CHƯƠNG II BỨC XẠ TRONG KHÍ QUYỂN
2.3 Chế độ nhiệt của đất, nước và không khí
2.3.4 Sự biến đổi của nhiệt độ không khí theo thời gian và không gian
a) Biến trình ngày:
Nếu xét ở độ cao 2 m (độ cao đo đạc các yếu tố khí tượng) thì biến trình ngày của nhiệt độ không khí có một cực đại vào khoảng 14 - 15 giờ và một cực tiểu xuất hiện trước lúc mặt trời mọc.
Biến trình ngày của nhiệt độ không khí phụ thuộc vào các nhân tố sau:
- Phụ thuộc vào vĩ độ địa lý ϕ: Biến thiên của nhiệt độ trong ngày theo vĩ độ phụ thuộc vào sự biến thiên của độ cao mặt trời lúc giữa trưa: khi vĩ độ tăng thì độ cao mặt trời giảm dần và biên độ nhiệt cũng giảm dần. Ví dụ: ở vùng nhiệt đới biên độ biến trình ngày của nhiệt độ trung bình là 12oC, ôn đới là 8oC đến 9oC, cực là 3oC đến 4oC.
- Phụ thuộc vào mùa trong năm: Biên độ ngày của nhiệt độ không khí về mùa đông lớn hơn vào mùa hè. Điều này thể hiện rõ nhất ở vùng ôn đới và các vùng nằm
sâu trong lục địa; các vùng nhiệt đới, các vùng ven biển, hải đảo sự thay đổi của biên độ ngày ít hơn.
- Phụ thuộc vào địa hình bề mặt: Địa hình của bề mặt đất cũng ảnh hưởng lớn đến chế độ nhiệt của không khí. Chẳng hạn: ở sườn đón gió biên độ nhiệt nhỏ hơn ở sườn khuất gió; so với mặt phẳng thì: địa hình lồi làm giảm biên độ nhiệt hàng ngày; còn địa hình lõm làm tăng biên độ nhiệt hàng ngày. Sở dĩ như vậy là vì: ở sườn đón gió, ở những địa hình lồi, ban ngày luôn có lớp không khí mới chưa được sấy nóng tới làm cho nhiệt độ không khí ở đó tăng lên ít; còn ban đêm không khí lạnh ở trên sườn dốc cao chảy xuống phía dưới và không khí nóng ở trên sườn bổ sung xuống làm nhiệt độ không khí ở đó giảm đi ít - biên độ ngày của nhiệt độ nhỏ. Ngược lại ở sườn khuất gió, ở những địa hình lõm, ban ngày không khí tiếp xúc với bề mặt được giữ lại, được đốt nóng và nhiệt độ tăng lên nhiều; còn ban đêm không khí lạnh nặng hơn trườn xuống dốc và phát xạ của mặt đất mạnh làm cho nhiệt độ không khí giảm đi nhiều - biên độ ngày của nhiệt độ lớn.
- Phụ thuộc vào đặc tính của bề mặt đệm: Đặc tính bề mặt đệm khác nhau thì sự biến thiên nhiệt độ ngày cũng khác nhau: Biên độ nhiệt độ ngày ở vùng trên biển, đại dương, hồ lớn nhỏ hơn ở trong đất liền. Biên độ nhiệt độ ngày ở vùng đất cát lớn hơn vùng đất sét; vùng đất thẫm đã canh tác lớn hơn vùng đất sáng màu chưa canh tác;
vùng có lớp phủ lớn hơn vùng đất trơ trụi...
- Phụ thuộc vào điều kiện thời tiết: Điều kiện thời tiết ảnh hưởng lớn tới biến trình ngày của nhiệt độ: Ngày nhiều mây biên độ ngày của nhiệt độ nhỏ hơn ngày ít mây;
khi mây thấp chiếm ưu thế biên độ ngày của nhiệt độ nhỏ hơn khi mây cao chiếm ưu thế. Ngày có độ ẩm lớn, biên độ ngày của nhiệt độ nhỏ hơn ngày khô ráo. Ngày có gió lớn, biên độ ngày của nhiệt độ nhỏ hơn ngày lặng gió...
b) Biến trình năm:
ở độ cao 2 m, biến trình năm của nhiệt độ không khí có dạng như sau:
- Dạng xích đạo: Biến trình kép, có 2 cực đại và 2 cực tiểu: Cực đại xuất hiện sau ngày phân (ứng với độ cao mặt trời lớn nhất); cực tiểu xuất hiện sau ngày chí (ứng với độ cao mặt trời nhỏ nhất). Biên độ biến trình nhỏ nhất so với các đới trên địa cầu (sự biến thiên của độ cao mặt trời nhỏ): A = 1oC (trên biển), A = 5oC đến 10oC (trên lục địa).
- Dạng nhiệt đới: Biến trình đơn, có 1 cực đại và 1 cực tiểu: Cực đại xuất hiện sau ngày hạ chí; cực tiểu xuất hiện sau ngày đông chí. Biên độ biến trình khoảng 5oC (trên biển) và 10oC đến 20oC (trên lục địa).
- Dạng ôn đới: Biến trình đơn, có 1 cực đại và 1 cực tiểu: Cực đại xuất hiện vào khoảng tháng VIII (trên biển) hoặc tháng VII (trên lục địa); cực tiểu xuất hiện vào khoảng tháng II (trên biển) hoặc tháng I (trên lục địa). Biên độ biến trình khoảng 10oC trên biển, còn trên lục địa thì lớn hơn nhiều (ví dụ: tại trung tâm lục địa châu á ở Iacútscơ A = 62,5oC).
- Dạng cực đới: Biến trình đơn, có nét đặc biệt: Do đặc trưng của vùng cực đới là mùa đông kéo dài, mùa hè mát và ngắn; nên cực đại của biến trình năm tương đối thấp và xảy ra vào khoảng tháng VII (trên lục địa) và tháng VIII (trên biển), còn cực tiểu lại
rất sâu và xảy ra vào khoảng tháng I (trên lục địa) và tháng II (trên biển). Biên độ năm của nhiệt độ cũng khá lớn, trung bình khoảng 25o, có nơi lên tới 60o (ví dụ: ở Véckhôianscơ A = 65oC).
Biến trình năm của nhiệt độ không khí có dạng của sự diễn biến bức xạ mặt trời và phát xạ mặt đất. Do đó, nó cũng thay đổi theo vĩ độ, địa hình, mặt đệm...
trong đó: ảnh hưởng của vĩ độ địa lý là lớn nhất; biên độ năm của nhiệt độ lớn nhất ở vùng cực và nhỏ nhất ở vùng xích đạo.
2) Biến đổi nhiệt độ không khí theo độ cao:
a) Građiăng nhiệt độ thẳng đứng:
Do sự truyền nhiệt giữa bề mặt đất và không khí nên nhiệt độ không khí có sự biến thiên theo độ cao. Để đặc trưng cho sự biến đổi này người ta dùng građiăng nhiệt độ thẳng đứng.
Građiăng nhiệt độ thẳng đứng là trị số biến thiên của nhiệt độ không khí trên một đơn vị độ cao là 100 m. Ký hiệu là γ.
γ = −
z T
∂
∂ = − z T Δ
Δ = −
1 2
1 2
z z
T T
−
− Trong đó: T1, T2: nhiệt độ không khí ở độ cao z1, z2;
Dấu (−) biểu thị sự giảm nhiệt độ theo độ cao trong tầng đối lưu.
γ > 0: nhiệt độ giảm theo độ cao; γ < 0: nhiệt độ tăng theo độ cao và lớp khí quyển đó gọi là lớp nghịch nhiệt; γ = 0: nhiệt độ không đổi theo độ cao và lớp khí quyển đó gọi là lớp đẳng nhiệt.
γ đặc trưng cho sự phân bố nhiệt độ không khí theo chiều thẳng đứng trong khí quyển tĩnh (građiăng hình học); γ thuộc các khối khí khác nhau thì khác nhau. Tính trung bình trong tầng đối lưu γ = 0,6oC/100m, song ở các lớp không khí sát mặt đất thì γ lớn hơn nhiều.
b) Đường cong phân tầng nhiệt độ:
Từ định nghĩa γ, có thể tính được sự biến thiên của nhiệt độ theo độ cao:
T2 = T1 − γ
100 z z2 − 1
(*) Nếu ở mặt đất: z1 = 0 có nhiệt độ T0 thì:
T = T0 − γ
100
z (*’)
Dựa vào (*’) ta có thể xây dựng được đường phân bố nhiệt độ theo độ cao ứng với các γ khác nhau, gọi là đường cong phân tầng của nhiệt độ không khí (trong điều kiện tĩnh), hay còn gọi là đường tầng kết.
Dạng của đường tầng kết là một đường gẫy khúc bao gồm nhiều đoạn (mỗi đoạn ứng với một giá tri γ khác nhau); song thực ra, do không khí là một môi trường liên tục nên đường cong phân tầng của nhiệt độ uốn khúc một cách tương đối đều đặn.
3) Hiện tượng nghịch nhiệt trong khí quyển:
Hiện tượng nghịch nhiệt là hiện tượng mà nhiệt độ không khí tăng theo
γ
độ cao, tức là γ < 0.
Hình 2-14 biểu thị sơ đồ của hiện tượng nghịch nhiệt trong tầng đối lưu.
Trong khí quyển có thể hình thành và tồn tại những loại nghịch nhiệt sau đây:
Lớp nghịch nhiệt
Hình 2-14 a) Nghịch nhiệt bức xạ:
Sự hình thành nghịch nhiệt bức xạ có liên quan đến sự lạnh đi của bề mặt do bức xạ hữu hiệu: khi bức xạ hữu hiệu khá lớn, bề mặt đất bị mất nhiệt dữ dội làm cho lớp không khí sát bề mặt lạnh đi, trong khi đó các lớp không khí trên cao ảnh hưởng bề mặt ít hơn lạnh đi chậm hơn; kết quả là nhiệt độ không khí ở trên cao cao hơn nhiệt độ không khí ở dưới thấp và hình thành nghịch nhiệt. Nghịch nhiệt bức xạ được chia làm 2 loại: nghịch nhiệt ban đêm và nghịch nhiệt mùa đông. Nghịch nhiệt ban đêm, xảy ra vào ban đêm khi trời quang đãng, gió nhẹ với độ cao khoảng 200 đến 300 m. Nghịch nhiệt mùa đông, xảy ra vào mùa đông khi nhiệt độ không khí hàng ngày luôn giảm đi;
độ cao có thể đạt tới 1,5 km.
Ngoài ra, địa hình cũng thúc đẩy nghịch nhiệt bức xạ phát triển nhất là địa hình lõm.
b) Nghịch nhiệt địa hình:
Nghịch nhiệt địa hình hình thành khi ban đêm không khí lạnh từ sườn dốc tràn xuống dưới thung lũng, làm cho không khí đáy thung lũng lạnh hơn không khí phía trên thung lũng tạo thành nghịch nhiệt. Nếu ở thung lũng đã sẵn có nghịch nhiệt bức xạ thì nghịch nhiệt địa hình thúc đẩy làm tăng độ dày của nghịch nhiệt lên rõ rệt.
c) Nghịch nhiệt bình lưu nóng:
Nghịch nhiệt bình lưu nóng hình thành trên bề mặt đệm lạnh khi có không khí nóng tràn tới; cũng có thể nó được hình thành trên bề mặt đệm tương đối nóng khi có không khí nóng hơn nó tràn tới. ở vùng ôn đới và cực đới còn có nghịch nhiệt tuyết hay nghịch nhiệt mùa xuân hình thành do không khí nóng hơn mặt tuyết chuyển động trên mặt tuyết phủ hoặc tuyết tan.
d) Nghịch nhiệt loạn lưu:
Nghịch nhiệt loạn lưu hay còn gọi là nghịch nhiệt ma sát, hình thành khi không khí chuyển động trên bề mặt, do ma sát mà không khí sinh ra sự xáo trộn loạn lưu.
Trong sự xáo trộn này, có những thành phần không khí đi lên và đi xuống; chính thành phần không khí đi xuống nóng lên mà tạo thành nghịch nhiệt. Nghịch nhiệt loạn lưu chỉ hình thành khi građiăng nhiệt độ thẳng đứng của không khí rất nhỏ và thường là lớp nghịch nhiệt không dày trong lớp khí quyển có ma sát.
e) Nghịch nhiệt động lực:
Nghịch nhiệt động lực thường hình thành do nguyên nhân động lực. Nghịch nhiệt động lực thường xuất hiện trong khí quyển tự do do tốc độ chuyển động ngang của các lớp không khí không đều nhau. Trong khí quyển tự do, có thể xảy ra trường hợp một lớp không khí ở giữa chuyển động với vận tốc lớn hơn ở lớp trên và
dưới nó, dẫn tới ở lớp giữa sẽ thiếu hụt không khí và không khí sẽ được bổ sung từ trên xuống và từ dưới lên, từ đó tạo ra nghịch nhiệt
f) Nghịch nhiệt front:
Nghịch nhiệt front được hình thành trong vùng front, nơi tiếp xúc giữa không khí nóng và lạnh: không khí lạnh ở dưới, không khí nóng ở trên. Nghịch nhiệt front có thể dày tới hàng trăm mét, song cũng có khi vùng front chỉ hình thành lớp đẳng nhiệt hoặc lớp có građăng nhiệt độ thẳng đứng rất nhỏ.
g) Nghịch nhiệt nén:
Nghịch nhiệt nén hay còn gọi là nghịch nhiệt lắng. Nó thường được hình thành trong vùng xoáy nghịch (khu vực áp cao). Tại đây, tồn tại dòng không khí từ trên cao giáng xuống. Quá trình giáng này làm cho bản thân không khí nóng lên một cách đoạn nhiệt; đến một lúc nào đó nóng hơn không khí bên dưới nó thì tạo thành nghịch nhiệt. Như vậy, sự hình thành nghịch nhiệt nén phụ thuộc vào chế độ nhiệt trong xoáy nghịch. Có thể xác định được cao độ và độ dày của nghịch nhiệt nén nếu ta biết sự phân bố nhiệt độ không khí theo chiều thẳng đứng.
CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG II
1) Thành phần chớnh của khụng khớ trong khớ quyển và vai trũ của chỳng đối với bức xạ mặt trời trờn đường đi tới bề mặt trỏi đất ?
2) Những luận cứ nào chứng tỏ rằng khớ quyển của Trỏi đất là khụng đồng nhất
?
3) Xỏc định cỏc tham số trong định luật Bughờ và mối quan hệ giữa chỳng ? 4) Trỡnh bày cỏc điểm cơ bản về việc hỡnh thành cỏc dũng bức xạ trong khớ quyển. Phõn loại chỳng theo quan điểm khoa học bức xạ ?
5) Tớnh trung bỡnh trờn toàn trỏi đất cỏn cõn bức xạ bề mặt trỏi đất Rđ > 0 ; Rkq
< 0. Cú phải vỡ thế mà nhiệt độ bề mặt trỏi đất tăng lờn liờn tục khụng, vỡ sao ?
6) Trong thiờn nhiờn, đối với cỏc vựng nước thỡ quỏ trỡnh núng lờn và quỏ trỡnh lạnh đi quỏ trỡnh nào diễn ra nhanh hơn, vỡ sao ? Cũng hỏi như vậy đối với cỏc vựng đất ?
7) Căn cứ vào đõu để nghiờn cứu cỏc quy luật dao động nhiệt độ truyền bỏ trong lũng đất, nước ?
8) Cỏc dạng biểu thị sự biến đổi theo thời gian của cỏc yếu tố khớ tượng, cho vớ dụ ?