- Gradient nhiệt theo phƣơng đứng gần bằng gradient trung bỡnh phƣơng đứng của nhiệt độ (60C/1km).
CHƢƠNG IV: CHẾ ĐỘ NHIỆT 4.1 Cỏn cõn nhiệt
4.2. Cõn bằng nhiệt lƣợng
Cõn bằng nhiệt lƣợng cú liờn hệ mật thiết với cõn bằng bức xạ.
1) Phƣơng trỡnh cõn bằng nhiệt lƣợng của mặt đất.
B + LE + M + QS = 0 (4.5)
Trong đú:
B: Cõn bằng bức xạ
LE: Nhiệt lƣợng bốc hơi hoặc nhiệt lƣợng ngƣng kết.
M: Thụng lƣợng nhiệt chảy xiết giữa mặt đất và tầng khụng
khớ.
QS: Tổng số của nhiệt lƣợng trao đổi (w) giữa mặt đất và tầng dƣới của khụng khớ với nhiệt lƣợng truyền theo bỡnh lƣu. Số hạng biểu thị sự truyền nhiệt lƣợng cho lớp mặt hoạt động đều mang dấu dƣơng, ngƣợc lại mang dấu õm.
Trờn mặt biển, QSbằng tổng của hai bộ phận: Nhiệt lƣợng trao đổi (w) ở tầng phớa trờn của nƣớc (nhiệt độ tầng này cú biến đổi năm) và sự thu chi (F) về nhiệt lƣợng do tỏc dụng truyền theo chiều nằm ngang trong vũng nƣớc tạo thành. Xột tỡnh hỡnh trung bỡnh
trong một năm thỡ bộ phận thứ nhất bằng khụng. QS chỉ bằng nhiệt lƣợng thu đƣợc hoặc chi mất do tỏc dụng trao đổi nhiệt lƣợng theo chiều nằm ngang (chủ yếu do hải lƣu) gõy ra.
Trờn lục địa QS bằng nhiệt lƣợng trao đổi (w) của thổ nhƣỡng. Vỡ cõn bằng bức xạ ban đờm là B = - E*, nờn phƣơng trỡnh cõn bằng nhiệt lƣợng ban đờm ở mặt thổ nhƣỡng cú dạng:
E* = LE + M + w (4.6)
Ban đờm khi độ ẩm khụng khớ cú nhiệt độ đến gần điểm sƣơng thỡ quỏ trỡnh bốc hơi của nƣớc sẽ thay bằng quỏ trỡnh ngƣng kết của hơi nƣớc, đồng thời trờn mặt thổ nhƣỡng hoặc mặt thực vật cũn cú sƣơng múc hỡnh thành hoặc nhiệt phúng ra trong quỏ trỡnh bốc hơi.
Xột trung bỡnh năm thỡ nhiệt lƣợng trao đổi của thổ nhƣỡng bằng khụng. Nờn phƣơng trỡnh cõn bằng nhiệt lƣợng:
B + LE + M = 0 (4.7)
Khi tớnh cõn bằng bức xạ B phải biết tổng bức xạ và bức xạ hữu hiệu. Vỡ số liệu quan trắc khụng nhiều, nờn cú thể dựng cụng thức (Ăng- Strom - Sa-vi-nốp) để tớnh tổng bức xạ và bức xạ hữu hiệu.
Nhiệt lƣợng bốc hơi cú thể tớnh theo thực nghiệm Su-Lay-kin
LE = - Lau (qs - q) (4.8)
Trong đú: u: Tốc độ giú
qs: Độ ẩm riờng của khụng khớ bóo hoà khi nhiệt độ bằng nhiệt độ nƣớc.
q: Độ ẩm riờng của khụng khớ a: Hệ số tỷ lệ
Thụng lƣợng nhiệt chẩy xiết giữa mặtbiểnvà khớ quyển
M = - cpau (θw - θ) (4.9)
Trong đú:
qwvà q là nhiệt độ mặt nƣớc và nhiệt độ khụng khớ
cp: Nhiệt dung của khụng khớ (p = const)
) ( ) ( w p s q c u q Lu B a (4.10)
2) Cõn bằng nhiệt lƣợng của địa cầu.
Khi mặt trời chiếu thẳng gúc thỡ trờn mỗi cm2 ở biờn giới trờn của khớ quyển trong một phỳt nhận đƣợc nhiệt lƣợng là I0 calo.
Đối với toàn bộ địa cầu bỏn kớnh R (diện tớch) là I0πR2. Nờn trong
một năm địa cầu nhận đƣợc thụng lƣợng bằng:
I0πR2 24 60 365,25 (4.11)
7574 74
4.2. Cõn bằng nhiệt lƣợng
Cõn bằng nhiệt lƣợng cú liờn hệ mật thiết với cõn bằng bức xạ.
1) Phƣơng trỡnh cõn bằng nhiệt lƣợng của mặt đất.
B + LE + M + QS = 0 (4.5)
Trong đú:
B: Cõn bằng bức xạ
LE: Nhiệt lƣợng bốc hơi hoặc nhiệt lƣợng ngƣng kết.
M: Thụng lƣợng nhiệt chảy xiết giữa mặt đất và tầng khụng
khớ.
QS: Tổng số của nhiệt lƣợng trao đổi (w) giữa mặt đất và tầng dƣới của khụng khớ với nhiệt lƣợng truyền theo bỡnh lƣu. Số hạng biểu thị sự truyền nhiệt lƣợng cho lớp mặt hoạt động đều mang dấu dƣơng, ngƣợc lại mang dấu õm.
Trờn mặt biển, QSbằng tổng của hai bộ phận: Nhiệt lƣợng trao đổi (w) ở tầng phớa trờn của nƣớc (nhiệt độ tầng này cú biến đổi năm) và sự thu chi (F) về nhiệt lƣợng do tỏc dụng truyền theo chiều nằm ngang trong vũng nƣớc tạo thành. Xột tỡnh hỡnh trung bỡnh
trong một năm thỡ bộ phận thứ nhất bằng khụng. QSchỉ bằng nhiệt lƣợng thu đƣợc hoặc chi mất do tỏc dụng trao đổi nhiệt lƣợng theo chiều nằm ngang (chủ yếu do hải lƣu) gõy ra.
Trờn lục địa QS bằng nhiệt lƣợng trao đổi (w) của thổ nhƣỡng. Vỡ cõn bằng bức xạ ban đờm là B = - E*, nờn phƣơng trỡnh cõn bằng nhiệt lƣợng ban đờm ở mặt thổ nhƣỡng cú dạng:
E* = LE + M + w (4.6)
Ban đờm khi độ ẩm khụng khớ cú nhiệt độ đến gần điểm sƣơng thỡ quỏ trỡnh bốc hơi của nƣớc sẽ thay bằng quỏ trỡnh ngƣng kết của hơi nƣớc, đồng thời trờn mặt thổ nhƣỡng hoặc mặt thực vật cũn cú sƣơng múc hỡnh thành hoặc nhiệt phúng ra trong quỏ trỡnh bốc hơi.
Xột trung bỡnh năm thỡ nhiệt lƣợng trao đổi của thổ nhƣỡng bằng khụng. Nờn phƣơng trỡnh cõn bằng nhiệt lƣợng:
B + LE + M = 0 (4.7)
Khi tớnh cõn bằng bức xạ B phải biết tổng bức xạ và bức xạ hữu hiệu. Vỡ số liệu quan trắc khụng nhiều, nờn cú thể dựng cụng thức (Ăng- Strom - Sa-vi-nốp) để tớnh tổng bức xạ và bức xạ hữu hiệu.
Nhiệt lƣợng bốc hơi cú thể tớnh theo thực nghiệm Su-Lay-kin
LE = - Lau (qs - q) (4.8)
Trong đú: u: Tốc độ giú
qs: Độ ẩm riờng của khụng khớ bóo hoà khi nhiệt độ bằng nhiệt độ nƣớc.
q: Độ ẩm riờng của khụng khớ a: Hệ số tỷ lệ
Thụng lƣợng nhiệt chẩy xiết giữa mặtbiểnvà khớ quyển
M = - cpau (θw - θ) (4.9)
Trong đú:
qwvà q là nhiệt độ mặt nƣớc và nhiệt độ khụng khớ
cp: Nhiệt dung của khụng khớ (p = const)
) ( ) ( w p s q c u q Lu B a (4.10)
2) Cõn bằng nhiệt lƣợng của địa cầu.
Khi mặt trời chiếu thẳng gúc thỡ trờn mỗi cm2 ở biờn giới trờn của khớ quyển trong một phỳt nhận đƣợc nhiệt lƣợng là I0 calo.
Đối với toàn bộ địa cầu bỏn kớnh R (diện tớch) là I0πR2. Nờn trong
một năm địa cầu nhận đƣợc thụng lƣợng bằng:
I0πR2 24 60 365,25 (4.11)
7574 74
Đem chia năng lƣợng này cho toàn bộ mặt địa cầu 4πR2 2 2 2 / 255000 4 60 365,25 24 0 calo cm R x x x R I năm 255 Kilocalo/cm2.năm. (4.12)
Trong bức xạ mặt trời (100%), cú 27% bị tầng mõy phản xạ trở lại khụng gian; do kết quả tỏn xạ của bức xạ trong khớ quyển nờn cũn cú 7% cũng quay trở lại khụng gian; 12% bị mõy hấp thụ, 6% bị bản thõn khớ quyển hấp thụ; chỉ cũn 48% tới mặt đất, trong đú 30% là bức xạ trực tiếp, 18% là bức xạ tỏn xạ.
Trong số 48% năng lƣợng bức xạ mặt trời chiếu tới mặt đất thỡ mặt đất hấp thụ 43% (27 + 16), cũn 5% (trong đú 2% đƣợc từ bức xạ tỏn xạ, 3% đƣợc từ bức xạ trực tiếp) bị mặt đất phản xạ. (Trong bức xạ phản xạ của mặt đất cũn cú một bộ phận (2%) bị khớ quyển, tầng mõy tỏn xạ và hấp thụ, một bộ phận khỏc (3%) quay lại
khụng gian).
Trỏi đất và khớ quyển cú thể làm cho 37% bức xạ súng ngắn mặt trời bị phản xạ (27 + 7 + 3%) vào khụng gian. Nờn suất phản xạ của địa cầu bằng 37%.
3) Cõn bằng nhiệt lƣợng ở cỏc vĩ độ.
Khi nghiờn cứu sự biến đổi của cõn bằng nhiệt lƣợng ở vĩ độ phải xột đến sự trao đổi nhiệt lƣợng theo hƣớng kinh tuyến do hoàn lƣu khớ quyển và cỏc dũng hải lƣu sinh ra.
Ở cỏc vĩ độ trờn mặt lục địa cú thể cho QS = 0 (trị số trung bỡnh năm của nhiệt lƣợng trao đổi trong thổ nhƣỡng w = 0) cõn
bằng nhiệt lƣợng:
B + LE + M = 0 (4.13)
Ở trờn mặt biển
B + LE + M + QS = 0 (4.14)
QS trờn biển bằng tổng của hai bộ phận: Nhiệt lƣợng trao đổi ở mặt nƣớc w, và sự thu chi nhiệt lƣợng do tỏc dụng vận chuyển theo
phƣơng nằm ngang (chủ yếu là do hải lƣu F) trong nội bộ nƣớc sinh
ra.
4) Cõn bằng nhiệt lƣợng trong khớ quyển.
Ba+ Lγ + M + A = 0 (4.15)
Trong đú, A: Nhiệt lƣợng truyền theo bỡnh lƣu (dũng khớ); γ: Lƣợng giỏngthuỷ;
Ba: Cõn bằng bức xạ khớ quyển.
Phải dựng nhiệt lƣợng thu đƣợc do ngƣng kết của giỏng thuỷ và nhiệt lƣợng do dũng chảy xiết trong khớ quyển vận chuyển tới để bự đắp cho cõn bằng bức xạ của khớ quyển (ở cỏc vĩ độ đều là trị số õm) nhiệt lƣợng cũn thừa sẽ do bỡnh lƣu truyền đến nơi khỏc.
5) Cõn bằng nhiệt lƣợng của toàn bộ hệ thống khớ quyển địa cầu.
Bs + L (E - γ) + A + F = 0 (4.16)
Trong đú, F: Nhiệt lƣợngdo hải lƣu vận chuyển; Bs: Cõn bằng bức xạ hệ thống.
Bs = B + Ba (4.17)
Vỡ Ba cú trị số õm,nờn cõn bằng bức xạ của toàn bộ hệ thống
Bsvĩnh viễn nhỏ hơn cõn bằng bức xạ của mặt đất B. Ở vĩ độ thấp
Bs dƣơng (>0), ở vĩ độ cao Bsõm (<0). Ở khoảng vĩ độ 400, Bs từ dƣơng chuyển sang õm. Toàn bộ bỏn cầu cú Bs = 0.
6) Cõn bằng nhiệt lƣợng của cỏc đới cảnh quan.
Tỷ trọng của cỏc bộ phận cấu tạo thành cõn bằng nhiệt lƣợng thay đổi rất lớn theo cảnh quan: Cõn bằng bức xạ núi chung tăng từ cực đến xớch đạo, nhƣng ở vựng sa mạc thỡ trị số cõn bằng bức xạ giảm đi tƣơng đối, vỡ ở sa mạc cú nhiệt độ thổ nhƣỡng cao và lƣợng nƣớc trong khụng khớ ớt. Trong rừng nhiệt đới, nhiệt cần cho bốc hơi rất lớn, cho nờn ở xớch đạo, nhiệt lƣợng do dũng chảy xiết truyền cho khụng khớ cũn lớn hơn trong sa mạc.
7776 76
Đem chia năng lƣợng này cho toàn bộ mặt địa cầu 4πR2 2 2 2 / 255000 4 60 365,25 24 0 calo cm R x x x R I năm 255 Kilocalo/cm2.năm. (4.12)
Trong bức xạ mặt trời (100%), cú 27% bị tầng mõy phản xạ trở lại khụng gian; do kết quả tỏn xạ của bức xạ trong khớ quyển nờn cũn cú 7% cũng quay trở lại khụng gian; 12% bị mõy hấp thụ, 6% bị bản thõn khớ quyển hấp thụ; chỉ cũn 48% tới mặt đất, trong đú 30% là bức xạ trực tiếp, 18% là bức xạ tỏn xạ.
Trong số 48% năng lƣợng bức xạ mặt trời chiếu tới mặt đất thỡ mặt đất hấp thụ 43% (27 + 16), cũn 5% (trong đú 2% đƣợc từ bức xạ tỏn xạ, 3% đƣợc từ bức xạ trực tiếp) bị mặt đất phản xạ. (Trong bức xạ phản xạ của mặt đất cũn cú một bộ phận (2%) bị khớ quyển, tầng mõy tỏn xạ và hấp thụ, một bộ phận khỏc (3%) quay lại
khụng gian).
Trỏi đất và khớ quyển cú thể làm cho 37% bức xạ súng ngắn mặt trời bị phản xạ (27 + 7 + 3%) vào khụng gian. Nờn suất phản xạ của địa cầu bằng 37%.
3) Cõn bằng nhiệt lƣợng ở cỏc vĩ độ.
Khi nghiờn cứu sự biến đổi của cõn bằng nhiệt lƣợng ở vĩ độ phải xột đến sự trao đổi nhiệt lƣợng theo hƣớng kinh tuyến do hoàn lƣu khớ quyển và cỏc dũng hải lƣu sinh ra.
Ở cỏc vĩ độ trờn mặt lục địa cú thể cho QS = 0 (trị số trung bỡnh năm của nhiệt lƣợng trao đổi trong thổ nhƣỡng w = 0) cõn
bằng nhiệt lƣợng:
B + LE + M = 0 (4.13)
Ở trờn mặt biển
B + LE + M + QS = 0 (4.14)
QS trờn biển bằng tổng của hai bộ phận: Nhiệt lƣợng trao đổi ở mặt nƣớc w, và sự thu chi nhiệt lƣợng do tỏc dụng vận chuyển theo
phƣơng nằm ngang (chủ yếu là do hải lƣu F) trong nội bộ nƣớc sinh
ra.
4) Cõn bằng nhiệt lƣợng trong khớ quyển.
Ba+ Lγ + M + A = 0 (4.15)
Trong đú, A: Nhiệt lƣợng truyền theo bỡnh lƣu (dũng khớ); γ: Lƣợng giỏngthuỷ;
Ba: Cõn bằng bức xạ khớ quyển.
Phải dựng nhiệt lƣợng thu đƣợc do ngƣng kết của giỏng thuỷ và nhiệt lƣợng do dũng chảy xiết trong khớ quyển vận chuyển tới để bự đắp cho cõn bằng bức xạ của khớ quyển (ở cỏc vĩ độ đều là trị số õm) nhiệt lƣợng cũn thừa sẽ do bỡnh lƣu truyền đến nơi khỏc.
5) Cõn bằng nhiệt lƣợng của toàn bộ hệ thống khớ quyển địa cầu.
Bs + L (E - γ) + A + F = 0 (4.16)
Trong đú, F: Nhiệt lƣợngdo hải lƣu vận chuyển; Bs: Cõn bằng bức xạ hệ thống.
Bs = B + Ba (4.17)
Vỡ Ba cú trị số õm,nờn cõn bằng bức xạ của toàn bộ hệ thống
Bsvĩnh viễn nhỏ hơn cõn bằng bức xạ của mặt đất B. Ở vĩ độ thấp
Bsdƣơng (>0), ở vĩ độ cao Bs õm (<0). Ở khoảng vĩ độ 400, Bs từ dƣơng chuyển sang õm. Toàn bộ bỏn cầu cú Bs = 0.
6) Cõn bằng nhiệt lƣợng của cỏc đới cảnh quan.
Tỷ trọng của cỏc bộ phận cấu tạo thành cõn bằng nhiệt lƣợng thay đổi rất lớn theo cảnh quan: Cõn bằng bức xạ núi chung tăng từ cực đến xớch đạo, nhƣng ở vựng sa mạc thỡ trị số cõn bằng bức xạ giảm đi tƣơng đối, vỡ ở sa mạc cú nhiệt độ thổ nhƣỡng cao và lƣợng nƣớc trong khụng khớ ớt. Trong rừng nhiệt đới, nhiệt cần cho bốc hơi rất lớn, cho nờn ở xớch đạo, nhiệt lƣợng do dũng chảy xiết truyền cho khụng khớ cũn lớn hơn trong sa mạc.
7776 76
Trong vựng rừng rậm nhiệt đới, lƣợng mƣa rất nhiều. Vỡ nhiệt độ của giọt nƣớc mƣa thấp hơn là nhiệt độ của thổ nhƣỡng, đồng thời ban ngày mƣa rơi vào lỳc thổ nhƣỡng chịu núng mạnh nhất, nờn trung bỡnh một năm cú nhiệt lƣợng 4 Kilocalo/cm2 dựng
vào việc làm tăng nhiệt nƣớc mƣa.
4.3. Lý thuyết gần đỳng về vận chuyển bức xạ trong
khớ quyển
Nghiờn cứu vấn đề vận chuyển bức xạ trong khớ quyển rất phức tạp, vỡ hệ số phỏt xạ của cỏc chất khớ trong khớ quyển ở cỏc quang phổ khỏc nhau rất là khỏc nhau.
Phƣơng phỏp rỳt gọn, bỏ qua tớnh chất khụng tuyến tớnh của hấp thụ trong cỏc vựng phổ:
Giả sử lớp nằm ngang của khớ quyển cú độ dầy dz hấp thụ bức xạ nhiệt là dw(z) (năng lƣợng bức xạ súng ngắn) từ luồng bức xạ mặt trời w(z) thỡ khi ký hiệu T = w
dw = α"ρw dz (4.18)
Trong đú, α": Hệ số tổng hợp trung bỡnh hấp thụ bức xạ súng ngắn.
ρ: Mật độ cỏc chất hấp thụ (α"ρ= k).
Nếu tia mặt trời khụng chiếu thẳng mà lệch một gúc thỡ độ dài đƣờng đi trong lớp dz sẽ là: ds = secξ dz, do đú cú thể ký hiệu α' = α"secξ. Nhƣ vậy:
dw = α'ρwdz (4.19)
Do dũng w giảm xuống dƣới, do đú dw/dz > 0
Giả sử dũng bức xạ súng dài A(z) đi từ trờn xuống dƣới. Từ dũng bức xạ này, khi trong lớp dz phần hấp thụ là:
dA1= αρAdz (4.20)
α: Là hệ số hấp thụ bức xạ súng dài.
Tại giới hạn dƣới của lớp dz, cựng với A(z) cũn cú bức xạ của bản thõn lớp này. Ta cú tỷ số giữa cỏc quỏ trỡnh hấp thụ và bức xạ là:
dE = - αρE dz (4.21)
Ở đõy E = ζT4. Hệ số <1, vỡ trong phần phổ súng dài khớ quyển bức xạ ớt hơn vật đen. Dấu trừ chứng tỏ A(z) tăng xuống phớa dƣới một lƣợng dE. Kết quả cú:
) (A fE dz
dA (4.22)
Hƣớngtừ dƣới lờn gặp A(z) là dũng bức xạ súng dài của trỏi đất và khớ quyển đƣợc ký hiệu là B(z). Lớp dz hấp thụ 1 lƣợng là (giống nhƣ từ A)
dB = - αρB dz (4.23)
Ở giới hạn trờn, cựng với dũng B(z) cú bức xạ của lớp dz:
dE = αρE dz (4.24)
(fE B)
dz
dB (4.25)
Tập hợp tất cả cỏc thành phần biểu thị hấp thụ nhiệt trong lớp dz, tỡm đƣợc tổng thu nhiệt của lớp là:
dz dz dT dz d dz w fE B A d a 2 (4.26) '
: Hệ số dẫn nhiệt rối khớ quyển
Đại lƣợng a dz dT dz
d đặc trƣng cho biến đổi lƣợng
nhiệt trong lớp dz do tớnh đến rối khớ quyển.
7978 78
Trong vựng rừng rậm nhiệt đới, lƣợng mƣa rất nhiều. Vỡ nhiệt độ của giọt nƣớc mƣa thấp hơn là nhiệt độ của thổ nhƣỡng, đồng thời ban ngày mƣa rơi vào lỳc thổ nhƣỡng chịu núng mạnh nhất, nờn trung bỡnh một năm cú nhiệt lƣợng 4 Kilocalo/cm2 dựng
vào việc làm tăng nhiệt nƣớc mƣa.
4.3. Lý thuyết gần đỳng về vận chuyển bức xạ trong
khớ quyển
Nghiờn cứu vấn đề vận chuyển bức xạ trong khớ quyển rất phức tạp, vỡ hệ số phỏt xạ của cỏc chất khớ trong khớ quyển ở cỏc quang phổ khỏc nhau rất là khỏc nhau.
Phƣơng phỏp rỳt gọn, bỏ qua tớnh chất khụng tuyến tớnh của hấp thụ trong cỏc vựng phổ:
Giả sử lớp nằm ngang của khớ quyển cú độ dầy dz hấp thụ bức xạ nhiệt là dw(z) (năng lƣợng bức xạ súng ngắn) từ luồng bức xạ mặt trời w(z) thỡ khi ký hiệu T = w
dw = α"ρw dz (4.18)
Trong đú, α": Hệ số tổng hợp trung bỡnh hấp thụ bức xạ súng ngắn.
ρ: Mật độ cỏc chất hấp thụ (α"ρ= k).
Nếu tia mặt trời khụng chiếu thẳng mà lệch một gúc thỡ độ