Тепловой режим атмосферы

Причины изменений температуры воздуха

1. Распределение температуры воздуха в атмосфере и его непрерывные изменения называют тепловым режимом атмосферы. Он является важнейшей стороной климата и определяется, прежде всего, теплообменом между воздухом и окружающей средой. Под окружающей средой понимают космическое пространство, соседние массы или слои воздуха и, особенно, земную поверхность.

Теплообмен осуществляется:

радиационным путем, т. е. путем поглощения воздухом излучения Солнца, Земли, и атмосферных слоев.

путем теплопроводности — молекулярной между воздухом и землей и турбулентной внутри атмосферы.

передача тепла может происходить в результате испарения и последующей конденсации.

Воздух, непосредственно прилегающий к Земле, обменивается с нею теплом вследствие молекулярной теплопроводности. Однако внутри атмосферы действует другая, более эффективная передача тепла — путем турбулентной теплопроводности.

Тепловой баланс земной поверхности

1. До рассмотрения теплового режима атмосферы остановимся 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 воздуха, прежде всего, определяются изменениями температуры земной поверхности, следуют за этими изменениями.

Земная поверхность, т. е. поверхность почвы или воды (а также и растительного, снежного, ледяного покрова), непрерывно разными способами получает и теряет тепло. Через земную поверхность тепло передается вверх — в атмосферу и вниз—в почву или в воду.

Во-первых, на земную поверхность поступают суммарная радиация и встречное излучение атмосферы. Они в большей или меньшей степени поглощаются поверхностью, т. е. идут на нагревание верхних слоев почвы и воды. В то же время земная поверхность излучает сама и при этом теряет тепло.

Во-вторых, к земной поверхности приходит тепло сверху, из атмосферы, путем теплопроводности. Тем же способом тепло уходит от земной поверхности в атмосферу. Таким же образом тепло может либо уходить от земной поверхности вниз, в почву и воду, либо, напротив, приходить к земной поверхности из глубины почвы и воды.

В-третьих, земная поверхность получает тепло при конденсации на ней водяного пара из воздуха или, напротив, теряет тепло при испарении с нее воды. В первом случае выделяется скрытое тепло, во втором тепло переходит в скрытое состояние.

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 теплота 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.

• 2. Чтобы написать это уравнение, во-первых, объединим поглощенную радиацию
• (I sin h + I) (1-A) и эффективное излучениеЕЭ = ЕЗ — ЕА в радиационный баланс

R = (I sin h + i) (1-A) — ЕЭ Радиационный баланс считается положительным, если земная поверхность получает тепло, и отрицательным, если она его теряет.

Остальные составляющие теплового баланса обозначим так. Приход тепла из воздуха или отдачу его в воздух путем теплопроводности назовем Р. Такой же приход или расход путем теплообмена с более глубокими слоями почвы или воды назовем А. Потерю тепла при испарении или приход его при конденсации на земной поверхности обозначим LЕ, где L — удельная теплота испарения и Е — масса испарившейся или сконденсировавшейся воды. Все эти члены теплового баланса будем считать положительными, если за их счет происходит потеря тепла земной поверхностью.

Тогда уравнение теплового баланса земной поверхности напишется так:

R = P+A+LE (1).

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

Уравнение (1) действительно как для единицы площади, так и для большого района; как для единицы времени (минута, сутки, год), так и в среднем для многолетнего периода.

3. Из того, что тепловой баланс земной поверхности равен нулю, не следует, что температура поверхности не меняется. Когда передача тепла направлена вниз, то тепло, приходящее к поверхности сверху и уходящее от нее вглубь, в значительной части остается в самом верхнем слое почвы или воды (в так называемом деятельном слое). Температура этого слоя, а стало быть, и температура земной поверхности при этом возрастают. Напротив, при передаче тепла через земную поверхность снизу вверх, в атмосферу, тепло уходит, прежде всего, из деятельного слоя почвы или воды, вследствие чего температура поверхности падает.

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 в летние сутки тепла уходит вниз несколько больше, чем приходит снизу. Поэтому верхние 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 году меняется мало.