big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Бухгалтерия солнечного тепла

Еще в глубокой древности люди изображали Солнце в виде золотого диска со множеством лучей, на концах которых рисовались кисти рук, щедро одаривающих землю теплом и светом. Солнечную радиацию используют люди, животные, растения, все живое. Она равномерно разлита по всей нашей планете. Ею до отказа напоены атмосфера и Земля, суша и вода, растения и животные.

Солнечной радиации так много, что Земля не способна полностью ее освоить. Она поглощает и превращает в другие виды энергии всего лишь около 2/3 приходящей от Солнца радиации. Остальная ее часть отражается обратно в мировое пространство и теряется для Земли безвозвратно. Чтобы представить себе количество приходящей к Земле солнечной радиации, проделаем небольшие вычисления.

Представим себе, что на верхней границе атмосферы перпендикулярно солнечным лучам поставлена черная пластинка, которая полностью их поглощает, превращая в тепло. Тогда каждый квадратный сантиметр поверхности этой пластинки будет нагреваться примерно на 2 калории в минуту или почти на 1000 килокалорий в год. Эту величину 2 кал/см2мин принято называть солнечной постоянной. Она является своеобразным эталоном, указывающим максимально возможное количество солнечного тепла на границе земной атмосферы или на земной поверхности, если бы на нашей планете, как на Луне, отсутствовала атмосфера.

Но на самом деле из-за шарообразности Земли и вращения ее вокруг своей оси и вокруг Солнца поступление солнечного тепла к границам земной атмосферы за год едва достигает 260 ккал/см2, то есть составляет примерно 1/4 от возможной радиации. Если учесть теперь, что более чем одна треть от этой величины отражается нашей планетой в мировое пространство, то выяснится, что на все нужды Земли из 1000 ккал/см2 в год остается только 168. Но и это количество тепла огромно. Оно распределяется между земной поверхностью и атмосферой следующим образом: примерно одна треть поглощается атмосферой, а остальные 2/з (112 ккал/см2год) достигают земной поверхности.

Поглотив солнечную радиацию, земная поверхность и атмосфера превращают ее в другие виды энергии: тепловую, химическую, электрическую и т. д. Основная доля солнечной радиации превращается, конечно, в тепло. Оно идет на нагревание атмосферы, океанов и поверхности суши. Большая часть этого тепла на Земле затрачивается на испарение воды с поверхности суши и океанов. На нагревание воды, почвы и воздуха, на таяние льда и снега расходуется тепла уже много меньше. Что же касается доли солнечной радиации, усваиваемой растениями и превращающейся в химические виды энергии, которые определяют их рост и развитие, то, несмотря на обилие растительности на земном шаре, она составляем лишь долю процента. В бухгалтерии солнечного тепла это даже не учитывается. Не учитывается нами и механическая энергия, поскольку она не является результатом превращения солнечной энергии, а возникает из-за неравномерности нагревания земной поверхности или фазовых превращений водяного пара в атмосфере. Иными словами, солнечные лучи сами по себе не могут создать движения воздуха на Земле. Циркуляция атмосферы и ветер являются результатом превращения не солнечной, а уже тепловой энергии в механическую. И хотя эта энергия, как мы увидим ниже, играет огромную роль в перераспределении тепла по земному шару, по своей природе она — уже вторая производная, вторичный продукт солнечной радиации.

В настоящее время ученые могут достаточно точно не только измерять, но и рассчитывать приход и расход солнечной радиации и для земного шара в целом и для каждой точки земной поверхности, будь это вода, снег, оголенная или покрытая растительностью почва. Более того, они могут подсчитать этот приход и расход за минуту, час, сутки, месяц или год.

Наблюдения за приходом солнечной радиации ведутся на тысячах специальных актинометрических станций во всех странах мира. Что же касается наблюдений за расходом этого тепла, то они налажены хуже. Дело это оказалось очень трудным и хлопотным. Поэтому ученые предпочитают лучше вычислять его, нежели измерять.

Учет прихода и расхода солнечного тепла ведется в настоящее время во многих странах мира, но главной бухгалтерией мира, согласно международной договоренности ученых, является старейший научный институт нашей страны — главная геофизическая обсерватория в Ленинграде. Непрерывно стекаются сюда со всей Земли результаты актинометрических наблюдений.

Для более детального разбора проблемы прихода и расхода солнечного тепла приведем некоторые аналогии, например с бухгалтерским учетом, основное назначение которого, как известно, состоит в подведении баланса, то есть в установлении равновесия между приходом и расходом. Все, что пришло, должно быть израсходовано. Иначе останутся излишки, баланса не будет. Не будет его и в том случае, если расход превысит приход.

Это положение бухгалтерского учета можно отнести ко всем естественным наукам, имеющим дело с приходом, расходом или превращением вещества или энергии. Оно целиком распространяется и на солнечное тепло.

Приход солнечного тепла в любой точке земной поверхности, на границе атмосферы или для всей системы Земля — атмосфера, должен быть всегда равен расходу. Иными словами, тепловой баланс должен быть всегда равен нулю.

Земная поверхность не является однородной. На Земле имеются континенты и моря, горы и равнины, пустыни и леса. Словом, поверхности самые различные, и каждая из них имеет свой тепловой баланс. Малейшее изменение в приходных или расходных его статьях немедленно приводит к изменению природы и климата в данном месте. Поэтому-то ведение бухгалтерии солнечного тепла является одной из основных задач метеорологов всех стран мира. Определив приходные и расходные статьи теплового баланса, они не только получают ключи к разгадке климата Земли в прошлом или в будущем, но, что еще важнее, могут активно изменять климатические и все другие природные условия, воздействуя на ту или иную его составляющую. Но прежде чем рассказывать о практическом использовании результатов этой работы, попытаемся несколько расшифровать приходные и расходные статьи баланса нашей планеты. Разными путями поступает радиационное тепло на поверхность Земли. В ясные дни оно приходит главным образом в виде прямых Солнечных лучей (прямой радиации), в пасмурные — в виде лучей, рассеянных облаками и атмосферой (рассеянной радиации). Прямая и рассеянная радиация вместе составляют суммарную коротковолновую радиацию (С). Кроме суммарной радиации, земная поверхность получает значительное количество тепла от самой атмосферы в виде длинноволновой радиации (Еа).

Это уже тепловая радиация. О ее происхождении мы скажем несколько ниже, а пока лишь отметим, что в отличие от солнечной, которая поступает только днем, тепловая радиация неба приходит к земной поверхности непрерывно круглые сутки.

Таким образом, к поверхности Земли идут два потока радиации: коротковолновая солнечная радиация (прямая + рассеянная) и длинноволновая (тепловая) радиация атмосферы. Американский ученый Лондон рассчитал величину каждого из этих потоков радиации для северного полушария. Его данные приведены в табл. 1.

 

Из таблицы видно, что даже летом земная поверхность от атмосферы получает в 1,8 раза больше тепла, чем за счет коротковолновой солнечной радиации. Зимой же эта величина возрастает до 2,6 раза.

Атмосфера Земли нагревается от разных источников. Одним из них, как мы знаем, является озон. О других мы скажем позднее. Нагревшись, она излучает тепло по тому же самому закону черного тела, по которому излучают свое тепло поверхности Земли и Солнца. Излучение это происходит в обе стороны: как к земной поверхности, так ив безвоздушное пространство.

А что представляют собой расходные статьи теплового баланса Земли? Первая из них — потеря тепла поверхностью Земли за счет своего лучеиспускания (обозначим ее для дальнейших подсчетов Ез). Все физические тела на Земле, будь это почва, вода, воздух, любые растения, снег или лед, поглотив пришедшую от Солнца и неба радиацию и превратив ее в тепло, нагреваются и сами становятся источниками излучения, Они теряют свое тепло по тому же физическому закону «черного тела», что и Солнце. Но так как их температура на несколько тысяч градусов ниже, чем температура поверхности Солнца, то и длина волн, испускаемых поверхностью Земли, воды, снега, атмосферой и т. д., иная, чем у Солнца. Если спектр солнечных лучей на 99 процентов состоит из лучей с длинами волн от 0,17 до 3—4 микрон (с максимумом в световой части около 0,47 микрона), то спектр тепловой радиации Земли и атмосферы на 99 процентов состоит из лучей с длинами волн от 4 до 40 микрон, с максимумом в области около 15 микрон. Иными словами, поверхность нашей планеты и атмосфера излучают только тепло. Ни световых, ни ультрафиолетовых лучей Земля не испускает. При температуре 0°С (Т=2730) каждый квадратный сантиметр земной поверхности излучает 0,453 кал/мин. С повышением температуры до 27° С (Т=300°) тепловое излучение Земли увеличится уже до 0,660 кал/см2мин. Особенно велико излучение Земли в Сахаре, где температура поверхности почвы днем достигает 80 градусов. В целом для земного шара за год эта расходная статья теплового баланса на 40 ккал/см2 больше, чем приход тепла от атмосферы.

Разница между длинноволновыми потоками радиации Земли и атмосферы называется эффективным излучением Земли. Оно всегда направлено от земной поверхности (имеет отрицательный знак), так как температура поверхности Земли выше температуры атмосферы.

Вторую расходную статью в тепловом балансе Земли представляет отраженная коротковолновая радиация. Мы уже говорили, что наша планета сама не светит. Она, как зеркало, отбрасывающее солнечный зайчик, отражает обратно в мировое пространство примерно 1/3 всех приходящих к ней солнечных лучей. Само собой разумеется, что величина отраженной радиации зависит от характера поверхности, на которую падают солнечные лучи (ее альбедо). Альбедо земной поверхности меняется от нескольких процентов до нескольких десятков процентов.

Только что вспаханное поле, в зависимости от состава почвы и ее шероховатости, имеет альбедо всего 0,05—0,15. Это значит, что его поверхность отражает всего 5—15 процентов падающей на нее прямой и рассеянной радиации. Альбедо песчаных пустынь достигает уже 30—35 процентов, в зависимости от цвета песков. Альбедо поверхности озер, морей или океанов очень сильно зависит от высоты Солнца и характера волнения. Для спокойного моря оно может меняться от нескольких процентов в полдень до 80— 90 и более процентов перед заходом солнца, когда солнечные лучи скользят по поверхности воды. Особенно велико альбедо поверхности снега. По данным наших наблюдений в Антарктиде, даже в полуденные часы, когда высота Солнца могла достигать 30 и более градусов, альбедо снега часто превышало 90—95 процентов. При низких высотах Солнца оно всегда близко к 100 процентам. Иными словами, покрытые льдом и снегом поверхности нашей планеты практически почти не поглощают солнечного тепла, сколько бы его ни приходило. И это, как мы увидим дальше, имеет решающее значение в формировании климата Земли.

Помимо двух рассмотренных выше радиационных или внешних расходных статей теплового баланса Земли, за счет которых значительная часть солнечного тепла может уходить за пределы атмосферы и теряться для нашей планеты безвозвратно, имеются еще три статьи расхода солнечного тепла, составляющие как бы внутренний или местный тепловой бюджет планеты. Этими статьями являются: затраты тепла на испарение с поверхностей морей и океанов, суши и растительного покрова (аИ), затраты тепла на нагревание воздуха (В), особенно вблизи земной поверхности, за счет так называемого турбулентного или механического (заметьте, уже не лучистого) теплообмена с подстилающей поверхностью. И наконец, затраты тепла на нагревание самой почвы, воды или растительного покрова и на формирование их собственного теплового режима (П).

В отличие от радиационных статей, имеющих всегда один знак (минус), местные статьи теплового баланса могут менять свой знак, то есть из расходных становятся приходными и наоборот.

Перечислив основные приходные и расходные статьи теплового баланса нашей планеты, составим теперь общий ее баланс.

Сначала сделаем это для всей системы Земля + атмосфера 3+А), затем отдельно для поверхности Земли (Б3) и для атмосферы (Ба).

Чтобы наша бухгалтерия была более понятной, представим себе сначала тепловой баланс земного шара в целом (см. рис. 4), а потом приведем данные для отдельных материков.

На верхней границе атмосферы баланс тепла представляет собой баланс солнечной радиации й подсчитывается очень просто. Поступает от Солнца 168 ккал/см2год (100%)

Схема теплового баланса поверхности Земли, земной атмосферы и планеты в целом

и излучается земной поверхностью и атмосферой тоже 168 ккал. (Из них 128 ккал/см2мин (76%) излучает атмосфера и 40 ккал/см2год (24%) теряет Земля за счет эффективного излучения.)

Для поверхности земного шара его подсчитать уже сложнее.

Приходная статья теплового баланса — суммарная радиация после вычета из нее отраженной радиации и эффективного излучения Земли, по данным М. И. Будыко, составит 72 ккал/см2год, или 43% от общей суммы (168 ккал/см2) приходящей от Солнца радиации. Эта остаточная радиация (Б), часто называемая метеорологами «радиационным балансом», будет расходоваться, как мы сказали, на испарение, нагревание воздуха и нагревание почвы, воды или других подстилающих поверхностей. Некоторая доля тепла тратится также на таяние снега. Расход тепла на нагревание подстилающей поверхности происходит только в теплый период года. В холодное время года глубинные слои почвы и воды обратно возвращают тепло подстилающей поверхности, от которой они его получили. Поэтому в целом за год эта составляющая теплового баланса равна нулю. Примерно то же происходит и с затратами тепла на таяние снега. Осенью и зимой, когда вода замерзает, это тепло обратно возвращается атмосфере, поэтому в сумме за год оно также равно нулю. Таким образом, в годовом балансе тепла остаточная радиация будет уравновешиваться только затратами тепла на испарение и на нагревание воздуха, то есть Б = аИ + В. Несколько забегая вперед, скажем, что для земного шара в целом затраты тепла на испарение составляют 59 ккал/см2год, а затраты тепла на нагревание воздуха 13 ккал/см2год. Тогда общий баланс тепла для поверхности земного шара в целом будет выглядеть так: 72 = 59 + 13.

Тепловой баланс атмосферы Земли рассчитывается уже проще. Поскольку тепловой баланс поверхности Земли положительный и каждый ее кв. см получает за год 72 ккал тепла, то, согласно закону сохранения энергии, атмосфера должна ежегодно терять такое же количество тепла. Только в этом случае тепловой баланс всей системы Земля + атмосфера будет уравновешиваться. Рассуждая так, мы можем сказать, что расходная часть теплового баланса атмосферы будет равна — 72 ккал/см2год.

Приходными статьями теплового баланса атмосферы будут: уже известное нам количество тепла, получаемое ею от поверхности Земли за счет турбулентного теплообмена (13 ккал/см2год), и скрытая теплота парообразования, выделяющаяся при конденсации водяного пара во время образования облаков и туманов. Эта приходная статья по величине как раз должна быть равна затратам тепла на испарение, то есть составлять 59 ккал/см2год.

Следовательно, тепловой баланс атмосферы Земли будет иметь вид

Существуют и другие способы вычисления теплового баланса атмосферы, они несколько отличаются от приведенных выше, но конечные результаты расчетов примерно одинаковы.

Можно было бы на этом и ограничить наш рассказ о тепловом балансе Земли, если бы она не вращалась вокруг Солнца и вокруг своей оси, ее поверхность была бы однородной, а атмосфера над ней — неподвижной. На самом деле на Земле происходит смена времен года и суток. На ней есть континенты и океаны, горы и равнины, леса и степи. Атмосфера Земли находится в постоянном движении. Воздушные течения не только сами переносят и распределяют по земному шару поступающее в атмосферу

тепло, но еще вызывают образование океанических течений, которые наподобие труб водяного отопления распределяют нагретую солнцем воду по всей Земле, отепляя не только холодные океаны и моря, но и омываемые ими материки.

Совершенно очевидно, что при таких условиях тепловой баланс подстилающей поверхности в каждой точке земной поверхности будет не только отличаться от теплового баланса Земли, в целом, он будет различным даже в двух соседних точках или даже на одном и том же участке, если его подстилающая поверхность почему-либо изменится.

Покажем это на примере лишь одного участка.

Обозначим стрелками, направленными к земной поверхности, положительные статьи теплового баланса, то есть приход тепла, а стрелками, направленными от поверхности Земли вверх или вниз, его расход, тогда картина теплового баланса почвы днем и ночью будет выглядеть так, как показано на рис. 5, а и б. Баланс тепла для каждого из этих случаев можно написать следующим образом:

В случае, если эта почва окажется смоченной дождем или орошена, то приход и расход тепла на ней будет уже

Баланс тепла земной поверхности

выглядеть так, как показано на рис. 5 в, а баланс тепла днем следует записать следующим образом:

Для некоторых поверхностей та или иная статья баланса может совсем отсутствовать.

Возьмем, например, пустыню с разогретыми до высоких температур песками.

Здесь отсутствуют затраты тепла на испарение и баланс будет иметь вид:

Б=П+В

Совершенно очевидно, что подобного рода баланс тепла можно составить и подсчитать для любой подстилающей поверхности и для всякого времени года или суток. Надо лишь представлять физический смысл каждой из его статей и определить ее знак.

Попытаемся разобраться в физической сущности превращений составляющих теплового баланса из положительных в отрицательные и наоборот.

Возьмем сначала первую из расходных статей теплового баланса земной поверхности — затраты тепла на нагревание почвы и воды.

На любой подстилающей поверхности, будь то почва или вода, луг, покрытый травой, или лесной массив, раскаленные пески пустынь или ледники, происходят сложные физические процессы. Это своего рода естественная лаборатория, где происходят отражение и поглощение солнечной радиации, превращение ее в тепло, нагревание самой поверхности и, наконец, образование тепловых потоков, которые отводят это тепло различным его потребителям. В зависимости от характера подстилающей поверхности, времени суток, географических условий и т. д., эти процессы могут совершаться по-разному и с разной активностью.

Поверхность сухой почвы, например, отражает около 10—12 процентов поступающей к ней солнечной радиации. Эта же поверхность после дождя будет отражать солнечных лучей в 2—3 раза меньше. Для того чтобы нагреть поверхностный слой сухой почвы толщиной в 1 см и площадью в 1 см2 на 1 градус, необходимо затратить 0,3 кал тепла, а после дождя этого тепла потребуется в 3 раза больше.

А поверхность воды? На нагревание 1 см3 воды на 1 градус, как известно, требуется одна калория тепла. Слой воды толщиной в 1 см при том же количестве солнечной радиации будет нагреваться в 3,3 раза меньше, чем такой же слой почвы. Что же касается поверхности тающего ледника, то она совсем не нагреется. Все получаемое ею тепло будет тратиться только на таяние. Следовательно, каждая поверхность, получая солнечное тепло, нагревается по-разному. Скорость нагревания любого вещества будет зависеть от физических свойств (теплоемкости и теплопроводности).

Предположим теперь, что какая-либо из указанных выше поверхностей поглотила тепло и нагрелась. Температура ее повысится, и она окажется теплее, чем слой, лежащий под ней. Перепад температуры сразу же вызовет возникновение потока тепла от верхнего, более нагретого слоя к нижнему, менее нагретому. В почве каждый нижележащий слой будет нагреваться от вышележащего только путем так называемой молекулярной теплопроводности, то есть поглощения части теплового потока, передаваемого более нагретым слоем благодаря прямому контакту. Такой поток тепла в почву (или из почвы) продолжается до тех пор, пока будет существовать разность температур между слоями почвы. К вечеру, например, когда солнце уже слабо нагревает подстилающую поверхность, поток тепла в почву постепенно ослабевает, и температура верхнего слоя понижается до тех пор, пока не сравняется с температурой нижележащего слоя почвы. Тогда поток тепла в почву прекращается, то есть П=0. Пройдет еще некоторое время, и поверхность почвы, непрерывно излучая тепло, охладится до такой степени, что ее температура станет ниже, чем температура более глубоких слоев. Снова возникнет разность температур, но уже с обратным знаком. Теперь тепло начнет течь из глубины почвы к поверхности (см. рис. 5 б). Ночью, когда солнца нет, это тепло часто является единственным источником, спасающим поверхность почвы от сильного охлаждения и образования заморозка. Такой круговорот тепла, или теплообмен в почве, происходит не только в течение суток, но и в течение года. Наблюдения показывают, что в годовом круговороте тепла, в зависимости от типа почвы, участвует 10—20 процентов от остаточной радиации. Летом это тепло почва накапливает, а зимой, наоборот, теряет. В сумме за год оно равно нулю. Поэтому-то и тепловой баланс Земли за длительный период или за год состоит только из трех членов:

И такое равенство легко доказать. Если бы оно не соблюдалось, то почва, непрерывно нагреваясь, раскалилась бы докрасна, либо, охлаждаясь, замерзла.

Теплообмен в воде происходит несколько иначе, чем в почве. Во-первых, вода, обладая большой теплоемкостью, нагревается медленнее, чем почва. Молекулярный теплообмен в воде происходит не так интенсивно, как в почве, и играет роль лишь в тонком верхнем слое. Поэтому-то в тихие ясные дни столь резко заметно различие в температурах на поверхности и на глубине водоемов. Зато помимо молекулярного теплообмена для воды характерно механическое перемешивание. При ветре и волнении вода перемешивается на большую глубину. Поэтому и нагревание ее в течение года распространяется не на 1—1,5 метра, как в почве, а на 10—15 метров. В течение теплового полугодия вода хотя й успевает накопить больше тепла, но остывает медленнее, чем почва, поэтому баланс тепла над водоемами выражен слабее, чем над сушей. Доля остаточной радиации, участвующей в круговороте тепла, в зависимости от размера водоема может сильно колебаться.

За последнее время установлено, что тепловой баланс океанов за большой промежуток времени может несколько отличаться от нуля. В более теплые эпохи океан накапливает тепло, а в более холодные — охлаждается сам. Вследствие этого даже средняя температура воды в океане может меняться на несколько градусов. О причинах этого явления речь пойдет ниже.

Расход тепла на нагревание воздуха (В) для земного шара в целом составляет менее 20 процентов от остаточной радиации, однако сильно зависит от характера подстилающей поверхности. Для пустынных и степных районов, где затрат тепла на испарение почти нет, а на нагревание почвы используется 15-20 процентов от остаточной радиации, все оставшееся тепло — 80 и более процентов (для летнего периода) — идет на нагревание воздуха.

Именно этим и объясняется большая жара и сухость климата пустынь. Совершенно обратная картина наблюдается над водными поверхностями. Здесь более 80 процентов остаточной радиации идет на испарение. Поэтому затраты тепла на нагревание воздуха не превышают 5—10 процентов. Механизм нагревания воздуха более похож на нагревание воды, чем почвы.

Основную роль в переносе тепла от „нагретой поверхности почвы к воздуху играет не молекулярный и даже не лучистый, а турбулентный, или вихревой, обмен. Если бы мы вырезали какой-либо объем воздуха вблизи земной поверхности и подкрасили его каким-либо красителем, то могли бы заметить, что весь он состоит из множества воздушных вихорьков. Одни из них только зарождаются, другие находятся в расцвете сил, а третьи — разрываются в разные стороны и исчезают. Движутся все эти вихри в разных направлениях. Те, что теплее, стремятся унестись вверх, а более холодные, наоборот, опуститься вниз. При перемещении они часто сталкиваются между собой передают друг другу избыток энергии и «могут разлетаться в стороны, как биллиардные шары при ударе.

Такое явление беспорядочного, или турбулентного движения воздуха, по-видимому, приходилось наблюдать каждому, кто замечал, как разрываются клубы дыма при сильном ветре. Более упорядоченное движение тепловых воздушных вихрей вверх от нагретой поверхности, называемое часто конвекцией, каждому приходилось наблюдать над нагретым солнцем полем. Поднимающиеся от земли тепловые вихри сливаются между собой, образуя воздушные струи, называемые в народе маревом. Если смотреть через такие струи на окружающие предметы, то кажется, будто они, теряют очертания и как бы расплываются в воздухе. Это и есть результат того теплообмена, о котором мы говорим. Чем слабее ветер, тем четче будут выражены эти струи. С усилением ветра они разрываются и разносятся в разные стороны, и обмен теплом между подстилающей поверхностью и воздухом происходит быстрее.

Совершенно очевидно, что, как и в почве, такая струя или поток тепла может возникнуть только тогда, когда поверхность почвы будет перегрета по отношению к прилегающему слою воздуха, то есть когда между почвой и воздухом будет наблюдаться разность температур. Чем больше эта разность, тем сильнее поток тепла и быстрее теплообмен. Следовательно, скорость теплообмена между почвой и воздухом, и скорость нагревания воздуха будет зависеть как от величины перепада или разности температуры между почвой и воздухом, так и от скорости ветра. Однако та картина теплообмена почвы с воздухом, которую мы только что нарисовали, наблюдается большею частью днем и в теплое время года.

После захода солнца почва начинает быстро охлаждаться, тогда как воздух продолжает оставаться теплым. Температуры почвы и воздуха сначала выравниваются (теплообмен между почвой и воздухом прекращается, то есть В = 0), а затем температура воздуха становится выше температуры почвы, и поток тепла меняет знак.

После этого уже не почва нагревает воздух, а воздух нагревает почву, то есть теплообмен происходит в обратном направлении, и эта статья теплового баланса из расходной становится приходной. Такое явление в природе бывает довольно часто. Летом оно наблюдается над сушей в ночные часы, а зимой даже круглые сутки. А вот над водными поверхностями бывает наоборот. Вследствие того что днем вода менее нагрета, чем воздух, поток тепла направлен не вверх, как над почвой, а вниз. Ночью же температура воды часто выше температуры воздуха, поэтому и поток тепла направлен не вниз, а вверх. Такая же картина наблюдается над морями зимой круглые сутки.

Те, кому приходилось зимой плавать по морю или просто  смотреть в сторону моря е берега в ясный день, могли заметить, как вдали над водой поднимаются шапки кучевых облаков, которые над сушей увидишь только в летний полдень. Подобное явление можно наблюдать над морем и летом, но в ночные часы. Если поверхность почвы охлаждается смоченной дождем или политой водой (см. рис. 5 в), то так же, как над водной поверхностью, летом поток тепла бывает направлен вниз и в дневное время. В такие периоды не почва нагревает воздух, а воздух — почву и статья В в тепловом балансе из расходной превращается в приходную. Объясняется такое явление сильным охлаждением почвы за счет испарения. Затрата тепла на испарение — основная статья теплового баланса Земли. Более 80 процентов энергетического бюджета нашей планеты расходуется на испарение. И это понятно, ведь более 2/3 поверхности земного шара покрыты водой.

Если подсчитать отдельно затраты тепла на испарение с океанов и морей, то они превышают 90 процентов от остаточной радиации. Даже на поверхности суши, обладающей более скромным по сравнению с океанами тепловым бюджетом, тратится на испарение свыше 50 процентов от В. И это тоже понятно. Процесс испарения происходит повсюду, где только содержится вода: с почвы, растительности, с поверхности рек, озер и других водоемов. Даже со льда и снега происходит испарение. Да еще какое! На побережье Антарктиды, например, где постоянно дуют штормовые ветры, а воздух почти так же сух, как в пустыне, за сутки испаряется столько же воды, сколько с влажной почвы в Центральной или даже Южной России.

В целом на земном шаре испаряется за год слой воды, равный примерно одному метру, и затрачивается на это с каждого кв. см 59 ккал солнечного тепла. Для поверхности океана слой испаряющейся воды за год еще больше. Он даже в среднем составляет 120 см, а для отдельных участков Атлантического океана, например, достигает 3-х метров в год. А ведь на испарение только 1 см слоя воды с каждого кв. см площади надо затратить примерно 0,6 ккал тепла. Если учесть, что общая площадь мирового океана равна 360 мл. кв. км, можно легко представить себе, какое огромное количество солнечного тепла расходуется ежегодно на испарение воды. Надо сказать, что не так мало тепла тратится и на испарение воды с поверхности суши на земном шаре —25 ккал/см2 в год. Разделив эту цифру на 600, мы получим средний слой воды, испаряющейся с поверхности суши, равный 40 см в год, то есть всего лишь в 3 раза меньше, чем для поверхности океанов.

Совершенно очевидно, что баланс влаги на Земле, так же как и баланс тепла, всегда поддерживается в равновесии. Все, что испарится с поверхности океанов и суши, должно возвращаться на Землю в виде осадков. Если бы этого равновесия в природе не было, вся вода на Земле со временем полностью испарилась бы. О том, что такое равновесие в природе существует, показывает уровень мирового океана, который остается примерно постоянным (а по последним данным даже повышается примерно на 1 мм в столетие).

Таким образом, теперь мы можем с уверенностью сказать, что на земном шаре в среднем выпадает в год около 1 метра осадков, причем над океанами это количество увеличивается до 120 см, а над сушей понижается до 40 см. Но такая картина наблюдается только в среднем. На самом деле осадки по поверхности Земли распределяются очень неравномерно. В одних местах (на наветренных склонах гор или в зоне экватора) слой осадков достигает нескольких метров в год, а в других, как например в пустынях, сумма

осадков едва достигает 5—10 мм в год. Само собой разумеется, что величина испарения, а следовательно, и затраченное на него тепло в различных областях земного шара меняется от нескольких ккал/см2 в год до 150—200 ккал/см2 в год. Для нас не менее важно и то, что эта статья теплового баланса не всегда является расходной, а так же, как и другие «внутренние» статьи теплового баланса, может менять свой знак. Давайте посмотрим, когда и почему это происходит.

Из физики известно, что процесс испарения представляет собой переход жидкости в пар вследствие отрыва от испаряющейся среды наиболее быстро движущихся молекул. Поскольку с повышением температуры жидкости скорость их движения увеличивается, то и число молекул, способных преодолеть пленку поверхностного натяжения и оторваться, возрастает, поэтому и испарение увеличивается. В природе процесс испарения воды протекает несколько сложнее. Дело в том, что в воздухе, куда попадают оторвавшиеся молекулы, всегда уже содержится некоторое количество водяного пара, молекулы которого также движутся во все стороны, в том числе и в сторону водной поверхности.

Таким образом, испарение в естественных условиях представляет собой разность этих двух потоков водяного пара, движущихся от испаряющейся поверхности в воздух и наоборот. Если температура испаряющей поверхности выше температуры прилегающего к ней слоя воздуха, то и поток уходящих молекул водяного пара больше приходящего к поверхности потока — происходит испарение. Когда температура испаряющей поверхности будет та же, что и температура прилегающего к ней слоя воздуха, то эти оба потока выровняются, воздух окажется насыщен водяным паром, и испарения не будет. В одном и том же объеме воздуха, например в 1 м3, может содержаться не больше строго определенного количества водяного пара: при 20 градусах мороза — 1,08 грамма, при нуле — 4,86 грамма, при 20 градусах тепла — 17,32 грамма и т. д. Чем выше температура воздуха, тем все больше и больше необходимо водяного пара, чтобы его насытить. Обычно воздух далеко не всегда бывает насыщен полностью водяным паром. Если вы слышите по радио, что сегодня температура воздуха +20 градусов, а относительная влажность воздуха 60 процентов, то это значит, что до полного насыщения воздуха водяным паром не хватает 40 процентов влаги, или 6,92 грамма на каждый кубический метр воздуха.

Теперь проследим, что произойдет, если температура воздуха окажется выше температуры испаряющей поверхности. В этом случае поток водяного пара из воздуха будет уже превышать поток водяного пара, идущий от испаряющейся поверхности. Поэтому вблизи нее в воздухе окажется излишек водяного пара по сравнению с тем количеством, которое должно насыщать его при данной температуре. Весь этот излишек будет выпадать на испаряющую поверхность в виде росы, инея, изморози и т. д., или останется висеть над ней, образуя приземной или приводный туман. Этот процесс, обратный испарению, носит название конденсации.

В природе процессы испарения и конденсации часто наблюдаются одновременно. Особенно это явление заметно в вечерние часы. На лугу вблизи речки или озера трава уже мокрая от росы. Это значит, что на ее поверхности температура опустилась значительно? ниже температуры прилегающего к ней воздуха. Воздух оказался перенасыщен водяным паром, излишки которого и выпали в виде росы. А вот над речкой в это время видно, как идет еще испарение. Теплый и влажный воздух поднимается над поверхностью воды, но, попав в более холодный надводный слой, быстро насыщает его водяным паром. Весь его остаток конденсируется в воздухе, образуя над озером так называемый туман парения, хорошо известный рыболовам, охотникам, да и всем любителям природы.

Таким образом, процесс испарения в природе, так же как и потоки тепла, возможен только тогда, когда будет наблюдаться различие между влажностью испаряющей поверхности и воздуха. Чем больше будет эта разность, тем сильнее поток водяного пара ц больше величина испарения. Механизм обмена водяным паром между испаряющей поверхностью и атмосферой такой же, как и механизм обмена теплом. Основную роль в нем играет не молекулярный обмен, а турбулентный. Воздушные вихри и струи, о которых мы рассказывали выше, уносят от испаряющей поверхности вверх не только ,тепло, но и влагу. Чем сильнее скорость ветра, тем больше возникает этих вихрей и тем быстрее они будут двигаться. Поэтому скорость испарения зависит, с одной стороны, от разности или перепада влажности между испаряющей поверхностью и воздухом, а с другой — от скорости ветра.

О конденсации как об интереснейшем процессе природы, во время которого происходит превращение водяного пара в различные гидрометеоры, такие как капельки тумана и дождя, снежинки и гололед, иней и изморозь и т. д., а также о связанных с ними интереснейших оптических явлениях в атмосфере:  радуге и цветных гало, венцах вокруг Солнца и Луны, о всякого рода красочных столбах и даже небесных привидениях — можно было бы рассказывать много интересного. Однако для нас пока важно только одно: во время всех этих видов конденсаций выделяется столько же тепла, сколько его было затрачено в процессе испарения, то есть около 600 калорий на каждый грамм воды.

Если процесс конденсации происходит в воздухе, это тепло идет на его нагревание, а если на поверхности почвы или травы — выделившееся тепло получают они. Тепло, которое было потрачено на испарение и вновь возвращено атмосфере или земной 'поверхности во время конденсации, как теперь уже знает читатель, огромно. Достаточно сказать, что при образовании лишь нескольких кучевых облачков хорошей погоды в летний полдень атмосфера получает столько же тепла, сколько выделяет его при взрыве современная-атомная бомба.

Тепло конденсации — уже не расходная, а приходная статья теплового баланса земной поверхности. Это явление природы наблюдается так же часто, как и испарение. Однако из-за того, что основные процессы конденсации совершаются не у земной поверхности, а в свободной атмосфере, большая часть выделенного при этом тепла идет на нагревание более высоких слоев воздуха. У поверхности Земли испарение преобладает над конденсацией, поэтому и в общем балансе тепла эта составляющая почти всегда отрицательна, тогда как в тепловом балансе атмосферы она является основной приходной статьей.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.