Giáo trình khí tượng nông nghiệp - Chương III

Giáo trình khí tượng nông nghiệp

Chương III CHẾ ðỘ NHIỆT CỦA ðẤT VÀ KHÔNG KHÍ

1 CHẾ ðỘ NHIỆT CỦA ðẤT

1.1 Các ñặc tính nhiệt lực của ñất

a) Nhiệt dung của ñất

Nhiệt dung của ñất là ñại lượng dùng ñể ñánh giá khả năng nóng lên nhanh hay chậm của ñất Nhiệt dung ñược chia ra làm hai loại:

• Nhiệt dung trọng lượng (Cp): Là lượng nhiệt cần thiết làm cho 1 gam ñất nóng lên 1oC ðơn vị tính nhiệt dung trọng lượng là calo/g/ñộ

• Nhiệt dung thể tích (Cv): Là lượng nhiệt cần thiết làm cho 1cm3ñất nóng lên 1oC ðơn vị tính nhiệt dung thể tích là calo/cm3/ñộ

Nhiệt dung trọng lượng và nhiệt dung thể tích có quan hệ mật thiết với nhau ñược biểu thị bằng biểu thức sau ñây:

(1)

Trong ñó: Cv: Nhiệt dung thể tích

Cp: Nhiệt dung trọng lượng

d: Tỷ trọng của ñất

Nhiệt dung của ñất phụ thuộc phần lớn vào nhiệt dung của các chất hình thành nên ñất

Từ bảng 3.1 có thể rút ra những nhận xét sau:

Bảng 3.1 Nhiệt dung của các chất cấu tạo ñất

-

+ Các loại ñất cát hoặc pha cát bao giờ cũng có nhiệt dung nhỏ, nóng lên nhanh nhưng cũng nguội ñi nhanh chóng

+ Nhiệt dung của các

thành phần cấu tạo nên ñất

rất khác nhau

+ Nhìn chung nhiệt

dung thể tích của mọi thành

phần rắn chủ yếu trong ñất

hầu như giống nhau, vào

khoảng từ 0,5 – 0.6

calo/cm3/ñộ

Nhi ệt dung

tr ọng lượng

Nhi ệt dung

th ể tích

Cv = d Cp

Nhi ệt ñộ ñất có vai trò ñặc biệt ñối với các quá trình vật lý xẩy ra trong ñất và khí

quy ển, là những yếu tố môi trường quan trọng tác ñộng tới các hoạt ñộng sống của sinh

v ật Không khí là một chất trong suốt rất ít ñược ñốt nóng trực tiếp bởi bức xạ mặt trời vì

kh ả năng hấp thu năng lượng bức xạ mặt trời của chúng rất kém Tính trung bình khí

quy ển của trái ñất chỉ hấp thu ñược 14% tổng năng lượng bức xạ mặt trời ñi qua, còn lại

truy ền nhiệt của ñất và không khí ñều mang những sắc thái riêng Nghiên cứu các tính

ch ất nhiệt cũng như chế ñộ nhiệt của ñất và không khí giúp chúng ta hiểu rõ bản chất tác ñộng của chúng ñối với khí hậu và ñời sống sinh vật

+ Các loại ñất sét hoặc pha sét có nhiệt dung lớn, chúng nóng lên chậm và lạnh ñi chậm hơn so với ñất cát hoặc pha cát

+ ðất khô có nhiệt dung nhỏ hơn so với ñất ẩm Vì vậy các loại ñất khô thiếu ẩm thường

có chế ñộ nhiệt không ổn ñịnh, chúng nóng lên về ban ngày nhanh chóng và lạnh ñi rất nhanh vào ban ñêm Sự biến ñộng nhiều của nhiệt ñộ sẽ ảnh hưởng rất lớn ñến quá trình sinh trưởng

và phát triển của cây trồng, ñặc biệt là ở các vùng ñất cát ðất ẩm, các loại ñất thịt, thịt pha có chế ñộ nhiệt ôn hoà, ít dao ñộng hơn so với các loại ñất trên Do vậy làm ẩm ñất bằng cách

Bảng 3.2 Nhiệt dung thể tích của một số loại ñất có ñộ ẩm khác nhau

ðộ ẩm ñất (%)

Lo ại ñất

tưới nước có thể ñiều tiết ñược chế ñộ nhiệt thích hợp cho cây trồng, giữ ñược nhiệt trong mùa ñông và làm giảm nhiệt ñộ trong mùa hè

b) Hệ số dẫn nhiệt (ñộ dẫn nhiệt) của ñất

Hệ số dẫn nhiệt là ñại lượng vật lý biểu thị khả năng truyền nhiệt của các loại ñất Là lượng nhiệt ñi qua một ñơn vị diện tích 1 cm2, có ñộ dày là 1cm, trong thời gian 1 giây khi nhiệt ñộ chênh lệch giữa 2 lớp ñất là 1oC

Ký hiệu của hệ số ñẫn nhiệt: λ; ñơn vị tính là calo/cm2/cm/giây/ñộ

Hệ số dẫn nhiệt của các loại ñất rất khác nhau và phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt của các chất cấu tạo nên ñất, ñộ xốp, ñộ ẩm của ñất

Bảng 3.3 Hệ số dẫn nhiệt của một số vật chất cấu tạo ñất

(ðơn vị: Calo/cm 2

Hệ số dẫn nhiệt của cát rất thấp, do vậy ñất cát hoặc ñất pha nhiều cát cũng có hệ số dẫn nhiệt nhỏ Vì thế, sự truyền nhiệt xuống các lớp ñất sâu chậm, lớp ñất mặt nóng lên nhanh hơn so với các lớp phía dưới vào ban ngày nhưng lạnh ñi rất nhanh vào ban ñêm Ngược lại ñất sét hoặc ñất sét pha có hệ số dẫn nhiệt lớn, khả năng truyền nhiệt nhanh giữa các lớp ñất nên nóng lên và lạnh ñi chậm, chế ñộ nhiệt ít biến ñộng hơn

Nước có hệ số dẫn nhiệt lớn hơn không khí, do vậy sự có mặt nhiều hay ít của nước và không khí sẽ ảnh hưởng ñến tính dẫn nhiệt của ñất Khi ñộ ẩm của ñất tăng lên sẽ làm tăng hệ

số dẫn nhiệt, nhờ vậy mà nhiệt ñộ mặt ñất cao vào ban ngày ñược truyền nhanh xuống các lớp ñất sâu hơn, ít bị ñốt nóng hơn so với ñất thiếu ẩm Vào ban ñêm lớp ñất mặt bức xạ bị mất nhiệt thì ñồng thời sẽ ñược bổ sung bằng lượng nhiệt truyền từ dưới sâu lên Ở ñất khô thiếu

ẩm, chứa nhiều không khí, hệ số dẫn nhiệt kém nên diễn biến của nhiệt ñộ ngược lại với ñất

ẩm Bởi vậy các loại ñất có ñộ ẩm cao thường có chế ñộ nhiệt ôn hoà hơn các loại ñất khô, biên ñộ nhiệt ñộ ngày ñêm cũng nhỏ hơn

c) Hệ số truyền nhiệt ñộ của ñất

Hệ số truyền nhiệt ñộ của ñất là tỷ số giữa hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung thể tích của ñất và ñược biểu thị bằng công thức:

) (2)

Như vậy sự tăng nhiệt ñộ của một lớp ñất nào ñó tỷ lệ thuận với lượng nhiệt (λ) ñi qua và

tỷ lệ nghịch với nhiệt dung thể tích (Cv) của ñất Trong ñất, các thành phần rắn có nhiệt dung thể tích hầu như không thay ñổi, ñộ ẩm và ñộ xốp trong ñất tác ñộng nhiều ñến hệ số truyền nhiệt ñộ của ñất Do ñất ẩm chứa nhiều nước có ñộ truyền nhiệt ñộ nhỏ hơn so với ñất khô nên trong ñất ẩm sự thay ñổi nhiệt ñộ theo ñộ sâu và biến thiên nhiệt ñộ trong một ngày ñêm cũng nhỏ hơn so với ñất khô Nghiên cứu của Gupalo về hệ số truyền nhiệt ñộ ñược trình bày

ở bảng 3.4

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của tỷ trọng và ñộ ẩm ñối với hệ số truyền nhiệt ñộ của ñất

T ỷ trọng của ñất (g/cm 3

)

ðộ ẩm ñất

Hệ số truyền nhiệt ñộ phản ảnh tốc ñộ truyền nhiệt ñộ trong ñất Ở tầng ñất canh tác tốc ñộ truyền nhiệt ñộ có ý nghĩa lớn ñối với kỹ thuật trồng trọt Mùa ñông giá lạnh, nếu hệ số truền nhiệt ñộ cao thì bộ rễ cây trồng hoạt ñộng tốt

d) Lưu lượng nhiệt

Lưu lượng nhiệt là ñại lượng dùng ñể chỉ tổng lượng nhiệt ñược truyền xuống một lớp ñất sâu nào ñó trong một khoảng thời gian nhất ñịnh Lưu lượng nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố sau ñây:

• Hệ số dẫn nhiệt càng lớn thì lượng nhiệt truyền xuống lớp ñất dưới sâu càng nhiều

• Thời gian càng dài thì tổng lượng nhiệt truyền xuống lớp ñất sâu càng lớn

• Gradient nhiệt ñộ giữa các lớp ñất càng cao thì tổng lượng nhiệt truyền xuống lớp ñất sâu càng lớn

Công thức tính lưu lượng nhiệt như sau:

(3)

(t2 - t1)

Q = - λ - τ (z2 - z1)

K =

v

Cλ (cm2/giây)

Trong ñó:

Q: lưu lượng nhiệt ; λ: Hệ số dẫn nhiệt ; τ: Thời gian truyền nhiệt; (t2 - t1)/(z2 - z1): Gradient nhiệt ñộ giữa các lớp ñất

Ví dụ: Tính lưu lượng nhiệt truyền xuống lớp ñất cát sâu 30cm có nhiệt ñộ là 250C trong

khoảng thời gian 60 giây trên diện tích 100 cm2 , biết rằng nhiệt ñộ của lớp ñất mặt là 350 C,

hệ số dẫn nhiệt λ = 0.00252 calo/cm2/cm/giây/ñộ

Giải:

100 cm2 = 1 m2 , nên theo công thức ta tính ñược:

(t1 - t2))

Q = - λ - τ = 0,00252 x (35 - 25) /30 x 60 x 100 = 5,04 (Cal/m2)

(z2 - z1)

Vậy lượng nhiệt truyền xuống lớp ñất 30 cm2 trong 1 phut là 5,04 (Cal/m2)

1.2 Cân bằng nhiệt của mặt ñất

Cân bằng nhiệt của mặt ñất là hiệu số giữa phần năng lượng nhận ñược và phần năng lượng mất ñi của mặt ñất Nếu cân bằng nhiệt có giá trị dương, thì mặt ñất nóng lên, còn nếu

có giá trị âm thì mặt ñất sẽ bị lạnh ñi ðiều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng nhận nhiệt

và mất nhiệt của mặt ñất vào ban ngày và ban ñêm

Vào ban ngày, mặt ñất nhận ñược nguồn nhiệt từ mặt trời gồm có: bức xạ trực tiếp (S’), bức xạ khuyếch tán (D), bức xạ nghịch khí quyển (Eng), ñồng thời tự nó cũng mất ñi nguồn nhiệt do phản xạ sóng ngắn (Rn), phát xạ sóng dài của mặt ñất (Eñ), truyền nhiệt phân tử vào khí quyển (V), mất nhiệt do sự bốc hơi nước (LE), truyền nhiệt vào lòng ñất (P) Do vậy phương trình cân bằng nhiệt của mặt ñất vào ban ngày có dạng:

B1 = S’ + D + Eng - Eñ – Rn - V - LE - P Hay B1 = S’ + D – (Ehh + Rn + V + LE + P) (4) Ban ñêm, do không có bức xạ mặt trời, mặt ñất chỉ nhận ñược nhiệt từ bức xạ nghịch khí quyển (Eng), nhiệt từ khí quyển truyền nhiệt phân tử (V), nhiệt từ quá trình ngưng kết hơi nước (LE), nhiệt từ trong lòng ñẩt truyền lên (P) và mất ñi một lượng nhiệt rất lớn từ bức xạ sóng dài của mặt ñất (Eñ) Như vậy phương trình cân bằng nhiệt của mặt ñất vào ban ñêm có dạng:

B2 = V + LE + P + Eng- Eñ Hay B2 = V + LE + P – Ehh (5)

Thông thường B1 có giá trị dương do nhận ñược nhiều năng lượng từ bức xạ mặt trời, còn

B2 có giá trị âm do ban ñêm mặt ñất nhận ñược năng lượng rất ít không bù ñược phần năng lượng mất ñi do bức xạ sóng dài

1.3 Sự biến ñổi của nhiệt ñộ ñất

a) Diễn biến hàng ngày của nhiệt ñộ ñất

Sự nóng lên ban ngày và lạnh ñi ban ñêm của mặt ñất gây ra sự biến thiên nhiệt ñộ liên tục trong suốt thời gian một ngày ñêm gọi là diễn biến hàng ngày của nhiệt ñộ ñất

Diễn biến hàng ngày của nhiệt ñộ mặt ñất là những dao ñộng tuần hoàn của nhiệt ñộ với một cực ñại và một cực tiểu trong thời gian một ngày ñêm Từ khi mặt trời mọc, nhiệt ñộ mặt ñất bắt ñầu tăng và sau khoảng 1,0 – 1,5 giờ, lượng nhiệt mặt ñất nhận ñược ñã lớn hơn lượng nhiệt bị mất ñi, lúc này mặt ñất nóng lên và sẽ truyền nhiệt vào trong lòng ñất và cho tầng khí quyển bên trên Nhiệt ñộ ñất tiếp tục tăng dần và ñạt cực ñại vào lúc 13 giờ Sau 13 giờ, nhiệt

ựộ của ựất bắt ựầu giảm Sự giảm nhiệt ựộ tiếp diễn suốt ban ựêm và trị số cực tiểu quan sát ựược vào trước khi mặt trời mọc 1- 2 giờ Thời gian mặt trời mọc trong năm có thay ựổi, nên cực tiểu của nhiệt ựộ ựất vào mùa hè thường sớm hơn mùa ựông

Trong một ngày ựêm, hiệu số giữa nhiệt ựộ cao nhất và thấp nhất quan sát ựược gọi là biên ựộ nhiệt hàng ngày của mặt ựất và ựược tắnh theo công thức:

(6) Trong ựó: ∆t: biên ựộ nhiệt ựộ (oC); tmax: nhiệt ựộ cao nhất (oC); tmin: nhiệt ựộ thấp nhất (oC)

Biên ựộ hàng ngày của nhiệt ựộ ựất là yếu tố biến ựộng rất lớn và phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Thời gian trong năm: Mùa hè biên ựộ nhiệt ựộ lớn hơn so với mùa ựông

- Vĩ ựộ ựịa lý: Vĩ ựộ càng nhỏ thì biên ựộ nhiệt ựộ hàng ngày càng tăng

- Lượng mây: Trên bầu trời lượng mây càng ắt thì biên ựộ nhiệt ựộ càng cao

- Tắnh chất nhiệt của ựất: đất có nhiệt dung càng lớn thì biên ựộ nhiệt ựộ hàng ngày càng nhỏ và ựất có tắnh dẫn nhiệt càng cao thì biên ựộ nhiệt ựộ hàng ngày càng thấp

Bảng 3.5 Biến thiên nhiệt ựộ hàng ngày của một số loại ựất, ựá tại Huế ( o C)

Ngu ồn: Lê Quang Vĩnh (2004)

Bảng 3.5 cho thấy, biến thiên nhiệt ựộ hàng ngày trên mặt ựất khác nhau do các loại ựất có tắnh dẫn nhiệt khác nhau đá granit là loại ựá chắc, dẫn nhiệt tốt; cát là loại ựất xốp nên dẫn nhiệt kém hơn; than bùn là loại ựất xốp nhưng chứa ẩm nhiều nên dẫn nhiệt tốt hơn cát Vì vậy ựất cát có biên ựộ nhiệt ựộ lớn nhất, granit có biên ựộ nhỏ nhất trong 3 loại

- Màu sắc của ựất: Biên ựộ nhiệt ựộ của ựất sẩm màu lớn hơn biên ựộ nhiệt ựộ của ựất nhạt màu

- Lớp phủ thực vật: đất có lớp phủ thực vật, biên ựộ nhiệt ựộ bao giờ cũng nhỏ hơn so với ựất trơ trụi không có thực vật

- địa hình và hướng dốc: Các dạng ựịa hình lồi (ựồi, núi) có biên ựộ nhiệt ựộ nhỏ hơn các vùng ựất lõm (các vùng ựất trũng, thung lũng) đất của sườn phắa Tây biên ựộ nhiệt ựộ lớn hơn sườn phắa đông

b) Diễn biến hàng năm của nhiệt ựộ ựất

Diễn biến hàng năm của nhiệt ựộ ựất có liên quan với biến thiên hàng năm của năng lượng bức xạ mặt trời Tại Bắc bán cầu, thời ựiểm cực ựại của nhiệt ựộ mặt ựất xuất hiện vào tháng bảy, tháng tám, còn thời ựiểm cực tiểu thường vào tháng giêng, tháng hai

Biên ựộ hàng năm của nhiệt ựộ ựất là hiệu số giữa nhiệt ựộ trung bình tháng có giá trị lớn nhất và nhiệt ựộ trung bình tháng có giá trị nhỏ nhất

Vĩ ựộ ựịa lý càng tăng thì biên ựộ nhiệt ựộ ựất hàng năm càng lớn do sự chênh lệch nhiều

về nhiệt ựộ giữa mùa hè và mùa ựông Biên ựộ nhiệt ựộ mặt ựất năm ở vùng xắch ựạo chỉ vào khoảng 3oC, còn ở vùng cực ựới có thể lên tới 70oC

∆t = (tmax - tmin)

Trị số biên ñộ nhiệt ñộ hàng năm của ñất còn phụ thuộc vào lớp phủ thực vật ðất trơ trụi

có biên ñộ nhiệt ñộ hàng năm lớn hơn ñất có che phủ bởi thực vật

Biên ñộ biến thiên hàng năm cũng như hàng ngày của nhiệt ñộ ñất giảm theo ñộ sâu, ñến một ñộ sâu nào ñó thì nhiệt ñộ không ñổi Tuỳ theo ñặc ñiểm của ñất mà ñộ sâu có biên ñộ nhiệt ñộ không ñổi khác nhau Tại những vùng nhiệt ñới, lớp ñất có nhiệt ñộ hàng năm không ñổi ở ñộ sâu 5 - 10 mét, còn ở những vùng vĩ ñộ trung bình, lớp ñất có nhiệt ñộ hàng năm không ñổi ở ñộ sâu 15 - 20 m

Trên các vùng hồ, biển hay ñại dương, bề mặt hoạt ñộng rộng nên lượng nhiệt trao ñổi rất lớn giữa các lớp nước, do vậy biến thiên nhiệt ñộ của mặt nước nhỏ hơn nhiều so với mặt ñất

Hình 3.1 Bi ến thiên nhiệt ñộ ñất feralit trồng cà phê theo chiều sâu

t ại Tây Hiếu, Nghệ An (Theo Fritland - 1968)

c) Những quy luật về sự lan truyền nhiệt ñộ xuống các tầng ñất sâu

Nhờ quá trình trao ñổi nhiệt giữa các lớp ñất, nhiệt ñộ từ mặt ñất ñược lan truyền xuống các lớp ñất sâu Khả năng truyền nhiệt của mỗi loại ñất thường khác nhau, nhưng về cơ bản chúng ñều tuân theo những quy luật nhất ñịnh Theo nhiều tác giả, các quy luật lan truyền nhiệt ñộ ñất như sau:

Chu kỳ biên thiên của nhiệt ñộ (T) thường thấy là chu kỳ ngày ñêm và chu kỳ năm

Biên ñộ nhiệt ñộ ñất ở các ñộ sâu giảm ñi nhanh chóng theo cấp số nhân khi chiều sâu tăng theo cấp số cộng Có thể tính ñược biên ñộ nhiệt ñộ ñất ở bất kỳ ñộ sâu nào theo công thức:

(7)

Trong ñó: ∆tz: biên ñộ nhiệt ñộ ở ñộ sâu z bất kỳ (oC)

∆to: biên ñộ nhiệt ñộ mặt ñất (oC)

T: chu kỳ biến thiên của nhiệt ñộ

K: hệ số truyền nhiệt ñộ của ñất

Từ công thức trên cho thấy khi ñộ sâu z tăng thì biên ñộ nhiệt ñộ Az giảm ñi theo cấp số nhân Tại một ñộ sâu nào ñó biên ñộ nhiệt ñộ sẽ trở nên rất nhỏ hầu như bằng không, những biến thiên nhiệt ñộ ở ñó ngừng hẳn và nhiệt ñộ không ñổi trong suốt chu kỳ T Các kết quả

∆tz = ∆to.e z T K

π

−

khảo sát thực tế cho thấy với chu kỳ ngày ñêm thì từ ñộ sâu 100 cm trở ñi nhiệt ñộ ñất không thay ñổi và ở chu kỳ một năm ứng với ñộ sâu 15 – 20 m nhiệt ñộ ñất cũng không thay ñổi Kết quả nghiên cứu ở Phú Hộ cho thấy, ñất trồng chè Việt nam có ñộ sâu nhiệt ñộ không thay ñổi là 80 cm

Các giá trị cực trị (cực ñại, cực tiểu) của nhiệt ñộ ở các ñộ sâu thay ñổi nhưng thời ñiểm xảy ra nó thì tuân theo quy luật này ðộ muộn - τ (tính theo thời gian) ứng với các lớp ñất sâu ñược tính bằng công thức:

z 2

Τ

τ =

π Κ (8) Trong ñó: ñộ muộn τ là thời gian chậm trễ (giờ hoặc ngày) ðối với những ñất có ñộ dẫn nhiệt khác nhau, thời gian chậm trễ cũng khác nhau Trung bình các ñiểm cực ñại và cực tiểu hàng ngày, ñộ sâu lớp ñất cứ tăng thêm 10 cm thì chậm ñi 2,5 - 3,5 giờ, và các ñiểm cực ñại, cực tiểu hàng năm, ñộ sâu lớp ñất cứ tăng thêm 1m thì chậm ñi 20 -30 ngày

Bảng 3.6 Biên ñộ nhiệt ñộ ngày ñêm của ñất trồng chè Phú Hộ - Phú Thọ ( o C)

ðộ sâu

Ngu ồn: Viện nghiên cứu chè (1961)

Quy luật này ñược thể hiện bằng công thức sau:

z = T (9)

Trong ñó z1, z2 là những ñộ sâu mà các biên ñộ nhiệt ñộ (∆t1, ∆t2) giảm ñi cùng một số lần; T1, T2 là những chu kỳ biến thiên

Ví dụ: Nếu ta coi T1 là chu kỳ biến thiên ngày, T2 là chu kỳ biến thiên năm (365 ngày), ñưa vào công thức tính ta sẽ có:

z1 √ 1 1 - = =

z2 √365 19

Như vậy giả sử biên ựộ biến thiên hàng ngày giảm ựi 2 lần ở ựộ sâu z1 = 10 cm, thì ở biến thiên hàng năm sự giảm biên ựộ 2 lần xảy ra tại ựộ sâu z2 = 190 cm

1.4 Những biện pháp kỹ thuật ựiều chỉnh chế ựộ nhiệt của ựất

a) Những biện pháp kỹ thuật giữ và tăng nhiệt ựộ ựất trong mùa ựông

Trong mùa ựông, ở vùng duyên hải miền Trung và miền Bắc thường bị ảnh hưởng của gió mùa đông Bắc, ựồng thời năng lượng bức xạ mặt trời nhận ựược thấp nên nhiệt ựộ ựất thường

bị giảm xuống để giữ nhiệt hoặc làm tăng nhiệt ựộ ựất cần ứng dụng một số biện pháp kỹ thuật sau:

- Cải thiện thành phần cơ giới và kết cấu của ựất: Làm tăng tỷ lệ cát trong ựất, giảm tỷ lệ sét làm giảm nhiệt dung của ựất, khi ựó chỉ cần cung cấp một lượng nhiệt nhỏ từ bức xạ mặt trời thì nhiệt ựộ ựất ựã tăng Xới xáo kết hợp với bón phân hữu cơ làm cho ựất tơi xốp, thoáng khắ cũng làm giảm nhiệt dung và ựộ dẫn nhiệt của ựất Do ựộ dẫn nhiệt giảm nên ựất giữ nhiệt tốt

- Dùng vật che phủ mặt ựất: Trong mùa ựông có thể dùng rơm rạ, cỏ khô che phủ lên mặt ựất ựể hạn chế bức xạ sóng dài của mặt ựất vào ban ựêm Cũng có thể dùng các chất xẩm màu như tro, bồ hóng rải lên mặt ựất ựể tăng khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời vào ban ngày ựể tăng nhiệt ựộ của ựất

- Giữ nước hoặc tưới nước cho cây trồng: đối với cây trồng cạn, tưới nước ựể tăng ựộ ẩm ựất đối với các ruộng lúa nước nên giữ nước ở mức ựộ thắch hợp ựể tăng nhiệt dung nhằm làm tăng khả năng dẫn nhiệt và giữ nhiệt cho ựất

- Trồng cây theo luống, theo hàng, có tác dụng tăng ựược lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống ựất, làm tăng nhiệt ựộ của ựất (bảng 3.7.)

Như vậy ở tất cả các ựộ sâu, nhiệt ựộ ựất ở nơi có ựánh luống ựều cao hơn so với không ựánh luống

- Trồng cây theo hướng Bắc Nam: Cây trồng nhận ựược ánh sáng ựồng ựều, không bị che chắn bởi các cây trồng trong cùng một hàng

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của việc làm luống tới nhiệt ựộ ựất

Nhi ệt ựộ ựất ở các ựộ sâu ( o

C)

Tr ạng thái của ựất

- Xác ựịnh thời vụ trồng thắch hợp bảo ựảm ựược nhiệt ựộ cần thiết cho từng loại cây, nhất

là thời ựiểm gieo trồng vụ ựông xuân

b) Những biện pháp kỹ thuật làm giảm nhiệt ựộ ựất trong mùa hè

- Cải tạo tắnh chất vật lý của ựất như thành phần cơ giới, kết cấu ựất: để làm giảm nhiệt

ựộ ựất trong mùa hè cần làm tăng nhiệt dung và ựộ dẫn nhiệt của ựất Ở các vùng ựất cát hoặc pha cát như vùng ựất bạc màu, vùng ựất cát ven biển vào những ngày thời tiết khô nóng (gió Lào) nhiệt ựộ ựất lên rất cao Nếu cải tạo ựất bằng cách cày sâu dần, tưới nước phù sa ựể tăng hàm lượng sét thì nhiệt ựộ ựất sẽ không tăng quá cao

- Che tủ ñất: Có thể dùng rơm rạ, cỏ khô, cành cây, lá cây phủ trên mặt ñất hoặc quanh các gốc cây ñể giảm bớt năng lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống mặt ñất Làm giàn che ở các vườn ươm vừa có tác dụng che nắng cho cây con lại vừa hạn chế ñược các yếu tố bất lợi khác như gió khô nóng, mưa lớn

- Dùng thực vật che phủ: Trồng các cây sinh trưởng nhanh, có tàn che lớn như keo dậu

mặt ñất cũng có tác dụng hạn chế ñược nhiệt ñộ cao trong mùa hè

- Tưới nước cho cây trồng: ðất ñược tưới nước khi có nhiệt ñộ cao sẽ bốc hơi mạnh Do quá trình bốc hơi lấy nhiệt từ mặt ñất, nhờ ñó nhiệt ñộ ñất sẽ ñược giảm ñi ðối với các loại cây trồng cạn, việc tưới nước còn cung cấp cho cây ñủ ẩm, ñáp ứng nhu cầu thoát hơi nước ñể ñiều hoà thân nhiệt của cây

- Các biện pháp kỹ thuật làm ñất thích hợp cũng có tác dụng làm giảm nhiệt ñộ của ñất: Xới xáo kết hợp bón phân hữu cơ làm cho ñất tơi xốp tăng ñộ thấm nước của ñất cũng hạn chế khả năng tăng nhiệt ñộ của mặt ñất San phẳng mặt ruộng ñể làm giảm diện tích tiếp xúc của mặt ñất với bức xạ mặt trời và tăng cường phản xạ sóng ngắn cũng giảm ñược nguồn năng lượng hấp thu

2 CHÊ ðỘ NHIỆT CỦA KHÔNG KHÍ

2.1 Quá trình nóng lên và lạnh ñi của không khí

Người ta nhận thấy rằng khi mặt ñất hấp thu năng lượng bức xạ mặt trời thì ñược chuyển hoá thành nhiệt năng làm cho nó nóng lên Một phần nhiệt lượng của mặt ñất sẽ truyền vào các lớp ñất sâu, còn phần lớn truyền cho các lớp khí quyển bên trên nó Tính trung bình bề mặt ñất truyền vào không khí 37% năng lượng bức xạ mà nó hấp thu ñược Riêng bề mặt cát truyền cho khí quyển 43%, mặt nước 0,4% lượng nhiệt của nó Quá trình trao ñổi nhiệt giữa mặt ñất và không khí diễn ra liên tục suốt ngày ñêm Vào ban ngày mặt ñất nhận ñược nhiều năng lượng bức xạ mặt trời nên nhiệt ñộ tăng cao vì vậy nó nhường nhiệt cho khí quyển Còn vào ban ñêm mặt ñất bức xạ mạnh, cân bằng nhiệt thường có giá trị âm Mặt ñất mất nhiệt dần dần và có nhiệt ñộ thấp hơn khí quyển, lúc này khí quyển lại bức xạ ngược cho nó

Sự truyền nhiệt từ ñất cho không khí có thể xảy ra bằng các phương thức khác nhau:

a) Phương thức dẫn nhiệt phân tử

Dẫn nhiệt phân tử là sự truyền nhiệt từ những phân tử có nhiệt ñộ cao sang những phân

tử có nhiệt ñộ thấp hơn Các phần tử ñất nhận năng lượng từ bức xạ mặt trời nóng lên, không khí sát mặt ñất khi hấp thu nhiệt từ ñất sẽ nóng lên và truyền nhiệt cho các phần tử không khí bên trên Do hệ số dẫn nhiệt của không khí rất nhỏ (λ = 0,00005), nên sự truyền nhiệt xảy ra chậm và chỉ có lớp không khí mỏng gần mặt ñất ñược nóng lên Lượng nhiệt truyền theo hình thức này ñược tính theo công thức:

(10)

Trong ñó: dt/dz là gradient nhiệt ñộ của lớp không khí ñược dẫn nhiệt phân tử

b) Phương thức truyền nhiệt ñối lưu

ðây là phương thức truyền nhiệt nhờ quá trình ñối lưu không khí Phương thức này xảy

ra khi mặt ñất bị ñốt nóng, không khí tiếp giáp vớí nó sẽ nóng lên nhanh và trở nên nhẹ hơn

dt

Q1 = - λ -

dz

bốc lên cao Theo quy luật tự nhiên, không khí ở lớp bên trên có nhiệt ñộ thấp hơn, có áp suất cao hơn nên chuyển ñộng ñi xuống chiếm chỗ của khối không khí nóng Quá trình diễn ra liên tục, khối không khí mới tiếp tục bị ñốt nóng và lại bốc lên cao Cứ như vậy tạo thành dòng không khí liên tục ñi lên và ñi xuống theo phương thẳng ñứng Dòng ñối lưu có vai trò rất lớn trong quá trình trao ñổi nhiệt giữa mặt ñất và khí quyển theo chiều hướng làm giảm nhiệt ñộ mặt ñất và làm tăng nhiệt ñộ không khí

Hiện tượng ñối lưu nhiệt thường diễn ra mạnh trên ñất liền vào ban ngày và trên bề mặt biển vào ban ñêm

c) Phương thức truyền nhiệt loạn lưu

Do ñặc ñiểm bề mặt trái ñất, ở các vùng khác nhau thường không giống nhau về màu sắc, ñịa hình, lớp phủ thực vật , nên có nơi nhận ñược nhiều nhiệt, có nơi nhận ñược ít nhiệt hơn Không khí tiếp xúc với mặt ñất cũng nhận ñược nhiệt nơi nhiều, nơi ít dẫn tới chênh lệch về

áp suất không khí giữa các vùng Không khí sẽ di chuyển từ nơi có áp suất cao sang nơi có áp suất thấp hơn Nhờ ñó nhiệt ñược truyền theo các dòng không khí theo phương nằm ngang từ nơi này ñến nơi khác Loạn lưu là sự chuyển ñộng không có trật tự của từng khối không khí nhỏ riêng biệt Khi không khí chuyển ñộng trên bề mặt không bằng phẳng, do ma sát sẽ xuất hiện các xoáy nhỏ di chuyển theo nhiều hướng khác nhau và gây ra sự loạn lưu của không khí Loạn lưu có ý nghĩa ñặc biệt lớn trong sự chuyển vận nhiệt từ ñất vào không khí Nhờ nó

mà lượng nhiệt ñược truyền vào không khí khá hiệu quả và ñồng ñều ở các ñộ cao khác nhau

d) Phương thức truyền nhiệt nhờ bức xạ nhiệt

Ban ngày, mặt ñất hấp thu năng lượng bức xạ mặt trời nóng lên Do có nhiệt ñộ cao nên mặt ñất lại phát sinh bức xạ sóng dài truyền vào khí quyển ðộ dài bước sóng bức xạ mặt ñất phụ thuộc vào nhiệt ñộ tuân theo ñịnh luật Wien Biểu thức Wien có dạng :

(11)

Trong ñó: b là hằng số Wien, b = 2,886.10-3 mm.ñộ

Năng lượng bức xạ nhiệt tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc 4 của nhiệt ñộ tuyệt ñối (xem chương 1)

(12)

Trong ñó:

σ là hằng số Stefan-Boltzmann, σ = 0,826.10-10 [cal/cm2/phút.ñộ-4]; nhiệt ñộ của vật (0K) Các lớp không khí dưới thấp hấp thu bức xạ sóng dài và phản xạ sóng ngắn từ mặt ñất vào ban ngày ñể nóng lên, sau ñó ñến lượt chúng lại phát xạ và làm nóng các lớp lân cận, cứ như vậy sự nóng lên sẽ lan dần ñến những lớp cao hơn

Trong thời kỳ lạnh ñi của mặt ñất, dòng bức xạ nghịch hướng từ những lớp không khí trên cao xuống mặt ñất bổ sung năng lượng cho mặt ñất Quá trình này thường xảy ra mạnh vào ban ñêm khi quá trình loạn lưu yếu, nhiệt ñộ không khí ở các lớp trên cao nóng hơn ở các lớp dưới thấp (nghịch nhiệt)

e) Phương thức truyền nhiệt nhờ tiềm nhiệt bốc hơi

ðể bốc hơi một gam nước cần cung cấp khoảng 600 calo, ngược lại, khi ngưng kết một gam hơi nước cũng sẽ tỏa ra một lượng nhiệt tương tự Vì vậy khi nước bốc hơi từ mặt ñất và

λmax = b/T

Eñ= δ.σ.T4