Нагревание земной поверхности за счет энергии солнца тепловое явление

Нагревание поверхности Земли

Тепловой режим земной поверхности

Солнечная радиации, приходящая на Землю, нагревает главным образом ее поверхность. Термическое состояние земной поверхности является поэтому основным источником нагревания и охлаждения нижних слоев атмосферы.

Условия нагревания земной поверхности зависят от ее физических свойств. Прежде всего существуют резкие различия в нагревании поверхности суши и воды.

Нагревание поверхности Земли

На суше тепло распространяется в глубину преимущественно путем мало эффективной молекулярной теплопроводности. Суточные колебания температуры на поверхности суши распространяются, в связи с этим, только на глубину до 1 м, а годовые — до 10—20 м. В водной поверхности температура распространяется в глубину главным образом путем перемешивания водных масс; молекулярная теплопроводность имеет ничтожное значение. Кроме того здесь играет роль более глубокое проникновение радиации в воду, а также более высокая теплоемкость воды по сравнению с сушей. Поэтому суточные и годовые колебания температуры распространяются в воде на большую глубину, чем на суше: суточные — на десятки метров, годовые — на сотни метров. В результате тепло, приходящее и уходящее на земную поверхность, распространяется в более тонком слое суши, чем водной поверхности. Это значит, что суточные и годовые колебания температуры на поверхности суши должны быть гораздо больше, чем на поверхности воды. Так как от земной поверхности нагревается воздух, то при одинаковом значении солнечной радиации летом и днем температура воздуха над сушей будет выше, чем над морем, а зимой и ночью наоборот.

Неоднородность поверхности суши также сказывается на условиях ее нагревания. Растительный покров днем препятствует сильному нагреванию почвы, а ночью уменьшает ее охлаждение. Снежный покров предохраняет зимой почву от чрезмерной потери тепла. Суточные амплитуды температуры под растительным покровом будут, таким образом, уменьшены. Совместное действие растительного покрова летом и снежного зимой уменьшает годовую амплитуду температуры по сравнению с обнаженной поверхностью.

Крайние пределы колебания температуры поверхности суши следующие. В пустынях субтропиков температура может подняться до +80°, на снежной поверхности Антарктиды может опуститься до -90°.

На водной поверхности моменты наступления максимума и минимума температуры в суточном и годовом ходе смещаются по сравнению с сушей. Суточный максимум наступает около 15—16 час, минимум через 2—3 час после восхода Солнца. Годовой максимум температуры поверхности океана приходится в северном полушарии на август, годовой минимум — на февраль. Максимальная наблюдавшаяся температура поверхности океана около 27°, поверхности внутренних водных бассейнов 45°; минимальная температура соответственно —2 и —13°.

2.Тепловой режим атмосферы.

Изменение температуры воздуха определяется несколькими причинами: солнечной и земной радиацией, молекулярной теплопроводностью, испарением и конденсацией водяных паров, адиабатическими изменениями и переносом тепла с массой воздуха.

Для нижних слоев атмосферы непосредственное поглощение солнечной радиации имеет небольшое значение, гораздо существеннее поглощение ими длинноволновой земной радиации. Молекулярной теплопроводностью нагревается воздух, непосредственно прилегающий к земной поверхности. При испарении воды затрачивается тепло, а следовательно, воздух охлаждается, при конденсации водяных паров тепло выделяется, и воздух нагревается.

Большое влияние на распределение температуры воздуха имеет адиабатическое изменение ее, т. е. изменение температуры без теплообмена с окружающим воздухом. Поднимающийся воздух расширяется; на расширение затрачивается работа, что приводит к понижению температуры. При опускании воздуха происходит обратный процесс. Сухой или не насыщенный водяными парами воздух адиабатически охлаждается каждые 100 м подъема на 1°. Воздух, насыщенный водяными парами, охлаждается при подъеме на меньшую величину (в среднем на 0°,6 на 100 м подъема), так как в этом случае происходит конденсация водяных паров, которая сопровождается выделением тепла.

Особенно большое влияние на тепловой режим атмосферы имеет перенос тепла вместе с массой воздуха. В результате общей циркуляции атмосферы все время происходит как вертикальное, так и горизонтальное перемещение воздушных масс, захватывающее всю толщу тропосферы и проникающее даже в нижнюю стратосферу. Первое называется конвекцией, второе — адвекцией. Это основные процессы, определяющие фактическое распределение температуры воздуха над поверхностью суши и моря и на разных высотах. Адиабатические процессы являются лишь физическим следствием изменения температуры в движущемся по законам циркуляции атмосферы воздухе. О роли переноса тепла вместе с массой воздуха можно судить по тому, что количество тепла, получаемое воздухом в результате конвекции, в 4000 раз больше, чем тепла, получаемого при излучении с земной поверхности, и в 500000 раз больше,чем тепла, получаемого молекулярной теплопроводностью. На основании уравнения состояния газов температура с высотой должна понижаться. Однако при особых условиях нагревания и охлаждения воздуха температура может повышаться с высотой. Такое явление называется инверсией температуры. Инверсия возникает при сильном охлаждении земной поверхности в результате излучения, при стекании холодного воздуха в понижения, при нисходящем движении воздуха в свободной атмосфере, т. е. над уровнем трения. Температурные инверсии играют большую роль в циркуляции атмосферы и сказываются на погоде и климате. Суточный и годовой ход температуры воздуха зависят от хода солнечной радиации. Однако наступление максимума и минимума температуры запаздывает по отношению к максимуму и минимуму солнечной радиации. После полудня приток тепла от Солнца начинает уменьшаться, но температура воздуха некоторое время продолжает подниматься, потому что убыль солнечной радиации восполняется излучением тепла с земной поверхности. Ночью понижение температуры продолжается до восхода Солнца в связи с земным излучением тепла . Аналогичная закономерность относится и к годовому ходу температуры. Амплитуда колебаний температуры воздуха меньше, чем земной поверхности, причем с удалением от поверхности амплитуда колебаний естественно уменьшается, а моменты максимума и минимума температуры все больше ибольше запаздывают. Величина суточных колебаний температуры уменьшается с увеличением широты места и с увеличением облачности и осадков. Над водной поверхностью амплитуда значительно меньше, чем над сушей.

Если бы земная поверхность была однородна, а атмосфера и гидросфера неподвижны, то распределение тепла по поверхности определялось бы только поступлением солнечной радиации, и температура воздуха постепенно убывала бы от экватора к полюсам, оставаясь одинаковой на каждой параллели. Такая температура называется солярной.

Действительные температуры зависят от характера поверхности и межширотного обмена тепла и существенно отличаются от солярных

Изотермы сильно отклоняются от параллелей, что объясняется рядом причин: неодинаковым нагреванием суши и моря, наличием теплых и холодных морских течений, влиянием общей циркуляции атмосферы (например, западным переносом в умеренных широтах), влиянием рельефа (барьерное влияние на движение воздуха горных систем, скопление холодного воздуха в межгорных котловинах и др.), величиной альбедо (например, большим альбедо снежно-ледовой поверхности Антарктиды и Гренландии).

Абсолютный максимум температуры воздуха на Земле наблюдается в Африке (Триполи) — около +58°. Абсолютный минимум отмечен в Антарктиде (—88°).

На основании распределения изотерм выделяют тепловые пояса на земной поверхности. Тропики и полярные круги, ограничивающие пояса с резкой сменой режима освещенности , являются в первом приближении и границами смены теплового режима. Так как действительные температуры воздуха отличаются от солярных, то за тепловые пояса принимают характерные изотермы. Такими изотермами являются: годовая 20° (граница резко выраженных сезонов года и малой амплитуды температуры), самого теплого месяца 10° (граница распространения леса) и самого теплого месяца 0° (граница вечного мороза).

Между годовыми изотермами 20° обоих полушарий расположен жаркий пояс, между годовой изотермой 20° и изотермой самого теплого месяца 10° — два умеренных пояса, между изотермами самого теплого месяца 10 и 0° — два холодных пояса и от изотермы самого теплого месяца 0° до полюсов — два пояса мороза.

Дата добавления: 2017-09-19 ; просмотров: 2825 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Общие сведения об атмосферных процессах

Источники тепла.В жизни атмосферы решающее значение имеет тепловая энергия. Главнейшим источником этой энергии является Солнце. Другие небесные тела также выделяют энергию, но она имеет незначительное влияние. Значительно больше тепловой энергии дает внутреннее тепло Земли. Но его настолько мало,что принимать его в расчет также нет никакой необходимости. Таким образом, единственным источником тепловой энергии на поверхности Земли можно считать только Солнце.

Солнечная радиация.Солнце, имеющее температуру фотосферы (излучающей поверхности) около 6000°, излучает энергию в пространство во всех направлениях. Часть этой энергии в виде огромного пучка параллельных солнечных лучей попадает на Землю, часть рассеивается, а часть поглощается атмосферой. Солнечная энергия, дошедшая до поверхности Земли в виде прямых лучей Солнца, носит название прямой солнечной радиации. Та часть солнечной энергии, которая рассеивается в атмосфере, называется рассеянной радиацией. Рассеянная солнечная радиация распространяется в атмосфере и попадает к поверхности Земли. Нами этот вид радиации воспринимается как равномерный дневной свет, когда Солнце полностью закрыто облаками или только что скрылось за горизонтом.

Прямая и рассеянная солнечная радиация, достигнув поверхности Земли, не полностью поглощается ею. Часть солнечной радиации отражается от земной поверхности обратно в атмосферу и находится там в виде потока лучей, так называемой отраженной солнечной радиации.

Рисунок 1. Расход солнечной энергии, поступающей на Землю.

Интенсивность солнечной радиации.Под интенсивностью прямой солнечной радиации понимают количество тепла в калориях, получаемого в 1 мин. от лучистой энергии Солнца поверхностью в 1 см 2 , расположенной перпендикулярно к солнечным лучам.

На границе атмосферы, где исключено поглощающее и рассеивающее воздействие воздушной оболочки Земли, интенсивность прямой солнечной радиации равна приблизительно 2 кал на 1 см 2 поверхности в 1 мин. Эта величина носит название солнечной постоянной. Интенсивность солнечной радиации в 2 кал на 1 см 2 в 1 мин. дает такое большое количество тепла в течение года, что его хватило бы, чтобы расплавить слой льда в 35 м толщиной, если бы такой слой покрывал всю земную поверхность.

Интенсивость солнечной радиации непостоянна и зависит от широты места, сезона года, прозрачности атмосферы и отражательной способности земной поверхности или подстилающей поверхности, так ка это может быть вода, суша,леса, пустыни и т.п.

Влияние широты места на приток солнечной энергии к поверхности Земли. Уже одна только шарообразная форма Земли приводит к тому, что лучистая энергия Солнца распределяется на земной поверхности весьма неравномерно. Так, в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября) только на экваторе в полдень угол падения лучей будет 90° (рис. 2), а по мере приближения к полюсам он будет уменьшаться от 90 до 0°.

Рисунок 2.Изменение угла падения солнечных лучей в зависимости от широты места

Таким образом, если на экваторе количество полученной радиации принять за 1, то на 60-й параллели она выразится в 0,5, а на полюсе будет равна 0.

Земной шар, кроме того, имеет суточное и годовое движение, причем земная ось наклонена к плоскости орбиты на 66°,5. В силу этого наклона между плоскостью экватора и плоскостью орбиты образуется угол в 23°30 ‘ . Это обстоятельство приводит к тому, что углы падения солнечных лучей для одних и тех же широт будут меняться в пределах 47° (23,5+23,5).

В зависимости от времени года меняется не только угол падения лучей, но также продолжительность освещения. Если в тропических странах во все времена года продолжительность дня и ночи приблизительно одинакова, то в полярных странах, наоборот, она очень различна. (полярный день и полярная ночь)

Влияние прозрачности атмосферы на приток солнечной радиации к поверхности Земли. У верхней границы атмосферы, то есть там где условно отсутствует атмосфера Земная поверхность на различных широтах за сутки получала бы следующее количество тепла, выраженное в калориях на 1 см 2 (см. таблицу 1).

Приведенное в таблице распределение радиации по земной поверхности принято называть солярным климатом.

Таблица 1. Количество тепла, получаемое Землей в зависимости от широты места.

Ослабление солнечной радиации в атмосфере. Солнечная радиация, проходя через атмосферу, испытывает рассеивание и, кроме того, поглощение. Оба эти процесса вместе ослабляют солнечную радиацию в значительной степени.

Рассеивание создается тем, что лучи света, преломляясь и отражаясь от молекул воздуха и частичек твердых и жидких тел, находящихся в воздухе, отклоняются от прямого пути идействительно «рассеиваются».

При увеличении количества водяных паров и особенно пылевых частиц рассеивание увеличивается и радиация ослабляется. В больших городах и пустынных областях, где запыленность воздуха наибольшая, рассеивание ослабляет силу радиации на 30—45%. Рассеивание обусловливает и самый цвет неба.

В небольшом количестве поглощают лучистую энергию основные газы, входящие в состав атмосферы. Однако водяной пар, озон, углекислый газ и пыль, наоборот, отличаются большой поглотительной способностью.

В тропосфере наиболее значительную примесь составляют водяные пары. Они особенно сильно поглощают инфракрасные (длинноволновые), т. е. преимущественно тепловые лучи. И чем больше водяных паров в атмосфере, тем естественно больше и поглощение. В естественных условиях количество водяного пара в атмосфере переменчиво и колеблется в пределах от 0,01 до 4% (по объему).

Очень большой поглотительной способностью отличается озон. Значительная примесь озона, как известно, находится в нижних слоях стратосферы (над тропопаузой). Озон поглощает ультрафиолетовые (коротковолновые) лучи почти полностью.

Большой поглотительной способностью отличается также и углекислый газ. Он поглощает главным образом длинноволновые, т. е. преимущественно тепловые лучи.

Пыль, находящаяся в воздухе, также поглощает некоторое количество солнечной радиации. Нагреваясь под действием солнечных лучей, она может заметно повысить температуру воздуха.

Из общего количества солнечной энергии, приходящей к Земле, атмосфера поглощает всего около 15%.

Ослабление солнечной радиации путем рассеивания и поглощения атмосферой для различных широт Земли очень различно. Это различие зависит прежде всего от

-угла падения лучей;

-от времени года;

-от прозрачности атмсферы.

При зенитном положении Солнца лучи, падая вертикально, пересекают атмосферу кратчайшим путем. С уменьшением угла падения путь лучей удлиняется и ослабление солнечной радиации становится более значительным (см таблицу 2)

Таблица 2. Путь солнечного луча через атмосферу в зависимости от широты места и степень его ослабления.

Сложность влияния атмосферы на солнечную радиацию усугубляется еще тем, что пропускная ее способность очень сильно меняется в зависимости от времени года и прозрачности атмосферы. Например облачность в значительной мере ослабляет солнечную радиацию но тепло, поглощенное облаками, частью идет на нагревание атмосферы, а частью косвенным образом достигает и земной поверхности.

Суточный и годовой ход интенсивности солнечной радиации.Интенсивность прямой солнечной радиации у поверхности Земли зависит от высоты Солнца над горизонтом и от состояния атмосферы (от ее запыленности). Если бы прозрачность атмосферы в течение суток была постоянная, то максимальная интенсивность солнечной радиации наблюдалась бы в полдень, а минимальная — при восходе и заходе Солнца.

Содержание пыли, водяного пара и других примесей в атмосфере непрерывно меняется. В летний период, в полуденное время, когда происходит усиленное нагревание земной поверхности, возникают мощные восходящие токи воздуха, увеличивается количество водяного пара и пыли в атмосфере. Это приводит к значительному ослаблению солнечной радиации в полдень; максимум интенсивности радиации в этом случае наблюдается в дополуденные или послеполуденные часы.

Годовой ход интенсивности солнечной радиации также связан с изменениями высоты Солнца над горизонтом в течение года и с состоянием прозрачности атмосферы в различные сезоны. В странах северного полушария наибольшая высота Солнца над горизонтом бывает в июне месяце. Но в это же время наблюдается и наибольшая запыленность атмосферы. Поэтому максимальная интенсивность обычно приходится не на середину лета, а на весенние месяцы, когда Солнце довольно высоко поднимается над горизонтом, а атмосфера после зимы остается еще сравнительно чистой.

Суммарная солнечная радиация.Поверхность Земли в течение дня непрерывно получает тепло от прямой и рассеянной солнечной радиации или только от рассеянной радиации (при пасмурной погоде).

Суточное количество тепла, получаемого земной поверхностью от солнечной радиации, зависит от интенсивности радиации и от продолжительности ее действия в течение суток. В связи с этим минимум притока тепла приходится на зиму, а максимум на лето. В географическом распределении суммарной радиации по земному шару наблюдается ее увеличение с уменьшением широты местности.

Роль прямой и рассеянной радиации в годовом количестве тепла, получаемом земной поверхностью на разных широтах земного шара, неодинакова. В высоких широтах в годовой сумме тепла преобладает рассеянная радиация. С уменьшением широты преобладающее значение переходит к прямой солнечной радиации. Так, например, в бухте Тихой рассеянная солнечная радиация дает 70% годовой суммы тепла, а прямая радиация только 30%. В Ташкенте, наоборот, прямая солнечная радиация дает 70%, рассеянная только 30%.

Отражательная способность Земли. Альбедо.Как уже указывалось, часть солнечной радиации отражается в атмосферу.

Отношение величины солнечной радиации, отраженной данной поверхностью, к величине потока лучистой энергии, падающей на эту поверхность, называется альбедо.

Альбедо выражается в процентах и характеризует отражательную способность данного участка поверхности.

Альбедо зависит от характера поверхности (свойства почвы, наличия снега, растительности, воды и т. д.) и от величины угла падения лучей Солнца на поверхность Земли.

Отражающая способность у различных предметов неодинакова и зависит от высоты Солнца. При высоте солнца 45º она больше всего у снега и меньше всего у воды. При уменьшении угла отражающая способность увеличивается. Так, например, при высоте Солнца в 90° вода отражает только 2%, при 50° — 4%, при 20°—12%, при 5° — 35—70% (в зависимости от состояния водной поверхности).

В среднем при безоблачном небе поверхность земного шара отражает 8% солнечной радиации.

Кроме того, 9% отражает атмосфера.

Таким образом, земной шар в целом при безоблачном небе отражает 17% падающей на него лучистой энергии Солнца.

Если же небо покрыто облаками, то от них отражается 78% радиации.

Если взять естественные условия, исходя из того соотношения между безоблачным небом и небом, покрытым облаками, которое наблюдается в действительности, то отражательная способность Земли в целом равна 43%.

Излучение Земли. Земная и атмосферная радиация.Земля, получая солнечную энергию, нагревается и сама становится источником излучения тепла в мировое пространство. Однако лучи, испускаемые земной поверхностью, резко отличаются от солнечных лучей. Земля излучает лишь длинноволновые (λ 8—14 μ) невидимые инфракрасные (тепловые) лучи. Энергия, излучаемая земной поверхностью, называется земной радиацией.

Излучение Земли происходит и днем и ночью. Интенсивность излучения тем больше, чем выше температура излучающего тела. Земное излучение определяется в тех же единицах, что и солнечное, т. е. в калориях с 1 см 2 поверхности в 1 мин. Наблюдения показали, что величина земного излучения невелика. Обычно она достигает 15—18 сотых калории. Но, действуя непрерывно, она может дать значительный тепловой эффект.

Наиболее сильное земное излучение получается при безоблачном небе и хорошей прозрачности атмосферы. ( это значит поверхность Земли быстрее отдает свое тепло, быстрее остывает).Облачность (особенно низкие облака) значительно уменьшает земное излучение и часто доводит его до нуля.

Части атмосферы подобно участкам земной поверхности излучают энергию в соответствии с их температурой. Эта энергия носит название атмосферной радиации. Интенсивность атмосферной радиации зависит от температуры излучающего участка атмосферы, а также от количества водяных паров и углекислого газа, содержащихся в воздухе. Атмосферная радиация относится к труппе длинноволновой. Распространяется она в атмосфере во всех направлениях; некоторое количество ее достигает земной поверхности и поглощается ею, другая часть уходит в межпланетное пространство.

Нагревание суши.Поверхность суши не однородна. В одних местах обширные просторы степей, лугов и пашен, в других — леса и болота, в третьих — почти лишенные растительного покрова пустыни. Понятно, что условия нагревания земной поверхности в каждом из приведенных нами случаев далеко не одинаковы.

Распределение тепла в воде.Распределение тепла в воде значительно определяется турбулентным перемешиванием. За счет большой теплоемкости воды океаны способны аккумулировать большое количество тепла. Они могут накапливать тепла в 20-30 раз больше чем суша.

Влияние растительного и снежного покрова. Растительный покров затеняет земную поверхность и тем самым уменьшает приток тепла к почве. В ночное время, наоборот, растительный покров предохраняет почву от лучеиспускания. Кроме того, растительный покров испаряет воду, на что тоже расходуется часть лучистой энергии Солнца. В результате почвы, покрытые растительностью, днем нагреваются меньше. Особенно это заметно в лесу, где летом почва значительно холоднее, чем в поле.

Еще большее влияние оказывает снежный покров, который благодаря малой теплопроводности защищает почву от чрезмерного зимнего охлаждения. Из наблюдений, производимых в Лесном (близ Ленинграда), оказалось, что почва, лишенная снежного покрова, в феврале в среднем на 7° холоднее, чем почва, покрытая снегом (данные выведены на основании 15-летних наблюдений). В отдельные годы зимой разность температуры доходила до 20—30°. Из тех же наблюдений оказалось, что почвы, лишенные снежного покрова, промерзли до 1,35 м глубины, тогда как под снежным покровом промерзание не глубже 40 см.

Дата добавления: 2015-08-21 ; просмотров: 1581 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник