Тепловое поле Земли

Тепловое поле существует за счет неравномерного нагревания вещества Земли - горных пород, вод и воздуха, в результате чего возникает пространственная неравномерность распределения температуры. Источниками термического поля являются внутренние и внешние процессы.

Внешний источник - солнечная радиация, проникает на глубину лишь в несколько метров. Дальнейшее увеличение температуры с глубиной (в среднем 0,3°С на 100 м) связано с внутренними источниками - распадом радиоактивных элементов, гравитационной дифференциацией вещества, приливным трением, процессами метаморфизма и фазовыми переходами вещества. Большинство исследователей главным источником внутреннего тепла считает гравитационную дифференциацию вещества. Скорость возрастания температур с глубиной зависит от теплопроводности, проницаемости горных пород и генерации тепла источниками. Основная потеря внутреннего тепла Земли (4·10¹² Вт) происходит за счет теплового потока, меньшую роль играют вулканизм, землетрясения, гидротермальные источники. Плотность теплового потока из недр определяет энергетическое состояние поверхности Земли и тектонические особенности региона. Эта величина различна и в среднем составляет (мВт/м²): для глубоководных океанических впадин - 28-65, в пределах щитов - 29-49, в геосинклинальных областях и срединно-океанических хребтах - 100-300 и более. Среднее значение для Земли равно 64-75 мВт/м², что в несколько десятков тысяч раз меньше потока лучистой энергии Солнца.

Тепловые взаимодействия во многом зависят от вещественного состава тел (воздух, вода, горные породы), их физических свойств (теплоемкость, теплопроводность, температура фазовых превращений), а также плотности вещества.

Современное тепловое поле оказывает несомненное влияние на процессы, происходящие в оболочке, особенно на развитие Живого вещества.

Тепловые взаимодействия описываются уравнениями, вытекающими из физических законов. Фундаментальное значение для понимания процесса переноса тепла в географической оболочке имеют законы (начала) термодинамики. Первое начало термодинамики реализует закон сохранения энергии применительно к термодинамической системе и определяет влияние на систему поступления внешней энергии следующим образом: поступившее в систему тепло равно сумме приращений внутренней энергии системы и совершенной системой работой. Второе начало термодинамики объясняет поток тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.

Если бы земной шар был весь покрыт морем или, наоборот, его поверхность представляла бы только сушу, то изотермы располагались бы параллельными кругами, и температура правильно убывала бы от экватора к полюсам.
До 45° широты материковый климат теплее морского, под 45° широты оба климата по общему количества тепла одинаковы, а в более высоких широтах, наоборот, морской климат теплее материкового. Такое распределение температуры будет понятно, если мы примем во внимание, что в низших широтах имеет наибольшее значение летнее нагревание, и потому перевес в температуре остается за сушей. В высших широтах средняя годовая температура местности зависит, главным образом, от остывания поверхности во время зимы, а оно, как мы знаем, происходит гораздо быстрее на суше, чем на воде. Теперь мы видим, какое огромное значение в климатическом отношении имеет то или иное распределение суши и моря; если бы мы имели все материки расположенными близ экватора, а моря - в полярных странах, то этим смягчался бы суровый климат севера, но на материках температура была бы очень высока.
На самом деле мы видим неправильное чередование моря и суши, при этом в некоторых местах материки расширяются, в других суживаются. Это вносит большое разнообразие в распределение годовых температур и обусловливает изгибы изотерм.
Рассматривая карту годовых изотерм, мы убеждаемся, что наиболее теплые места на земле находятся в северном полушарии, и что термический экватор смещен к северу от географического экватора. Самые теплые места лежат в Сахаре (температура выше 30°); подобные же центры нагревания находятся в Индостане и на севера Мексики.
Следовательно, северное полушарие в среднем за год теплее южного, а причина этого заключается в большем расширении материков в низких широтах северного полушария. То обстоятельство, что наиболее теплые страны расположены не на экваторе, а около тропика Рака, объясняется, кроме расширения материков, еще присутствием в этих широтах каменистых и песчаных пустынь, лишенных растительного покрова. На экваторе в летнее время выпадает много осадков, и облачность ослабляет нагревание поверхности земли. Кроме того, богатая растительность в свою очередь защищает поверхность земли от непосредственного нагревания, тогда как в пустынях поверхность нагревается и отдает путем лучеиспускания и теплопроводности свою теплоту нижним слоям воздуха.
Места с наиболее низкой годичной температурой находятся на континентах, в полярных странах, особенно северного полушария. На Гринелевой Земле, к западу от Гренландии, средняя годовая температура -20°,4. В северной Гренландии, вероятно, встречаются и более холодные места (до -25°). Большая часть Гренландии в течение всего года покрыта сплошным ледяным покровом, и поверхность ее теряет очень много тепла. По той же причине очень низкая температура должна быть па Антарктиде. Принимают ее среднюю годовую температуру равной -25°. (Из трехлетних наблюдений Скотта выведена средняя годовая -17°,6, но во внутренних частях Антарктиды она должна быть ниже.)
Далее, на карте годовых изотерм обращают на себя внимание изгибы изотерм на суше и на море.

2.Системи координат, кути орієнтування, нівелювання.

3.Методи опису руху рідини (Лагранжа та Ейлера)

Жидкость представляет собой физическое тело, состоящее из бесконечно большого числа бесконечно малых частиц. С большой степенью точности мы можем рассматривать жидкое тело как сплошную среду, эта модель позволяет значительно упростить решение большинства гидравлических задач. Тем не менее, нередки случаи, когда уровень иссле­дования движения жидкого тела требует глубокого знания физических процессов проис­ходящих в движущейся жидкости на молекулярном уровне. В таких случаях вполне удоб­ная модель сплошной среды может оказаться неприемлемой.

Исходя из практики изучения гидравлики как прикладной дисциплины, можно упо­мянуть два метода изучения движения жидкости: метод Лагранжа и метод Эйлера.

Описание движения жидкости методом Лагранжа сво­дится к рассмотрению положения частиц жидкости (в пол­ном смысле слова) в любой момент времени. Так в началь­ный момент времени частицы находились в точках 1, 2, 3 и 4. По истечении некоторого времени они переместились в точки: Г, 2',3'и4', причём это перемещение сопровожда­лось изменением объёмов и форм частиц (упругой деформа­цией). Тогда можно утверждать, что частицы жидкости при своём движении участвуют в трёх видах движения (поступа­тельном, вращательном и деформации). Для описания такого сложного движения жидко­сти необходимо, таким образом, определить как траектории частиц, так и гидравлические характеристики частиц (плотность р, температуру Т и скорость и) в функции времени и координат.

Переменные а, Ь, с, и / носят название переменных Лагранжа. Задача сводится к ре­шению систем дифференциальных уравнений в частных производных для каждой части-

цы жидкости. Метод Лагранжа ввиду громоздкости и трудности решения может исполь­зоваться в случаях детального изучения поведения лишь отдельных частиц жидкости. Ис­пользование этого метода для инженерных расчётов не рентабельно.

Суть другого метода, метода Эйлера заключается в том, что движение жидкости подменяется изменением поля скоростей. Под полем скоростей понимают некоторую дос­таточно большую совокупность точек бесконечного пространства занятого движущейся жидкостью, когда в каждой точке пространства в каждый момент времени находится час­тица жидкости с определённой скоростью (вектором скорости). Припишем неподвижным точкам пространства скорость частиц жидкости, которые в данный момент времени нахо­дятся в этих точках. Поскольку пространство бесконечно и непрерывно, то мы имеем мас­сив данных о скоростях достаточно полный, чтобы определить (задать) поле в каждой его точке. Условно, нос достаточной точностью такое поле можно считать непрерывным.

Несмотря на то, что исходные условия создания модели движущийся жидкости до­вольно сложные, тем не менее, метод Эйлера весьма удобен для расчётов.

Построение поля скоростей осуществляет­ся следующим образом:

На некоторый момент времени (например, to) произвольным образом выберем необходимое число точек, в которых находятся частицы жид­кости. Приписав их скорости точкам неподвижного про­странства (1, 2, 3, 4, 5 и 6) мы сделаем «момен­тальную фотографию» поля скоростей на вы­бранный момент времени. В следующий момент времени в тех же выбранных точках

неподвижного пространства будут находиться другие частицы жидкости, имеющие другие ско­рости . Выполнив уже

известную процедуру второй раз, получим но­вую «моментальную фотографию» поля скоро­стей на момент времени . Теперь вместо изучения траекторий частиц жидкости будем сравнивать поля скоростей. Тогда система уравнений примет вид:

Поле скоростей движения жидкости иногда называют гидродинамическим полем по аналогии с электромагнитным, тепловым и др. полями. Это определение не противоречит физической стороне процесса движения жидкости. Анализируя состояние гидродинами­ческого поля на разные моменты времени , можно отметить, что с течени­ем времени поле изменилось, несмотря на то, что в отдельных точках 5 и 6 скорости оста­лись постоянными Такое поле называют нестационарным гидродина­мическим полем. В частном случае, когда во всех точках неподвижного пространства с течением времени предыдущие частицы жидкости сменяются другими с такими же скоро­стями, то поле скоростей во времени не меняется. Такое гидродинамическое поле называ­ют стационарным. В соответствии с этим различают и два вида движения жидкости: уста­новившееся, когда поле скоростей является стационарным и неустановившееся при неста­ционарном гидродинамическом поле.

4.Масові та поверхневі сили. Рівняння геострофічного руху рідини.

Поскольку жидкость обладает свойством текучести и легко деформируется под дей­ствием минимальных сил, то в жидкости не могут действовать сосредоточенные силы, а возможно существование лишь сил распределённых по объёму (массе) или по поверхно­сти. В связи с этим действующие на жидкости распределённые силы являются по отноше­нию к жидкости внешними. По характеру действия силы можно разделить на две катего­рии: массовые силы и поверхностные.

Массовые силы пропорциональны массе тела и действуют на каждую жидкую час­тицу этой жидкости. К категории массовых сил относятся силы тяжести и силы инерции переносного движения. Величина массовых сил, отнесённая к единице массы жидкости, носит название единичной массовой силы. Таким образом, в данном случае понятие о единичной массовой силе совпадает с определением ускорения. Если жидкость, находится под действием только сил тяжести, то единичной силой является ускорение свободного падения:

где М' - масса жидкости

Если жидкость находится в сосуде, движущимся с некоторым ускорением а, то жид­кость в сосуде будет обладать таким же ускорением (ускорением переносного движения):

Поверхностные силы равномерно распределены по поверхности и пропорциональны площади этой поверхности. Эти силы, действуют со стороны соседних объёмов жидкой среды, твёрдых тел или газовой среды. В общем случае поверхностные силы имеют две составляющие нормальную и тангенциальную. Единичная поверхностная сила называется напряжением. Нормальная составляющая поверхностных сил называется силой давления Р, а напряжение (единичная сила) называется давлением:

5

где: S - площадь поверхности.

Напряжение тангенциальной составляющей поверхностной силы Т (касательное на­пряжение ) определяется аналогичным образом (в покоящейся жидкости Т=0).

Величина давления (иногда в литературе называется гидростатическим давлением) в системе СИ измеряется в паскалях.

Поскольку эта величина очень мала, то величину давления принято измерять в мега-паскалях МПа

1МПа = \ 106 Па.

В употребляемой до сих пор технической системе единиц давление измеряется в технических атмосферах, am. С,

1 am = \кГ/см2 = 0,1 МПа, 1 МПа = 10 am.

В технической системе единиц давление кроме технической атмосферы измеряется также в физических атмосферах, А.

\А = 1,033 am.

Различают давление абсолютное, избыточное и давление вакуума. Абсолютным дав­лением называется давление в точке измерения, отсчитанное от нуля. Если за уровень от­счёта принята величина атмосферного давления, то разница между абсолютным давлени­ем и атмосферным называется избыточным давлением.

Если давление, измеряемое в точке ниже величины атмосферного давления, то раз­ница между замеренным давлением и атмосферным называется давлением вакуума

Избыточное давление в жидкостях измеряется манометрами. Это весьма обширный набор измерительных приборов различной конструкции и различного исполнения.

Рівняння геострофічного руху рідини

5.Екологічні проблеми забруднення морського середовища