- •Е. А. Михайлов, н. А. Мухин
- •150023. Ярославль, Московский пр., 88.
- •1. Атмосфера, погода, климат
- •2. Метеорологические наблюдения
- •3. Применение карт
- •4. Метеорологическая служба
- •5. Климатообразующие процессы
- •6. Астрономические факторы
- •7. Геофизические факторы
- •8. Метеорологические факторы
- •9. О солнечной радиации
- •До поступления в атмосферу (1) и в спектре абсолютно черного тела
- •10. Тепловое и лучистое равновесие Земли
- •11. Прямая солнечная радиация
- •12. Изменения солнечной радиации в атмосфере и на земной поверхности
- •13. Явления, связанные с рассеянием радиации
- •14. Цветовые явления в атмосфере
- •15. Суммарная и отраженная радиации
- •15.1. Излучение земной поверхности
- •15.2. Встречное излучение или противоизлучение
- •16. Радиационный баланс земной поверхности
- •17. Географическое распределение радиационного баланса
- •18. Атмосферное давление и барическое поле
- •19. Барические системы
- •20. Колебания давления
- •21. Ускорение воздуха под действием барического градиента
- •22. Отклоняющая сила вращения Земли
- •На север со скоростью ав
- •23. Геострофический и градиентный ветер
- •24. Барический закон ветра
- •25. Тепловой режим атмосферы
- •26. Тепловой баланс земной поверхности
- •27. Суточный и годовой ход температуры на поверхности почвы
- •28. Температуры воздушных масс
- •29. Годовая амплитуда температуры воздуха
- •30. Континентальность климата
- •В Торсхавне (1) и Якутске (2) [2]
- •31. Облачность и осадки
- •32. Испарение и насыщение
- •В зависимости от температуры [2]
- •33. Влажность
- •34. Географическое распределение влажности воздуха
- •35. Конденсация в атмосфере
- •36. Облака
- •37. Международная классификация облаков
- •38. Облачность, ее суточный и годовой ход
- •39. Осадки, выпадающие из облаков (классификация осадков)
- •40. Характеристика режима осадков
- •41. Годовой ход осадков
- •42. Климатическое значение снежного покрова
- •43. Химия атмосферы
- •Некоторых атмосферных компонентов (Суркова г.В., 2002)
- •44. Химический состав атмосферы Земли
- •45. Химический состав облаков
- •46. Химический состав осадков
- •В последовательных фракциях дождя
- •В последовательных равных по объему пробах дождя (по оси абсцисс отложены номера проб, с 1 по 6), Москва, 6 июня 1991 г.
- •В осадках разного вида, в облаках и туманах
- •47. Кислотность осадков
- •48. Общая циркуляция атмосферы
- •На уровне моря в январе, гПа [2]
- •На уровне моря в июле, гПа [2]
- •48.1. Циркуляция в тропиках
- •48.2. Пассаты
- •48.3. Муссоны
- •48.4. Внетропическая циркуляция
- •48.5. Внетропические циклоны
- •48.6. Погода в циклоне
- •48.7. Антициклоны
- •48.8. Климатообразование
- •Атмосфера – океан – поверхность снега, льда и суши – биомасса [2]
- •49. Теории климата
- •50. Климатические циклы
- •51. Возможные причины и методы изучения изменений климата
- •52. Естественная динамика климата геологического прошлого
- •Изученные различными методами (Васильчук ю.К., Котляков в.М., 2000):
- •Из скважины 5г 00:
- •На севере Сибири в течение ключевых моментов позднеплейстоценового
- •Криохрона 30-25 тыс. Лет назад (а) и – 22-14 тыс. Лет назад (б).
- •В точках опробования дробь: в числителе среднеянварская температура,
- •В знаменателе – средние значения 18o для данного временного интервала
- •Со ст. Кемп Сенчури за последние 15 тыс. Лет
- •На севере Сибири в течение оптимума голоцена 9-4,5 тыс. Лет назад
- •53. Климат в историческое время
- •54. События Хайнриха и Дансгора
- •55. Типы климатов
- •55.1. Экваториальный климат
- •55.2. Климат тропических муссонов (субэкваториальный)
- •55.3. Тип континентальных тропических муссонов
- •55.4. Тип океанических тропических муссонов
- •55.5. Тип тропических муссонов западных берегов
- •55.6. Тип тропических муссонов восточных берегов
- •55.7. Тропические климаты
- •55.8. Континентальный тропический климат
- •55.9. Океанический тропический климат
- •55.10. Климат восточной периферии океанических антициклонов
- •55.11. Климат западной периферии океанических антициклонов
- •55.12. Субтропические климаты
- •55.13. Континентальный субтропический климат
- •55.14. Океанический субтропический климат
- •55.15. Субтропический климат западных берегов (средиземноморский)
- •55.16. Субтропический климат восточных берегов (муссонный)
- •55.17. Климаты умеренных широт
- •55.18. Континентальный климат умеренных широт
- •55.19. Климат западных частей материков в умеренных широтах
- •55.20. Климат восточных частей материков в умеренных широтах
- •55.21. Океанический климат в умеренных широтах
- •55.22. Субполярный климат
- •55.23. Климат Арктики
- •55.24. Климат Антарктиды
- •56. Микроклимат и фитоклимат
- •57. Микроклимат как явление приземного слоя
- •58. Методы исследования микроклимата
- •58.1. Микроклимат пересеченной местности
- •58.2. Микроклимат города
- •58.3. Фитоклимат
- •58. Влияние человека на климат
- •За 1957–1993 гг. На Гавайских островах и Южном полюсе
- •60. Современные изменения климата
- •У поверхности Земли относительно температуры 1990 г.
- •61. Антропогенные изменения и моделирование климата
- •(Средних за год, глобально осредненных – черная линия) с результатами моделирования (серый фон), полученными при учете изменений [3]:
- •И воспроизведенными для этого же года модельными аномалиями [3]:
- •От температуры до индустриального состояния (1880–1889) за счет роста парниковых газов и тропосферных аэрозолей [3]:
- •62. Синоптический анализ и прогноз погоды
- •Заключение
- •Библиографический список
26. Тепловой баланс земной поверхности
Остановимся сначала 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 в нижних слоях атмосферы, прежде всего, определяются изменениями температуры земной поверхности, следуют за этими изменениями.
Земная поверхность, т.е. поверхность почвы или воды (а также растительного, снежного, ледяного покрова), непрерывно и 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 тем самым теряет тепло.
Во-вторых, к земной поверхности приходит тепло сверху, из атмосферы, путем турбулентной теплопроводности. Тем же способом тепло уходит от земной поверхности в атмосферу. Путем теплопроводности тепло также уходит от земной поверхности вниз, в почву и воду, либо приходит к земной поверхности из глубины почвы и воды.
В-третьих, земная поверхность получает тепло при конденсации на ней водяного пара из воздуха или теряет тепло при испарении с нее воды. В первом случае выделяется скрытая теплота, во втором теплота переходит в скрытое состояние.
На менее важных процессах (например, затратах тепла на таяние снега, лежащего на поверхности, или распространении тепла в глубь почвы вместе с водой осадков) останавливаться не будем.
Будем считать земную поверхность идеализированной геометрической поверхностью, не имеющей толщины, теплоемкость которой, следовательно, равна нулю. Тогда ясно, что в любой промежуток времени от земной поверхности будет уходить вверх и вниз в совокупности такое же количество тепла, какое она за это же время получает сверху и снизу. Естественно, что если рассматривать не поверхность, а некоторый слой земной поверхности, то здесь равенства приходящих и уходящих потоков тепла может и не быть. В таком случае избыток приходящих потоков тепла над уходящими потоками в соответствии с законом сохранения энергии пойдет на нагревание этого слоя, а в обратном случае - на его охлаждение.
Итак, алгебраическая сумма всех приходов и расходов тепла на земной поверхности должна быть равной нулю – это уравнение теплового баланса земной поверхности. Чтобы написать уравнение теплового баланса, объединим поглощенную радиацию и эффективное излучение в радиационный баланс:
B = (S sin(h) + D)(1 – A) – Es.
Приход тепла из воздуха или отдачу его в воздух путем теплопроводности обозначим буквой Р. Такой же приход или расход путем теплообмена с более глубокими слоями почвы или воды обозначим G. Потерю тепла при испарении или приход его при конденсации на земную поверхность обозначим LE, где L – удельная теплота испарения и Е – масса испарившейся или сконденсировавшейся воды.
Вспомним еще одну составляющую – энергию, пошедшую на фотосинтетические процессы – ФАР, впрочем, весьма маленькую в сравнении с остальными, поэтому в большинстве случаев ее не указывают в уравнении. Тогда уравнение теплового баланса земной поверхности примет вид
В + Р + G + LE + QФАР = 0
или В + Р + G + LE = 0.
Можно еще отметить, что смысл уравнения состоит в том, что радиационный баланс на земной поверхности уравновешивается нерадиационной передачей тепла.
Уравнение теплового баланса действительно для любого времени, в том числе и для многолетнего периода.
Из того, что тепловой баланс земной поверхности равен нулю, не следует, что температура поверхности не меняется. Если 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, следовательно, и температура земной поверхности при этом возрастают. При передаче тепла через земную поверхность снизу вверх, в атмосферу, тепло уходит, прежде всего, из деятельного слоя, 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 столько же тепла, сколько уходит из нее ночью. Так как за летние сутки тепла уходит вниз все-таки больше, чем приходит снизу, слои почвы и воды и их поверхность день ото дня нагреваются. Зимой происходит обратный процесс. Сезонные изменения прихода-расхода тепла в почве и воде за год почти уравновешиваются, и средняя годовая температура земной поверхности и деятельного слоя год от года меняется мало.
Существуют резкие различия в нагревании и тепловых особенностях поверхностных слоев почвы и верхних слоев водных бассейнов. В почве тепло распространяется по вертикали путем молекулярной теплопроводности, а в легкоподвижной воде – также и путем турбулентного перемешивания водных слоев, намного более эффективного. Турбулентность в водоемах обусловлена, прежде всего, волнением и течениями.
В ночное время суток и в холодное время года к такого рода турбулентности присоединяется термическая конвекция: охлажденная на поверхности вода опускается вниз вследствие возросшей плотности и замещается более теплой водой из нижних слоев. В океанах и морях некоторую роль в перемешивании слоев и в связанной с ним передаче тепла играет также испарение.
При значительном испарении с поверхности моря верхний слой воды становится более соленым и поэтому более плотным, вследствие чего вода опускается с поверхности в глубину. Кроме того, радиация глубже проникает в воду в сравнении с почвой. Наконец, теплоемкость воды более значительна, чем почвы, и одно и то же количество тепла нагревает массу воды до меньшей температуры, чем такую же массу почвы.
В результате суточные колебания температуры в воде распространяются на глубину порядка десятков метров, а в почве – менее одного метра. Годовые колебания температуры в воде распространяются на глубину сотен метров, а в почве – только на 10-20 м.
Итак, тепло, приходящее днем и летом на поверхность воды, проникает до значительной глубины и нагревает большую толщу воды. Температура верхнего слоя и самой поверхности воды повышается при этом мало. В почве приходящее тепло распределяется в тонком верхнем слое, который сильно нагревается. Член G в уравнении теплового баланса для воды гораздо больше, чем для почвы, а P соответственно меньше.
Ночью и зимой вода теряет тепло из поверхностного слоя, но взамен его приходит накопленное тепло из нижележащих слоев. Поэтому температура на поверхности воды понижается медленно. На поверхности почвы температура при отдаче тепла падает быстро: тепло, накопленное в тонком верхнем слое, быстро из него и уходит без восполнения снизу.
В результате днем и летом температура на поверхности почвы выше, чем температура на поверхности воды; ночью и зимой ниже. Это значит, что суточные и годовые колебания температуры на поверхности почвы больше, и значительно больше, чем на поверхности воды.
Вследствие указанных различий в распространении тепла водный бассейн за теплое время года накапливает в достаточно мощном слое воды большое количество тепла, которое отдает в атмосферу в холодный сезон. Почва в течение теплого сезона отдает по ночам большую часть того тепла, которое получает днем, и мало накапливает его к зиме. В результате температура воздуха над морем летом ниже, а зимой выше, чем над сушей.