Тема 4. Термический режим
4.1. Общая характеристика
Тепловым режимом атмосферы называют распределение температуры воздуха и непрерывные изменения этого распределения в атмосфере. Основным источником тепла является лучистая энергия солнца. Поглощение тепла деятельной поверхностью и передача его в атмосферу зависят от теплоемкости, теплопроводности, от цвета, характера подстилающей поверхности и др. факторов. Это обусловливает неравномерное распределение температуры почвы и воздуха на небольших территориях. Поэтому для своевременного учета и правильного использования термических ресурсов при составлении сравнительных характеристик разных природных комплексов необходимо не только уметь пользоваться данными метеорологических станций, но и вести наблюдения за температурой почвы и воздуха на стационарах, географических площадках в школе, на сельскохозяйственных полях и в экспедициях разного назначения.
Деятельной поверхностью называется слой, в котором происходит преобразование лучистой энергии солнца в тепловую энергию. Передача тепла от деятельной поверхности в атмосферу осуществляется благодаря следующим физическим процессам, наблюдающимся в атмосфере.
Турбулентный теплообмен. Турбулентностью называют хаотическое вертикальное и горизонтальное перемешивание воздуха в общем потоке ветра. С увеличением скорости ветра турбулентность усиливается, образуются вихри различных размеров, вызывающие порывистость ветра и повышающие интенсивность передачи тепла в атмосферу. Передача тепла от деятельной поверхности в нижние слои атмосферы этим путем происходит в тысячи раз интенсивнее молекулярного.
Тепловая конвекция. Конвекцией называют упорядоченное вертикальное движение воздуха от деятельной поверхности в атмосферу. При неравномерном нагревании различных участков, над более прогретыми участками теплый воздух становится легче холодного и поднимается выше. На место ушедшего вверх воздуха поступает менее нагретый воздух от соседних участков. Он в свою очередь тоже прогревается и начинает подниматься. Так возникает восходящий поток воздуха, переносящий тепло от деятельного слоя в вышележащие слои атмосферы.
Радиационная теплопроводность является третьим процессом передачи тепла. Перенос тепла данным путем происходит за счет излучения деятельной поверхностью тепловой (длинноволновой) радиации. По мере нагревания атмосферы тепловые потоки идут и обратно к земной поверхности. Действие этих потоков в нижних слоях атмосферы проявляется наиболее четко в ночные часы, когда солнечная радиация не поступает, турбулентность ослаблена, а тепловая конвекция отсутствует.
Передача тепла в атмосферу происходит также за счет процессов фазового перехода воды из одного состояния в другое, то есть за счет процессов
испарения и конденсации (сублимации) водяного пара. На испарение 1г воды с деятельной поверхности расходуется около 2,5 Дж тепла, с поверхности льда – 2,83 Дж тепла. Эти величины, соответственно, называются скрытой теплотой парообразования над водой и над льдом :
а) (Lвода = 2,5 Дж/г) б) (Lлед = 2,83 Дж/г).
Водяной пар поднимается в верхние слои атмосферы и по мере охлаждения переходит из парообразного в жидкое состояние (конденсация), или минуя жидкое – в твердое состояние (сублимация). При этих процессах выделяется тепло, которое идет на нагревание воздуха.
Молекулярный теплообмен. Так называют обмен теплом между деятельной поверхностью и прилегающим слоем атмосферы, когда передача тепла происходит за счет молекулярной теплопроводности неподвижного воздуха. Практически неподвижным воздух может быть только при штилевой погоде или в густом растительном покрове, например, в тайге, под пологом леса. Так как коэффициент молекулярной теплопроводности воздуха очень мал (γ =2,4•10-2 Вт/м•К, или γ = 5,8•10-5 кал/(см•с•ºС), то значение этого теплообмена ничтожно мало по сравнению с предыдущими процессами.
Перечисленные формы передачи тепла характеризуют теплообмен между деятельной поверхностью и атмосферой по вертикали. Но температура воздуха в конкретном месте может изменяться и в результате адвекции, то есть передвижения воздушных масс по горизонтали. Выделяют адвекцию тепла, когда температура приходящей воздушной массы выше, чем в данной точке и, наоборот, при поступлении холодного воздуха на данную точку отмечают адвекцию холода.
Температуру воздуха, а также почвы и воды в метеорологии в большинстве стран измеряют в единицах СИ, т.е. в градусах Международной температурной шкалы (в градусах Цельсия (°С). Градус температурной шкалы Цельсия составляет 1/100 интервала между точками таяния льда (0°С) и кипения воды (100 °С) при нормальном давлении 1013,3 гПа. Наряду со шкалой Цельсия широко распространена абсолютная шкала температур, называемой шкалой Кельвина (К). Нуль этой шкалы соответствует полному прекращению теплового хаотического движения молекул, т.е. самой низкой температуре. По шкале Цельсия это будет (–273,15 °С). Единица абсолютной шкалы Кельвина равна единице шкалы Цельсия: 1К = 1 °С. Связь между этими температурами определяется соотношением:
ТК = t°С + 273,15 К.
В США, Англии и в некоторых других странах до сих пор используется температурная шкала Фаренгейта (Ϝ). По шкале Фаренгейта точка таяния льда 0 °С соответствует +32 °Ϝ, а 100°С равно +212 °Ϝ. Отсюда видно, что для перевода значений температуры из одной шкалы в другую можно использовать следующие формулы:
t°С = (5/9)( t°Ϝ – 32) и
t°Ϝ = (9/5)t°С +32.