Cát và nước biển nhận cùng một lượng nắng, nhưng cát dồn hết nhiệt vào vài centimét trên cùng, còn nước biển trải nhiệt ra một lớp dày nhiều mét, lại cần lượng nhiệt gấp mấy lần để ấm lên cùng một độ và còn tự làm mát bằng bay hơi. Vì vậy giữa trưa mặt cát khô có thể nóng tới 50–60 °C trong khi nước biển chỉ ấm hơn sáng sớm chưa đầy một độ. Chính sự chênh lệch ấy đẻ ra cơn gió biển mát rượi mỗi chiều.
Cảnh ai cũng gặp
Trưa hè ở bãi biển Sầm Sơn, Cửa Lò, Nha Trang hay Mũi Né (nay thuộc tỉnh Lâm Đồng), bước chân trần ra bãi cát khô là phải nhảy lò cò chạy tới mép nước. Cát ướt sát mép sóng thì mát, nước biển mát. Đến chiều, gió từ biển thổi vào đều đều, lá dừa nghiêng về phía đất liền. Tối xuống, cát lại nguội nhanh, có khi ngồi lâu thấy lạnh, trong khi nước biển vẫn ấm.
Đây là cảnh của bốn tính chất vật lý cộng lại: nhiệt dung, độ dẫn nhiệt, độ trong suốt và sự xáo trộn của nước.
Bốn lý do cát nóng mà nước mát
1. Nước cần rất nhiều nhiệt để ấm lên
Muốn làm 1 kg nước nóng thêm 1 °C cần khoảng 4.180 jun. Với cát khô chỉ cần khoảng 800 jun, ít hơn năm lần. Tính theo thể tích (vì nắng chiếu lên một diện tích, làm nóng một lớp), mỗi lít nước cần khoảng ba lần nhiệt so với một lít cát khô. Nước là một trong những chất có nhiệt dung riêng lớn nhất trong tự nhiên.
2. Cát khô dẫn nhiệt rất kém
Giữa các hạt cát khô là không khí, mà không khí cách nhiệt tốt. Nhiệt nắng chiếu xuống mặt cát không đi sâu được, chỉ dồn ở lớp mấy centimét trên cùng. Bới xuống khoảng một gang tay, cát đã mát hơn hẳn. Đó là lý do lớp mặt nóng tới mức bỏng chân.
Cát ướt thì khác: nước lấp đầy khe giữa các hạt, dẫn nhiệt tốt hơn nhiều lần, nhiệt được chia ra lớp dày hơn, lại có nước bay hơi làm mát. Vì thế dải cát ướt sát mép sóng luôn dễ chịu.
3. Nắng xuyên vào nước
Nước biển trong suốt ở mức độ nào đó, nên ánh nắng không dừng ở mặt nước mà đi xuống nhiều mét, được hấp thụ dần (phần ánh đỏ và hồng ngoại bị hấp thụ ngay ở lớp trên cùng, phần xanh đi sâu hơn). Nhiệt được rải ra theo chiều sâu, không dồn vào một lớp mỏng như ở cát.
4. Sóng và gió xáo trộn nước
Sóng, gió và dòng chảy liên tục khuấy lớp nước trên cùng, gọi là lớp xáo trộn, thường dày hàng chục mét ngoài khơi. Nhiệt ở mặt bị trộn đều xuống cả lớp này. Thêm vào đó, nước biển bay hơi liên tục, mỗi gam hơi nước mang đi khoảng 2.400 jun. Cát khô thì không có nước để bay hơi.
So sánh bằng con số
Các số dưới đây là khoảng điển hình cho một ngày nắng gắt mùa hè ở bãi biển nhiệt đới. Số thực tế thay đổi theo màu cát, gió, mây.
| Cát khô | Cát ướt | Nước biển ven bờ | |
|---|---|---|---|
| Nhiệt dung riêng (J/kg·K) | khoảng 800 | khoảng 1.400–1.600 | khoảng 4.000 |
| Độ dẫn nhiệt (W/m·K) | khoảng 0,2–0,3 | khoảng 1,5–2,5 | khoảng 0,6, nhưng xáo trộn mới là chính |
| Bề dày lớp bị nắng làm nóng trong ngày | Vài centimét | Hơn chục centimét | Vài mét tới hàng chục mét |
| Nhiệt độ bề mặt giữa trưa | Có thể 50–60 °C, hoặc hơn với cát sẫm màu | Thấp hơn rõ, gần nhiệt độ không khí | Thường 27–31 °C ở biển Việt Nam mùa hè |
| Chênh lệch ngày – đêm ở bề mặt | Hàng chục độ | Vài độ tới hơn chục độ | Thường dưới 1–2 °C |
Từ cát nóng tới gió biển
Sự chênh lệch nóng lạnh giữa đất và biển sinh ra một vòng gió hằng ngày, gọi là gió đất – gió biển hay hoàn lưu gió đất biển.
- Buổi sáng: nắng lên, mặt đất và bãi cát nóng nhanh. Lớp không khí trên đó nóng theo, nở ra, nhẹ đi và bốc lên.
- Gần trưa: trên đất liền áp suất sát mặt đất thấp hơn trên biển. Không khí mát, ẩm từ biển tràn vào lấp chỗ trống. Đó là gió biển, thường bắt đầu vào cuối buổi sáng, mạnh nhất đầu giờ chiều và có thể lấn sâu vào đất liền hàng chục km.
- Trên cao: khí nóng bốc lên trên đất liền chảy ngược ra biển rồi chìm xuống, khép kín vòng tuần hoàn. Đôi khi bạn thấy một dải mây tích nhỏ mọc dọc bờ biển vào buổi trưa, đánh dấu nơi khí nóng bốc lên.
- Ban đêm: đất nguội nhanh hơn biển. Vòng gió đảo chiều, gió nhẹ thổi từ đất ra biển. Gió đất thường yếu hơn gió biển ban ngày.
Ở nhiều vùng biển trên thế giới, thuyền buồm truyền thống tận dụng vòng gió này: rạng sáng theo gió đất ra khơi, chiều theo gió biển về bến. Gió biển cũng là lý do thành phố ven biển mát hơn nội địa vào chiều hè, và vì sao các khu nghỉ dưỡng ven biển thường dễ chịu hơn vào buổi chiều so với buổi trưa.
Hiện tượng họ hàng
- Gió hồ: hồ lớn như hồ Thác Bà, hồ Dầu Tiếng cũng có vòng gió nhỏ tương tự vào ngày nắng lặng gió, yếu hơn gió biển.
- Khí hậu ven biển ôn hoà: nhờ biển giữ nhiệt, chênh lệch nhiệt độ ngày đêm và mùa hè – mùa đông ở ven biển nhỏ hơn trong nội địa ở cùng vĩ độ.
- Đường nhựa và vỉa hè: cũng nóng bỏng như cát khô giữa trưa vì cùng lý do: hấp thụ nắng mạnh, dẫn nhiệt kém, không có nước bay hơi. Bãi cỏ cạnh đó mát hơn nhờ lá cây thoát hơi nước.
- Đồi cát Mũi Né (Lâm Đồng), Phan Rang (Khánh Hoà): đồi cát lớn trơ trụi giữa trưa nóng đến mức đi chân trần rất khó, nhưng sáng sớm và chiều muộn lại mát, vì cát khô cũng nguội nhanh như nó nóng.
Hiểu lầm thường gặp
- "Nước biển mát vì trời ngoài biển mát hơn." Không khí trên mặt biển và trên bãi cát gần như cùng nhận nắng như nhau. Khác nhau ở cách hai bề mặt tiếp nhận và phân phối nhiệt.
- "Cát nóng vì cát hút nắng mạnh hơn nước." Mặt nước biển thật ra hấp thụ phần lớn ánh nắng chiếu vào nó, nhiều hơn cát sáng màu. Cái khác là nước chia nhiệt ra một khối lớn, cát giữ nó ở lớp mỏng.
- "Buổi tối nước biển lạnh hơn ban ngày." Nước biển gần như không đổi nhiệt độ trong ngày. Tối xuống tắm thấy nước "ấm" vì không khí và cát đã nguội, ta so sánh với chúng.
- "Gió biển thổi cả ngày lẫn đêm." Gió biển do hoàn lưu đất – biển chỉ có ban ngày; ban đêm đổi thành gió đất. Tuy nhiên gió mùa lớn có thể lấn át vòng gió nhỏ này.
Tự quan sát / tự thử an toàn
Đo nhiệt theo độ sâu của cát
- Mang theo một nhiệt kế que (loại đo thức ăn) hoặc nhiệt kế hồng ngoại.
- Giữa trưa, đo mặt cát khô, rồi bới sâu 5 cm, 10 cm, 20 cm và đo tiếp. Ghi lại.
- Đo cát ướt sát mép sóng, đo nước biển ngập đầu gối.
- Lặp lại lúc sáng sớm và lúc chạng vạng.
Bạn sẽ thấy cát khô thay đổi dữ dội ở mặt mà gần như ổn định ở độ sâu một gang tay, còn nước biển gần như đứng yên cả ngày.
Quan sát gió biển đổi chiều
Buộc một dải ruy băng nhẹ lên cây gậy cắm ở bãi cát, hoặc nhìn cờ hiệu bãi tắm và khói bếp hàng quán. Ghi hướng gió lúc 7 giờ sáng, 10 giờ, 14 giờ và 20 giờ vào một ngày nắng ít mây, không có gió mùa mạnh. Thường bạn sẽ thấy gió chuyển từ phía đất ra biển sang phía biển vào bờ trong buổi sáng.
Thí nghiệm trong bếp
Đổ một lớp cát sạch (hoặc đất khô) vào một khay, một lượng nước bằng như vậy vào khay giống hệt. Phơi cả hai ngoài nắng 30 phút, sờ thử và đo nhiệt độ mặt. Rồi đưa vào bóng râm, đo lại sau 30 phút: cát nguội nhanh hơn.
Lưu ý an toàn: trẻ nhỏ và vật nuôi dễ bị bỏng gan bàn chân trên cát và đường nhựa giữa trưa; luôn mang dép. Tránh nắng gắt từ khoảng 10 tới 15 giờ, dùng kem chống nắng, mũ, uống đủ nước. Khi xuống nước, chỉ tắm ở khu vực có cứu hộ, theo cờ hiệu bãi tắm.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao cát bãi biển nóng mà nước biển mát?
Vì nước cần lượng nhiệt gấp nhiều lần cát để ấm lên, ánh nắng xuyên sâu vào nước, sóng xáo trộn chia nhiệt cho lớp nước dày nhiều mét, và nước còn bay hơi tự làm mát. Cát khô thì dồn hết nhiệt vào vài centimét trên mặt.
Nhiệt dung riêng của nước và cát khác nhau bao nhiêu?
Nước khoảng 4.180 J/kg·K, cát khô khoảng 800 J/kg·K, tức nước cần nhiều nhiệt hơn khoảng năm lần theo khối lượng để nóng thêm một độ. Tính theo thể tích, chênh lệch khoảng ba lần.
Gió biển là gì và vì sao thổi vào buổi chiều?
Gió biển là gió từ biển thổi vào đất liền ban ngày. Đất nóng lên nhanh hơn biển, không khí trên đất bốc lên, không khí mát trên biển tràn vào thay chỗ. Gió thường bắt đầu cuối buổi sáng và mạnh nhất đầu giờ chiều.
Vì sao ban đêm gió thổi từ đất ra biển?
Ban đêm đất nguội nhanh hơn biển, nên không khí trên biển ấm hơn và bốc lên, không khí mát hơn trên đất chảy ra thay chỗ. Gió đất thường yếu hơn gió biển ban ngày.
Vì sao cát ướt mát hơn cát khô?
Nước lấp khe giữa các hạt giúp dẫn nhiệt xuống sâu, nước có nhiệt dung lớn, và nước bay hơi lấy đi nhiệt. Vì thế bề mặt cát ướt không nóng bỏng như cát khô.
