Trong đó, phần mở đầu nêu một khái niệm cơ bản về thời tiết và khí hậu, nhiệm vụ và đối tượng của môn học; Chương 1 giới thiệu về thành phần và kiến trúc khí quyển; Chương 2 trình bày v
Những khái niệm cơ bản của khí tượng, khí hậu học
Khái niệm về khí tượng học
Khí quyển là lớp vỏ không khí bao quanh trái đất, nơi diễn ra nhiều hiện tượng vật lý phức tạp như sự thay đổi nhiệt độ, hình thành mây, mưa, gió và bão Những hiện tượng này có ảnh hưởng sâu sắc đến đời sống và hoạt động kinh tế của con người Do đó, nghiên cứu khí quyển là một nội dung cơ bản trong lĩnh vực khí tượng học.
Khí tượng học là khoa học nghiên cứu các hiện tượng và quá trình vật lý trong khí quyển, nhằm tìm ra quy luật chi phối và xây dựng biện pháp dự báo Đối tượng nghiên cứu chính là khí quyển, nhưng nó cũng có mối liên hệ chặt chẽ với mặt đệm như mặt đất, mặt nước và mặt thực bì thông qua các quá trình trao đổi nhiệt, ẩm và khí Việc nghiên cứu những tương tác này giúp con người hiểu rõ hơn về khí quyển và phát triển các biện pháp can thiệp hiệu quả.
Tuỳ theo mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu, khí tượng học đã phân ra thành các môn học sau:
Khí tượng học cơ sở, hay còn gọi là khí tượng học đại cương, là một lĩnh vực khoa học chuyên nghiên cứu bản chất vật lý của khí quyển Nó xác lập những quy luật chung nhất liên quan đến các hiện tượng và quá trình diễn ra trong khí quyển.
Khí tượng dự báo là một lĩnh vực khoa học chuyên nghiên cứu các quy luật hình thành, phân bố và biến đổi của thời tiết Nó cũng tập trung vào việc phát triển các phương pháp dự báo thời tiết dựa trên việc phân tích diễn biến của các yếu tố khí tượng trên bản đồ địa lý, cụ thể là bản đồ Sy-nốp, nơi ghi nhận các số liệu quan trắc.
Các chuyên ngành khí tượng học bao gồm khí tượng học hàng không, hàng hải, xây dựng, nông nghiệp và lâm nghiệp, nhằm nghiên cứu và sử dụng tài nguyên khí hậu phục vụ cho các lĩnh vực kinh tế quốc dân và quốc phòng.
Khí quyển đóng vai trò quan trọng trong môi trường, ảnh hưởng lớn đến sự sinh trưởng và phát triển của rừng Thành phần khí quyển và các yếu tố khí tượng có tác động mạnh mẽ đến phân bố, đời sống, khả năng tái sinh rừng, cũng như sự xuất hiện của sâu bệnh và cháy rừng Các yếu tố khí tượng là những nhân tố sinh thái thiết yếu trong hệ sinh thái rừng, và sự thay đổi của chúng có thể ảnh hưởng đến sức khỏe và sự bền vững của rừng.
2 có tính chu kỳ của các nhân tố khí hậu đã gây dấu ấn đến hoạt động sống của rừng như số lượng loài, lượng tăng trưởng, vòng năm, v.v…
Rừng không chỉ bị ảnh hưởng bởi khí quyển mà còn có tác động mạnh mẽ đến khí quyển, thay đổi thành phần và tính chất vật lý của nó.
Rừng tạo ra một tiểu khí hậu độc đáo với cấu trúc tầng tán lá đa dạng, ảnh hưởng đến thành phần không khí, bức xạ, nhiệt độ, độ ẩm và gió Trong rừng, lượng bức xạ trực tiếp, biên độ nhiệt độ và gió thường thấp hơn so với bên ngoài, trong khi độ ẩm không khí và bức xạ khuyếch tán lại cao hơn Tiểu khí hậu này đóng vai trò quan trọng trong sự tồn tại và phát triển của động vật, vi sinh vật đất, cây bụi thảm tươi, cũng như cường độ và hướng tái sinh của rừng.
Theo thống kê của FAO (2020), diện tích rừng trên trái đất khoảng 4,06 tỷ ha, phân bố rộng rãi trên các lục địa và đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện điều kiện khí tượng cho cả khu vực lân cận và các châu lục Rừng giúp điều hòa nhiệt độ, tăng độ ẩm không khí, gia tăng lượng mưa và giảm thiểu tác hại của bão cũng như gió khô nóng Bên cạnh việc cải thiện khí hậu, rừng còn có chức năng sinh thái quan trọng như giữ đất, bảo vệ và điều tiết nguồn nước, cũng như làm trong lành khí quyển.
Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường, đặc biệt là khí quyển, đến đời sống rừng có ý nghĩa lý luận và thực tiễn quan trọng Các biện pháp kỹ thuật lâm sinh nhằm điều tiết mâu thuẫn giữa yêu cầu sinh thái của cây rừng và điều kiện môi trường, tạo ra sự ổn định giữa cơ thể và môi trường Đồng thời, nhà lâm học cần xem xét tác động của rừng đối với điều kiện khí tượng thủy văn để điều chỉnh mối quan hệ này một cách hợp lý.
Khí tượng thuỷ văn rừng là lĩnh vực khoa học nghiên cứu các hiện tượng khí tượng, khí hậu và thuỷ văn có liên quan đến sản xuất lâm nghiệp, đồng thời phân tích sự tương tác giữa chúng.
1.1.2 Khái niệm về khí hậu học
Trong nghiên cứu khí tượng, thời tiết và khí hậu dược xem là hai khái niệm cơ bản
Thời tiết là trạng thái của khí quyển tại một địa điểm và thời điểm cụ thể Để mô tả thời tiết, người ta sử dụng nhiều yếu tố khí tượng khác nhau.
Các đại lượng phản ánh tính chất vật lý của khí quyển bao gồm nhiệt độ, áp suất, độ ẩm không khí, vận tốc gió và lượng mưa.
Khí hậu là tổng thể các điều kiện thời tiết diễn ra liên tục trong nhiều năm tại một khu vực cụ thể Nó được hình thành dưới ảnh hưởng của bức xạ mặt trời, các yếu tố vật lý và địa lý của địa phương, cùng với sự tuần hoàn của khí quyển.
Khi mô tả khí hậu, người ta thường sử dụng các giá trị trung bình, cực trị và các đặc điểm biến đổi của các chỉ tiêu khí tượng Những chỉ tiêu này được gọi là chỉ tiêu khí hậu, phản ánh các yếu tố tổng hợp và riêng lẻ của khí hậu.
Khí hậu học: là môn học nghiên cứu các quy luật hình thành khí hậu và chế độ khí hậu của các nước, các vùng
1.2.3 Khái niệm về thủy văn học
Mục tiêu, đối tượng và nhiệm vụ của môn học khí tượng thủy văn
Mục tiêu
Xây dựng những giải pháp khai thác tài nguyên khí tượng thuỷ văn phục vụ sản xuất lâm nghiệp.
Đối tượng
Đối tượng nghiên cứu của khí tượng thủy văn bao gồm các hiện tượng và quá trình xảy ra trong khí quyển, cũng như mối quan hệ tương tác giữa các yếu tố khí tượng và rừng.
Nhiệm vụ
Nghiên cứu sự biến đổi của các yếu tố khí tượng cơ bản là cần thiết để hiểu rõ ảnh hưởng của chúng đến sản xuất nông lâm nghiệp Các yếu tố khí tượng quan trọng bao gồm bức xạ, nhiệt độ đất và nhiệt độ không khí, đóng vai trò quyết định trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng cũng như vật nuôi Việc nắm bắt quy luật biến đổi của những yếu tố này giúp tối ưu hóa sản xuất và nâng cao hiệu quả kinh tế trong lĩnh vực nông lâm nghiệp.
Nghiên cứu sự biến đổi của các yếu tố khí tượng và quy luật sinh học giúp làm rõ ảnh hưởng của chế độ khí tượng thủy văn đối với rừng, đồng thời cũng chỉ ra tác động ngược của rừng đến khí quyển.
Để nghiên cứu khí tượng thủy văn rừng hiệu quả, cần xây dựng một phương pháp nghiên cứu phù hợp, bao gồm việc quan trắc các yếu tố như mưa, nhiệt độ và độ ẩm Đồng thời, cần phân tích mối quan hệ tương tác giữa các yếu tố khí tượng và hệ sinh thái rừng, nhằm hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của khí hậu đến sự phát triển và bảo tồn rừng.
Lịch sử phát triển của khoa học khí tượng, khí hậu học
Lịch sử phát triển của khoa học khí tượng, khí hậu học trên thế giới
Trước những hiện tượng thiên nhiên kỳ vĩ, con người cổ xưa thường giải thích bằng sức mạnh của các vị thần tối cao, như Thần mặt trời, Thần gió, Thần mưa, và Thần sấm Hầu hết các nền văn minh cổ đại đều có những tín ngưỡng này, phản ánh nhu cầu của con người về sự hỗ trợ để vượt qua sức mạnh của thiên nhiên Đồng thời, từ xa xưa, con người cũng đã tích lũy kinh nghiệm trong nông nghiệp để dự đoán thời tiết, bảo vệ mùa màng và chế ngự thiên tai Những cao dao và tục ngữ về thời tiết có thể coi là những bước đầu trong nghiên cứu khí hậu học, mặc dù còn nhiều hạn chế và sai lầm do ảnh hưởng của tôn giáo.
Những nhà tư tưởng Hy Lạp là những người đầu tiên đưa ra giải thích logic về các hiện tượng tự nhiên và nguồn gốc của thế giới Vào thế kỷ VI trước Công Nguyên, nhà triết học Thales đã dự đoán được hiện tượng nhật thực Một thế kỷ sau, Anaxagoras đã khẳng định rằng mặt trời và mặt trăng không phải là thần linh Từ năm 384 trước Công Nguyên, Aristotle đã viết cuốn "Bầu trời" (The Sky), trong đó ông cho rằng mọi vật được cấu thành từ bốn yếu tố: đất, không khí, nước và lửa, và mỗi yếu tố đều có vận động riêng Thời tiết được xem là những biến tướng của các yếu tố này diễn ra hàng ngày quanh chúng ta.
6 phẩm khí hậu đầu tiên của loài người mặc dù nhiều hiện tượng thời tiết được mô tả và giải thích theo quan điểm đã lỗi thời của Aristot
Năm 1543, nhà thiên văn học Nicolas Copernic đã đề xuất "Thuyết Nhật tâm", cho rằng mặt trời là trung tâm của vũ trụ với 9 hành tinh, bao gồm trái đất, quay xung quanh Thế kỷ XVI, Galilê phát minh ra kính thiên văn và nhiệt kế, trong khi năm 1644, Torricelli chế tạo khí áp kế, chứng minh không khí có trọng lượng Ông cũng phát hiện rằng khi áp suất khí quyển giảm, thời tiết thường trở nên không ổn định Năm 1783, anh em nhà Montgolfier ở Pháp chế tạo khí cầu bằng không khí nóng, và sau này sử dụng hydro, dẫn đến việc khinh khí cầu trở thành phương tiện chuyên chở hành khách vào năm 1930 Cuối thế kỷ XVIII, vào năm 1785, Lavoisier phát hiện ra ôxy và khí cacbonic.
Nhà bác học Lômônôxốp từ thế kỷ XVIII đã phát triển nhiều thiết bị khí tượng và nghiên cứu về vật lý khí quyển, khí hậu ảnh hưởng đến sản xuất và đời sống Vào cuối thế kỷ XIX, nhiều nhà khoa học Nga như P.I Brơunôp và A.I Vôâycôp đã xây dựng mạng lưới nghiên cứu khí tượng nông nghiệp trên toàn quốc Tại Mỹ, B Lêvingstơn đã thực hiện nhiều nghiên cứu về tiềm năng khí hậu phục vụ sản xuất, đạt độ chính xác trên 90% trong dự báo sâu bệnh và năng suất các loại cây trồng Ở Pháp, nhà bác học Gasparene đã nghiên cứu các phương pháp khai thác tiềm năng khí hậu như bức xạ mặt trời, giúp ngành nông nghiệp phát triển mạnh mẽ về sản lượng và chất lượng các sản phẩm như nho, hướng dương, lúa mì và củ cải đường.
Năm 1873, Tổ chức Khí tượng Quốc tế (IMO) được thành lập với mục đích trao đổi thông tin khí tượng toàn cầu Đến năm 1951, tổ chức này đã trở thành tổ chức hợp tác nhà nước về khí tượng và được công nhận là tổ chức chuyên môn của Liên Hiệp Quốc, mang tên Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO).
Ngành vũ trụ học đã có những bước phát triển mạnh mẽ cùng với sự tiến bộ của các lĩnh vực khoa học khác như toán học, vật lý và thiên văn học Một cột mốc quan trọng trong lịch sử vũ trụ học là vào ngày 4 tháng 10 năm 1957, khi Liên Xô phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên để khám phá vũ trụ.
Ngày 12 tháng 4 năm 1961, nhà du hành Iuri Gagarin của Nga đã thực hiện chuyến bay đầu tiên vào vũ trụ, đánh dấu sự khởi đầu của kỷ nguyên chinh phục không gian Nga và Mỹ là những quốc gia tiên phong trong việc khám phá mặt trăng và phóng các vệ tinh thăm dò các hành tinh như sao Hỏa, sao Kim và sao Mộc để thu thập dữ liệu khoa học Các chương trình quốc tế như COSPAS SARSAT và NASA đã đóng góp vào nghiên cứu vũ trụ và khí hậu bề mặt trái đất, giúp con người hiểu rõ hơn về môi trường sống của mình Nhờ vào các bức ảnh từ vệ tinh, chúng ta có thể thực hiện những nghiên cứu sâu hơn về thời tiết và khí hậu trên hành tinh của chúng ta.
Hiện nay, khí hậu trái đất đang đối mặt với những biến đổi tiêu cực, như tăng nhiệt độ không khí, dâng mực nước biển và giảm nguồn nước ngọt, gây ảnh hưởng đến sản xuất và đời sống Đồng thời, dân số toàn cầu đang gia tăng nhanh chóng, dẫn đến nguy cơ nạn đói Điều này đặt ra câu hỏi cấp bách cho các nhà khoa học và chuyên gia khí tượng: Con người cần làm gì để ứng phó với biến đổi khí hậu và duy trì sự cân bằng sinh thái?
Lịch sử phát triển của khoa học khí tượng, khí hậu học ở Việt nam
Từ xa xưa, người dân Việt Nam đã nhận thức rõ vai trò quan trọng của thời tiết và khí hậu đối với đời sống con người, điều này được phản ánh qua nhiều tục ngữ và ca dao.
Người xưa đã sớm nhận thức rõ mối liên hệ giữa thời tiết và nông nghiệp qua những câu ca dao như “Chuồn chuồn bay thấp trời mưa, bay cao trời nắng bay vừa trời râm” và “Mưa sáng mai, mài rạ đi rú” Họ cũng hiểu rằng “Ráng vàng thì gió” và cầu mong “lạy trời mưa nắng thuận hoà” để mùa màng bội thu Những hiểu biết này giúp họ phân chia các vùng trồng trọt và mùa chăn nuôi một cách hợp lý, nhằm tối ưu hóa năng suất nông nghiệp.
Từ thế kỷ XIII, Trần Hưng Đạo đã ghi chép về khí hậu và địa lý trong tác phẩm Binh thư yếu lược Tác phẩm Dư địa chí của Nguyễn Trãi ở thế kỷ XV mô tả chi tiết điều kiện địa lý và khí hậu tại nhiều địa phương như Thăng Long, Phố Hiến, và Thiên Trường Các nhà bác học như Lê Quí Đôn, Ngô Thời Sỹ, và Nguyễn Nghiễm cũng đã chú trọng đến việc quan sát khí hậu và thời tiết, đặc biệt là nông lịch và mùa vụ Hai cuốn sách quan trọng “Việt sử thông giám cương mục” và “Lịch triều hiến chương loại chí” ghi chép về khí hậu, thiên tai và hiện tượng thời tiết đặc biệt Vào thế kỷ XVIII, Hải Thượng Lãn Ông đã sáng kiến lập mạng lưới quan sát khí hậu và nghiên cứu ảnh hưởng của khí hậu đến sinh lý và bệnh lý Các tài liệu này vẫn còn giá trị cho đến ngày nay, và việc khảo sát khí hậu ở Việt Nam đã được thực hiện bằng các máy đo đạc định lượng suốt hơn một trăm năm qua.
Việc thành lập các trạm khí tượng đầu tiên tại Việt Nam do người Pháp thực hiện nhằm khai thác thuộc địa ở những vùng có tiềm năng kinh tế Đến nay, nhiều trạm khí tượng đã có hơn 60 năm số liệu quan trắc Trước năm 1945, một số trạm quan sát khí tượng đã được xây dựng, và sau khi hòa bình lập lại, Nhà nước đã chú trọng phát triển hệ thống khí tượng, đặc biệt phục vụ cho nông lâm nghiệp, hàng hải và hàng không, với hơn 150 trạm quan trắc khí tượng và 200 trạm đo mưa được thiết lập Mỗi tỉnh thường có hai đài khí tượng để nghiên cứu tài nguyên khí hậu địa phương và dự báo thời tiết cho các ngành sản xuất Nhiều chi cục kiểm lâm cũng có trạm khí tượng để dự báo cháy rừng Việt Nam đã gia nhập Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) từ năm 1975 và thực hiện phân vùng khí hậu toàn quốc, với độ chính xác dự báo thời tiết đạt 75%, trong khi các hiện tượng khí tượng quy mô lớn có thể được dự báo chính xác tới 95-100%.
Khí tượng nông nghiệp, mặc dù có nguồn gốc từ rất sớm, chỉ trở thành một khoa học thực sự từ thế kỷ 20, khi ngành này chính thức được thành lập vào năm 1921 Hiện nay, mạng lưới nghiên cứu khí tượng nông lâm nghiệp đã phát triển rộng rãi trên toàn cầu, với nhiều hội thảo được tổ chức ở nhiều quốc gia Các kết quả nghiên cứu khí tượng đã được áp dụng vào sản xuất, góp phần giải quyết nhu cầu lương thực cho nhiều quốc gia Tại Đông Nam Á, nghiên cứu về thời vụ và cây trồng chịu hạn ở Thái Lan, Malaixia, và Philippin đã giúp tăng năng suất cây trồng và đảm bảo an ninh lương thực cho khu vực.
Công tác nghiên cứu khí tượng nông lâm nghiệp tại Việt Nam đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng, bao gồm việc phân vùng khí hậu nông nghiệp, đánh giá điều kiện khí hậu nông nghiệp (KTNN) ảnh hưởng đến sinh trưởng và năng suất của các loại cây trồng như lúa đông xuân, lúa mùa, đậu phụng và chè Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng đã phân vùng khí hậu sản xuất lâm nghiệp thành 9 vùng khác nhau, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất nông lâm nghiệp.
Điều kiện khí tượng nông nghiệp đóng vai trò quan trọng đối với các cây trồng chính ở Bắc bộ, Nam bộ và Trung bộ Biến đổi khí hậu đang ảnh hưởng đáng kể đến sản xuất nông nghiệp Việt Nam, làm thay đổi các điều kiện phát triển cây trồng Nghiên cứu diễn biến thiên tai và chuyển đổi cơ cấu cây trồng là cần thiết để thích ứng với những thay đổi này Đánh giá mức độ sử dụng tài nguyên khí hậu nông nghiệp hiện nay sẽ giúp xây dựng chiến lược khai thác hiệu quả hơn, nhằm nâng cao năng suất và bền vững trong sản xuất nông nghiệp.
Năm 2018, Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia được thành lập theo quyết định số 696/QĐ-BTNMT ngày 8 tháng 3 năm 2018 của Bộ Tài nguyên và Môi trường Trung tâm này là tổ chức sự nghiệp công lập thuộc Tổng cục Khí tượng Thủy văn, có nhiệm vụ thực hiện dự báo và cảnh báo khí tượng thủy văn.
Dự báo và cảnh báo khí tượng thủy văn bao gồm 9 yếu tố chính như tượng, khí hậu, thủy văn, nguồn nước và hải văn Các hoạt động dịch vụ liên quan đến khí tượng thủy văn sẽ được thực hiện theo quy định của pháp luật.
Theo thống kê của Tổng cục Khí tượng Thủy văn (2018), Việt Nam có 6 trung tâm quan trắc và dự báo khí tượng thủy văn trung ương, 54 đài khí tượng thủy văn tỉnh và 500 trạm quan trắc khí tượng thủy văn, hải văn, môi trường, ra đa và thời tiết Hệ thống này cung cấp thông tin và dữ liệu khí tượng thủy văn đầy đủ, kịp thời, đáp ứng nhu cầu điều hành chính sách, phát triển kinh tế - xã hội, phòng chống thiên tai và ứng phó với biến đổi khí hậu, đồng thời đảm bảo an ninh quốc gia và quốc phòng Qua đó, nền công nghiệp khí tượng thủy văn được hình thành phục vụ cho nhiều mục tiêu và lĩnh vực khác nhau.
1 Tóm tắt lịch sử phát triển khí tượng thế giới vả ở Việt Nam?
2 Nêu khái niệm về khí tượng học?
3 Trình bày khái niệm và nhiệm vụ của khí tượng thuỷ văn?
THÀNH PHẦN VÀ KIẾN TRÚC CỦA KHÍ QUYỂN
Thành phần của khí quyển
Trái đất được bao bọc bởi khí quyển, một lớp không khí vô hình và không mùi Khí quyển có trọng lượng khoảng 5,15 triệu tỷ tấn, tạo áp lực lên bề mặt 510 triệu km² của hành tinh.
Km 2 Trái đất có bầu khí quyển là do trọng lực giữ nguyên vị
Khí quyển trái đất hình thành đồng thời với sự ra đời của hành tinh này Qua các thời kỳ, khí quyển đã trải qua nhiều biến đổi về thành phần và cấu trúc Hiện nay, khí quyển trái đất là một hỗn hợp các khí với nồng độ khác nhau.
Khí quyển Trái Đất duy trì sự ổn định qua hàng triệu năm, mặc dù luôn có các quá trình làm tăng hoặc giảm các thành phần khí Sự ổn định này được gọi là sự cân bằng động của thành phần không khí, phản ánh sự tác động qua lại giữa các quyển như thủy quyển, thạch quyển, khí quyển và sinh quyển.
Nghiên cứu thành phần, kiến trúc khí quyển giúp chúng ta hiểu được bản chất và quy luật của các hiện tượng khí quyển
1.1.1 Thành phần lớp khí quyển gần mặt đất
Khí quyển là lớp không khí bao quanh trái đất, trong đó không khí gần bề mặt được cấu thành từ ba thành phần chính: không khí khô, hơi nước và bụi Không khí khô là một trong những yếu tố quan trọng trong sự hình thành và duy trì khí quyển.
Trong điều kiện lý tưởng, không khí khô là không khí không chứa hơi nước và bụi, chủ yếu bao gồm bốn khí: ni tơ (N2), ô xy (O2), argon (Ar) và cacbonic (CO2) Những thành phần này chiếm tới 99,99% thể tích của không khí.
Bảng 1 1 Thành phần chủ yếu của không khí khô
STT Tên chất Công thức Tỉ l ệ (%)
Như vậy nếu tính theo thể tích chỉ còn lại 0,01% bao gồm các chất khí khác: neon (Ne), heli (He), kripton (Kr), hydro (H2), xenon (Xe), metan (CH4), ozon (O3)…
Tỷ lệ các khí trong khí quyển thường ổn định, ngoại trừ khí carbonic và ozon, có thể có những biến động nhỏ theo từng vùng Hơi nước cũng là một thành phần quan trọng trong khí quyển.
Lượng hơi nước trong không khí có thể dao động từ 0 đến 4% thể tích khí quyển, với mức trung bình khoảng 0,02% ở vĩ độ trung bình và khoảng 2,5% ở vùng nhiệt đới Hơi nước trong khí quyển chủ yếu xuất phát từ nước ở các vùng biển, hồ, sông ngòi, mặt đất và thực vật, khi chúng bốc hơi vào không khí Do đó, hàm lượng hơi nước giảm dần khi càng xa mặt đất, và đến tầng bình lưu, không khí hầu như không còn chứa hơi nước.
Hơi nước trong khí quyển tạo độ ẩm và ảnh hưởng đến nhiều quá trình vật lý như hấp thu, khúc xạ và khuếch tán bức xạ mặt trời, dẫn đến các hiện tượng quang học như quầng, cầu vồng và ráng Nó cũng điều tiết nhiệt độ khí quyển nhờ khả năng hấp thu sóng dài và chuyển đổi giữa các trạng thái hơi, lỏng và rắn Hơi nước đóng vai trò quan trọng trong đời sống của thực vật, động vật và con người.
Bụi là các phân tử vật chất nhỏ ở thể rắn, lơ lửng trong không khí Thành phần của bụi trong khí quyển có sự biến động lớn theo thời gian và không gian.
Bụi trong khí quyển xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm bụi cát do gió cuốn, hạt muối từ sóng biển, bào tử và phấn hoa, cũng như các sản phẩm từ quá trình cháy của thiên thể, cháy rừng, và hoạt động núi lửa Ngoài ra, việc đốt cháy nhiên liệu trong công nghiệp và giao thông, cùng với các hoạt động của con người và động vật, cũng đóng góp vào sự hiện diện của bụi trong không khí Một ví dụ điển hình là hoạt động núi lửa Cracatau vào năm 1938 đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến môi trường khí quyển.
Sự kiện Xô cũ đã tạo ra một lượng bụi khói khổng lồ bao trùm trái đất, làm giảm cường độ bức xạ mặt trời và tạo ra những màu sắc đặc biệt trên bầu trời kéo dài trong nhiều năm.
Bụi được hình thành từ các hạt nhân ngưng kết hơi nước, đặc biệt là những hạt bụi có khả năng hút ẩm và dễ tan trong nước Khi hấp thụ các phân tử hơi nước, bụi dễ dàng hòa tan và hình thành những hạt dung dịch nhỏ, từ đó trở thành hạt nhân ngưng kết hiệu quả Trong điều kiện thuận lợi, những hạt nhân này sẽ lớn dần và tạo thành giọt nước mưa.
Bụi đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết nhiệt độ không khí nhờ khả năng hấp thu và bức xạ nhiệt của các hạt bụi nhỏ Việc tận dụng đặc điểm này giúp cải thiện chất lượng không khí và điều hòa nhiệt độ môi trường.
12 người ta đã dùng biện pháp hun khói để chống sương muối, bảo vệ cây trồng trong mùa đông
Bụi trong không khí gây nhiều tác động tiêu cực đến thực vật, đặc biệt là hiện tượng sương mù khô và sương mù đen, làm giảm cường độ quang hợp do ngăn cản tia bức xạ mặt trời chiếu tới lá Ngoài ra, bụi còn có thể làm tắc nghẽn khí khổng, cản trở quá trình thoát hơi nước, từ đó ảnh hưởng xấu đến các chức năng sinh lý của cây Sương mù khô, do sự tồn tại của bụi và khói, là một biểu hiện rõ nét của ô nhiễm môi trường.
1.1.2 Thành phần không khí trong đất và trong rừng
Không khí trong đất là thành phần quan trọng, với cấu trúc đất gồm các hạt có kích thước khác nhau, tạo ra những khe hở chứa nước hoặc không khí Đất trồng trọt thường có dung tích khe hở lớn nhờ các biện pháp kỹ thuật như làm đất, xới xáo, hoặc do sự phát triển của rễ cây.
Kiến trúc của khí quyển
Khí quyển trái đất được phân chia thành 5 tầng khác nhau dựa trên các đặc tính vật lý và tính chất hoạt động, mỗi tầng đều sở hữu những đặc trưng vật lý riêng biệt.
Hình 1.1 Kiến trúc khí quyển
Tầng khí quyển gần mặt đất nhất có độ cao trung bình khoảng 11 km, với độ cao ở hai cực chỉ từ 7 - 8 km và ở vùng xích đạo lên tới 17 - 18 km Độ cao của tầng khí quyển này phụ thuộc vào độ cao của các dòng đối lưu, vì vậy nó thay đổi theo mùa và theo vĩ độ địa lý, do ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt lực.
Tầng đối lưu là lớp khí quyển hoạt động mạnh mẽ nhất, nơi diễn ra các hiện tượng thời tiết như mưa, nắng, mây và dông bão Đây cũng là môi trường sống của tất cả các sinh vật trên trái đất Những đặc điểm cơ bản của tầng đối lưu đóng vai trò quan trọng trong đời sống và khí hậu của hành tinh chúng ta.
Nhiệt độ giảm dần theo độ cao, với mức giảm trung bình khoảng 0,5 - 0,6 độ C cho mỗi 100m tăng lên Ở độ cao lớn, nhiệt độ có thể xuống rất thấp, đạt tới -70 độ C ngay cả ở vùng xích đạo của Trái Đất.
- Có sự chuyển động mạnh mẽ theo chiều thẳng đứng và nằm ngang của các khối không khí (hiện tượng đối lưu)
Tầng đối lưu chiếm 75% khối lượng khí quyển và chứa hầu hết hơi nước trong khí quyển, vì vậy mọi hiện tượng thời tiết chủ yếu xảy ra ở đây.
Tầng bình lưu, nằm trên tầng đối lưu và có độ cao từ 50 đến 55 km, đặc trưng bởi sự ổn định của không khí với ít xáo trộn theo chiều thẳng đứng Tầng này có thể được chia thành hai lớp khác nhau.
Lớp đẳng nhiệt, nằm sát tầng đối lưu và cao tới 25 km, có nhiệt độ ổn định trung bình khoảng -55 độ C Trong lớp khí quyển này, không khí thường chuyển động theo chiều ngang từ đông sang tây, với kích thước của các khối không khí có thể lên đến hàng nghìn kilômét.
Lớp nghịch nhiệt, nằm ở độ cao từ 25 đến hơn 50 km, có đặc điểm là nhiệt độ tăng dần theo độ cao Ở tầng này, nhiệt độ trung bình khoảng 0°C, với mức tối đa có thể đạt trên 10°C.
Sự gia tăng nhiệt độ của lớp khí quyển có thể được giải thích bởi sự hiện diện của tầng ôzôn, chất có khả năng hấp thụ mạnh các tia sóng ngắn từ bức xạ mặt trời.
Tầng trung gian, hay còn gọi là tầng trung lưu, nằm giữa tầng bình lưu và bắt đầu từ độ cao 50 hoặc 55 km, kéo dài đến khoảng 80 - 90 km Ở tầng này, nhiệt độ giảm dần theo độ cao, đạt mức từ -70 °C đến -80 °C.
Tầng điện ly hay còn gọi là tầng nhiệt quyển là tầng không khí có độ cao từ
80 đến 1000km Ở tầng này không khí rất thưa loãng Dưới tác dụng chủ yếu của
16 các tia tử ngọai của bức xạ mặt trời, các chất khí đều bị phân ly và bị ion hoá mạnh
Khí quyển ở đây có độ dẫn điện cao, đặc biệt là ở tầng điện ly, điều này giúp phản hồi các sóng vô tuyến phát đi từ mặt đất Nhờ vào đặc điểm này, các thiết bị vô tuyến điện ở mặt đất và vệ tinh nhân tạo có thể hoạt động bình thường Một điểm quan trọng khác là nhiệt độ không khí tăng nhanh theo độ cao; ở độ cao 200km, nhiệt độ đạt 600 độ C, và tiếp tục tăng ở giới hạn trên.
Hay còn gọi là tầng ngoại quyển Giới hạn trên của tầng này vào khoảng
Tầng chuyển tiếp giữa khí quyển và không gian vũ trụ nằm ở độ cao từ 2000 đến 3000 km, nơi không khí rất thưa và chủ yếu bao gồm hydrô và hêli Tại đây, hiện tượng khuyếch tán các chất khí vào không gian vũ trụ và ngược lại diễn ra một cách rõ rệt.
1 Trình bày thành phần của khí quyển ở tầng gần mặt đất? Vai trò của các chất khí đối với sinh vật?
2 Thành phần không khí trong đất có gì khác so với thành phần không khí trên mặt đất? Nguyên nhân gây ra sự khác biệt này?
3 Anh/chị hãy trình bày cấu trúc của khí quyển theo chiều thẳng đứng? Đặc điểm chính của các tầng khí quyển ?
4 Ôzôn (O3) có trong không khí phân bố chủ yếu ở độ cao nào? Hiện tượng
“lổ thủng Ôzôn” gây ra những tác hại gì cho sinh vật? Biện pháp hạn chế?
BỨC XẠ TRONG KHÍ QUYỂN
Mặt trời và các chuyển động biểu kiến của mặt trời
2.1.1 Một số đặc trưng vật lý, thiên văn của mặt trời
Mặt trời, còn được gọi là Quang cầu lửa, Thái dương hay Sao lùn vàng, là hành tinh trung tâm của hệ mặt trời Với kích thước khổng lồ, mặt trời không chỉ tỏa nhiệt mà còn phát ra ánh sáng cực lớn, giữ vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống trên Trái Đất.
Mặt trời có kích thước lớn với đường kính khoảng 1.390.600 km, gấp 109 lần đường kính trái đất, 333.000 lần khối lượng và 1,3 triệu lần thể tích Mặc dù vũ trụ có nhiều sao lớn và sáng hơn mặt trời, nhưng trong hệ hành tinh của chúng ta, mặt trời giữ vai trò quan trọng với lực hấp dẫn điều khiển chuyển động của các vật thể Khoảng cách trung bình từ mặt trời đến trái đất là 149,6 triệu km, được gọi là 1 đơn vị thiên văn, và ánh sáng từ mặt trời đến trái đất mất khoảng 8 phút 19 giây.
Mặt trời chủ yếu được cấu tạo từ hyđrô, chiếm khoảng 70-71% khối lượng, và hêli, chiếm từ 27-29% Phần còn lại, từ 1-3%, bao gồm các nguyên tố nặng hơn như cacbon, ôxy, và ni tơ Các nguyên tố hóa học trên mặt trời tương tự như trên trái đất, nhưng khác nhau về tỷ lệ Tại trung tâm mặt trời, nơi diễn ra các phản ứng hạt nhân, nhiệt độ đạt tới 15.000.000 độ C, trong khi nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5.500 độ C.
Mặt trời có nhiệt độ rất cao, dẫn đến các phản ứng nhiệt hạch, trong đó hiđrô (H2) được tổng hợp thành hêli (He) và giải phóng năng lượng lớn Mỗi giây, mặt trời tiêu hao hơn 4 tấn hiđrô để sản xuất năng lượng, và trong một phút, nó phát ra khoảng 5,5 x 10^24 kcal nhiệt bức xạ Tuy nhiên, lượng nhiệt mà trái đất nhận được chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng lượng bức xạ của mặt trời, khoảng 1/2,2 tỷ năng lượng phát ra.
2.1.2 Chuyển động biểu kiến của mặt trời
Khi quan sát từ trái đất, mặt trời dường như di chuyển không ngừng, hàng ngày từ Đông sang Tây và hàng năm từ Bắc vào Nam rồi lại trở về Bắc Chuyển động này được gọi là chuyển động biểu kiến của mặt trời, thực chất là sự phản ánh của chuyển động quay của trái đất.
Hình 2 1 Hiện tượng ngày và đêm
Trái Đất có hình dạng cầu và tự quay quanh trục, dẫn đến hiện tượng luân phiên ngày đêm Khi di chuyển quanh Mặt Trời, trục của Trái Đất nghiêng một góc 66 độ 33’ so với mặt phẳng quỹ đạo và luôn giữ nguyên phương, tạo ra những biến đổi trong ánh sáng và nhiệt độ trên bề mặt hành tinh.
Từ ngày 21-3 đến 23-9, Bắc bán cầu nghiêng về phía Mặt Trời, dẫn đến việc nửa cầu Bắc nhận được nhiều nhiệt hơn nửa cầu Nam, tạo ra mùa nóng với ngày dài hơn đêm Ngược lại, Nam bán cầu trải qua mùa lạnh với đêm dài hơn ngày Hiện tượng này đạt cực đại vào ngày 22-6.
Từ ngày 23 tháng 9 đến 21 tháng 3 năm sau, Nam bán cầu nghiêng về phía Mặt Trời, tạo ra mùa nóng với ngày dài và đêm ngắn, trong khi Bắc bán cầu trải qua mùa lạnh với ngày ngắn và đêm dài Hiện tượng này đạt cực đại vào ngày 22 tháng 12.
- Ở Xích đạo, quanh năm có độ dài ngày đêm bằng nhau và bằng 12 giờ
Càng xa Xích đạo, sự chênh lệch giữa độ dài ngày và đêm càng lớn, với hiện tượng ngày hoặc đêm kéo dài 24 giờ xuất hiện từ vòng cực trở lên Ở gần cực, số ngày và đêm địa cực gia tăng, trong khi tại hai cực, hiện tượng này kéo dài suốt sáu tháng.
Hình 2 2 Sự hình thành các mùa trong một năm
Trái đất di chuyển theo quỹ đạo hình elíp quanh Mặt trời và xoay quanh trục nghiêng, dẫn đến sự phân bố không đồng đều của ánh sáng Mặt trời giữa các bán cầu trong suốt năm Mặt trời, nguồn năng lượng chính của chúng ta, tạo ra sự thay đổi cường độ và tập trung của các tia sáng, từ đó hình thành bốn mùa: mùa đông, xuân, hạ và thu.
Các mùa trong năm được xác định bởi các điểm chí, là thời điểm mà mặt trời ở xa xích đạo nhất về phía bắc hoặc phía nam, cùng với các điểm Xuân phân và Thu phân Những khái niệm này liên quan đến sự nghiêng của Trái Đất, ảnh hưởng đến sự thay đổi thời tiết và ánh sáng trong các mùa khác nhau.
Các điểm chí đánh dấu thời điểm Bắc Cực và Nam Cực nghiêng tối đa về phía hoặc xa rời Mặt trời, dẫn đến sự khác biệt rõ rệt giữa giờ ban ngày và giờ ban đêm Những điểm chí này xảy ra hàng năm vào ngày 20 hoặc 21 tháng 6 (Hạ chí) và ngày 21 hoặc 22 tháng 12 (Đông chí).
Ngày 22 tháng 12 đánh dấu sự bắt đầu chính thức của mùa đông, trong khi điểm Xuân phân và Thu phân đánh dấu sự khởi đầu của mùa xuân và mùa thu Ở bán cầu Bắc, các quốc gia theo dương lịch xác định bốn ngày quan trọng: Xuân phân (21/3), Hạ chí (22/6), Thu phân (23/9) và Đông chí (22/12) để đánh dấu sự khởi đầu của các mùa Trong khi đó, ở bán cầu Nam, bốn mùa diễn ra ngược lại so với bán cầu Bắc.
Vào ngày 21 tháng 3 hàng năm, Bắc bán cầu trải qua điểm Xuân phân, đánh dấu sự khởi đầu của mùa xuân với những dấu hiệu tươi mới Trong khi đó, Nam bán cầu phải đối mặt với những cơn gió lạnh của mùa thu Một thời điểm phân khác diễn ra vào ngày 23 tháng 9, khi mùa hè ở Bắc bán cầu dần nhường chỗ cho cái lạnh của mùa đông, tạo điều kiện cho mùa xuân bắt đầu ở Nam bán cầu.
Bức xạ mặt trời
2.2.1 Quang phổ bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt trời có cấu trúc phức tạp và có thể được phân tích thành quang phổ, bao gồm một dải liên tục các tia bức xạ nguyên tố với bước sóng điện từ λ xác định Theo nghiên cứu của HalverSon và Smith (1979), quang phổ của bức xạ mặt trời bao gồm các nhóm tia từ 0,1 đến 5μ, trong đó tia hồng ngoại chiếm 46%, tia ánh sáng khả kiến 45% và tia tử ngoại chiếm 9%.
Gần 99% năng lượng bức xạ mặt trời nằm trong khoảng từ 0,17 đến 4,0 μm, với tia bức xạ có năng lượng lớn nhất ở bước sóng 0,474 μm Do đó, bức xạ mặt trời thường được gọi là bức xạ sóng ngắn.
Khi nghiên cứu tác động của bức xạ đến sự sinh trưởng và phát triển của thực vật, Thoxki chỉ ra rằng quang phổ bức xạ mặt trời bao gồm các tia có bước sóng từ 0,2 đến 24 μm, được phân chia thành ba nhóm chính.
Các loại bức xạ điện từ bao gồm tia tử ngoại (0,2 - 0,38 μm) chiếm 7%, tia nhìn thấy (0,39 - 0,76 μm) chiếm 46%, và tia hồng ngoại (0,76 - 24,0 μm) chiếm 47%.
2.2.2 Sự suy giảm của bức xạ mặt trời trong khí quyển
Hấp thu bức xạ trong khí quyển diễn ra một cách chọn lọc, với mỗi loại khí chỉ hấp thu bức xạ ở những độ dài sóng nhất định Các khí như ozon, ôxy, cacbonic và hơi nước có khả năng hấp thu mạnh Nghiên cứu cho thấy khi bức xạ mặt trời đi sâu vào khí quyển, tất cả các loại tia đều bị giảm yếu, đặc biệt là tia sóng ngắn Mức độ giảm yếu này phụ thuộc vào độ trong suốt của khí quyển (Pm) Theo Bughe (Bouger), cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất có thể được xác định thông qua công thức liên quan đến sự suy yếu của bức xạ mặt trời.
Trong đó m = T.M (T là độ trong suốt thực của khối không khí M là độ dài tia ánh sáng đi qua M= 1/sin ho)
Sự giảm yếu của bức xạ mặt trời được thể hiện qua biểu đồ sau:
Khi bức xạ mặt trời đi qua khí quyển, nó bị suy yếu do nhiều nguyên nhân, bao gồm sự hấp thụ của khí quyển, hiện tượng khuếch tán và phản xạ.
Bức xạ mặt trời bị hấp thụ một phần bởi các chất như ôxy, ôzon, cacbonic, hơi nước và bụi, với mỗi chất chỉ hấp thụ những tia bức xạ có bước sóng nhất định.
Chất hấp thụ Bước sóng (λ) bị hấp thụ mạnh Ôxy (O2) < 0,2 μ
Hơi nước (H2O) có kích thước từ 0,58-0,61 μm đến 12-40 μm, trong khi các hạt bụi và sol khí có kích thước từ 10-6 đến 10-1 mm Sự hấp thụ bức xạ của bụi rất phức tạp, phụ thuộc vào bản chất, kích thước và nồng độ của các hạt bụi Khi nồng độ bụi quá cao, chúng có thể làm giảm trực xạ, ảnh hưởng đến môi trường và khí hậu.
Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển bị suy yếu do sự khuếch tán của các phần tử không khí, hơi nước, bụi và mây.
Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển sẽ bị suy yếu do một phần bị phản xạ hoặc ngăn cản bởi các đám mây.
Khi bức xạ mặt trời đi qua khí quyển, nó bị suy yếu do các quá trình hấp thụ, khuếch tán và phản xạ Sự suy yếu này càng tăng lên khi đường đi của tia bức xạ trong khí quyển dài hơn, dẫn đến tác động mạnh mẽ hơn của các quá trình này.
Khi đi qua khí quyển BXMT, bức xạ không chỉ giảm cường độ mà còn thay đổi quang phổ Quá trình này rất phức tạp, dẫn đến việc khi đến mặt đất, bức xạ thiếu hụt các tia xanh và tím, trong khi lại giàu các tia đỏ và hồng ngoại.
2.2.3 Các đại lượng đo tính a Bức xạ trực tiếp
Bức xạ trực tiếp của mặt trời, hay còn gọi là trực xạ, là năng lượng mặt trời chiếu thẳng xuống mặt đất dưới dạng chùm tia song song Trong những ngày nắng, trực xạ là phần bức xạ mặt trời tạo ra những vết sáng trên mặt đất, nơi được chiếu sáng bởi ánh sáng mặt trời.
Cường độ bức xạ trực tiếp phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:
- Độ cao mặt trời: Độ cao mặt trời càng lớn thì cường độ bức xạ trực tiếp của mặt trời cũng càng lớn
- Độ trong suốt của khí quyển: Khí quyển càng trong sạch thì cường độ trực xạ càng lớn
Khi độ cao so với mặt biển tăng, quãng đường di chuyển sẽ ngắn lại, đồng thời mật độ khí quyển giảm, dẫn đến sự gia tăng trực xạ.
- Vĩ độ địa lý: càng lên vĩ độ cao, độ cao mặt trời càng giảm nên trực xạ càng giảm
- Lượng mây: trời càng nhiều mây trực xạ càng giảm, khi trời đầy mây thì hầu như không có trực xạ
Cường độ trực xạ thay đổi đáng kể khi chiếu đến các bề mặt có độ nghiêng và hướng nghiêng khác nhau Lượng bức xạ nhận được trên mỗi bề mặt phụ thuộc vào các yếu tố địa hình, ảnh hưởng đến sự phân bố năng lượng mặt trời.
Bức xạ mặt đất, bức xạ nghịch khí quyển và bức xạ hiệu dụng
Mặt đất và khí quyển không chỉ nhận bức xạ từ mặt trời mà còn phát ra bức xạ sóng dài không nhìn thấy Điều này chứng tỏ rằng cả mặt đất và khí quyển đều có khả năng phát ra bức xạ nhiệt.
Theo lý thuyết, mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 K đều có khả năng bức xạ năng lượng dưới dạng sóng điện từ Vật đen tuyệt đối có khả năng bức xạ và hấp thụ năng lượng lớn nhất Cường độ bức xạ (E) của vật đen tuyệt đối được tính theo công thức Stefan-Boltzmann.
Trong đó: σ: Hằng số Stefan-Boltzmann, σ = 0,826.10 -10
T: Nhiệt độ tuyệt đối của vật
2.3.1 Bức xạ sóng dài của mặt đất (E đ)
Khi hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời, mặt đất sẽ nóng lên và phát xạ bức xạ trở lại Theo định luật Wien, bước sóng lớn nhất (λmax) mà một vật phát ra tỷ lệ nghịch với nhiệt độ (T) của nó, nghĩa là vật có nhiệt độ cao sẽ phát xạ năng lượng nhiều hơn ở vùng sóng ngắn, trong khi vật có nhiệt độ thấp sẽ phát xạ ở vùng sóng dài hơn.
Biểu thức Wien có dạng: λmax = b/T
Trong đó: b là hằng số Wien, b = 2,886.10 -3 mm.độ
Giả sử nhiệt độ trung bình của mặt đất là 15 độ C (288 K), theo công thức tính toán, năng lượng bức xạ mà mặt đất phát ra có bước sóng lớn nhất xấp xỉ λmax.
= 10 μ Như vậy, bức xạ của mặt đất nói riêng và các vật có nhiệt độ thấp khác đều là bức xạ sóng dài
Mặt đất phát xạ nhiệt liên tục cả ngày lẫn đêm Tuy nhiên, vào ban ngày, nhiệt độ cao từ ánh sáng mặt trời làm cho quá trình này không rõ ràng Chỉ khi đêm xuống, khi không còn nhận được ánh sáng mặt trời, sự phát xạ nhiệt của mặt đất mới trở nên nổi bật.
25 được năng lượng bức xạ từ mặt trời thì sự phát xạ mới thể hiện hoàn toàn (mặt đất mất năng lượng và giảm dần nhiệt độ)
2.3.2 Bức xạ sóng dài của khí quyển
Khí quyển hấp thụ bức xạ mặt trời và phát xạ năng lượng từ trái đất, dẫn đến sự nóng lên của nó Phần bức xạ sóng dài từ khí quyển hướng xuống mặt đất được gọi là bức xạ nghịch của khí quyển (Ekq).
2.3.3 Bức xạ hiệu dụng (hữu hiệu) E hh
Bức xạ hữu hiệu là hiệu số giữa bức xạ của mặt đất và bức xạ nghịch của khí quyển: Ehh = Eđ - Eng (14)
Khi Ehh > 0, đất mất nhiều nhiệt hơn lượng nhiệt nhận được, dẫn đến hiện tượng mặt đất lạnh đi Vào những đêm trời trong và gió nhẹ, nhiệt độ không khí và đất thường thấp, khiến giá trị Ehh tăng cao, do đó những đêm này thường rất lạnh.
Nếu Ehh = 0 thì nhiệt độ của đất không thay đổi, thường xảy ra vào những đêm trời nhiều mây
Nếu Ehh < 0 thường xảy ra vào ban ngày, mặt đất truyền nhiệt vào khí quyển bằng cách bức xạ
2.3.4 Cân bằng bức xạ mặt đất
Trên bề mặt trái đất, năng lượng luôn được trao đổi qua quá trình xuất và nhập Cân bằng bức xạ của mặt đất được xác định bởi tổng đại số giữa năng lượng bức xạ nhận vào và năng lượng bức xạ thoát ra Do đó, cân bằng bức xạ (B) có thể được biểu diễn bằng một phương trình cụ thể.
Trong đó: S' là trực xạ
Ekq là bức xạ nghịch của khí quyển
Eđ là bức xạ của mặt đất
Nếu lượng năng lượng nhập vào lớn hơn lượng xuất ra, cân bằng bức xạ sẽ dương, khiến mặt đất nhận thêm năng lượng và nóng lên Ngược lại, khi lượng năng lượng nhập vào nhỏ hơn lượng xuất ra, cân bằng bức xạ sẽ âm, dẫn đến việc mặt đất mất năng lượng và trở nên lạnh hơn.
Trong thực tế, cân bằng năng lượng luôn dương vào ban ngày và chuyển sang âm vào ban đêm Sự chuyển đổi từ âm sang dương xảy ra khoảng 1 - 1,5 giờ sau khi mặt trời lặn, và khoảng 1 giờ sau khi mặt trời mọc.
Cân bằng bức xạ không chỉ chịu ảnh hưởng bởi vĩ độ mà còn bị chi phối bởi các yếu tố địa lý và vật lý địa phương như loại mặt đệm, địa hình, mây và độ trong suốt của khí quyển.
Cân bằng bức xạ đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành khí hậu và dự báo thời tiết tại địa phương Nó cũng ảnh hưởng đến cơ cấu mùa vụ, sinh trưởng, phát triển và năng suất cây trồng Theo M.I Buduco, cân bằng bức xạ trên toàn cầu thường có giá trị dương, ngoại trừ các vùng quanh năm băng tuyết, nơi phát xạ hiệu dụng và Albedo cao dẫn đến mất nhiệt nhiều hơn nhận được Cân bằng bức xạ mặt đất đạt giá trị lớn nhất ở vùng xích đạo và giảm dần về hai cực.
1 Cấu tạo và hoạt động của mặt trời và mối quan hệ giữa mặt trời và trái đất ?
2 Cho biết các quá trình làm suy yếu bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển trái đất ?
3 Trình bày đặc điểm các dạng tán xạ, trực xạ và tổng xạ ? Các nhân tố ảnh hưởng đến chúng ?
4 Nêu thành phần quang phổ của bức xạ mặt trời Vì sao nói bức xạ mặt trời là bức xạ sóng ngắn còn bức xạ của mặt đất là bức xạ sóng dài ?
Khái niệm và các thang đo nhiệt độ
Nhiệt độ là đại lượng biểu thị mức độ nóng, lạnh của vật thể Về bản chất nhiệt độ là thước đo sự chuyển động của phân tử
3.1.2 Các thang độ và điểm chuẩn chung
Bảng 3 1 Thang đo nhiệt độ Tên thang độ Ký hiệu Nhiệt độ tại các điểm chuẩn
Nước đá sạch đang tan
Nước sạch đang sôi ở áp suất thường
Nhiệt độ Pha ren net
Thang độ Kelvin, hay còn gọi là thang độ tuyệt đối, được nhà bác học người Anh Kelvin đề xuất và ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học Điểm 0 K, tương ứng với -273,15 °C, là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó các phân tử ngừng hoạt động.
Thang độ Celsius do nhà thiên văn người Thụy điển tên… Celsius đề xuất năm 1742 Dựa mốc nước đá đang tan 0 0 C và sôi ở 100 0 C chia 100 vạch, mỗi vạch
1 0 C, nên còn gọi nhiệt kế bách phân
Thang độ Pha ren net do bác học người Đức Gabriel Fahrenheit đề xuất
1709, không tiện nghiên cứu khoa học nhưng tiện xác định nhiệt độ tự nhiên nơi không chênh lệch lớn nên vẫn dùng ở Anh và Mỹ
Từ giá trị các điểm chuẩn, dễ dàng xác định được biểu thức chuyển đổi giữa các thang độ Thí dụ: T 0 C= (T 0 F -32): 1,8 và T 0 F = 1,8T 0 C + 32
Nhiệt độ đất
3.2.1 Quá trình nóng lên và lạnh đi của mặt đất
Mặt đất hấp thụ bức xạ mặt trời và chuyển hóa thành nhiệt, dẫn đến hiện tượng nóng lên Ngược lại, mặt đất bị lạnh do quá trình mất nhiệt sang khí quyển và các lớp đất sâu bên dưới.
Qúa trình nóng lên và lạnh đi của mặt đất do các quá trình chi thu năng lượng hay cân bằng nhiệt của nó quyết định
- Cân bằng nhiệt của mặt đất là hiệu số giữa phần năng lượng nhiệt mặt đất nhận được và phần năng lượng mất đi của đất (Hình 3.1)
Hình 3 1 Các thành phần cân bằng nhiệt của mặt đất
Ta có cân bằng nhiệt của mặt đất như sau :
Nếu B > 0 mặt đất nhận được nhiệt, nóng lên Khi B= 0 nhiệt độ đất không thay đổi; trường hợp B < 0 thì mặt đất mất nhiệt, lạnh đi
Nhiệt dung thể tích của lớp đất mặt được ký hiệu là C, và sau một đơn vị thời gian, nhiệt độ của đất sẽ thay đổi một lượng t, có thể tăng lên hoặc giảm đi.
Nhiệt độ đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó bề dày của lớp đất mặt (h) là một yếu tố quan trọng Khi mặt đất nóng lên, nhiệt sẽ được truyền xuống các tầng đất sâu, và quá trình này rất phức tạp, liên quan chặt chẽ đến các đặc tính nhiệt lực của đất như hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung.
- Một số đại lượng đặc trưng cho tính chất nhiệt lực của đất :
Nhiệt dung của đất là đại lượng dùng để đánh giá khả năng nóng lên nhanh hay chậm của đất Nhiệt dung được chia ra làm hai loại:
Nhiệt dung trọng lượng (Cp): Là lượng nhiệt cần thiết làm cho 1 gam đất nóng lên 1 o C Đơn vị tính nhiệt dung trọng lượng là calo/g/độ
Nhiệt dung thể tích (Cv): Là lượng nhiệt cần thiết làm cho 1cm 3 đất nóng lên
1 o C Đơn vị tính nhiệt dung thể tích là calo/cm 3 /độ
Nhiệt dung trọng lượng và nhiệt dung thể tích có quan hệ mật thiết với nhau được biểu thị bằng biểu thức sau đây:
Trong đó: Cv: Nhiệt dung thể tích; Cp: Nhiệt dung trọng lượng; d: Tỷ trọng của đất
Nhiệt dung của đất phụ thuộc phần lớn vào nhiệt dung của các chất hình thành nên đất Từ bảng 3.2 có thể rút ra những nhận xét sau:
Bảng 3 2 Nhiệt dung của các chất cấu tạo đất
+ Các loại đất cát hoặc pha cát bao giờ cũng có nhiệt dung nhỏ, nóng lên nhanh nhưng cũng nguội đi nhanh chóng
+ Các loại đất sét hoặc pha sét có nhiệt dung lớn, chúng nóng lên chậm và lạnh đi chậm hơn so với đất cát hoặc pha cát
Đất khô có nhiệt dung nhỏ hơn đất ẩm, dẫn đến sự không ổn định về nhiệt độ, với việc nóng lên nhanh chóng vào ban ngày và lạnh đi nhanh vào ban đêm Sự biến động nhiệt độ này ảnh hưởng lớn đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng, đặc biệt ở vùng đất cát Ngược lại, đất ẩm và các loại đất thịt, thịt pha có chế độ nhiệt ôn hòa và ít dao động hơn.
Bảng 3 3 Nhiệt dung thể tích của một số loại đất có độ ẩm khác nhau Đơn vị: Cal/cm 3 /độ) Loại đất Độ ẩm đất (%)
0 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
- Hệ số dẫn nhiệt (độ dẫn nhiệt) của đất
+ Nhiệt dung của các thành phần cấu tạo nên đất rất khác nhau
+ Nhìn chung nhiệt dung thể tích của mọi thành phần rắn chủ yếu trong đất hầu như giống nhau, vào khoảng từ 0,5 –
Nhiệt dung trọng lượng (Calo/g/độ)
Nhiệt dung thể tích (Calo/cm 3 /độ)
Hệ số dẫn nhiệt là đại lượng vật lý quan trọng, thể hiện khả năng truyền nhiệt của các loại đất Nó được định nghĩa là lượng nhiệt truyền qua một diện tích 1cm² với độ dày 1cm trong thời gian 1 giây, khi có sự chênh lệch nhiệt độ 1°C giữa hai lớp đất.
Ký hiệu của hệ số đẫn nhiệt: ; đơn vị tính là calo/cm 2 /cm/giây/độ
Hệ số dẫn nhiệt của đất thay đổi tùy thuộc vào thành phần cấu tạo, độ xốp và độ ẩm của đất.
Hệ số dẫn nhiệt của cát rất thấp, dẫn đến đất cát hoặc đất pha cát có khả năng truyền nhiệt chậm, khiến lớp đất mặt nóng lên nhanh vào ban ngày nhưng lại lạnh đi nhanh vào ban đêm Ngược lại, đất sét và đất sét pha có hệ số dẫn nhiệt cao, cho phép truyền nhiệt nhanh giữa các lớp đất, do đó chúng nóng lên và lạnh đi chậm hơn, tạo ra chế độ nhiệt ít biến động hơn.
Bảng 3 4 Hệ số dẫn nhiệt của một số vật chất cấu tạo đất
(Đơn vị: Calo/cm 2 /cm/giây/độ)
Nước có hệ số dẫn nhiệt lớn hơn không khí, do đó, độ ẩm của đất ảnh hưởng lớn đến tính dẫn nhiệt của nó Khi độ ẩm tăng, hệ số dẫn nhiệt cũng tăng, giúp nhiệt độ mặt đất ban ngày nhanh chóng truyền xuống các lớp đất sâu hơn, giữ cho chúng ít bị nóng hơn so với đất khô Vào ban đêm, khi lớp đất mặt mất nhiệt, nhiệt từ các lớp sâu sẽ bù đắp cho sự mất mát này Ngược lại, đất khô chứa nhiều không khí có hệ số dẫn nhiệt kém, dẫn đến sự biến đổi nhiệt độ khác biệt Vì vậy, đất ẩm thường có chế độ nhiệt ôn hòa hơn và biên độ nhiệt độ ngày đêm nhỏ hơn so với đất khô.
- Hệ số truyền nhiệt độ của đất
Hệ số truyền nhiệt độ của đất là tỷ số giữa hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung thể tích của đất và được biểu thị bằng công thức:
3.2.2 Biến trình của nhiệt độ đất a) Sự biến thiên hàng ngày của nhiệt độ mặt đất
Sự biến thiên nhiệt độ đất hàng ngày xảy ra do sự nóng lên vào ban ngày và lạnh đi vào ban đêm, tạo ra những thay đổi liên tục trong nhiệt độ suốt 24 giờ.
Nhiệt độ mặt đất trong suốt một ngày đêm diễn ra những dao động tuần hoàn với cực đại và cực tiểu Khi mặt trời mọc, nhiệt độ bắt đầu tăng và sau khoảng 1,0 – 1,5 giờ, lượng nhiệt mặt đất nhận được vượt quá lượng nhiệt mất đi, dẫn đến việc mặt đất nóng lên Nhiệt độ tiếp tục tăng và đạt cực đại vào lúc 13 giờ, sau đó bắt đầu giảm dần.
Nhiệt độ tiếp tục giảm suốt đêm, với mức cực tiểu thường được ghi nhận khoảng 1-2 giờ trước khi mặt trời mọc Thời gian mặt trời mọc thay đổi theo từng mùa, do đó, nhiệt độ đất đạt cực tiểu vào mùa hè thường sớm hơn so với mùa đông.
Biên độ nhiệt hàng ngày của mặt đất được xác định là hiệu số giữa nhiệt độ cao nhất và thấp nhất trong một ngày đêm Công thức tính biên độ nhiệt này giúp theo dõi sự biến đổi nhiệt độ trong từng khoảng thời gian cụ thể.
Trong đó: ∆t: biên độ nhiệt độ ( o C); tmax: nhiệt độ cao nhất ( o C); tmin: nhiệt độ thấp nhất ( o C)
Biên độ hàng ngày của nhiệt độ đất là yếu tố biến động rất lớn và phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
- Thời gian trong năm: Mùa hè biên độ nhiệt độ lớn hơn so với mùa đông
- Vĩ độ địa lý: Vĩ độ càng nhỏ thì biên độ nhiệt độ hàng ngày càng tăng
- Lượng mây: Trên bầu trời lượng mây càng ít thì biên độ nhiệt độ càng cao
Tính chất nhiệt của đất ảnh hưởng đáng kể đến biên độ nhiệt độ hàng ngày; cụ thể, đất có nhiệt dung lớn sẽ dẫn đến biên độ nhiệt độ nhỏ hơn, trong khi đất có tính dẫn nhiệt cao cũng làm giảm biên độ nhiệt độ hàng ngày.
- Màu sắc của đất: Biên độ nhiệt độ của đất sẩm màu lớn hơn biên độ nhiệt độ của đất nhạt màu
- Lớp phủ thực vật: Đất có lớp phủ thực vật, biên độ nhiệt độ bao giờ cũng nhỏ hơn so với đất trơ trụi không có thực vật
Địa hình và hướng dốc ảnh hưởng đến biên độ nhiệt độ của đất, trong đó các dạng địa hình lồi như đồi và núi có biên độ nhiệt độ nhỏ hơn so với các vùng đất lõm như thung lũng Ngoài ra, sườn phía Tây thường có biên độ nhiệt độ lớn hơn sườn phía Đông.
Diễn biến hàng năm của nhiệt độ đất có mối liên hệ chặt chẽ với sự biến thiên hàng năm của năng lượng bức xạ mặt trời Ở Bắc bán cầu, nhiệt độ đất đạt mức cực đại vào thời điểm cụ thể trong năm, phản ánh sự ảnh hưởng của bức xạ mặt trời.
32 mặt đất xuất hiện vào tháng bảy, tháng tám, còn thời điểm cực tiểu thường vào tháng giêng, tháng hai
