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.
| | | следующая лекция ==> | |
| ИЗОТЕРМА ВАНТ — ГОФФА, ВЫВОД И АНАЛИЗ | | | Программирование в Mathcad |
Дата добавления: 2017-09-19 ; просмотров: 2824 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
§ 25. Распределение солнечного света и тепла на поверхности Земли
Изучение параграфа поможет вам:
- узнать о распределении света и тепла на Земле;
- понять, почему на протяжении года изменяется высота Солнца над горизонтом;
- выяснить, какая зависимость существует между высотой Солнца над горизонтом, нагреванием земной поверхности и изменением времён года.
Как изменяется высота Солнца над горизонтом в течение года. Чтобы выяснить это, вспомните результаты своих наблюдений за длиной тени, которую бросает гномон (шест длиной 1 м) в полдень. В сентябре тень была одной длины, в октябре она стала длиннее, в ноябре — еще длиннее, в 20-х числах декабря — наибольшей. С конца декабря тень снова укорачивается. Изменение длины тени гномона свидетельствует, что на протяжении года Солнце в полдень бывает на разной высоте над горизонтом (рис. 73). Чем выше Солнце над горизонтом, тем короче тень. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем тень длиннее. Наиболее высоко поднимается Солнце в Северном полушария 22 июня (в день летнего солнцестояния), а ниже всего — 22 декабря (в день зимнего солнцестояния).
Рис. 73. Изменения высоты Солнца и длины тени на протяжении года
Времена года. Рассмотрите рис. 74. На нём видно, что одно и то же количество света и тепла, поступающее от Солнца, при его высоком положении попадает на меньший участок, а при низком — на больший. Какой участок будет нагреваться больше? Конечно, меньший, поскольку на него лучи приносят столько же света и тепла, как и на большой.
Рис. 74. Зависимость освещения и нагревания поверхности Земли от угла падения солнечных лучей
Следовательно, чем выше Солнце над горизонтом, тем отвеснее падают его лучи, тем больше нагревается земная поверхность, а от неё и воздух. Тогда наступает лето (рис. 75). Чем ниже Солнце над горизонтом, тем под меньшим углом к поверхности падают лучи, тем меньше она нагревается — наступает зима.
Рис. 75. Изменение угла между солнечными лучами и поверхностью Земли с временами года
Чем под большим углом к земной поверхности падают солнечные лучи, тем больше она освещается и нагревается.
Неравномерность распределения солнечного тепла на поверхности Земли. На поверхность шарообразной Земли солнечные лучи падают под разными углами. Под наибольшим углом к поверхности лучи падают на экваторе. По направлениям к полюсам этот угол уменьшается (рис. 76, с. 110).
Рис. 76. Уменьшение угла между солнечными лучами и поверхностью в направлении от экватора к полюсам
Станьте исследователями природы
Продолжим опыты с теллурием. Поставьте глобус так, чтобы лампа освещала полушария равномерно (земная ось всегда должна быть направлена на север). Обратите внимание, что наиболее яркое освещение будет в районе экватора. Ближе к полюсам свет падает всё более рассеянно, а сами полюса едва освещаются косыми лучами. Передвинем глобус по поверхности стола против часовой стрелки вокруг лампы, как мы это делали в предыдущих опытах, сначала на четверть окружности. Хорошо видно, что освещённый участок сместился на север. Освещение на севере — слабое, косыми лучами, но охватывает уже не только полюс, но и всю область вокруг него. При этом и область самого яркого освещения поверхности сместилась от экватора немного севернее. После смещения глобуса на половину окружности такая картина повторится для Южного полушария.
На экваторе солнечные лучи падают почти отвесно. Земная поверхность там получает больше всего солнечного тепла, поэтому в районе экватора жарко круглый год и смены времён года не бывает.
Чем дальше от экватора на север или на юг, тем угол между падающими лучами и поверхностью уменьшается. Вследствие этого меньше нагреваются поверхность и воздух. Становится прохладнее, чем на экваторе. Появляются времена года: зима, весна, лето, осень.
На полюса и приполярные районы зимой солнечные лучи совсем не попадают. Солнце по несколько месяцев не появляется из-за горизонта, и день не наступает. Это явление называется полярная ночь. Поверхность и воздух сильно охлаждаются, поэтому зимы там очень суровы. Летом же Солнце месяцами не заходит за горизонт и светит круглые сутки (ночь не наступает) — это полярный день. Казалось бы, если так долго длится лето, то и поверхность должна была бы значительно нагреваться. Но Солнце там находится низко над горизонтом, его лучи лишь скользят по поверхности Земли и почти не нагревают её. Поэтому лето вблизи полюсов холодное.
Освещение и нагревание поверхности зависят от её расположения на Земле: чем ближе к экватору, тем больше угол между солнечными лучами и поверхностью, тем сильнее она нагревается. По мере удаления от экватора к полюсам угол между лучами и поверхностью уменьшается, она нагревается меньше и становится холоднее.
Значение света и тепла для живой природы. Солнечный свет и тепло необходимы всему живому. Весной и летом, когда света и тепла много, растения находятся в состоянии активной жизнедеятельности. С приходом осени, когда Солнце над горизонтом снижается и уменьшается поступление света и тепла, большинство растений сбрасывают листву. С наступлением зимы, когда продолжительность дня небольшая, природа находится в состоянии покоя, некоторые животные (медведи, барсуки) даже впадают в спячку. Когда наступает весна и Солнце поднимается всё выше, у растений снова начинается активный рост, оживает животный мир. И всё это благодаря Солнцу.
Весной растения начинают бурно развиваться
Станьте исследователями природы
Проведите наблюдения за тем, как листья комнатных растений реагируют на солнечное освещение.
Задание 1. Выясните, как расположены листья комнатного растения, стоящего на подоконнике. Не стало ли оно «однобоким», ведь каждый листок тянется к свету? Запишите в тетради дату и результаты своих наблюдений.
Задание 2. Поверните растение к окну другой стороной.
Задание 3. Примерно через неделю снова рассмотрите расположение листьев. Какие произошли изменения? Дату и результаты этого наблюдения снова запишите в тетради. Объясните причину произошедших изменений.
Копилка знаний
Комнатные растения, такие как монстера, фикус, аспарагус, если их периодически поворачивать относительно падающего света, разрастаются равномерно во все стороны. Но цветущие растения плохо переносят такую перестановку. Азалия, камелия, герань, фуксия, бегония почти сразу сбрасывают бутоны и даже листья. Поэтому во время цветения «чувствительные» растения лучше не переставлять.
Проверка знаний
1. От чего зависит нагревание земной поверхности Солнцем?
2. Почему высота Солнца на протяжении года изменяется?
3. Почему в нашей местности происходит смена времён года?
4. Почему в направлении от экватора к полюсам становится холоднее?
5. Объясните, почему на экваторе нет времён года.
Источник