Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Тепловий баланс. В результаті складного енергетичного обміну між земною поверхнею, атмосферою і міжпланетним простором кожний з цих компонентів одержує в середньому стільки ж енергії від двох інших, скільки втрачає сам. Отже, ні земна поверхня, ні атмосфера не відчувають ні збільшення, ні зменшення енергії.
Тепловий баланс земної поверхні.
Відповідно до закону збереження енергії він має дорівнювати нулю. Сенс рівності нулю означає сталість на досить довгих періодах часу (століття, тисячоліття) середніх за рік температур на Землі. Якби Земля поглинала сонячну радіацію без втрати тепла, її температура безперервно б підвищувалася, але цього не відбувається, тому що Земля віддає в простір електромагнітне випромінювання. Якщо взяти середньорічні значення і знехтувати будь-якими змінами середніх річних температур Землі для різних років, то можна отримати баланс між прийдешньої сонячної радіацією і йде радіацією Землі.
Тепловий баланс системи Земля - атмосфера схематично показаний на рис. 1.2.4. З 100% сонячної радіації, що надходить в атмосферу, 70% припадає на пряму радіацію, з які 23% відбивається від хмар, 20% поглинається повітрям, 27% падає на земну поверхню, причому, поглинається нею 25% і відбивається від неї 2%. На рассеянную радіацію пріходітся +30%, з которих +8% уходіт в міровое пространство і 22% доходіт до земной поверхні (+20% поглощается і два% отражается в міровое пространство). Таким чином, з верхньої межі атмосфери в світовий простір йде 23 + 8 + 4 = 35% радіації. Цю величину-35% -називають альбедо Землі.
Мал. 1.2.4. Тепловий баланс системи Земля - атмосфера.
Атмосфера випромінює 157% енергії, з них 102% спрямовані до земної поверхні, а 55% йде в світовий простір. Земна поверхня шляхом власного довгохвильового випромінювання втрачає 117%, з яких 10% іде в світовий простір, а 107% поглинається атмосферою. Крім того, 23% тепла витрачається на випаровування води і 7% втрачається при теплообміні з атмосферою. Слід звернути увагу на те, що атмосфера і земна поверхня, взяті окремо, випромінюють набагато більше тепла, ніж за той же час поглинають сонячної радіації. Але це по суті справи взаємний обмін, "перекачування" довгохвильової радіації.
З показаних в тексті і на рис. 1.2.4. цифр видно, що як на верхній межі атмосфери, так і в самій атмосфері і на земній поверхні існує рівність припливу і віддачі тепла.
Сонячна радіація, яка досягає земної поверхні, може поглинатися нею, може також передаватися в глиб Землі, якщо на шляху зустрінеться прозорий по відношенню до неї матеріал, або ж може відбитися від неї.
Відбивна здатність поверхні залежить від слагающего її речовини і його текстури, кута падіння приходить випромінювання, а також від його довжини хвиль. Величини альбедо більшій частині поверхні суші мають значення 10-30%. Альбедо спокійній поверхні води становить менше 5%, якщо Сонце відхиляється від зеніту не більше ніж на 50 °. Але якщо Сонце опускається і кут між ним і зенітом становить 80 °, альбедо водної поверхні різко зростає і може перевищити 50%. Середнє планетарне альбедо земної кулі, включаючи його хмарний покрив, близько до 35%.
Єдина частина поверхні Землі, яка в значній мірі прозора для сонячної радіації, це вода. Та частина радіації, яка досягла поверхні води і не відбилася від неї, проникає в водну товщу, заломлюючись на кордоні двох середовищ. Потім вона поглинається і розсіюється, головним чином зваженими частинками. У очищеної від домішок морській воді близько 40% надійшла величини радіації сягає глибини 1 м і 22% -Глибинний 10 м. У звичайної океанській воді відповідні цифри рівні 35 і 10%. У прибережних каламутних водах вони становитимуть 23 і 0,5%. Швидкість поглинання і розсіяння сонячної радіації в різних частинах спектра істотно різниться. Інфрачервоний і червоне світло проникає на меншу глибину. У чистих океанських водах глибше проникає блакитне світло, в той час як в митних прибережних водах зелений і жовтий світло.
При поглинанні сонячної радіації поверхнею твердої землі і водою океану починається їх нагрівання. Тепло може передаватися далі або кондуктивним шляхом, або ж в рідини - конвекцією. Кондуктивний перенесення здійснюється порівняно повільно, і тверда земна поверхня протягом дня не прогрівається глибше ніж на 0,5 м. В океані основним процесом, що призводить до передачі тепла вниз, є конвекція. Крім термічної конвекції (яка утворюється в результаті охолодження поверхні океану), вертикальне перемішування виникає під впливом вітрових хвиль і турбулентних течій, і вдень у відкритому океані зазвичай прогрівається шар на глибину 10 і більше метрів.
Поглинання тепла призводить до підвищення температури, величина якого обернено пропорційна питомій теплоємності речовини, або до зміни його стану, як у випадку з водою. Питома теплоємність води приблизно в п'ять разів більше, ніж у твердих порід або сухого ґрунту, але через те, що вода має меншу щільність, її теплоємність тільки в два рази вище, ніж теплоємність такого ж обсягу порід. Таким чином, якщо однакові обсяги води і породи отримають однакову кількість тепла, то, навіть якщо не буде відбуватися випаровування води і тепло розподілиться рівномірно, температура води підвищиться на величину, приблизно в два рази меншу, ніж для гірських порід. Відмінності будуть ще більше, якщо замість гірських порід взяти сухий грунт.
Якби на Землі були відсутні океану і атмосфера, то надходить від Сонця енергія нагрівала б Землю до температури, при якій зворотне випромінювання стало б рівним приходить радіації. Відповідно до закону Стефана-Больцмана, середня температура абсолютно чорного тіла для Землі, яка потрібна, щоб досягти цієї рівноваги, становить 250 ° К (-23 ° С). Вона називається планетарної температурою Землі. Ця температура значно нижче, ніж середня температура поверхні Землі (288 ° К). Це досягається з тієї причини, що помітна частина енергії, яку випромінює земною поверхнею, поглинається або відбивається атмосферою назад до поверхні Землі.
З рис. 1.2.5 видно, що довжина хвилі, на яку припадає максимум в спектрі випромінювання для абсолютно чорного тіла з температурою 285 ° К, близькою до середньої температури поверхні Землі (середня температура Землі 15 ° С, тобто 288 ° К), становить близько 10 мк і майже все випромінювання відбувається на довжинах хвиль більше 4 мк. (Для порівняння, максимум приходить від Сонця радіації припадає на довжину хвилі близько 0,5 мк) Тому дана величина (4 мк) прийнята за кордон, який розділяє "короткохвильовий" сонячну радіацію від "довгохвильової" радіації Землі.
Мал. 1.2.5. Розподіл інтенсивності радіації по довжинах хвиль для чорного тіла з поверхневою температурою 285 ° К (представляє в даному випадку Землю) і схема поглинання цієї радіації водяною парою, двоокисом вуглецю і озоном.
Деякі атмосферні гази мають здатність до поглинання довгохвильової радіації: це водяна пара, двоокис вуглецю і озон. Вони поглинають практично всю радіацію Землі, що має довжини хвиль менше 8 мк і більше 12 мк. Але між цими значеннями залишається "радіаційне вікно", через яке при ясному небі радіація випромінюється в космічний простір.
Хмари можуть як поглинати, так і відображати длинноволновую радіацію. Гази, що становлять атмосферу, які поглинають що йде радіацію Землі, в свою чергу випромінюють у всіх напрямках, в тому числі і в космос, але деяка частина енергії повертається на Землю. Таким чином, вони діють як шар ізоляції навколо Землі, подібно скляних стінках парника, тому такий вплив на температуру Землі зветься парникового ефекту.
Кількість двоокису вуглецю в атмосфері збільшилася за останні 70 років на 10%, в тому числі як результат спалювання палива. Як вважають деякі вчені, це дуже впливає на величину парникового ефекту, і з цим може бути пов'язана зміна глобальної температури атмосфери.
Баланс між приходить і йде радіацією досягається в результаті зміни температури Землі. Якщо приходить радіація збільшується, температура Землі підвищується, що в свою чергу призводить до зростання величини йде радіації. Внаслідок цього баланс відновлюється на рівні більш високої температури.
Як згадувалося вище, середня температура Землі за відсутності океану і атмосфери була б 250 ° К, при цьому на екваторі вона була б 270 ° К, На південному полюсі 150 ° К, а на Північному полюсі 170 ° К. Фактично поверхню Землі значно тепліше, а контраст між температурою на екваторі і на полюсах значно менше. І більш висока температура, і менші контрасти її між полюсом і екватором визначені наявністю океану і атмосфери. Менші ніж теоретичні контрасти пов'язані з тим, що атмосфера і океан здатні переносити тепло від однієї області до іншої, впливаючи тим самим на баланс енергії.
Основна частина приходить радіації поглинається на поверхні нашої планети, будь то вода або суша, після проходження через атмосферу. Земна поверхня нагріває атмосферу як своїм довгохвильовим випромінюванням, так і в результаті передачі тепла на кордоні океан-атмосфера або Земля-атмосфера, що призводить до розвитку в атмосфері конвекції. Теплоперенос сам по собі міг би привести до дуже малою передачі тепла. Однак він необхідний, щоб тепло було передано тільки через виключно тонкий шар потужністю в декілька міліметрів або навіть менше. Далі тепло передається в процесі вертикального руху повітря, яке може виникнути внаслідок термічної конвекції або як результат горизонтального руху повітряного потоку над нерівною поверхнею (турбулентна конвекція). Внаслідок цього на кордоні двох середовищ буде підтримуватися деякий градієнт температур, і тому теплоперенос буде здійснюватися досить швидко.
Існує ще один дуже важливий процес, при якому сонячне тепло передається в атмосферу. Це випаровування з водної поверхні і конденсація вологи в атмосфері. На кожен грам води, що випарувалася з поверхні океану, потрібно близько 2,47 103 джоулів тепла, яке водяна пара набуває у вигляді прихованого тепла і яке вивільняється і надходить в атмосферу при його конденсації.
Було зроблено ряд спроб визначити тепловий баланс океану. Було показано, що видаткова частина теплового балансу океану на широтах від 70 ° с. ш. до 70 ° ю. ш. на 41% визначається йде довгохвильової радіацією, на 5% передачею в атмосферу і на 54% на випаровування. Зрозуміло, в різних місцях на земній кулі і в різні сезони ці величини можуть помітно змінюватися, але в цілому можна сказати, що саме випаровування води призводить до найбільшої втрати тепла, в той час як роль кондуктивной передачі тепла з подальшими конвективними процесами в атмосфері найменш важлива .
Висловлене справедливо в тому випадку, якщо середня температура води на поверхні океану більше, ніж температура повітря над нею, і, що ще важливіше, якщо пружність водяної пари над поверхнею океану нижче, ніж пружність насиченої пари повітря при температурі, яку має поверхню води. При таких умовах відбувається випаровування води. Однак з цього загального правила існують важливі винятки. Наприклад, в районі Великої Ньюфаундлендської Банки навесні температура повітря перевищує поверхневу температуру води, що призводить до передачі тепла з атмосфери в океан, і на поверхні океану і безпосередньо над нею відбувається конденсація водяної пари і утворюється туман. Внаслідок цього поверхневі води стають теплішими і, відповідно, менш щільними, а повітря над ними охолоджується і стає більш щільним. В обох середовищах в результаті термічна конвекція пригнічується, передача тепла йде порівняно повільно, за винятком тих випадків, коли дмуть сильні вітри.
Горизонтальний перенос тепла - адвекція - необхідний для того, щоб компенсувати втрату тепла в результаті випромінювання в високих широтах і приплив тепла в низьких широтах (рис. 1.2.6). Зміна дефіциту і надлишку в річному радіаційному балансі відбувається приблизно на 37 ° північної і південної широти. Якби адвекции тепла не існувало, то температури в екваторіальному поясі зросли б на 10 ° С, в той час як в полярних широтах вони зменшилися б більш ніж на 20 ° С. Це призвело б до значного збільшення площі поверхні Землі, вкритій кригою і снігами, що в свою чергу викликало б збільшення альбедо в середніх і високих широтах, і відповідні площі охололи б ще сильніше.
Більшість оцінок показує, що більше 80% перенесення тепла відбувається в атмосфері, де в результаті глобальних процесів циркуляції тепле повітря і водяна пара разом з його прихованою теплотою конденсації переносяться в напрямку до полюсів Землі.
Новітні оцінки теплового балансу Землі, виконані за даними штучних супутників, показали, однак, що в області між екватором і 70 ° пн.ш. в середньому 40% в цьому перенесення енергії припадає на частку океану, а на 20 ° с. ш. цей внесок сягає 74%. Вітри і океанські течії не тільки вирівнюють баланс тепла між низькими і високими широтами, а й самі залежать від нерівномірності розподілу тепла на земній поверхні. Ця нерівномірність служить джерелом енергії, що підтримує їх рух.
Рис 1.2.6. Багаторічні середні величини надходить радіації (коротко- і довгохвильового) і йде радіації для системи Земля-атмосфера в середньому по широтним зонах (по Дж. С. Джонсону).