Xem mẫu
- KHÍ HẬU HỌC
Chƣơng 4. Cân bằng năng lƣợng
bề mặt
- 4.1 Lớp bề mặt
Bề mặt của Trái đất là biên giữa khí quyển và mặt đất hoặc đại dương
Bề mặt được xác định một cách thích hợp: Là một mặt phân cách đơn
giản giữa hai môi trường
Khi xét đến các quá trình trao đổi năng lượng quan trọng sẽ đưa vào cả lớp
biên của khí quyển và đại dương và lớp một vài mét trên cùng của lớp đất
Cân bằng năng lượng bề mặt quyết định lượng năng lượng cung cấp cho
quá trình bốc hơi nước bề mặt và làm tăng hoặc giảm nhiệt độ bề mặt
Cân bằng năng lượng tại bề mặt đòi hỏi xem xét các dòng năng lượng
do truyền dẫn và đối lưu nhiệt, ẩm thông qua sự chuyển động của chất
lỏng cũng như bức xạ
Nguồn năng lượng bề mặt phụ thuộc vào độ chiếu nắng, các đặc trưng
bề mặt (trạng thái ẩm ướt, lớp phủ thực vật, albedo), và các tính chất của
khí quyển phía trên.
Nguồn năng lượng bề mặt liên hệ mật thiết với chu trình nước, vì sự bốc
hơi từ bề mặt là thành phần cơ bản trong cả các nguồn năng lượng và
nguồn nước
- 4.2 Nguồn năng lượng bề mặt
Nguồn năng lượng bề mặt là các dòng năng lượng đi qua một
đơn vị diện tích mặt phân cách không khí bề mặt theo
phương thẳng đứng (W/m2)
Các quá trình xác định sự truyền năng lượng giữa bề mặt và
khí quyển:
sự truyền bức xạ mặt trời và bức xạ hồng ngoại,
các dòng năng lượng liên quan với sự chuyển động của
chất lỏng trong khí quyển và đại dương.
Tích luỹ năng lượng bề mặt xảy ra giữa lớp biên khí quyển và
độ sâu dưới bề mặt (vài mét ở những vùng đất khô hoặc đến
vài kilômét như trong các vùng đại dương sâu)
Đối với bề mặt nước, dòng năng lượng ngang được sinh ra do
chuyển động chất lỏng có thể đóng vai trò rất quan trọng
- Cân bằng năng lượng bề mặt
E s G R s LE SH Feo
t
Làm lạnh bề mặt
Đốt nóng bề mặt
- Những thành phần đã bỏ qua
Tiềm nhiệt làm tan băng hoặc tuyết (có thể cần đến 10% NLBX dư
thừa).
Sự chuyển đổi động năng của gió và sóng thành nhiệt năng.
Truyền nhiệt do giáng thuỷ (nếu nhiệt độ giáng thuỷ khác nhiệt độ bề
mặt)
Năng lượng mặt trời tích luỹ dưới dạng liên kết hoá học (quang hợp).
Tính chung toàn cầu:
- 4.3 Tích luỹ nhiệt ở bề mặt
E s G R s LE SH Feo
t
Es CeoTeo
nhiệt dung hữu hiệu của lục địa nhiệt độ hữu hiệu của lục địa
hoặc đại dương (Jm-2K-1):
Khí quyển+Đại dương+Đất hoặc đại dương (K)
• Nhiệt dung của toàn bộ khí quyển:
Ps 1004JK 1 kg 1105 Pa 1 2
Ca c p 2
1.02 107
JK m
g 9.81ms
• Nhiệt dung đối với lớp nước (đại dương) có độ dày dw, mật
độ w và nhiệt dung riêng cw
- Nhiệt dung của cột khí quyển bằng nhiệt dung
của cột nƣớc dày 2.5 m (~ 102/42)
Lớp nƣớc khoảng 70m trên cùng của đại dƣơng
tƣơng tác với khí quyển trên qui mô thời gian
khoảng một năm, do đó nhiệt dung của đại
dƣơng gấp khoảng 25 lần của khí quyển
vai trò của đại dương trong việc tích lũy năng
lượng cho hệ thống khí hậu
- 4.3.1 Tích luỹ nhiệt trong đất
Đất có nhiệt dung hữu hiệu nhỏ hơn nhiều so với đại dương.
Nhiệt được truyền qua đất hầu như chỉ bằng quá trình dẫn nhiệt
Chỉ khoảng 1-2 mét đất trên cùng là chịu ảnh hưởng của sự biến
đổi mùa.
Dòng năng lượng nhiệt dẫn thẳng đứng trong đất tỷ lệ với gradient
nhiệt độ trong đất.
Fs K T T
z
Phương trình cân bằng nhiệt trong đất
Cs T Fs K T T
t z z z
nhiệt tích luỹ trong đất = phân kỳ của dòng nhiệt khuyếch tán
Nhiệt dung của đất, phụ thuộc vào:
• tỷ lệ thể tích của đất fs, chất hữu cơ fc, nước fw và không khí fa,
• mật độ và nhiệt dung riêng của các thành phần vật chất bề mặt
- Nếu độ dẫn nhiệt KT không phụ thuộc vào độ sâu thì (DT =
KT/Cs là hệ số khuyếch tán nhiệt):
Một số tính chất của các thành phần đất ở 293K
Nhiệt dung Mật độ () cp
riêng (cp) (kg/m3) (J/(m3K))
(J/(kgK))
Chất vô cơ trong đất 733 2600 1.9106
Chất hữu cơ trong đất 1921 1300 2.5106
Nước trong đất 4182 1000 4.2106
Không khí trong đất 1004 1.2 1.2103
• Nhiệt dung của không khí trong đất rất nhỏ, nên khi nước thay thế
không khí trong đất thì nhiệt dung tăng lên rất nhiều
• Độ xốp ảnh hưởng lớn đến nhiệt dung của đất tuỳ thuộc vào trạng
thái đất là khô hay ẩm
- Đất là hỗn hợp nhiều loại vật chất, mỗi loại có các
thuộc tính vật lý hoàn toàn khác biệt
Nhiệt dung của thể tích đất là tổng có trọng số của
nhiệt dung các chất thành phần (tỷ lệ thể tích đóng
vai trò trọng số)
Khoáng chất Chất hữu cơ Nước Băng Không khí
Cs = s cs fs + c cc fc + w cw fw + i ci fi + a ca fa
Nhiệt dung
Mật độ Tỷ lệ thể tích
của đất
Nhiệt dung
- Nhiệt độ đất
• Giả thiết bề mặt chịu tác động có chu kỳ với chu kỳ là
(chẳng hạn, biến trình ngày đêm, biến trình năm, chu kỳ băng
hà,...).
• Phản ứng lại của T(z) cũng có chu kỳ, nhưng biên độ bị giảm và
chậm pha theo độ sâu so với tác động bề mặt
• “Độ sâu thâm nhập” của dao động nhiệt độ bị cưỡng bức bởi
tính chu kỳ của tác động từ bề mặt phụ thuộc vào chu kỳ của tác
động và các thuộc tính vật lý của chất bề mặt
= 1 ngày hT ~ 10 cm
= 1 năm hT ~ 1.5 m
DT ~ 5 x 10-7 m2 s-1 = 10000 năm hT ~ 150 m
- Biến động ngày đêm của nhiệt độ đất
Gần bề mặt biên độ nhiệt
độ rất lớn
Biên độ ngày đêm đạt
25K ở độ sâu 0.5 cm
Cực đại T xung quanh
14h
Biên độ giảm và pha
chậm theo độ sâu
Tại độ sâu 10 cm biên độ
ngày đêm chỉ còn 6 K
Cực đại T vào khoảng
18h
Nhiệt độ đất ở các độ sâu khác nhau tại Tại độ sâu 40 cm biên độ
cánh đồng cỏ ở O'Neill, Nebraska hầu như không đáng kể
- Profile thẳng đứng của nhiệt độ đất
Nhiệt độ tăng theo độ
sâu vào những giờ sáng
sớm (6h) và ban đêm
(22h)
Nhiệt độ ít biến động
theo thời gian trong
ngày khi độ sâu càng
tăng
Sự giảm biên độ dao
động và chậm pha càng
thể hiện rõ nếu là đất
thuộc khu vực rừng
- 4.4 Sự đốt nóng bức xạ bề mặt
Bức xạ thuần tới bề mặt là tổng của mật độ dòng bức
xạ mặt trời thuần và bức xạ sóng dài thuần tại bề mặt
RS = (S(0) S(0)) + (F(0) F(0))
Bức xạ mặt trời thuần tại bề mặt phụ thuộc vào
albedo bề mặt, độ che phủ của mây, góc thiên đỉnh,...
Bức xạ sóng dài thuần tại bề mặt phụ thuộc vào nhiệt
độ bề mặt, hệ số hấp thụ,...
- Dạng bề mặt Phạm vi Giá trị
điển hình 4.4.1 Sự hấp thụ
Nước bức xạ mặt trời tại
Nƣớc sâu: gió nhẹ, độ cao nhỏ 510 7 bề mặt
Nƣớc sâu: Gió mạnh, độ cao lớn 1020 12
Đất trọc S(0) S(0) =
Đất ẩm tối, độ mùn cao 515 10 S(0)(1S)
Đất ẩm xám 1020 15 Albedo biến
Đất khô, sa mạc 2035 30
Cát ƣớt 2030 25
thiên từ 5% (đại
Cát khô sáng 3040 35 dương, gió nhẹ)
Đƣờng rải nhựa 510 7 đến ~90% (tuyết
Đƣờng bê tông 1535 20 mới, khô)
Thực vật
Cây xanh thấp 1020 17 Albedo lớn ở sa
Cây khô 2030 25 mạc, đất khô,
Rừng lá nhọn 1015 12 đồng cỏ khô,...
Rừng lá rụng 1525 17
Tuyết và băng
Albedo thấp ở
Rừng bị tuyết phủ 2035 25 những vùng
Băng biển, không có tuyết phủ 2540 30 rừng
Tuyết cũ, đang tan 3565 50 Rừng lá nhọn có
Tuyết khô, lạnh 6075 70
Tuyết khô, mới 7090 80 thấp hơn
- Albedo bề mặt biển
Tăng khi góc thiên đỉnh
mặt trời tăng
Mây làm tán xạ các tia
bức xạ tới, làm cho nó
có thể đến bề mặt từ
nhiều hướng
Mây càng ít thì albedo
càng tăng nhiều theo góc
thiên đỉnh
Khi trời đầy mây albedo
Sự phụ thuộc của albedo bề mặt nước vào không phụ thuộc vào
góc thiên đỉnh mặt trời và độ phủ mây
góc thiên đỉnh
- Băng biển có albedo rất lớn so với nước biển
- Albedo bề mặt đất
Hệ số phản xạ của các bề mặt
khác nhau phụ thuộc mạnh vào
bước sóng bức xạ
Thực vật hấp thụ BX mạnh
(90%) ở bước sóng nhìn thấy
(0.40.7m) và phản xạ mạnh ở
những bước sóng gần hồng ngoại
Albedo tính chung là giá trị lấy
trung bình có trọng lượng trên tất
cả các bước sóng
Albedo còn phụ thuộc vào dạng
hình học của tán cây
Tán lá có hình dạng phức tạp và
nhiều lỗ hổng có thể có albedo
thấp hơn của một lá riêng lẻ
- Các dạng bề mặt khác nhau sẽ có albedo khác nhau
- Các dạng bề mặt khác nhau sẽ có albedo khác nhau
nguon tai.lieu . vn
