bài 3 chế độ nhiệt của đất và không khí

Nội dung bài học 1. Chế độ nhiệt của đất a. Cân bằng nhiệt của mặt đất b. Các đặc tính nhiệt lực của đất c. Quy luật lan truyền nhiệt độ xuống các lớp đất sâu d. Diễn biến của nhiệt độ mặt đất theo thời gian 2. Chế độ nhiệt của không khí gần mặt đất

CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA ĐẤT

VÀ KHÔNG KHÍ

Trần Thanh Vân

Bộ môn Sinh thái Nông nghiệp

Khoa Môi trường

Nội dung bài học

1.  Chế độ nhiệt của đất

a.  Cân bằng nhiệt của mặt đất

b.  Các đặc tính nhiệt lực của đất

c Quy luật lan truyền nhiệt độ xuống các lớp đất sâu

d Diễn biến của nhiệt độ mặt đất theo thời gian

2.  Chế độ nhiệt của không khí gần mặt đất

Các thành phần cân bằng nhiệt mặt đất vào ban ngày và ban đêm

Thông lượng truyền nhiệt

•  Thông lượng truyền nhiệt là đại lượng dùng để chỉ lượng nhiệt được truyền từ lớp đất này đến lớp đất khác trong một đơn vị thời gian

Biến thiên nhiệt độ đất theo độ sâu

Hệ số dẫn nhiệt của đất (λ)

•  Biểu thị khả năng truyền nhiệt của các loại đất

•  Định nghĩa: Là lượng nhiệt đi qua một đơn vị

diện tích 1cm2, có độ dày 1cm trong thời gian 1 giây khi nhiệt độ chênh lệch giữa 2 lớp đất 10C

•  Đơn vị: calo/cm2/giây/độ

Hệ số dẫn nhiệt của một số loại đất và thành

phần cấu tạo nên đất

Thành phần

cấu tạo nên

đất

Hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt của đất (tiếp)

•  Hệ số dẫn nhiệt của các loại đất khác nhau rất khác nhau và phụ thuộc vào:

–  hệ số dẫn nhiệt của các chất cấu tạo nên đất, – độ xốp,

Nhiệt dung của đất (c)

•  Đánh giá khả năng nóng lên nhanh hay chậm của đất

•  Nhiệt dung trọng lượng (CP): lượng nhiệt cần thiết làm cho 1 gam đất nóng lên 10C (cal/g/độ)

•  Nhiệt dung thể tích (CV): lượng nhiệt cần thiết làm cho 1cm3 đất nóng lên 10C (cal/cm3/độ)

Cv= Cp x ρ; ρ tỷ trọng của đất (g/cm3)

Nhiệt dung của các thành phần cấu tạo nên đất

và một số loại đất

Thành phần của đất Nhiệt dung

trọng lượng

Nhiệt dung thể tích

•  Nhiệt dung của đất phụ thuộc vào nhiệt dung các chất hình thành nên đất

•  Nhiệt dung của các thành phần cấu tạo nên đất rất khác nhau

•  Nhiệt dung thể tích của thành phần rắn là như

nhau

•  Đất cát hoặc đất pha cát: nhiệt dung nhỏ

•  Đất sét hoặc đất pha sét: nhiệt dung lớn

•  Đất khô có nhiệt dung nhỏ hơn so với đất ẩm

•  Điều tiết chế độ nhiệt cho đất?

Hệ số truyền nhiệt của đất (K)

•  Hệ số truyền nhiệt của đất là tỷ số giữa hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung của đất:

K= λ/Cv –  K: hệ số truyền nhiệt của đất (1/cm2/giây), – λ: Hệ số dẫn nhiệt (cal/cm/giây/độ)

– Cv: nhiệt dung của đất (cal/cm3/độ)

•  Tỷ trọng của đất càng tăng thì K càng lớn

•  K lớn nhất khi độ ẩm đất vào khoảng 20%

Ảnh hưởng của tỷ trọng và độ ẩm đối với hệ số truyền

Mối quan hệ giữa độ ẩm đất và hê số truyền nhiệt

•  Nhiệt độ mặt đất ở một thời điểm t cụ thể:

•  τ là chu kỳ dao động tính bằng giây

•  T 0 là giá trị nhiệt độ trung bình trong một chu kỳ, và

∆T 0 là biên độ dao động (∆T 0 = T max - T min) của cùng một chu kỳ

•  Nhiệt độ đất ở độ sâu z ở thời gian t:

T(z,t)=T0+∆T0 e-z/Dsin(2πt/τ - z/D)

D= (kτ/π )1/2

•  k: hệ số truyền nhiệt của đất (1/ms)

Biến thiên nhiệt độ đất tại các độ sâu khác nhau trong ngày

Quy luật lan truyền nhiệt xuống tầng đất sâu

•  Chu kỳ dao động của nhiệt độ giữ nguyên không đổi theo độ sau z và bằng chu kỳ dao động ở mặt đất

•  Biên độ biến thiên của nhiệt độ giảm dần theo độ sâu

ΔTz=ΔT0 e-z√π/kτ

ΔTz: biên độ nhiệt độ ở độ sâu z

ΔT0: biên độ nhiệt độ ở mặt đất

τ: chu kỳ biến thiên của nhiệt độ đất

K: hệ số truyền nhiệt của đất (0,003-0,008 cm -2 giây -1 tuỳ theo độ

ẩm đất

Quy luật lan truyền nhiệt xuống tầng đất sâu (tiếp)

•  Những độ sâu có nhiệt độ hàng ngày và hàng năm

không đổi tỷ lệ với nhau theo căn số bậc hai của chu

kỳ dao động

z1/z2=1/3651/2

•  Thời gian xuất hiện các cực trị muộn dần theo độ sâu

t2 - t1 = (z2-z1)/2 x (T/πK)1/2

Biến thiên của nhiệt độ đất tại các độ sâu khác nhau

trong năm

16

18

20 22

24

26 28 30 32

Diễn biến nhiệt độ đất theo thời gian

•  Diễn biến hàng ngày nhiệt độ đất: Sự nóng lên vào ban ngày và lạnh đi vào ban đêm của mặt đất gây ra biến thiên nhiệt độ liên tục trong thời gian một ngày đêm

-  Thời gian xuất hiện các cực trị của nhiệt độ đất:

Tmax: 14-15h; Tmin: 5-6h

-  Biên độ dao động nhiệt độ đất: Δt ngày = tmax – tmin

Biến thiên hàng ngày của nhiệt độ mặt đất

Các yếu tố ảnh hưởng đến biên độ dao động ngày

Biến thiên hàng năm nhiệt độ đất

•  Thời gian xuất hiện các cực trị của nhiệt độ đất:

Tmax: Tháng 7-8; Tmin: tháng 1 – tháng 2

•  Biên độ dao động nhiệt độ đất: Δt năm = Tmax - Tmin

•  Các yếu tố ảnh hưởng đến biên độ dao động năm:

– vĩ độ địa lý,

–  lớp phủ thực vật

CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA KHÔNG KHÍ GẦN

MẶT ĐẤT

1.  Sự nóng lên và lạnh đi hàng ngày của không khí

2.  Biến thiên của nhiệt độ không khí

3.  Những chỉ tiêu đánh giá nhiệt độ không khí

4.  Ứng dụng số liệu nhiệt độ

•  Nhiệt độ – là mức độ nóng hay lạnh của một vật chất được đo bằng nhiệt kế

•  Trong khí tượng, đơn vị đo nhiệt độ bao gồm độ C,

Celsius và TF là nhiệt độ

Fahrenheit

•  Kelvin – chủ yếu sử dụng cho tính toán trong khí tượng (mô hình, dự báo thời tiết)

TK = TC(1.0K/°C) + 273 K

− Nhiệt độ sôi ở 373 K

− Nhiệt độ đóng băng 273 K

•  Chú ý:

– Đơn vị đo là Kelvins (K),

nên khônng sử dụng ‘độ’ với đơn vị Kelvin (°K)

– các phần tử ngừng chuyển động tại

Cách đo nhiệt độ không khí: nhiệt kế đặt trong lều khí tượng

Lều khí tượng cách mặt đất từ 1,5-2m

Quan trắc viên khí

tượng

Sự nóng lên và lạnh đi của không khí

•  Phương thức dẫn nhiệt phân tử

•  Phương thức truyền nhiệt đối lưu: nhờ vào quá trình đối lưu của không khí làm tăng nhiệt độ không khí

•  Phương thức truyền nhiệt nhờ tiềm nhiệt bốc hơi

•  Phương thức truyền nhiệt loạn lưu

•  Phương thức truyền nhiệt nhờ bức xạ nhiệt

Biến thiên nhiệt độ không khí hàng ngày

•  Thời gian xuất hiện cực trị

•  Biên độ nhiệt độ ngày đêm phụ thuộc vào

– Vĩ độ địa lý (cận nhiệt đới 20-25oC; cực đới: 3-4oC)

– Mùa trong năm

– Địa hình

– Đặc điểm mặt đệm

– Khoảng cách tới bờ biển

– Thời tiết

Biến thiên nhiệt độ không khí hàng năm

•  Thời gian xuất hiện cực trị: T7, T1 lục địa

•  Biên độ nhiệt độ năm phụ thuộc vào

•  Vĩ độ địa lý: vĩ độ địa lý càng tăng thì Δt năm càng tăng chia ra làm 4 kiểu biến thiên nhiệt độ năm trên Trái đất:

− Kiểu xích đạo - Kiểu nhiệt đới

− Kiểu ôn đới - Kiểu cực đới

•  Đặc điểm mặt đệm

•  Khoảng cách so với mực nước biển

Biến thiên theo chiều thẳng đứng

•  Ban ngày: nhiệt độ giảm dần theo độ cao

•  Ban đêm: nhiệt độ tăng theo độ cao (nghịch nhiệt)

•  Gradent nhiệt độ lớn nhất ở lớp khí quyển gần mặt đất và giảm dần theo độ cao

•  Biên độ nhiệt độ ngày đêm giảm dần theo độ cao

Thay đổi nhiệt độ theo độ cao vào ban ngày và ban đêm ở lớp

khí quyển gần mặt đất

Chỉ tiêu đánh giá nhiệt độ không khí

•  Nhiệt độ tối cao và tối thấp

•  Nhiệt độ trung bình

Nhiệt độ tối cao và tối thấp

•  Nhiệt độ tối cao và tối thấp tuyệt đối và trung bình

•  Nhiệt độ tối cao/tối thấp tuyệt đối là nhiệt độ cao nhất/thấp nhất quan sát trong một khoảng thời gian nào đó

•  Sử dụng thiết bị nhiệt kế tối cao/tối thấp đặt ở lều nhiệt kế

Nhiệt độ tối cao và tối thấp quan sát được ở một số trạm trên thế giới

Nhiệt độ trung bình

•  Nhiệt độ trung bình ngày: giá trị trung bình cộng của nhiệt độ tối thấp và tối cao trong ngày hoặc là trung bình cộng của một số thời điểm quan trắc hoặc hằng giờ

•  Nhiệt độ trung bình cho một giai đoạn khí hậu : giá trị trung bình cộng của nhiệt độ trung bình các ngày trong giai đoạn khí hậu đó

•  Nhiệt độ trung bình tháng: giá trị trung bình cộng của nhiệt độ trung bình các ngày trong tháng

Ứng dụng số liệu nhiệt độ

•  Mức nhiệt trong ngày

•  Tiện nghi nhiệt cho con người

•  Chỉ số nhiệt ẩm và chỉ số phong hàn

•  Chỉ số nhiệt tam cầu

Mức nhiệt trong ngày (Degree day, DD)

•  Cho biết mức nóng hay lạnh của khí hậu

•  DD được tính bằng chênh lệch nhiệt độ

trung bình ngày và ngưỡng nhiệt độ tối thấp (Tb)

•  Trong xây dựng và năng lượng: DD dùng để

ước lượng mức năng lượng hộ gia đình cần

sử dụng để sưởi ấm (HDD) hay làm mát (CDD) để con người cảm thấy dễ chịu

•  Mức nhiệt phát triển (GDD) trong nông nghiệp

(GDDs).

Bọ cánh cứng hại rễ ngô (corn Rootworm) 7

Nhiệt độ tối thấp sinh vật học của một số cây trồng và côn trùng

Tiện nghi nhiệt

•  là điều kiện để cơ thể cảm nhận sự thoả mãn với môi trường nhiệt và được quyết định bởi đánh giá chủ

quan của con người (theo hiệp hội kỹ sư thông gió và cấp nhiệt Mỹ)

•  Môi trường nhiệt bao gồm

–  nhiệt độ không khí, tốc độ gió, độ ẩm và bức xạ từ mặt trời hay từ các bề mặt nóng ở gần

–  Điều kiện liên quan đến con người: quần áo hay mức độ hoạt động thể chất

–  khả năng thích nghi

•  Chỉ tiêu đánh giá: chỉ số nhiệt ẩm, chỉ số phong hàn; chỉ số tam cầu

Chỉ số nhiệt ẩm (heat index)

•  Là chỉ số kết hợp giữa nhiệt độ không khí và độ ẩm tương đối để xác định một nhiệt độ tương đương với

sự cảm nhận của cơ thể

•  Các quốc gia khác nhau có cách tính/thuật ngữ sử dụng khác nhau

Chỉ số nhiệt ẩm (HI)

Được tính dựa vào sự kết hợp giữa hai yếu tố nhiệt độ không khí và độ ẩm tương đối Nhiệt độ không khí 31 o C kết hợp với độ ẩm 80% cho nhiệt độ tương đương(HI) với 41 o C

Chỉ số nhiệt ẩm và các triệu chứng sức khỏe

Chỉ số phong hàn (WCI, wind chill index)

•  WCI: chỉ mức độ cảm nhận độ giảm nhiệt độ không khí của cơ thể khi bị gió đẩy không khí lạnh đến tiếp xúc với da

•  Cơ thể hoạt động luôn đảm cân bằng nhiệt

•  Gió thổi không khí nóng đi, đưa không khí lạnh đến làm tăng sự mất nhiệt của cơ thể

•  Hiệu ứng tương tự: bật quát làm mát; thổi cơm canh nóng cho nguội

Chỉ số phong hàn ( o C) theo công thức của Dịch vụ thời tiết Quốc

gia, Mỹ

Chỉ số nhiệt tam cầu (WBGT)

•  Phát triển vào cuối những năm 1950 nhằm phục vụ đánh giá điều kiện môi trường tập trận cho hải quân

Mỹ trên đảo Paris ở Nam Carolina

-  Sử dụng để hướng dẫn về sức khoẻ và an toàn lao động trong môi trường làm việc nóng nực (hoạt động thể thao ngoài trời)

•  Công thức tính đơn giản:

WBGT (oC)= 0,567x Ta + 0,393x e + 3,94;

Chỉ số nhiệt độ tam cầu (WBGT)*

Nếu nhiệt độ không khí trong môi trường làm việc là 31 o C với độ ẩm không khí

là 75%, thì chỉ số WBGT là 35 o C

Mức giới hạn cho phép theo chỉ số nhiệt tam cầu

*Mức giới hạn này dựa trên giả định: công nhân đã quen với môi trường làm việc, mặc quần áo bảo hộ và được cấp nước uống muối sinh lý đầy đủ có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện làm việc không vượt quá nhiệt độ cơ thể 38°C,