Температурный режим подстилающей поверхности

Температурный режим подстилающей поверхности и деятельного слоя

Подстилающая поверхность, или деятельная поверхность — это поверхность земли (почвы, воды, снега и т. д.), взаимодействующая с атмосферой в процессе теплои влагообмена.

Деятельный слой — это слой почвы (включая растительность и снежный покров) или воды, участвующий в теплообмене с окружающей средой, и на глубину которого распространяются суточные и годовые колебания температуры.

Тепловое состояние подстилающей поверхности оказывает значительное влияние на температуру низших слоев воздуха. Это уменьшающееся с высотой влияние может обнаруживаться даже в верхней тропосфере.

Существуют различия в тепловом режиме суши и воды, которые объясняются различием их теплофизических свойств и процессов теплообмена между поверхностью и нижележащими слоями.

В почве коротковолновая солнечная радиация проникает на глубину в десятые доли миллиметра, где она преобразуется в тепло. В нижележащие слои это тепло передается путем молекулярной теплопроводности.

В воде в зависимости от ее прозрачности солнечная радиация проникает на глубины до десятков метров, а перенос тепла в глубинные слои происходит в результате турбулентного перемешивания, термической конвекции, а также испарения.

Турбулентность в водоемах обусловлена прежде всего волнением и течениями. В ночное время суток и в холодное время года развивается термическая конвекция, когда охлажденная на поверхности вода опускается вниз вследствие возросшей плотности и замещается более теплой водой из нижних слоев. При значительном испарении с поверхности моря верхний слой воды становится более соленым и плотным, в результате чего более теплая вода опускается с поверхности в глубину. Поэтому суточные колебания температуры в воде распространяются на глубину до десятков метров, а в почве — менее метра. Годовые колебания температуры воды распространяются на глубину до сотен метров, а в почве — только на 10−20 м; т. е. в почве тепло сосредоточивается в тонком верхнем слое, который нагревается при положительном радиационном балансе и остывает — при отрицательном.

Таким образом, суша быстро нагревается и быстро остывает, а вода медленно нагревается и медленно остывает. Большой тепловой инерции водоемов способствует и то, что удельная теплоемкость воды в 3−4 раза больше, чем почвы. По этим же причинам суточные и годовые колебания температуры на поверхности почвы намного больше, чем на поверхности воды.

Суточный ход температуры поверхности почвы в ясную погоду изображается волнообразной кривой, напоминающей синусоиду. При этом минимум температуры наблюдается вскоре после восхода Солнца, когда радиационный баланс меняет знак с «-» на «+». Максимум температуры приходится на 13−14 ч. Плавность суточного хода температуры может нарушаться наличием облаков, осадков, а также адвективными изменениями.

Разность между максимальной и минимальной температурами за сутки — суточная амплитуда температуры.

Амплитуда суточного хода температуры поверхности почвы зависит от полуденной высоты Солнца, т. е. от широты места и времени года. Летом в ясную погоду в умеренных широтах амплитуда температуры оголенной почвы может достигать 55° С, а в пустынях — 80° и более. В пасмурную погоду амплитуда меньше, чем в ясную. Облака днем задерживают прямую солнечную радиацию, а ночью уменьшают эффективное излучение подстилающей поверхности.

На температуру почвы оказывают влияние растительный и снежный покровы. Растительный покров уменьшает амплитуду суточных колебаний температуры поверхности почвы, так как он препятствует нагреванию ее солнечными лучами днем и защищает от радиационного выхолаживания ночью. При этом понижается и средняя суточная температура поверхности почвы. Снежный покров, обладая малой теплопроводностью, предохраняет почву от интенсивной потери тепла, при этом резко уменьшается суточная амплитуда температуры по сравнению с оголенной почвой.

Разность между максимальной и минимальной средними месячными температурами в течение года называется годовой амплитудой температуры.

Амплитуда температуры подстилающей поверхности в годовом ходе зависит от широты (в тропиках — минимальная) и растет с широтой, что находится в соответствии с изменениями в меридианальном направлении годовой амплитуды месячных сумм солнечной радиации в солярном климате.

Распространение тепла в почве от поверхности вглубь достаточно близко соответствует закону Фурье. Независимо от вида почвы и ее влажности, период колебаний температуры не изменяется с глубиной, т. е. на глубине суточный ход сохраняется с периодом 24 ч, в годовом ходе — в 12 месяцев. При этом амплитуда колебаний температуры с глубиной уменьшается.

На некоторой глубине (около 70 см, разной в зависимости от широты и сезона года) начинается слой с постоянной суточной температурой. Амплитуда годовых колебаний убывает практически до нуля на глубине около 30 м в полярных районах, около 15−20 м — в умеренных широтах. Максимальные и минимальные температуры как в суточном, так и в годовом ходе наступают позднее, чем на поверхности, причем запаздывание прямо пропорционально глубине.

Наглядное представление о распределении температуры почвы по глубине и во времени дает график термоизоплет, который строится по многолетним средним месячным температурам почвы (рис. 1.2). На вертикальной оси графика отложены глубины, а на горизонтальной оси — месяцы. Линии равных температур на графике называются термоизоплетами.

Перемещение по горизонтальной линии позволяет проследить изменение температуры на данной глубине в течение года, а перемещение по вертикальной линии дает представление об изменении температуры по глубине для данного месяца. Из графика видно, что максимальная годовая амплитуда температуры на поверхности с глубиной убывает.

В силу рассмотренных выше различий процессов теплообмена между поверхностью и глубинными слоями водоемов и суши суточные и годовые изменения температуры поверхности водоемов намного меньше, чем у суши. Так, суточная амплитуда изменения температуры поверхности океанов составляет около 0,1−0,2° С в умеренных широтах, и около 0,5 °С в тропиках. При этом минимум температуры отмечается через 2−3 ч после восхода Солнца, а максимум — около 15−16 ч. Годовая амплитуда колебаний температуры поверхности океана значительно больше, чем суточная. В тропиках она порядка 2−3° С, в умеренных широтах около 10° С. Суточные колебания обнаруживаются на глубинах до 15−20 м, а годовые — до 150−400 м.