Тепловий баланс атмосфери

Джерелом енергії, завдяки якій формуються процеси у системі Земля –

атмосфера, виявляється сонячна енергія. Кількість сумарної радіації F' + f, що приходить на земну поверхню, частково поглинається у залежності від альбедо r поверхні. Таким чином, поглинена частина сумарної радіації дорівнює(F' + f)(1-r). Поглинення сонячної радіації приводить до нагрівання діяльного шару земної поверхні ∆. Під діяльним шаром розуміють тонкий шар грунту або води, у якому відбувається поглинення сонячної радіації. Для грунту – це декілька міліметрів в залежності від його фізичних властивостей, для води – декілька метрів. Нагрітий діяльний шар випромінює теплову енергію у вигляді теплової інфрачервоної радіації B₀. Атмосфера, в свою чергу, випромінює енергію Ba, частина якої δBa поглинається земною поверхнею. Таким чином, радіаційний баланс земної поверхні, як було показано вище, визначається формулою:R= (F' + f)(1- r) - В* (1),де B* - ефективне випромінювання.

Він характеризує прибуткову частину енергії для поверхні Землі. Завдяки їй виникають фізичні процеси, які пов’язані з перетворенням енергії. Якщо виділити одиничну площадку, то через цю площадку відбуваються потоки тепла, що обумовлюють тепловий режим земної поверхні.

Рівняння, яке визначає результуючий потік тепла, називається рівнянням теплового балансу. Рівняння теплового балансу може бути записано для земної поверхні, для атмосфери, для системи земна поверхня – атмосфера. У двох останніх випадках розглядається вертикальний стовпгрунту у границях його діяльного шару.

Розглянемо тепловий баланс земної поверхні. До неї надходить промениста енергія, яка характеризується радіаційним балансом. Від нагрітої земної поверхні відбувається передача тепла до атмосфери завдяки турбулентним потокам тепла. У границях приземного шару турбулентний потік, як вже відзначалось, постійний і дорівнює Р₀ = - с_рρk (2)

Якщо <0,то P₀>0 і турбулентний потік тепла має напрямок знизу вверх, тобто грунт або водна поверхня втрачає тепло, визначене потоком P₀. При > 0навпаки, P₀< 0, й земна поверхня тепло одержує. Турбулентний потік тепла носить назву явного тепла. Під дією нагрівання діяльного шару при поглиненні променистої енергії відбувається випарування з поверхні землі чи води. Водяна пара від земної поверхні турбулентними молями, як і всяка субстанція, переноситься вверх у приземному шарі атмосфери. Якщопозначити через s - масовучасткуводяної пари, а їївертикальнийградієнтчерез позначити через s - масовучасткуводяної пари, а їївертикальнийградієнтчерез , то турбулентнийпотіквологи буде рівнимQ'₀ = - ρk (3).

Турбулентнийпотіквологи – цекількістьводяної пари, яка переноситься через одиничну площадку за одиницю часу у перпендикулярному напрямку. Вінмаєрозмірність кг /м²с. Як і турбулентнийпотік тепла дорівнює,очевидно, P₀= LQ'₀. Таким чином, потік тепла випаровування (конденсації) маєзначенняР'₀ = - Lρk (4). Очевидно, [P'₀] = [L] [Q'₀] = Вт/м².

Якщо <0 - концентраціяпари з висотоюзменшується, то P′₀>0, тобтоземна поверхнявитрачає тепло. Тепло випаровування (конденсації) маєназвуприхованого тепла.

Потік тепла відбувається не тільки через верхнюграницюдіяльностішару, але і через верхнюграницюдіяльного шару, але і через нижнюйогограницю, тобто у глибину грунту (води).Єдиниммеханізмомцьогопроцесу є молекулярнатеплопровідність. Молекулярнийпотіктепла у глибину грунту, як було показано вище, маєтакий вид: Q_м = - λ (5)

Вищейшлося про потоки черезграниці шару ∆. Однак, у ґрунтівідбуваєтьсяй поглинення тепла. Позначимо через α_гмасовийкоефіцієнтпоглинення. Тоді, якщо на верхнійграниці шару dξрадіаційний баланс дорівнює R, то поглинутайогочастина є dR = - α_гρ_гRdξ(6).

Проінтегруємо (6) у границяхвід 0 до ξ, а dRвід R(0) до R() ξ. БудемоматиR(ξ) = R(0) exp[-α_гρ_гξ] (7).

Якщопозначитиδ* = , тоR(ξ) = R₀exp[- ξ/δ*] (8). Нехай ξ = ∆.ТодіR(∆) = Rexp[-∆/δ*].

Поглиненняпроменистого тепла у діяльномушарі приводить до змінюваннятепловмісту грунту та витрат теплатаненняльоду, якщовідбулосязамерзання грунту. За рахунокцихефектіврівнянняприпливу тепла до одиничногооб’ємудіяльного шару може бути записано таким чином: Lплρ_{г +} ∆ (c_гρ_гT_г) = R(0) – R(∆) – P₀ - P'₀ - Q_м (9)

Перший доданоклівоїчастинирівняння (9) характеризує тепло таненняльоду у діяльномушарі, а другийдоданок – зміненнятепловмістустовпа грунту товщиною ∆ одиничногоперерізу за одиницю часу. У правійчастиніутримуютьсявсі потоки тепла, котрінадходять до діяльного шару через йоговерхню й нижнюграниці. Рівняння (9) і являє собою рівняння теплового балансу шару грунту товщиною ∆.