Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Тепловой баланс земной поверхности




Тепловой баланс земной поверхности – равенство нулю алгебраической суммы потоков тепла, приходящих на земную поверхность и уходящих с нее.

В среднем радиационный баланс земной поверхности является положительной величиной. Энергия радиационного баланса земной поверхности расходуется на нагревание атмосферы посредствам теплопроводности, на испарение, на теплообмен с более глубокими слоями гидро- и литосферы. Количественные характеристики всех форм преобразования солнечной энергии входят в уравнение энергетического (теплового) баланса земной поверхности в соответствии с законом сохранения энергии сумма всех членов этого уравнения должна быть равна 0:

R+Р +Gп + LEн = 0,

где R – радиационный баланс, P – приход тепла из воздуха или отдача его в воздух путем теплопроводности, Gп – приход или расход тепла с более глубокими слоями почвы или воды путем теплопроводности, LEн – потеря тепла при испарении или приход его при конденсации на земную поверхность (L – удельная теплота испарения, Eн – масса испарившейся или сконденсировавшейся воды).

Можно отметить, что смысл уравнения состоит в том, что радиационный баланс на земной поверхности уравновешивается нерадиационной передачей тепла (рисунок 18).

Радиационный баланс земной поверхности и тепловой баланс земной поверхности определенным образом связаны c радиационным балансом и тепловым балансом атмосферы (рисунок 19).

Земля как планета получает из мирового пространства тепло и отдает его обратно только радиационным путем. Т.к. средняя температура на Земле меняется мало, то очевидно радиационный баланс Земли равен нулю. Поэтому радиационный баланс атмосферы равен радиационному балансу Земли – радиационный баланс земной поверхности есть величина отрицательная. В тепловом балансе атмосферы отрицательный радиационный баланс атмосферы компенсируется притоком энергии от конденсации водяного пара при образовании облаков и притоком тепла от земной поверхности, связанным с турбулентной теплопроводностью нижнего слоя воздуха.

Наряду с процессами перераспределения солнечной энергии по вертикали в атмосфере и океанах развиваются мощные процессы горизонтального перераспределения тепла. Из этих процессов особое значение имеет передача энергии от низких широт к высоким, обусловленная неоднородностью радиационного прогревания шарообразной поверхности Земли. Эта передача осуществляется в форме макротурбулентного теплообмена и переноса тепла упорядоченными движениями, а также (в атмосфере) в форме перераспределения тепла конденсации.

Эти процессы преобразования солнечной энергии, обусловленные радиационными факторами, в свою очередь значительно изменяют радиационный режим (циркуляция атмосферы, облачность, снежный покров).

Кроме процессов преобразования энергии «первого порядка», существенно изменяющих радиационный и тепловой режим земной поверхности, в биосфере развивается ряд преобразований солнечной энергии, связанных с затратой сравнительно небольших объемов тепла, которые вследствие этого не оказывают заметного прямого влияния на радиационный и тепловой режимы. Некоторые из этих процессов, однако, имеют громадное значение для других компонентов биосферы. Например, процесс фотосинтеза, связанный с преобразованием энергии электромагнитной радиации в сравнительно устойчивую форму химической энергии с образованием органических веществ.

Рисунок 19 – Составляющие теплового баланса земной поверхности

 

Положительная или отрицательная величина радиационного баланса компенсируется нескольким потоками тепла. Т.к. температура земной поверхности обычно не равна температуре воздуха, то между подстилающей поверхностью и атмосферой возникает поток тепла. Аналогичный поток тепла наблюдается между земной поверхностью и более глубокими слоями литосферы и гидросферы, если температура поверхности отличается от температуры более глубоких слоев. При этом перенос тепла в почве определяется механизмом молекулярной теплопроводности, а в водоемах – в большей или меньшей мере турбулентной теплопроводностью.

Существенное значение в тепловом балансе земной поверхности имеет расход тепла на испарение. Величина испарения зависит от увлажнения земной поверхности, ее температуры. Влажности воздуха, скорости ветра, интенсивности турбулентного обмена в приземном слое воздуха. Затраты тепла на испарение изменяет свой знак при изменении направления потока водяного пара. Если он направлен вниз (из атмосферы к земной поверхности), то в этом случае затраты тепла на испарение сменяется приходом тепла от конденсации воды.

Формула энергетического (теплового) баланса земной поверхности имеет следующий вид:

R = LE+P+A (G).

При этом радиационный баланс считается положительной величиной, если она характеризует поток тепла к подстилающей поверхности, а все остальные величины будут положительными, если они означают расход тепла. Схема потоков тепла, включенных в уравнение теплового баланса, представлена на рисунке 20.

Помимо этих основных членов теплового баланса земной поверхности в него могут включаться и другие, менее значительные; как расход тепла на таяние снега или льда на земной поверхности. Хотя для больших периодов осреднения (год) эта величина незначительна по сравнению с остальными членами уравнения, для некоторых случаев (весенний период массового снеготаяния) ее включают в уравнение в качестве дополнительного члена.

Рисунок 20 – Схема энергетического баланса земной поверхности (Будыко, 1977)

 

Другие члены теплового баланса земной поверхности: потоки тепла от диссипации энергии при трении воздушного потока, ветровых волн, приливов, поток тепла («+» или «-»), переносимый осадками (если их температура отличается от температуры земной поверхности), расход энергии на фотосинтез и приход от окисления биомассы. Все они обычно значительно меньше основных членов баланса для любых периодов осреднения. Исключения возможны (лесной пожар), хотя относительно редки и ограничены по площади.

Величину потока тепла А от земной поверхности к нижележащим слоям можно определить через другие составляющие энергетического баланса верхних слоев литосферы или гидросферы (рисунок 21).

Рисунок 21 – Схема энергетического баланса верхнего слоя лито- или гидросферы (Будыко, 1977)

 

Если взять вертикальную колонну, верхнее основание которой лежит на земной поверхности, а нижнее лежит на глубине, где поток тепла незначителен, то:

А = В+F0,

где В – изменение теплосодержания внутри колонны за данный период времени; F0 – приход тепла, обусловленный теплообменом колонны с окружающим пространством лито- или гидросферы по горизонтам.

F0 = разности потоков тепла, приходящих и уходящих через вертикальные стенки колонны. F0 для условий литосферы, небольших по площади замкнутых водоемов незначительна, поэтому А = В = 0 (в среднем за год верхние слои почвы не нагреваются и не охлаждаются).

В обширных водоемах, где имеют место течения и большая горизонтальная теплопроводность, которая обусловлена явлением макротурбулентности, величина F0 приобретает большое значение. Для таких условий в отдельных частях океанов и других крупных водоемов (морях и озерах) средняя годовая величина теплообмена деятельной поверхности с нижележащими слоями равна не 0, а количеству тепла, получаемого или теряемого через вертикальные стенки колонны, проходящей через гидросферу, вследствие действий течений и макротурбулентности, т.е. А = F0.

Таким образом, тепловой баланс земной поверхности для суши в среднем годовом имеет вид R = LE + P, а для условий океана R = LE + P + F0.

В некоторых случаях эти уравнения еще больше упрощаются:

для условий пустыни R = P (испарение равно 0);

для Мирового океана R = LE + P (общее перераспределение тепла течениями компенсации).

 


Поможем в написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой





Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 1993. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.021 сек.) русская версия | украинская версия
Поможем в написании
> Курсовые, контрольные, дипломные и другие работы со скидкой до 25%
3 569 лучших специалисов, готовы оказать помощь 24/7