Относительные влажности воздуха в зависимости от типа климатических условий

Лабораторная работа № 3

Тепловой режим горного массива

Цель работы :

Изучение закономерностей формирования температурного поля в гелиотермозоне.

Изучение особенностей формирования температурного поля Земли при различных значениях глубинного теплового потока.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Температурным полем называется совокупность значений температуры в данный момент времени во всех точках изучаемого пространства. Математическое выражение нестационарного температурного поля, когда температура каждой точки меняется с течением времени, имеет вид:

Т = f(x, y, z, t) (3.1)

Стационарное, т.е. не изменяющееся во времени температурное поле описывается зависимостью:

t = f(x, y, z); ¶T/¶t = 0. (3.2)

Температурное поле можно охарактеризовать с помощью изотермических поверхностей. Изотермической поверхностью называется геометрическое место точек, имеющих в данный момент времени одинаковую температуру. Одна и та же точка среды не может одновременно иметь различную температуру, поэтому изотермические поверхности не пересекаются, а либо оканчиваются на поверхности тела, либо целиком располагаются внутри него. Пересечение изотермических поверхностей плоскостью дает на этой плоскости следы в виде семейства кривых, называемых изотермами.

Вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный производной от температуры по этому направлению, называется температурным градиентом

(3.3)

где – единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры.

Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через изотермическую поверхность, называется тепловым потоком dQ.

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности q = dQ/dF, называется плотностью теплового потока.

Перенос теплоты осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность – процесс переноса теплоты в сплошной среде микроструктурными элементами вещества, обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.

В основе переноса теплоты теплопроводностью лежит закон Ж.Фурье, который гласит: плотность теплового потока прямо пропорциональна температурному градиенту:

(3.4)

Конвекция – это процесс переноса теплоты при перемещении микроскопических частиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой.

Теплообменом излучением (лучистым теплообменом) называются процессы превращения внутренней энергии вещества в лучистую (в энергию фотонов или электромагнитных волн), распространения этой энергии в пространстве и поглощения ее другими телами с последующим превращением во внутреннюю энергию.

Температурное поле верхней части земной коры определяется взаимодействием внутренних и внешних источников тепла.

Внутренние источники являются относительно стабильными (радиоактивный распад, гравитационная дифференциация и пр.), и с их действием связано повышение температуры пород с глубиной. Основной внешний источник – переменная во времени солнечная радиация, вызывающая периодические температурные колебания горного массива, затухающие на определенной глубине от поверхности Н_гтз, называемой глубиной гелиотермозоны или глубиной нейтрального слоя.

Нормальное геотемпературное поле верхних участков земной коры характеризуется сравнительно быстрым ростом температуры пород с глубиной Н. На его общем фоне происходят связанные со строением массива пород, рельефом поверхности Земли, гидрогеологическими условиями и другими факторами, изменения, определяющие вариации и аномалии геотемпературного поля.

Температурный режим поверхности Земли в конкретном районе характеризуется переменной во времени температурой поверхности почвы Т, связанной с температурой атмосферного воздуха в данном районе t:

T = T_ср + А_Тsin2pt/t_max, (3.5)

где Т_ср – среднегодовая температура почвы, °С, Т_ср, = t_ср + 2;

t_ср – среднегодовая температура воздуха °С;

A_T » A_t – 2,5;

А_Т и А_t – амплитуда колебаний температуры почвы и воздуха на поверхности Земли °С,

t – время от начала перехода температуры воздуха через среднегодовое значение в весенний период (апрель) до текущего момента;

t_{max –} продолжительность года, ч, t_max = 8760 ч.

Изменение температуры пород в пределах гелиотермозоны приблизительно описывается уравнением.

(3.6)

Глубину гелиотермозоны можно определить из выражения (3.7)

(3.7)

где а₁ = l/с_пr_п, - температуропроводность горной породы,

l - теплопроводность горных пород, Вт/(м×К);

с_{п -} удельная теплоемкость пород, Дж/(кг×К);

r_{п -} плотность пород, кг/м³.

Амплитуда колебаний температуры на глубине Н_гтз не превышает 0,1°С, т.е. А_тн = 0,1.

Изменение температуры пород при углублении на 1м называется геотермическим градиентом g_Г.

Тепловой поток мы можем наблюдать только на поверхности планеты. Он зависит от температурного градиента в измеряемой точке и определяется формулой:

q = -l* g_Г , (3.8)

где l - теплопроводность горных пород,

g_Г – геотермический градиент.

Знак минус в формуле говорит о том, что вектор геотермического градиента направлен сверху вниз (в сторону увеличения температуры), а тепловой поток – снизу вверх (направление теплопередачи).

Поэтому, геотермический градиент можно определить следующим образом:

(3.9)

При глубине расположения пород, превышающей глубину нейтрального слоя, температурное поле Земли может считаться не зависящим от времени. Особенности формирования температурного поля на этих глубинах определяются лишь геологическими и геотермическими условиями рассматриваемого района: типом и мощностью различных слоев пород, их теплопроводностью, тепловым потоком.

С увеличением глубины Н ниже нейтрального слоя температура горных пород возрастает приблизительно по линейному закону

Т_Нi = Т_Вi +g_Гi(H_i – H_i-1), (3.10)

где Н_i, Н_i-1 – глубины расположения верхней и нижней границ i-го слоя пород, м;

Т_Вi – температура пород на верхней границе слоя, °С;

g_Гi – геотермический градиент в i-ом слое, равный отношению теплового потока к коэффициенту теплопроводности l_i:

(3.11)

Средняя плотность глубинного теплового потока на поверхности Земли составляет 0,072 Вт/м². Расчет по формуле (3.10) начинается со значений Т_Bi и Н_i-1, соответствующим температуре и глубине нейтрального слоя.

Скриншоты программы

Порядок выполнения работы

Часть 1 Нахождение распределения температур в гелиотермозоне.

1. Осуществляется ввод исходных данных, характеризующих среднемесячные температуры и относительные влажности атмосферного воздуха (табл. 3.1).

Таблица 3.1.

Среднемесячные температуры и относительные влажности воздуха

Месяцы

Апрель

Май

Июнь

Июль

Август

Сентябрь

Октябрь

Ноябрь

Декабрь

Январь

Февраль

Март

Температура, °С

Отн. влажность, %

Данные среднемесячной температуры для своего региона взять из СНиП 23-01-99 (СТРОИТЕЛЬНАЯ КЛИМАТОЛОГИЯ) (Таблица 3, стр.42)

Данные относительной влажности воздуха выбираются в зависимости от типа климатических условий (приложение 1).

2. Задается значение разницы амплитуд колебания воздуха на поверхности и амплитуды колебания температуры пород на поверхности ( для расчетов использовать значение 2,5).

3. Задается значение разницы среднегодовой температуры воздуха и среднегодовой температуры пород на поверхности ( для расчетов использовать значение 2).

4. Выполняется построение графической зависимости температуры воздуха и поверхности Земли от времени.

5. Выполняется построение графической зависимости относительной влажности воздуха от времени.

6. Все графики необходимо сохранить в личной папке студента, для этого выполните по графику двойной щелчок левой клавишей мыши и введите путь для сохранения файла (при необходимости измените имя файла).

Часть 2 Построение геотемпературного поля

1. Задается значение амплитуды температурных колебаний на глубине нейтрального слоя (А_тн » 0,1°С).

2. Задается значение количества рассматриваемых слоев горных пород и значение теплового потока.

Значение теплового потока (для своего региона) определяется по карте теплового потока (приложение 2).

3. Осуществляется ввод исходных данных по мощности различных слоев пород и значений теплопроводности, плотности, теплоемкости пород в каждом из слоев (табл. 3.2).

Таблица 3.2.

Характеристика геологического разреза

Слой	Название породы	Мощность слоя, м	Теплопроводность l,	Плотность , кг/м3	Теплоемкость c, ;
Н1	Наносы	…	0,7
Н2	Пески	…	0,85
Н3	Песчаник	…	2,6
Н4	Глинистый сланец	…	1,75
Н5	Алевролит	…	2,4
Н6	Порфирит	…	3,0
Н7	Диабаз	…	3,1
Н8	Гранит (Гранодиорит)	…	из 2 работы		из 2 работы

Мощность слоев принимается в зависимости от варианта расчета (приложение 3) и рассчитывается по формуле M_i = Н_{i –} Н_i-1

Значения теплопроводности и теплоемкости для 8 слоя берутся из предыдущей работы (для пористой породы).

4. Выполняется построение графика зависимости температуры пород от глубины.

5. Выполняется построение графика температур гелиотермозоны (обновление графика происходит при смене фокуса у поля “значение амплитуды температурных колебаний”). Исследуются температурные распределения по глубине гелиотермозоны и устанавливается глубина нейтрального слоя (Н_гтз). По формуле (3.7) выполняется расчет Н_гтз, величина которого сравнивается со значением, установленным с помощью графика.

6. Значение теплового потока устанавливается равным среднему значению теплового потока 0,072 Вт/м².

7. Аналогично п.4 данной лабораторной работы выполняется построение графика зависимости температуры пород от глубины.

8. Аналогично п.5 данной лабораторной работы выполняется построение графика температур гелиотермозоны.

9. Геотемпературное поле, построенное с реальными значениями теплового потока, сравнивается с геотемпературным полем при средней величине теплового потока.

10. Все графики необходимо сохранить в личной папке студента, для этого выполните по графику двойной щелчок левой клавишей мыши и введите путь для сохранения файла (при необходимости измените имя файла). Перед сохранением графика убедитесь, что он перестроился.

Содержание отчета

1. Цель лабораторной работы.

2. Основные теоретические положения (расчетные формулы, допущения, используемые при численном эксперименте или основные теоретические положения).

3. Исходные данные, используемые при осуществлении численного эксперимента.

4. Результаты численного эксперимента (графики, таблицы).

· график зависимости температуры воздуха и поверхности Земли от времени ;

на графике отобразить:

o среднегодовое значение температуры воздуха,

o среднегодовое значение температуры пород на поверхности Земли,

o амплитуду колебания температуры воздуха,

o амплитуду колебания температуры пород на поверхности Земли.

· график зависимости относительной влажности воздуха от времени;

· график температур гелиотермозоны;

на графике отобразить:

o глубину гелиотермозоны,

o зону инерции,

o расчетное значение глубины гелиотермозоны с подробной выкладкой (формула 3.7).

· графики зависимости температуры пород от глубины при реальном и среднем значениях теплового потока;

на графиках отобразить:

o значение теплового потока,

o границы слоев,

o значение геотермического градиента для каждого слоя.

5. Выводы (формулировка выявленных закономерностей).

Подробные выводы по первой и второй части работы.

Приложение 1

Относительные влажности воздуха в зависимости от типа климатических условий.

Для сурового климата (табл. 1)

Таблица 1

Отн. влаж.

месяцы

Ср.г

j,%

66.2

Для морского климата (табл.2)

Таблица 2

Отн. влаж.

месяцы

Ср.г

j,%

Для резко континентального климата (табл. 3).

Таблица 3

Отн. влаж.

месяцы

Ср.г

j,%

Для жаркого климата (табл. 4)

Таблица 4

Отн. влаж.

месяцы

Ср.г

j,%

Приложение 2

Приложение 3

Интервалы глубин

В-т	Интервалы глубин, м
Н1	Н2	Н3	Н4	Н5	Н6	Н7	Н8