Тепловий баланс системи Земля – атмосфера

Земля разом з атмосферою, окремо атмосфера й земна поверхня перебувають у стані теплової рівноваги, якщо розглядати їх за тривалий час. Середні температури їх за окремі роки змінюються, а від одного багаторічного періоду до іншого залишаються майже незмінними. Тому можна вважати, що надходження і витрати тепла за достатньо тривалий період будуть однаковими або майже однаковими.

Земля отримує тепло, частково засвоюючи сонячну радіацію в атмосфері, але більшою мірою на земній поверхні. Втрачає вона тепло шляхом власного випромінювання довгохвильової радіації земної поверхні та атмосфери у світовий простір. За теплової рівноваги Землі в цілому надходження сонячної енергії на верхню межу атмосфери і витрати її у світовий простір мають бути рівними. На верхній межі атмосфери повинна існувати промениста рівновага, а радіаційний баланс дорівнюватиме нулю.

Сама атмосфера отримує тепло, засвоюючи сонячну та земну радіацію і втрачає тепло, випромінюючи радіацію донизу і догори. Крім того, вона обмінюється теплом із земною поверхнею не радіаційним шляхом. Тепло витрачається на випаровування води із земної поверхні, а потім звільняється в атмосфері при конденсації водяної пари, а також шляхом турбулентного теплообміну. Усі перелічені потоки тепла за тривалий час урівноважуються.

Надходження тепла на земну поверхню внаслідок засвоєння сонячної і атмосферної радіації врівноважується його втратою внаслідок власного випромінювання земної поверхні та існуючим нерадіаційним обміном між нею та атмосферою (фазові перетворення води та турбулентний теплообмін).

Якщо всю сонячну радіацію, яка надходить на верхню межу атмосфери, взяти за 100 одиниць, то 19 одиниць відбиваються хмарами у світовий простір, 20 одиниць засвоюється водяною парою, пилом, озоном, а ще 5 одиниць хмарами і йдуть на нагрівання атмосфери. 32 одиниці радіації розсіюються в атмосфері і 6 одиниць із них виходять за межі атмосфери. 24 одиниці прямої і 26 одиниць розсіяної радіації досягають земної поверхні і 22+25=47 одиниць засвоюються земною поверхнею, а 2+1=3 відбиваються у космічний простір. Отже, з верхньої межі атмосфери повертається у космічний простір 19+6+2+1=28 одиниць сонячної радіації. Це є планетарне альбедо Землі як планети і становить воно 28%. Цю величину альбедо обґрунтували Д. Лондон і Т. Сасаморі (мал. 4.13).

Крім 47 одиниць сонячної радіації земна поверхня засвоює 96 одиниць радіації земної атмосфери. Взагалі атмосфера відповідно до своїх теплових умов випромінює 163 одиниці тепла, з яких 67 одиниць випромінюється у космічний простір. Це в основному випромінювання верхньої межі хмар та верхніх шарів атмосфери. Разом земна поверхня засвоює 143 одиниці радіації.

Для збереження теплової рівноваги земна поверхня повинна стільки ж і втрачати. Відповідно до її теплових властивостей вона випромінює 114 одиниць тепла. Ще 24 одиниці тепла витрачається на випаровування води та 5 одиниць поверхня втрачає на турбулентний теплообмін з атмосферою. Насправді потік тепла від земної поверхні в атмосферу великий, але він компенсується зворотним потоком, який лише на 5 одиниць менший. Отже, всього земна поверхня втрачає 114+24+5=143 одиниці тепла, тобто стільки ж як і засвоює.

Атмосфера засвоює 25 одиниць тепла сонячної радіації. Крім того, вона засвоює 109 одиниць тепла із 114, які випромінює земна поверхня, а 5 одиниць виходить у космічний простір. Решту тепла атмосфера одержує від земної поверхні, але вже не радіаційним шляхом, а 24 одиниці тепла конденсації водяної пари та 5 одиниць тепла в процесі турбулентного теплообміну. Усе засвоєне тепло становить 25+109+24+5=163 одиниці, тобто стільки ж, скільки випромінює сама атмосфера.

Тепер підведемо підсумок для верхньої межі атмосфери. Від Сонця до атмосфери надходять 100 одиниць тепла і з атмосфери виходить 28 одиниць відбитої прямої і розсіяної сонячної радіації. Для збереження теплової рівноваги Землі як планети, вона повинна втратити ще 72 одиниці тепла. Це 67 одиниць, які випромінюють хмари та верхні шари атмосфери, та 5 одиниць тепла, які випромінює земна поверхня. Разом це 100 одиниць.

Слід звернути увагу на те, що із 114 одиниць тепла, які випромінює земна поверхня, лише 5 одиниць виходить у космічний простір через вікно прозорості атмосфери. Крім того, в космічний простір виходить лише промениста енергія і немає ніяких інших шляхів теплообміну Землі з космічним простором. Усі наведені цифри не можна вважати за абсолютно точні. У процесі наступних досліджень вони можуть бути уточнені, але вже без суттєвих змін.

Коли враховувати лише променисту енергію, то лише на верхній межі атмосфери радіаційний баланс дорівнює нулю. На земній поверхні він позитивний і дорівнює 29 одиниць, а в атмосфері він негативний і також становить 29 одиниць. Надлишок радіаційного тепла земна поверхня передає атмосфері шляхом фазових перетворень води та турбулентного теплообміну, які разом становлять 29 одиниць.

Здається трохи дивним, що атмосфера і земна поверхня кожна окремо випромінює тепла більше, ніж засвоює сонячної радіації. Але це по суті постійний багаторазовий обмін радіацією. Так, насправді земна поверхня втрачає не 114 одиниць тепла, бо вона зразу ж засвоює 96 одиниць, які випромінює атмосфера і реальна втрата становить лише 18 одиниць тепла. Ці 18 одиниць тепла і є ефективне випромінювання земної поверхні.

Питання для самоперевірки

1. Тепловий баланс земної поверхні.

2. Добові та річні зміни складових теплового балансу.

3. Відмінності складових теплового балансу на суходолі та над морями.

4. Нагрівання та охолодження ґрунту.

5. Добовий та річний хід температури поверхні ґрунту.

6. Чинники, які визначають добову та річну амплітуду температури.

7. Особливості розповсюдження тепла у глибину ґрунту.

8. Промерзання ґрунту, вічна мерзлота.

9. Особливості нагрівання й охолодження водойм.

10. Процеси, які визначають теплообмін земної поверхні з атмосферою.

11. Добовий хід температури повітря.

12. Неперіодичні зміни температури повітря.

13. Адвекція.

14. Приморозки та їх типи.

15. Заходи зменшення негативного впливу приморозків.

16. Річний хід температури повітря.

17. Типи річного ходу температури повітря.

18. Вертикальний градієнт температури повітря.

19. Мінливість середніх місячних температур повітря.

20. Приведення температури повітря до рівня моря.

21. Географічний розподіл температури повітря найтеплішого та найхолоднішого місяців.

22. Екстремальні температури.

23. Ізотермія, інверсії та їх типи.

24. Адіабатичні процеси в атмосфері.

25. Сухоадіабатичні зміни температури повітря.

26. Вологоадіабатичні зміни температури повітря.

27. Стратифікація атмосфери та вертикальна рівновага ненасиченого повітря.

28. Стратифікація атмосфери та вертикальна рівновага насиченого повітря.

29. Добовий хід стратифікації атмосфери та конвекції.

30. Роль інверсій температури повітря у добовому ході стратифікації та конвекції.

31. Тепловий баланс системи Земля – атмосфера.

Вода в атмосфері

Фазові перетворення води на земній поверхні та в атмосфері мають великий вплив на формування клімату. Вода постійно випаровується із земної поверхні і на це витрачається велика кількість тепла, це близько 30% засвоєного земною поверхнею сонячного тепла. Водяна пара разом з повітрям переноситься догори, а повітряні течії переносять її на величезні відстані. При зниженні температури повітря водяна пара досягає стану насичення і при подальшому її зниженні водяна пара перетворюється в рідкий чи твердий стан. Так виникають хмари та тумани. При певних умовах із хмар випадають опади. Такий кругообіг води відбувається постійно.

Сама по собі водяна пара в атмосфері суттєво впливає на температуру земної поверхні і самої атмосфери. Вона засвоює випромінювання земної поверхні і у свою чергу випромінює радіацію у напрямку земної поверхні, створюючи парниковий ефект. При конденсації водяної пари в атмосфері вивільнюється все приховане тепло. Опади, що випадають із хмар, є важливими компонентами погоди і клімату.

Випаровування води

Вода постійно випаровується з поверхні водойм та ґрунту. Крім того, водяна пара надходить в атмосферу в результаті транспірації або випаровування води рослинами. Випаровування з водної та земної поверхні ще називають фізичним випаровуванням. Випаровування та транспірація разом називають сумарним випаровуванням.

Випаровування – це фізичний процес перетворення води з рідкого стану в газоподібний. Окремі молекули води під час хаотичного руху відриваються від водної поверхні чи вологого ґрунту і вилітають у повітря. У повітрі вони розповсюджуються догори і в різні боки від джерела випаровування частково внаслідок власного руху молекул. У цьому випадку процес розповсюдження молекул газу називається молекулярною дифузією. Крім того, водяна пара переноситься вітром разом з повітрям і в горизонтальному напрямку і у вертикальному разом з турбулентними вихорами, які завжди виникають при наявності вітру або шляхом турбулентної дифузії.

Випаровування – процес складний. Одні молекули відриваються від водної поверхні, інші одночасно повертаються з повітря до водної поверхні. Коли до поверхні повертається стільки ж молекул, скільки відривається, то випаровування немає. Настає рівновага молекул в обох напрямках. Такий стан і називають насиченням. Водяну пару у цьому стані і повітря, яке вміщує цю водяну пару, називають насиченими. Тиск водяної пари у стані насичення називають тиском насиченої водяної пари Е.