8 Тепловой баланс
В деятельном слое геокомплексов происходит расходование радиационного баланса на процессы функционирования, описываемые уравнением теплового баланса:
R = LE + P + A + [lG + M + N + F
где R - радиационный баланс (Дж/м^2 за соответствующее время)
LE- затраты (выделение) тепла на эвапотранспирацию (конденсацию)
L=2.47*10^6 Дж/кг - скрытая теплота парообразования воды
Е - ко-личество испарившейся (сконденсированной) влаги
Р – турбулентный теплообмен между земной поверхностью и атмосферой;
A - поток тепла от поверхности в почву (или из нее к поверхности)
lG - затраты тепла на таяние снега и льда (или выделение тепла при замерзании воды): l=334 кДж/кг (удельная теплота кристаллизации воды), G -количество замерзшей или растаявшей воды
М - тепло, переносимое с осадками
N - тепло, выделяющееся при трении воздушных масс подстилающую поверхность;
F - биологический теплообмен (энергия фотосинтеза и т.д.).
Элементы теплового баланса, помещенные в правой части уравнения, считаются положительными, если потоки направлены от подстилающей поверхности в атмосферу и вглубь почвы (испарение, транспирация, нагрев атмосферы, таяние), и отрицательными, если их направление противоположно (конденсация, замерзание, нагрев поверхности от воздуха).
Элементы теплового баланса, помещенные в квадратные скобки, в большинстве случаев в сумме не превышают 4 % от величины радиационного баланса и ими можно пренебречь. Так как в стационарных условиях за годовой цикл почва не нагревается и не остывает (кроме, например, районов с деградирующей или прогрессирующей многолетней мерзлотой), то в среднемноголетнем режиме уравнение теплового баланса за год упрощается до вида
R = LE + P
Тепловой поток из недр Земли в нем не учитывается, так как он на 4 порядка меньше величины радиационного баланса (кроме некоторых районов с повышенной вулканической активностью).
9 Определение элементов теплового баланса градиентным методом.
Для определения тепловых потоков в геокомплексах используется градиентный метод.
На экспериментальной площадке устанавливается стойка, на которой на уровнях 0.5 и 2 м над деятельной поверхностью (а иногда и на большем количестве высотных уровней) закрепляются вентиляционные психрометры и анемометры. На этих уровнях определяются по стандартным срокам гидрометеосети или чаще температуры воздуха, парциальное давление водяного пара, скорости ветра. Срочный, максимальный и минимальный термометры размещаются на поверхности почвы, а на глубинах 5, 10, 15, 20 см - коленчатые термометры Савинова. Параллельно измеряются все элементы радиационного баланса. Также необходимы наблюдения за динамикой влажности почвы, не реже 1 раза в 3 года определяется удельная теплоемкость сухой части почвы и её
объемная теплоемкость.
10 Связь теплового и водного баланса
Балансовые уравнения, описывающие вход, трансформацию и выход вещества и энергии из внешней среды в геосистему и обратно в среду, имеют общие члены, что указывает на взаимосвязь и взаимообусловленность компонентов и процессов в природе.
В основе связи теплового и водного балансов лежит процесс испарения. М.И.Будыко (1971) предложил следующее выражение уравнения связи
где Е'- суммарное испарение, е - основание натуральных логарифмов.
R/LX – радиационный индекс сухости, R – радиационный баланс, L – скрытая теплота испарения, X – атмосферные осадки.
Другая общепринятая форма записи уравнения связи имеет вид:
где Ео - максимально возможное испарение.
Уравнение связи позволяет представить в общем виде зависизлмость испарения и стока от годовых сумм осадков в радиационного баланса. Указанная связь имеет статистический характер, справедлива для условий большого осреднения в пространстве и времени.