Hệ Thống Khí Hậu Vật Lý Toàn Cầu: Cân Bằng Năng Lượng Bề Mặt

Khám phá phần 2 của hệ thống khí hậu vật lý toàn cầu, tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng và tác động đến môi trường sống trên Trái Đất.

• Đề tài: Khí Hậu Toàn Cầu: Cân Bằng Năng Lượng Bề Mặt

Tóm tắt

I. Tổng quan về Khí Hậu Toàn Cầu và Cân Bằng Năng Lượng Bề Mặt

Khí hậu toàn cầu đang trở thành một trong những vấn đề cấp bách nhất của nhân loại. Sự thay đổi khí hậu không chỉ ảnh hưởng đến môi trường mà còn tác động đến cuộc sống hàng ngày. Cân bằng năng lượng bề mặt là một yếu tố quan trọng trong việc hiểu rõ các quá trình khí hậu. Nó liên quan đến sự trao đổi năng lượng giữa bề mặt trái đất và khí quyển, ảnh hưởng đến nhiệt độ và thời tiết toàn cầu.

1.1. Khái niệm về Cân Bằng Năng Lượng Bề Mặt

Cân bằng năng lượng bề mặt là sự cân bằng giữa năng lượng nhận được từ mặt trời và năng lượng mất đi qua bức xạ, đối lưu và bức xạ nhiệt. Điều này quyết định nhiệt độ bề mặt và các hiện tượng khí hậu khác.

1.2. Tầm quan trọng của Cân Bằng Năng Lượng

Cân bằng năng lượng bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến khí hậu toàn cầu. Nếu năng lượng bề mặt không được cân bằng, sẽ dẫn đến hiện tượng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu.

II. Vấn đề và Thách thức trong Cân Bằng Năng Lượng Bề Mặt

Một trong những thách thức lớn nhất hiện nay là sự gia tăng nồng độ khí thải carbon trong khí quyển. Điều này làm thay đổi cân bằng năng lượng bề mặt, dẫn đến hiện tượng nóng lên toàn cầu. Các yếu tố như đô thị hóa, phá rừng và sự gia tăng dân số cũng góp phần làm trầm trọng thêm vấn đề này.

2.1. Tác động của Khí Thải Carbon

Khí thải carbon từ các hoạt động công nghiệp và giao thông vận tải làm tăng hiệu ứng nhà kính, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ bề mặt trái đất.

2.2. Ảnh hưởng của Đô Thị Hóa

Đô thị hóa làm thay đổi cấu trúc bề mặt trái đất, ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ và phát tán năng lượng, từ đó làm mất cân bằng năng lượng bề mặt.

III. Phương pháp Giải quyết Cân Bằng Năng Lượng Bề Mặt

Để giải quyết vấn đề cân bằng năng lượng bề mặt, cần áp dụng các phương pháp bền vững. Việc sử dụng năng lượng tái tạo, cải thiện hiệu suất năng lượng và bảo vệ môi trường là những giải pháp quan trọng.

3.1. Năng Lượng Tái Tạo

Sử dụng năng lượng mặt trời, gió và thủy điện giúp giảm thiểu khí thải carbon, từ đó cải thiện cân bằng năng lượng bề mặt.

3.2. Cải Thiện Hiệu Suất Năng Lượng

Cải thiện hiệu suất năng lượng trong các ngành công nghiệp và giao thông vận tải giúp giảm tiêu thụ năng lượng và khí thải.

IV. Ứng dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp bền vững có thể cải thiện đáng kể cân bằng năng lượng bề mặt. Các dự án năng lượng tái tạo đã được triển khai trên toàn cầu, mang lại kết quả tích cực trong việc giảm thiểu khí thải.

4.1. Các Dự Án Năng Lượng Tái Tạo

Nhiều quốc gia đã đầu tư vào các dự án năng lượng tái tạo, giúp giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu và cải thiện cân bằng năng lượng bề mặt.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu về Khí Hậu

Các nghiên cứu cho thấy rằng việc giảm khí thải carbon có thể làm chậm quá trình nóng lên toàn cầu và cải thiện điều kiện khí hậu.

V. Kết luận và Tương lai của Cân Bằng Năng Lượng Bề Mặt

Cân bằng năng lượng bề mặt là một yếu tố quan trọng trong việc duy trì khí hậu ổn định. Việc áp dụng các giải pháp bền vững không chỉ giúp cải thiện tình hình hiện tại mà còn đảm bảo tương lai cho các thế hệ sau.

5.1. Tương Lai của Năng Lượng Bền Vững

Năng lượng bền vững sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng năng lượng bề mặt và bảo vệ môi trường.

5.2. Vai Trò của Cộng Đồng trong Bảo Vệ Môi Trường

Cộng đồng cần tham gia tích cực vào các hoạt động bảo vệ môi trường và sử dụng năng lượng bền vững để đảm bảo tương lai cho hành tinh.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình thuộc học phần Khí hậu học vật lý (Physical Climatology) và Vật lý Khí quyển trong chương trình đào tạo trình độ Đại học và Sau Đại học của các ngành Khí tượng học, Thủy văn học, Khoa học Môi trường và Địa lý Tự nhiên. Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết định lượng và phương pháp giải tích toán - lý nhằm mô tả các quá trình tương tác năng lượng, bức xạ, động lực học và chu trình ẩm tại mặt phân giới giữa bề mặt đất/đại dương và khí quyển.

Mục tiêu học tập của giáo trình bao gồm:

• Thiết lập và giải các phương trình cân bằng năng lượng bề mặt và cân bằng nhiệt trong đất dưới các điều kiện biên khác nhau.
• Định lượng các thông lượng bức xạ sóng ngắn, bức xạ sóng dài, dòng hiển nhiệt ($SH$) và dòng ẩn nhiệt ($LE$) thông qua các tham số khí động lực học và tỷ số Bowen.
• Phân tích cấu trúc nhiệt động học và động lực học của lớp biên khí quyển (lớp sát đất, lớp xáo trộn, lớp cuốn hút) trong điều kiện phiếm định và phân tầng.
• Ứng dụng các mô hình thủy văn bề mặt (phương trình Penman, mô hình bể chứa đất, mô hình tương tác tán thực vật) để tính toán bốc thoát hơi và cân bằng nước lục địa.

Giáo trình được xây dựng theo phương pháp tiếp cận diễn dịch toán - lý kết hợp kiểm chứng thực nghiệm. Nội dung phát triển từ việc thiết lập các phương trình bảo toàn vi phân đến việc xây dựng các công thức tham số hóa bán kinh nghiệm, sau đó đối chiếu với số liệu quan trắc thực địa tại các trạm đo chuẩn quốc tế. Điểm đặc thù của tài liệu là sự liên kết chặt chẽ giữa quá trình nhiệt động học bề mặt và chu trình thủy văn lục địa, làm rõ mối quan hệ giữa các thông lượng năng lượng và cơ chế phản hồi khí hậu.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Cấu trúc giáo trình thể hiện tính liên tục và hệ thống của các quá trình vật lý bề mặt:

• Chương 4: Cân bằng năng lượng bề mặt

  • Điểm tiếp xúc và nguồn năng lượng: Thiết lập phương trình cân bằng năng lượng tổng quát $\frac{\partial E_s}{\partial t} = G = R_s - LE - SH - \Delta F_{eo}$, phân tích các thành phần thứ cấp (nhiệt tan băng tuyết, quang hợp, ma sát sóng gió, nhiệt oxy hóa sinh vật, địa nhiệt).
  • Tích lũy nhiệt trong đất và đại dương: Phương trình dẫn nhiệt một chiều $\frac{\partial T}{\partial t} = D_T \frac{\partial^2 T}{\partial z^2}$, độ sâu thâm nhập dao động nhiệt $h_T = \sqrt{D_T \tau}$, so sánh nhiệt dung khí quyển ($C_a \approx 1,02 \times 10^7 , \text{J}\cdot\text{K}^{-1}\cdot\text{m}^{-2}$) và tầng hoạt tính đại dương 70 m.
  • Bức xạ bề mặt: Cơ chế hấp thụ bức xạ mặt trời qua Albedo ($\alpha_s$), bức xạ sóng dài thuần theo định luật Stefan-Boltzmann với độ phát xạ $\epsilon$, phân tích độ phản xạ phổ của thực vật và đất ẩm/khô.
  • Lớp biên khí quyển: Cấu trúc lớp biên ban ngày và ban đêm, sự hình thành nghịch nhiệt bức xạ, lý thuyết tương tự Monin-Obukhov, số Richardson ($Ri, Ri_B$), profile gió logarit theo chiều cao $U(z) = \frac{u_*}{k} \ln\left(\frac{z}{z_0}\right)$ và hệ số cản $C_D$.
  • Dòng hiển nhiệt và ẩn nhiệt: Phân tích thông lượng xoáy Reynolds ($SH = c_p \rho \overline{w'T'}$, $LE = L \rho \overline{w'q'}$), các công thức khí động lực tổng hợp, tỷ số cân bằng Bowen ($B_e$) và sự phụ thuộc phi tuyến vào nhiệt độ.
  • Biến động không gian và thời gian: Phân bố địa lý theo vĩ độ (Bảng dữ liệu Sellers, 1965), biến trình ngày đêm tại Saskatchewan, El Mirage, Madison, Hancock, và biến trình mùa tại các trạm đại diện (Yuma, Flagstaff, Astoria, Madison).
  • Năng lượng bề mặt đại dương: Vai trò vận chuyển nhiệt của các dòng hải lưu bờ tây (Kuroshio, Gulf Stream) và hiện tượng nước trồi xích đạo.

• Chương 5: Chu trình nước và quá trình mặt đất

  • Giáng thủy và bốc thoát hơi: Cơ chế hình thành giáng thủy đối lưu, front và địa hình; bốc hơi trực tiếp và thoát hơi qua khí khổng thực vật; chỉ số diện tích lá (LAI).
  • Phương pháp đo và tính toán: Đo bốc thoát hơi bằng thẩm kế (Lysimeter - Brutsaert, 1982), đo tương quan xoáy, phương pháp phần dư cân bằng năng lượng, phương trình Penman (1948) cho bề mặt ướt.
  • Mô hình hóa cân bằng ẩm đất: Mô hình bể chứa thủy văn lục địa (Bucket model), phương trình cân bằng ẩm và tuyết phủ; mô hình tương tác chi tiết đất - tán thực vật - khí quyển (sức chứa đồng ruộng, ngưỡng héo, độ dẫn thủy lực).
  • Biến động năm của cân bằng nước: Phân loại chu trình cân bằng nước theo Thornthwaite (1948) qua chuỗi số liệu các trạm khí hậu Bắc Mỹ và nhiệt đới (Seattle, Los Angeles, Acapulco, Sioux City, Churchill, Boston, Honolulu).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

• Lý thuyết nhiệt động học và truyền nhiệt: Xác định các đặc tính nhiệt học của môi trường đất (nhiệt dung thể tích $C_s$, độ dẫn nhiệt $K_T$, hệ số khuếch tán nhiệt $D_T$) dựa trên tỷ lệ thành phần khoáng vô cơ, chất hữu cơ, nước và không khí.
• Lý thuyết nhiễu loạn và lớp biên khí quyển: Bản chất của chuyển động rối trong việc vận chuyển động lượng, nhiệt và ẩm; phân biệt cơ chế rối cơ học và rối đối lưu nổi; ứng dụng lý thuyết đồng dạng để xác định profile gió và nhiệt độ.
• Mối liên hệ nhiệt - ẩm bề mặt: Ứng dụng phương trình Clausius-Clapeyron thông qua đạo hàm tỷ số xáo trộn bão hòa $\frac{\partial q^*}{\partial T}$ để giải thích sự suy giảm của tỷ số cân bằng Bowen theo nhiệt độ.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng giải tích toán - lý: Thiết lập phương trình vi phân truyền nhiệt và điều kiện biên bức xạ; phân tích thứ nguyên để tìm các tham số không thứ nguyên ($Ri, C_D, u_*$).
• Kỹ năng tính toán vi khí tượng: Ước tính các thành phần thông lượng bề mặt từ số liệu đo độ cao tiêu chuẩn ($z_r = 10,\text{m}$) qua các công thức khí động lực học.
• Kỹ năng mô hình hóa tham số: Xây dựng thuật toán cân bằng ẩm đất bằng mô hình bể chứa, tính bốc hơi tiềm năng ($PE$) và bốc thoát hơi thực tế ($E$).

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình định hướng phương pháp giảng dạy tích hợp giữa lý thuyết giải tích và thực hành phân tích dữ liệu vi khí hậu:

• Phương pháp sư phạm: Bài giảng bắt đầu từ việc thiết lập các định luật bảo toàn vật lý cơ bản (bảo toàn năng lượng, khối lượng, động lượng), sau đó cụ thể hóa thành các phương trình vi phân và công thức bán kinh nghiệm ứng dụng cho từng dạng bề mặt (đất trống, thảm thực vật, mặt nước).
• Nghiên cứu điển hình (Case Studies):
  • Phân tích profile nhiệt độ đất và sự suy giảm biên độ nhiệt theo độ sâu $e^{-1}$ tại O'Neill, Nebraska (13-8-1953).
  • Cân bằng bức xạ và thông lượng nhiệt tại đồng cỏ Saskatchewan, hồ khô cạn El Mirage (California - Vehrencamp, 1953), cánh đồng ngũ cốc Madison và cỏ linh lăng tưới đẫm Hancock (Wisconsin - Tanner, 1960).
  • Dữ liệu cấu trúc gió và nghịch nhiệt ban đêm tại Haswell, Colorado (Mahrt et al., 1979) và tháp truyền hình thành phố Oklahoma (Crawford & Hudson, 1973).
• Bài tập và thực hành:
  • Tính toán phân bố nhiệt độ đất theo thời gian và độ sâu thâm nhập $h_T$.
  • Xác định độ gồ ghề $z_0$ và tốc độ ma sát $u_*$ từ profile gió thực nghiệm.
  • Tính bốc hơi bề mặt ướt theo phương trình Penman từ số liệu bức xạ thuần, độ ẩm tương đối và tốc độ gió.
  • Lập bảng tính cân bằng nước theo tháng cho các trạm khí hậu đại diện.
• Đánh giá và tự học: Đánh giá kết quả học tập qua bài kiểm tra định lượng, bài tập lập trình tính toán thông lượng và khả năng giải thích các hiện tượng vi khí hậu cục bộ dựa trên dữ liệu đồ thị thực nghiệm.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Giáo trình hệ thống hóa các kết quả nghiên cứu kinh điển và phương pháp mô hình hóa hiện đại trong vật lý bề mặt:

• Tích hợp các nghiên cứu kinh điển: Nội dung kế thừa các nghiên cứu nền tảng về bức xạ và cân bằng năng lượng của Sellers (1965), lý thuyết lớp biên của Monin & Obukhov (1954), Stull (1988), phương trình bốc hơi Penman (1948) và phân loại khí hậu Thornthwaite (1948).
• Kết hợp sinh học thực vật và khí tượng: Mô tả chi tiết vai trò của tán cây, chỉ số diện tích lá (LAI), cơ chế cản trở khí khổng và sự phân tách quang phổ bức xạ mặt trời (bước sóng quang hợp $0,4 - 0,7,\mu\text{m}$ và cận hồng ngoại $>0,7,\mu\text{m}$) theo mô hình Dickinson (1984).
• Mở rộng quy mô từ vi mô đến hoàn lưu toàn cầu: Liên kết các quá trình vi mô (khuếch tán phân tử sát bề mặt $1,\text{mm}$, thông lượng xoáy lớp biên) với cân bằng nhiệt vĩ độ và các dòng hải lưu quy mô hành tinh như Kuroshio và Gulf Stream.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Đối tượng	Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites)	Mục đích sử dụng
Sinh viên Đại học (Năm 3-4)	Vật lý đại cương (Nhiệt học, Bức xạ), Giải tích vi tích phân, Cơ học chất lỏng cơ sở.	Học phần Khí hậu học vật lý, Khí tượng nông nghiệp, Vật lý khí quyển.
Học viên Cao học & NCS	Động lực học khí quyển, Phương trình đạo hàm riêng, Vi khí tượng học nâng cao.	Nghiên cứu tham số hóa bề mặt lục địa trong các mô hình hoàn lưu chung (GCMs, WRF).
Giảng viên	Chuyên ngành Khí tượng, Thủy văn, Khoa học Trái Đất.	Khung tài liệu chuẩn để soạn thảo đề cương bài giảng và bài tập thực hành tính toán.
Kỹ sư & Nghiên cứu viên	Thủy văn công trình, Nông nghiệp công nghệ cao, Đánh giá tác động biến đổi khí hậu.	Tra cứu công thức tính toán bốc thoát hơi, phân tích cân bằng ẩm đất và bức xạ vi khí hậu.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này giải quyết bài toán cốt lõi nào trong khí hậu học?

Giáo trình định lượng hóa cơ chế trao đổi năng lượng và ẩm giữa bề mặt Trái Đất và khí quyển, giải thích cách thức bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời, phân chia thành các dòng hiển nhiệt, ẩn nhiệt, tích lũy nhiệt trong đất/nước và truyền tải động lượng vào lớp biên khí quyển.

2. Sự khác biệt giữa bốc hơi tiềm năng (PE) và bốc thoát hơi thực tế (E) là gì?

Bốc hơi tiềm năng ($PE$) là cường độ bốc thoát hơi cực đại có thể xảy ra khi bề mặt hoàn toàn ướt và được cung cấp đủ nước dưới các điều kiện khí quyển hiện có. Bốc thoát hơi thực tế ($E$) bị khống chế thêm bởi lượng ẩm thực tế có sẵn trong đất ($h_w$), ngưỡng héo của thảm thực vật ($h_\nu$) và sức cản khí khổng của lá cây.

3. Tỷ số Bowen phản ánh điều gì về đặc trưng khí hậu của một vùng lục địa?

Tỷ số Bowen ($Bo = SH / LE$) thể hiện tỷ lệ giữa làm lạnh hiển nhiệt và làm lạnh bốc hơi. Vùng có $Bo$ cao (như châu Úc với $Bo \approx 2,18$, sa mạc) đặc trưng cho khí hậu khô cằn, nơi nhiệt lượng chủ yếu đốt nóng không khí. Vùng có $Bo$ thấp (như Nam Mỹ với $Bo \approx 0,56$, châu Âu với $Bo \approx 0,62$) đặc trưng cho vùng ẩm ướt, nơi ẩn nhiệt bốc hơi chiếm ưu thế.

4. Tại sao dao động nhiệt độ ngày đêm chỉ thâm nhập được khoảng vài chục xentimet trong đất?

Do hệ số khuếch tán nhiệt của đất tương đối nhỏ ($D_T \approx 5 \times 10^{-7},\text{m}^2/\text{s}$) và quá trình truyền nhiệt chủ yếu là dẫn nhiệt phân tử kém hiệu quả. Theo phương trình $h_T = \sqrt{D_T \tau}$, với chu kỳ ngày đêm $\tau = 24,\text{h}$, độ sâu thâm nhập chỉ đạt khoảng $10,\text{cm}$ (nơi biên độ nhiệt giảm xuống còn $e^{-1}$) và hầu như triệt tiêu ở độ sâu $40,\text{cm}$.

5. Phương trình Penman tính bốc hơi bề mặt ướt có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?

Phương trình Penman ($E = \frac{1}{1+B_e} E_{en} + \frac{B_e}{1+B_e} E_{air}$) loại bỏ yêu cầu phải đo nhiệt độ và độ ẩm trực tiếp tại bề mặt phân giới (vốn rất khó đo chính xác), chỉ cần số liệu bức xạ thuần và các biến khí tượng chuẩn (nhiệt độ, độ ẩm tương đối, tốc độ gió) tại một độ cao tham chiếu trong lớp sát đất.

---

Kết luận

Giáo trình cung cấp hệ thống lý thuyết vật lý khí hậu bề mặt và cân bằng nước lục địa hoàn chỉnh, kết hợp chặt chẽ giữa các nguyên lý toán - lý giải tích và số liệu thực nghiệm hiện trường. Tài liệu tạo nền tảng vững chắc cho sinh viên và nhà nghiên cứu trong việc mô hình hóa các quá trình tương tác khí quyển - lục địa - đại dương. Người học nên nghiên cứu tuần tự từ cơ chế cân bằng bức xạ, lý thuyết lớp biên khí quyển đến các mô hình tham số hóa thủy văn đất và tán thực vật. Tài liệu bổ trợ cần thiết bao gồm các phụ lục toán học về giải phương trình vi phân truyền nhiệt và cơ sở dữ liệu vi khí hậu thực địa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

C©n b»ng n¨ng l−îng bÒ mÆt 4.1 §iÓm tiÕp xóc BÒ mÆt cña tr¸i ®Êt lµ biªn gi÷a khÝ quyÓn vµ mÆt ®Êt hoÆc ®¹i d−¬ng. ViÖc x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña biªn nµy cã thÓ khã kh¨n khi trªn biÓn cã nhiÔu ®éng lín hoÆc trªn mÆt ®Êt cã líp phñ thùc vËt biÕn ®æi. Ta sÏ gi¶ thiÕt r»ng vÞ trÝ cña bÒ mÆt nµy cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh mét c¸ch thÝch hîp, vµ ta sÏ xem nã nh− lµ mét mÆt ph©n c¸ch ®¬n gi¶n gi÷a hai m«i tr−êng, nh−ng khi xÐt ®Õn nh÷ng qu¸ tr×nh trao ®æi n¨ng l−îng quan träng ta cÇn ph¶i ®−a vµo c¸c líp biªn cña khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng vµ líp mét vµi mÐt trªn cïng cña líp ®Êt. Còng nh− c¸c dßng t¹i ®Ønh khÝ quyÓn, dßng n¨ng l−îng ®i qua bÒ mÆt cã vai trß rÊt quan träng ®èi víi khÝ hËu, ®Æc biÖt v× khÝ hËu t¹i vÒ mÆt lµ bé phËn quan träng nhÊt.

C©n b»ng n¨ng l−îng bÒ mÆt quyÕt ®Þnh l−îng n¨ng l−îng cã ®−îc ®Ó lµm bèc h¬i n−íc bÒ mÆt vµ lµm t¨ng hoÆc gi¶m nhiÖt ®é bÒ mÆt. C¸c qu¸ tr×nh bÒ mÆt còng ®ãng vai trß quan träng trong viÖc x¸c ®Þnh c©n b»ng n¨ng l−îng cña c¶ hÖ thèng toµn cÇu. Nguån (budget) n¨ng l−îng t¹i bÒ mÆt phøc t¹p h¬n nhiÒu so víi t¹i ®Ønh khÝ quyÓn, v× nã ®ßi hái xem xÐt c¸c dßng n¨ng l−îng do truyÒn dÉn vµ do ®èi l−u nhiÖt, Èm th«ng qua sù chuyÓn ®éng cña chÊt láng còng nh− bøc x¹. Nguån n¨ng l−îng bÒ mÆt ®Þa ph−¬ng phô thuéc vµo ®é chiÕu n¾ng, c¸c ®Æc tr−ng bÒ mÆt nh− tr¹ng th¸i Èm −ít, líp phñ thùc vËt, albedo, vµ c¸c tÝnh chÊt cña khÝ quyÓn phÝa trªn.

Nguån n¨ng l−îng bÒ mÆt liªn hÖ mËt thiÕt víi chu tr×nh n−íc, v× sù bèc h¬i tõ bÒ mÆt lµ thµnh phÇn c¬ b¶n trong c¶ c¸c nguån n¨ng l−îng vµ nguån n−íc. ViÖc hiÓu biÕt nguån n¨ng l−îng bÒ mÆt lµ bé phËn cÇn thiÕt ®Ó hiÓu biÕt khÝ hËu vµ sù phô thuéc cña nã vµo nh÷ng t¸c ®éng c−ìng bøc tõ bªn ngoµi.2 Nguån n¨ng l−îng bÒ mÆt Nguån n¨ng l−îng bÒ mÆt cã thÓ ®−îc viÕt d−íi d¹ng dßng n¨ng l−îng ®i qua mét ®¬n vÞ diÖn tÝch mÆt ph©n c¸ch kh«ng khÝ − bÒ mÆt theo ph−¬ng th¼ng ®øng vµ ®−îc ®o b»ng Watt trªn mÐt vu«ng (W/m2). C¸c qu¸ tr×nh x¸c ®Þnh sù truyÒn n¨ng l−îng gi÷a bÒ mÆt vµ khÝ quyÓn bao gåm sù truyÒn bøc x¹ mÆt trêi vµ bøc x¹ hång ngo¹i, c¸c dßng n¨ng l−îng liªn quan víi sù chuyÓn ®éng cña chÊt láng trong khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng. Sù tÝch luü vµ vËn chuyÓn n¨ng l−îng phÝa d−íi bÒ mÆt còng quan träng.

Cho môc ®Ých tÝnh to¸n nguån n¨ng l−îng, tÝch luü n¨ng l−îng bÒ mÆt x¶y ra trong thÓ tÝch gi÷a biªn víi khÝ quyÓn vµ ®é s©u d−íi bÒ mÆt n¬i mµ c¸c dßng n¨ng l−îng vµ tèc ®é tÝch luü n¨ng l−îng ®−îc xem lµ kh«ng ®¸ng kÓ. §é s©u nµy cã thÓ nhá chØ vµi mÐt ë nh÷ng vïng ®Êt kh« hoÆc lín ®Õn vµi kil«mÐt nh− trong c¸c vïng ®¹i d−¬ng n¬i n−íc s©u. §èi víi bÒ mÆt n−íc, dßng n¨ng l−îng ngang sinh ra do chuyÓn ®éng chÊt láng phÝa d−íi bÒ mÆt cã thÓ ®ãng vai trß rÊt quan träng. C©n b»ng n¨ng l−îng bÒ mÆt cã thÓ ®−îc viÕt b»ng c¸c ký hiÖu nh− trong (4.

∂ E s = G = R s − LE − SH − ∆Feo (4.1) ∂t ∂ trong ®ã E s = G lµ tÝch luü n¨ng l−îng trong líp ®Êt vµ n−íc bÒ mÆt, Rs lµ dßng ∂t n¨ng l−îng bøc x¹ thuÇn ®i vµo bÒ mÆt, LE lµ dßng Èn nhiÖt tõ bÒ mÆt vµo khÝ quyÓn, SH lµ dßng hiÓn nhiÖt tõ bÒ mÆt vµo khÝ quyÓn vµ ∆Feo lµ dßng ngang ra khái cét ®Êt−®¹i d−¬ng phÝa d−íi bÒ mÆt. D−íi ®iÒu kiÖn æn ®Þnh bÒn v÷ng trong ®ã tÝch luü n¨ng l−îng lµ nhá, vÝ dô nh− cã thÓ gi¶ thiÕt lÊy trung b×nh cho toµn n¨m hoÆc trung b×nh ngµy trªn ®Êt, c©n b»ng n¨ng l−îng lµ sù c©n b»ng gi÷a ®èt nãng bøc x¹ vµ c¸c qu¸ tr×nh lÊy ®i n¨ng l−îng tõ bÒ mÆt. Rs = LE + SH + ∆Feo (4.2) Trong phÇn lín c¸c tr−êng hîp th× bøc x¹ ®èt nãng bÒ mÆt, cßn c¸c dßng Èn nhiÖt vµ hiÓn nhiÖt l¹i lµm l¹nh bÒ mÆt, do ®ã c¸c h¹ng tö biÓu diÔn dßng nhiÖt bøc x¹, Èn nhiÖt vµ hiÓn nhiÖt trong (4.2) hÇu nh− th−êng mang dÊu d−¬ng (h×nh 4.1 S¬ ®å chØ mèi quan hÖ cña c¸c thµnh phÇn kh¸c nhau trong c©n b»ng n¨ng l−îng bÒ ∂ mÆt (RS=Bøc x¹ thuÇn, LE=Lµm l¹nh bèc h¬i, SH=Lµm l¹nh hiÓn nhiÖt, ES=TÝch luü nhiÖt d−íi ∂t bÒ mÆt, ∆Feo=Ph©n kú dßng n¨ng l−îng ngang d−íi bÒ mÆt) ý nghÜa vËt lý cña (4.1) lµ ë chç, tÝch luü n¨ng l−îng phÝa d−íi bÒ mÆt b»ng bøc x¹ thuÇn ®i vµo trõ ®i l−îng nhiÖt mÊt tõ bÒ mÆt do bèc h¬i, dßng hiÓn nhiÖt vµ vËn chuyÓn nhiÖt theo ph−¬ng ngang ®Õn c¸c vÜ ®é hoÆc kinh ®é kh¸c.1) ta ®· lo¹i bá rÊt nhiÒu thµnh phÇn kh¸c mµ ®èi víi mét ®Þa ph−¬ng hoÆc ®èi víi nh÷ng thêi kú ng¾n chóng cã thÓ lµ quan träng. Nh÷ng thµnh phÇn nµy bao gåm: − Èn nhiÖt lµm tan b¨ng hoÆc tuyÕt vÒ mïa xu©n cã thÓ cÇn ®Õn 10% n¨ng l−îng bøc x¹ d− thõa trong mét thêi ®o¹n nhÊt ®Þnh.

− Sù chuyÓn ®æi ®éng n¨ng cña giã vµ sãng thµnh nhiÖt n¨ng, nãi chung nhá. − TruyÒn nhiÖt do gi¸ng thuû cã thÓ xuÊt hiÖn nÕu gi¸ng thuû cã nhiÖt ®é kh¸c nhiÖt ®é bÒ mÆt. C¬ chÕ nµy ®Æc biÖt quan träng khi cã m−a rµo vÒ mïa hÌ, v× n−íc m−a cã thÓ l¹nh h¬n bÒ mÆt nhiÒu vµ nhiÖt dung cña n−íc lín. 79 − Mét l−îng n¨ng l−îng mÆt trêi nµo ®ã kh«ng ®−îc thÓ hiÖn râ d−íi d¹ng nhiÖt, mµ ®−îc tÝch luü d−íi d¹ng liªn kÕt ho¸ häc h×nh thµnh trong qu¸ tr×nh quang hîp.

TÝnh chung toµn cÇu lo¹i nµy nhá h¬n 1%, nh−ng cã thÓ ®¹t ®Õn cì 5% mang tÝnh ®Þa ph−¬ng trong mét kho¶ng thêi gian h¹n chÕ. − NhiÖt gi¶i phãng do oxy ho¸ c¸c vËt chÊt sinh vËt, qu¸ tr×nh ng−îc l¹i cña qu¸ tr×nh quang hîp, nh− trong qu¸ tr×nh ph©n huû sinh vËt hoÆc ch¸y rõng. N¨ng l−îng chøa trong vËt chÊt sinh vËt trong qu¸ tr×nh quang hîp ®−îc tr¶ vÒ hÖ thèng khÝ hËu vËt lý th«ng qua sù oxy ho¸. Qu¸ tr×nh nµy x¶y ra quanh n¨m nh−ng thùc hiÖn kh¸ nhanh khi bÒ mÆt nãng vµ Èm.

− Trªn qui m« toµn cÇu, sù gi¶i phãng n¨ng l−îng ®Þa nhiÖt ë nh÷ng khe nøt nãng, ®éng ®Êt, vµ nói löa lµ nhá. − NhiÖt ®−îc gi¶i phãng do ®èt nhiªn liÖu ho¸ th¹ch hoÆc sù t¹o thµnh n¨ng l−îng h¹t nh©n cã thÓ quan träng mang tÝnh ®Þa ph−¬ng, nh−ng kh«ng ®¸ng kÓ ®èi víi c©n b»ng n¨ng l−îng toµn cÇu.3 TÝch luü nhiÖt ë bÒ mÆt TÝch luü n¨ng l−îng ë bÒ mÆt rÊt quan träng ®èi víi chu kú mïa cña nhiÖt ®é trªn ®¹i d−¬ng vµ chu kú ngµy ®ªm trªn mÆt ®Êt vµ ®¹i d−¬ng. ë d¹ng ®¬n gi¶n nhÊt, l−îng n¨ng l−îng t¹i bÒ mÆt cã thÓ ®−îc viÕt nh− lµ tÝch cña nhiÖt dung h÷u hiÖu ®èi víi hÖ thèng tr¸i ®Êt−®¹i d−¬ng vµ nhiÖt ®é trung b×nh t−¬ng øng.3) trong ®ã C eo nhiÖt dung h÷u hiÖu cña hÖ thèng lôc ®Þa hoÆc ®¹i d−¬ng (J/(m2K)) vµ Teo lµ nhiÖt ®é h÷u hiÖu cña chÊt dù tr÷ n¨ng l−îng lôc ®Þa hoÆc ®¹i d−¬ng (K). NhiÖt dung phô thuéc vµo c¸c tÝnh chÊt vËt lý cña bÒ mÆt vµ ®é s©u cña líp bÒ mÆt mµ nã liªn hÖ víi khÝ quyÓn trªn qui m« thêi gian cÇn quan t©m.

Nãi chung chØ vµi mÐt trªn cïng cña líp ®Êt chÞu t¸c ®éng mïa cña c©n b»ng n¨ng l−îng bÒ mÆt, nh−ng nhiÖt ®é cña líp 50−100m trªn cïng cña ®¹i d−¬ng biÕn ®æi theo mïa. Líp d−íi s©u cña ®¹i d−¬ng cã trao ®æi n¨ng l−îng víi bÒ mÆt còng biÕn ®æi theo mïa, do ®ã còng cÇn ph¶i xem xÐt kh¶ n¨ng phô thuéc thêi gian cña nhiÖt dung h÷u hiÖu. NhiÖt dung cña khÝ quyÓn ®−îc −íc l−îng th«ng qua n¨ng l−îng liªn quan ®Õn chuyÓn ®éng cña ph©n tö, n¨ng l−îng nµy cã quan hÖ víi nhiÖt ®é. NhiÖt dung lµ l−îng n¨ng l−îng cÇn thiÕt ®Ó lµm t¨ng nhiÖt ®é lªn 1 ®é.

Ta cã thÓ xÊp xØ nhiÖt dung riªng cña kh«ng khÝ b»ng nhiÖt dung riªng cña kh«ng khÝ kh« víi ¸p suÊt kh«ng ®æi. §Ó nhËn ®−îc nhiÖt dung cho toµn bé khÝ quyÓn ta tÝch ph©n theo khèi l−îng khÝ quyÓn vµ ®−îc Ps 1004JK −1kg −1105 Pa Ca = c p = −2 = 1,02 × 10 7 JK −1m − 2 (4.4) g 9,81ms Ng−êi ta cã thÓ −íc l−îng nhiÖt dung cña ®¹i d−¬ng b»ng viÖc sö dông nhiÖt 80 dung cña n−íc láng tinh khiÕt ë 0oC. NhiÖt dung cña líp n−íc ®é dµy tuú ý dw cã thÓ nhËn ®−îc tõ mËt ®é ρw vµ nhiÖt dung riªng cw: C o = ρwcwdw = 103kgm−3.5) ta thÊy r»ng nhiÖt dung cña khÝ quyÓn b»ng nhiÖt dung cña líp n−íc 2 m. Nh− ®· nãi ë ch−¬ng 7, líp n−íc kho¶ng 70m trªn cïng cña ®¹i d−¬ng t−¬ng t¸c víi khÝ quyÓn trªn qui m« thêi gian kho¶ng mét n¨m, do ®ã trªn qui m« thêi gian mïa nhiÖt dung cña ®¹i d−¬ng gÊp kho¶ng 30 lÇn cña khÝ quyÓn.1 TÝch luü nhiÖt trong ®Êt §Êt cã nhiÖt dung h÷u hiÖu nhá h¬n nhiÒu so víi ®¹i d−¬ng.

V× bÒ mÆt ®Êt lµ r¾n nªn sù truyÒn nhiÖt h÷u hiÖu do chuyÓn ®éng cña chÊt láng x¶y ra trong khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng sÏ kh«ng x¶y ra trong ®Êt. NhiÖt ®−îc truyÒn qua ®Êt hÇu nh− chØ b»ng qu¸ tr×nh dÉn nhiÖt kÐm hiÖu qu¶. ChØ kho¶ng 1−2 mÐt ®Êt trªn cïng lµ chÞu ¶nh h−ëng cña sù biÕn ®éng mïa. NhiÖt dung cña bÒ mÆt ®Êt nãi chung nhá h¬n mét Ýt so víi nhiÖt dung khÝ quyÓn.

Dßng n¨ng l−îng nhiÖt dÉn th¼ng ®øng trong ®Êt tû lÖ víi gradient nhiÖt ®é trong ®Êt.6) ∂z trong ®ã KT lµ ®é dÉn nhiÖt. C©n b»ng nhiÖt trong ®Êt lµ sù c©n b»ng gi÷a nhiÖt tÝch luü trong ®Êt vµ sù héi tô cña dßng nhiÖt khuyÕch t¸n.7) ∂t ∂z ∂z ⎝ ∂z ⎠ NhiÖt dung thÓ tÝch cña chÊt bÒ mÆt CS lµ tÝch cña nhiÖt dung riªng cña ®Êt cS vµ mËt ®é ®Êt ρS. NhiÖt dung cña ®Êt phô thuéc vµo tû lÖ thÓ tÝch cña ®Êt fS, cña chÊt h÷u c¬ fC, n−íc fW vµ kh«ng khÝ fa, mËt ®é vµ nhiÖt dung riªng cña c¸c thµnh phÇn vËt chÊt bÒ mÆt. Cs = ρscsfs + ρcccfc +ρwcwfw + ρcpfa (4.1 TÝnh chÊt cña c¸c thµnh phÇn ®Êt ë 293K NhiÖt dung riªng MËt ®é (ρ) (kg/m3) ρcp (J/(m3K)) (cp) (J/(kgK)) ChÊt v« c¬ trong ®Êt 733 2600 1,9×106 ChÊt h÷u c¬ trong ®Êt 1921 1300 2,5×106 N−íc trong ®Êt 4182 1000 4,2×106 Kh«ng khÝ trong ®Êt 1004 1,2 1,2×103 Tõ b¶ng 4.