Chương 3: Chế độ nhiệt của đất và không khí

Chương III CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA ĐẤT VÀ KHƠNG KHÍ Nhiệt độ đất có vai trị đặc biệt trình vật lý xẩy đất khí quyển, yếu tố mơi trường quan trọng tác động tới hoạt động sống sinh vật Khơng khí chất suốt đốt nóng trực tiếp xạ mặt trời khả hấp thu lượng xạ mặt trời chúng Tính trung bình khí trái đất hấp thu 14% tổng lượng xạ mặt trời qua, lại 80% lượng nhận chủ yếu nhờ mặt đất cung cấp cho Đặc tính hấp thu, truyền nhiệt đất khơng khí mang sắc thái riêng Nghiên cứu tính chất nhiệt chế độ nhiệt đất khơng khí giúp hiểu rõ chất tác động chúng khí hậu đời sống sinh vật CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA ĐẤT 1.1 Các đặc tính nhiệt lực đất a) Nhiệt dung đất Nhiệt dung đất đại lượng dùng để đánh giá khả nóng lên nhanh hay chậm đất Nhiệt dung chia làm hai loại: • Nhiệt dung trọng lượng (Cp): Là lượng nhiệt cần thiết làm cho gam đất nóng lên 1oC Đơn vị tính nhiệt dung trọng lượng calo/g/độ • Nhiệt dung thể tích (Cv): Là lượng nhiệt cần thiết làm cho 1cm3 đất nóng lên 1oC Đơn vị tính nhiệt dung thể tích calo/cm3/độ Nhiệt dung trọng lượng nhiệt dung thể tích có quan hệ mật thiết với biểu thị biểu thức sau đây: Cv = d Cp (1) Trong đó: Cv: Nhiệt dung thể tích Cp: Nhiệt dung trọng lượng d: Tỷ trọng đất Nhiệt dung đất phụ thuộc phần lớn vào nhiệt dung chất hình thành nên đất Từ bảng 3.1 rút nhận xét sau: Bảng 3.1 Nhiệt dung chất cấu tạo đất + Nhiệt dung thành phần cấu tạo nên đất khác + Nhìn chung nhiệt dung thể tích thành phần rắn chủ yếu đất giống nhau, vào khoảng từ 0,5 – 0.6 calo/cm3/độ Thành phần đất Cát Sét Than bùn Khơng khí đất Nước đất Nhiệt dung trọng lượng (Calo/g/độ) Nhiệt dung thể tích (Calo/cm3/độ) 0,18 0,23 0,48 0,24 1,00 0,4900 0,5900 0,6000 0,0003 1,0000 + Các loại đất cát pha cát có nhiệt dung nhỏ, nóng lên nhanh nguội nhanh chóng 41 + Các loại đất sét pha sét có nhiệt dung lớn, chúng nóng lên chậm lạnh chậm so với đất cát pha cát + Đất khơ có nhiệt dung nhỏ so với đất ẩm Vì loại đất khơ thiếu ẩm thường có chế độ nhiệt khơng ổn định, chúng nóng lên ban ngày nhanh chóng lạnh nhanh vào ban đêm Sự biến động nhiều nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến trình sinh trưởng phát triển trồng, đặc biệt vùng đất cát Đất ẩm, loại đất thịt, thịt pha có chế độ nhiệt ơn hồ, dao động so với loại đất Do làm ẩm đất cách Bảng 3.2 Nhiệt dung thể tích số loại đất có độ ẩm khác (Đơn vị: Cal/cm3/độ) Loại đất Độ ẩm đất (%) 20 50 80 100 Đất cát 0,35 0,40 0,48 0,58 0,63 Đất sét 0,26 0,36 0,53 0,72 0,90 Đất nhiều mùn 0,15 0,30 0,52 0,75 0,90 Đất than bùn 0,20 0,32 0,56 0,79 0,94 tưới nước điều tiết chế độ nhiệt thích hợp cho trồng, giữ nhiệt mùa đông làm giảm nhiệt độ mùa hè b) Hệ số dẫn nhiệt (độ dẫn nhiệt) đất Hệ số dẫn nhiệt đại lượng vật lý biểu thị khả truyền nhiệt loại đất Là lượng nhiệt qua đơn vị diện tích cm 2, có độ dày 1cm, thời gian giây nhiệt độ chênh lệch lớp đất 1oC Ký hiệu hệ số đẫn nhiệt: λ ; đơn vị tính calo/cm2/cm/giây/độ Hệ số dẫn nhiệt loại đất khác phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt chất cấu tạo nên đất, độ xốp, độ ẩm đất Bảng 3.3 Hệ số dẫn nhiệt số vật chất cấu tạo đất (Đơn vị: Calo/cm2/cm/giây/độ) Các chất Bột phenspat Cát khô Hạt sét Nước λ 0,00580 0,00026 0,00440 0,00130 Các chất Đá vôi Cát ẩm (20%) Thạch cao Khơng khí λ 0,00190 0,00252 0,00220 0,00005 Hệ số dẫn nhiệt cát thấp, đất cát đất pha nhiều cát có hệ số dẫn nhiệt nhỏ Vì thế, truyền nhiệt xuống lớp đất sâu chậm, lớp đất mặt nóng lên nhanh so với lớp phía vào ban ngày lạnh nhanh vào ban đêm Ngược lại đất sét đất sét pha có hệ số dẫn nhiệt lớn, khả truyền nhiệt nhanh lớp đất nên nóng lên lạnh chậm, chế độ nhiệt biến động Nước có hệ số dẫn nhiệt lớn khơng khí, có mặt nhiều hay nước khơng khí ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt đất Khi độ ẩm đất tăng lên làm tăng hệ số dẫn nhiệt, nhờ mà nhiệt độ mặt đất cao vào ban ngày truyền nhanh xuống lớp đất sâu hơn, bị đốt nóng so với đất thiếu ẩm Vào ban đêm lớp đất mặt xạ bị nhiệt đồng thời bổ sung lượng nhiệt truyền từ sâu lên Ở đất khô thiếu 42 ẩm, chứa nhiều không khí, hệ số dẫn nhiệt nên diễn biến nhiệt độ ngược lại với đất ẩm Bởi loại đất có độ ẩm cao thường có chế độ nhiệt ơn hồ loại đất khơ, biên độ nhiệt độ ngày đêm nhỏ c) Hệ số truyền nhiệt độ đất Hệ số truyền nhiệt độ đất tỷ số hệ số dẫn nhiệt nhiệt dung thể tích đất biểu thị công thức: ) λ (2) K= (cm2/giây) Cv Như tăng nhiệt độ lớp đất tỷ lệ thuận với lượng nhiệt ( λ ) qua tỷ lệ nghịch với nhiệt dung thể tích (Cv) đất Trong đất, thành phần rắn có nhiệt dung thể tích khơng thay đổi, độ ẩm độ xốp đất tác động nhiều đến hệ số truyền nhiệt độ đất Do đất ẩm chứa nhiều nước có độ truyền nhiệt độ nhỏ so với đất khô nên đất ẩm thay đổi nhiệt độ theo độ sâu biến thiên nhiệt độ ngày đêm nhỏ so với đất khô Nghiên cứu Gupalo hệ số truyền nhiệt độ trình bày bảng 3.4 Bảng 3.4 Ảnh hưởng tỷ trọng độ ẩm hệ số truyền nhiệt độ đất Độ ẩm đất (%) 10 20 25 1,1 0,0012 0,0013 0,0023 0,0033 0,0031 1,2 0,0013 0,0015 0,0026 0,0035 0,0033 Tỷ trọng đất (g/cm3) 1,3 1,4 0,0015 0,0016 0,0016 0,0017 0,0027 0,0030 0,0038 0,0041 0,0035 0,0037 1,5 0,0017 0,0017 -0,0043 0,0039 Hệ số truyền nhiệt độ phản ảnh tốc độ truyền nhiệt độ đất Ở tầng đất canh tác tốc độ truyền nhiệt độ có ý nghĩa lớn kỹ thuật trồng trọt Mùa đông giá lạnh, hệ số truền nhiệt độ cao rễ trồng hoạt động tốt d) Lưu lượng nhiệt Lưu lượng nhiệt đại lượng dùng để tổng lượng nhiệt truyền xuống lớp đất sâu khoảng thời gian định Lưu lượng nhiệt phụ thuộc vào yếu tố sau đây: • Hệ số dẫn nhiệt lớn lượng nhiệt truyền xuống lớp đất sâu nhiều • Thời gian dài tổng lượng nhiệt truyền xuống lớp đất sâu lớn • Gradient nhiệt độ lớp đất cao tổng lượng nhiệt truyền xuống lớp đất sâu lớn Cơng thức tính lưu lượng nhiệt sau: (t2 - t1) Q = - λ τ (z2 - z1) (3) 43 Trong đó: Q: lưu lượng nhiệt ; λ: Hệ số dẫn nhiệt ; τ: Thời gian truyền nhiệt; (t2 - t1)/(z2 - z1): Gradient nhiệt độ lớp đất Ví dụ: Tính lưu lượng nhiệt truyền xuống lớp đất cát sâu 30cm có nhiệt độ 250C khoảng thời gian 60 giây diện tích 10 000 cm2 , biết nhiệt độ lớp đất mặt 350 C, hệ số dẫn nhiệt λ = 0.00252 calo/cm2/cm/giây/độ Giải: 10 000 cm2 = m2 , nên theo cơng thức ta tính được: (t1 - t2)) Q = - λ τ = 0,00252 x (35 - 25) /30 x 60 x 10 000 = 504 (Cal/m2) (z2 - z1) Vậy lượng nhiệt truyền xuống lớp đất 30 cm2 phut 504 (Cal/m2) 1.2 Cân nhiệt mặt đất Cân nhiệt mặt đất hiệu số phần lượng nhận phần lượng mặt đất Nếu cân nhiệt có giá trị dương, mặt đất nóng lên, cịn có giá trị âm mặt đất bị lạnh Điều phụ thuộc nhiều vào khả nhận nhiệt nhiệt mặt đất vào ban ngày ban đêm Vào ban ngày, mặt đất nhận nguồn nhiệt từ mặt trời gồm có: xạ trực tiếp (S’), xạ khuyếch tán (D), xạ nghịch khí (Eng), đồng thời tự nguồn nhiệt phản xạ sóng ngắn (Rn), phát xạ sóng dài mặt đất (Eđ), truyền nhiệt phân tử vào khí (V), nhiệt bốc nước (LE), truyền nhiệt vào lòng đất (P) Do phương trình cân nhiệt mặt đất vào ban ngày có dạng: B1 = S’ + D + Eng - Eđ – Rn - V - LE - P Hay B1 = S’ + D – (Ehh + Rn + V + LE + P) (4) Ban đêm, khơng có xạ mặt trời, mặt đất nhận nhiệt từ xạ nghịch khí (Eng), nhiệt từ khí truyền nhiệt phân tử (V), nhiệt từ trình ngưng kết nước (LE), nhiệt từ lòng đẩt truyền lên (P) lượng nhiệt lớn từ xạ sóng dài mặt đất (Eđ) Như phương trình cân nhiệt mặt đất vào ban đêm có dạng: B2 = V + LE + P + Eng- Eđ Hay B2 = V + LE + P – Ehh (5) Thông thường B1 có giá trị dương nhận nhiều lượng từ xạ mặt trời, cịn B2 có giá trị âm ban đêm mặt đất nhận lượng khơng bù phần lượng xạ sóng dài 1.3 Sự biến đổi nhiệt độ đất a) Diễn biến hàng ngày nhiệt độ đất Sự nóng lên ban ngày lạnh ban đêm mặt đất gây biến thiên nhiệt độ liên tục suốt thời gian ngày đêm gọi diễn biến hàng ngày nhiệt độ đất Diễn biến hàng ngày nhiệt độ mặt đất dao động tuần hoàn nhiệt độ với cực đại cực tiểu thời gian ngày đêm Từ mặt trời mọc, nhiệt độ mặt đất bắt đầu tăng sau khoảng 1,0 – 1,5 giờ, lượng nhiệt mặt đất nhận lớn lượng nhiệt bị đi, lúc mặt đất nóng lên truyền nhiệt vào lịng đất cho tầng khí bên Nhiệt độ đất tiếp tục tăng dần đạt cực đại vào lúc 13 Sau 13 giờ, nhiệt 44 độ đất bắt đầu giảm Sự giảm nhiệt độ tiếp diễn suốt ban đêm trị số cực tiểu quan sát vào trước mặt trời mọc 1- Thời gian mặt trời mọc năm có thay đổi, nên cực tiểu nhiệt độ đất vào mùa hè thường sớm mùa đông Trong ngày đêm, hiệu số nhiệt độ cao thấp quan sát gọi biên độ nhiệt hàng ngày mặt đất tính theo cơng thức: ∆t = (tmax - tmin) (6) Trong đó: ∆t: biên độ nhiệt độ (oC); tmax: nhiệt độ cao (oC); tmin: nhiệt độ thấp ( C) Biên độ hàng ngày nhiệt độ đất yếu tố biến động lớn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Thời gian năm: Mùa hè biên độ nhiệt độ lớn so với mùa đông - Vĩ độ địa lý: Vĩ độ nhỏ biên độ nhiệt độ hàng ngày tăng - Lượng mây: Trên bầu trời lượng mây biên độ nhiệt độ cao - Tính chất nhiệt đất: Đất có nhiệt dung lớn biên độ nhiệt độ hàng ngày nhỏ đất có tính dẫn nhiệt cao biên độ nhiệt độ hàng ngày thấp o Bảng 3.5 Biến thiên nhiệt độ hàng ngày số loại đất, đá Huế (oC) Nhiệt độ Nhiệt độ tối cao (tmax) Nhiệt độ tối thấp (Tmin) Biên độ nhiệt độ Đá granit 34,8 14,5 20,1 Cát 42,3 7,8 34,5 Than bùn 27,7 6,3 21,4 Nguồn: Lê Quang Vĩnh (2004) Bảng 3.5 cho thấy, biến thiên nhiệt độ hàng ngày mặt đất khác loại đất có tính dẫn nhiệt khác Đá granit loại đá chắc, dẫn nhiệt tốt; cát loại đất xốp nên dẫn nhiệt hơn; than bùn loại đất xốp chứa ẩm nhiều nên dẫn nhiệt tốt cát Vì đất cát có biên độ nhiệt độ lớn nhất, granit có biên độ nhỏ loại - Màu sắc đất: Biên độ nhiệt độ đất sẩm màu lớn biên độ nhiệt độ đất nhạt màu - Lớp phủ thực vật: Đất có lớp phủ thực vật, biên độ nhiệt độ nhỏ so với đất trơ trụi thực vật - Địa hình hướng dốc: Các dạng địa hình lồi (đồi, núi) có biên độ nhiệt độ nhỏ vùng đất lõm (các vùng đất trũng, thung lũng) Đất sườn phía Tây biên độ nhiệt độ lớn sườn phía Đơng b) Diễn biến hàng năm nhiệt độ đất Diễn biến hàng năm nhiệt độ đất có liên quan với biến thiên hàng năm lượng xạ mặt trời Tại Bắc bán cầu, thời điểm cực đại nhiệt độ mặt đất xuất vào tháng bảy, tháng tám, thời điểm cực tiểu thường vào tháng giêng, tháng hai Biên độ hàng năm nhiệt độ đất hiệu số nhiệt độ trung bình tháng có giá trị lớn nhiệt độ trung bình tháng có giá trị nhỏ Vĩ độ địa lý tăng biên độ nhiệt độ đất hàng năm lớn chênh lệch nhiều nhiệt độ mùa hè mùa đông Biên độ nhiệt độ mặt đất năm vùng xích đạo vào khoảng 3oC, cịn vùng cực đới lên tới 70oC 45 Trị số biên độ nhiệt độ hàng năm đất phụ thuộc vào lớp phủ thực vật Đất trơ trụi có biên độ nhiệt độ hàng năm lớn đất có che phủ thực vật Biên độ biến thiên hàng năm hàng ngày nhiệt độ đất giảm theo độ sâu, đến độ sâu nhiệt độ khơng đổi Tuỳ theo đặc điểm đất mà độ sâu có biên độ nhiệt độ khơng đổi khác Tại vùng nhiệt đới, lớp đất có nhiệt độ hàng năm khơng đổi độ sâu - 10 mét, vùng vĩ độ trung bình, lớp đất có nhiệt độ hàng năm khơng đổi độ sâu 15 - 20 m Trên vùng hồ, biển hay đại dương, bề mặt hoạt động rộng nên lượng nhiệt trao đổi lớn lớp nước, biến thiên nhiệt độ mặt nước nhỏ nhiều so với mặt đất Hình 3.1 Biến thiên nhiệt độ đất feralit trồng cà phê theo chiều sâu Tây Hiếu, Nghệ An (Theo Fritland - 1968) c) Những quy luật lan truyền nhiệt độ xuống tầng đất sâu Nhờ trình trao đổi nhiệt lớp đất, nhiệt độ từ mặt đất lan truyền xuống lớp đất sâu Khả truyền nhiệt loại đất thường khác nhau, chúng tuân theo quy luật định Theo nhiều tác giả, quy luật lan truyền nhiệt độ đất sau: 1) Chu kỳ biến thiên nhiệt độ không thay đổi theo độ sâu: Chu kỳ biên thiên nhiệt độ (T) thường thấy chu kỳ ngày đêm chu kỳ năm 2) Biên độ biến thiên nhiệt độ giảm dần theo độ sâu: Biên độ nhiệt độ đất độ sâu giảm nhanh chóng theo cấp số nhân chiều sâu tăng theo cấp số cộng Có thể tính biên độ nhiệt độ đất độ sâu theo công thức: ∆tz = ∆to.e − z π T.K (7) Trong đó: ∆tz: biên độ nhiệt độ độ sâu z (oC) ∆to: biên độ nhiệt độ mặt đất (oC) T: chu kỳ biến thiên nhiệt độ K: hệ số truyền nhiệt độ đất Từ công thức cho thấy độ sâu z tăng biên độ nhiệt độ A z giảm theo cấp số nhân Tại độ sâu biên độ nhiệt độ trở nên nhỏ không, biến thiên nhiệt độ ngừng hẳn nhiệt độ khơng đổi suốt chu kỳ T Các kết 46 khảo sát thực tế cho thấy với chu kỳ ngày đêm từ độ sâu 100 cm trở nhiệt độ đất không thay đổi chu kỳ năm ứng với độ sâu 15 – 20 m nhiệt độ đất không thay đổi Kết nghiên cứu Phú Hộ cho thấy, đất trồng chè Việt nam có độ sâu nhiệt độ không thay đổi 80 cm 3) Thời gian xuất cực trị nhiệt độ đất muộn dần theo độ sâu Các giá trị cực trị (cực đại, cực tiểu) nhiệt độ độ sâu thay đổi thời điểm xảy tn theo quy luật Độ muộn - τ (tính theo thời gian) ứng với lớp đất sâu tính cơng thức: Τ π Κ z τ = (8) Trong đó: độ muộn τ thời gian chậm trễ (giờ ngày) Đối với đất có độ dẫn nhiệt khác nhau, thời gian chậm trễ khác Trung bình điểm cực đại cực tiểu hàng ngày, độ sâu lớp đất tăng thêm 10 cm chậm 2,5 - 3,5 giờ, điểm cực đại, cực tiểu hàng năm, độ sâu lớp đất tăng thêm 1m chậm 20 -30 ngày Bảng 3.6 Biên độ nhiệt độ ngày đêm đất trồng chè Phú Hộ - Phú Thọ (oC) Độ sâu Các tháng năm (cm) I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 7,5 4,7 6,2 10,0 15,5 14,8 15,9 8,4 5,4 5,3 4,5 3,8 3,1 2,3 2,8 3,7 6,3 6,2 5,3 4,1 3,8 3,1 2,9 2,2 10 1,4 1,6 1,6 2,1 3,5 3,6 3,2 2,5 2,1 1,9 1,8 1,4 15 0,6 0,8 0,7 1,1 2,3 1,8 2,3 1,6 1,4 1,6 0,7 0,6 20 0,1 0,8 0,4 0,8 1,5 1,8 2,1 1,5 0,9 0,6 0,7 0,1 40 0,1 0,1 0,1 0,1 0,9 0,8 1,4 0,1 0,1 0,0 0,1 0,1 80 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Nguồn: Viện nghiên cứu chè (1961) 4) Những độ sâu có độ giảm biên độ nhiệt độ tỷ lệ với bậc hai chu kỳ biến thiên Quy luật thể công thức sau: z1 = z2 T1 T2 (9) Trong z1, z2 độ sâu mà biên độ nhiệt độ (∆t1, ∆t2) giảm số lần; T1, T2 chu kỳ biến thiên Ví dụ: Nếu ta coi T1 chu kỳ biến thiên ngày, T2 chu kỳ biến thiên năm (365 ngày), đưa vào cơng thức tính ta có: z1 √1 - = - = - z2 √365 19 47 Như giả sử biên độ biến thiên hàng ngày giảm lần độ sâu z = 10 cm, biến thiên hàng năm giảm biên độ lần xảy độ sâu z2 = 190 cm 1.4 Những biện pháp kỹ thuật điều chỉnh chế độ nhiệt đất a) Những biện pháp kỹ thuật giữ tăng nhiệt độ đất mùa đông Trong mùa đông, vùng duyên hải miền Trung miền Bắc thường bị ảnh hưởng gió mùa Đông Bắc, đồng thời lượng xạ mặt trời nhận thấp nên nhiệt độ đất thường bị giảm xuống Để giữ nhiệt làm tăng nhiệt độ đất cần ứng dụng số biện pháp kỹ thuật sau: - Cải thiện thành phần giới kết cấu đất: Làm tăng tỷ lệ cát đất, giảm tỷ lệ sét làm giảm nhiệt dung đất, cần cung cấp lượng nhiệt nhỏ từ xạ mặt trời nhiệt độ đất tăng Xới xáo kết hợp với bón phân hữu làm cho đất tơi xốp, thống khí làm giảm nhiệt dung độ dẫn nhiệt đất Do độ dẫn nhiệt giảm nên đất giữ nhiệt tốt - Dùng vật che phủ mặt đất: Trong mùa đơng dùng rơm rạ, cỏ khô che phủ lên mặt đất để hạn chế xạ sóng dài mặt đất vào ban đêm Cũng dùng chất xẩm màu tro, bồ hóng rải lên mặt đất để tăng khả hấp thụ xạ mặt trời vào ban ngày để tăng nhiệt độ đất - Giữ nước tưới nước cho trồng: Đối với trồng cạn, tưới nước để tăng độ ẩm đất Đối với ruộng lúa nước nên giữ nước mức độ thích hợp để tăng nhiệt dung nhằm làm tăng khả dẫn nhiệt giữ nhiệt cho đất - Trồng theo luống, theo hàng, có tác dụng tăng lượng xạ mặt trời chiếu xuống đất, làm tăng nhiệt độ đất (bảng 3.7.) Như tất độ sâu, nhiệt độ đất nơi có đánh luống cao so với không đánh luống - Trồng theo hướng Bắc Nam: Cây trồng nhận ánh sáng đồng đều, không bị che chắn trồng hàng Bảng 3.7 Ảnh hưởng việc làm luống tới nhiệt độ đất Nhiệt độ đất độ sâu (oC) Trạng thái đất cm Không đánh luống Đánh luống 10 cm 15 cm 20 cm 14,9 17,0 13,1 15,9 12,0 14,1 11,2 14,1 - Xác định thời vụ trồng thích hợp bảo đảm nhiệt độ cần thiết cho loại cây, thời điểm gieo trồng vụ đông xuân b) Những biện pháp kỹ thuật làm giảm nhiệt độ đất mùa hè - Cải tạo tính chất vật lý đất thành phần giới, kết cấu đất: Để làm giảm nhiệt độ đất mùa hè cần làm tăng nhiệt dung độ dẫn nhiệt đất Ở vùng đất cát pha cát vùng đất bạc màu, vùng đất cát ven biển vào ngày thời tiết khơ nóng (gió Lào) nhiệt độ đất lên cao Nếu cải tạo đất cách cày sâu dần, tưới nước phù sa để tăng hàm lượng sét nhiệt độ đất khơng tăng cao - Che tủ đất: Có thể dùng rơm rạ, cỏ khô, cành cây, phủ mặt đất quanh gốc để giảm bớt lượng xạ mặt trời chiếu xuống mặt đất Làm giàn che 48 vườn ươm vừa có tác dụng che nắng cho lại vừa hạn chế yếu tố bất lợi khác gió khơ nóng, mưa lớn - Dùng thực vật che phủ: Trồng sinh trưởng nhanh, có tàn che lớn keo dậu (Leucaena sp.), muồng hoa vàng (Crotalaria sp.), cốt khí (Tephrosia candida)vv che phủ mặt đất có tác dụng hạn chế nhiệt độ cao mùa hè - Tưới nước cho trồng: Đất tưới nước có nhiệt độ cao bốc mạnh Do trình bốc lấy nhiệt từ mặt đất, nhờ nhiệt độ đất giảm Đối với loại trồng cạn, việc tưới nước cung cấp cho đủ ẩm, đáp ứng nhu cầu nước để điều hồ thân nhiệt - Các biện pháp kỹ thuật làm đất thích hợp có tác dụng làm giảm nhiệt độ đất: Xới xáo kết hợp bón phân hữu làm cho đất tơi xốp tăng độ thấm nước đất hạn chế khả tăng nhiệt độ mặt đất San phẳng mặt ruộng để làm giảm diện tích tiếp xúc mặt đất với xạ mặt trời tăng cường phản xạ sóng ngắn giảm nguồn lượng hấp thu CHÊ ĐỘ NHIỆT CỦA KHƠNG KHÍ 2.1 Q trình nóng lên lạnh khơng khí Người ta nhận thấy mặt đất hấp thu lượng xạ mặt trời chuyển hố thành nhiệt làm cho nóng lên Một phần nhiệt lượng mặt đất truyền vào lớp đất sâu, phần lớn truyền cho lớp khí bên Tính trung bình bề mặt đất truyền vào khơng khí 37% lượng xạ mà hấp thu Riêng bề mặt cát truyền cho khí 43%, mặt nước 0,4% lượng nhiệt Q trình trao đổi nhiệt mặt đất khơng khí diễn liên tục suốt ngày đêm Vào ban ngày mặt đất nhận nhiều lượng xạ mặt trời nên nhiệt độ tăng cao nhường nhiệt cho khí Cịn vào ban đêm mặt đất xạ mạnh, cân nhiệt thường có giá trị âm Mặt đất nhiệt có nhiệt độ thấp khí quyển, lúc khí lại xạ ngược cho Sự truyền nhiệt từ đất cho khơng khí xảy phương thức khác nhau: a) Phương thức dẫn nhiệt phân tử Dẫn nhiệt phân tử truyền nhiệt từ phân tử có nhiệt độ cao sang phân tử có nhiệt độ thấp Các phần tử đất nhận lượng từ xạ mặt trời nóng lên, khơng khí sát mặt đất hấp thu nhiệt từ đất nóng lên truyền nhiệt cho phần tử khơng khí bên Do hệ số dẫn nhiệt khơng khí nhỏ ( λ = 0,00005), nên truyền nhiệt xảy chậm có lớp khơng khí mỏng gần mặt đất nóng lên Lượng nhiệt truyền theo hình thức tính theo cơng thức: dt (10) Q1 = - λ dz Trong đó: dt/dz gradient nhiệt độ lớp khơng khí dẫn nhiệt phân tử b) Phương thức truyền nhiệt đối lưu Đây phương thức truyền nhiệt nhờ q trình đối lưu khơng khí Phương thức xảy mặt đất bị đốt nóng, khơng khí tiếp giáp vớí nóng lên nhanh trở nên nhẹ bốc lên cao Theo quy luật tự nhiên, khơng khí lớp bên có nhiệt độ thấp hơn, có áp suất cao nên chuyển động xuống chiếm chỗ khối không khí nóng Q trình diễn liên tục, 49 khối khơng khí tiếp tục bị đốt nóng lại bốc lên cao Cứ tạo thành dịng khơng khí liên tục lên xuống theo phương thẳng đứng Dịng đối lưu có vai trị lớn trình trao đổi nhiệt mặt đất khí theo chiều hướng làm giảm nhiệt độ mặt đất làm tăng nhiệt độ khơng khí Hiện tượng đối lưu nhiệt thường diễn mạnh đất liền vào ban ngày bề mặt biển vào ban đêm c) Phương thức truyền nhiệt loạn lưu Do đặc điểm bề mặt trái đất, vùng khác thường khơng giống màu sắc, địa hình, lớp phủ thực vật , nên có nơi nhận nhiều nhiệt, có nơi nhận nhiệt Khơng khí tiếp xúc với mặt đất nhận nhiệt nơi nhiều, nơi dẫn tới chênh lệch áp suất khơng khí vùng Khơng khí di chuyển từ nơi có áp suất cao sang nơi có áp suất thấp Nhờ nhiệt truyền theo dịng khơng khí theo phương nằm ngang từ nơi đến nơi khác Loạn lưu chuyển động trật tự khối khơng khí nhỏ riêng biệt Khi khơng khí chuyển động bề mặt khơng phẳng, ma sát xuất xoáy nhỏ di chuyển theo nhiều hướng khác gây loạn lưu khơng khí Loạn lưu có ý nghĩa đặc biệt lớn chuyển vận nhiệt từ đất vào khơng khí Nhờ mà lượng nhiệt truyền vào khơng khí hiệu đồng độ cao khác d) Phương thức truyền nhiệt nhờ xạ nhiệt Ban ngày, mặt đất hấp thu lượng xạ mặt trời nóng lên Do có nhiệt độ cao nên mặt đất lại phát sinh xạ sóng dài truyền vào khí Độ dài bước sóng xạ mặt đất phụ thuộc vào nhiệt độ tuân theo định luật Wien Biểu thức Wien có dạng : λmax = b/T (11) Trong đó: b số Wien, b = 2,886.10-3 mm.độ Năng lượng xạ nhiệt tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc nhiệt độ tuyệt đối (xem chương 1) Eđ = δ.σ.T4 (12) Trong đó: σ số Stefan-Boltzmann, σ = 0,826.10-10 [cal/cm2/phút.độ-4]; nhiệt độ vật (0K) Các lớp khơng khí thấp hấp thu xạ sóng dài phản xạ sóng ngắn từ mặt đất vào ban ngày để nóng lên, sau đến lượt chúng lại phát xạ làm nóng lớp lân cận, nóng lên lan dần đến lớp cao Trong thời kỳ lạnh mặt đất, dòng xạ nghịch hướng từ lớp khơng khí cao xuống mặt đất bổ sung lượng cho mặt đất Quá trình thường xảy mạnh vào ban đêm trình loạn lưu yếu, nhiệt độ khơng khí lớp cao nóng lớp thấp (nghịch nhiệt) e) Phương thức truyền nhiệt nhờ tiềm nhiệt bốc Để bốc gam nước cần cung cấp khoảng 600 calo, ngược lại, ngưng kết gam nước tỏa lượng nhiệt tương tự Vì nước bốc từ mặt đất 50 ngưng kết lớp cao thân chúng tham gia vào trình truyền nhiệt cho khí Phương thức truyền nhiệt gọi truyền nhiệt nhờ tiềm nhiệt bốc Trong tất phương thức truyền nhiệt, phương thức đối lưu loạn lưu quan trọng Người ta nhận thấy truyền nhiệt đối lưu loạn lưu lớn gấp 125 lần truyền nhiệt xạ gấp 500.000 lần dẫn nhiệt phân tử Như vậy, nhờ q trình trao đổi nhiệt mặt đất khí làm cho nhiệt độ mặt đất luôn thay đổi nhờ mà nhiệt độ khơng khí mặt đất điều hịa quy mơ tồn cầu 2.2 Sự biến thiên nhiệt độ khơng khí a) Biến thiên hàng ngày nhiệt độ khơng khí Sự dao động nhiệt độ khơng khí giống dao động nhiệt độ đất Theo độ cao cột khơng khí, xa mặt đất nhiệt độ biến thiên nhỏ dần, thời điểm xảy cực đại cực tiểu chậm dần Diễn biến hàng ngày nhiệt độ khơng khí dao động đơn giản với cực đại xảy lúc 13 – 14 cực tiểu xảy trước mặt trời mọc Biên độ biến thiên hàng ngày nhiệt độ khơng khí ln nhỏ biên độ hàng ngày nhiệt độ mặt đất phụ thuộc vào số yếu tố sau đây: - Phụ thuộc vào vĩ độ địa lý: Biên độ nhiệt độ giảm vĩ độ tăng Biên độ nhiệt độ lớn quan sát thấy vĩ độ cận nhiệt đới (khoảng 20 – 25 oC) sa mạc, biên độ nhiệt độ nhỏ quan sát thấy vùng cực đới Trung bình biên độ nhiệt độ ngày vùng nội chí tuyến 10 - 12oC, vùng ơn đới – 9oC, vùng cực đới – 4oC - Phụ thuộc vào mùa năm: Tại vùng cực đới vào mùa đông, biến thiên hàng ngày hẳn, cịn vào mùa hè nhỏ Ngược lại, vào mùa xuân mùa thu biến đổi nhiệt độ vùng có biên độ lớn Tại vĩ độ ôn đới, biên độ nhỏ thường thấy vào mùa đông (2 – 4oC), lớn vào đầu mùa hè (8-12oC) Tại vĩ độ nhiệt đới, nhiệt độ biến thiên hàng ngày năm - Phụ thuộc vào địa hình: dạng địa hình lồi (đồi, núi) biên độ biến thiên hàng ngày nhỏ, địa hình lõm (vùng trũng, thung lũng) biên độ nhiệt độ hàng ngày cao Nguyên nhân địa hình lồi, bề mặt tiếp giáp đất khơng khí nhỏ, trao đổi tự lớp khơng khí cao thấp lớn Ban ngày, đám khơng khí mới, chưa sấy nóng đưa tới làm cho khơng khí mát mẻ Cịn ban đêm khơng khí lạnh nặng hơn, trượt theo sườn núi chảy xuống Ở cao, khơng khí nóng dồn tới làm lạnh nhập vào dịng chảy xuống tạo thành vịng khép kín Cịn địa hình lõm, thấp ban ngày khơng khí nóng lên nhanh mặt đất truyền nhiệt tới Vì địa hình trũng khuất nên khơng khí thay đổi Ban đêm khơng khí lạnh từ sườn núi tràn xuống, nhiệt độ giảm nhanh nên biên độ nhiệt độ ngày đêm cao - Phụ thuộc vào đặc điểm mặt đệm: mặt đệm thường mặt đất, mặt nước, thực bì Sự khác đặc tính mặt đệm có ảnh hưởng nhiều đến biên độ hàng ngày nhiệt độ khơng khí Biên độ hàng ngày mặt nước nhỏ đất liền mặt đất hấp thu nhiều nhiệt mặt nước, mặt nước phẳng, khơng có chướng ngại vật, tốc độ gió thường lớn Biên độ biến thiên hàng ngày nhiệt độ khơng khí đất cát lớn đất sét, đất sẫm màu đất xới xáo lớn đất màu nhạt không xới xáo Trên đất có lớp phủ thực vật biên độ nhiệt độ khơng khí nhỏ đất khơng có lớp phủ thực vật - Vị trí tương đối biển lục địa: Càng xa biển, vào sâu đất liền biên độ nhiệt độ ngày đêm tăng lên 51 Bảng 3.8 Biến thiên nhiệt độ ngày theo khoảng cách từ bờ biển Biên độ nhiệt độ ngày tháng (oC) Khoảng cách từ bờ biển (km) Tháng I Tháng IV Tháng VII Tháng X 5,5 5,0 5,8 6,3 50 6,2 5,7 6,2 6,6 100 6,6 6,3 6,7 7,3 200 7,0 7,0 7,7 8,6 300 7,0 7,4 8,1 9,0 Nguồn: Viện Khí tượng thủy văn (1990) - Phụ thuộc vào lượng mây bầu trời: Trong ngày nhiều mây biên độ nhiệt độ khơng khí nhỏ so với ngày quang mây Mây nhiều vào ban ngày giữ lại lượng xạ phản xạ mặt đất nhiều hơn, vào ban đêm giữ lại phát xạ sóng dài mặt đất, hạn chế nhiệt - Phụ thuộc vào độ cao so với mực nước biển: Độ cao tăng biên độ giảm thời gian xảy cực đại, cực tiểu chậm lại b) Diễn biến hàng năm nhiệt độ không khí Trên lục địa, hàng năm cực đại nhiệt độ khơng khí quan sát thấy vào tháng bảy, cực tiểu vào tháng giêng Trên đại dương miền duyên hải lục địa, cực đại xảy vào tháng tám, cực tiểu xảy vào tháng hai, tháng ba Biến thiên hàng năm nhiệt độ không khí phụ thuộc vào yếu tố sau: - Vĩ độ địa lý: Vĩ độ địa lý tăng biên độ nhiệt độ tăng vùng vĩ độ cao chênh lệch cân nhiệt mùa đông mùa hè khác Chênh lệch đạt trị số lớn vĩ độ cực đới Trị số nhỏ biên độ hàng năm quan sát thấy vùng xích đạo, nơi lượng nhiệt xạ mặt trời quanh năm không thay đổi Trên trái đất, phân biệt kiểu biến thiên nhiệt độ hàng năm sau đây: * Kiểu xích đạo: nhiệt độ biến thiên kép, năm có cực đại vào dịp xuân phân (21/3) thu phân (23/9), cực tiểu vào dịp hạ chí (22/6) đơng chí (22/12) Biên độ nhiệt độ nhỏ: lục địa từ - 100C, mặt biển 10C, vùng duyên hải - 30C * Kiểu nhiệt đới: nhiệt độ biến thiên kiểu đơn, năm có cực đại xuất vào sau ngày hạ chí (22/6) cực tiểu xuất sau ngày đơng chí (22/12) Biên độ nhiệt độ lục địa từ 10 - 200C, đại dương khoảng 50C * Kiểu ôn đới: tương tự kiểu nhiệt đới giá trị cực trị thường đến muộn Cực đại nhiệt độ thường xảy vào tháng 7, cực tiểu xảy vào tháng lục địa đại dương, cực đại nhiệt độ quan sát thấy vào đầu tháng 8, cực tiểu vào tháng Biên độ nhiệt độ cao cực tiểu thường thấp, lục địa 20 - 400C, đại dương 10 - 200C * Kiểu cực đới cận cực đới: hàng năm có mủa đông kéo dài -9 tháng, mùa hè mát mẻ ngắn Biên độ nhiệt độ cao, đất liền biên độ 65 -75 0C, vùng duyên hải biên độ nhiệt độ 25 - 400C, đại dương 20 - 300C - Đặc điểm mặt đệm: Trên mặt biển, biến thiên hàng năm nhiệt độ nhỏ, xa bờ biển vào sâu lục địa biên độ tăng lên Ở vùng cực đới, đất liền biên độ nhiệt độ hàng năm lên tới 65oC, vùng bờ biển vào khoảng 25 – 40oC Biên độ hàng năm nhỏ quan sát thấy xích đạo – 10oC đất liền 1-3oC vùng ven biển 52 - Độ cao so với mực nước biển: Độ cao tăng biên độ giảm - Lượng mây mưa: Mây mưa nhiều biên độ nhiệt độ nhỏ so với trời quang mây mưa c) Biến thiên nhiệt độ khơng khí theo phương thẳng đứng Sự biến thiên nhiệt độ khơng khí theo độ cao đặc trưng gradien nhiệt độ thẳng đứng, ký hiệu γ Trị số gradien nhiệt độ thẳng đứng biểu thị biến thiên nhiệt độ ứng với 100 m độ cao (lấy với dấu âm), nghĩa là: o t −t γ = − c t = − ∆t (13) zc − zt 100 m Trong đó: tc nhiệt độ ứng vởi độ cao zc, tt nhiệt độ ứng với độ cao zt (tính theo khoảng cách hàng trăm mét độ cao tầng đối lưu khí quyển) Nếu tc< tt tức nhiệt độ giảm theo độ cao gradien nhiệt độ thẳng đứng có giá trị dương ( γ >0) Nếu tc>tt nghĩa nhiệt độ tăng theo độ cao gradien nhiệt độ thẳng đứng có giá trị âm ( γ