\mu\text{m}$ ($\lambda_{\max} = 0.48\text{ }\mu\text{m}$)।
  • दीर्घ-तरंग (पार्थिव): $4.0–100\text{ }\mu\text{m}$ ($\lambda_{\max} = 10.0\text{ }\mu\text{m}$)।
  • वायुमंडलीय खिड़की: $8.0\text{ से } 13.0\text{ }\mu\text{m}$।
  • वायुमंडल का तापन: मुख्यतः दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण से।
एल्बेडो (Albedo) प्रमुख तथ्य:
  • ताजा बर्फ (Fresh Snow): $75\%–95\%$ (सर्वाधिक)।
  • पृथ्वी का ग्रहीय एल्बेडो: $30\%–31\%$।
  • सामान्य कृषि फसलें: $18\%–25\%$ (FAO मानक: $23\%$)।
  • जलमग्न धान / नम काली मृदा: $8\%–15\%$।
  • सिंचाई करने पर मृदा एल्बेडो: घटता है।
शुद्ध विकिरण ($R_n$) तथ्य:
  • सूत्र: $R_n = R_s(1 – \alpha) + L\downarrow – L\uparrow$।
  • दिन में $R_n$: धनात्मक ($+$); रात में $R_n$: ऋणात्मक ($-$)।
  • $R_n$ का सबसे बड़ा उपयोग: वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन ($LE: 70–85\%$)।
  • प्रकाश संश्लेषण में उपयोग: मात्र $1\%–2\%$।
यंत्र एवं कृषि प्रबंधन:
  • एल्बेडो मापन: एल्बेडोमीटर (Albedometer)।
  • शुद्ध विकिरण मापन: नेट रेडियोमीटर (Net Radiometer)।
  • दीर्घ-तरंग मापन: पाइरजियोमीटर (Pyrgeometer)।
  • काओलिन ($5\%$) स्प्रे: फसल एल्बेडो बढ़ाकर वाष्पोत्सर्जन घटाता है।
SECTION 12A

बहुविकल्पीय प्रश्न (Multiple Choice Questions — 20 MCQs)

प्रश्न 1. पृथ्वी और उसके वायुमंडल द्वारा उत्सर्जित किए जाने वाले विकिरण को क्या कहा जाता है और इसका तरंगदैर्घ्य परास क्या होता है?
(A) लघु-तरंग विकिरण (0.15 से 4.0 μm)
(B) दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण (Long-wave Terrestrial Radiation: 4.0 से 100 μm)
(C) पराबैंगनी विकिरण (0.1 से 0.4 μm)
(D) गामा विकिरण (<0.01 μm)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण (Long-wave Terrestrial Radiation: 4.0 से 100 μm)
व्याख्या: पृथ्वी का तापमान कम ($288\text{ K}$) होने से यह $4.0\text{ से } 100\text{ }\mu\text{m}$ ($\lambda_{\max} \approx 10\text{ }\mu\text{m}$) के दीर्घ-तरंग अवरक्त क्षेत्र में विकिरण उत्सर्जित करती है।
प्रश्न 2. किसी सतह द्वारा परावर्तित सौर विकिरण और उस सतह पर आपतित कुल सौर विकिरण के अनुपात को क्या कहते हैं?
(A) सौर स्थिरांक (Solar Constant)
(B) एल्बेडो / परावर्तन गुणांक (Albedo)
(C) शुद्ध विकिरण (Net Radiation)
(D) उत्सर्जकता (Emissivity)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) एल्बेडो / परावर्तन गुणांक (Albedo)
व्याख्या: $\text{Albedo } (\alpha) = \frac{\text{Reflected Solar Radiation}}{\text{Incoming Solar Radiation}}$।
प्रश्न 3. निम्नलिखित में से किस प्राकृतिक सतह का एल्बेडो (Albedo) सर्वाधिक (75% से 95%) होता है?
(A) नम काली मृदा (Moist Black Soil)
(B) जलमग्न धान का खेत (Flooded Rice Field)
(C) ताजा गिरी हुई सफेद बर्फ (Fresh Snow)
(D) घना शंकुधारी वन (Dense Forest)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (C) ताजा गिरी हुई सफेद बर्फ (Fresh Snow)
व्याख्या: ताजा बर्फ आपतित सौर विकिरण का $75\%$ से $95\%$ भाग परावर्तित कर देती है, जो प्रकृति में सर्वाधिक है।
प्रश्न 4. सामान्य कृषि फसलों (जैसे गेहूँ, सरसों, मक्का व हरी घास) का मानक औसत एल्बेडो (Albedo) कितना होता है?
(A) 3% से 5%
(B) 18% से 25% (मानक औसत: 23% या 0.23)
(C) 50% से 65%
(D) 80% से 90%
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) 18% से 25% (मानक औसत: 23% या 0.23)
व्याख्या: अधिकांश पूर्ण विकसित कृषि फसलों का एल्बेडो $18–25\%$ (FAO मानक संदर्भ फसल एल्बेडो $= 0.23$) होता है।
प्रश्न 5. संपूर्ण पृथ्वी-वायुमंडल तंत्र का औसत ग्रहीय एल्बेडो (Planetary Albedo of the Earth) लगभग कितना है?
(A) 10%
(B) 30% से 31% (या ~0.30)
(C) 55%
(D) 75%
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) 30% से 31% (या ~0.30)
व्याख्या: बादलों, वायुमंडलीय कणों और धरातल द्वारा कुल आपतित सौर ऊर्जा का लगभग $30–31\%$ भाग अंतरिक्ष में वापस परावर्तित कर दिया जाता है।
प्रश्न 6. जब किसी सूखे खेत में सिंचाई की जाती है (अर्थात् मृदा में नमी बढ़ती है), तो उस मृदा के एल्बेडो पर क्या प्रभाव पड़ता है?
(A) एल्बेडो बढ़ जाता है।
(B) एल्बेडो घट जाता है (Decreases) और मृदा अधिक विकिरण अवशोषित करती है।
(C) एल्बेडो अपरिवर्तित रहता है।
(D) एल्बेडो 100% हो जाता है।
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) एल्बेडो घट जाता है (Decreases) और मृदा अधिक विकिरण अवशोषित करती है।
व्याख्या: गीली मिट्टी का रंग गहरा हो जाता है और जल की परत प्रकाश को सोख लेती है, जिससे सूखी मिट्टी ($25–35\%$) की तुलना में गीली मिट्टी का एल्बेडो घटकर $10–15\%$ रह जाता है।
प्रश्न 7. शुद्ध विकिरण (Net Radiation — $R_n$) का सही गणितीय समीकरण कौन-सा है? (जहाँ $R_s$ = आवक सौर विकिरण, $\alpha$ = एल्बेडो, $L_n$ = प्रभावी बहिर्गामी दीर्घ-तरंग विकिरण)
(A) $R_n = R_s(1 + \alpha) + L_n$
(B) $R_n = R_s(1 – \alpha) – L_n$
(C) $R_n = \frac{R_s}{\alpha} \times L_n$
(D) $R_n = \alpha R_s + L_n$
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) $R_n = R_s(1 – \alpha) – L_n$
व्याख्या: शुद्ध विकिरण $=$ शुद्ध लघु-तरंग विकिरण $[R_s(1-\alpha)] -$ शुद्ध बहिर्गामी दीर्घ-तरंग विकिरण $[L_n = L\uparrow – L\downarrow]$।
प्रश्न 8. ‘वायुमंडलीय खिड़की’ (Atmospheric Window), जिससे होकर पृथ्वी का दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण बिना अवशोषित हुए सीधे अंतरिक्ष में निकल जाता है, किस तरंगदैर्घ्य परास में स्थित है?
(A) 0.4 से 0.7 μm
(B) 1.0 से 3.0 μm
(C) 8.0 से 13.0 μm (विशेषकर 8.5–11.0 μm)
(D) 50.0 से 100.0 μm
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (C) 8.0 से 13.0 μm (विशेषकर 8.5–11.0 μm)
व्याख्या: $8–13\text{ }\mu\text{m}$ के बीच जलवाष्प और $\text{CO}_2$ विकिरण को अवशोषित नहीं करते, इसलिए इसे वायुमंडलीय खिड़की कहते हैं।
प्रश्न 9. पृथ्वी का क्षोभमंडल (Troposphere) मुख्य रूप से किस विकिरण के अवशोषण से गर्म होता है?
(A) सीधे सूर्य से आने वाले लघु-तरंग विकिरण से
(B) पृथ्वी की सतह से उत्सर्जित होने वाले दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण (Long-wave Terrestrial Radiation) से
(C) कॉस्मिक किरणों से
(D) केवल पराबैंगनी किरणों से
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) पृथ्वी की सतह से उत्सर्जित होने वाले दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण (Long-wave Terrestrial Radiation) से
व्याख्या: क्षोभमंडल की जलवाष्प और $\text{CO}_2$ लघु-तरंग सौर विकिरण के लिए पारदर्शी हैं किंतु नीचे से जाने वाले दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण का $85–90\%$ भाग सोखकर वायुमंडल को गर्म करती हैं।
प्रश्न 10. रात्रि के समय फसल वितान के ऊपर शुद्ध विकिरण ($R_n$) का मान कैसा होता है?
(A) अत्यधिक धनात्मक (Highly Positive)
(B) ऋणात्मक (Negative — क्योंकि $R_s = 0$ और $L\uparrow > L\downarrow$)
(C) दोपहर के बराबर
(D) सदैव +1000 W/m²
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) ऋणात्मक (Negative — क्योंकि $R_s = 0$ और $L\uparrow > L\downarrow$)
व्याख्या: रात में सूर्य की ऊर्जा नहीं आती और पृथ्वी से दीर्घ-तरंग विकिरण बाहर निकलता रहता है, इसलिए $R_n$ ऋणात्मक होता है।
प्रश्न 11. बारानी फसलों में वाष्पोत्सर्जन (Transpiration) घटाने के लिए छिड़का जाने वाला ‘काओलिन’ ($5\%$ Kaolin) किस सिद्धांत पर कार्य करता है?
(A) यह रंध्रों को रासायनिक रूप से बंद करता है।
(B) यह पत्तियों का एल्बेडो (Albedo) बढ़ाकर सौर विकिरण भार और पत्ती का तापमान कम करता है (Reflectant type)।
(C) यह पत्तियों पर मोम की परत बनाता है।
(D) यह जड़ों की वृद्धि रोकता है।
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) यह पत्तियों का एल्बेडो (Albedo) बढ़ाकर सौर विकिरण भार और पत्ती का तापमान कम करता है (Reflectant type)।
व्याख्या: काओलिन (Kaolin) और चूना ‘परावर्तक प्रकार के वाष्पोत्सर्जन-रोधी’ (Reflective Antitranspirants) हैं जो एल्बेडो बढ़ाकर $R_n$ और ET को कम करते हैं।
प्रश्न 12. किसी सतह का एल्बेडो (Albedo) प्रत्यक्ष रूप से मापने वाले यंत्र को क्या कहते हैं?
(A) पिरहेलियोमीटर (Pyrheliometer)
(B) एल्बेडोमीटर (Albedometer)
(C) पाइरजियोमीटर (Pyrgeometer)
(D) सनशाइन रिकॉर्डर
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) एल्बेडोमीटर (Albedometer)
व्याख्या: एल्बेडोमीटर में एक सीधा और एक उल्टा पाइरेनोमीटर लगा होता है जो आपतित और परावर्तित सौर विकिरण मापकर एल्बेडो बताता है।
प्रश्न 13. एक अच्छी तरह से सिंचित हरी फसल में दिन के समय प्राप्त शुद्ध विकिरण ($R_n$) का सबसे बड़ा भाग (लगभग 70–85%) किस प्रक्रिया में व्यय होता है?
(A) प्रकाश संश्लेषण ($P$) में
(B) वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन की गुप्त ऊष्मा ($LE$ — Latent Heat of Evapotranspiration) में
(C) मृदा ऊष्मा फ्लक्स ($G$) में
(D) तने के भंडारण में
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन की गुप्त ऊष्मा ($LE$ — Latent Heat of Evapotranspiration) में
व्याख्या: सिंचित खेत में $R_n$ का $70–85\%$ हिस्सा वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन ($LE$) में खर्च होता है, जबकि प्रकाश संश्लेषण में मात्र $1–2\%$ ही लगता है।
प्रश्न 14. कृषि फसलों में से किस फसल अवस्था में एल्बेडो सबसे कम (लगभग 10–12%) पाया जाता है?
(A) पकी हुई पीली सरसों की फसल
(B) रोपाई के बाद खड़े पानी वाला धान का खेत (Puddled / Flooded Rice Field)
(C) कपास की पूर्ण विकसित फसल
(D) गन्ने की फसल
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) रोपाई के बाद खड़े पानी वाला धान का खेत (Puddled / Flooded Rice Field)
व्याख्या: जल सतह का एल्बेडो बहुत कम होने के कारण जलमग्न धान के खेत का एल्बेडो मात्र $10–12\%$ होता है।
प्रश्न 15. यदि किसी खेत पर आपतित सौर विकिरण $500\text{ W m}^{-2}$ है और उस खेत का एल्बेडो $20\%$ ($\alpha = 0.20$) है, तो खेत द्वारा परावर्तित सौर विकिरण की मात्रा कितनी होगी?
(A) 50 W/m²
(B) 100 W/m²
(C) 400 W/m²
(D) 250 W/m²
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) 100 W/m²
व्याख्या: परावर्तित विकिरण $= \alpha \times R_s = 0.20 \times 500 = 100\text{ W m}^{-2}$ (तथा अवशोषित विकिरण $= 500 – 100 = 400\text{ W m}^{-2}$)।
प्रश्न 16. दिन के किस समय किसी फसल या जल सतह का एल्बेडो न्यूनतम (Minimum) होता है?
(A) सूर्योदय के तुरंत बाद
(B) सूर्यास्त से ठीक पहले
(C) दोपहर के समय जब सूर्य सिर के ठीक ऊपर (Highest Solar Elevation) होता है
(D) पूरे दिन समान रहता है
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (C) दोपहर के समय जब सूर्य सिर के ठीक ऊपर (Highest Solar Elevation) होता है
व्याख्या: दोपहर में सीधी किरणें फसल वितान व जल के भीतर गहराई तक जाती हैं जिससे परावर्तन (एल्बेडो) सबसे कम होता है, जबकि सुबह-शाम तिरछी किरणों पर एल्बेडो अधिक होता है।
प्रश्न 17. नेट रेडियोमीटर (Net Radiometer) के संवेदक गुंबद (Dome) किस पदार्थ के बने होते हैं जो लघु-तरंग और दीर्घ-तरंग दोनों विकिरणों के लिए पारदर्शी होते हैं?
(A) मोटे साधारण काँच के
(B) विशेष पतली पॉलीथीन (Polyethylene — 0.3 से 100 μm पारदर्शी) के
(C) लोहे की जाली के
(D) लकड़ी के
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) विशेष पतली पॉलीथीन (Polyethylene — 0.3 से 100 μm पारदर्शी) के
व्याख्या: साधारण काँच दीर्घ-तरंग विकिरण ($>3\text{ }\mu\text{m}$) को रोक लेता है, इसलिए नेट रेडियोमीटर में पॉलीथीन गुंबद का उपयोग किया जाता है।
प्रश्न 18. शीत ऋतु में बादल छाए रहने वाली रातें (Cloudy Nights) साफ आकाश वाली रातों की तुलना में अधिक गर्म क्यों होती हैं?
(A) बादल स्वयं नाभिकीय ऊर्जा बनाते हैं।
(B) बादल वायुमंडलीय खिड़की (8–13 μm) को बंद कर पार्थिव विकिरण को रोकते हैं और प्रबल प्रति-विकिरण ($L\downarrow$) नीचे भेजते हैं।
(C) बादल रात में सौर विकिरण बढ़ाते हैं।
(D) बादलों से एल्बेडो शून्य हो जाता है।
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) बादल वायुमंडलीय खिड़की (8–13 μm) को बंद कर पार्थिव विकिरण को रोकते हैं और प्रबल प्रति-विकिरण ($L\downarrow$) नीचे भेजते हैं।
व्याख्या: बादल एक कंबल की तरह कार्य करते हैं जो पृथ्वी की दीर्घ-तरंग ऊष्मा को अंतरिक्ष में जाने से रोककर वापस जमीन की ओर लौटा देते हैं।
प्रश्न 19. केवल दीर्घ-तरंग अवरक्त विकिरण (Long-wave Radiation) को मापने वाले यंत्र का नाम क्या है?
(A) पाइरेनोमीटर (Pyranometer)
(B) पिरहेलियोमीटर (Pyrheliometer)
(C) पाइरजियोमीटर (Pyrgeometer)
(D) क्वांटम सेंसर
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (C) पाइरजियोमीटर (Pyrgeometer)
व्याख्या: पाइरजियोमीटर में सिलिकॉन विंडो लगी होती है जो लघु-तरंग सौर प्रकाश को रोककर केवल दीर्घ-तरंग पार्थिव/वायुमंडलीय विकिरण ($4–50\text{ }\mu\text{m}$) मापती है।
प्रश्न 20. बिना पत्तियों को स्पर्श किए दूर से ही फसल वितान का तापीय विकिरण मापकर ‘फसल जल तनाव सूचकांक’ (CWSI) ज्ञात करने वाला यंत्र कौन-सा है?
(A) इन्फ्रारेड थर्मामीटर (Infrared Thermometer — IRT)
(B) साधारण पारद तापमापी
(C) कप एनीमोमीटर
(D) बैरोग्राफ
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (A) इन्फ्रारेड थर्मामीटर (Infrared Thermometer — IRT)
व्याख्या: इन्फ्रारेड थर्मामीटर पत्तियों से उत्सर्जित $8–14\text{ }\mu\text{m}$ तापीय विकिरण को मापकर तुरंत कैनोपी तापमान ($T_c$) बताता है।
SECTION 12B

रिक्त स्थानों की पूर्ति कीजिए (Fill in the Blanks — 10 Questions)

  1. सौर विकिरण का तरंगदैर्घ्य परास ____________ से ____________ $\mu\text{m}$ होता है, इसलिए इसे लघु-तरंग विकिरण कहते हैं।
  2. पार्थिव विकिरण का तरंगदैर्घ्य परास ____________ से ____________ $\mu\text{m}$ होता है तथा इसकी अधिकतम तीव्रता लगभग ____________ $\mu\text{m}$ पर होती है।
  3. वायुमंडल से दीर्घ-तरंगों के रूप में वापस पृथ्वी की सतह की ओर आने वाले विकिरण को वायुमंडलीय ________________________ (Counter-radiation) कहते हैं।
  4. FAO पेनमैन-मोंटीथ विधि में मानक संदर्भ हरी घास फसल का एल्बेडो ____________ (या ____________ प्रतिशत) माना जाता है।
  5. ताजा गिरी हुई बर्फ का एल्बेडो ____________ से ____________ प्रतिशत होता है।
  6. वायुमंडलीय खिड़की (Atmospheric Window) ____________ से ____________ $\mu\text{m}$ तरंगदैर्घ्य पट्टी में पाई जाती है।
  7. दिन के समय शुद्ध विकिरण ($R_n$) का मान सदैव ____________ होता है, जबकि रात्रि में इसका मान सदैव ____________ होता है।
  8. किसी सतह का एल्बेडो मापने के लिए ________________ यंत्र का तथा शुद्ध विकिरण मापने के लिए ________________ यंत्र का उपयोग किया जाता है।
  9. शुष्क कृषि में पत्तियों का एल्बेडो बढ़ाने के लिए $5\%$ ________________ (चीनी मिट्टी) के घोल का पर्णीय छिड़काव किया जाता है।
  10. एक आदर्श कृष्णिका (Black Body) का एल्बेडो ____________ होता है।
रिक्त स्थानों की उत्तर कुंजी देखें (Show Fill in the Blanks Answer Key)
उत्तर कुंजी:
1. 0.15 से 4.0 $\mu\text{m}$ | 2. 4.0 से 100 $\mu\text{m}$, 10 $\mu\text{m}$ | 3. प्रति-विकिरण (Counter-radiation) | 4. 0.23 (23%) | 5. 75% से 95% | 6. 8.0 से 13.0 $\mu\text{m}$ | 7. धनात्मक (Positive), ऋणात्मक (Negative) | 8. एल्बेडोमीटर (Albedometer), नेट रेडियोमीटर (Net Radiometer) | 9. काओलिन (Kaolin) | 10. शून्य (0)
SECTION 12C & 12D

अति लघु एवं लघु उत्तरीय प्रश्न (Very Short & Short Answer Questions)

C. अति लघु उत्तरीय प्रश्न (Very Short Answer Questions — 10 Questions)

1. एल्बेडो (Albedo) को परिभाषित कीजिए।

उत्तर: किसी सतह द्वारा परावर्तित कुल लघु-तरंग सौर विकिरण और उस सतह पर आपतित कुल लघु-तरंग सौर विकिरण के अनुपात (या प्रतिशत) को उस सतह का एल्बेडो कहते हैं।

2. शुद्ध विकिरण (Net Radiation — $R_n$) क्या है?

उत्तर: किसी सतह पर आने वाले सभी तरंगदैर्घ्यों (लघु + दीर्घ) के कुल विकिरण और उस सतह से वापस जाने वाले कुल विकिरण के अंतर को शुद्ध विकिरण कहते हैं: $R_n = R_s(1-\alpha) – L_n$।

3. पार्थिव विकिरण (Terrestrial Radiation) किसे कहते हैं?

उत्तर: सौर ऊर्जा को अवशोषित कर गर्म हुई पृथ्वी की सतह द्वारा $4.0\text{ से } 100\text{ }\mu\text{m}$ के दीर्घ-तरंग अवरक्त क्षेत्र में उत्सर्जित किए जाने वाले विकिरण को पार्थिव विकिरण कहते हैं।

4. वायुमंडलीय प्रति-विकिरण (Counter-Radiation) क्या है?

उत्तर: वायुमंडल की जलवाष्प, $\text{CO}_2$ और बादलों द्वारा पार्थिव विकिरण को अवशोषित कर वापस नीचे पृथ्वी की सतह की ओर उत्सर्जित किए जाने वाले दीर्घ-तरंग विकिरण को प्रति-विकिरण कहते हैं।

5. वायुमंडलीय खिड़की (Atmospheric Window) से आप क्या समझते हैं?

उत्तर: $8.0\text{ से } 13.0\text{ }\mu\text{m}$ तरंगदैर्घ्य का वह स्पेक्ट्रल क्षेत्र जिसमें जलवाष्प और $\text{CO}_2$ पार्थिव विकिरण को अवशोषित नहीं करते और ऊष्मा सीधे अंतरिक्ष में निकल जाती है, वायुमंडलीय खिड़की कहलाता है।

6. प्रभावी बहिर्गामी विकिरण (Effective Outgoing Radiation — $L_n$) क्या है?

उत्तर: पृथ्वी से ऊपर जाने वाले दीर्घ-तरंग विकिरण ($L\uparrow$) और वायुमंडल से नीचे आने वाले प्रति-विकिरण ($L\downarrow$) के अंतर ($L_n = L\uparrow – L\downarrow$) को प्रभावी बहिर्गामी विकिरण कहते हैं।

7. ताजा बर्फ, कृषि फसलों और जलमग्न धान के खेत का एल्बेडो मान लिखिए।

उत्तर: ताजा बर्फ: $75\%–95\%$; सामान्य कृषि फसलें: $18\%–25\%$ (औसत $23\%$); जलमग्न धान का खेत: $10\%–12\%$।

8. एल्बेडोमीटर (Albedometer) क्या है?

उत्तर: दो पाइरेनोमीटरों (एक सीधा ऊपर की ओर और एक उल्टा नीचे की ओर) के संयोजन से बना वह यंत्र जो किसी सतह या फसल का एल्बेडो मापता है, एल्बेडोमीटर कहलाता है।

9. परावर्तक वाष्पोत्सर्जन-रोधी (Reflective Antitranspirant) का एक उदाहरण दीजिए।

उत्तर: $5\%$ काओलिन (Kaolin) या चूने का छिड़काव (Lime wash) जो पत्तियों का एल्बेडो बढ़ाकर वाष्पोत्सर्जन घटाता है।

10. तापीय विकिरण (Thermal Radiation) किसे कहते हैं?

उत्तर: परम शून्य ($0\text{ K}$) से अधिक तापमान वाली किसी भी वस्तु द्वारा अपनी तापीय ऊर्जा के कारण उत्सर्जित अवरक्त विकिरण ($0.7–100\text{ }\mu\text{m}$) को तापीय विकिरण कहते हैं।

D. लघु उत्तरीय प्रश्न (Short Answer Questions — 8 Questions, 2–5 अंकों हेतु आदर्श उत्तर)

प्रश्न 1. एल्बेडो क्या है? किसी खेत या फसल के एल्बेडो को प्रभावित करने वाले चार प्रमुख कारकों का वर्णन कीजिए।
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
किसी सतह द्वारा परावर्तित सौर विकिरण और आपतित सौर विकिरण के अनुपात को एल्बेडो कहते हैं। इसे प्रभावित करने वाले चार कारक हैं:
1. मृदा की नमी: गीली मिट्टी का एल्बेडो ($10–15\%$) सूखी मिट्टी ($25–35\%$) से कम होता है।
2. सतह का रंग: हल्की/रेतीली मृदा का एल्बेडो अधिक और काली मृदा का कम होता है।
3. सूर्य का उन्नयन कोण: सुबह और शाम को तिरछी किरणों पर एल्बेडो अधिक तथा दोपहर में न्यूनतम होता है।
4. सतह का खुरदरापन एवं वितान ऊँचाई: जुते हुए खुरदरे खेत और ऊँचे फसल वितान में प्रकाश अंदर फँसने से एल्बेडो कम हो जाता है।
प्रश्न 2. शुद्ध विकिरण (Net Radiation — $R_n$) का समीकरण लिखिए तथा बताइए कि फसल उत्पादन में इसका उपयोग किन कार्यों में होता है?
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
शुद्ध विकिरण समीकरण: $R_n = R_s(1 – \alpha) + L\downarrow – L\uparrow$।
फसल के खेत में उपलब्ध धनात्मक शुद्ध विकिरण ($R_n$) चार मुख्य प्रक्रियाओं में विभाजित होता है ($R_n = LE + H + G + P$):
1. वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन ($LE: 70–85\%$): फसल की जल मांग और पत्तियों को ठंडा रखने में।
2. संवेदी ऊष्मा फ्लक्स ($H: 10–20\%$): फसल के आसपास की हवा को गर्म करने में।
3. मृदा ऊष्मा फ्लक्स ($G: 5–10\%$): जड़ क्षेत्र की मृदा को गर्म करने में।
4. प्रकाश संश्लेषण ($P: 1–2\%$): कार्बोहाइड्रेट और दाना निर्माण में।
प्रश्न 3. वायुमंडलीय खिड़की (Atmospheric Window) क्या है और शीतकालीन पाला पड़ने में इसकी क्या भूमिका है?
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण स्पेक्ट्रम में $8.0\text{ से } 13.0\text{ }\mu\text{m}$ तरंगदैर्घ्य की पट्टी को ‘वायुमंडलीय खिड़की’ कहते हैं क्योंकि इस परास में जलवाष्प और $\text{CO}_2$ ऊष्मा को अवशोषित नहीं कर पाते। शीत ऋतु की मेघरहित साफ और शुष्क रातों में पृथ्वी और फसलों की ऊष्मा इसी खुली खिड़की से होकर सीधे अंतरिक्ष में तेजी से चली जाती है, जिससे सुबह होने तक फसलों का तापमान $0^\circ\text{C}$ से नीचे गिर जाता है और विकिरण पाला (Radiation Frost) पड़ जाता है।
प्रश्न 4. बारानी/शुष्क खेती में एल्बेडो में हेरफेर (Albedo Manipulation) करके नमी संरक्षण कैसे किया जाता है?
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
शुष्क क्षेत्रों (जैसे राजस्थान) में जल की कमी होने पर एल्बेडो बढ़ाकर अतिरिक्त सौर ऊर्जा भार को कम किया जाता है:
1. पर्णीय छिड़काव: खड़ी फसल पर $5\%$ काओलिन (Kaolin) या चूने का छिड़काव करने से पत्तियों का एल्बेडो बढ़ जाता है और वाष्पोत्सर्जन $20–30\%$ घट जाता है।
2. पलवार (Mulching): मृदा सतह पर पुआल (Straw mulch) या सफेद प्लास्टिक मल्च बिछाने से मृदा का एल्बेडो बढ़ता है, मृदा तापमान कम रहता है और वाष्पन से नमी की हानि रुक जाती है।
प्रश्न 5. वायुमंडलीय प्रति-विकिरण (Atmospheric Counter-Radiation) प्राकृतिक हरितगृह प्रभाव को कैसे बनाए रखता है?
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
सूर्य का लघु-तरंग विकिरण वायुमंडल को पार कर धरातल को गर्म करता है। जब गर्म पृथ्वी दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण ($4–100\text{ }\mu\text{m}$) उत्सर्जित करती है, तो वायुमंडल की जलवाष्प, $\text{CO}_2$, मीथेन और बादल उसका $85–90\%$ भाग सोख लेते हैं और उसे ‘प्रति-विकिरण’ ($L\downarrow$) के रूप में वापस पृथ्वी की ओर लौटा देते हैं। इससे पृथ्वी की ऊष्मा बाहर नहीं भाग पाती और औसत सतही तापमान $+15^\circ\text{C}$ बना रहता है।
प्रश्न 6. एल्बेडोमीटर और नेट रेडियोमीटर की कार्यविधि में अंतर स्पष्ट कीजिए।
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
• एल्बेडोमीटर: इसमें काँच के गुंबद वाले दो पाइरेनोमीटर (ऊपरी व निचला) होते हैं जो केवल लघु-तरंग सौर विकिरण ($0.3–3.0\text{ }\mu\text{m}$) के आपतित और परावर्तित भाग को मापकर सतह का एल्बेडो ($\alpha$) बताते हैं।
• नेट रेडियोमीटर: इसमें पॉलीथीन गुंबद वाले दो संवेदक होते हैं जो लघु-तरंग और दीर्घ-तरंग ($0.3–100\text{ }\mu\text{m}$) दोनों विकिरणों के आने और जाने वाले फ्लक्स का अंतर मापकर सीधे शुद्ध विकिरण ($R_n$) प्रदान करते हैं।
प्रश्न 7. जल की सतह का एल्बेडो दोपहर में बहुत कम (3–10%) और सूर्योदय/सूर्यास्त के समय बहुत अधिक (50–80%) क्यों होता है?
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
शांत जल सतह चिकनी होती है और फ्रेनेल के परावर्तन नियम का पालन करती है। दोपहर में जब सूर्य की किरणें जल पर लगभग लंबवत पड़ती हैं, तो $90–95\%$ प्रकाश पानी के अंदर प्रवेश कर अवशोषित हो जाता है और एल्बेडो मात्र $3–10\%$ रहता है। किंतु सूर्योदय और सूर्यास्त के समय जब किरणें अत्यंत तिरछे कोण (Grazing angle) पर पड़ती हैं, तो जल सतह दर्पण की तरह चमककर $50–80\%$ किरणों को परावर्तित कर देती है।
प्रश्न 8. तापीय अवरक्त सुदूर संवेदन (Thermal Infrared Remote Sensing) से फसल में सिंचाई की आवश्यकता का पता कैसे लगाया जाता है?
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
जब फसल की जड़ों में पर्याप्त नमी होती है, तो पत्तियाँ तेजी से वाष्पोत्सर्जन करती हैं जिससे वाष्पशील शीतलन के कारण पत्तियों का तापमान वायु के तापमान से कम रहता है ($T_c – T_a < 0$)। जब मृदा में पानी की कमी (जल तनाव) हो जाती है, तो रंध्र बंद हो जाते हैं और वाष्पोत्सर्जन रुकने से पत्ती का तापमान बढ़ जाता है ($T_c – T_a > 0$)। इन्फ्रारेड थर्मामीटर पत्तियों के तापीय विकिरण से इस तापांतर को मापकर तुरंत सिंचाई का संकेत दे देता है।
SECTION 12E, 12F & 12G

अंतर स्पष्ट कीजिए, व्याख्यात्मक एवं दीर्घ उत्तरीय प्रश्न

E. अंतर स्पष्ट कीजिए (Differentiate Between — 4 Questions)

  1. लघु-तरंग सौर विकिरण (Short-wave Solar Radiation) एवं दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण (Long-wave Terrestrial Radiation) में अंतर स्पष्ट कीजिए। (देखें विस्तृत सारणी 8.1 — 7 बिंदु: स्रोत व तापमान, तरंगदैर्घ्य परास, $\lambda_{\max}$, समय, दिशा, वायुमंडलीय व्यवहार एवं मापक यंत्र)।
  2. दिन के शुद्ध विकिरण (Daytime Net Radiation) एवं रात्रि के शुद्ध विकिरण (Nighttime Net Radiation) में अंतर लिखिए। (देखें विस्तृत सारणी 8.2 — 3 बिंदु)।
  3. शुष्क रेतीली मृदा के एल्बेडो एवं नम काली मृदा के एल्बेडो में अंतर स्पष्ट कीजिए:
    • शुष्क रेतीली मृदा: हल्का रंग और नमी के अभाव के कारण इसका एल्बेडो उच्च ($25\%–40\%$) होता है, अर्थात् यह अधिक सौर विकिरण परावर्तित करती है।
    • नम काली मृदा: गहरा काला रंग और जल की उपस्थिति के कारण इसका एल्बेडो कम ($5\%–15\%$) होता है, अर्थात् यह $85\%–95\%$ सौर ऊर्जा अवशोषित कर लेती है।
  4. पार्थिव विकिरण (Terrestrial Radiation — $L\uparrow$) एवं प्रति-विकिरण (Counter-Radiation — $L\downarrow$) में अंतर बताइए:
    • पार्थिव विकिरण ($L\uparrow$): पृथ्वी की सतह (मृदा व फसल) द्वारा ऊपर वायुमंडल व अंतरिक्ष की ओर उत्सर्जित दीर्घ-तरंग विकिरण, जो सतह को ठंडा करता है।
    • प्रति-विकिरण ($L\downarrow$): वायुमंडल की हरितगृह गैसों व बादलों द्वारा वापस नीचे पृथ्वी की ओर उत्सर्जित दीर्घ-तरंग विकिरण, जो सतह को गर्म रखता है।

F. वैज्ञानिक कारण स्पष्ट कीजिए / व्याख्या कीजिए (Explain Why — 6 Questions)

1. वैज्ञानिक कारण बताइए: पृथ्वी का वायुमंडल सूर्य की सीधी किरणों से गर्म न होकर नीचे पृथ्वी की सतह से क्यों गर्म होता है?
संरचित उत्तर देखें (Show Structured Answer)
सूर्य से आने वाला विकिरण लघु-तरंग ($0.15–4.0\text{ }\mu\text{m}$) होता है जिसके प्रति वायुमंडल की मुख्य गैसें ($\text{N}_2, \text{O}_2, \text{CO}_2$, जलवाष्प) लगभग पारदर्शी होती हैं, इसलिए किरणें बिना हवा को अधिक गर्म किए धरातल पर पहुँच जाती हैं। धरातल इस ऊर्जा को सोखकर गर्म होता है और दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण ($4–100\text{ }\mu\text{m}$) उत्सर्जित करता है। वायुमंडल की जलवाष्प और $\text{CO}_2$ इस दीर्घ-तरंग विकिरण का $85–90\%$ भाग प्रबलता से अवशोषित कर लेती हैं, जिससे वायुमंडल नीचे से ऊपर की ओर गर्म होता है।
2. वैज्ञानिक कारण बताइए: हिमालय के बर्फीले शिखरों पर तेज धूप होने के बावजूद बर्फ जल्दी क्यों नहीं पिघलती?
संरचित उत्तर देखें (Show Structured Answer)
ताजा सफेद बर्फ का एल्बेडो $75\%$ से $95\%$ तक होता है। इसका अर्थ है कि बर्फ पर पड़ने वाली सूर्य की धूप का $80–90\%$ भाग बिना अवशोषित हुए तुरंत वापस अंतरिक्ष में परावर्तित हो जाता है और बर्फ को पिघलाने के लिए बहुत कम शुद्ध विकिरण ऊर्जा ($R_n$) मिल पाती है। साथ ही अधिक ऊँचाई के कारण वहाँ हवा का तापमान भी हिमांक से नीचे रहता है।
3. वैज्ञानिक कारण बताइए: रेगिस्तानी क्षेत्रों (जैसे पश्चिमी राजस्थान) में दिन बहुत गर्म और रातें बहुत ठंडी क्यों होती हैं?
संरचित उत्तर देखें (Show Structured Answer)
मरुस्थलीय क्षेत्रों में वायु में जलवाष्प (आर्द्रता) और बादलों का अभाव होता है तथा मिट्टी रेतीली होती है। दिन में साफ आकाश से तीव्र सौर विकिरण आने और वाष्पन में ऊर्जा खर्च न होने से रेत तेजी से गर्म होकर तापमान $45^\circ\text{C}+$ पहुँचा देती है। किंतु रात होते ही वायुमंडल में जलवाष्प और बादल न होने के कारण प्रति-विकिरण ($L\downarrow$) बहुत कम होता है और रेत की सारी ऊष्मा ‘वायुमंडलीय खिड़की’ ($8–13\text{ }\mu\text{m}$) से सीधे अंतरिक्ष में निकल जाती है, जिससे रातें अचानक ठंडी हो जाती हैं।
4. वैज्ञानिक कारण बताइए: ऊँचे और घने वनों का एल्बेडो (10–15%) छोटी घास के मैदान (23–25%) की तुलना में कम क्यों होता है?
संरचित उत्तर देखें (Show Structured Answer)
छोटी घास की सतह अपेक्षाकृत समतल होती है जिससे सूर्य की किरणें ऊपरी सतह से ही परावर्तित हो जाती हैं। इसके विपरीत, ऊँचे वनों का वितान गहरा और असमतल होता है; जब सौर किरणें वृक्षों के बीच प्रवेश करती हैं, तो वे पत्तियों और शाखाओं के बीच बार-बार परावर्तित होकर अंदर ही फँस जाती हैं (Multiple Scattering & Light Trapping) और अंततः अवशोषित हो जाती हैं, जिससे बाहर लौटने वाला विकिरण (एल्बेडो) कम होता है।
5. वैज्ञानिक कारण बताइए: काँच के ग्रीनहाउस (Glasshouse) के अंदर का तापमान बाहरी हवा से अधिक गर्म क्यों रहता है?
संरचित उत्तर देखें (Show Structured Answer)
काँच की छत सूर्य से आने वाले लघु-तरंग विकिरण ($0.3–3.0\text{ }\mu\text{m}$) के लिए पूर्णतः पारदर्शी होती है, जिससे धूप आसानी से अंदर प्रवेश कर पौधों व मिट्टी को गर्म कर देती है। किंतु अंदर की गर्म मिट्टी और पौधों से निकलने वाले दीर्घ-तरंग तापीय विकिरण ($4–100\text{ }\mu\text{m}$) के लिए काँच अपारदर्शी (Opaque) होता है और उसे बाहर नहीं जाने देता तथा संवहन को भी रोकता है, जिससे ऊष्मा अंदर ही कैद होकर तापमान बढ़ा देती है।
6. खेत की जुताई (Ploughing) करने और सिंचाई करने से मृदा के एल्बेडो पर क्या प्रभाव पड़ता है?
संरचित उत्तर देखें (Show Structured Answer)
जुताई करने से मृदा की सतह खुरदरी व ढेलेदार हो जाती है और निचली नम मिट्टी ऊपर आ जाती है। खुरदरी सतह के गड्ढों में प्रकाश की किरणें फँस जाने और नमी से रंग गहरा होने के कारण जुताई और सिंचाई दोनों से मृदा का एल्बेडो घट जाता है तथा मृदा द्वारा सौर ऊर्जा का अवशोषण बढ़ जाता है।

G. दीर्घ उत्तरीय प्रश्न (Long Answer Questions — 5 Questions, 8–15 अंकों हेतु विस्तृत रूपरेखा)

दीर्घ प्रश्न 1. लघु-तरंग सौर विकिरण, दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण एवं तापीय विकिरण से आप क्या समझते हैं? वीन के नियम के आधार पर इनकी व्याख्या कीजिए तथा लघु-तरंग एवं दीर्घ-तरंग विकिरण में विस्तृत अंतर स्पष्ट कीजिए।
विस्तृत आदर्श उत्तर संरचना देखें (Show Detailed Model Answer Framework)
1. प्रस्तावना एवं वीन के नियम का आधार: सूर्य ($6000\text{ K} \rightarrow \lambda_{\max} = 0.48\text{ }\mu\text{m}$) बनाम पृथ्वी ($288\text{ K} \rightarrow \lambda_{\max} = 10\text{ }\mu\text{m}$)।
2. लघु-तरंग विकिरण का वर्णन: परास ($0.15–4.0\text{ }\mu\text{m}$), आवक व परावर्तित घटक।
3. दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण, प्रति-विकिरण एवं वायुमंडलीय खिड़की ($8–13\text{ }\mu\text{m}$) का वर्णन।
4. तापीय विकिरण एवं इन्फ्रारेड थर्मामीटर द्वारा कैनोपी तापमान मापन।
5. तुलनात्मक सारणी: सारणी 8.1 के सभी 7 बिंदुओं का समावेश।
दीर्घ प्रश्न 2. एल्बेडो (Albedo) को परिभाषित कीजिए। विभिन्न प्राकृतिक सतहों, मृदाओं एवं कृषि फसलों के एल्बेडो मानों की तुलना करते हुए एल्बेडो को प्रभावित करने वाले कारकों तथा शुष्क कृषि में इसके व्यावहारिक उपयोग का वर्णन कीजिए।
विस्तृत आदर्श उत्तर संरचना देखें (Show Detailed Model Answer Framework)
1. एल्बेडो की व्युत्पत्ति, परिभाषा एवं सूत्र: $\alpha = (R_r / R_s) \times 100$।
2. विभिन्न सतहों एवं फसलों के एल्बेडो मान: Section 4.2 की तालिका एवं आरेख 5.2 (ताजा बर्फ, बादल, रेतीली मृदा, पृथ्वी औसत, फसलें, धान व जल)।
3. प्रभावित करने वाले कारक: मृदा नमी, रंग, सूर्य का कोण, खुरदरापन एवं वितान संरचना।
4. एल्बेडोमीटर द्वारा मापन (आरेख 5.3)।
5. कृषि अनुप्रयोग: काओलिन ($5\%$) स्प्रे एवं मल्चिंग द्वारा वाष्पोत्सर्जन व मृदा तापमान नियंत्रण।
दीर्घ प्रश्न 3. शुद्ध विकिरण (Net Radiation — $R_n$) क्या है? इसके पूर्ण गणितीय समीकरण की व्युत्पत्ति कीजिए, दिन एवं रात्रि के विकिरण संतुलन का नामांकित आरेख बनाइए तथा फसल क्षेत्र में शुद्ध विकिरण के विभाजन को समझाइए।
विस्तृत आदर्श उत्तर संरचना देखें (Show Detailed Model Answer Framework)
1. शुद्ध विकिरण की परिभाषा।
2. गणितीय समीकरण की व्युत्पत्ति: $R_n = (S\downarrow – S\uparrow) + (L\downarrow – L\uparrow) = R_s(1-\alpha) – L_n$।
3. दिन एवं रात्रि का विकिरण संतुलन आरेख: आरेख 5.1 एवं सारणी 8.2 (दिन में धनात्मक बनाम रात में ऋणात्मक $R_n$)।
4. शुद्ध विकिरण का कृषि प्रक्रियाओं में विभाजन: Section 7 ($R_n = LE + H + G + P$)।
5. नेट रेडियोमीटर एवं एक संख्यात्मक उदाहरण (Section 10.2)।
दीर्घ प्रश्न 4. पृथ्वी और वायुमंडल के बीच दीर्घ-तरंग विकिरण के आदान-प्रदान (पार्थिव विकिरण, प्रति-विकिरण एवं वायुमंडलीय खिड़की) की व्याख्या कीजिए तथा बताइए कि यह रात्रि के तापमान और रबी फसलों में पाला पड़ने को कैसे नियंत्रित करता है?
विस्तृत आदर्श उत्तर संरचना देखें (Show Detailed Model Answer Framework)
1. पार्थिव विकिरण ($L\uparrow$) एवं हरितगृह गैसों ($\text{H}_2\text{O}, \text{CO}_2$) द्वारा अवशोषण।
2. वायुमंडलीय प्रति-विकिरण ($L\downarrow$) एवं प्रभावी बहिर्गामी विकिरण ($L_n = L\uparrow – L\downarrow$)।
3. वायुमंडलीय खिड़की ($8–13\text{ }\mu\text{m}$) की संकल्पना।
4. मेघरहित शुष्क रातों बनाम बादल वाली रातों में रात्रि शीतलन की तुलना।
5. पाला नियंत्रण में सिंचाई व धुआँ करने का विकिरण सिद्धांत।
दीर्घ प्रश्न 5. निम्नलिखित पर संक्षिप्त वैज्ञानिक टिप्पणी एवं गणना लिखिए: (अ) एल्बेडोमीटर एवं नेट रेडियोमीटर, (ब) परावर्तक वाष्पोत्सर्जन-रोधी (Reflective Antitranspirants), (स) यदि $R_s = 650\text{ W m}^{-2}, \alpha = 0.22$ तथा $L_n = 85\text{ W m}^{-2}$ हो, तो $R_n$ ज्ञात कीजिए।
विस्तृत आदर्श उत्तर संरचना देखें (Show Detailed Model Answer Framework)
(अ) एल्बेडोमीटर एवं नेट रेडियोमीटर: आरेख 5.3 सहित संरचना व कार्यविधि।
(ब) परावर्तक वाष्पोत्सर्जन-रोधी: काओलिन ($5\%$), चूना एवं सेलाइट द्वारा एल्बेडो वृद्धि व जल बचत।
(स) संख्यात्मक हल:
$R_{ns} = R_s(1 – \alpha) = 650 \times (1 – 0.22) = 650 \times 0.78 = 507\text{ W m}^{-2}$
$R_n = R_{ns} – L_n = 507 – 85 = \mathbf{422\text{ W m}^{-2}}$।
SECTION 12H

विश्वविद्यालयी परीक्षा पैटर्न अभ्यास प्रश्न (PYQ-Pattern Practice Questions)

पारदर्शिता सूचना (Verification Disclosure): चूँकि आपके द्वारा इस विषय के सत्यापित पुराने प्रश्न-पत्र संलग्न नहीं किए गए हैं, अतः किसी भी विश्वविद्यालय या वर्ष का काल्पनिक लेबल नहीं लगाया गया है। नीचे दिए गए प्रश्न SKNAU जोबनेर एवं ICAR Sixth Deans’ Committee के मानक सेमेस्टर परीक्षा पैटर्न पर आधारित उच्च-संभाव्यता वाले अभ्यास प्रश्न (PYQ-Pattern Practice Questions) हैं:
  1. [PYQ-Pattern — परिभाषा / 1 अंक]: एल्बेडो (Albedo) को परिभाषित कीजिए एवं इसका सूत्र लिखिए।
  2. [PYQ-Pattern — परिभाषा / 1 अंक]: शुद्ध विकिरण (Net Radiation) से आप क्या समझते हैं?
  3. [PYQ-Pattern — अति लघु / 2 अंक]: वायुमंडलीय खिड़की (Atmospheric Window) क्या है और इसका तरंगदैर्घ्य परास क्या है?
  4. [PYQ-Pattern — अंतर / 3 अंक]: लघु-तरंग विकिरण (Short-wave Radiation) और दीर्घ-तरंग विकिरण (Long-wave Radiation) में कोई चार अंतर लिखिए।
  5. [PYQ-Pattern — लघु उत्तरीय / 5 अंक]: विभिन्न फसलों एवं प्राकृतिक सतहों के एल्बेडो मान लिखिए तथा एल्बेडो को प्रभावित करने वाले कारकों का वर्णन कीजिए।
  6. [PYQ-Pattern — दीर्घ उत्तरीय / 10 अंक]: लघु-तरंग, दीर्घ-तरंग एवं तापीय विकिरण की व्याख्या कीजिए तथा फसल सतह पर शुद्ध विकिरण (Net Radiation) के संतुलन समीकरण एवं महत्व का सचित्र वर्णन कीजिए।
SECTION 13

समेकित उत्तर कुंजी (Consolidated Quick Answer Key)

A. बहुविकल्पीय प्रश्न (MCQs 1 to 20) — त्वरित उत्तर तालिका

प्रश्न सं. उत्तर प्रश्न सं. उत्तर प्रश्न सं. उत्तर प्रश्न सं. उत्तर
1.(B) दीर्घ-तरंग (4–100 μm) 6.(B) एल्बेडो घट जाता है 11.(B) एल्बेडो बढ़ाकर (Reflectant) 16.(C) दोपहर के समय
2.(B) एल्बेडो (Albedo) 7.(B) Rn = Rs(1 – α) – Ln 12.(B) एल्बेडोमीटर 17.(B) पतली पॉलीथीन
3.(C) ताजा बर्फ (75–95%) 8.(C) 8.0 से 13.0 μm 13.(B) वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन (LE) 18.(B) प्रति-विकिरण (L↓) से
4.(B) 18% से 25% (23%) 9.(B) पार्थिव दीर्घ-तरंग से 14.(B) जलमग्न धान का खेत 19.(C) पाइरजियोमीटर
5.(B) 30% से 31% 10.(B) ऋणात्मक (Negative) 15.(B) 100 W/m² 20.(A) इन्फ्रारेड थर्मामीटर

(नोट: सभी प्रश्नों की विस्तृत वैज्ञानिक व्याख्याएँ एवं मॉडल उत्तर ऊपर संबंधित प्रश्नों के साथ Collapsible बॉक्स में पूर्ण रूप से दिए गए हैं।)

AGRO PATH FINDER — Premium Interactive Digital Textbook

EDUCATION • RESEARCH • INNOVATION | B.Sc. (Hons.) Agriculture — AGMET 311 (Semester V)

Curriculum Reference: SKNAU Jobner & ICAR Sixth Deans’ Committee | Official Platform: https://agropathfinder.com/

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