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

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):

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)।
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।
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।
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):

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।
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।
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

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

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

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)

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)

(D) गामा विकिरण (<0.01 μm)