Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp---------------------------------------------
41
Chương III. CHẾ ðỘ NHIỆT CỦA ðẤT VÀ KHÔNG KHÍ
1. CHẾ ðỘ NHIỆT CỦA ðẤT
1.1. Các ñặc tính nhiệt lực của ñất
a) Nhiệt dung của ñất
Nhiệt dung của ñất là ñại lượng dùng ñể ñánh giá khả năng nóng lên nhanh hay chậm
của ñất. Nhiệt dung ñược chia ra làm hai loại:
•Nhiệt dung trọng lượng (C
p
): Là lượng nhiệt cần thiết làm cho 1 gam ñất nóng lên 1
o
C.
ðơn vị tính nhiệt dung trọng lượng là calo/g/ñộ.
•Nhiệt dung thể tích (C
v
): Là lượng nhiệt cần thiết làm cho 1cm
3
ñất nóng lên 1
o
C .
ðơn vị tính nhiệt dung thể tích là calo/cm
3
/ñộ.
Nhiệt dung trọng lượng và nhiệt dung thể tích có quan hệ mật thiết với nhau ñược biểu thị
bằng biểu thức sau ñây:
(1)
Trong ñó: C
v
: Nhiệt dung thể tích
C
p
: Nhiệt dung trọng lượng
d: Tỷ trọng của ñất
Nhiệt dung của ñất phụ thuộc phần lớn vào nhiệt dung của các chất hình thành nên ñất.
Từ bảng 3.1 có thể rút ra những nhận xét sau:
Bảng 3.1. Nhiệt dung của các chất cấu tạo ñất
-
+ Các loại ñất cát hoặc pha cát bao giờ cũng có nhiệt dung nhỏ, nóng lên nhanh nhưng
cũng nguội ñi nhanh chóng.
+ Nhiệt dung của cá
c
thành phần cấu tạo nên ñ
ất
rất khác nhau.
+ Nhìn chung nhi
ệt
dung thể tích của mọi thà
nh
phần rắn chủ yếu trong ñ
ất
hầu như giống nhau, và
o
khoảng từ 0,5 –
0.6
calo/cm
3
/ñộ
Thành phần của ñất
Nhiệt dung
trọng lượng
(Calo/g/ñộ)
Nhiệt dung
thể tích
(Calo/cm
3
/ñộ)
Cát 0,18 0,4900
Sét 0,23 0,5900
Than bùn 0,48 0,6000
Không khí trong ñất 0,24 0,0003
Nước trong ñất 1,00 1,0000
C
v
= d . C
p
ệt
ñ
ộ
ñ
ất c
ó
vai tr
ò
ñ
ặc biệt
ñ
ối với c
á
c qu
á
tr
ì
nh v
ật l
ý
x
ẩy ra trong ñất v
à kh
í
quyển, là những yếu tố môi trường quan trọng tác ñộng tới các hoạt ñ
ộng sống của sinh
vật. Không khí là một chất trong suốt rất ít ñược ñốt nóng trực tiếp bởi bức xạ mặt trời vì
khả năng hấp thu năng lượng bức xạ mặt trời của chúng rất kém. Tính trung bình khí
quyển của trái ñất chỉ hấp thu ñược 14% tổng năng lượng bức xạ mặt trời ñi qua, còn l
ại
trên 80% năng lượng nhận ñược chủ yếu nhờ mặt ñất cung cấp cho nó. ðặc tính hấp thu,
truyền nhiệt của ñất và không khí ñều mang những sắc thái riêng. Nghiên c
ứu các tính
chất nhiệt cũng như chế ñộ nhiệt của ñất và không khí giúp chúng ta hiểu rõ b
ản chất tác
ñộng của chúng ñối với khí hậu và ñời sống sinh vật.
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp---------------------------------------------
42
+ Các loại ñất sét hoặc pha sét có nhiệt dung lớn, chúng nóng lên chậm và lạnh ñi chậm
hơn so với ñất cát hoặc pha cát.
+ ðất khô có nhiệt dung nhỏ hơn so với ñất ẩm. Vì vậy các loại ñất khô thiếu ẩm thường
có chế ñộ nhiệt không ổn ñịnh, chúng nóng lên về ban ngày nhanh chóng và lạnh ñi rất nhanh
vào ban ñêm. Sự biến ñộng nhiều của nhiệt ñộ sẽ ảnh hưởng rất lớn ñến quá trình sinh trưởng
và phát triển của cây trồng, ñặc biệt là ở các vùng ñất cát. ðất ẩm, các loại ñất thịt, thịt pha có
chế ñộ nhiệt ôn hoà, ít dao ñộng hơn so với các loại ñất trên. Do vậy làm ẩm ñất bằng cách
Bảng 3.2. Nhiệt dung thể tích của một số loại ñất có ñộ ẩm khác nhau
(ðơn vị: Cal/cm
3
/ñộ)
ðộ ẩm ñất (%)
Loại ñất
0 20 50 80 100
ðất cát 0,35 0,40 0,48 0,58 0,63
ðất sét 0,26 0,36 0,53 0,72 0,90
ðất nhiều mùn 0,15 0,30 0,52 0,75 0,90
ðất than bùn 0,20 0,32 0,56 0,79 0,94
tưới nước có thể ñiều tiết ñược chế ñộ nhiệt thích hợp cho cây trồng, giữ ñược nhiệt trong
mùa ñông và làm giảm nhiệt ñộ trong mùa hè.
b) Hệ số dẫn nhiệt (ñộ dẫn nhiệt) của ñất
Hệ số dẫn nhiệt là ñại lượng vật lý biểu thị khả năng truyền nhiệt của các loại ñất. Là
lượng nhiệt ñi qua một ñơn vị diện tích 1 cm
2
, có ñộ dày là 1cm, trong thời gian 1 giây khi
nhiệt ñộ chênh lệch giữa 2 lớp ñất là 1
o
C.
Ký hiệu của hệ số ñẫn nhiệt:
λ
; ñơn vị tính là calo/cm
2
/cm/giây/ñộ.
Hệ số dẫn nhiệt của các loại ñất rất khác nhau và phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt của các
chất cấu tạo nên ñất, ñộ xốp, ñộ ẩm của ñất
Bảng 3.3. Hệ số dẫn nhiệt của một số vật chất cấu tạo ñất
(ðơn vị: Calo/cm
2
/cm/giây/ñộ)
Các chất
λ
Các chất
λ
1. Bột phenspat 0,00580 5. ðá vôi 0,00190
2. Cát khô 0,00026 6. Cát ẩm (20%) 0,00252
3. Hạt sét 0,00440 7. Thạch cao 0,00220
4. Nước 0,00130 8. Không khí 0,00005
Hệ số dẫn nhiệt của cát rất thấp, do vậy ñất cát hoặc ñất pha nhiều cát cũng có hệ số dẫn
nhiệt nhỏ. Vì thế, sự truyền nhiệt xuống các lớp ñất sâu chậm, lớp ñất mặt nóng lên nhanh
hơn so với các lớp phía dưới vào ban ngày nhưng lạnh ñi rất nhanh vào ban ñêm. Ngược lại
ñất sét hoặc ñất sét pha có hệ số dẫn nhiệt lớn, khả năng truyền nhiệt nhanh giữa các lớp ñất
nên nóng lên và lạnh ñi chậm, chế ñộ nhiệt ít biến ñộng hơn.
Nước có hệ số dẫn nhiệt lớn hơn không khí, do vậy sự có mặt nhiều hay ít của nước và
không khí sẽ ảnh hưởng ñến tính dẫn nhiệt của ñất. Khi ñộ ẩm của ñất tăng lên sẽ làm tăng hệ
số dẫn nhiệt, nhờ vậy mà nhiệt ñộ mặt ñất cao vào ban ngày ñược truyền nhanh xuống các lớp
ñất sâu hơn, ít bị ñốt nóng hơn so với ñất thiếu ẩm. Vào ban ñêm lớp ñất mặt bức xạ bị mất
nhiệt thì ñồng thời sẽ ñược bổ sung bằng lượng nhiệt truyền từ dưới sâu lên. Ở ñất khô thiếu
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp---------------------------------------------
43
ẩm, chứa nhiều không khí, hệ số dẫn nhiệt kém nên diễn biến của nhiệt ñộ ngược lại với ñất
ẩm. Bởi vậy các loại ñất có ñộ ẩm cao thường có chế ñộ nhiệt ôn hoà hơn các loại ñất khô,
biên ñộ nhiệt ñộ ngày ñêm cũng nhỏ hơn.
c) Hệ số truyền nhiệt ñộ của ñất
Hệ số truyền nhiệt ñộ của ñất là tỷ số giữa hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung thể tích của
ñất và ñược biểu thị bằng công thức:
)
(2)
Như vậy sự tăng nhiệt ñộ của một lớp ñất nào ñó tỷ lệ thuận với lượng nhiệt (
λ
) ñi qua và
tỷ lệ nghịch với nhiệt dung thể tích (C
v
) của ñất. Trong ñất, các thành phần rắn có nhiệt dung
thể tích hầu như không thay ñổi, ñộ ẩm và ñộ xốp trong ñất tác ñộng nhiều ñến hệ số truyền
nhiệt ñộ của ñất. Do ñất ẩm chứa nhiều nước có ñộ truyền nhiệt ñộ nhỏ hơn so với ñất khô
nên trong ñất ẩm sự thay ñổi nhiệt ñộ theo ñộ sâu và biến thiên nhiệt ñộ trong một ngày ñêm
cũng nhỏ hơn so với ñất khô. Nghiên cứu của Gupalo về hệ số truyền nhiệt ñộ ñược trình bày
ở bảng 3.4.
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của tỷ trọng và ñộ ẩm ñối với hệ số truyền nhiệt ñộ của ñất
Tỷ trọng của ñất (g/cm
3
) ðộ ẩm ñất
(%) 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
0 0,0012 0,0013 0,0015 0,0016 0,0017
4 0,0013 0,0015 0,0016 0,0017 0,0017
10 0,0023 0,0026 0,0027 0,0030 - -
20 0,0033 0,0035 0,0038 0,0041 0,0043
25 0,0031 0,0033 0,0035 0,0037 0,0039
Hệ số truyền nhiệt ñộ phản ảnh tốc ñộ truyền nhiệt ñộ trong ñất. Ở tầng ñất canh tác
tốc ñộ truyền nhiệt ñộ có ý nghĩa lớn ñối với kỹ thuật trồng trọt. Mùa ñông giá lạnh, nếu hệ số
truền nhiệt ñộ cao thì bộ rễ cây trồng hoạt ñộng tốt.
d) Lưu lượng nhiệt
Lưu lượng nhiệt là ñại lượng dùng ñể chỉ tổng lượng nhiệt ñược truyền xuống một lớp ñất sâu
nào ñó trong một khoảng thời gian nhất ñịnh. Lưu lượng nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố sau
ñây:
•Hệ số dẫn nhiệt càng lớn thì lượng nhiệt truyền xuống lớp ñất dưới sâu càng nhiều.
•Thời gian càng dài thì tổng lượng nhiệt truyền xuống lớp ñất sâu càng lớn.
•Gradient nhiệt ñộ giữa các lớp ñất càng cao thì tổng lượng nhiệt truyền xuống lớp ñất sâu
càng lớn.
Công thức tính lưu lượng nhiệt như sau:
(3)
(t
2
- t
1
)
Q = - λ ---------- . τ
(z
2
-
z
1
)
K =
v
C
λ
(cm
2
/giây)
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp---------------------------------------------
44
Trong
ñ
ó:
Q: l
ư
u l
ượ
ng nhi
ệ
t ;
λ
: H
ệ
s
ố
d
ẫ
n nhi
ệ
t ;
τ
: Th
ờ
i gian truy
ề
n nhi
ệ
t; (t
2
- t
1
)/(z
2
-
z
1
): Gradient
nhi
ệ
t
ñộ
gi
ữ
a các l
ớ
p
ñấ
t.
Ví d
ụ
: Tính l
ư
u l
ượ
ng nhi
ệ
t truy
ề
n xu
ố
ng l
ớ
p
ñấ
t cát sâu 30cm có nhi
ệ
t
ñộ
là 25
0
C trong
kho
ả
ng th
ờ
i gian 60 giây trên di
ệ
n tích 100 cm
2
, bi
ế
t r
ằ
ng nhi
ệ
t
ñộ
c
ủ
a l
ớ
p
ñấ
t m
ặ
t là 35
0
C,
h
ệ
s
ố
d
ẫ
n nhi
ệ
t
λ
= 0.00252 calo/cm
2
/cm/giây/
ñộ
.
Gi
ả
i:
100 cm
2
= 1 m
2
, nên theo công th
ứ
c ta tính
ñượ
c:
(t
1
- t
2)
)
Q = -
λ
---------- .
τ
= 0,00252 x (35 - 25) /30 x 60 x 100 = 5,04 (Cal/m
2
)
(z
2
-
z
1
)
V
ậ
y l
ượ
ng nhi
ệ
t truy
ề
n xu
ố
ng l
ớ
p
ñấ
t 30 cm
2
trong 1 phut là 5,04 (Cal/m
2
).
1.2. Cân bằng nhiệt của mặt ñất
Cân bằng nhiệt của mặt ñất là hiệu số giữa phần năng lượng nhận ñược và phần năng
lượng mất ñi của mặt ñất. Nếu cân bằng nhiệt có giá trị dương, thì mặt ñất nóng lên, còn nếu
có giá trị âm thì mặt ñất sẽ bị lạnh ñi. ðiều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng nhận nhiệt
và mất nhiệt của mặt ñất vào ban ngày và ban ñêm.
Vào ban ngày, mặt ñất nhận ñược nguồn nhiệt từ mặt trời gồm có: bức xạ trực tiếp (S’),
bức xạ khuyếch tán (D), bức xạ nghịch khí quyển (E
ng
), ñồng thời tự nó cũng mất ñi nguồn
nhiệt do phản xạ sóng ngắn (R
n
), phát xạ sóng dài của mặt ñất (Eñ), truyền nhiệt phân tử vào
khí quyển (V), mất nhiệt do sự bốc hơi nước (LE), truyền nhiệt vào lòng ñất (P). Do vậy
phương trình cân bằng nhiệt của mặt ñất vào ban ngày có dạng:
B
1
= S’ + D + E
ng
- Eñ – R
n
- V - LE - P
Hay B
1
= S’ + D – (E
hh
+ R
n
+ V + LE + P) (4)
Ban ñêm, do không có bức xạ mặt trời, mặt ñất chỉ nhận ñược nhiệt từ bức xạ nghịch khí
quyển (E
ng
), nhiệt từ khí quyển truyền nhiệt phân tử (V), nhiệt từ quá trình ngưng kết hơi
nước (LE), nhiệt từ trong lòng ñẩt truyền lên (P) và mất ñi một lượng nhiệt rất lớn từ bức xạ
sóng dài của mặt ñất (Eñ). Như vậy phương trình cân bằng nhiệt của mặt ñất vào ban ñêm có
dạng:
B
2
= V + LE + P + E
ng
- Eñ
Hay B
2
= V + LE + P – E
hh
(5)
Thông thường B
1
có giá trị dương do nhận ñược nhiều năng lượng từ bức xạ mặt trời, còn
B
2
có giá trị âm do ban ñêm mặt ñất nhận ñược năng lượng rất ít không bù ñược phần năng
lượng mất ñi do bức xạ sóng dài.
1.3. Sự biến ñổi của nhiệt ñộ ñất
a) Diễn biến hàng ngày của nhiệt ñộ ñất
Sự nóng lên ban ngày và lạnh ñi ban ñêm của mặt ñất gây ra sự biến thiên nhiệt ñộ liên tục
trong suốt thời gian một ngày ñêm gọi là diễn biến hàng ngày của nhiệt ñộ ñất.
Diễn biến hàng ngày của nhiệt ñộ mặt ñất là những dao ñộng tuần hoàn của nhiệt ñộ với
một cực ñại và một cực tiểu trong thời gian một ngày ñêm. Từ khi mặt trời mọc, nhiệt ñộ mặt
ñất bắt ñầu tăng và sau khoảng 1,0 – 1,5 giờ, lượng nhiệt mặt ñất nhận ñược ñã lớn hơn lượng
nhiệt bị mất ñi, lúc này mặt ñất nóng lên và sẽ truyền nhiệt vào trong lòng ñất và cho tầng khí
quyển bên trên. Nhiệt ñộ ñất tiếp tục tăng dần và ñạt cực ñại vào lúc 13 giờ. Sau 13 giờ, nhiệt
Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Khí tượng Nông nghiệp---------------------------------------------
45
ñộ của ñất bắt ñầu giảm. Sự giảm nhiệt ñộ tiếp diễn suốt ban ñêm và trị số cực tiểu quan sát
ñược vào trước khi mặt trời mọc 1- 2 giờ. Thời gian mặt trời mọc trong năm có thay ñổi, nên
cực tiểu của nhiệt ñộ ñất vào mùa hè thường sớm hơn mùa ñông.
Trong một ngày ñêm, hiệu số giữa nhiệt ñộ cao nhất và thấp nhất quan sát ñược gọi là
biên ñộ nhiệt hàng ngày của mặt ñất và ñược tính theo công thức:
(6)
Trong ñó: ∆t: biên ñộ nhiệt ñộ (
o
C); t
max
: nhiệt ñộ cao nhất (
o
C); t
min
: nhiệt ñộ thấp nhất
(
o
C).
Biên ñộ hàng ngày của nhiệt ñộ ñất là yếu tố biến ñộng rất lớn và phụ thuộc vào nhiều yếu
tố:
- Thời gian trong năm: Mùa hè biên ñộ nhiệt ñộ lớn hơn so với mùa ñông
- Vĩ ñộ ñịa lý: Vĩ ñộ càng nhỏ thì biên ñộ nhiệt ñộ hàng ngày càng tăng.
- Lượng mây: Trên bầu trời lượng mây càng ít thì biên ñộ nhiệt ñộ càng cao
- Tính chất nhiệt của ñất: ðất có nhiệt dung càng lớn thì biên ñộ nhiệt ñộ hàng ngày càng
nhỏ và ñất có tính dẫn nhiệt càng cao thì biên ñộ nhiệt ñộ hàng ngày càng thấp.
Bảng 3.5. Biến thiên nhiệt ñộ hàng ngày của một số loại ñất, ñá tại Huế (
o
C)
Nhiệt ñộ ðá granit Cát Than bùn
Nhiệt ñộ tối cao (t
max
) 34,8 42,3 27,7
Nhiệt ñộ tối thấp (T
min
) 14,5 7,8 6,3
Biên ñộ nhiệt ñộ 20,1 34,5 21,4
Nguồn: Lê Quang Vĩnh (2004)
Bảng 3.5 cho thấy, biến thiên nhiệt ñộ hàng ngày trên mặt ñất khác nhau do các loại ñất có
tính dẫn nhiệt khác nhau. ðá granit là loại ñá chắc, dẫn nhiệt tốt; cát là loại ñất xốp nên dẫn
nhiệt kém hơn; than bùn là loại ñất xốp nhưng chứa ẩm nhiều nên dẫn nhiệt tốt hơn cát. Vì
vậy ñất cát có biên ñộ nhiệt ñộ lớn nhất, granit có biên ñộ nhỏ nhất trong 3 loại.
- Màu sắc của ñất: Biên ñộ nhiệt ñộ của ñất sẩm màu lớn hơn biên ñộ nhiệt ñộ của ñất nhạt
màu.
- Lớp phủ thực vật: ðất có lớp phủ thực vật, biên ñộ nhiệt ñộ bao giờ cũng nhỏ hơn so với
ñất trơ trụi không có thực vật.
- ðịa hình và hướng dốc: Các dạng ñịa hình lồi (ñồi, núi) có biên ñộ nhiệt ñộ nhỏ hơn các
vùng ñất lõm (các vùng ñất trũng, thung lũng). ðất của sườn phía Tây biên ñộ nhiệt ñộ lớn
hơn sườn phía ðông.
b) Diễn biến hàng năm của nhiệt ñộ ñất
Diễn biến hàng năm của nhiệt ñộ ñất có liên quan với biến thiên hàng năm của năng lượng
bức xạ mặt trời. Tại Bắc bán cầu, thời ñiểm cực ñại của nhiệt ñộ mặt ñất xuất hiện vào tháng
bảy, tháng tám, còn thời ñiểm cực tiểu thường vào tháng giêng, tháng hai.
Biên ñộ hàng năm của nhiệt ñộ ñất là hiệu số giữa nhiệt ñộ trung bình tháng có giá trị lớn
nhất và nhiệt ñộ trung bình tháng có giá trị nhỏ nhất.
Vĩ ñộ ñịa lý càng tăng thì biên ñộ nhiệt ñộ ñất hàng năm càng lớn do sự chênh lệch nhiều
về nhiệt ñộ giữa mùa hè và mùa ñông. Biên ñộ nhiệt ñộ mặt ñất năm ở vùng xích ñạo chỉ vào
khoảng 3
o
C, còn ở vùng cực ñới có thể lên tới 70
o
C.
∆t
= (t
max
- t
min
)