सौर विकिरण की प्रकृति, नियम, सौर स्थिरांक एवं सौर विकिरण का ह्रास (Nature & Properties of Solar Radiation, Solar Constant & Depletion) | AGMET 311 Lecture 6

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 06 of 16

व्याख्यान 06: सौर विकिरण की प्रकृति एवं गुण, सौर स्थिरांक एवं सौर विकिरण का ह्रास

Lecture 06: Nature and Properties of Solar Radiation, Solar Constant and Depletion of Solar Radiation

SECTION 02

अध्ययन के उद्देश्य (Learning Objectives)

इस व्याख्यान के गहन अध्ययन के पश्चात् विद्यार्थी निम्नलिखित वैज्ञानिक सिद्धांतों, नियमों और संख्यात्मक गणनाओं में पूर्ण दक्षता प्राप्त करेंगे:

1. सौर विकिरण की द्वैत प्रकृति एवं गुण: ऊष्मा स्थानांतरण की विधियों (विकिरण, चालन, संवहन, अभिवहन) तथा सौर विकिरण की तरंग एवं कण/फोटॉन (Wave-Particle Duality) प्रकृति को समझना।
2. सौर स्पेक्ट्रम एवं PAR (400–700 nm): विद्युत-चुंबकीय स्पेक्ट्रम के विभिन्न भागों (UV, Visible/PAR, Infrared) तथा पादप कार्यिकी में 8 डच-कमेटी स्पेक्ट्रल बैंडों के प्रभाव को स्पष्ट करना।
3. विकिरण के मूलभूत नियम: प्लैंक (Planck), स्टीफन-बोल्ट्जमैन (Stefan-Boltzmann), वीन के विस्थापन नियम (Wien’s Law), किरचॉफ (Kirchhoff) और लैम्बर्ट कोसाइन नियम की गणितीय व्याख्या करना।
4. सौर स्थिरांक (Solar Constant): सौर स्थिरांक की परिभाषा, मानक मान ($1.94\text{ cal cm}^{-2}\text{ min}^{-1}$ या $1353–1361\text{ W m}^{-2}$) तथा इसे प्रभावित करने वाले कारकों का विश्लेषण करना।
5. सौर विकिरण का वायुमंडलीय ह्रास (Depletion): वायुमंडल में सौर विकिरण के अवशोषण (Absorption), प्रकीर्णन (Rayleigh एवं Mie Scattering) तथा परावर्तन (Reflection) की प्रक्रियाओं को समझना।
6. विकिरण मापक यंत्र एवं कृषि महत्त्व: पिरहेलियोमीटर, पाइरेनोमीटर, क्वांटम सेंसर व सनशाइन रिकॉर्डर की कार्यविधि तथा प्रकाश संश्लेषण व दीप्तिकालिता (Photoperiodism) में सौर विकिरण की भूमिका को जानना।
SECTION 03

प्रस्तावना (Introduction)

पृथ्वी के वायुमंडल में घटित होने वाली समस्त भौतिक, मौसमी और जैविक प्रक्रियाओं के संचालन के लिए सूर्य (The Sun) ऊर्जा का एकमात्र एवं सर्वोच्च स्रोत (Ultimate Source of Energy) है। पृथ्वी को प्राप्त होने वाली कुल तापीय एवं प्रकाश ऊर्जा का लगभग $99.98\%$ भाग अकेले सूर्य से प्राप्त होता है (शेष मात्र $0.02\%$ भाग पृथ्वी के भू-तापीय केंद्र, तारों और ज्वारीय बलों से आता है)।

सूर्य के केंद्र में निरंतर चलने वाली नाभिकीय संलयन (Nuclear Fusion) अभिक्रिया में चार हाइड्रोजन ($\text{H}$) नाभिक संलयित होकर एक हीलियम ($\text{He}$) नाभिक का निर्माण करते हैं और अपार मात्रा में विद्युत-चुंबकीय ऊर्जा मुक्त होती है। सूर्य की बाहरी चमकदार सतह, जिसे प्रकाशमंडल (Photosphere) कहते हैं, का तापमान लगभग $6000\text{ K}$ ($5727^\circ\text{C}$) होता है। सूर्य से पृथ्वी के बीच लगभग $14.96\text{ करोड़ किलोमीटर}$ ($1.496 \times 10^8\text{ km} = 1\text{ Astronomical Unit}$) का विशाल निर्वात (Vacuum) है, जिसे पार करके यह ऊर्जा लगभग $3 \times 10^8\text{ m s}^{-1}$ ($3\text{ लाख किमी/सेकंड}$) की प्रकाश गति से मात्र $8\text{ मिनट } 20\text{ सेकंड}$ ($500\text{ सेकंड}$) में पृथ्वी तक पहुँचती है।

कृषि के लिए सौर विकिरण का मूलभूत महत्त्व: कृषि वास्तव में “सौर ऊर्जा के संचयन (Harvesting of Solar Energy) का ही विज्ञान है”। हरे पौधे पर्णहरित (Chlorophyll) की सहायता से सौर विकिरण ($400–700\text{ nm}$) को रासायनिक ऊर्जा (कार्बोहाइड्रेट व बायोमास) में परिवर्तित करते हैं। इसके अतिरिक्त, सौर विकिरण मृदा और वायु के तापमान को नियंत्रित कर बीज अंकुरण, वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन (ET), पुष्पन (Photoperiodism) और जलचक्र को संचालित करता है।
SECTION 04

संपूर्ण अध्ययन सामग्री (Complete Study Material)

4.1 ऊष्मा स्थानांतरण की विधियाँ एवं सौर विकिरण की प्रकृति (Modes of Heat Transfer and Nature of Solar Radiation)

प्रकृति में एक स्थान से दूसरे स्थान तक ऊर्जा या ऊष्मा का स्थानांतरण चार प्रक्रियाओं द्वारा होता है:

  1. विकिरण (Radiation): बिना किसी भौतिक माध्यम (Without any Material Medium / Through Vacuum) के विद्युत-चुंबकीय तरंगों (Electromagnetic Waves) या फोटॉन के रूप में ऊर्जा के स्थानांतरण को विकिरण कहते हैं। सूर्य से पृथ्वी तक ऊर्जा इसी विधि से आती है।
  2. चालन (Conduction): पदार्थ के अणुओं के बिना अपना स्थान छोड़े परस्पर भौतिक स्पर्श (Molecular Contact) द्वारा गर्म सिरे से ठंडे सिरे की ओर ऊष्मा का प्रवाह। मृदा की ऊपरी सतह से निचली परतों (जड़ क्षेत्र) में ऊष्मा का संचरण मुख्यतः चालन द्वारा ही होता है।
  3. संवहन (Convection): तरल या गैस (वायु व जल) में गर्म अणुओं के स्वयं ऊपर उठने (Vertical Mass Movement of Fluid) के माध्यम से ऊष्मा का ऊर्ध्वाधर स्थानांतरण।
  4. अभिवहन (Advection): पवन द्वारा क्षैतिज दिशा (Horizontal Movement of Air) में ऊष्मा या नमी का एक क्षेत्र से दूसरे क्षेत्र में स्थानांतरण (जैसे राजस्थान में गर्म ‘लू’ का चलना)।

सौर विकिरण की द्वैत प्रकृति एवं गुण (Dual Nature and Properties of Solar Radiation):

आधुनिक भौतिकी के अनुसार सौर विकिरण में तरंग और कण दोनों के गुण (Wave-Particle Duality) पाए जाते हैं:

  • 1. विद्युत-चुंबकीय तरंग प्रकृति (Wave Nature): जब सौर विकिरण अंतरिक्ष या वायुमंडल में गमन करता है, तो यह विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के दोलन वाली अनुप्रस्थ तरंगों (Transverse Electromagnetic Waves) के रूप में चलता है। इसकी गति प्रकाश के वेग ($c = 3 \times 10^8\text{ m s}^{-1}$) के बराबर होती है तथा तरंगदैर्घ्य ($\lambda$) और आवृत्ति ($\nu$) में व्युत्क्रमानुपाती संबंध होता है: $$c = \nu \cdot \lambda \implies \nu = \frac{c}{\lambda}$$
  • 2. कण या क्वांटम/फोटॉन प्रकृति (Particle / Quantum Nature): जब सौर विकिरण किसी पत्ती के क्लोरोफिल अणु से टकराता है (प्रकाश संश्लेषण में), तो यह ऊर्जा के असतत पैकेटों (Discrete Packets of Energy) के रूप में व्यवहार करता है, जिन्हें ‘क्वांटा’ (Quanta) या ‘फोटॉन’ (Photons) कहते हैं।
  • 3. सूर्यातप (Insolation): Incoming Solar Radiation के संक्षिप्त रूप को इंसोलेशन (सूर्यातप) कहते हैं, अर्थात् सूर्य से पृथ्वी की सतह पर प्राप्त होने वाली लघु-तरंग सौर विकिरण ऊर्जा।

4.2 सौर स्पेक्ट्रम एवं प्रकाश संश्लेषण सक्रिय विकिरण (Solar Spectrum & PAR)

सूर्य से उत्सर्जित होने वाले कुल विकिरण का लगभग $99\%$ भाग $0.15\text{ }\mu\text{m}$ ($150\text{ nm}$) से $4.0\text{ }\mu\text{m}$ ($4000\text{ nm}$) तरंगदैर्घ्य के बीच होता है, इसलिए सौर विकिरण को लघु-तरंग विकिरण (Short-wave Radiation) कहते हैं। सौर स्पेक्ट्रम को तीन मुख्य भागों में बाँटा जाता है:

क्र.सं. स्पेक्ट्रम का भाग (Spectral Region) तरंगदैर्घ्य परास (Wavelength — $\mu\text{m}$ एवं $\text{nm}$) कुल सौर ऊर्जा में अंश (% Share) कृषि एवं जैविक भूमिका (Agricultural & Biological Role)
1. पराबैंगनी विकिरण (Ultraviolet — UV Rays)
• UV-C: $100–280\text{ nm}$
• UV-B: $280–315\text{ nm}$
• UV-A: $315–400\text{ nm}$
$< 0.4\text{ }\mu\text{m}$
($< 400\text{ nm}$)
$7\% – 8\%$ अत्यधिक ऊर्जावान; UV-C पूर्णतः व UV-B अधिकांशतः समतापमंडलीय ओजोन द्वारा अवशोषित। अधिक मात्रा में DNA व पर्णहरित को नष्ट करती है; अल्प मात्रा में जीवाणुनाशक व विटामिन-D संश्लेषण में सहायक।
2. दृश्य प्रकाश / प्रकाश संश्लेषण सक्रिय विकिरण (Visible Light / PAR — VIBGYOR) $0.4\text{ – } 0.7\text{ }\mu\text{m}$
($400\text{ – } 700\text{ nm}$)
$41\% – 44\%$
(सतह पर $\approx 45–50\%$)
फसलों में प्रकाश संश्लेषण (Photosynthesis) के लिए सर्वाधिक महत्त्वपूर्ण। नीला ($400–500\text{ nm}$) और लाल ($600–700\text{ nm}$) प्रकाश क्लोरोफिल द्वारा सर्वाधिक अवशोषित होता है, जबकि हरा प्रकाश ($500–600\text{ nm}$) परावर्तित हो जाता है।
3. अवरक्त विकिरण (Infrared — IR / Thermal Rays)
• Near IR: $0.7–1.5\text{ }\mu\text{m}$
• Middle/Far IR: $>1.5\text{ }\mu\text{m}$
$> 0.7\text{ }\mu\text{m}$
($> 700\text{ nm}$)
$48\% – 51\%$ इसमें प्रकाश संश्लेषण की क्षमता नहीं होती, किंतु यह तापीय प्रभाव (Heating Effect) उत्पन्न कर मृदा व वायु को गर्म करती है तथा वाष्पोत्सर्जन (Transpiration) और बीज सुषुप्तावस्था/पुष्पन (Phytochrome $P_r \leftrightarrow P_{fr}$) को नियंत्रित करती है।
डच पादप कार्यिकी समिति (Dutch Committee on Plant Irradiation, 1953) के 8 स्पेक्ट्रल बैंड (प्रतियोगी परीक्षाओं हेतु):
  • 1st Band ($> 1000\text{ nm}$): कोई विशिष्ट जैविक प्रभाव नहीं; केवल तापीय ऊर्जा (Heat) में परिवर्तित होकर वाष्पोत्सर्जन बढ़ाता है।
  • 2nd Band ($1000\text{ – } 700\text{ nm}$ / Far-Red): पादप तने की लंबाई बढ़ाने (Stem Elongation Effect) एवं फाइटोक्रोम ($P_{fr} \rightarrow P_r$) द्वारा दीप्तिकालिता में सक्रिय।
  • 3rd Band ($700\text{ – } 610\text{ nm}$ / Red Light): क्लोरोफिल द्वारा प्रबलतम अवशोषण तथा अधिकतम प्रकाश संश्लेषण क्रिया (Strongest Photosynthetic Action) और दीप्तिकालिक नियंत्रण।
  • 4th Band ($610\text{ – } 510\text{ nm}$ / Green-Yellow): पत्तियों द्वारा सर्वाधिक परावर्तन एवं न्यूनतम प्रकाश संश्लेषण प्रभाव (इसीलिए पत्तियाँ हरी दिखती हैं)।
  • 5th Band ($510\text{ – } 400\text{ nm}$ / Blue-Violet): क्लोरोफिल और कैरोटीनॉयड द्वारा द्वितीयक उच्च अवशोषण तथा प्रकाशानुवर्तन (Phototropism — पौधे का प्रकाश की ओर मुड़ना) एवं रंध्र खुलने में प्रमुख भूमिका।
  • 6th, 7th & 8th Bands ($400–315\text{ nm}$, $315–280\text{ nm}$, $<280\text{ nm}$ — UV-A, UV-B, UV-C): पौधे को बौना रखना, पत्तियाँ मोटी करना तथा $<280\text{ nm}$ पर कोशिका मृत्यु (Lethal effect)।

4.3 विकिरण के मूलभूत नियम (Fundamental Laws of Radiation)

सौर और पार्थिव विकिरण के व्यवहार को समझने के लिए भौतिक विज्ञान के निम्नलिखित छह नियम कृषि मौसम विज्ञान के स्तंभ हैं:

1. प्लैंक का क्वांटम नियम (Planck’s Law, 1900): मैक्स प्लैंक के अनुसार विकिरण का उत्सर्जन और अवशोषण सतत न होकर ऊर्जा के छोटे-छोटे पैकेटों (Quanta या Photons) के रूप में होता है। प्रत्येक फोटॉन की ऊर्जा ($E$) उसकी आवृत्ति ($\nu$) के समानुपाती और तरंगदैर्घ्य ($\lambda$) के व्युत्क्रमानुपाती होती है: $$E = h \cdot \nu = \frac{h \cdot c}{\lambda}$$ जहाँ $h = 6.626 \times 10^{-34}\text{ J s}$ (प्लैंक स्थिरांक) तथा $c = 3 \times 10^8\text{ m s}^{-1}$ (प्रकाश का वेग) है।
कृषि निष्कर्ष: कम तरंगदैर्घ्य वाली किरणों (जैसे नीला प्रकाश या UV) में प्रति फोटॉन ऊर्जा लाल या अवरक्त किरणों की तुलना में अधिक होती है।
2. स्टीफन-बोल्ट्जमैन का नियम (Stefan-Boltzmann Law, 1879/1884): “किसी आदर्श कृष्णिका (Black Body) के प्रति इकाई क्षेत्रफल से प्रति इकाई समय में उत्सर्जित कुल विकिरण ऊर्जा ($E$), उस वस्तु के परम तापमान (Absolute Temperature in Kelvin, $T$) की चतुर्थ घात (Fourth Power) के समानुपाती होती है:” $$E = \sigma \cdot T^4 \quad \text{(तथा सामान्य वस्तु के लिए: } E = \varepsilon \cdot \sigma \cdot T^4 \text{)}$$ जहाँ $\sigma$ = स्टीफन-बोल्ट्जमैन स्थिरांक $= \mathbf{5.67 \times 10^{-8}\text{ W m}^{-2}\text{ K}^{-4}}$ (या $8.13 \times 10^{-11}\text{ cal cm}^{-2}\text{ min}^{-1}\text{ K}^{-4}$), तथा $\varepsilon$ = उत्सर्जकता (Emissivity; कृष्णिका के लिए $\varepsilon = 1$)।
कृषि निष्कर्ष: यदि किसी वस्तु का केल्विन तापमान दोगुना हो जाए, तो उससे निकलने वाला विकिरण $2^4 = 16$ गुना बढ़ जाता है!
3. वीन का विस्थापन नियम (Wien’s Displacement Law, 1893): “किसी उत्सर्जक वस्तु से निकलने वाले विकिरण की अधिकतम तीव्रता का तरंगदैर्घ्य ($\lambda_{\max}$), उस वस्तु के परम तापमान ($T$, केल्विन में) के व्युत्क्रमानुपाती होता है:” $$\lambda_{\max} = \frac{b}{T} = \frac{2897}{T} \text{ (in }\mu\text{m)} \quad \text{अथवा} \quad \lambda_{\max} \cdot T = 0.2897\text{ cm K}$$ जहाँ $b = 2897\text{ }\mu\text{m K}$ वीन का स्थिरांक है।
कृषि एवं मौसम निष्कर्ष (अति महत्त्वपूर्ण):
  • सूर्य ($T \approx 6000\text{ K}$) के लिए: $\lambda_{\max} = \frac{2897}{6000} \approx \mathbf{0.483\text{ }\mu\text{m} \text{ (या } 483\text{ nm — नीला-हरा दृश्य प्रकाश)}}$। इसीलिए सौर विकिरण लघु-तरंग (Short-wave) होता है।
  • पृथ्वी ($T \approx 288\text{ K}$ या $15^\circ\text{C}$) के लिए: $\lambda_{\max} = \frac{2897}{288} \approx \mathbf{10.06\text{ }\mu\text{m} \text{ (अवरक्त क्षेत्र)}}$। इसीलिए पृथ्वी का पार्थिव विकिरण दीर्घ-तरंग (Long-wave) होता है।
4. किरचॉफ का नियम (Kirchhoff’s Law, 1859): “किसी दिए गए समान तापमान और समान तरंगदैर्घ्य ($\lambda$) पर किसी वस्तु की अवशोषण क्षमता (Absorptivity, $a_\lambda$) और उत्सर्जन क्षमता (Emissivity, $\varepsilon_\lambda$) का अनुपात स्थिर रहता है, और एक आदर्श कृष्णिका के लिए दोनों बराबर ($a_\lambda = \varepsilon_\lambda = 1$) होते हैं।” अर्थात्—“अच्छे अवशोषक ही अच्छे उत्सर्जक होते हैं” (Good absorbers are good emitters)।
कृषि निष्कर्ष: काली कपास मृदा (Black Cotton Soil) दिन में सौर विकिरण को तेजी से अवशोषित कर गर्म होती है और रात में उतनी ही तेजी से ऊष्मा उत्सर्जित भी करती है।
5. लैम्बर्ट का कोसाइन नियम (Lambert’s Cosine Law): किसी क्षैतिज सतह (खेत) पर प्राप्त होने वाली सौर विकिरण की तीव्रता ($I$), सूर्य की किरणों के आपतन कोण या जेनिथ कोण ($\theta$ — ऊर्ध्वाधर से कोण) के कोसाइन ($\cos\theta$) के समानुपाती होती है: $$I = I_0 \cdot \cos\theta = I_0 \cdot \sin\beta$$ (जहाँ $\beta$ = क्षितिज से सूर्य का उन्नयन कोण / Solar Altitude Angle)। इसीलिए दोपहर में जब सूर्य सिर के ठीक ऊपर ($\theta = 0^\circ, \cos 0^\circ = 1$) होता है तो धूप सबसे तेज होती है, और सुबह/शाम को तिरछी किरणें पड़ने पर धूप मंद होती है।
6. बीयर का नियम (Beer-Lambert / Monsi-Saeki Law for Crop Canopy): फसल वितान (Crop Canopy) में ऊपर से नीचे की पत्तियों की ओर जाने पर प्रकाश की तीव्रता ($I$) पर्ण क्षेत्र सूचकांक (Leaf Area Index — $L$ या $\text{LAI}$) के साथ घातांकीय रूप से घटती है: $$I = I_0 \cdot e^{-k \cdot \text{LAI}}$$ जहाँ $I_0$ = फसल के शीर्ष पर आपतित विकिरण, तथा $k$ = विलोपन गुणांक (Extinction Coefficient, मान $0.3$ से $1.0$) है।

4.4 सौर स्थिरांक (Solar Constant): परिभाषा, मानक मान एवं प्रभावित करने वाले कारक

सौर स्थिरांक की प्रामाणिक वैज्ञानिक परिभाषा (Standard Definition of Solar Constant): “सूर्य और पृथ्वी के बीच की माध्य दूरी (Mean Sun–Earth Distance = $14.96\text{ करोड़ किमी}$) पर, पृथ्वी के वायुमंडल की बाहरी सीमा पर (Outside the Atmosphere), सूर्य की किरणों के अभिलंबवत (Normal / Perpendicular to solar beam) रखे गए प्रति इकाई क्षेत्रफल ($1\text{ cm}^2$ या $1\text{ m}^2$) पर प्रति इकाई समय ($1\text{ मिनट}$ या $1\text{ सेकंड}$) में प्राप्त होने वाली कुल सौर विकिरण ऊर्जा की मात्रा को सौर स्थिरांक (Solar Constant — $I_{sc}$) कहते हैं।”
सौर स्थिरांक (Solar Constant) के मानक संख्यात्मक मान (सभी कृषि परीक्षाओं हेतु अनिवार्य):
  • कैलोरी इकाई (CGS / ICAR पाठ्यपुस्तक मानक) में: $1.94\text{ cal cm}^{-2}\text{ min}^{-1}$ (या $1.94\text{ Langley min}^{-1}$; लगभग $2.0\text{ cal cm}^{-2}\text{ min}^{-1}$)।
  • SI इकाई (WMO / उपग्रह मापन मानक) में: $1353\text{ W m}^{-2}$ से $1361\text{ W m}^{-2}$ (सामान्यतः $1360\text{ W m}^{-2}$ या $1367\text{ W m}^{-2}$)।
  • किलोवाट इकाई में: $1.353\text{ से } 1.361\text{ kW m}^{-2}$।
  • जूल इकाई में: $1353\text{ J m}^{-2}\text{ s}^{-1}$ (या लगभग $8.16\text{ J cm}^{-2}\text{ min}^{-1}$)।
  • (इकाई नोट: $1\text{ Langley (Ly)} = 1\text{ cal cm}^{-2}$ तथा $1\text{ cal cm}^{-2}\text{ min}^{-1} = 697.8\text{ W m}^{-2}$)।

सौर स्थिरांक को प्रभावित करने वाले कारक:

चूँकि सौर स्थिरांक वायुमंडल की बाहरी सीमा पर मापा जाता है, इसलिए इस पर पृथ्वी के बादलों, धूल या अक्षांश का प्रभाव नहीं पड़ता। इसके मान में $\pm 1.5\%$ से $3.3\%$ का सूक्ष्म परिवर्तन केवल दो खगोलीय कारणों से होता है:

  1. सूर्य और पृथ्वी के बीच की दूरी में वार्षिक परिवर्तन: पृथ्वी की कक्षा दीर्घवृत्ताकार है। 3 जनवरी (उपसौर / Perihelion) को पृथ्वी सूर्य के सबसे निकट ($14.7\text{ करोड़ किमी}$) होती है, तब प्राप्त सौर विकिरण औसत से $\approx 3.3\%$ अधिक होता है; जबकि 4 जुलाई (अपसौर / Aphelion) को पृथ्वी सूर्य से सबसे दूर ($15.2\text{ करोड़ किमी}$) होती है, तब यह $\approx 3.3\%$ कम होता है।
  2. सौर कलंक चक्र (11-Year Sunspot Cycle): सूर्य की सतह पर प्रत्येक $11\text{ वर्ष}$ में सौर कलंकों (Sunspots) और सौर ज्वालाओं की सक्रियता घटती-बढ़ती है, जिससे सौर स्थिरांक में $\approx 0.1\%–0.2\%$ का अंतर आता है।

4.5 वायुमंडल में सौर विकिरण का ह्रास (Depletion of Solar Radiation in the Atmosphere)

जब सौर विकिरण ($100\%$ ऊर्जा) वायुमंडल की बाहरी सीमा में प्रवेश कर पृथ्वी की सतह की ओर आता है, तो मार्ग में उपस्थित गैस के अणुओं, ओजोन, जलवाष्प, धूलकणों (Aerosols) और बादलों से टकराने के कारण इसका एक बड़ा भाग रास्ते में ही कम हो जाता है। वायुमंडल से गुजरते समय सौर विकिरण की तीव्रता में होने वाली इस कमी को सौर विकिरण का ह्रास या क्षीणन (Depletion / Attenuation of Solar Radiation) कहते हैं।

सौर विकिरण का यह ह्रास मुख्य रूप से तीन भौतिक प्रक्रियाओं द्वारा होता है:

1. अवशोषण (Absorption — लगभग 14% से 17% सौर विकिरण का अवशोषण):

वायुमंडल की कुछ विशिष्ट गैसें और बादल सौर विकिरण के कुछ तरंगदैर्घ्यों को सोखकर उसे अपनी आंतरिक तापीय ऊर्जा में बदल लेते हैं:

  • समतापमंडलीय ओजोन ($\text{O}_3$): यह $0.29\text{ }\mu\text{m}$ ($290\text{ nm}$) से कम तरंगदैर्घ्य वाली घातक पराबैंगनी किरणों (UV-C एवं अधिकांश UV-B) को अवशोषित कर लेती है (हार्टले एवं हगिन्स बैंड)।
  • ऑक्सीजन ($\text{O}_2$ एवं $\text{O}$): तापमंडल और समतापमंडल में अत्यंत लघु पराबैंगनी किरणों ($<0.20\text{ }\mu\text{m}$) को अवशोषित करती है।
  • जलवाष्प ($\text{H}_2\text{O}$): क्षोभमंडल में सौर विकिरण के अवरक्त भाग (Near-Infrared: $0.9, 1.1, 1.4, 1.9\text{ }\mu\text{m}$) का सबसे बड़ा अवशोषक जलवाष्प है।
  • कार्बन डाइऑक्साइड ($\text{CO}_2$), धूलकण एवं बादल: ये भी अवरक्त विकिरण का आंशिक अवशोषण करते हैं।

2. प्रकीर्णन (Scattering — सभी दिशाओं में बिखराव):

जब सौर किरणें वायुमंडल के सूक्ष्म गैस अणुओं और एरोसोल कणों से टकराती हैं, तो बिना तरंगदैर्घ्य बदले प्रकाश की किरणें सभी दिशाओं में बिखर जाती हैं, जिसे प्रकीर्णन (Scattering) कहते हैं। कण के आकार ($r$) और विकिरण के तरंगदैर्घ्य ($\lambda$) के अनुपात के आधार पर यह दो प्रकार का होता है:

  • (क) रेले का चयनात्मक प्रकीर्णन (Rayleigh Scattering — जब कण का आकार तरंगदैर्घ्य से बहुत छोटा हो: $r \ll \lambda$ या $r < 0.1\lambda$): यह सूक्ष्म गैस अणुओं ($\text{N}_2, \text{O}_2$) द्वारा होता है। लॉर्ड रेले के नियम के अनुसार प्रकीर्णन की मात्रा तरंगदैर्घ्य की चतुर्थ घात के व्युत्क्रमानुपाती होती है ($S \propto \frac{1}{\lambda^4}$)। चूँकि नीले-बैंगनी प्रकाश का तरंगदैर्घ्य ($0.4\text{ }\mu\text{m}$) लाल प्रकाश ($0.7\text{ }\mu\text{m}$) से कम होता है, इसलिए नीले रंग का प्रकीर्णन लाल रंग की तुलना में लगभग 10 गुना अधिक होता है। इसी कारण स्वच्छ आकाश का रंग नीला (Blue Sky) दिखाई देता है तथा सूर्योदय व सूर्यास्त के समय (जब किरणें लंबी वायुमंडलीय दूरी तय करती हैं और नीला रंग रास्ते में ही बिखर जाता है) केवल लंबी तरंगदैर्घ्य वाला लाल-नारंगी रंग हमारी आँखों तक पहुँचता है।
  • (ख) मी प्रकीर्णन या अचयनात्मक/विसरित प्रकीर्णन (Mie / Non-selective Scattering — जब कण का आकार तरंगदैर्घ्य के बराबर या बड़ा हो: $r \ge \lambda$): यह बड़े धूलकणों, धुएँ, कुहासे और बादल की जल-बूंदों द्वारा होता है। यह सभी रंगों (VIBGYOR) को समान रूप से बिखेरता है, जिसके कारण बादल और कोहरा सफेद (White) दिखाई देते हैं तथा मरुस्थलीय क्षेत्रों (जैसे राजस्थान) में धूल भरी हवा के समय आकाश धुँधला सफेद या मटमैला दिखाई देता है।

3. परावर्तन (Reflection / Cloud Albedo — लगभग 30% से 35% अंतरिक्ष में वापसी):

बादलों के ऊपरी शिखर, वायुमंडलीय कण और पृथ्वी की सतह (हिम, जल, मरुस्थल व फसलें) आपतित सौर विकिरण के लगभग $30\%–31\%$ भाग को बिना किसी उपयोग के सीधे अंतरिक्ष में वापस परावर्तित कर देते हैं, जिसे पृथ्वी का ग्रहीय एल्बेडो (Planetary Albedo) कहते हैं (इसमें अकेले बादलों का योगदान लगभग $20\%–23\%$ होता है)।

प्रत्यक्ष, विसरित एवं भूमंडलीय सौर विकिरण (Direct, Diffuse and Global Solar Radiation):
  • प्रत्यक्ष सौर विकिरण (Direct Beam Radiation — $I_b$): सूर्य के गोले से बिना प्रकीर्णित हुए सीधी रेखा में पृथ्वी की सतह पर पहुँचने वाला विकिरण।
  • विसरित आकाशीय विकिरण (Diffuse Sky Radiation / Sky Light — $I_d$): प्रकीर्णन (Scattering) और बादलों से छनकर पूरे आकाश से सभी दिशाओं से पृथ्वी की सतह पर आने वाला विकिरण (इसी के कारण छाया में या बादल वाले दिन भी उजाला रहता है और फसल की निचली पत्तियाँ भी प्रकाश संश्लेषण कर पाती हैं!)।
  • कुल या भूमंडलीय सौर विकिरण (Global / Total Solar Radiation — $R_s$): पृथ्वी की क्षैतिज सतह पर प्राप्त प्रत्यक्ष और विसरित विकिरण के योग को कुल या ग्लोबल सौर विकिरण कहते हैं: $$\text{Global Solar Radiation } (R_s) = \text{Direct Radiation on Horizontal Surface } (I_b \cos\theta) + \text{Diffuse Sky Radiation } (I_d)$$
SECTION 05

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

आरेख 5.1: सौर विकिरण स्पेक्ट्रम, प्रकाश संश्लेषण सक्रिय विकिरण (PAR: 400–700 nm) एवं क्लोरोफिल अवशोषण बैंड

सौर विकिरण स्पेक्ट्रम (0.15 से 4.0 μm) एवं प्रकाश संश्लेषण क्रिया स्पेक्ट्रम (PAR) पराबैंगनी (UV Rays) < 400 nm (~7–8% ऊर्जा) दृश्य प्रकाश / PAR (VIBGYOR) 400 से 700 nm (0.4–0.7 μm | ~43–45% ऊर्जा) अवरक्त विकिरण (Infrared — IR) > 700 nm (~48–50% तापीय ऊर्जा) PAR (400–700 nm) में पर्णहरित (Chlorophyll) अवशोषण एवं प्रकाश संश्लेषण दर वक्र 400 nm (Violet) 450 nm (Blue) 550 nm (Green) 660 nm (Red) 700 nm द्वितीयक शिखर (नीला प्रकाश: 430–460 nm) प्रथम सर्वोच्च शिखर (लाल प्रकाश: 640–670 nm) हरा प्रकाश (500–600 nm): न्यूनतम अवशोषण / परावर्तन
शैक्षिक व्याख्या (Academic Explanation): उपर्युक्त वैज्ञानिक आरेख दर्शाता है कि सौर स्पेक्ट्रम के $400–700\text{ nm}$ भाग (PAR) में पौधे लाल प्रकाश ($610–700\text{ nm}$) और नीले प्रकाश ($400–510\text{ nm}$) में सर्वाधिक प्रकाश संश्लेषण करते हैं, जबकि हरे प्रकाश ($510–600\text{ nm}$) को पत्तियाँ अधिकांशतः परावर्तित कर देती हैं।

आरेख 5.2: वायुमंडल में सौर विकिरण का ह्रास (Depletion of Solar Radiation — परावर्तन, प्रकीर्णन एवं अवशोषण)

वायुमंडल की बाहरी सीमा — आपतित सौर विकिरण = 100% (Solar Constant = 1.94 cal cm⁻² min⁻¹ / 1361 W m⁻²) पृथ्वी की सतह एवं फसल वितान (Earth Surface & Crop Canopy) — कुल ~50–51% सौर विकिरण प्राप्त सूर्य प्रत्यक्ष सौर विकिरण (Direct Beam ~27–31%) 1. अवशोषण (Absorption: ~17–19%) • ओजोन (O₃): पराबैंगनी (UV) किरणें • जलवाष्प एवं CO₂: अवरक्त (IR) किरणें • धूल एवं मेघ द्वारा आंशिक अवशोषण प्रकीर्णन अंतरिक्ष में प्रकीर्णित (~6%) 2. विसरित विकिरण (Diffuse Sky Light ~20%) (Rayleigh: नीला आकाश | Mie: सफेद बादल) 3. परावर्तन (Reflection) कुल एल्बेडो: ~30%–31% (मेघ ~21% + सतह ~4% + वायु ~6%) वापस अंतरिक्ष में ↑
शैक्षिक व्याख्या (Academic Explanation): वायुमंडल के शीर्ष पर आने वाली $100\%$ सौर ऊर्जा में से लगभग $30–31\%$ भाग परावर्तन व प्रकीर्णन द्वारा सीधे अंतरिक्ष में लौट जाता है (Planetary Albedo), तथा लगभग $17–19\%$ भाग वायुमंडलीय गैसों (ओजोन, जलवाष्प) व बादलों द्वारा अवशोषित कर लिया जाता है। शेष लगभग $50–51\%$ भाग ही प्रत्यक्ष किरणों (Direct Beam) और विसरित प्रकाश (Diffuse Sky Radiation) के रूप में पृथ्वी की सतह और फसलों तक पहुँचता है।

आरेख 5.3: प्रमुख सौर विकिरण मापक यंत्र (Pyranometer, Pyrheliometer & Sunshine Recorder)

1. पाइरेनोमीटर (Pyranometer) मापन: कुल/भूमंडलीय विकिरण (Direct + Diffuse Solar Radiation) छाया रिंग लगाने पर = केवल Diffuse 2. पिरहेलियोमीटर (Pyrheliometer) मापन: केवल प्रत्यक्ष सौर किरणें (Direct Beam Normal Incidence) सूर्य की दिशा में घूमने वाली नली युक्त 3. कैम्पबेल-स्टोक्स रिकॉर्डर मापन: तेज धूप के घंटे (Hours/day) 10 cm व्यास का ठोस काँच का गोला ऋतु अनुसार 3 प्रकार के कार्ड प्रयुक्त
शैक्षिक व्याख्या (Academic Explanation): विकिरण मापन के तीनों मुख्य यंत्रों का अंतर परीक्षा में बार-बार पूछा जाता है: (1) पाइरेनोमीटर अर्ध-गोलाकार गुंबद द्वारा पूरे आकाश से आने वाला कुल (Direct + Diffuse) सौर विकिरण मापता है; (2) पिरहेलियोमीटर संकरी नली द्वारा केवल सूर्य की सीधी किरणें (Direct Beam) मापता है; तथा (3) कैम्पबेल-स्टोक्स सनशाइन रिकॉर्डर $10\text{ cm}$ व्यास के काँच के लेंस गोले द्वारा कार्ड को जलाकर दिन में तेज धूप की अवधि (Bright Sunshine Hours) रिकॉर्ड करता है।
SECTION 06

विजुअल माइंड मैप (Compulsory Visual Mind Map)

माइंड मैप 6.1: सौर विकिरण की प्रकृति, नियम, सौर स्थिरांक एवं विकिरण ह्रास (Complete Lecture Mind Map)

सौर विकिरण एवं सौर स्थिरांक (Solar Radiation) AGMET 311 • Lecture 06 1. प्रकृति एवं सौर स्पेक्ट्रम • द्वैत प्रकृति: तरंग एवं फोटॉन (Quanta) • पराबैंगनी (UV: <400 nm) — ~7–8% • दृश्य / PAR (400–700 nm) — ~44% • अवरक्त (IR: >700 nm) — ~48% (ऊष्मा) 2. विकिरण के मूलभूत नियम • प्लैंक नियम: E = h·ν = hc / λ • स्टीफन-बोल्ट्जमैन: E = σ·T⁴ • वीन विस्थापन: λmax = 2897 / T (μm) • किरचॉफ, लैम्बर्ट कोसाइन व बीयर नियम 3. सौर स्थिरांक (Solar Constant) • मान: 1.94 cal cm⁻² min⁻¹ (Ly/min) • SI मान: 1353–1361 W m⁻² (1.36 kW/m²) • मापन: वायुमंडल के बाहर अभिलंबवत • उपसौर (3 जनवरी) पर मान अधिकतम 4. सौर विकिरण का ह्रास • अवशोषण (~17%): O₃ (UV), H₂O (IR) • रेले प्रकीर्णन (r ≪ λ): नीला आकाश • मी प्रकीर्णन (r ≥ λ): सफेद बादल/धुंध • परावर्तन (Albedo): ~30–31% अंतरिक्ष में 5. विकिरण मापक यंत्र • पिरहेलियोमीटर: प्रत्यक्ष किरणें (Direct) • पाइरेनोमीटर: कुल विकिरण (Global) • शेडिंग रिंग पाइरेनोमीटर: Diffuse • क्वांटम सेंसर: PAR | कैम्पबेल: धूप घंटे 6. पादप एवं कृषि में महत्त्व • लाल (610–700 nm): सर्वाधिक प्रकाश संश्लेषण • नीला (400–510 nm): प्रकाशानुवर्तन • दीप्तिकालिता: SDP (खरीफ), LDP (रबी) • कतार दिशा (N-S) एवं शेडनेट प्रबंधन
माइंड मैप सारांश: यह माइंड मैप सौर स्पेक्ट्रम, विकिरण के नियमों (प्लैंक, स्टीफन-बोल्ट्जमैन, वीन), सौर स्थिरांक ($1.94\text{ cal cm}^{-2}\text{ min}^{-1}$), विकिरण ह्रास (अवशोषण, रेले व मी प्रकीर्णन, परावर्तन) तथा विकिरण मापक यंत्रों को एक ही फ्रेम में समेटता है।
SECTION 07

प्रवाह चार्ट एवं इन्फोग्राफिक्स (Flowcharts and Infographics)

सूर्य के प्रकाशमंडल से उत्सर्जित होकर फसल की पत्तियों में कार्बोहाइड्रेट बनने तक सौर विकिरण की यात्रा नीचे चार चरणों में दर्शाई गई है:

चरण 01 (Source)

सूर्य का प्रकाशमंडल (6000 K)

नाभिकीय संलयन ($4\text{H} \rightarrow \text{He}$) से ऊर्जा उत्सर्जन; वीन नियम अनुसार $\lambda_{\max} = 0.483\text{ }\mu\text{m}$; $8\text{ मिनट } 20\text{ सेकंड}$ में पृथ्वी के वायुमंडल के शीर्ष पर आगमन ($I_{sc} = 1.94\text{ cal cm}^{-2}\text{ min}^{-1}$)।

चरण 02 (Attenuation)

वायुमंडलीय ह्रास (Depletion)

ओजोन द्वारा UV का अवशोषण, जलवाष्प द्वारा IR का अवशोषण ($\approx 17–19\%$), बादलों व सतह द्वारा अंतरिक्ष में परावर्तन ($\approx 30–31\%$) तथा प्रकीर्णन।

चरण 03 (Canopy Entry)

फसल वितान पर आपतन (~50%)

प्रत्यक्ष किरणों (Direct Beam) और विसरित प्रकाश (Diffuse Sky Light) का फसल वितान में प्रवेश तथा बीयर के नियम ($I = I_0 e^{-k\cdot\text{LAI}}$) के अनुसार पत्तियों द्वारा अवरोधन।

चरण 04 (Crop Use)

प्रकाश संश्लेषण एवं वाष्पोत्सर्जन

PAR ($400–700\text{ nm}$ — लाल व नीला प्रकाश) द्वारा क्लोरोफिल में $\text{CO}_2$ स्थिरीकरण (भोजन निर्माण) तथा IR ऊर्जा द्वारा वाष्पोत्सर्जन (ET) एवं मृदा तापन।

SECTION 08

तुलनात्मक सारणियाँ (Scientific Comparison Tables)

8.1 रेले प्रकीर्णन (Rayleigh Scattering) एवं मी प्रकीर्णन (Mie Scattering) में अंतर

क्र.सं. तुलना का आधार (Basis) रेले प्रकीर्णन (Rayleigh / Selective Scattering) मी प्रकीर्णन (Mie / Non-Selective Scattering)
1. कण के आकार एवं तरंगदैर्घ्य का संबंध जब प्रकीर्णन करने वाले कण का व्यास ($r$) विकिरण के तरंगदैर्घ्य ($\lambda$) से बहुत छोटा हो ($r \ll \lambda$ या $r < 0.1\lambda$)। जब प्रकीर्णन करने वाले कण का व्यास ($r$) विकिरण के तरंगदैर्घ्य ($\lambda$) के बराबर या उससे बड़ा हो ($r \ge \lambda$)।
2. प्रकीर्णक घटक (Scattering Agents) वायुमंडल की शुद्ध गैसों ($\text{N}_2, \text{O}_2$) के अति-सूक्ष्म अणु। बड़े धूलकण (Aerosols), धुआँ, परागकण, कुहासा और बादल की जल-बूंदें।
3. तरंगदैर्घ्य निर्भरता (Wavelength Law) यह चयनात्मक (Selective) है; प्रकीर्णन तरंगदैर्घ्य की चतुर्थ घात के व्युत्क्रमानुपाती ($S \propto \frac{1}{\lambda^4}$) होता है (नीला रंग सर्वाधिक बिखरता है)। यह अचयनात्मक या कम चयनात्मक होता है; दृश्य प्रकाश के सभी रंग लगभग समान रूप से बिखरते हैं।
4. दिशात्मक वितरण (Directionality) आगे (Forward) और पीछे (Backward) दोनों दिशाओं में सममित रूप से बिखरता है। अधिकांश विकिरण आगे की दिशा (Forward Scattering — पृथ्वी की ओर) में अधिक बिखरता है।
5. दृश्य प्रभाव (Visual Phenomenon) स्वच्छ आकाश का नीला रंग (Blue Sky) तथा सूर्योदय व सूर्यास्त की लालिमा। बादलों, कोहरे और धूल भरी धुंध का सफेद या भूरा-मटमैला रंग दिखना।

8.2 प्रत्यक्ष सौर विकिरण (Direct Beam Radiation) एवं विसरित आकाशीय विकिरण (Diffuse Sky Radiation) में अंतर

क्र.सं. तुलना का आधार (Basis) प्रत्यक्ष सौर विकिरण (Direct Beam Radiation) विसरित आकाशीय विकिरण (Diffuse Sky Radiation)
1. परिभाषा एवं पथ (Path) सूर्य की डिस्क से बिना मुड़े या बिखरे सीधी रेखा में धरातल पर पहुँचने वाली किरणें। वायुमंडलीय अणुओं, धूल व बादलों से प्रकीर्णित होकर पूरे आकाश गुंबद से सभी दिशाओं से आने वाला प्रकाश।
2. छाया निर्माण (Shadow Formation) यह वस्तुओं और पेड़ों की स्पष्ट एवं गहरी छाया (Sharp Shadow) बनाता है। यह कोई स्पष्ट छाया नहीं बनाता, बल्कि छाया वाले स्थानों को भी प्रकाशित रखता है।
3. मेघाच्छादन का प्रभाव (Cloud Effect) साफ आसमान वाले दिन में सर्वाधिक होता है और पूर्ण बादल छाए रहने (Overcast) पर शून्य हो जाता है। आंशिक बादल, धूल या धुंध वाले दिनों में इसका अनुपात बढ़ जाता है (पूर्ण बादल वाले दिन $100\%$ विकिरण विसरित ही होता है)।
4. फसल वितान में प्रकाश संश्लेषण दक्षता केवल ऊपरी धूप वाली पत्तियों (Sunlit leaves) पर पड़ता है (जहाँ प्रकाश संतृप्ति हो सकती है)। फसल वितान के भीतर गहराई तक प्रवेश कर निचली छायादार पत्तियों (Shaded leaves) में भी उच्च दक्षता से प्रकाश संश्लेषण कराता है।
5. मापक यंत्र (Instrument) पिरहेलियोमीटर (Pyrheliometer) द्वारा मापा जाता है। शेडिंग रिंग (Shading Ring) युक्त पाइरेनोमीटर द्वारा मापा जाता है।
SECTION 09

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

  • 1. राजस्थान में उच्च सौर विकिरण क्षमता और सौर कृषि (Solar Farming in Rajasthan): राजस्थान (विशेषकर जोधपुर, जैसलमेर, बीकानेर व जयपुर/जोबनेर क्षेत्र) में वर्ष में $300\text{ से } 325\text{ दिन}$ तेज धूप रहती है और प्रतिदिन औसतन $5.5\text{ से } 7.0\text{ kWh m}^{-2}\text{ day}^{-1}$ ($450–600\text{ cal cm}^{-2}\text{ day}^{-1}$) सौर विकिरण प्राप्त होता है। एक ओर यह उच्च विकिरण सिंचाई जल उपलब्ध होने पर मूँगफली, बाजरा, सरसों और गेहूँ में उच्च प्रकाश संश्लेषण व तेल/प्रोटीन संश्लेषण करता है, तो दूसरी ओर पीएम-कुसुम योजना (PM-KUSUM) के अंतर्गत खेतों में सोलर पंप चलाने में राजस्थान देश में प्रथम स्थान पर है।
  • 2. फसल कतार की दिशा (Row Orientation) और प्रकाश अवरोधन: लैम्बर्ट कोसाइन नियम और बीयर के नियम के आधार पर फसलों की कतारों को उत्तर-दक्षिण दिशा (North–South Row Orientation) में बोने की सिफारिश की जाती है, ताकि सुबह (पूर्व) और शाम (पश्चिम) दोनों समय सूर्य का प्रकाश कतारों के बीच की निचली पत्तियों तक अधिकतम मात्रा में पहुँच सके।
  • 3. दीप्तिकालिता (Photoperiodism — गार्नर एवं एलार्ड, 1920): दिन में धूप की अवधि (Photoperiod / Day length) फसलों में वानस्पतिक अवस्था से पुष्पन (Flowering) में प्रवेश को नियंत्रित करती है:
    • अल्प प्रदीप्तिकाली पौधे (Short-Day Plants — SDP, क्रांतिक अवधि $<12\text{ घंटे}$): अधिकांश खरीफ फसलें—जैसे धान (Rice), ज्वार, बाजरा, सोयाबीन, मूँग, उड़द, गन्ना एवं तंबाकू।
    • दीर्घ प्रदीप्तिकाली पौधे (Long-Day Plants — LDP, क्रांतिक अवधि $>12–14\text{ घंटे}$): अधिकांश रबी फसलें—जैसे गेहूँ (Wheat), जौ (Barley), चना (Chickpea), मटर, सरसों, आलू एवं चुकंदर।
    • दिवस निष्प्रभावी पौधे (Day-Neutral Plants — DNP): जिन पर दिन की लंबाई का प्रभाव नहीं पड़ता—जैसे टमाटर, मिर्च, कपास, सूरजमुखी, मक्का एवं राजमा।
  • 4. उद्यानिकी एवं नर्सरी में शेड-नेट (Shade-net) का उपयोग: राजस्थान की भीषण ग्रीष्म ऋतु (मई–जून) में जब सौर विकिरण तीव्रता प्रकाश संतृप्ति बिंदु से बहुत ऊपर चली जाती है, तब सब्जी नर्सरी और पान/फूलों की खेती में $50\%$ या $75\%$ हरे रंग के शेड-नेट का उपयोग कर अतिरिक्त सौर विकिरण को रोका जाता है।
SECTION 10

विकिरण सूत्र, इकाई रूपांतरण एवं हल किए गए संख्यात्मक प्रश्न (Formulas & Numericals)

10.1 प्रमुख विकिरण समीकरण एवं इकाई रूपांतरण (Master Equations & Conversions)

  • प्लैंक समीकरण: $E = h \cdot \nu = \frac{h \cdot c}{\lambda}$
  • स्टीफन-बोल्ट्जमैन समीकरण: $E = \varepsilon \cdot \sigma \cdot T^4$ ($\sigma = 5.67 \times 10^{-8}\text{ W m}^{-2}\text{ K}^{-4}$)
  • वीन का विस्थापन समीकरण: $\lambda_{\max}\text{ (in }\mu\text{m)} = \frac{2897}{T\text{ (in K)}}$
  • किरचॉफ का नियम: $a_\lambda = \varepsilon_\lambda$ (तथा किसी सतह पर: $a + r + t = 1$, जहाँ $a$ = अवशोषणता, $r$ = परावर्तकता/एल्बेडो, $t$ = पारगम्यता; अपारदर्शी मृदा के लिए $t=0 \implies a + r = 1$)
  • इकाई रूपांतरण: $$1\text{ Langley (Ly)} = 1\text{ cal cm}^{-2} = 4.184\text{ J cm}^{-2} = 41,840\text{ J m}^{-2}\text{ (या } 0.04184\text{ MJ m}^{-2}\text{)}$$ $$1\text{ cal cm}^{-2}\text{ min}^{-1}\text{ (Ly min}^{-1}\text{)} = 697.8\text{ W m}^{-2}$$ $$1\text{ }\mu\text{m (Micrometer)} = 1000\text{ nm (Nanometer)} = 10,000\text{ \AA (Angstrom)} = 10^{-6}\text{ m}$$

10.2 हल किए गए संख्यात्मक प्रश्न (Solved Numerical Problems)

उदाहरण 1 (वीन के विस्थापन नियम पर आधारित गणना): प्रश्न: यदि दोपहर के समय जोबनेर में रेतीली मृदा की सतह का तापमान $47^\circ\text{C}$ है, तो वीन के विस्थापन नियम के अनुसार उस मृदा सतह से उत्सर्जित होने वाले पार्थिव विकिरण की अधिकतम तीव्रता का तरंगदैर्घ्य ($\lambda_{\max}$) माइक्रोमीटर ($\mu\text{m}$) में ज्ञात कीजिए।

हल (Solution):
दिया गया है: मृदा तापमान $t = 47^\circ\text{C}$
केल्विन में परम तापमान $(T) = 47 + 273 = 320\text{ K}$
वीन के नियम से: $\lambda_{\max} = \frac{2897}{T} = \frac{2897}{320} = \mathbf{9.053\text{ }\mu\text{m}}$ (दीर्घ-तरंग अवरक्त विकिरण)।
उदाहरण 2 (स्टीफन-बोल्ट्जमैन नियम पर आधारित गणना): प्रश्न: एक आदर्श कृष्णिका के रूप में व्यवहार करने वाली नम मृदा सतह का तापमान $27^\circ\text{C}$ है। प्रति वर्ग मीटर क्षेत्रफल से उत्सर्जित कुल विकिरण फ्लक्स ($\text{W m}^{-2}$ में) की गणना कीजिए ($\sigma = 5.67 \times 10^{-8}\text{ W m}^{-2}\text{ K}^{-4}$)।

हल (Solution):
परम तापमान $(T) = 27 + 273 = 300\text{ K}$
$T^4 = (300)^4 = 81 \times 10^8 = 8.1 \times 10^9\text{ K}^4$
स्टीफन-बोल्ट्जमैन सूत्र से: $E = \sigma \cdot T^4 = (5.67 \times 10^{-8}) \times (8.1 \times 10^9) = 5.67 \times 81 = \mathbf{459.27\text{ W m}^{-2}}$।
SECTION 11

त्वरित पुनरावलोकन (Quick Revision Points)

सौर स्थिरांक एवं सूर्य तथ्य:
  • सूर्य का सतही तापमान: $\approx 6000\text{ K}$ ($5727^\circ\text{C}$)।
  • सौर स्थिरांक (CGS): $1.94\text{ cal cm}^{-2}\text{ min}^{-1}$ ($\text{Ly min}^{-1}$)।
  • सौर स्थिरांक (SI): $1353–1361\text{ W m}^{-2}$ ($1.36\text{ kW m}^{-2}$)।
  • उपसौर (Perihelion — न्यूनतम दूरी): 3 जनवरी।
  • अपसौर (Aphelion — अधिकतम दूरी): 4 जुलाई।
सौर स्पेक्ट्रम एवं PAR:
  • पराबैंगनी (UV): $<400\text{ nm}$ ($0.4\text{ }\mu\text{m}$) — $\approx 7–8\%$।
  • दृश्य प्रकाश / PAR: $400–700\text{ nm}$ ($0.4–0.7\text{ }\mu\text{m}$) — $\approx 44\%$।
  • अवरक्त (IR): $>700\text{ nm}$ ($>0.7\text{ }\mu\text{m}$) — $\approx 48\%$ (तापीय)।
  • सर्वाधिक प्रकाश संश्लेषण: लाल ($610–700\text{ nm}$) व नीला प्रकाश।
विकिरण के नियम:
  • प्लैंक नियम: $E = h\nu = hc/\lambda$।
  • स्टीफन-बोल्ट्जमैन नियम: $E = \sigma T^4$।
  • वीन का नियम: $\lambda_{\max} = 2897 / T\text{ (}\mu\text{m)}$ (सूर्य: $0.48\text{ }\mu\text{m}$, पृथ्वी: $10\text{ }\mu\text{m}$)।
  • किरचॉफ नियम: अच्छे अवशोषक ही अच्छे उत्सर्जक होते हैं।
विकिरण ह्रास एवं यंत्र:
  • नीले आकाश का कारण: रेले प्रकीर्णन ($S \propto 1/\lambda^4$)।
  • सफेद बादल का कारण: मी (अचयनात्मक) प्रकीर्णन।
  • प्रत्यक्ष विकिरण मापन: पिरहेलियोमीटर (Pyrheliometer)।
  • कुल विकिरण मापन: पाइरेनोमीटर (Pyranometer)।
SECTION 12A

बहुविकल्पीय प्रश्न (Multiple Choice Questions — 20 MCQs)

प्रश्न 1. सौर स्थिरांक (Solar Constant) का मानक मान कैलोरी प्रति वर्ग सेंटीमीटर प्रति मिनट ($\text{cal cm}^{-2}\text{ min}^{-1}$ या $\text{Langley min}^{-1}$) में कितना होता है?
(A) 0.94 cal cm⁻² min⁻¹
(B) 1.94 cal cm⁻² min⁻¹ (लगभग 2.0 Ly/min)
(C) 4.94 cal cm⁻² min⁻¹
(D) 13.53 cal cm⁻² min⁻¹
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) 1.94 cal cm⁻² min⁻¹ (लगभग 2.0 Ly/min)
व्याख्या: सौर स्थिरांक का मानक मान $1.94\text{ cal cm}^{-2}\text{ min}^{-1}$ (या SI इकाई में $1353–1361\text{ W m}^{-2}$ / $1.36\text{ kW m}^{-2}$) होता है।
प्रश्न 2. प्रकाश संश्लेषण सक्रिय विकिरण (Photosynthetically Active Radiation — PAR) का तरंगदैर्घ्य परास (Wavelength Range) क्या होता है?
(A) 100 से 400 nm (0.1–0.4 μm)
(B) 400 से 700 nm (0.4–0.7 μm)
(C) 700 से 1000 nm (0.7–1.0 μm)
(D) 1000 से 4000 nm (1.0–4.0 μm)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) 400 से 700 nm (0.4–0.7 μm)
व्याख्या: हरित पौधे प्रकाश संश्लेषण के लिए $0.4\text{ से } 0.7\text{ }\mu\text{m}$ ($400–700\text{ nm}$) तरंगदैर्घ्य के दृश्य प्रकाश का ही उपयोग करते हैं, जिसे PAR कहते हैं।
प्रश्न 3. “किसी आदर्श कृष्णिका से उत्सर्जित कुल विकिरण ऊर्जा उसके परम तापमान (K) की चतुर्थ घात के समानुपाती होती है ($E = \sigma T^4$)” — यह किसका नियम है?
(A) वीन का विस्थापन नियम (Wien’s Law)
(B) स्टीफन-बोल्ट्जमैन का नियम (Stefan-Boltzmann Law)
(C) किरचॉफ का नियम (Kirchhoff’s Law)
(D) बीयर का नियम (Beer’s Law)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) स्टीफन-बोल्ट्जमैन का नियम (Stefan-Boltzmann Law)
व्याख्या: स्टीफन-बोल्ट्जमैन के नियम के अनुसार $E = \sigma T^4$, जहाँ $\sigma = 5.67 \times 10^{-8}\text{ W m}^{-2}\text{ K}^{-4}$ है।
प्रश्न 4. वीन के विस्थापन नियम ($\lambda_{\max} = 2897/T$) के अनुसार सूर्य ($6000\text{ K}$) और पृथ्वी ($288\text{ K}$) से उत्सर्जित अधिकतम तीव्रता का तरंगदैर्घ्य क्रमशः लगभग कितना होता है?
(A) सूर्य: 10.0 μm तथा पृथ्वी: 0.48 μm
(B) सूर्य: 0.48 μm (दृश्य प्रकाश) तथा पृथ्वी: 10.0 μm (अवरक्त विकिरण)
(C) दोनों के लिए 1.0 μm
(D) सूर्य: 0.1 μm तथा पृथ्वी: 100 μm
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) सूर्य: 0.48 μm (दृश्य प्रकाश) तथा पृथ्वी: 10.0 μm (अवरक्त विकिरण)
व्याख्या: सूर्य के लिए $2897/6000 \approx 0.483\text{ }\mu\text{m}$ (लघु-तरंग) और पृथ्वी के लिए $2897/288 \approx 10.06\text{ }\mu\text{m}$ (दीर्घ-तरंग) होता है।
प्रश्न 5. दृश्य स्पेक्ट्रम (PAR) के किस रंग के प्रकाश में क्लोरोफिल द्वारा सर्वाधिक प्रकाश संश्लेषण (Highest Photosynthetic Action) होता है?
(A) हरे एवं पीले प्रकाश में (Green & Yellow)
(B) लाल प्रकाश (Red: 610–700 nm) एवं नीले प्रकाश (Blue: 400–510 nm) में
(C) केवल बैंगनी प्रकाश में
(D) अवरक्त प्रकाश में
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) लाल प्रकाश (Red: 610–700 nm) एवं नीले प्रकाश (Blue: 400–510 nm) में
व्याख्या: प्रकाश संश्लेषण की क्रिया दर लाल प्रकाश में सर्वाधिक और नीले प्रकाश में दूसरे स्थान पर होती है, जबकि हरे प्रकाश में न्यूनतम होती है।
प्रश्न 6. स्वच्छ एवं मेघरहित आकाश का रंग नीला (Blue Sky) दिखाई देने का मुख्य वैज्ञानिक कारण क्या है?
(A) महासागरों के नीले जल का परावर्तन
(B) वायु के सूक्ष्म अणुओं द्वारा नीले रंग के प्रकाश का रेले का चयनात्मक प्रकीर्णन (Rayleigh Scattering)
(C) ओजोन गैस द्वारा लाल प्रकाश का अवशोषण
(D) मी प्रकीर्णन (Mie Scattering)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) वायु के सूक्ष्म अणुओं द्वारा नीले रंग के प्रकाश का रेले का चयनात्मक प्रकीर्णन (Rayleigh Scattering)
व्याख्या: रेले नियम ($S \propto 1/\lambda^4$) के अनुसार कम तरंगदैर्घ्य वाले नीले प्रकाश का प्रकीर्णन लाल प्रकाश से लगभग 10 गुना अधिक होता है।
प्रश्न 7. केवल प्रत्यक्ष सौर विकिरण (Direct Beam Solar Radiation at normal incidence) को मापने के लिए किस यंत्र का उपयोग किया जाता है?
(A) पाइरेनोमीटर (Pyranometer)
(B) पिरहेलियोमीटर (Pyrheliometer)
(C) एल्बेडोमीटर (Albedometer)
(D) कैम्पबेल-स्टोक्स रिकॉर्डर
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) पिरहेलियोमीटर (Pyrheliometer)
व्याख्या: पिरहेलियोमीटर (जैसे आंगस्ट्रॉम पिरहेलियोमीटर) केवल प्रत्यक्ष सौर किरणों (Direct Beam) को मापता है, जबकि पाइरेनोमीटर कुल (Direct + Diffuse) विकिरण मापता है।
प्रश्न 8. क्षैतिज सतह पर प्राप्त कुल या भूमंडलीय सौर विकिरण (Global Solar Radiation: Direct + Diffuse) को मापने वाला मानक यंत्र कौन-सा है?
(A) पाइरेनोमीटर (Pyranometer)
(B) पिरहेलियोमीटर (Pyrheliometer)
(C) साइक्रोमीटर (Psychrometer)
(D) बैरोग्राफ (Barograph)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (A) पाइरेनोमीटर (Pyranometer)
व्याख्या: पाइरेनोमीटर (जैसे एपली पाइरेनोमीटर) अर्ध-गोलाकार काँच के गुंबद से पूरे आकाश का कुल सौर विकिरण मापता है।
प्रश्न 9. वायुमंडल में सूर्य की घातक पराबैंगनी किरणों (UV Rays: $<0.29\text{ }\mu\text{m}$) का मुख्य अवशोषक कौन है?
(A) कार्बन डाइऑक्साइड ($\text{CO}_2$)
(B) समतापमंडलीय ओजोन ($\text{O}_3$) एवं ऑक्सीजन ($\text{O}_2$)
(C) नाइट्रोजन ($\text{N}_2$)
(D) आर्गन ($\text{Ar}$)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) समतापमंडलीय ओजोन ($\text{O}_3$) एवं ऑक्सीजन ($\text{O}_2$)
व्याख्या: ओजोन और ऑक्सीजन पराबैंगनी (UV) किरणों को सोखते हैं, जबकि जलवाष्प और $\text{CO}_2$ मुख्यतः अवरक्त (Infrared) विकिरण को सोखते हैं।
प्रश्न 10. “समान तापमान और तरंगदैर्घ्य पर अच्छे अवशोषक ही अच्छे उत्सर्जक होते हैं ($a_\lambda = \varepsilon_\lambda$)” — यह नियम किस वैज्ञानिक द्वारा दिया गया?
(A) मैक्स प्लैंक (Max Planck)
(B) गुस्ताव किरचॉफ (Gustav Kirchhoff)
(C) विलहेम वीन (Wilhelm Wien)
(D) जोसेफ स्टीफन (Josef Stefan)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) गुस्ताव किरचॉफ (Gustav Kirchhoff)
व्याख्या: किरचॉफ का नियम (1859) बताता है कि किसी निश्चित ताप और तरंगदैर्घ्य पर वस्तु की अवशोषकता और उत्सर्जकता समान होती है।
प्रश्न 11. पृथ्वी अपनी दीर्घवृत्ताकार कक्षा में सूर्य के सबसे निकट (उपसौर / Perihelion — 14.7 करोड़ किमी) किस तिथि को होती है?
(A) 3 जनवरी (3rd January)
(B) 21 जून (21st June)
(C) 4 जुलाई (4th July)
(D) 22 दिसंबर (22nd December)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (A) 3 जनवरी (3rd January)
व्याख्या: पृथ्वी 3 जनवरी को सूर्य के सबसे निकट (Perihelion) और 4 जुलाई को सूर्य से सबसे दूर (Aphelion) होती है।
प्रश्न 12. 1 लैंगली (1 Langley — Ly) विकिरण ऊर्जा किसके बराबर होती है?
(A) $1\text{ cal cm}^{-2}$
(B) $100\text{ W m}^{-2}$
(C) $1\text{ J m}^{-2}$
(D) $1\text{ Lux}$
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (A) $1\text{ cal cm}^{-2}$
व्याख्या: खगोलशास्त्री सैमुअल पियरपोंट लैंगली के सम्मान में $1\text{ cal cm}^{-2}$ को $1\text{ Langley (Ly)}$ कहा जाता है।
प्रश्न 13. फसल वितान (Crop Canopy) में ऊपर से नीचे की पत्तियों की ओर जाने पर पर्ण क्षेत्र सूचकांक (LAI) के साथ प्रकाश के ह्रास ($I = I_0 e^{-k \cdot \text{LAI}}$) को कौन-सा नियम दर्शाता है?
(A) वीन का नियम
(B) बीयर-लैम्बर्ट का नियम (Beer’s Law)
(C) फेरेल का नियम
(D) स्टीफन का नियम
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) बीयर-लैम्बर्ट का नियम (Beer’s Law)
व्याख्या: मोन्सी और साएकी (1953) ने फसल वितान में प्रकाश अवरोधन के लिए बीयर के नियम ($I = I_0 e^{-k\cdot\text{LAI}}$) का प्रयोग किया।
प्रश्न 14. बादलों और कोहरे का रंग सफेद (White) दिखाई देने का कारण किस प्रकार का प्रकीर्णन है?
(A) रेले का चयनात्मक प्रकीर्णन
(B) मी का अचयनात्मक प्रकीर्णन (Mie / Non-selective Scattering)
(C) पूर्ण आंतरिक परावर्तन
(D) केवल लाल प्रकाश का प्रकीर्णन
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) मी का अचयनात्मक प्रकीर्णन (Mie / Non-selective Scattering)
व्याख्या: बादल की जल-बूंदों का आकार प्रकाश के तरंगदैर्घ्य से बड़ा ($r \ge \lambda$) होने के कारण वे सभी रंगों को समान रूप से बिखेरती हैं, जिससे बादल सफेद दिखते हैं।
प्रश्न 15. निम्नलिखित में से कौन-सी फसल ‘अल्प प्रदीप्तिकाली पौधे’ (Short-Day Plant — SDP) का उदाहरण है?
(A) गेहूँ एवं जौ (Wheat & Barley)
(B) चना एवं मटर (Gram & Pea)
(C) खरीफ धान, सोयाबीन एवं ज्वार (Rice, Soybean & Sorghum)
(D) टमाटर एवं सूरजमुखी (Tomato & Sunflower)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (C) खरीफ धान, सोयाबीन एवं ज्वार (Rice, Soybean & Sorghum)
व्याख्या: खरीफ की अधिकांश फसलें (धान, ज्वार, बाजरा, सोयाबीन, मूँग) Short-Day Plants हैं; रबी फसलें (गेहूँ, जौ, चना, सरसों) Long-Day Plants हैं; और टमाटर/सूरजमुखी Day-Neutral हैं।
प्रश्न 16. प्लैंक के नियम ($E = hc/\lambda$) के अनुसार निम्नलिखित में से किस विकिरण के एक फोटॉन (Quantum) में सर्वाधिक ऊर्जा होगी?
(A) अवरक्त विकिरण (Infrared — 1000 nm)
(B) लाल प्रकाश (Red — 680 nm)
(C) नीला प्रकाश (Blue — 450 nm)
(D) पराबैंगनी विकिरण (Ultraviolet — 250 nm)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (D) पराबैंगनी विकिरण (Ultraviolet — 250 nm)
व्याख्या: फोटॉन की ऊर्जा तरंगदैर्घ्य के व्युत्क्रमानुपाती ($E \propto 1/\lambda$) होती है। सबसे कम तरंगदैर्घ्य ($250\text{ nm}$) होने से पराबैंगनी फोटॉन में सर्वाधिक ऊर्जा होती है।
प्रश्न 17. मृदा की ऊपरी गर्म सतह से निचली परतों (Root Zone) में ऊष्मा का स्थानांतरण मुख्य रूप से किस विधि द्वारा होता है?
(A) चालन (Conduction)
(B) संवहन (Convection)
(C) अभिवहन (Advection)
(D) प्रकीर्णन (Scattering)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (A) चालन (Conduction)
व्याख्या: ठोस मृदा कणों के परस्पर संपर्क द्वारा ऊष्मा का नीचे की ओर प्रवाह चालन (Conduction) कहलाता है।
प्रश्न 18. कैम्पबेल-स्टोक्स सनशाइन रिकॉर्डर (Campbell-Stokes Sunshine Recorder) में धूप के घंटे रिकॉर्ड करने के लिए वर्ष भर में कितने प्रकार के कार्ड उपयोग किए जाते हैं?
(A) केवल 1 प्रकार का कार्ड
(B) 3 प्रकार के कार्ड (लंबे मुड़े हुए, छोटे मुड़े हुए एवं सीधे कार्ड)
(C) 12 प्रकार के कार्ड
(D) कोई कार्ड उपयोग नहीं होता
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) 3 प्रकार के कार्ड (लंबे मुड़े हुए, छोटे मुड़े हुए एवं सीधे कार्ड)
व्याख्या: सूर्य के उत्तरायण व दक्षिणायन के अनुसार ग्रीष्मकाल में लंबे मुड़े हुए कार्ड (Long curved), शीतकाल में छोटे मुड़े हुए कार्ड (Short curved) तथा विषुव (मार्च-अप्रैल व सितंबर-अक्टूबर) में सीधे कार्ड (Straight cards) लगाए जाते हैं।
प्रश्न 19. यदि किसी वस्तु का परम तापमान (Absolute Temperature in Kelvin) दोगुना (2 गुना) कर दिया जाए, तो स्टीफन-बोल्ट्जमैन नियम के अनुसार उससे उत्सर्जित विकिरण कितने गुना बढ़ जाएगा?
(A) 2 गुना
(B) 4 गुना
(C) 8 गुना
(D) 16 गुना ($2^4$)
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (D) 16 गुना ($2^4$)
व्याख्या: $E \propto T^4$; अतः तापमान दोगुना ($2T$) करने पर विकिरण $(2)^4 = 16$ गुना हो जाएगा।
प्रश्न 20. केवल विसरित आकाशीय विकिरण (Diffuse Sky Radiation) को मापने के लिए पाइरेनोमीटर में क्या अतिरिक्त व्यवस्था की जाती है?
(A) उसे काले कपड़े से ढक दिया जाता है।
(B) उसके ऊपर सूर्य की सीधी किरणों को रोकने वाली एक ‘छाया वलय’ (Shading Ring / Shadow Band) लगा दी जाती है।
(C) उसे पानी में डुबो दिया जाता है।
(D) उसे स्टीवेंसन स्क्रीन के अंदर रख दिया जाता है।
उत्तर एवं वैज्ञानिक व्याख्या देखें (Show Answer)
सही उत्तर: (B) उसके ऊपर सूर्य की सीधी किरणों को रोकने वाली एक ‘छाया वलय’ (Shading Ring / Shadow Band) लगा दी जाती है।
व्याख्या: शेडिंग रिंग सूर्य की सीधी किरणों (Direct Beam) को सेंसर पर पड़ने से रोक देती है, जिससे पाइरेनोमीटर केवल आकाशीय विसरित विकिरण (Diffuse Radiation) मापता है।
SECTION 12B

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

  1. SI मात्रक प्रणाली ($\text{W m}^{-2}$) में सौर स्थिरांक (Solar Constant) का मानक मान ____________ से ____________ $\text{W m}^{-2}$ होता है।
  2. सूर्य की बाहरी चमकदार सतह को ________________ (Photosphere) कहते हैं जिसका औसत तापमान लगभग ____________ केल्विन होता है।
  3. स्टीफन-बोल्ट्जमैन स्थिरांक ($\sigma$) का मान SI इकाई में ________________________ $\text{W m}^{-2}\text{ K}^{-4}$ होता है।
  4. पौधों में प्रकाशानुवर्तन (Phototropism — प्रकाश की ओर मुड़ना) मुख्य रूप से दृश्य स्पेक्ट्रम के ____________ (Blue-Violet) रंग के प्रकाश द्वारा नियंत्रित होता है।
  5. वायुमंडल और बादलों द्वारा अंतरिक्ष में सीधे परावर्तित कर दिए जाने वाले सौर विकिरण के प्रतिशत (लगभग $30–31\%$) को पृथ्वी का ग्रहीय ____________ कहते हैं।
  6. क्षोभमंडल में सौर अवरक्त विकिरण (Infrared Radiation) का सबसे प्रमुख अवशोषक ________________ ($\text{H}_2\text{O}$) है।
  7. एक आदर्श कृष्णिका (Ideal Black Body) की अवशोषकता (Absorptivity) और उत्सर्जकता (Emissivity) का मान ____________ होता है।
  8. पौधों के पुष्पन पर दिन और रात की लंबाई के प्रभाव को ________________________ (Photoperiodism) कहते हैं।
  9. कैम्पबेल-स्टोक्स सनशाइन रिकॉर्डर में प्रयुक्त ठोस काँच के गोले का मानक व्यास ____________ सेंटीमीटर होता है।
  10. जब प्रकीर्णन करने वाले कणों का आकार विकिरण के तरंगदैर्घ्य से बहुत छोटा होता है ($r \ll \lambda$), तो उसे ____________ प्रकीर्णन कहते हैं।
रिक्त स्थानों की उत्तर कुंजी देखें (Show Fill in the Blanks Answer Key)
उत्तर कुंजी:
1. 1353 से 1361 (या 1367) $\text{W m}^{-2}$ | 2. प्रकाशमंडल (Photosphere), 6000 K | 3. $5.67 \times 10^{-8}$ | 4. नीले-बैंगनी (Blue-Violet: 400–510 nm) | 5. एल्बेडो (Planetary Albedo) | 6. जलवाष्प (Water Vapour) | 7. 1.0 (या 100%) | 8. दीप्तिकालिता | 9. 10 cm | 10. रेले (Rayleigh)
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. सौर स्थिरांक (Solar Constant) की परिभाषा एवं मान लिखिए।

उत्तर: सूर्य-पृथ्वी की माध्य दूरी पर वायुमंडल की बाहरी सीमा पर सूर्य की किरणों के अभिलंबवत प्रति वर्ग सेंटीमीटर क्षेत्रफल पर प्रति मिनट प्राप्त होने वाली सौर ऊर्जा को सौर स्थिरांक कहते हैं। इसका मान $1.94\text{ cal cm}^{-2}\text{ min}^{-1}$ (या $1353–1361\text{ W m}^{-2}$) होता है।

2. सूर्यातप (Insolation) किसे कहते हैं?

उत्तर: सूर्य से लघु-तरंगों के रूप में पृथ्वी की सतह पर प्राप्त होने वाले सौर विकिरण (Incoming Solar Radiation) को सूर्यातप या इंसोलेशन कहते हैं।

3. PAR का पूर्ण रूप और तरंगदैर्घ्य परास लिखिए।

उत्तर: Photosynthetically Active Radiation (प्रकाश संश्लेषण सक्रिय विकिरण); इसका तरंगदैर्घ्य परास $0.4\text{ से } 0.7\text{ }\mu\text{m}$ ($400\text{ से } 700\text{ nm}$) होता है।

4. आदर्श कृष्णिका (Black Body) क्या है?

उत्तर: वह आदर्श भौतिक वस्तु जो अपने ऊपर आपतित होने वाले समस्त तरंगदैर्घ्यों के विकिरण को $100\%$ अवशोषित कर लेती है (न कुछ परावर्तित करती है, न पारगमित; $a = 1, r = 0, t = 0$), कृष्णिका कहलाती है।

5. वीन का विस्थापन नियम (Wien’s Displacement Law) सूत्र सहित लिखिए।

उत्तर: किसी वस्तु से उत्सर्जित अधिकतम तीव्रता का तरंगदैर्घ्य ($\lambda_{\max}$) उसके परम तापमान ($T$) के व्युत्क्रमानुपाती होता है: $\lambda_{\max} = \frac{2897}{T}\text{ (}\mu\text{m)}$।

6. सौर विकिरण का वायुमंडल में किन तीन प्रक्रियाओं द्वारा ह्रास (Depletion) होता है?

उत्तर: 1. अवशोषण (Absorption), 2. प्रकीर्णन (Scattering), तथा 3. परावर्तन (Reflection)।

7. ग्लोबल सौर विकिरण (Global Solar Radiation) क्या है?

उत्तर: पृथ्वी की क्षैतिज सतह पर प्राप्त होने वाले प्रत्यक्ष सौर विकिरण (Direct Beam) और विसरित आकाशीय विकिरण (Diffuse Sky Radiation) के कुल योग को ग्लोबल सौर विकिरण कहते हैं।

8. उपसौर (Perihelion) और अपसौर (Aphelion) क्या हैं?

उत्तर: 3 जनवरी को जब पृथ्वी सूर्य के सबसे निकट ($14.7\text{ करोड़ किमी}$) होती है उसे उपसौर कहते हैं, और 4 जुलाई को जब पृथ्वी सूर्य से सबसे दूर ($15.2\text{ करोड़ किमी}$) होती है उसे अपसौर कहते हैं।

9. पिरहेलियोमीटर और पाइरेनोमीटर के कार्य में एक मुख्य अंतर लिखिए।

उत्तर: पिरहेलियोमीटर केवल प्रत्यक्ष सौर किरणों (Direct Beam) को मापता है, जबकि पाइरेनोमीटर कुल भूमंडलीय सौर विकिरण (Direct + Diffuse) को मापता है।

10. लैंगली (Langley) किस भौतिक राशि की इकाई है और इसका मान क्या है?

उत्तर: लैंगली सौर विकिरण ऊर्जा घनत्व (Radiant Flux Density) की इकाई है; $1\text{ Langley} = 1\text{ cal cm}^{-2}$।

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

प्रश्न 1. सौर विकिरण के तीनों मुख्य स्पेक्ट्रल भागों (UV, PAR एवं IR) का कृषि महत्व स्पष्ट कीजिए।
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
1. पराबैंगनी विकिरण (UV: $<400\text{ nm}$, $\approx 7–8\%$): पौधों के तनों को अत्यधिक लंबा होने से रोकता है, एंथोसायनिन वर्णक निर्माण व रोगजनक जीवाणुओं के नाश में सहायक है (अत्यधिक मात्रा हानिकारक है)।
2. दृश्य प्रकाश / PAR ($400–700\text{ nm}$, $\approx 44\%$): पर्णहरित द्वारा प्रकाश संश्लेषण, प्रकाशानुवर्तन और रंध्रों के खुलने-बंद होने का मुख्य आधार है।
3. अवरक्त विकिरण (IR: $>700\text{ nm}$, $\approx 48\%$): मृदा और पौधों को तापीय ऊर्जा देकर वाष्पोत्सर्जन (Transpiration), जल अवशोषण और फाइटोक्रोम द्वारा पुष्पन को नियंत्रित करता है।
प्रश्न 2. स्टीफन-बोल्ट्जमैन नियम और वीन के विस्थापन नियम को सूत्र सहित समझाइए।
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
• स्टीफन-बोल्ट्जमैन नियम: किसी वस्तु के प्रति इकाई क्षेत्रफल से उत्सर्जित कुल विकिरण ऊर्जा उसके परम तापमान ($T$, केल्विन में) की चतुर्थ घात के समानुपाती होती है: $E = \varepsilon \sigma T^4$ ($\sigma = 5.67 \times 10^{-8}\text{ W m}^{-2}\text{ K}^{-4}$)।
• वीन का विस्थापन नियम: उत्सर्जित विकिरण की अधिकतम तीव्रता का तरंगदैर्घ्य ($\lambda_{\max}$) परम तापमान ($T$) के व्युत्क्रमानुपाती होता है: $\lambda_{\max} = \frac{2897}{T}\text{ }\mu\text{m}$। इसी नियम से सिद्ध होता है कि गर्म सूर्य लघु-तरंग ($0.48\text{ }\mu\text{m}$) और ठंडी पृथ्वी दीर्घ-तरंग ($10\text{ }\mu\text{m}$) विकिरण उत्सर्जित करती है।
प्रश्न 3. वायुमंडल में सौर विकिरण के अवशोषण (Absorption) में विभिन्न गैसों की भूमिका लिखिए।
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
वायुमंडल आपतित सौर विकिरण का लगभग $17–19\%$ भाग अवशोषित करता है:
1. ओजोन ($\text{O}_3$): समतापमंडल में $0.20–0.29\text{ }\mu\text{m}$ की घातक पराबैंगनी (UV) किरणों को सोख लेती है।
2. ऑक्सीजन ($\text{O}_2$): ऊपरी वायुमंडल में $<0.20\text{ }\mu\text{m}$ की अति-लघु UV किरणों को अवशोषित करती है।
3. जलवाष्प ($\text{H}_2\text{O}$) एवं $\text{CO}_2$: क्षोभमंडल में अवरक्त विकिरण (Near-IR: $>0.8\text{ }\mu\text{m}$) का प्रबल अवशोषण कर निचले वायुमंडल को गर्म करती हैं।
प्रश्न 4. लैम्बर्ट के कोसाइन नियम और बीयर के नियम का फसल प्रबंधन में क्या उपयोग है?
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
• लैम्बर्ट कोसाइन नियम ($I = I_0 \cos\theta$): यह बताता है कि ढलान की दिशा और सूर्य की किरणों के कोण से खेत पर प्राप्त सौर ऊर्जा कैसे बदलती है।
• बीयर का नियम ($I = I_0 e^{-k \cdot \text{LAI}}$): यह फसल वितान के भीतर पत्तियों की व्यवस्था (सीधी खड़ी पत्तियाँ बनाम झुकी हुई पत्तियाँ) और इष्टतम पौध संख्या (Optimum Plant Population / LAI) तय करने में मदद करता है ताकि निचली पत्तियों को भी पर्याप्त धूप मिल सके।
प्रश्न 5. किसी स्थान की सतह पर प्राप्त होने वाले सूर्यातप (Insolation) को प्रभावित करने वाले प्रमुख कारक कौन-से हैं?
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
1. सूर्य की किरणों का झुकाव कोण / अक्षांश (Angle of Incidence / Latitude): भूमध्य रेखा पर सीधी किरणें पड़ने से सर्वाधिक और ध्रुवों पर तिरछी किरणें पड़ने से न्यूनतम सूर्यातप मिलता है।
2. दिन की अवधि (Duration of Sunshine / Day Length): ग्रीष्म ऋतु में दिन बड़े होने से अधिक ऊर्जा मिलती है।
3. वायुमंडल की पारदर्शिता: बादल, धूल, कोहरा और आर्द्रता बढ़ने पर सतह पर प्राप्त विकिरण घट जाता है।
4. सूर्य-पृथ्वी की दूरी एवं भूमि की ढलान (Slope Aspect)।
प्रश्न 6. डच पादप कार्यिकी समिति (Dutch Committee) द्वारा निर्धारित 8 स्पेक्ट्रल बैंडों का संक्षिप्त विवरण दीजिए।
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
डच समिति ने सौर स्पेक्ट्रम को पौधों पर प्रभाव के अनुसार 8 बैंडों में बाँटा है: Band 1 ($>1000\text{ nm}$: केवल तापीय प्रभाव), Band 2 ($1000–700\text{ nm}$: तना लंबाई वृद्धि व फाइटोक्रोम), Band 3 ($700–610\text{ nm}$ लाल: सर्वाधिक प्रकाश संश्लेषण), Band 4 ($610–510\text{ nm}$ हरा: न्यूनतम प्रकाश संश्लेषण), Band 5 ($510–400\text{ nm}$ नीला-बैंगनी: प्रकाशानुवर्तन व द्वितीयक प्रकाश संश्लेषण), तथा Band 6, 7 व 8 ($<400\text{ nm}$ UV-A, B, C: बौनापन व कोशिका नाशक प्रभाव)।
प्रश्न 7. कैम्पबेल-स्टोक्स सनशाइन रिकॉर्डर की संरचना एवं कार्यविधि लिखिए।
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
इसमें $10\text{ cm}$ व्यास का एक ठोस, समांग काँच का गोला (Glass Sphere) होता है जो एक धातु के अर्ध-गोलाकार कटोरे (Bowl) के केंद्र में फिट रहता है। कटोरे के भीतरी खाँचों में घंटों के निशान वाला एक विशेष अंशांकित कागज का कार्ड लगाया जाता है। जब तेज धूप निकलती है, तो काँच का गोला उत्तल लेंस की तरह कार्य कर किरणों को कार्ड पर केंद्रित करता है जिससे कार्ड की पट्टी जल जाती है। जली हुई रेखा की कुल लंबाई को मापकर दिन में ‘तेज धूप के घंटे’ (Bright Sunshine Hours) ज्ञात किए जाते हैं।
प्रश्न 8. विसरित आकाशीय विकिरण (Diffuse Sky Radiation) घनी फसलों के लिए प्रत्यक्ष धूप की तुलना में अधिक लाभकारी क्यों होता है?
आदर्श उत्तर देखें (Show Model Answer)
प्रत्यक्ष धूप (Direct Beam) एक ही दिशा से आती है, इसलिए उसे फसल की सबसे ऊपरी पत्तियाँ ही रोक लेती हैं और निचली पत्तियाँ अंधेरे (छाया) में रह जाती हैं। इसके विपरीत, विसरित विकिरण (Diffuse Radiation) आकाश के सभी कोणों से आता है, जिससे वह फसल वितान के भीतर गहराई तक प्रवेश कर मध्य और निचली पत्तियों को भी प्रकाशित करता है और संपूर्ण फसल की प्रकाश उपयोग दक्षता (Radiation Use Efficiency — RUE) को बढ़ाता है।
SECTION 12E, 12F & 12G

अंतर स्पष्ट कीजिए, व्याख्यात्मक एवं दीर्घ उत्तरीय प्रश्न

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

  1. रेले प्रकीर्णन (Rayleigh Scattering) एवं मी प्रकीर्णन (Mie Scattering) में अंतर स्पष्ट कीजिए। (देखें विस्तृत सारणी 8.1 — 5 बिंदु)।
  2. प्रत्यक्ष सौर विकिरण (Direct Beam Radiation) एवं विसरित आकाशीय विकिरण (Diffuse Sky Radiation) में अंतर लिखिए। (देखें विस्तृत सारणी 8.2 — 5 बिंदु)।
  3. पाइरेनोमीटर (Pyranometer) एवं पिरहेलियोमीटर (Pyrheliometer) में अंतर स्पष्ट कीजिए:
    • पाइरेनोमीटर: इसमें काँच का अर्ध-गोलाकार गुंबद ($180^\circ$ दृष्टि क्षेत्र) होता है जो क्षैतिज सतह पर प्राप्त कुल भूमंडलीय विकिरण (Direct + Diffuse) मापता है।
    • पिरहेलियोमीटर: इसमें एक संकरी कोलिमेटर नली ($5^\circ$ दृष्टि कोण) होती है जिसे सूर्य की ओर लक्षित किया जाता है और यह केवल प्रत्यक्ष सौर किरणों (Direct Beam) को मापता है।
  4. अल्प प्रदीप्तिकाली पौधे (Short-Day Plants) एवं दीर्घ प्रदीप्तिकाली पौधे (Long-Day Plants) में अंतर बताइए:
    • अल्प प्रदीप्तिकाली पौधे (SDP): इन्हें फूल आने के लिए क्रांतिक अवधि ($<12\text{ घंटे}$) से कम दिन की लंबाई और लंबी अखंडित रात्रि की आवश्यकता होती है (जैसे खरीफ फसलें—धान, सोयाबीन, ज्वार, बाजरा)।
    • दीर्घ प्रदीप्तिकाली पौधे (LDP): इन्हें फूल आने के लिए क्रांतिक अवधि ($>12–14\text{ घंटे}$) से अधिक लंबे दिन की आवश्यकता होती है (जैसे रबी फसलें—गेहूँ, जौ, चना, सरसों, मटर)।

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

1. वैज्ञानिक कारण बताइए: स्वच्छ आकाश नीला दिखाई देता है, किंतु सूर्योदय और सूर्यास्त के समय सूर्य लाल क्यों दिखाई देता है?
संरचित उत्तर देखें (Show Structured Answer)
रेले के प्रकीर्णन नियम ($S \propto 1/\lambda^4$) के अनुसार कम तरंगदैर्घ्य वाले नीले प्रकाश का वायु के अणुओं द्वारा सर्वाधिक प्रकीर्णन होता है, जिससे दिन में आकाश नीला दिखता है। किंतु सूर्योदय और सूर्यास्त के समय सूर्य क्षितिज पर होता है और उसकी किरणों को वायुमंडल में दोपहर की तुलना में कई गुना लंबी दूरी तय करनी पड़ती है। इस लंबे पथ में नीला और छोटा तरंगदैर्घ्य रास्ते में ही बिखर कर समाप्त हो जाता है और केवल सबसे लंबी तरंगदैर्घ्य वाला लाल-नारंगी प्रकाश ही हमारी आँखों तक पहुँच पाता है।
2. वैज्ञानिक कारण बताइए: पृथ्वी 3 जनवरी (उपसौर) को सूर्य के सबसे निकट होती है, फिर भी जनवरी में भारत (उत्तरी गोलार्द्ध) में कड़ाके की सर्दी क्यों पड़ती है?
संरचित उत्तर देखें (Show Structured Answer)
किसी स्थान के तापमान और ऋतुओं का निर्धारण सूर्य-पृथ्वी की दूरी ($3.3\%$ अंतर) से अधिक पृथ्वी के अक्षीय झुकाव ($23.5^\circ$) और सूर्य की किरणों के आपतन कोण (लैम्बर्ट कोसाइन नियम) द्वारा होता है। जनवरी में उत्तरी गोलार्द्ध सूर्य से दूर झुका होता है (सूर्य मकर रेखा की ओर होता है), जिससे भारत में सूर्य की किरणें तिरछी पड़ती हैं और दिन की अवधि छोटी ($10–10.5\text{ घंटे}$) होती है। इसलिए पृथ्वी के सूर्य के निकट होने के बावजूद उत्तरी गोलार्द्ध में शीत ऋतु होती है।
3. वैज्ञानिक कारण बताइए: पौधों की पत्तियाँ हरी (Green) क्यों दिखाई देती हैं?
संरचित उत्तर देखें (Show Structured Answer)
पत्तियों में उपस्थित पर्णहरित (Chlorophyll-a एवं Chlorophyll-b) वर्णक दृश्य प्रकाश ($400–700\text{ nm}$) में से नीले ($400–500\text{ nm}$) और लाल ($600–700\text{ nm}$) प्रकाश को प्रकाश संश्लेषण के लिए प्रबलता से अवशोषित कर लेते हैं, किंतु मध्य के हरे-पीले प्रकाश ($500–600\text{ nm}$) को अवशोषित न करके वापस परावर्तित (Reflect) और पारगमित कर देते हैं। यही परावर्तित हरा प्रकाश हमारी आँखों में पहुँचता है।
4. वैज्ञानिक कारण बताइए: फसलों की बुवाई पूर्व-पश्चिम के बजाय उत्तर-दक्षिण (North–South) कतारों में करना क्यों श्रेष्ठ माना जाता है?
संरचित उत्तर देखें (Show Structured Answer)
यदि कतारें पूर्व-पश्चिम दिशा में हों, तो पहली कतार की छाया दिन भर दूसरी कतार पर पड़ती रहती है। इसके विपरीत, जब कतारें उत्तर-दक्षिण दिशा में बोई जाती हैं, तो सुबह पूर्व से और शाम को पश्चिम से तथा दोपहर में ऊपर से सूर्य का प्रकाश कतारों के बीच की खुली जगह और पौधों की निचली पत्तियों तक समान रूप से पहुँचता है, जिससे प्रकाश संश्लेषण और उपज बढ़ती है।
5. वैज्ञानिक कारण बताइए: सौर विकिरण को लघु-तरंग (Short-wave) और पार्थिव विकिरण को दीर्घ-तरंग (Long-wave) क्यों कहा जाता है?
संरचित उत्तर देखें (Show Structured Answer)
वीन के विस्थापन नियम ($\lambda_{\max} = 2897/T$) के अनुसार वस्तु का तापमान जितना अधिक होता है, उससे निकलने वाले विकिरण का तरंगदैर्घ्य उतना ही छोटा होता है। सूर्य का तापमान अत्यंत उच्च ($6000\text{ K}$) होने से उसका विकिरण $0.15–4.0\text{ }\mu\text{m}$ ($\lambda_{\max} = 0.48\text{ }\mu\text{m}$) के लघु तरंगदैर्घ्य में होता है, जबकि पृथ्वी का तापमान कम ($288\text{ K}$) होने से उसका विकिरण $4.0–100\text{ }\mu\text{m}$ ($\lambda_{\max} = 10\text{ }\mu\text{m}$) के दीर्घ तरंगदैर्घ्य में होता है।
6. पाइरेनोमीटर के संवेदक (Sensor) में काले और सफेद रंग के खंड (Black and White Sectors) क्यों बनाए जाते हैं?
संरचित उत्तर देखें (Show Structured Answer)
किरचॉफ के नियम के अनुसार काला रंग सौर विकिरण को अधिकतम अवशोषित कर गर्म हो जाता है, जबकि सफेद रंग विकिरण को परावर्तित कर ठंडा रहता है। काले और सफेद खंडों के बीच उत्पन्न होने वाला यह तापांतर ($\Delta T$) आपतित सौर विकिरण की तीव्रता के समानुपाती होता है, जिसे नीचे लगे थर्मोपाइल (Thermopile) द्वारा विद्युत वोल्टेज में बदलकर सटीक रूप से माप लिया जाता है।

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

दीर्घ प्रश्न 1. सौर विकिरण की प्रकृति एवं गुणों का वर्णन कीजिए। विकिरण के प्रमुख नियमों (प्लैंक, स्टीफन-बोल्ट्जमैन, वीन का विस्थापन नियम, किरचॉफ, लैम्बर्ट एवं बीयर का नियम) की गणितीय समीकरणों एवं कृषि महत्त्व सहित व्याख्या कीजिए।
विस्तृत आदर्श उत्तर संरचना देखें (Show Detailed Model Answer Framework)
1. प्रस्तावना एवं ऊष्मा स्थानांतरण की 4 विधियाँ: विकिरण, चालन, संवहन व अभिवहन।
2. सौर विकिरण की द्वैत प्रकृति: तरंग प्रकृति ($c = \nu\lambda$) एवं क्वांटम/फोटॉन प्रकृति।
3. छह मूलभूत विकिरण नियमों का सूत्र व कृषि अनुप्रयोग सहित वर्णन:
• प्लैंक का नियम ($E = hc/\lambda$)
• स्टीफन-बोल्ट्जमैन का नियम ($E = \varepsilon\sigma T^4$)
• वीन का विस्थापन नियम ($\lambda_{\max} = 2897/T$ — सूर्य बनाम पृथ्वी)
• किरचॉफ का नियम ($a_\lambda = \varepsilon_\lambda$)
• लैम्बर्ट का कोसाइन नियम ($I = I_0\cos\theta$)
• बीयर का वितान नियम ($I = I_0 e^{-k\cdot\text{LAI}}$)।
दीर्घ प्रश्न 2. सौर स्थिरांक (Solar Constant) को परिभाषित कीजिए तथा इसके मानक मान लिखिए। पृथ्वी के वायुमंडल से गुजरते समय सौर विकिरण के ह्रास (Depletion of Solar Radiation — अवशोषण, प्रकीर्णन एवं परावर्तन) का सचित्र वर्णन कीजिए।
विस्तृत आदर्श उत्तर संरचना देखें (Show Detailed Model Answer Framework)
1. सौर स्थिरांक की परिभाषा एवं सभी इकाइयों में मान: $1.94\text{ cal cm}^{-2}\text{ min}^{-1}$, $1353–1361\text{ W m}^{-2}$, $1.36\text{ kW m}^{-2}$ तथा इसे प्रभावित करने वाले कारक (सूर्य-पृथ्वी दूरी व सौर कलंक)।
2. सौर विकिरण ह्रास का नामांकित आरेख: आरेख 5.2 बनाना।
3. तीनों ह्रास प्रक्रियाओं की विस्तृत व्याख्या:
• अवशोषण ($\approx 17–19\%$): ओजोन, ऑक्सीजन, जलवाष्प एवं $\text{CO}_2$ की भूमिका।
• प्रकीर्णन: रेले प्रकीर्णन बनाम मी प्रकीर्णन (सारणी 8.1 सहित) एवं विसरित विकिरण।
• परावर्तन ($\approx 30–31\%$): बादल व सतह एल्बेडो।
4. प्रत्यक्ष, विसरित एवं ग्लोबल विकिरण का समीकरण।
दीर्घ प्रश्न 3. सौर स्पेक्ट्रम के विभिन्न भागों (UV, PAR एवं IR) तथा डच समिति के 8 स्पेक्ट्रल बैंडों का वर्णन करते हुए फसल वृद्धि, प्रकाश संश्लेषण एवं दीप्तिकालिता (Photoperiodism) पर सौर विकिरण के प्रभावों की विवेचना कीजिए।
विस्तृत आदर्श उत्तर संरचना देखें (Show Detailed Model Answer Framework)
1. सौर स्पेक्ट्रम का विभाजन एवं आरेख: आरेख 5.1 एवं Section 4.2 की तालिका (UV, PAR 400–700 nm, IR)।
2. डच पादप कार्यिकी समिति के 8 बैंडों का विवरण।
3. फसलों पर सौर विकिरण के तीनों पहलुओं का प्रभाव:
• प्रकाश की गुणवत्ता (Quality / Wavelength): लाल व नीला प्रकाश।
• प्रकाश की तीव्रता (Intensity): प्रकाश क्षतिपूर्ति बिंदु (Compensation point) एवं प्रकाश संतृप्ति बिंदु (Saturation point)।
• प्रकाश की अवधि (Duration / Photoperiodism): SDP, LDP एवं DNP फसलों के उदाहरण।
दीर्घ प्रश्न 4. सौर विकिरण एवं धूप की अवधि मापने वाले प्रमुख यंत्रों (पाइरेनोमीटर, पिरहेलियोमीटर, क्वांटम सेंसर एवं कैम्पबेल-स्टोक्स सनशाइन रिकॉर्डर) का सचित्र वर्णन कीजिए।
विस्तृत आदर्श उत्तर संरचना देखें (Show Detailed Model Answer Framework)
1. नामांकित आरेख: आरेख 5.3 बनाना।
2. पाइरेनोमीटर (Pyranometer): कुल (Global) एवं शेडिंग रिंग के साथ विसरित (Diffuse) विकिरण मापन।
3. पिरहेलियोमीटर (Pyrheliometer): प्रत्यक्ष सौर किरण (Direct Beam) मापन।
4. क्वांटम सेंसर (Quantum Sensor): PAR ($\mu\text{mol photons m}^{-2}\text{ s}^{-1}$) मापन।
5. कैम्पबेल-स्टोक्स सनशाइन रिकॉर्डर: काँच का गोला, 3 प्रकार के कार्ड और तेज धूप के घंटों की गणना।
दीर्घ प्रश्न 5. प्रत्यक्ष एवं विसरित सौर विकिरण में अंतर स्पष्ट कीजिए तथा समझाइए कि राजस्थान एवं भारत की कृषि में सौर विकिरण का अधिकतम उपयोग (Radiation Use Efficiency) कैसे बढ़ाया जा सकता है?
विस्तृत आदर्श उत्तर संरचना देखें (Show Detailed Model Answer Framework)
1. प्रत्यक्ष बनाम विसरित विकिरण की तुलना: सारणी 8.2।
2. राजस्थान में सौर विकिरण की उपलब्धता।
3. फसल द्वारा विकिरण उपयोग दक्षता (RUE) बढ़ाने के सस्य उपाय: उत्तर-दक्षिण कतार दिशा, इष्टतम पौध ज्यामिति (Optimum spacing & LAI), अंतर-शस्यन (Intercropping — जैसे गन्ना + सरसों या बाजरा + मोठ), खड़ी पत्तियों वाली किस्मों (Erectophile varieties) का चयन एवं समय पर बुवाई।
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]: सौर स्थिरांक (Solar Constant) को परिभाषित कीजिए एवं इसका मान लिखिए।
  2. [PYQ-Pattern — परिभाषा / 1 अंक]: प्रकाश संश्लेषण सक्रिय विकिरण (PAR) क्या है?
  3. [PYQ-Pattern — अति लघु / 2 अंक]: स्टीफन-बोल्ट्जमैन नियम और वीन के विस्थापन नियम का गणितीय सूत्र लिखिए।
  4. [PYQ-Pattern — अंतर / 3 अंक]: रेले प्रकीर्णन (Rayleigh Scattering) और मी प्रकीर्णन (Mie Scattering) में अंतर स्पष्ट कीजिए।
  5. [PYQ-Pattern — लघु उत्तरीय / 5 अंक]: पाइरेनोमीटर, पिरहेलियोमीटर और कैम्पबेल-स्टोक्स सनशाइन रिकॉर्डर के उपयोग लिखिए।
  6. [PYQ-Pattern — दीर्घ उत्तरीय / 10 अंक]: सौर विकिरण की प्रकृति एवं नियमों का वर्णन कीजिए तथा वायुमंडल में सौर विकिरण के ह्रास (Depletion of solar radiation) की प्रक्रियाओं को सचित्र समझाइए।
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) 1.94 cal cm⁻² min⁻¹ 6.(B) रेले प्रकीर्णन 11.(A) 3 जनवरी 16.(D) पराबैंगनी (250 nm)
2.(B) 400 से 700 nm 7.(B) पिरहेलियोमीटर 12.(A) 1 cal cm⁻² 17.(A) चालन (Conduction)
3.(B) स्टीफन-बोल्ट्जमैन नियम 8.(A) पाइरेनोमीटर 13.(B) बीयर का नियम 18.(B) 3 प्रकार के कार्ड
4.(B) 0.48 μm एवं 10.0 μm 9.(B) ओजोन (O₃) एवं O₂ 14.(B) मी (अचयनात्मक) प्रकीर्णन 19.(D) 16 गुना (2⁴)
5.(B) लाल एवं नीला प्रकाश 10.(B) किरचॉफ का नियम 15.(C) धान, सोयाबीन व ज्वार 20.(B) छाया वलय (Shading Ring)

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

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

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