Головна » Статті » Теорія географії » Метеорологія | [ Додати статтю ] |
ТЕПЛОВИЙ РЕЖИМ
АТМОСФЕРИ
План 1. Тепловий баланс. 2.
Адіабатичний процес в атмосфері. 3.
Інверсія температури. 4.
Тепловий режим нижнього шару атмосфери . 5.
Географічний розподіл температури повітря. 6.
Теплові пояси 1. Тепловий баланс. Нижні шари атмосфери
нагріваються і охолоджуються в основному за рахунок радіаційного і
нерадіаційного теплообміну з підстеляючою поверхнею. Через земну поверхню
теплота передається не тільки в атмосферу а й донизу, в грунт і воду.
Алгебраїчна сума приходу і витрати теплоти повинна дорівнювати за певний
проміжок часу нулю, оскільки в протилежному випадку буде порушений закон
збереження енергії. Більша частина теплоти надходить на земну поверхню від
сонячної енергії і є різницею між поглинутою радіацією і ефективним
випромінюванням, тобто радіаційним балансом |R/ . Шляхом теплопровідності земна
поверхня може віддавати теплоту вниз або одержувати з глибини ґрунту і воді
/Р/. Внаслідок турбулентного і молекулярного теплообміну теплота може
переходити від земної поверхні в атмосферу і навпаки /А/. Крім того, земна
поверхня втрачає теплоту на випаровування або одержує при конденсації водяної
пари /LE, L - прихована теплота пароутворення; Е -маса сконденсованої або
випаруваної води/. Рівняння теплового балансу земної поверхні буде мати вигляд R = P +A+LE. Тепловий баланс атмосфери складається з
поглинутої атмосферними газами сумарної сонячної радіації, земного випромінювання,
зустрічного випромінювання атмосфери, теплоти від конденсації та від
теплообміну з земною поверхнею і випромінювання, яке атмосфера віддає в
міжпланетний простір. За підрахунками С.П.Хромова
/1983/, атмосфера поглинає 20 одиниць теплоти сумарної сонячної радіації, З0
одиниць теплоти конденсації і теплообміну з земною поверхнею і 107 одиниць
теплоти від земного випромінювання і випромінює 187 одиниць теплоти в космос,
тобто стільки ж, скільки отримала. Загальний тепловий баланс системи
"Земля - атмосфера" визначається на верхній межі атмосфери, через яку
проходить сонячна радіація /100%/ і виходить в космос .відбита і розсіяна
радіація /35% -планетарне альбедо/, ефективне випромінювання земної поверхні
/10%/ та випромінювання атмосфери /55,/. Отже, на верхній межі атмосфери е
рівновага між надходженням і витратою тільки променевої енергії, тобто
складових частин радіаційного і теплового балансу системи "Земля – атмосфера” в
цілому. У підручнику
"Кліматологія" /Дроздов 0.0. та ін., 1989/ наведено схему теплового
балансу системи Земля — атмосфера в відносних одиницях за Шнайдером і Денне
том. За цією схемою атмосфера поглинає 20 одиниць від сонячної енергії, яка
надходить на верхню межу атмосфери, 47 одиниць поглинає діюча поверхня суші і
океану, 6 одиниць - хмари. Загальне альбедо системи "Земля -
атмосфера" - 28%, тобто 28 одиниць відбивається назад у Космос.
Довгохвильове випромінювання підстеляючої поверхні становить 114 одиниць,
зустрічне —96 одиниць. Атмосфера поглинає 109 одиниць випромінювання, яке
надходить від земної поверхні. Загальне довгохвильове випромінювання, яке
атмосфера посилає в світовий простір, становить 72 одиниці. Радіаційний баланс
підстеляючої поверхні 29 одиниць, атмосфери — 29 одиниць тобто для системи він
дорівнює нулю. Перенесення енергії завдяки випаровуванню і конденсації
становить 24 одиниці і турбулентності -5 одиниць. На схемах зображений в
основному механізм вертикального перерозподілу енергії в кліматичній системі.
Але радіаційний баланс компенсується ще й в результаті горизонтального
перенесення теплоти в океані та атмосфері, завдяки міжширотному обміну
повітряних мас і води. Горизонтальне перенесення енергії враховують в теорії
клімату, адже регіональний розподіл складових радіаційного балансу системи
"Земля -атмосфера" змінюється під впливом хмарності. Повний потік
явної теплоти в атмосфері має три максимуми: один біля екватора і два біля 40°
ш. обох півкуль, оскільки між даними широтами спостерігається надлишок
радіаційної енергії, а північніше 40˚ широти - нестача. Теплота переноситься з
приекваторіальних, тропічних і субтропічних районів в інші, а також з
океанічних областей помірних широт, де вона нагромаджується завдяки виносу
океанськими течіями. Тепловий баланс системи
"Земля - атмосфера" між 40° пд.ш. збільшується від 0 до 20...40 ккал
на квадр. см за рік, лине в пустелі Сахарі та в пустелях Аравії та Ірану він
зменшується до нуля. На північ і на південь від 40-х широт баланс теплоти
від'ємний і зменшується до -60 ккал на квадр. см за рік за полярним колом. М.І.Будико
відносить до складових частин загального теплового балансу Землі в цілому
притік сонячної радіації на верхню межу тропосфери, планетарне альбедо,
поглинуту і засвоєну повітрям тропосфери радіацію, поглинання радіації земною
поверхнею. ефективне випромінювання, радіаційний баланс /залишок теплоти/,
витрати теплоти на випаровування, турбулентний теплообмін і довгохвильове
випромінювання Землі в цілому. 2. Адіабатичний процес в
атмосфері Термічний режим суші та
океанів відрізняється тим, що водойми нагріваються і охолоджуються повільніше,
тому вони вночі тепліші, а вдень холодніші за сушу. За рахунок перемішування і
термічної конвекції нагрівається потужний шар води, на суші - тільки поверхня
грунту. Добові коливання температури проникають в грунт до глибини в середньому
1 м, у воду - до 20 м, а річні коливання відповідно до глибин 20 м і 200...400
м. У зв'язку з великою теплоємністю при охолодженні І м води на 1 °С
нагрівається 3000 кубічних м повітря на 1 °С. Атмосферне повітря нагрівається
від поверхні суші і водойм, оскільки безпосередньо поглинання сонячної радіації
дає не більше 0,1 °С за годину. Отже, атмосферне повітря
нагрівається від земної поверхні. Передача теплоти вгору відбувається шляхом
молекулярної теплопровідності, конвекції, турбулентного перемішування і
конденсації водяної пари/прихована теплота/. Молекулярна теплопровідність не
має великого значення, адже повітря є поганим провідником теплоти. Вирішальне
значення мають конвекція, турбулентність і конденсація. Конвекція - перенос
теплоти вверх потоками повітря. Нагріте повітря підіймається вгору, а на його
місце знову надходить холодне повітря. Так виникають вертикальні конвективні
рухи. Турбулентне перемішування зумовлене виникненням у повітрі невпорядкованих
завихрень, рухів, напрямків. При підйомі повітря потрапляє вгорі в умови
зниженого тиску, розширяється. На це витрачається певна робота і певна
кількість теплоти тому повітря адіабатичне охолоджується. Адіабатичним називається
процес, під час якого зміни температури відбуваються без теплообміну з
навколишнім середовищем, а лише внаслідок перетворення внутрішньої енергії в
роботу і навпаки, завдяки внутрішнім змінам тиску, вологості і температури. Якщо повітря сухе, тобто без
водяної пари, з підняттям на 100 м висоти його температура падає на І °С, а при
опусканні відповідно зростає на 1 °С. Такий процес називають сухоадіабатичним. Вирішальне значення у вологому
повітрі має конденсація водяної пари. На випаровування води з земної поверхні
витрачається велика кількість теплоти, яка у вигляді прихованої теплоти
переноситься водяною парою вверх і виділяється при конденсації внаслідок
адіабатичного охолодження повітря, яке підіймається вверх і розширюється.
Охолодження вологого повітря, в якому відбувається конденсація і виділення
прихованої теплоти пароутворення, при піднятті йде повільніше, наприклад, на
0,5...0,8 °С на 100 м висоти. Такий процес називають волого адіабатичним. 3. Інверсія температури Головне джерело теплоти для
повітря - це земна поверхня, тому нормальним є те, що
температура з висотою в тропосфері знижується. Але часто буває, що температура
в певному шарі повітря з висотою підвищується, таке явище називають інверсією
температури. Інверсії спостерігаються в приземних шарах повітря і на деяких
висотах у вільній атмосфеpi. Приземні інверсії за
походженням бувають радіаційні, адвективні, орографічні, сніжні. Радіаційні
інверсії виникають в теплу пору року при безхмарній погоді. Після заходу Сонця
земна поверхня і прилеглий шар повітря охолоджуються за рахунок радіаційного
випромінювання теплоти. Орографічні інверсії утворюються в тиху штилеву погоду
в котловинах і долинах, куди стікає холодне повітря, а на вершинах горбів і
схилах лишається більш тепле повітря. Адвективні інверсії виникають в
результаті надходження теплого повітря в охолоджену місцевість. навесні біля
земної поверхні теплота витрачається на танення снігу і виникають сніжні
інверсії. З інверсіями певною мірою
пов'язані заморозки навесні і восени, коли середньодобові температури стають
додатними, але приземний шар повітря охолоджується нижче 0 °С. Заморозки
бувають радіаційні та адвективні подібно до відповідних інверсій температури. 4. Тепловий режим нижнього
шару атмосфери . Розподіл температури на
поверхні або в атмосфері та її безперервна зміна в часі називається тепловим
режимом. Тепловий режим атмосфери характеризується середньодобовими
температурами, середніми температурами кожного місяця, найтеплішого і
найхолоднішого місяців, середніми температурами кожного року і середньою
багаторічною температурою, мінімальними і максимальними температури за певний
проміжок часу. Залежність температури повітря
від інтенсивності сонячної радіації та характеру підстеляючої поверхні
обумовлюють її нерівномірний хід протягом дня і року. Добовий і річний хід
температури повітря до висоти 2 км у загальних рисах нагадує хід температури на
земній поверхні. В повітрі на висоті 2 м добовий максимум в середньому настає
після максимуму температури ґрунту, о 14-15 годині, а мінімум - після сходу
Сонця. Але добовий хід температури повітря може бути зовсім неправильним
залежно від зміни хмарності та надходження повітряних мас з іншою температурою.
Добова амплітуда температури залежить від широти, сезону, характеру ґрунтів,
рельєфу, амплітуди температури підстеляючої поверхні та від хмарності. Добова
амплітуда температури повітря зменшується від тропіків /в середньому 12 °С/ до
полюсів /на широті 60° -6 °С, на широті 70° - 3 °С/. В степах і пустелях добова
амплітуда температури зростає, а над густим рослинним покривом або над водою
зменшується, вона більша в долинах і ярах і менша на вершинах, схилах і горбах.
Над океаном в нижньому шарі повітря добова амплітуда не перевищує 1.5 °С. Річний хід температури повітря
залежить від широти. Ступінь океанічності або континентальності клімату
проявляється в річній амплітуді температури, тобто в різниці між середніми
температурами найтеплішого і найхолоднішого місяців. Річна амплітуда
температури збільшується за широтами від переважання морських або континентальних повітряних
мас і відповідно зростає у внутрішніх материкових секторах. Особливо наочно це
спостерігається в Євразії . Залежно від широти і
континентальності виділяють наступні типи річного ходу температури повітря: А. Екваторіальний тип. Характеризується
малою амплітудою /І...5 °С/. Не дуже чітко проявляються два відносних максимуми
рівнодення під час зенітного стояння Сонця. Б. Тропічний тип. Амплітуда
зростає до 10...15 °С у внутрішніх материкових секторах. Спостерігається один
максимум під час літнього сонцестояння і один мінімум під час зимового
сонцестояння. Абсолютний максимум температури досягав 58 °С у північній Африці
біля м. Тріполі. В. Тип помірного поясу. Річна
амплітуда в морському кліматі 10....15 °С, у континентальному 26...40 °С, в
центрі Євразії - до 60 °С і більше. Один максимум спостерігається після
літнього сонцестояння, наприклад, у північній півкулі для морського клімату - в
серпні, а для континентального - в липні. Мінімум, відповідно, настає після
зимового сонцестояння і в північній півкулі припадає на лютий-березень над
морями і на січень на суші, тобто над морями екстремуми запізнюються в зв'язку
з особливостями термічного режиму води. Полюси холоду північної півкулі
перебувають на північному сході Азії в Верхоянську і Оймяконі, де абсолютний
мінімум температури дорівнює -71 °С. Г. Полярний тип. Мінімум
температури зміщений на час появи Сонця після тривалої полярної ночі.
Найтеплішим у північній півкулі є липень, у південній - січень або грудень.
Річна амплітуда температури на суші дорівнює З0...40 °С, а в морському кліматі
- близько 20 °С. Найнижча на .Землі температура повітря -89,2 °С зафіксована в
Антарктиді поблизу полярної станції "Восток". Спостереження за температурою
повітря, ґрунту і води на метеостанціях ведуться з допомогою термометрів і
термографів. Прилади для вимірювання температури повітря встановлюють в
матеобудці на висоті 2 м над земною поверхнею. Термометри бувають термінові,
максимальні та мінімальні. 5. Географічний розподіл
температури повітря Розподіл температури повітря
на земній поверхні показують на картах ізотерм року, найтеплішого і
найхолоднішого /липень і січень/ місяців. Ізотерми — це лінії, які з'єднують
точки з однаковою температурою. Для складання карт ізотерм температури
приводять до рівня моря. вважаючи, що з висотою температура зменшується в
середньому на 0,6 °С на кожні 100 м. Для вивчення закономірностей розподілу
температури використовують карти ізотерм липня і січня, які взято за
найтепліший і найхолодніший місяці, або карту ізотерм року /рис. 7 - 9/.
Простежується широтно-зональна закономірність в розподілі теплоти. Температури
поступово зменшуються від екватора до полюсів, але взимку це явище проявляється
більш різко, бо горизонтальні температурні градієнти в 2 рази більші, ніж
влітку. Над сушею зниження температури в бік полюсів виражено більш чітко, ніж
над океанами. У січні в північній півкулі
головний полюс холоду міститься в Якутії, в зв'язку з великим випромінюванням
снігового покриву і вихолоджуванням повітря в міжгірних котловинах і долинах
при пануванні малохмарної антициклонічної погоди. Другий полюс холоду
розміщений над Гренландією. Вздовж берегів материків ізотерми відхиляються від
широтного ходу і мають субмеридіональний напрям, різкі контрасти біля західних
берегів материків зумовлюють теплі течії, що проникають далеко на північ. Крім
того. між Гольфстрімом і Скандінавським півостровом контрасти підсилюються
прибережними горами Норвегії, на схід від яких над сушею збирається холодне
повітря. Під впливом теплих течій ізотерма січня -20 °С відступає до 83° пн.ш.,
а значна частина Баренцова моря не замерзає. Аналогічно впливають на
температуру повітря Скелясті гори на західною узбережжі Північної Америки.
Контрасти температур біля східних берегів материків є наслідком холодних течій,
що рухаються з Арктики, зменшують температуру повітря і порушують її зональний
розподіл. Влітку розподіл температури
значно змінюється /див. рис. 37/. У північній півкулі напрям ізотерм
наближається до широтного і лише в районах холодних течій біля берегів
Північної Америки, Каліфорнії, Північно—Східної Азії вони відхиляються далеко
на південь. Над материками спостерігаються кілька центрів теплоти: Долина
Смерті в Каліфорнії, Лівійська пустеля, Мексика, де максимальна температура
підвищується до 57...58 градусів Цельсія.. У південній півкулі розподіл
температур одноманітніший, але й тут є свої області теплоти - пустеля Калахарі
та Центральна Австралія, де температура січня піднімається вище за 45 °С, а
липня - падає до -5°С. Полюсом холоду є Антарктида, де в серпні 1983 p.
зафіксований абсолютний мінімум -89,2 °С. Якщо визначити середні температури кожної
паралелі або широтної зони. можна зазначити, де проходить найтепліша паралель,
яку називають термічним екватором. Цей екватор не збігається з географічним і
розміщений біля 10° пн.ш., де проходить середньорічна ізотерма 27 °С. Північна
півкуля в цілому тепліша за південну, відповідно 15 і ІЗ °С, а Арктика тепліша,
ніж Антарктида. Річний хід температури в південній півкулі океанічний, а в
північній - материковий, амплітуда відрізняється в 2,5 рази. Все це прояви
термічної, або теплової, дисиметрії Землі. Крім того, термічні умови
порушуються а гірських країнах, де завдяки зменшенню температури з висотою
проявляється висотна кліматична поясність. 6. Теплові пояси На основі широтно-зональних
закономірностей в розподілі ізотерм виділяють теплові пояси на земній кулі:
жаркий, два помірних, два холодних і два пояси вічного морозу. Від З0˚ пн.ш. до 30° пд.ш.
розміщений жаркий пояс з середньорічними температурами вище 20 °С. На північ і
на південь йдуть помірні теплові пояси, які обмежені середньорічними ізотермами
10 °С найтеплішого місяця, тобто крайньою температурою достигання насіння
деревних порід. Термічні умови поясу змінюються за широтою. На півдні вони придатні
для росту субтропічних рослин, помірно-теплі в степах і мішаних лісах,
помірно-холодні в зоні хвойних лісів. У субполярних широтах простягаються холодні пояси, північна і південна межа яких збігається з нульовою ізотермою найтеплішого місяця /зона тундри/. Біля полюсів розміщені пояси вічного морозу, де середня температура всіх місяців року від'ємна. Термічні пояси служать основою для виділення кліматичних поясів. Рекомеднована література та джерела
Переглядів: 10888 | Коментарі: 1
| Теги: | |
Матеріали по темі: |