Тепловой режим поверхности земли и атмосферы

Тепловая энергия поступает в нижние слои атмосферы главным образом от подстилающей поверхности. Тепловой режим этих слоев

тесно связан с тепловым режимом земной поверхности, поэтому его изучение является также одной из важных задач метеорологии.

Основными физическими процессами, при которых почва по­лучает или отдает тепло, являются: 1) лучистый теплообмен; 2) турбулентный теплообмен между подстилающей поверхностью и атмосферой; 3) молекулярный теплообмен между поверхностью почвы и нижним неподвижным прилегающим слоем воздуха; 4) те­плообмен между слоями почвы; 5) фазовый теплообмен: затраты тепла на испарение воды, таяние льда и снега на поверхности и в глубине почвы или его выделение при обратных процессах.

Тепловой режим поверхности земли и водоемов определяется их теплофизическими характеристиками. Особое внимание при подготовке следует обратить на вывод и анализ уравнения тепло­проводности почвы (уравнение Фурье). Если почва однородна по вертикали, то ее температура t на глубине z в момент времени т мо­жет быть определена из уравнения Фурье

: (1)

где а - температуропроводность почвы.

Следствием этого уравнения являются основные законы рас­пространения температурных колебаний в почве:

1. Закон неизменности периода колебаний с глубиной:

T(z) = const (2)

2. Закон уменьшения амплитуды колебаний с глубиной:

(3)

где и - амплитуды на глубинах а - темпера­туропроводность слоя почвы, лежащего между глубинами ;

3. Закон сдвига фазы колебаний с глубиной (закон запаздыва­ния):

(4)

где запаздывание, т.е. разность между моментами наступ­ления одинаковой фазы колебаний (например, максимума) на глубинах и Колебания температуры проникают в почву до глуби­ны z_np, определяемой соотношением:

(5)

Кроме того, необходимо обратить внимание на ряд следствий из закона уменьшения амплитуды колебаний с глубиной:

а) глубины, на которых в разных почвах ( ) амплитуды температурных колебаний с одинаковым периодом ( = Т₂) умень­шаются в одинаковое число раз относятся между собой как корни квадратные из температуропроводности этих почв

(6)

б) глубины, на которых в одной и той же почве (а = const) ам­плитуды температурных колебаний с разными периодами ( ) уменьшаются в одинаковое число раз =const, относятся между собой как корни квадратные из периодов колебаний

(7)

Необходимо четко усвоить физический смысл и особенности формирования теплового потока в почву.

Поверхностная плотность теплового потока в почве определя­ется по формуле:

(8)

где λ - коэффициент теплопроводности почвы вертикаль­ный градиент температуры.

Мгновенные значение Р выражаются в кВт/м с точностью до сотых, суммы Р - в МДж/м² (часовые и суточные - с точностью до сотых, месячные - до единиц, годовые - до десятков).

Средняя поверхностная плотность теплового потока через по­верхность почвы за интервал времени т описывается формулой

где С - объемная теплоемкость почвы ; интервал; z„_p - глубина проникновения температурных колебаний; ∆t_cp - разность средних температур слоя почвы до глубины z_np в конце и в начале интервала т. Приведем основные примеры задач по теме «Тепловой режим почвы».

Задача 1. На какой глубине уменьшается в е раз амплитуда су­точных колебаний в почве, имеющей коэффициент температуро­проводности а = 18,84 см²/ч?

Решение. Из уравнения (3) следует, что амплитуда суточных ко­лебаний уменьшится в е раз на глубине, соответствующей условию

Задача 2. Найти глубину проникновения суточных колебаний температуры в гранит и в сухой песок, если экстремальные темпе­ратуры поверхности соседних участков с гранитной почвой 34,8 °С и 14,5 °С, а с сухой песчаной почвой 42,3 °С и 7,8 °С. Температуро­проводность гранита а _г= 72,0 см²/ч, сухого песка а _п= 23,0 см²/ч.

Решение. Амплитуда температуры на поверхности гранита и песка равна:

. Глубина проникновения рассматривается по формуле (5):

В связи с большей температуропроводностью гранита мы по­лучили и большую глубину проникновения суточных колебаний температуры.

Задача 3. Предположив, что температура верхнего слоя почвы изменяется с глубиной линейно, следует вычислить поверхностную плотность теплового потока в сухом песке, если температура его поверхности составляет 23,6 "С, а температура на глубине 5 см рав­на 19,4 °С.

Решение. Температурный градиент почвы в этом случае равен:

Теплопроводность сухого песка λ= 1,0 Вт/м*К. Поток тепла в почву определяем по формуле:

Р = -λ - = 1,0 • 84,0 • 10" ³ = 0,08 кВт/м²

Тепловой режим приземного слоя атмосферы определяется главным образом турбулентным перемешиванием, интенсивность которого зависит от динамических факторов (шероховатости зем­ной поверхности и градиентов скоростей ветра на различных уров­нях, масштаба движения) и термических факторов (неоднородности нагревания различных участков поверхности и вертикального рас­пределения температуры).

Для характеристики интенсивности турбулентного перемеши­вания используется коэффициент турбулентного обмена А и коэф­фициент турбулентности К. Они связаны соотношением

К = А/р (10)

где р - плотность воздуха.

Коэффициент турбулентности К измеряется в м²/с, с точностью до сотых долей. Обычно в приземном слое атмосферы используют коэффициент турбулентности К] на высоте г' = 1 м. В пределах при­земного слоя:

(11)

где z - высота (м).

Необходимо знать основные методы определения К\.

Задача 1. Вычислить поверхностную плотность вертикально­го теплового потока в приземном слое атмосферы через площадку, на уровне которой плотность воздуха равна нормальной, коэффици­ент турбулентности равен 0,40 м²/с, а вертикальный градиент тем­пературы 30,0 °С/100м.

Решение. Вычисляем поверхностную плотность вертикального теплового потока по формулe

L=1.3*1005*0.40*

Изучите факторы, влияющие на тепловой режим приземного слоя атмосферы, а также периодические и непериодические измене­ния температуры свободной атмосферы. Уравнения теплового балан­са земной поверхности и атмосферы описывают закон сохранения энергии, полученной деятельным слоем Земли. Рассмотрите суточ­ный и годовой ход теплового баланса и причины его изменений.

Литература

[1], Раздел Ш,гл. 2, § 1-8.

Вопросы для самопроверки

1. Какие факторы определяют тепловой режим почвы и водоемов?

2. Каков физический смысл теплофизических характеристик и как они влияют на температурный режим почвы, воздуха, воды?

3. От чего зависят и как зависят амплитуды суточных и годовых колебаний тем­пературы поверхности почвы?

4. Сформулируйте основные законы распределения температурных колебаний в почве?

5. Какие следствия вытекают из основных законов распределения температурных колебаний в почве?

6. Каковы средние глубины проникновения суточных и годовых колебаний тем­пературы в почве и в водоемах?

7. Каково влияние растительного и снежного покрова на тепловой режим почвы?

8. Какие особенности теплового режима водоемов, в отличие от теплового режима почвы?

9. Какие факторы влияют на интенсивность турбулентности в атмосфере?

10. Какие количественные характеристики турбулентности вы знаете?

11. Каковы основные методы определения коэффициента турбулентности, их дос­тоинства и недостатки?

12. Нарисуйте и проанализируйте суточный ход коэффициента турбулентности над поверхностью суши и водоема. В чем причины их различия?

13. Как определяется поверхностная плотность вертикального турбулентного теп­лового потока в приземном слое атмосферы?