19. Природные тепловые машины и циркуляция атмосферы.

Разработка теории тепловых машин принадлежит академику Шулейкину.

В термодинамике тепловой машиной называется машина, в которой тепловая энергия преобразуется в механическую.

Возможность такого преобразования следует из 1 закона термодинамики - закона сохранения и приращения энергии. Любая тепловая машина состоит из 2 основных элементов: нагреватель и холодильник, они связаны между собой потоком вещества теплоносителя.

В соответствии со 2 законом термодинамики в природе существует ассиметрия - однонаправленность всех происходящих в природе естественных процессов, при перепаде температуры энергия начинает самопроизвольно переходить от теплого тела к холодному. Часть энергии расходуется на движение теплоносителя.

Шулейкин выделил машины 1-го рода. В качестве Нагревателя выступают тропические пояса, где происходит пополнение энергией и приходящая энергия существенно преобладает над ее расходом в космическое пространство.

Холодильником являются высокоширотные участки планеты обоих полушарий. Здесь длинноволновое излучение существенно преобладает над приходящим солнечным теплом.

Теплоносителем является воздушная среда. Различие в нагревании материков и океанов приводит к нагреванию тепловых машин 2-го рода. Они работают в реверсивном режиме (туда-сюда). В летнее время воздух над сушей прогревается значительно сильнее, чем над поверхностью воды. Поэтому в теплое время года Нагреватели - это материки и Холодильники - океаны, в зимнее время положение изменяется, океаны аккумулируют тепло, отдают его атмосфере в процессе конвективного теплообмена. В результате Нагреватель - океан, а Холодильник - материки.

ИСКЛЮЧЕНИЕ: Антарктида и Гренландия всегда - Холодильник

Поверхность Земли отличается мозаичным пространственным распределением сред, они имеют различные теплофизические характеристики.

Тепловые контрасты (между внутренним водоемом и окружающей сушей, контрасты между горными областями и равнинами, ледниками и безводными поверхностями, теплыми и холодными океаническими течениями) приводят к возникновению множества локальных тепловых машин, преобразующих тепловую энергию в механическую энергию. Такие машины называются тепловыми машинами 3 рода.

КПД атмосферных тепловых машин очень низок и составляет всего 1-2%. Это объясняется небольшой разницей температур Холодильника и Нагревателя, а так же большими потерями энергии на теплообмен с окружающей средой. Все тепловые машины в географической оболочке Земли работают одновременно, и создаваемые ими энергетические эффекты накладываются друг на друга.

Работу атмосферных тепловых машин не следует понимать, как прямой непосредственный перенос частиц объема воздуха от Нагревателя к Холодильнику. Это связано с тем, что движение объемов воздуха происходит под действием сил определенных скоростей и направления движения воздушных потоков.

20. Круговорот воды в природе. Мировой водный баланс.

Вода в 3 состояниях входит в состав всех поверхностных биосфер Земли. Но основной объем сосредоточен в гидросфере Земли.

Гидросфера возникла в процессе возникновения воды из мантии. Процесс гравитационной дифференциации продолжается и в наше время. В ходе геологического развития часть воды была изъята из гидросферы в ходе создания органического вещества. Эта часть захоронена в земной коре вместе с осадочными породами. Другая часть воды была потеряна в процессе диссоциации молекул воды на катион Н и анион ОН, которые происходят в атмосфере на высоте 100 км. Атомы водорода, под влиянием высоких температур, обитая в экзосфере, обретают космическую скорость и уходят в космическое пространство.

Около 97.3% гидросферы сосредоточено в МО, еще 2.15 входят в ледники Антарктиды и Гренландии, 0.65% поверхностные воды и на подземные воды. На долю атмосферы приходится 0.001% объема воды гидросферы.

Вода содержащаяся в географической оболочке находится в постоянном движении. Горизонтальная составляющая обеспечивает атмосферным влагопереносом, морским течением, поверхностным, речным, грунтовым и подземным стоками, а так же ледниковым стоком. Вертикальная составляющая - обеспечивает физическим испарением, транспирацией (испарение воды, наземными частями растений) выпадение осадков и инфильтрацией (просачивание в грунт).

В круговороте воды выделяют 2 взаимосвязанных кольца:

Атмосферно-океаническое кольцо и атмосферно-материковое кольцо.

Атмосферные осадки частично стекают по поверхности суши, образуя поверхностный сток, а частично просачиваются внутрь Земли и образуют грунтовый сток.

Подземный сток ниже водоупорного слоя, а грунтовый выше, объединяясь образуют речной сток.

В полярных областях и высокогорных районах твердые осадки образуют материковые и горные ледники. Под действием собственной тяжести ледники растекаются по краям, откалывающиеся на окраинах, материковые ледники образуют айсберги. Горные ледники достигнув снеговой линии формируют ледниковый сток и сток рек, ледникового питания.

Водообмен звеньев круговорота воды

Звено круговорота	Период возобновления воды
Подземные льды зоны многолетней мерзлоты	10тыс лет
Полярные ледники	9тыс лет
МО	2500лет
Ледники горных районов	1600лет
Подземные воды	1400лет
Болотные воды	5лет
Озерные воды	17 лет
Почвенная влага	1 год
Воды в руслах рек	16 дней
Атмосферная влага	8 дней
Вода в организмах	Насколько часов/суток

Звенья круговорота – временные вместилища воды в процессе движения.

Особенно большое значение имеют элементы, где скорость обмена велика. За год атмосферная влага сменится 45 раз, в результате на ЗП выпадет слой осадков толщиной не 3см, а 1.1м

Речная вода была бы быстро исчерпана, если бы она не возобновлялась каждые 16 дней.

Транспирация при прочих равных условиях больше физического испарения. Гектар леса испаряет 20-50 тонн воды в сутки, поэтому уничтожение лесов приводит к нарушению естественного влагооборота, а в зонах с повышенной увлажненностью - заболачивание территории.