Уравнение теплового баланса деятельной поверхности

Тепловой баланс деятельного слоя. Структура теплового баланса различных естественных поверхностей

Тепловой баланс деятельного слоя земной поверхности представляет собой результирующую (итог) всех тепловых потоков на его верхней границе, соприкасающейся с атмосферой. На уровне нижней границы деятельного слоя, по определению, отсутствуют колебания температуры, а следовательно, нет потока тепла, вызванного внешними факторами. В некоторых районах нашей планеты существуют эндогенные источники тепла, обусловленные особенностями их геологического строения, но это исключительные условия и мы их здесь рассматривать не будем, ограничившись приведенными ранее рассуждениями.[ . ]

В том случае, когда тепловой баланс на поверхности деятельного слоя имеет положительные значения, происходит прогревание деятельного слоя, а при отрицательных — его выхолаживание.[ . ]

В отличие от теплового баланса деятельного слоя тепловой баланс собственно земной поверхности должен быть равен нулю.[ . ]

Итак, рассмотрим результирующую всех тепловых потоков на земной поверхности, понимая как положительную величину при нагревании ее. На земную поверхность поступают прямая (Г) и рассеянная (О солнечная радиация, встречное излучение атмосферы (ЕЛ). Часть коротковолновой суммарной радиации отражается земной поверхностью (/?) пропорционально ее альбедо. Земная поверхность обладает собственным излучением в тепловом диапазоне (£). В качестве компонент теплового баланса земной поверхности, имеющих как положительный, так и отрицательный знак, входят контактный — ее теплообмен с атмосферой (Р), скрытый теплообмен (ЬЕ), обусловленный фазовыми переходами воды на земной поверхности, испарением с нее либо конденсацией на ней. Поток тепла в глубь деятельного слоя (В) является их результирующей.[ . ]

Потоки тепла на земной поверхности, обусловленные диссипацией энергии ветра, приток тепла с выпадающими осадками, расход энергии на фотосинтез, выделение энергии при химических процессах на земной поверхности и в почве являются величинами следующих порядков малости, и, как правило, ими можно пренебречь.[ . ]

Тепловой баланс может быть представлен как потоками тепла за краткие временные интервалы, так и суммами тепла за продолжительные промежутки времени. Последнее представление широко применяется, например, в климатологии.[ . ]

В табл. 3.3 приведены значения составляющих теплового баланса Можайского водохранилища по нашим исследованиям за безледный период. Эти данные характеризуют структуру теплового баланса в теплый период для небольших водоемов в центральной полосе России.[ . ]

В умеренных и высоких широтах в период, когда водная поверхность свободна от ледяного покрова, водоемы вследствие различий их альбедо и альбедо побережий более интенсивно, чем суша, поглощают суммарную солнечную радиацию, т.е. более эффективно накапливают тепло.[ . ]

В табл. 3.4 по нашим данным приведены отношения соответствующих составляющих теплового баланса для водоема к таковым для его побережий.[ . ]

Избыточное тепло, накопленное за безледный период, расходуется в первую очередь зимой и весной при адвекции тепла с водами через нижний бьеф плотины водохранилища.[ . ]

Тепловой баланс земной поверхности

Остановимся сначала на тепловых условиях земной по­верхности и самых верхних слоев почвы и водоемов. Это необ­ходимо потому, что нижние слои атмосферы нагреваются и охлаждаются больше всего путем радиационного и нерадиацион­ного обмена теплом с верхними слоями почвы и воды. Поэтому изменения температуры в нижних слоях атмосферы, прежде всего, определяются изменениями температуры земной поверхности, следуют за этими изменениями.

Тепловой баланс деятельного слоя земной поверхности представляет собой результирующую (итог) всех тепловых потоков на его верхней границе, соприкасающейся с атмосферой. На уровне нижней границе деятельного слоя отсутствуют колебания температуры, а следовательно, нет потока тепла, вызванного внешними факторами.

В том случае, когда тепловой баланс на поверхности деятельного слоя имеет положительные значения, происходит прогревание деятельного слоя, а при отрицательных – его выхолаживание.

В отличие от теплового баланса деятельного слоя, тепловой баланс собственно земной поверхности должен быть равен нулю. В любой промежуток времени от земной поверхности уходит вверх и вниз в совокупности такое же количество тепла, какое она за это время получает сверху и снизу. Если бы было иначе, не выполнялся бы закон сохранения энергии: следовало бы до­пустить, что на земной поверхности энергия возникает или исче­зает. Однако возможно, что, например, вверх может уходить больше тепла, чем пришло сверху; в таком случае избыток от­дачи тепла должен покрываться приходом тепла к поверхности из глубины почвы или воды.

Рассмотрим результирующую всех тепловых потоков на земной поверхности, понимая как положительную величину при нагревании ее.

На земную поверхность поступает прямая Ґ и рассеянная i солнечная радиация, встречное излучение атмосферы ЕА. Часть коротковолновой солнечной радиации отражается земной поверхностью R пропорционально ее альбедо. Земная поверхность обладает собственным излучением в тепловом диапазоне ЕЗ. В качестве компонент теплового баланса земной поверхности, имеющих как положительный, так и отрицательный знак, входят контактный – его теплообмен с атмосферой – Р , скрытый теплообмен – LE, обусловленный фазовыми переходами воды на земной поверхности, испарением с нее либо конденсацией на ней. Поток тепла в глубь деятельного слоя В является их результирующей.

Уравнение теплового баланса деятельного слоя земной поверхности, учитывая введенные выше обозначения, имеет вид:

В= Ґ+ i – R+ ЕА – ЕЗ ± Р ± LE (1)

Потоки тепла на земной поверхности, обусловленные диссипацией энергии ветра, приток тепла с выпадающими осадками, расход энергии на фотосинтез, выделение энергии при химических процессах на земной поверхности и в почве являются величинами малыми и, как правило, ими можно пренебречь.

Тепловой баланс может быть представлен как потоками тепла за краткие временные интервалы, так и суммами тепла за продолжительные промежутки времени, что особенно широко применяется в климатологии.

В любой промежуток времени от земной поверхности уходит вверх и вниз в совокупности такое же количество тепла, какое она за это время получает сверху и снизу. Если бы было иначе, не выполнялся бы закон сохранения энергии: следовало бы до­пустить, что на земной поверхности энергия возникает или исче­зает. Однако возможно, что, например, вверх может уходить больше тепла, чем пришло сверху; в таком случае избыток от­дачи тепла должен покрываться приходом тепла к поверхности из глубины почвы или воды.

Итак, алгебраическая сумма всех приходов и расходов тепла на земной поверхности должна быть равной нулю. Это и выра­жается уравнением теплового баланса земной поверхности.

Тогда уравнение теплового баланса земной поверхности будет выглядеть так:

(2)

Можно еще сказать, что смысл уравнения состоит в том, что радиационный баланс на земной поверхности уравновешивается нерадиационной передачей тепла(рис. 1).

Рис. 1. Пример составляющих теплового ба­ланса земной поверхности в дневное время суток

Уравнение (2) действительно для любого промежутка вре­мени, в том числе и для многолетнего периода.

От суток к суткам и от года к году средняя температура деятельного слоя и земной поверхности в любом месте меняется мало. Это значит, что за сутки в глубь почвы или воды попадает днем почти столько же тепла, сколько уходит из нее ночью. Но все же за летние сутки тепла уходит вниз несколько больше, чем приходит снизу. Поэтому слои почвы и воды, а стало быть, и их поверхность день ото дня нагреваются. Зимой происходит обратный процесс. Эти сезонные изменения приходо-расхода тепла в почве и воде за год почти уравновешиваются, и средняя годовая температура земной поверхности и деятельного слоя год от года меняется мало.