1992 (ảnh do NASA cung cấp)
5.6.2 Mơ hình chi tiết hơn của các quá trình bề mặt đất
Để cải tiến một cách đáng kể mơ hình bể chứa của n−ớc bề mặt đất cần phải đ−a vào các mơ hình phức tạp hơn nhiều nhằm mơ tả những t−ơng tác giữa khí quyển với thực vật và đất. Những mơ hình nh− vậy phải kết hợp một cách đầy đủ các nguồn động l−ợng, nhiệt và ẩm gần bề mặt và mô tả chúng một cách tinh tế và chi tiết với những mức độ thích hợp. Các q trình cần xem xét đã đ−ợc minh hoạ trên hình 5.5. Thực vật đóng vai trị trung tâm trong việc truyền động l−ợng, năng l−ợng và ẩm tại bề mặt, và cần phải đ−ợc đ−a vào mơ hình. Thực vật có ảnh h−ởng đến các q trình lớp biên thơng qua các tính chất vật lý và các q trình sinh học của chúng, và chúng có khả năng vận chuyển n−ớc qua lá với tốc độ nhanh tạo điều kiện thuận lợi cho sự quang hợp khi sẵn có n−ớc. Tuy nhiên, những khi thiếu n−ớc, thực vật có thể giảm c−ờng độ thốt hơi bằng cách đóng các khí khổng của chúng lại.
C−ờng độ thốt hơi n−ớc của thực vật phụ thuộc vào tính sẵn có của bức xạ hoạt động quang hợp, nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, n−ớc sẵn có chứa trong thực vật và trạng thái sinh lý của thực vật. C−ờng độ di chuyển n−ớc thông qua thực vật bị hạn chế bởi pha hơi trong lá hơn là bởi sự hút n−ớc lỏng trong rễ. Gradient áp suất hơi n−ớc điều khiển sự thốt hơi có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ lá. Vì lý do này và những lý do khác nữa, nhiệt độ lá là quan trọng đối với mơ hình, nó địi hỏi tính tốn sự truyền năng l−ợng qua tán cây và tính nguồn nhiệt đối với cấu trúc lá của thực vật. Sự truyền bức xạ mặt trời qua tán cây cũng quan trọng, vì nó xác định sự phân bố nhiệt đi vào trong khắp tán cây và tại bề mặt đất. Độ chiếu nắng sẽ bị lớp phủ thực vật hấp thụ nhiều hơn lớp đất nằm phía d−ới. Bởi vì thực vật và những bề mặt tự nhiên khác có albedo rất khác nhau đối với bức xạ nhìn thấy và bức xạ gần hồng ngoại, nên để có thể tính tốn chính xác, hai dải tần số bức xạ mặt trời này phải đ−ợc xử lý tách biệt. Sự cản trở các dịng khí tự do đ−ợc biểu diễn bởi cấu trúc vật lý của tán cây làm ảnh h−ởng đến sự thơng thống bên trong tán, mà điều đó là quan trọng đối với các thông l−ợng rối của động l−ợng, nhiệt và ẩm. Lý thuyết đồng dạng và các profile tốc độ nhận đ−ợc từ đó để dẫn đến các cơng thức khí động lực tổ
123 hợp là khơng phù hợp bên trong tán cây. Tốc độ gió trung bình và động năng rối bên trong tán cây nhỏ nhơn nhiều so với ở ngay phía trên nó. Các tính chất của khơng khí bên trong tán cây và tại bề mặt đất có thể rất khác với chúng ở gần đỉnh tán, nơi tiếp xúc trực tiếp với khí quyển.
Ngồi l−ợng ẩm lấy từ đất, thực vật cũng có thể chặn giữ lại một l−ợng n−ớc đáng kể từ giáng thủy và l−u giữ nó trên lá và cành. Hiệu lực của thực vật trong việc chặn giữ n−ớc m−a phụ thuộc vào cấu trúc lá, h−ớng lá, diện tích lá trên một đơn vị diện tích bề mặt, và phụ thuộc vào tần số và c−ờng độ giáng thủy. Thực vật cao, có chỉ số diện tích lá lớn, có thể làm giảm nhiều sự cung cấp ẩm cho đất do l−ợng giáng thủy bị chặn và tạo thuận lợi cho quá trình tái bốc hơi tr−ớc khi nó rơi xuống đến đất. Sự tổn thất tự nhiên của việc chặn giữ này có thể từ 15 đến 40% l−ợng giáng thủy đối với rừng tùng và từ 10−25% đối với rừng lá rụng ở vĩ độ trung bình. Sự tổn thất do chặn giữ sẽ lớn hơn nếu giáng thủy có c−ờng độ nhỏ hoặc bị gián đoạn, và nhỏ hơn nếu giáng thủy có c−ờng độ lớn hoặc liên tục. Để mơ hình hố sự chặn giữ và tích luỹ trên lá, cần phải tính đ−ợc các nguồn đối với l−ợng n−ớc đã l−u giữ trên bề mặt lá. N−ớc bề mặt này mất đi do bốc hơi phụ thuộc vào sự cung cấp năng l−ợng và khơng khí ch−a bão hồ tại mỗi mực bên trong tán cây.
Đất là nguồn cung cấp n−ớc chính cho q trình bốc thốt hơi. Có thể phân biệt ba lớp bên trong đất theo sự t−ơng tác của chúng với khí quyển. Lớp mỏng rất gần bề mặt xác định sự t−ơng tác của khí quyển với bề mặt đất trần trên qui mô thời gian giữa hai lần giáng thủy. Nếu lớp mỏng này trở nên bão hồ trong khi m−a thì dịng chảy mặt có thể xuất hiện. Nếu lớp này khơ thì bốc hơi bề mặt rất nhỏ và sự thoát hơi do thực vật trở thành cơ chế duy nhất nhờ đó n−ớc trong đất có thể bị lấy đi một cách hiệu quả. Phía d−ới lớp bề mặt là lớp sâu hơn, nơi rễ cây tập trung ở đó và hút ẩm từ đất. D−ới lớp rễ là lớp sâu hơn nữa cho đến nơi ẩm bị mang đi do lực trọng tr−ờng nếu đất đã bão hồ và từ đó ẩm có thể bị hút bởi hoạt động mao dẫn. (Bras, 1990).
Khả năng giữ ẩm của đất có thể đo bằng sức chứa khả năng (field capacity) của nó, đ−ợc định nghĩa nh− là tỷ phần thể tích cực đại của n−ớc mà đất giữ đ−ợc lại nhờ thắng lực trọng tr−ờng. Giá trị tiêu biểu (của sức chứa khả năng − ND) đối với đất nhiều mùn (loam) khoảng 30%, nh−ng phạm vi của sức chứa khả năng biến thiên trong khoảng từ 10% đối với bãi cát đến 55% đối với bãi than bùn. Nếu hàm l−ợng n−ớc của đất giảm xuống d−ới một mức nào đó, thực vật hút ẩm từ đất khơng ổn định và sẽ duy trì trạng thái héo trong tồn bộ thời gian ban ngày. Ng−ỡng héo cố định này điển hình là một phần ba đến một nửa sức chứa khả năng. ẩm đất sẵn có đối với thực vật là hiệu giữa tỷ phần thể tích n−ớc trong đất và ng−ỡng héo. ẩm đất sẵn có cực đại là hiệu giữa sức chứa khả năng và ng−ỡng héo, và bằng khoảng 15−20% đối với những đất điển hình.
Tính dẫn n−ớc của hầu hết các loại đất giảm nhanh khi đất bị khơ kiệt, do đó độ dẫn n−ớc trở nên rất nhỏ nếu hàm l−ợng n−ớc thấp hơn nhiều so với sức chứa khả năng. Nếu lớp đất bề mặt rất khơ, thì khả năng thấm sau khi m−a có thể bị hạn chế. T−ơng tự, đất trong lớp rễ có thể trở nên rất khơ, trong khi ẩm đất ở vài
cm phía d−ới những rễ sâu nhất vẫn duy trì giá trị gần sức chứa khả năng. Do đó, l−ợng n−ớc sẵn có đối với thực vật là xấp xỉ bằng tỷ phần thể tích n−ớc sẵn có nhân với độ sâu của rễ. Nếu rễ ăn sâu xuống khoảng một mét, và sức chứa khả năng sẵn có khoảng 15%, thì tổng l−ợng n−ớc sẵn có đối với thực vật khi đất đã bão hồ t−ơng đ−ơng lớp n−ớc dày khoảng 15 cm. Giá trị này có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn tuỳ thuộc vào loại đất và thực vật. Thực vật sống trên đất cát có xu h−ớng phát triển rễ xuống sâu, bù đắp lại tỷ phần thể tích n−ớc sẵn có thấp của cát.