Ravnoteža zračenja je razlika između priliva i odliva energije zračenja koju apsorbuje i emituje Zemljina površina.

Bilans zračenja - algebarski zbir tokova zračenja u određenom volumenu ili na određenoj površini. Govoreći o radijacijskom balansu atmosfere ili sistemu "Zemlja - atmosfera", najčešće se misli na radijacionu ravnotežu zemljine površine koja određuje prijenos topline na donjoj granici atmosfere. Predstavlja razliku između apsorbovanog ukupnog sunčevog zračenja i efektivnog zračenja zemljine površine.

Bilans zračenja je razlika između dolazne i odlazeće energije zračenja koju apsorbuje i emituje Zemljina površina.

Ravnoteža zračenja je najvažniji klimatski faktor, budući da raspodjela temperature u tlu i slojevima zraka uz njega uvelike ovisi o njegovoj vrijednosti. Zavisi od njega fizička svojstva mase zraka koje se kreću Zemljom, kao i intenziteta isparavanja i topljenja snijega.

Raspodjela godišnjih vrijednosti radijacijske ravnoteže na površini globusa nije ista: u tropskim geografskim širinama te vrijednosti dosežu do 100 ... 120 kcal/(cm2-godišnje), a maksimum ( do 140 kcal/(cm2-godišnje)) uočene su kod sjeverozapadne obale Australije). U pustinjskim i sušnim regijama vrijednosti radijacijske ravnoteže su niže u odnosu na područja dovoljne i prekomjerne vlage na istim geografskim širinama. To je uzrokovano povećanjem albeda i povećanjem efektivnog zračenja zbog velike suhoće zraka i niske oblačnosti. U umjerenim geografskim širinama, vrijednosti radijacijske ravnoteže brzo se smanjuju s povećanjem geografske širine zbog smanjenja ukupnog zračenja.

U prosjeku, tokom godine, sume radijacijskog bilansa za cijelu površinu zemaljske kugle pokazuju se pozitivnim, s izuzetkom područja sa trajnim ledenim pokrivačem (Antarktik, središnji dio Grenlanda, itd.).

Energija, mjerena vrijednošću bilansa zračenja, dijelom se troši na isparavanje, dijelom se prenosi u zrak i, konačno, određena količina energije odlazi u tlo i odlazi na njegovo zagrijavanje. Dakle, ukupni ulaz i izlaz toplote za Zemljinu površinu, nazvan toplotni bilans, može se predstaviti kao sljedeća jednačina:

Ovdje je B bilans zračenja, M je toplinski tok između površine Zemlje i atmosfere, V je potrošnja topline za isparavanje (ili oslobađanje topline tokom kondenzacije), T je izmjena topline između površine tla i dubokih slojeva.

Slika 16 – Uticaj sunčevog zračenja na površinu Zemlje

U prosjeku, tokom godine tlo zraku praktički daje onoliko topline koliko i prima, pa je prema godišnjim zaključcima promet topline u tlu jednak nuli. Potrošnja topline za isparavanje raspoređena je po površini kugle vrlo neravnomjerno. Na okeanima, oni zavise od količine sunčeve energije koja dopire do površine okeana, kao i od prirode okeanskih struja. Tople struje povećavaju potrošnju toplote za isparavanje, dok je hladne smanjuju. Na kontinentima trošak topline za isparavanje određen je ne samo količinom sunčevog zračenja, već i rezervama vlage sadržanim u tlu. Uz nedostatak vlage, što uzrokuje smanjenje isparavanja, smanjuju se troškovi topline za isparavanje. Stoga su u pustinjama i polupustinjama značajno smanjene.

Praktično jedini izvor energije za sve fizički procesi razvija se u atmosferi sunčevo zračenje. glavna karakteristika režim zračenja atmosfere tzv. efekat staklene bašte: atmosfera slabo apsorbuje kratkotalasnu sunčevu radijaciju (većina dospeva do površine Zemlje), ali odlaže dugotalasno (sve infracrveno) zračenje termičko zračenje zemljine površine, što značajno smanjuje prenos toplote Zemlje u svemir i povećava njenu temperaturu.

Sunčevo zračenje koje ulazi u atmosferu djelomično se apsorbira u atmosferi, uglavnom vodenom parom, ugljičnim dioksidom, ozonom i aerosolima, a raspršuje se česticama aerosola i fluktuacijama gustine atmosfere. Zbog raspršivanja sunčeve energije zračenja u atmosferi, uočava se ne samo direktno sunčevo, već i raspršeno zračenje, koje zajedno čine ukupno zračenje. Dospijevajući na površinu zemlje, ukupna radijacija se djelimično odbija od nje. Količina reflektovanog zračenja određena je reflektivnošću donje površine, tzv. albedo. Zbog apsorbiranog zračenja, Zemljina površina se zagrijava i postaje izvor vlastitog dugovalnog zračenja usmjerenog prema atmosferi. Zauzvrat, atmosfera također emituje dugovalno zračenje usmjereno prema površini zemlje (tzv. kontra-zračenje atmosfere) i svemiru (tzv. izlazno zračenje). Racionalna razmjena topline između zemljine površine i atmosfere određena je efektivnim zračenjem – razlikom između zračenja Zemljine površine i atmosferskog protuzračenja koje ono apsorbira. Razlika između kratkotalasnog zračenja koje apsorbuje zemljina površina i efektivnog zračenja naziva se ravnoteža zračenja.

Transformacije energije sunčevog zračenja nakon njegove apsorpcije na zemljinoj površini iu atmosferi čine toplotni bilans Zemlje. Glavni izvor toplote za atmosferu je Zemljina površina, koja apsorbuje većinu sunčevog zračenja. Budući da je apsorpcija sunčevog zračenja u atmosferi manja od gubitka topline iz atmosfere u svjetski prostor dugovalnim zračenjem, radijativna potrošnja topline se kompenzira prilivom topline u atmosferu sa zemljine površine u obliku turbulentnog prijenosa topline i dolaska topline kao rezultat kondenzacije vodene pare u atmosferi. Budući da je ukupna količina kondenzacije u cijeloj atmosferi jednaka količini padavina, kao i količini isparavanja sa zemljine površine, priliv kondenzacijske topline u atmosferu je brojčano jednak toplini utrošenoj na isparavanje na Zemljinoj površini. površine.

Razmotrimo prvo termičke uslove zemljine površine i najviših slojeva tla i vodenih tijela. To je neophodno jer se donji slojevi atmosfere najviše zagrijavaju i hlade radijacijskom i neradijativnom razmjenom topline sa gornjim slojevima tla i vode. Stoga su promjene temperature u nižim slojevima atmosfere prvenstveno određene promjenama temperature zemljine površine i prate te promjene.

Zemljina površina, tj. površina tla ili vode (kao i vegetacija, snijeg, ledeni pokrivač), kontinuirano i na različite načine prima i gubi toplinu. Kroz zemljinu površinu, toplota se prenosi nagore - u atmosferu i naniže - u tlo ili vodu.

Prvo, ukupno zračenje i protuzračenje atmosfere ulaze na površinu zemlje. U većoj ili manjoj mjeri ih apsorbira površina, tj. koriste se za zagrijavanje gornjih slojeva tla i vode. U isto vrijeme, sama površina zemlje zrači i time gubi toplinu.

Drugo, toplota dolazi na površinu zemlje odozgo, iz atmosfere, kroz turbulentno provođenje toplote. Na isti način, toplota izlazi sa površine zemlje u atmosferu. Kondukcijom, toplina također napušta zemljinu površinu u tlo i vodu, ili dolazi na površinu zemlje iz dubine tla i vode.

Treće, Zemljina površina prima toplinu kada se vodena para kondenzira na njoj iz zraka ili gubi toplinu kada voda isparava iz nje. U prvom slučaju se ističe latentna toplota, u drugoj toploti prelazi u latentno stanje.

Nećemo se zadržavati na manje važnim procesima (na primjer, trošenje topline za otapanje snijega koji leži na površini ili širenje topline u dubinu tla zajedno s oborinskom vodom).

Razmotrimo Zemljinu površinu kao idealiziranu geometrijsku površinu bez debljine, čiji je toplinski kapacitet, dakle, jednak nuli. Tada je jasno da će u bilo kom vremenskom periodu ista količina toplote ići gore-dole sa zemljine površine kao što prima odozgo i odozdo u isto vreme. Naravno, ako uzmemo u obzir ne površinu, već neki sloj zemljine površine, onda možda neće biti jednakosti ulaznih i izlaznih toplotnih tokova. U ovom slučaju, višak dolaznih toplotnih tokova nad izlaznim, u skladu sa zakonom održanja energije, koristiće se za zagrevanje ovog sloja, au suprotnom za njegovo hlađenje.

Dakle, algebarski zbir svih priliva i odliva toplote na zemljinoj površini mora biti jednak nuli - ovo je jednačina toplotni bilans zemljine površine. Da bismo napisali jednadžbu toplotnog bilansa, kombinujemo apsorbovano zračenje i efektivno zračenje u ravnotežu zračenja:

B = (S grijeh h + D)(1 – A) – E s .

Dolazak topline iz zraka ili njeno oslobađanje u zrak toplinskim vođenjem označava se slovom R. Isti prihod ili potrošnja razmjenom topline sa dubljim slojevima tla ili vode označit će se sa G. Gubitak topline prilikom isparavanja ili njen dolazak pri kondenzaciji na zemljinu površinu će biti označen LE, gdje L – specifična toplota isparavanje i E je masa isparene ili kondenzovane vode. Prisjetimo se još jedne komponente - energije utrošene na fotosintetske procese - PAR je, međutim, vrlo mali u usporedbi s ostalima, stoga u većini slučajeva nije naznačen u jednadžbi. Tada jednačina toplotnog bilansa zemljine površine poprima oblik

AT+ R+ G + LE + Q PAR = 0 ili AT+ R+ G + LE = 0

Također se može primijetiti da je značenje jednačine da je radijacijska ravnoteža na površini zemlje uravnotežena neradijativnim prijenosom topline.

Jednačina toplotnog bilansa vrijedi za bilo koje vrijeme, uključujući i višegodišnji period.

Činjenica da je toplotni bilans zemljine površine jednak nuli ne znači da se temperatura površine ne mijenja. Ako je prijenos topline usmjeren prema dolje, tada toplina koja dolazi na površinu odozgo i ostavlja je duboko u nju ostaje u velikoj mjeri u najgornjem sloju tla ili vode - u takozvanom aktivnom sloju. Temperatura ovog sloja, shodno tome, raste i temperatura zemljine površine. Kada se toplota prenosi kroz zemljinu površinu odozdo prema gore, u atmosferu, toplota izlazi, pre svega, iz aktivnog sloja, usled čega temperatura površine pada.

Iz dana u dan i iz godine u godinu prosječna temperatura aktivni sloj i površina zemlje na bilo kom mjestu se malo mijenjaju. To znači da tokom dana u dubinu tla ili vode tokom dana ulazi onoliko toplote koliko noću napušta. Budući da tokom ljetnog dana više topline odlazi dolje nego što dolazi odozdo, slojevi tla i vode i njihova površina se zagrijavaju iz dana u dan. Zimi se dešava obrnuti proces. Sezonske promjene u unosu i izlazu topline u tlu i vodi su gotovo uravnotežene tokom godine, a prosječna godišnja temperatura zemljine površine i aktivnog sloja malo varira iz godine u godinu.

Postoje drastične razlike u grijaćim i toplinskim karakteristikama površinskih slojeva tla i gornjih slojeva vodenih bazena. U tlu se toplota širi vertikalno molekularnim provođenjem toplote, a u vodi koja se lagano kreće, takođe turbulentnim mešanjem slojeva vode, što je mnogo efikasnije. Turbulencija u vodnim tijelima prvenstveno je uzrokovana valovima i strujama. Noću iu hladnoj sezoni ovoj vrsti turbulencije pridružuje se i termička konvekcija: voda ohlađena na površini zbog povećane gustine tone prema dolje i zamjenjuje se toplijom vodom iz nižih slojeva. U okeanima i morima, isparavanje također igra ulogu u miješanju slojeva i u prijenosu topline povezan s tim. Sa značajnim isparavanjem s površine mora, gornji sloj vode postaje slaniji, a samim tim i gušći, zbog čega voda tone s površine u dubinu. Osim toga, zračenje prodire dublje u vodu u odnosu na tlo. Konačno, toplinski kapacitet vode je veći od toplotnog kapaciteta tla, a ista količina topline zagrijava masu vode na nižu temperaturu od iste mase tla.

Kao rezultat toga, dnevne temperaturne fluktuacije u vodi sežu do dubine od oko desetine metara, au tlu - manje od jednog metra. Godišnje temperaturne fluktuacije u vodi sežu do dubine stotina metara, au tlu - samo 10-20 m.

Dakle, toplina koja dolazi na površinu vode tokom dana i ljeta prodire na znatnu dubinu i zagrijava veliku debljinu vode. Temperatura gornjeg sloja i same površine vode istovremeno malo raste. U tlu se ulazna toplota raspoređuje u tankom gornjem sloju, koji je veoma vruć. Član G u jednadžbi toplotnog bilansa za vodu je mnogo veća nego za tlo, i P shodno tome manje.

Noću i zimi voda gubi toplinu iz površinskog sloja, ali umjesto nje dolazi akumulirana toplina iz donjih slojeva. Stoga se temperatura na površini vode polako smanjuje. Na površini tla temperatura brzo opada tokom prijenosa topline: toplina akumulirana u tankom gornjem sloju brzo ga napušta i odlazi bez dopunjavanja odozdo.

Kao rezultat toga, tokom dana i ljeta temperatura na površini tla je viša od temperature na površini vode; niže noću i zimi. To znači da su dnevne i godišnje fluktuacije temperature na površini tla veće, i mnogo veće nego na površini vode.

Zbog ovih razlika u distribuciji toplote, vodeni bazen akumulira veliku količinu toplote u dovoljno debelom sloju vode tokom tople sezone, koja se ispušta u atmosferu tokom hladne sezone. Zemljište tokom tople sezone odaje noću većinu toplote koju primi tokom dana, a malo je akumulira zimi. Zbog toga je temperatura zraka nad morem niža ljeti, a viša zimi nego nad kopnom.

Razmotrimo, uz atmosferu, i termički režim aktivnog sloja Zemlje. Aktivni sloj je takav sloj zemlje ili vode čija temperatura doživljava dnevne i godišnje fluktuacije. Zapažanja pokazuju da se na kopnu dnevne fluktuacije šire do dubine od 1 - 2 m, godišnje fluktuacije - do sloja od nekoliko desetina metara. U morima i okeanima, debljina aktivnog sloja je deset puta veća nego na kopnu. Veza između termičkih režima atmosfere i aktivnog sloja Zemlje vrši se pomoću takozvane jednadžbe toplotnog bilansa zemljine površine. Ova jednadžba je prvi put korištena 1941. godine za izgradnju teorije dnevne varijacije temperature zraka od strane A.A. Dorodnitsyn. U narednim godinama, jednadžbu toplotnog bilansa naširoko su koristili mnogi istraživači za proučavanje različitih svojstava površinskog sloja atmosfere, sve do procjene promjena koje će se dogoditi pod utjecajem aktivnih utjecaja, na primjer, na ledenom pokrivaču atmosfere. Arctic. Zaustavimo se na izvođenju jednadžbe za toplinski bilans zemljine površine. Sunčevo zračenje koje je stiglo na površinu zemlje apsorbuje se na kopnu u tankom sloju čija će debljina biti označena sa (sl. 1). Osim toka sunčevog zračenja, zemljina površina prima toplinu u obliku toka infracrvenog zračenja iz atmosfere, gubi toplinu kroz vlastito zračenje.

Rice. jedan.

U tlu svaki od ovih tokova prolazi kroz promjenu. Ako se u elementarnom sloju debljine (- dubina računata od površine do dubine tla) fluks F promijenio za dF, onda možemo napisati

gdje je a koeficijent apsorpcije, gustina tla. Integracijom posljednje relacije u rasponu od do dobijamo

gdje je dubina na kojoj se protok smanjuje za faktor e u poređenju sa protokom F(0) at. Uz zračenje, prijenos topline se odvija turbulentnom izmjenom površine tla sa atmosferom i molekularnom razmjenom sa slojevima ispod tla. Pod uticajem turbulentne razmene, tlo gubi ili prima količinu toplote jednaku

Osim toga, voda isparava s površine tla (ili se vodena para kondenzira), što troši količinu topline

Molekularno strujanje kroz donju granicu sloja zapisuje se kao

gdje je koeficijent toplotne provodljivosti tla, je njegov specifična toplota, - koeficijent molekularne termičke difuzivnosti.

Pod utjecajem dotoka topline mijenja se temperatura tla, a na temperaturama blizu 0 led se topi (ili se smrzava voda). Na osnovu zakona održanja energije u vertikalnom stubu tla možemo zapisati debljinu.

U jednadžbi (19), prvi član na lijevoj strani je količina topline koja se troši na promjenu toplinskog sadržaja cm 3 tla u jedinici vremena, a druga količina topline koja se koristi za otapanje leda (). Na desnoj strani svi toplotni tokovi koji ulaze u sloj tla kroz gornju i donju granicu uzimaju se sa znakom „+“, a oni koji napuštaju sloj uzimaju se sa znakom „-“. Jednačina (19) je jednačina toplinskog bilansa za debljinu sloja tla. U takvim opšti pogled ova jednadžba nije ništa drugo do jednačina toplinskog dobitka napisana za sloj konačne debljine. Iz njega nije moguće izvući nikakve dodatne informacije (u poređenju sa jednadžbom toplotnog priliva) o toplotnom režimu vazduha i tla. Međutim, moguće je naznačiti nekoliko posebnih slučajeva jednačine toplinskog bilansa, kada se ona može koristiti kao nezavisna od diferencijalne jednadžbe granični uslov. U ovom slučaju, jednadžba toplotnog bilansa omogućava određivanje nepoznate temperature zemljine površine. Slijede takvi posebni slučajevi. Na zemljištu koje nije pokriveno snijegom ili ledom vrijednost je, kao što je već naznačeno, prilično mala. Istovremeno, odnos prema svakoj od veličina koje su reda molekularnog raspona je prilično velik. Kao rezultat toga, jednadžba za zemljište u odsustvu procesa topljenja leda može se napisati sa dovoljnim stepenom tačnosti u obliku:

Zbir prva tri člana u jednačini (20) nije ništa drugo do ravnoteža zračenja R zemljine površine. Dakle, jednadžba za toplinski bilans površine kopna ima oblik:

Jednačina toplinskog bilansa u obliku (21) koristi se kao granični uvjet u proučavanju toplinskog režima atmosfere i tla.

Da bi se pravilno procenio stepen zagrevanja i hlađenja različitih zemljanih površina, izračunati isparavanje za , utvrditi promene sadržaja vlage u tlu, razviti metode za predviđanje smrzavanja, a takođe proceniti uticaj melioracionih radova na klimatske uslove zemlje. površinskog vazdušnog sloja, potrebni su podaci o toplotnom bilansu zemljine površine.

Zemljina površina kontinuirano prima i gubi toplinu kao rezultat izlaganja raznim tokovima kratkotalasnog i dugovalnog zračenja. Apsorbirajući u većoj ili manjoj mjeri ukupno zračenje i protuzračenje, površina zemlje se zagrijava i emituje dugovalno zračenje, što znači da gubi toplinu. Vrijednost koja karakterizira gubitak topline zemlje
površina je efektivno zračenje. Jednaka je razlici između vlastitog zračenja zemljine površine i protuzračenja atmosfere. Budući da je protuzračenje atmosfere uvijek nešto manje od Zemljinog, ova razlika je pozitivna. Danju, efektivno zračenje je blokirano apsorbovanim kratkotalasnim zračenjem. Noću, u nedostatku kratkotalasnog sunčevog zračenja, efektivno zračenje snižava temperaturu zemljine površine. U oblačnom vremenu, zbog povećanja kontra zračenja atmosfere, efektivno zračenje je mnogo manje nego pri vedrom vremenu. Manje i noćno hlađenje zemljine površine. U srednjim geografskim širinama, Zemljina površina gubi efektivnim zračenjem oko polovine količine toplote koju primaju od apsorbovanog zračenja.

Dolazak i potrošnja energije zračenja procjenjuje se vrijednošću radijacijske ravnoteže zemljine površine. Ona je jednaka razlici između apsorbovanog i efektivnog zračenja, od toga zavisi toplotno stanje zemljine površine - njeno zagrevanje ili hlađenje. Tokom dana je skoro cijelo vrijeme pozitivna, odnosno unos topline premašuje potrošnju. Noću je bilans zračenja negativan i jednak efektivnom zračenju. Godišnje vrijednosti radijacijske ravnoteže zemljine površine, sa izuzetkom najviših geografskih širina, svuda su pozitivne. Ovaj višak topline troši se na zagrijavanje atmosfere turbulentnim provođenjem topline, na isparavanje i na razmjenu topline sa dubljim slojevima tla ili vode.

Ako posmatramo temperaturne uslove za duži period (godina ili bolje nekoliko godina), onda su Zemljina površina, atmosfera posebno i sistem „Zemlja-atmosfera“ u stanju termičke ravnoteže. Njihova prosječna temperatura malo varira iz godine u godinu. U skladu sa zakonom održanja energije, možemo pretpostaviti da je algebarski zbir toplotnih tokova koji dolaze do površine zemlje i napuštaju je jednak nuli. Ovo je jednadžba za toplinski bilans zemljine površine. Njegovo značenje je da je radijacijska ravnoteža zemljine površine uravnotežena prijenosom topline bez zračenja. Jednačina toplotnog bilansa, po pravilu, ne uzima u obzir (zbog njihove malenosti) tokove kao što su toplota nošena padavinama, potrošnja energije za fotosintezu, toplotni dobitak od oksidacije biomase, kao ni potrošnja toplote za topljenje leda ili snega. , toplotni dobitak od smrzavanja vode.

Toplotna ravnoteža sistema "Zemlja-atmosfera" u dužem vremenskom periodu je takođe jednaka nuli, tj. Zemlja kao planeta je u toplotnoj ravnoteži: sunčevo zračenje koje dolazi na gornju granicu atmosfere balansira se zračenjem koje odlazi atmosferu sa gornje granice atmosfere.

Ako zrak koji dolazi do gornje granice uzmemo kao 100%, onda se 32% ove količine raspršuje u atmosferi. Od toga se 6% vraća u svetski prostor. Shodno tome, 26% dolazi na površinu zemlje u obliku raspršenog zračenja; 18% zračenja apsorbuje se ozon, aerosoli i koristi se za zagrijavanje atmosfere; 5% apsorbuju oblaci; 21% radijacije izlazi u svemir kao rezultat refleksije od oblaka. Dakle, zračenje koje dolazi na površinu zemlje iznosi 50%, od čega direktno zračenje čini 24%; Zemljina površina apsorbuje 47%, a 3% dolaznog zračenja se reflektuje nazad u svemir. Kao rezultat toga, 30% sunčevog zračenja bježi s gornje granice atmosfere u svemir. Ova vrijednost se naziva planetarni albedo Zemlje. Za sistem Zemlja-atmosfera, 30% reflektovanog i raspršenog sunčevog zračenja, 5% zemaljskog zračenja i 65% atmosferskog zračenja, odnosno samo 100%, vraća se u svemir kroz gornju granicu atmosfere.

Razmotrimo prvo termičke uslove zemljine površine i najviših slojeva tla i vodenih tijela. To je neophodno jer se donji slojevi atmosfere najviše zagrijavaju i hlade radijacijskom i neradijativnom razmjenom topline sa gornjim slojevima tla i vode. Stoga su promjene temperature u nižim slojevima atmosfere prvenstveno određene promjenama temperature zemljine površine i prate te promjene.

Zemljina površina, odnosno površina tla ili vode (kao i vegetacija, snijeg, ledeni pokrivač), kontinuirano prima i gubi toplinu na različite načine. Kroz zemljinu površinu, toplota se prenosi nagore - u atmosferu i naniže - u tlo ili vodu.

Prvo, ukupno zračenje i protuzračenje atmosfere ulaze na površinu zemlje. Oni se u većoj ili manjoj mjeri apsorbiraju na površini, odnosno idu na zagrijavanje gornjih slojeva tla i vode. U isto vrijeme, sama površina zemlje zrači i gubi toplinu u tom procesu.

Drugo, toplota dolazi na površinu zemlje odozgo, iz atmosfere, provodljivošću. Na isti način, toplota izlazi sa površine zemlje u atmosferu. Kondukcijom, toplina također napušta zemljinu površinu u tlo i vodu, ili dolazi na površinu zemlje iz dubine tla i vode.

Treće, Zemljina površina prima toplinu kada se na njoj kondenzira vodena para iz zraka ili, naprotiv, gubi toplinu kada voda isparava iz nje. U prvom slučaju se oslobađa latentna toplina, u drugom slučaju toplina prelazi u latentno stanje.

U bilo kom vremenskom periodu, ista količina toplote ide gore-dole sa zemljine površine koju prima odozgo i odozdo za to vreme. Da je drugačije, zakon održanja energije ne bi bio ispunjen: bilo bi potrebno pretpostaviti da energija nastaje ili nestaje na površini zemlje. Međutim, moguće je da, na primjer, više topline može ići gore nego što je došlo odozgo; u ovom slučaju, višak prijenosa topline treba pokriti dolaskom topline na površinu iz dubine tla ili vode.

Dakle, algebarski zbir svih prihoda i troškova toplote na zemljinoj površini trebao bi biti jednak nuli. Ovo se izražava jednadžbom toplotnog bilansa zemljine površine.

Da bismo napisali ovu jednačinu, prvo kombinujemo apsorbovano zračenje i efektivno zračenje u ravnotežu zračenja.

Dolazak toplote iz vazduha ili njeno vraćanje u vazduh toplotnim provođenjem označićemo sa P. Isti prihod ili potrošnja razmenom toplote sa dubljim slojevima zemlje ili vode nazvaćemo A. Gubitak toplote pri isparavanju ili njenom dolazak u toku kondenzacije na zemljinu površinu označićemo sa LE, gde je L specifična toplota isparavanja, a E masa isparene ili kondenzovane vode.

Takođe se može reći da je značenje jednačine da je radijacijska ravnoteža na površini zemlje uravnotežena neradijativnim prijenosom topline (slika 5.1).

Jednačina (1) vrijedi za bilo koji vremenski period, uključujući i više godina.

Činjenica da je toplotni bilans zemljine površine jednak nuli ne znači da se temperatura površine ne mijenja. Kada je prijenos topline usmjeren prema dolje, toplina koja dolazi na površinu odozgo i ostavlja je duboko u nju ostaje u velikoj mjeri u najgornjem sloju tla ili vode (u tzv. aktivnom sloju). Temperatura ovog sloja, a samim tim i temperatura zemljine površine, takođe raste. Naprotiv, kada se toplota prenosi kroz zemljinu površinu odozdo prema gore, u atmosferu, toplota izlazi prvenstveno iz aktivnog sloja, usled čega temperatura površine pada.

Iz dana u dan i iz godine u godinu, prosječna temperatura aktivnog sloja i zemljine površine na bilo kojem mjestu malo varira. To znači da tokom dana skoro isto toliko toplote ulazi u dubinu tla ili vode tokom dana koliko i izlazi noću. Ali ipak, tokom ljetnih dana, toplina opada malo više nego što dolazi odozdo. Stoga se slojevi tla i vode, a samim tim i njihova površina, zagrijavaju iz dana u dan. Zimi se dešava obrnuti proces. Ove sezonske promjene u unosu topline – potrošnja topline u tlu i vodi gotovo se izjednačavaju tokom godine, a prosječna godišnja temperatura zemljine površine i aktivnog sloja malo varira iz godine u godinu.

Toplotni bilans Zemlje- odnos prihoda i potrošnje energije (zračeće i toplotne) na površini zemlje, u atmosferi i sistemu Zemlja-atmosfera. Glavni izvor energije za ogromnu većinu fizičkih, hemijskih i bioloških procesa u atmosferi, hidrosferi i u gornjim slojevima litosfere je sunčevo zračenje, pa distribucija i odnos komponenti toplotnog bilansa karakterišu njegove transformacije u ovim školjke.

Toplotni bilans je posebna formulacija zakona održanja energije i sastavlja se za dio Zemljine površine (toplotni bilans zemljine površine); za vertikalni stub koji prolazi kroz atmosferu (toplotni bilans atmosfere); za isti stub koji prolazi kroz atmosferu i gornje slojeve litosfere ili hidrosfere (toplinska ravnoteža sistema Zemlja-atmosfera).

Jednačina za toplotnu ravnotežu zemljine površine:

R + P + F0 + LE = 0. (15)

predstavlja algebarski zbir tokova energije između elementa zemljine površine i okolnog prostora. U ovoj formuli:

R - bilans zračenja, razlika između apsorbovanog kratkotalasnog sunčevog zračenja i dugotalasnog efektivnog zračenja sa zemljine površine.

P je toplotni tok koji se javlja između donje površine i atmosfere;

F0 - toplotni tok se posmatra između zemljine površine i dubljih slojeva litosfere ili hidrosfere;

LE - potrošnja toplote za isparavanje, koja se definiše kao proizvod mase isparene vode E i toplote isparavanja L toplotnog bilansa

Ovi tokovi uključuju bilans zračenja (ili zaostalo zračenje) R - razliku između apsorbovanog kratkotalasnog sunčevog zračenja i dugotalasnog efektivnog zračenja sa zemljine površine. Pozitivna ili negativna vrijednost bilansa zračenja kompenzira se s nekoliko toplinskih tokova. Pošto temperatura zemljine površine obično nije jednaka temperaturi vazduha, između donje površine i atmosfere nastaje toplotni tok P. Sličan toplotni tok F0 primećuje se između zemljine površine i dubljih slojeva litosfere ili hidrosfere. U ovom slučaju, toplotni tok u tlu je određen molekularnom toplotnom provodljivošću, dok u vodnim tijelima prijenos topline u pravilu ima turbulentan karakter u većoj ili manjoj mjeri. Toplotni tok F0 između površine rezervoara i njegovih dubljih slojeva je numerički jednaka je promjeni toplotni sadržaj rezervoara za dati vremenski interval i prenos toplote strujama u rezervoaru. U toplotnom bilansu zemljine površine obično je od značajnog značaja potrošnja toplote za isparavanje LE, koja se definiše kao proizvod mase isparene vode E i toplote isparavanja L. Vrednost LE zavisi od vlaženja vode. zemljine površine, njene temperature, vlažnosti vazduha i intenziteta turbulentnog prenosa toplote u površinskom sloju vazduha, što određuje brzinu prenosa vodene pare sa zemljine površine u atmosferu.

Jednačina toplotnog bilansa atmosfere ima oblik:

Ra + Lr + P + Fa = ΔW, (16)

gdje je ΔW promjena sadržaja topline unutar vertikalnog zida atmosferskog stupa.

Toplotni bilans atmosfere sastoji se od njenog radijacionog balansa Ra; ulaz ili izlaz toplote Lr tokom faznih transformacija vode u atmosferi (r je zbir padavina); dolazak ili potrošnja toplote P, usled turbulentne razmene toplote atmosfere sa zemljinom površinom; toplotni dobitak ili gubitak Fa uzrokovan razmjenom topline kroz vertikalne zidove stupa, što je povezano s uređenim atmosferskim kretanjima i makroturbulencijom. Osim toga, jednadžba za toplotnu ravnotežu atmosfere uključuje pojam ΔW, jednak promjene u sadržaju topline unutar kolone.

Jednačina toplotnog bilansa za sistem Zemlja-atmosfera odgovara algebarskom zbiru članova jednačina za toplotnu ravnotežu zemljine površine i atmosfere. Komponente toplotnog bilansa zemljine površine i atmosfere za različite regione zemaljske kugle određuju se meteorološkim osmatranjima (na aktinometrijskim stanicama, na posebnim stanicama toplotnog bilansa, na meteorološkim satelitima Zemlje) ili klimatološkim proračunima.

Prosječne geografske vrijednosti komponenti toplotnog bilansa zemljine površine za okeane, kopno i Zemlju i toplotne ravnoteže atmosfere date su u tabelama, gdje se razmatraju vrijednosti pojmova toplinske ravnoteže pozitivni ako odgovaraju dolasku topline. S obzirom da se ove tabele odnose na prosječne godišnje uslove, one ne sadrže pojmove koji karakterišu promjene toplotnog sadržaja atmosfere i gornjih slojeva litosfere, jer su za ove uslove blizu nule.

Za Zemlju kao planetu, zajedno sa atmosferom, dijagram toplotne ravnoteže prikazan je na Sl. Jedinična površina vanjske granice atmosfere prima fluks sunčevog zračenja u prosjeku od oko 250 kcal/cm2 godišnje, od čega se oko 1/3 reflektuje u svjetski prostor, a 167 kcal/cm2 godišnje. apsorbuje ga Zemlja

Izmjena topline spontani ireverzibilni proces prenosa toplote u prostoru, usled neujednačenog temperaturnog polja. U opštem slučaju, prenos toplote može biti uzrokovan i nehomogenošću polja drugih fizičkih veličina, na primer, razlika u koncentracijama (difuzioni toplotni efekat). Postoje tri vrste prijenosa topline: toplinska provodljivost, konvekcija i prijenos topline zračenjem (u praksi prijenos topline obično obavljaju sve 3 vrste odjednom). Prijenos topline određuje ili prati mnoge procese u prirodi (na primjer, evolucija zvijezda i planeta, meteorološki procesi na površini Zemlje, itd.). u tehnologiji i svakodnevnom životu. U mnogim slučajevima, na primjer, kada se proučavaju procesi sušenja, hlađenja isparavanjem, difuzije, prijenos topline se razmatra zajedno sa prijenosom mase. Prijenos topline između dva rashladna sredstva kroz čvrsti zid koji ih razdvaja ili kroz međuprostor između njih naziva se prijenos topline.

Toplotna provodljivost jedan od vidova prenosa toplote (energija toplotnog kretanja mikročestica) sa više zagrejanih delova tela na manje zagrejane, što dovodi do izjednačavanja temperature. Kod toplotne provodljivosti, prijenos energije u tijelu se odvija kao rezultat direktnog prijenosa energije od čestica (molekula, atoma, elektrona) koje imaju više energije na čestice s manje energije. Ako je relativna promjena temperature toplotne provodljivosti na udaljenosti srednjeg slobodnog puta čestica l mala, tada je zadovoljen osnovni zakon toplotne provodljivosti (Fourierov zakon): gustina toplotnog toka q je proporcionalna temperaturnom gradijentu grad T , tj. (17)

gde je λ toplotna provodljivost, ili jednostavno toplotna provodljivost, ne zavisi od grada T [λ zavisi od stanje agregacije supstancu (vidi tabelu), njenu atomsku i molekularnu strukturu, temperaturu i pritisak, sastav (u slučaju smeše ili rastvora).

Znak minus na desnoj strani jednadžbe pokazuje da su smjer toka topline i temperaturni gradijent međusobno suprotni.

Omjer vrijednosti Q i površine poprečnog presjeka F naziva se specifičnim toplinskim fluksom ili toplinskim opterećenjem i označava se slovom q.

(18)

Vrijednosti koeficijenta toplinske provodljivosti λ za neke plinove, tekućine i čvrste materije at atmosferski pritisak 760 mmHg je odabrano iz tabela.

Prijenos topline. Prijenos topline između dva rashladna sredstva kroz čvrsti zid koji ih razdvaja ili kroz međuprostor između njih. Prijenos topline uključuje prijenos topline sa toplijeg fluida na zid, toplinsku provodljivost u zidu, prijenos topline sa zida na hladniji pokretni medij. Intenzitet prenosa toplote tokom prenosa toplote karakteriše koeficijent prenosa toplote k, numerički jednak količini toplote koja se prenosi kroz jedinicu površine zida u jedinici vremena pri temperaturnoj razlici između tečnosti od 1 K; dimenzija k - W/(m2․K) [kcal/m2․°S)]. Vrijednost R, recipročna vrijednost koeficijenta prijenosa topline, naziva se ukupni toplinski otpor prijenosa topline. Na primjer, R jednoslojnog zida

,

gdje su α1 i α2 koeficijenti prijenosa topline od vruće tekućine do površine zida i od površine zida do hladne tekućine; δ - debljina zida; λ je koeficijent toplotne provodljivosti. U većini slučajeva koji se susreću u praksi, koeficijent prijenosa topline se utvrđuje empirijski. U ovom slučaju dobijeni rezultati se obrađuju metodama teorije sličnosti

Prenos toplote zračenja - radijacijski prijenos topline, odvija se kao rezultat procesa transformacije unutrašnja energija materije u energiju zračenja, prenos energije zračenja i njena apsorpcija materijom. Tok procesa prijenosa topline zračenja određen je međusobnog dogovora u prostoru tela koja razmenjuju toplotu, svojstva sredine koja razdvaja ova tela. Suštinska razlika između prijenosa topline zračenjem i drugih vrsta prijenosa topline (toplotna provodljivost, konvektivni prijenos topline) je u tome što se može dogoditi iu odsustvu materijalnog medija koji razdvaja površine za prijenos topline, jer se vrši kao rezultat širenje elektromagnetnog zračenja.

Energija zračenja koja upada u procesu zračnog prijenosa topline na površinu neprozirnog tijela i karakterizira vrijednost fluksa upadnog zračenja Qinc tijelo djelomično apsorbira, a djelimično se odbija od njegove površine (vidi sliku).

Tok apsorbiranog zračenja Qabs određen je relacijom:

Qabs \u003d A Qpad, (20)

gdje je A apsorpcijski kapacitet tijela. Zbog činjenice da je za neprozirno tijelo

Qfall \u003d Qab + Qotr, (21)

gdje je Qotr tok zračenja reflektovanog od površine tijela, ova posljednja vrijednost je jednaka:

Qotr \u003d (1 - A) Qpad, (22)

gdje je 1 - A \u003d R reflektivnost tijela. Ako je apsorpciona sposobnost tijela jednaka 1, pa je stoga njegova reflektivnost jednaka 0, odnosno tijelo apsorbira svu energiju koja mu pada, onda se ono naziva potpuno crno tijelo. Svako tijelo čija je temperatura različita od apsolutna nula, emituje energiju usled zagrevanja tela. Ovo zračenje se naziva vlastito zračenje tijela i karakterizira ga tok vlastitog zračenja Qe. Samo-zračenje, vezano za jediničnu površinu tijela, naziva se gustina protoka vlastitog zračenja ili emisiona moć tijela. Ovo poslednje, u skladu sa Stefan-Boltzmanovim zakonom zračenja, proporcionalno je temperaturi tela na četvrtu stepen. Omjer emisivnosti tijela i emisivnosti potpuno crnog tijela na istoj temperaturi naziva se stepen crnila. Za sva tijela stepen crnine je manji od 1. Ako za neko tijelo ne zavisi od talasne dužine zračenja, onda se takvo tijelo naziva sivo. Priroda raspodjele energije zračenja sivog tijela po valnim dužinama ista je kao i kod apsolutno crnog tijela, odnosno opisana je Planckovim zakonom zračenja. Stepen crnila sivog tijela jednak je njegovom kapacitetu apsorpcije.

Površina bilo kojeg tijela koje ulazi u sistem emituje tok reflektovanog zračenja Qotr i vlastitog zračenja Qcob; ukupna količina energije koja napušta površinu tijela naziva se efektivni tok zračenja Qeff i određena je relacijom:

Qeff \u003d Qotr + Qcob. (23)

Deo energije koju telo apsorbuje vraća se u sistem u obliku sopstvenog zračenja, pa se rezultat prenosa toplote zračenja može predstaviti kao razlika između tokova sopstvenog i apsorbovanog zračenja. Vrijednost

Qpez \u003d Qcob - Qabs (24)

naziva se rezultujući tok zračenja i pokazuje koliko energije tijelo prima ili gubi u jedinici vremena kao rezultat prijenosa topline zračenja. Rezultirajući fluks zračenja se također može izraziti kao

Qpez \u003d Qeff - Qpad, (25)

odnosno kao razlika između ukupne potrošnje i ukupnog dolaska energije zračenja na površinu tijela. Dakle, s obzirom na to

Qpad = (Qcob - Qpez) / A, (26)

dobijamo izraz koji se široko koristi u proračunima prijenosa topline zračenja:

Zadatak izračunavanja zračnog prijenosa topline je u pravilu pronaći rezultirajuće tokove zračenja na svim površinama uključenim u ovaj sistem, ako su poznate temperature i optičke karakteristike svih ovih površina. Za rješavanje ovog problema, pored posljednje relacije, potrebno je utvrditi odnos između fluksa Qinc na datoj površini i fluksa Qeff na svim površinama uključenim u sistem razmjene topline zračenja. Da bi se pronašao ovaj odnos, koristi se koncept prosječnog kutnog koeficijenta zračenja koji pokazuje na koji dio hemisferičnog (tj. emitiranog u svim smjerovima unutar hemisfere) zračenja određene površine uključene u sistem razmjene topline zračenja ovu površinu. Dakle, protok Qfall na bilo kojoj površini uključenoj u sistem za izmjenu topline zračenja definira se kao zbir proizvoda Qeff svih površina (uključujući i datu, ako je konkavna) i odgovarajućeg faktori nagiba zračenje.

Prijenos topline zračenja igra značajnu ulogu u procesima prijenosa topline koji se odvijaju na temperaturama od oko 1000 °C i više. Rasprostranjena je u raznim poljima tehnologija: u metalurgiji, termoenergetici, nuklearne energije, raketna tehnologija, hemijska tehnologija, tehnologija sušenja, solarna tehnologija.