Bài giảng Tuần hoàn nước trong tự nhiên

Chương IV. Tuần hoàn nước trong tự nhiên Chu trình tuần hoàn nước trong tự nhiên Độ ẩm không khí Sự bốc hơi nước Sự ngưng kêt hơi nước Sương, sương muối, sương mù Các loại mây Mưa Độ ẩm đất Chu trình tuần hoàn nước (Đơn vị: nghìn km3/năm, diện tích của trái đất là 520 x 103 km3) Vai trò của nước và tuần hoàn nước Nước chiếm 70-90% trọng lượng cơ thể thực vật Trao đổi nước giữa khí quyển, đất liền và đại dương Vận chuyển năng lượng trong khí quyển (hoàn lưu khí quyển và bão nhiệt đới) Điều hòa độ mặn của nước biển. Cung cấp nguồn dinh dưỡng cho sinh vât biển (quyết định năng suất của hệ sinh thái biển) Độ ẩm không khí Đại lượng đặc trưng cho độ ẩm không khí Áp suất hơi nước của không khí (sức trương hơi nước - e) Áp suất do hơi nước chứa trong không khí gây ra. Đơn vị: 1mb = 10-3bar = 100 N/m2 = 100Pa = 3/4 mmHg Áp suất hơi nước bão hòa (E) Áp suất hơi nước tối đa trong không khí ở một nhiệt độ xác định E(t) = 6,1 . 107,6t/(242 + t) E (t) là áp suất hơi nước bão hoà ở nhiệt độ t (0C). Khi t = 0oC thì E = 6,1mb. Độ ẩm tuyệt đối (g/m3): Là lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí (g/m3) a (g/m3) =( 0.81e/(1 + αt) α là hệ số dãn nở thể tích của không khí (0,00366) và e là áp suất hơi nước trong không khí (mb) Quá trình bão hòa hơi nước của không khí Độ ẩm riêng (g/kg): Lượng hơi nước tính bằng gam chứa trong 1 kg không khí ẩm. Độ ẩm tương đối (RH%): Độ ẩm tương đối là tỷ lệ phần trăm giữa áp suất hơi nước của không khí (ea) và áp suất hơi nước bão hoà (E(ta). RH(%) = (ea/E(ta)) . 100 Nếu ea = E(ta) không khí bão hoà hơi nước và khi đó RH = 100% Độ hụt bão hòa(d): Độ hụt bão hoà hay độ thiếu hụt ẩm (d) là hiệu số giữa áp suất hơi nước bão hoà và áp suất hơi nước thực tế ở nhiệt độ xác định d = E(ta) – ea d cho biết độ ẩm của không khí xa hay gần trạng thái bão hòa Điểm sương () Là nhiệt độ mà tại đó hơi nước chứa trong không khí đạt tới trạng thái bão hoà [ea = E()]. Khi khoảng cách giữa t và  càng lớn, càng xa trạng thái bão hòa. Mối quan hệ giữa E, RH% với nhiệt độ Diễn biến độ ẩm của không khí Diễn biến của độ ẩm tuyệt đối Phụ thuộc vào biến đổi của nhiệt độ không khí Biển hay lục địa Mùa trong năm Hàng ngày: amax lúc 14-15h amin lúc mặt trời mọc Hàng năm: amax vào tháng 7 amin vào tháng 1 Trên lục địa vào mùa hè hàng ngày: 2 amax vào 8-9h và trước lúc mặt trời lặn; 2 amin vào 14-15h và lúc mặt trời mọc Diễn biến của độ ẩm tương đối Tỷ lệ nghịch với diễn biến của nhiệt độ không khí Ngoại trừ những vùng chịu ảnh hưởng trực tiếp từ gió mùa diễn biến hàng năm khá phức tạp. Diễn biến hàng ngày độ ẩm tương đối Diễn biến hàng ngày của nhiệt độ Ảnh hưởng của độ ẩm đối với nông nghiệp Ảnh hưởng tới cường độ thoát hơi nước của cây Tăng lên năm lần khi độ ẩm không khí giảm từ 90-95% xuống 50% Các loại cây trồng khác nhau có nhu cầu độ ẩm khác nhau (bông, hồ tiêu) Ảnh hưởng tới sự phát dục của sinh vật (đồng hồ sinh học, côn trùng diapause và anabiose…) Độ ẩm không khí cao kéo dài thời gian sinh trưởng và thu hoạch của cây Độ ẩm quá cao hoặc quá thấp làm giảm sức sống của hạt phấn (xoài, nhãn, lúa, ngô) Ảnh hưởng đến quá trình bảo quản nông sản Hạt ngũ cốc: yêu cầu độ ẩm không khí thấp; độ ẩm cao kết hợp với nhiệt độ cao làm giảm chất lượng và trọng lượng của hạt nghiêm trọng. Rau quả: yêu cầu độ ẩm không khí cao và nhiệt độ thấp Ảnh hưởng tới sự phát triển của sâu bệnh Trứng sâu đục thân ngô khi nở cần độ ẩm thấp (RH 75%). Xoài nở hoa gặp thời tiết đẹp Xoài nở hoa gặp độ ẩm cao nên bị bệnh Hình 4.8. Củ khoai mới chín hình thức Hình 4.9. Củ khoai tây đã chin sinh lý Biện pháp điều tiết độ ẩm không khí Trồng đai rừng chắn gió trên cánh đồng nhằm ngăn gió khô, nóng và hạn chế tốc độ phân tán hơi ẩm. Xây dựng hệ thống tưới tiêu hoàn chỉnh tạo điều kiện cho cây trồng được tưới đầy đủ Trồng xen để tăng mật độ cây trồng làm tăng độ ẩm không khí Trồng rừng và xây dựng hồ chứa nước để cải thiện độ ẩm không khí trên quy mô rộng Cần nắm vững diễn biến độ ẩm không khí theo không gian và thời giạn, đồng thời nắm vững nhu cầu độ ẩm của các loại cây trồng nhằm bố trí thời vụ hợp lý Sự bốc hơi nước (Evaporation) Bản chất của sự bốc hơi nước Là quá trình chuyển trạng thái của nước từ thể lỏng hoặc thể rắn sang thể hơi Điều kiện: ea  Đơn vị đo bốc hơi: bề dày của lớp nước bốc hơi (mm);1mm = 10 m3 ha-1 = 1 lít m-2 Bốc hơi là quá trình tiêu tốn năng lượng: Nhiệt hóa hơi là lượng nhiệt tiêu tốn cho 1 g hơi nước bốc hơi hoàn toàn. L = 597 - 0,6t Trong đó L là nhiệt hoá hơi của nước (cal g-1) và t là nhiệt độ của nước (0C). Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bốc hơi W = A.(E – e)/P W: tốc độ bốc hơi (mm.ha-1.h-1) A: hệ số phụ thuộc vào tốc độ gió E: áp suất hơi nước bão hoà ở nhiệt độ mặt bốc hơi e: áp suất thực tế của hơi nước trên bề mặt bốc hơi P: áp suất khí quyển Năng lượng sử dụng khi nước chuyển trạng thái Vật thể bốc hơi: Trạng thái vật bốc hơi: nước thể lỏng bốc hơi mạnh hơn ở thể rắn Diện tích mặt ngoài lớn sẽ bốc hơi nhanh hơn Nhiệt độ vật bốc hơi càng cao thì tốc độ bốc hơi càng lớn Nước có nhiều tạp chất sẽ bốc hơi chậm hơn nước tinh khiết Bốc hơi từ đất Đất cát bốc hơi nhanh hơn đất giàu mùn, đất sét Mặt đất gồ ghề bốc hơi nhiều hơn mặt đất bằng phẳng. Khi ẩm, mặt đất màu sẫm bốc hơi mạnh hơn đất màu nhat Đất có kết cấu viên bốc hơi mạnh hơn đất có kết cấu đoàn lạp Bốc thoát hơi nước từ thực vật (Transpiration) Phần lớn lượng nước hút được cây dùng vào quá trình bốc hơi qua lá. Ví dụ cây ngô chỉ 1 - 2% lượng nước cây hút từ đất được sử dụng để tạo ra chất hữu cơ. Lượng nước tiêu hao để hình thành một đơn vị chất khô gọi là hệ số thoát hơi nước của cây. Hệ số thoát hơi = lượng nước thoát hơi/lượng chất khô tạo nên Hiện nay thường dùng chỉ tiêu WUE (Water Use Efficiency) (g/l) Đây là CÁC chỉ tiêu đánh giá khả năng chịu hạn của các giống. QUÁ TRÌNH THOÁT HƠI NƯỚC CỦA CÂY RỪNG ác Sự ngưng kết hơi nước Khái niệm: Là quá trình chuyển trạng thái của nước từ thể hơi sang thể lỏng hoặc thể rắn. Điều kiện ngưng kết ea ≥ E(ta) khi ta ≤  Khối không khí chuyển động ngang (bình lưu) trượt trên bề mặt đệm lạnh hơn hoặc xáo trộn với khối không khí ấm hơn. Khối khí lạnh đi về ban đêm do mặt đất bức xạ mất nhiệt. Các khối không khí gần bão hoà có nhiệt độ khác nhau xáo trộn với nhau. Các khối không khí chuyển động thăng lên cao, nhiệt độ giảm dần Các khối không khí di chuyển tiếp xúc với nhau (front nóng hoặc lạnh) Có hạt nhân ngưng kết hơi nước (hạt nước nhỏ li ti, bụi, phấn hoa, hạt muối…) Nếu không có hạt nhân ngưng kết, sự ngưng tụ chỉ xảy ra khi RH = 400-600% Các sản phẩm ngưng tụ hơi nước Sương Là lớp nước mỏng, giọt nước hình thành trên mặt đất hay trên bề mặt các vật thể có nhiệt độ thấp (lá cây, sàn nhà, mặt tảng đá…) Nguyên nhân: Do ban đêm nhiệt độ giảm dần, không khí gần bão hoà hơi nước tiếp xúc với bề mặt lạnh. Do mặt đất bức xạ mất nhiệt, không khí ấm, ẩm tiếp xúc với mặt đất lạnh. Không khí ấm, ẩm ở dưới đất bốc lên theo các kẽ nứt gặp không khí lạnh hơn nên ngưng kết thành giọt vướng váo mạng nhện. Vai trò của sương: Sương có lợi cho cây trồng, hàng năm cung cấp 30 – 40 mm nước. Các sản phẩm ngưng tụ hơi nước Sương muối: Là các giọt nước đóng băng hình thành trên mặt đất hoặc trên bề mặt các lá cây giống như những hạt muối. Nguyên nhân: Vào mùa lạnh, Do ban đêm nhiệt độ không khí rất thấp (t ≤ 100C), mặt đất bức xạ nên nhiệt độ giảm xuống gần 00C, không khí ẩm tiếp xúc với mặt đất lạnh sẽ hình thành sương muối. Điều kiện thuận lợi cho sương muối hình thành: trời quang mây và gió nhẹ Độ ẩm không khí không cao quá. Trong các thung lũng hay bồn địa thấp trũng. Tác hại của sương muối: Làm chết cây hàng loạt do nước ở gian bào bị đóng băng lại, màng tế bào bị rách cơ giới không hồi phục được. Động vật ăn cỏ bị viêm họng, viêm phổi, lở mồm, long móng … SƯƠNG MUỐI BĂNG GIÁ TẠI MẪU SƠN THÁNG 2 - 2008 THIỆT HẠI DO SƯƠNG MUỐI Các sản phẩm ngưng tụ hơi nước Biện pháp phòng chống sương muối: Trồng rừng chắn gió hướng Bắc Xới xáo đất để làm giảm nhiệt dung, hấp thu tốt bức xạ ban ngày. Hun khói trong các thung lũng. Tưới nước mặt lá, giữ đất luôn ẩm. Thiết kế hệ thống thông gió (với loại cây đặc sản quý)… Sương mù Hình thành ở lớp không khí gần mặt đất, là các hạt nước hoặc hạt băng nhỏ li ti bay lơ lửng (hạt sương mù có kích thước 2-5) Nguyên nhân: phân biệt các loại sương mù Sương mù bức xạ (radiation fog): mặt đất lạnh đi do bức xạ mất nhiệt, lớp không khí mỏng sát mặt đất (1-2m) xuất hiện sương mù. Thường xuất hiện trên thảo nguyên, đồng lúa, đồng bông… Sương mù bình lưu (advection fog) Sương mù bốc hơi (steam fog) Sương mù thành phố Sương mù bình lưu (advection fog): không khí nóng, ẩm di chuyển trượt trên mặt đất lạnh hoặc xáo trộn với khối không khí lạnh hơn. Sương mù bình lưu thường dày và đặc (dày từ 10 mét đến hàng trăm mét, đặc làm tầm nhìn xa giảm). Sương mù bốc hơi (steam fog): vào mùa thu, mùa đông trên bề mặt ao, hồ, sông, ngòi xuất hiện làn sương mù mỏng do hơi nước bốc lên gặp không khí lạnh. Sương mù thành phố (loại sương mù hỗn hợp do nhiều nguyên nhân hình thành). Mây Là tập hợp những sản phẩm ngưng kết ở các độ cao khác nhau trong khí quyển. Cơ chế dẫn đến sự ngưng tụ tạo thành mây gọi chung là nhiễu động khí quyển (đối lưu, front, rãnh trên cao, hội tụ nội chí tuyến, áp thấp nhiệt đới, bão, lốc, tố, vòi rồng…) Các cơ chế thăng lên cao của không khí (Mây ti) (Ti tích) (Ti tằng) (Trung tích) (Trung tằng) (Vũ tằng) (Mây tằng) (Tằng tích) (Mây tích) (Vũ tích) Phân bố của mây theo độ cao Mây ti (Cirus) Mây ti tích (ciroculumulus) Mây ti tằng (Cirostratus) Mây trung tích (Altocumulus) Mây tích (Cumulus) Mây tích vũ (Cumulo-nimbus) Giáng thuỷ Nước ở trạng thái lỏng hay rắn rơi từ các đám mây xuống mặt đất dưới dạng mưa, mưa đá hay tuyết rơi. Quá trình hình thành mưa: Mây là tập hợp các hạt nước nhỏ li ti gọi là các phần tử mây. Các phần tử mây có khối lượng nhỏ thường bay lơ lửng hoặc bị các luồng không khí thăng cuốn lên cao. Mây tầng cao Ci, Cs, Cc hạt nhỏ và đều, trữ lượng nước ít nên không gây mưa Mây Ac, As và Cu hạt to hơn nhưng rất đều cũng không gây mưa. Mây St, Sc hạt to, không đều nhưng độ phát triển theo phương thẳng đứng thấp (đám mây dầy) nên khó gây mưa. Mây hỗn hợp Ns, Cb hạt to, không đều, đám mây khá dầy nên thường gây mưa. Để có mưa, các phần tử mây phải tăng kích thước đến khi trọng lượng đủ lớn thắng được lực cản của không khí và lực đẩy của các dòng không khí thăng: Tăng kích thước nhờ tụ hợp: Các phần tử mây va chạm cơ giới (khi có gió) Các phần tử mây tích điện trái dấu thường hút tĩnh điện Tăng kích thước nhờ ngưng kết hơi nước xảy ra trên bề mặt các phân tử mây: Các đám mây có các phần tử không đều, các hạt nước nhỏ thường bị hoá hơi để chuyển sang các hạt nước lớn hơn. Các đám mây có độ phát triển thẳng đứng tốt, các phần tử mây thường bị cuốn lên cao rồi lại rơi xuống cho phép các hạt nước ngưng kết trên bề mặt nhiều lớp nước làm kích thước tăng rất nhanh. Giáng thuỷ Lượng mưa là bề dầy của lớp nước tính bằng mm đã rơi xuống mặt đất trên tiết diện nằm ngang, chưa chảy đi nơi khác, chưa thấm xuống đất và chưa bốc hơi (mm). Cường độ mưa là lượng mưa tính ra mm rơi trong một đơn vị thời gian (mm/phút, mm/ngày, mm/tháng…). Cường độ mưa vượt quá 1mm/phút gọi là mưa rào. Quy định về lượng mưa: Mưa không đáng kể : 100 mm Quy định về diện mưa: Mưa vài nơi:  1/3 tổng số trạm có mưa trong khu vực Mưa rải rác: từ 1/3 -1/2 tổng số trạm có mưa trong khu vực Mưa nhiều nơi: > 1/2 tổng số trạm có mưa trong khu vực Phân bố lượng mưa Chu kỳ ngày đêm: trên lục địa mưa thường vào buổi chiều, trên đại dương mưa thường vào 12 giờ đêm và sáng sớm. Chu kỳ năm: Vùng xích đạo, mưa nhiều vào xuân phân và thu phân, mưa ít vào hạ chí và đông chí. khu vực gió mùa, mưa lớn vào mùa hè và mưa ít vào mùa đông. Vùng á nhiệt đới, mưa lớn vào mùa đông, mùa hè mưa ít. Lượng mưa tăng theo chiều cao, sườn núi đón gió mưa nhiều hơn sườn khuất gió Lượng mưa theo vĩ độ địa lý: Khu vực xích đạo lượng mưa trung bình năm trên 2000 mm. Vùng á nhiệt đới và hoang mạc lục địa ôn đới mưa rất ít, trung bình năm 100 - 250mm. Vùng ôn đới lượng mưa tăng, trung bình năm 500-1000 mm. Vùng cực đới lượng mưa giảm, chỉ 200-300 mm/năm. Phân bố lượng mưa trên trái đất Hình 4.18. Trồng cây theo đường đồng mức Hình 4.19. Sử dụng nước trong vườn Độ ẩm đất Điều kiện hình thành độ ẩm đất Độ ẩm đất phụ thuộc vào Tính chất đất Các yếu tố tự nhiên: lượng mưa, mực nước ngầm, sự bốc hơi,… Đánh giá độ ẩm đất Các đại lượng đặc trưng cho độ ẩm đất Độ ẩm cây héo (Wilting point) Độ ẩm đồng ruộng (Field Capacity) Độ ẩm bão hòa Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tương đối Độ ẩm đất sau khi thu hoạch cây trồng của đất cát (A), đất cát pha (loam, B) và đất sét (C) khi mỗi tháng nhận lượng mưa 40mm (1) và 80m (2) í_quyển_Trái_Đất