Razmotrimo, uz atmosferu, i termički režim aktivnog sloja Zemlje. Aktivni sloj je takav sloj tla 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 jednačine tzv. toplotni bilans 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 stiže na površinu zemlje apsorbuje se na kopnu u tankom sloju čija je debljina označena sa (slika 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. Integrirajući posljednju relaciju u rasponu od do, dobijamo

gdje je dubina na kojoj se protok smanjuje za faktor e u odnosu na protok F(0) at. Uz zračenje, prijenos topline se odvija turbulentnom izmjenom površine tla sa atmosferom i molekularnom razmjenom sa donjim slojevima 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

Molekularni tok kroz donju granicu sloja zapisuje se kao

gdje je koeficijent toplinske provodljivosti tla, njegov specifični toplinski kapacitet, koeficijent molekularne toplinske 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 znakom „+“, a oni koji napuštaju sloj uzimaju se 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, može se naznačiti nekoliko posebnih slučajeva jednačine toplinske ravnoteže, kada se ona može koristiti kao neovisna 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.

Izvor toplotne i svjetlosne energije za Zemlju je sunčevo zračenje. Njegova vrijednost ovisi o geografskoj širini mjesta, jer se ugao upada sunčevih zraka smanjuje od ekvatora do polova. Što je manji ugao upada sunčevih zraka, to je velika površina distribuira se snop sunčevih zraka istog poprečnog presjeka, pa je stoga manje energije po jedinici površine.

Zbog činjenice da Zemlja tokom godine napravi 1 okret oko Sunca, krećući se, održavajući konstantan ugao nagiba svoje ose u odnosu na ravan orbite (ekliptike), pojavljuju se godišnja doba, koje karakterišu različiti uslovi zagrevanja površine. .

21. marta i 23. septembra Sunce je u zenitu ispod ekvatora (ekvinocij). 22. juna Sunce je u zenitu nad severnim tropom, 22. decembra - nad južnim. Na površini zemlje razlikuju se svjetlosne zone i termalne zone (prema prosječnoj godišnjoj izotermi + 20 ° C, prolazi granica tople (vruće) zone; između prosječnih godišnjih izotermi + 20 ° C i izoterme + 10 ° C postoji umjerena zona; prema izotermi + 10 ° C - granice hladnog pojasa.

Sunčeve zrake prolaze kroz providnu atmosferu ne zagrijavajući je, dopiru do površine zemlje, zagrijavaju je, a iz nje se zbog dugovalnog zračenja zagrijava zrak. Stepen zagrejanosti površine, a samim tim i vazduha, zavisi prvenstveno od geografske širine područja, kao i od 1) nadmorske visine (kako raste temperatura vazduha opada u proseku za 0,6ºS na 100 m). 2) karakteristike donje površine koje mogu biti različite boje i različitog albedo-reflektivne sposobnosti stijena. Također, različite površine imaju različit toplinski kapacitet i prijenos topline. Voda se zbog svog velikog toplotnog kapaciteta zagreva polako i sporo, dok je zemlja obrnuto. 3) od obala do dubina kontinenata smanjuje se količina vodene pare u vazduhu, a što je atmosfera prozirnija, to se manje sunčeve svetlosti u njoj raspršuje kapljicama vode, a više sunčeve svetlosti dospeva do površine Zemlje.

Sveukupnost sunčeve materije i energije koja ulazi u zemlju naziva se sunčevo zračenje. Dijeli se na direktnu i raspršenu. direktno zračenje- skup direktne sunčeve svjetlosti koja prodire u atmosferu s nebom bez oblaka. rasejanog zračenja- dio radijacije se raspršuje u atmosferi, dok zraci idu u svim smjerovima. P + P = Ukupno zračenje. Deo ukupnog zračenja reflektovanog od Zemljine površine naziva se reflektovano zračenje. Deo ukupnog zračenja koje apsorbuje Zemljina površina je apsorbovano zračenje. Toplotna energija koja se kreće od zagrijane atmosfere do površine Zemlje, prema protoku topline sa Zemlje naziva se protuzračenje atmosfere.

Godišnja količina ukupnog sunčevog zračenja u kcal/cm 2 godine (prema T.V. Vlasova).

Efektivna radijacija- vrijednost koja izražava stvarni prijenos topline sa Zemljine površine u atmosferu. Razlika između zračenja Zemlje i protuzračenja atmosfere određuje zagrijavanje površine. Bilans zračenja direktno zavisi od efektivnog zračenja - rezultat interakcije dva procesa dolaska i potrošnje sunčevog zračenja. Na količinu ravnoteže u velikoj mjeri utiče oblačnost. Tamo gdje je značajan noću, presreće dugotalasno zračenje Zemlje, sprječavajući ga da pobjegne u svemir.

Temperatura donje površine i površinskih slojeva vazduha i toplotni bilans direktno zavise od priliva sunčevog zračenja.

Toplotni bilans određuje temperaturu, njenu veličinu i promjenu na površini koja je direktno zagrijana sunčevim zracima. Kada se zagreje, ova površina prenosi toplotu (u dugotalasnom opsegu) i na donje slojeve i na atmosferu. Sama površina naziva se aktivnom površinom.

Glavne komponente toplinske ravnoteže atmosfere i površine Zemlje u cjelini

U dnevnom toku površinske temperature, suhe i bez vegetacije, po vedrom danu, maksimum se javlja nakon 14:00 sati, a minimum oko izlaska sunca. Oblačnost, vlaga i površinska vegetacija mogu poremetiti dnevni tok temperature.

Dnevni maksimumi površinske temperature kopna mogu biti +80 o C ili više. Dnevne fluktuacije dostižu 40 o. Vrijednosti ekstremnih vrijednosti i temperaturnih amplituda zavise od geografske širine mjesta, godišnjeg doba, oblačnosti, toplinskih svojstava površine, njene boje, hrapavosti, prirode vegetacionog pokrivača, orijentacije padina (izloženosti).

Kada se zagrije, površina prenosi toplinu na tlo. Vrijeme se troši na prijenos topline sa sloja na sloj, a trenuci nastupanja maksimalnih i minimalnih vrijednosti temperature tokom dana kasne se za svakih 10 cm za oko 3 sata. Što je sloj dublji, prima manje topline i slabije su temperaturne fluktuacije u njemu. Na prosječnoj dubini od oko 1 m, dnevne fluktuacije temperature tla "smiruju". Sloj u kojem se zaustavljaju naziva se slojem stalne dnevne temperature.

Na dubini od 5-10 m u tropskim i 25 m u visokim geografskim širinama nalazi se sloj konstantne godišnje temperature, gdje je temperatura blizu srednje godišnje temperature zraka iznad površine.

Voda se sporije zagrijava i sporije oslobađa toplinu. Osim toga, sunčeve zrake mogu prodrijeti velika dubina direktno zagrijavanje dubljih slojeva. Prijenos topline u dubinu nije toliko zbog molekularne toplinske provodljivosti, već u većoj mjeri zbog miješanja voda na turbulentan način ili strujanja. Prilikom hlađenja površinskih slojeva vode, dolazi do termičke konvekcije, koja je takođe praćena mešanjem.

Za razliku od kopna, dnevne temperaturne fluktuacije na površini okeana su manje. Na visokim geografskim širinama, u prosjeku, samo 0,1ºS, u umjerenim - 0,4ºS, u tropskim - 0,5ºS Dubina prodiranja ovih oscilacija je 15-20 m.

Godišnje amplitude temperature na površini okeana od 1ºS na ekvatorijalnim širinama do 10,2ºS na umjerenim širinama. Godišnje temperaturne fluktuacije prodiru do dubine od 200-300 m.

Trenuci temperaturnih maksimuma u vodnim tijelima su odgođeni u odnosu na kopno. Maksimum se javlja oko 15-16 sati, minimum - 2-3 sata nakon izlaska sunca. Godišnja maksimalna temperatura na površini okeana na sjevernoj hemisferi javlja se u avgustu, minimalna - u februaru.

Zemljina površina, upijajući sunčevo zračenje i zagrijavajući se, i sama postaje izvor toplinskog zračenja u atmosferu i preko nje u svjetski prostor. Što je temperatura površine viša, to je veće zračenje. Zemljino sopstveno dugotalasno zračenje uglavnom se zadržava u troposferi, koja se zagreva i emituje zračenje – atmosfersko kontra-zračenje. Razlika između zračenja zemljine površine i protuzračenja atmosfere naziva se efikasno zračenje. Pokazuje stvarni gubitak toplote na površini Zemlje i iznosi oko 20%.

Rice. 7.2. Šema prosječne godišnje radijacijske i toplotne bilance, (prema K.Ya.Kondratiev, 1992.)

Atmosfera, za razliku od Zemljine površine, zrači više nego što apsorbuje. Energetski deficit se nadoknađuje dolaskom toplote sa zemljine površine zajedno sa vodenom parom, kao i usled turbulencije (prilikom izdizanja vazduha zagrejanog u blizini zemljine površine). Temperaturni kontrasti koji nastaju između niskih i visokih geografskih širina su izglađeni zbog advekcija - prijenos topline morem i uglavnom zračnim strujama od niskih do visokih geografskih širina (slika 7.2, desna strana). Za opće geografske zaključke važne su i ritmičke fluktuacije radijacije zbog promjene godišnjih doba, jer od toga ovisi termički režim određenog područja. Reflektivna svojstva zemljanih pokrivača, toplotni kapacitet i toplotna provodljivost medija dodatno otežavaju prenos toplotne energije i distribuciju karakteristika toplotne energije.

Jednačina toplotnog bilansa. Količina toplote je opisana jednadžbom toplotnog bilansa, koja je različita za svako geografsko područje. Njegova najvažnija komponenta je radijacijska ravnoteža zemljine površine. Sunčevo zračenje troši se na zagrijavanje tla i zraka (i vode), isparavanje, otapanje snijega i leda, fotosintezu, procese formiranja tla i trošenje stijena. Budući da prirodu uvijek karakterizira ravnoteža, uočava se jednakost između dolaska energije i njene potrošnje koja se izražava jednačina toplotnog bilansa zemljana površina:

gdje R- bilans zračenja; LE je toplina koja se koristi za isparavanje vode i topljenje snijega ili leda (L- latentna toplota isparavanja ili isparavanja; E- brzina isparavanja ili kondenzacije); ALI - horizontalni prijenos topline zračnim i oceanskim strujama ili turbulentnim strujanjem; R - izmjena topline zemljine površine sa zrakom; AT - izmjena topline zemljine površine sa tlom i stijenama; F- potrošnja energije za fotosintezu; OD- potrošnja energije za formiranje tla i vremenske uslove; Q+q- ukupno zračenje; a- albedo; I- efektivno zračenje atmosfere.

Udio energije koja se troši na fotosintezu i formiranje tla čini manje od 1% budžeta zračenja, tako da se ove komponente često izostavljaju iz jednačine. Međutim, u stvarnosti, oni mogu biti bitni, jer ova energija ima sposobnost da se akumulira i transformiše u druge oblike (konvertibilna energija). Male snage, ali dugotrajan (stotine miliona godina) proces akumulacije konvertibilne energije imao je značajan uticaj na geografski omotač. Akumulirao je oko 11×10 14 J/m 2 energije u difuznoj organskoj tvari u sedimentnim stijenama, kao iu obliku uglja, nafte, škriljaca.

Jednačina toplotnog bilansa može se izvesti za bilo koje geografsko područje i vremenski interval, uzimajući u obzir specifičnost klimatskih uslova i doprinos komponenti (za kopno, okean, područja sa formiranjem leda, bez smrzavanja, itd.).

Prijenos i distribucija topline. Prijenos topline sa površine u atmosferu odvija se na tri načina: toplinsko zračenje, zagrijavanje ili hlađenje zraka pri kontaktu sa kopnom i isparavanje vode. Vodena para, dižući se u atmosferu, kondenzuje se i formira oblake ili ispada kao padavine, a toplota koja se pri tome oslobađa ulazi u atmosferu. Zračenje koje apsorbuje atmosfera i toplota kondenzacije vodene pare odlažu gubitak toplote sa zemljine površine. U aridnim krajevima ovaj uticaj se smanjuje, a uočavamo najveće dnevne i godišnje temperaturne amplitude. Najmanje temperaturne amplitude svojstvene su okeanskim regijama. Kao ogroman rezervoar, okean pohranjuje više topline, što smanjuje godišnje temperaturne fluktuacije zbog visokih temperatura. specifična toplota vode. Dakle, na Zemlji voda igra važnu ulogu kao akumulator topline.

Struktura toplotnog bilansa zavisi od geografska širina i tip pejzaža, koji, pak, sam zavisi od toga. Značajno se mijenja ne samo kada se kreće od ekvatora do polova, već i kada se kreće s kopna na more. Kopno i okean razlikuju se i po količini apsorbiranog zračenja i po prirodi distribucije topline. U okeanu se ljeti toplina širi na dubinu od nekoliko stotina metara. Tokom tople sezone okean se akumulira od 1,3×10 9 do 2,5×10 9 J/m 2 . Na kopnu se toplina širi do dubine od samo nekoliko metara, a tokom tople sezone ovdje se akumulira oko 0,1 × 10 9 J/m 2, što je 10-25 puta manje nego u oceanu. Zbog velike količine topline, okean se zimi slabije hladi nego kopno. Proračuni pokazuju da je jednokratni sadržaj topline u okeanu 21 puta veći od njegove opskrbe zemljinom površinom u cjelini. Čak iu sloju okeanske vode od 4 metra, ima 4 puta više topline nego u cijeloj atmosferi.

Do 80% energije koju apsorbuje okean koristi se za isparavanje vode. To je 12×10 23 J/m 2 godišnje, što je 7 puta više od istog člana toplotnog bilansa zemljišta. 20% energije troši se na turbulentnu izmjenu topline sa atmosferom (što je također više nego na kopnu). Vertikalna izmjena topline okeana sa atmosferom također stimulira horizontalni prijenos topline, zbog čega ona dijelom završava na kopnu. Sloj vode od 50 metara učestvuje u razmeni toplote između okeana i atmosfere.

Promjene u ravnoteži zračenja i topline. Godišnja suma radijacijskog bilansa je pozitivna gotovo svuda na Zemlji, sa izuzetkom glacijalnih područja Grenlanda i Antarktika. Njegove prosječne godišnje vrijednosti opadaju u smjeru od ekvatora prema polovima, prateći obrasce distribucije sunčevog zračenja širom svijeta (slika 7.3). Ravnoteža radijacije iznad okeana je veća nego nad kopnom. To je zbog nižeg albeda vodene površine, povećanog sadržaja vlage u ekvatorijalnim i tropskim geografskim širinama. Sezonske promjene u radijacijskoj ravnoteži javljaju se na svim geografskim širinama, ali s različitim stepenom ozbiljnosti. Na niskim geografskim širinama, sezonalnost je određena režimom padavina, jer se toplotni uslovi ovdje malo mijenjaju. U umjerenim i visokim geografskim širinama, sezonalnost je određena toplinskim režimom: bilans zračenja mijenja se od pozitivnog ljeti do negativnog zimi. Negativan saldo hladnog perioda godine u umjerenim i polarnim geografskim širinama djelomično je nadoknađen advekcijom topline zračnim i morskim strujama iz niskih geografskih širina.

Da bi se održao energetski balans Zemlje, mora postojati prijenos topline prema polovima. Nešto manje te topline nose oceanske struje, a ostatak atmosfera. Razlike u zagrijavanju Zemlje određuju njegovo djelovanje kao geografskog toplinskog motora u kojem se toplina prenosi od grijača do hladnjaka. U prirodi se ovaj proces ostvaruje u dva oblika: prvo, termodinamičke prostorne nehomogenosti formiraju planetarne sisteme vjetrova i morskih struja; drugo, ovi planetarni sistemi sami učestvuju u preraspodeli toplote i vlage na Zemljinoj kugli. Dakle, toplota se prenosi od ekvatora prema polovima vazdušnim ili okeanskim strujama, a hladni vazduh ili vodene mase prenose se na ekvator. Na sl. Slika 7.4 prikazuje transport tople površinske vode u Atlantskom okeanu ka polu. Prenos toplote prema polovima dostiže maksimum blizu geografske širine od 40° i postaje nula na polovima.

Priliv sunčevog zračenja ne zavisi samo od geografske širine, već i od godišnjeg doba (tabela 7.4). Važno je napomenuti da ljeti na Arktik ulazi još više vrućine nego na ekvator, međutim, zbog visokog albeda arktičkih mora, led se ovdje ne topi.

Raspodjela temperature. Na horizontalna distribucija temperature utiču geografski položaj, reljef, svojstva i materijalni sastav donje površine, sisteme okeanskih struja i prirodu atmosferske cirkulacije u površinskim i pripovršinskim slojevima.

Rice. 7.3. Raspodjela prosječnog godišnjeg bilansa zračenja na površini zemlje, MJ / (m 2 × godina) (prema S.P. Khromov i M.A. Petrosyants, 1994)

Rice. 7.4. Prijenos topline u sjevernom dijelu Atlantik, °C(prema S. Neshiba, 1991). Zasjenjena područja gdje površinske vode toplije od prosjeka okeana. Brojevi označavaju volumetrijske prijenose vode (milioni m 3 / s), strelice pokazuju smjer struja, debela linija označava Golfsku struju

Tabela 7.4. Ukupna radijacija koja ulazi u površinu zemlje (N.I. Egorov, 1966.)

Radijacijski bilans se naziva prihod-trošak energije zračenja koju apsorbuje i emituje donja površina, atmosfera ili sistem zemlja-atmosfera u različitim vremenskim periodima (6, str. 328).

Dolazni dio radijacijskog bilansa donje površine R sastoji se od direktnog sunčevog i difuznog zračenja, kao i atmosferskog protuzračenja koje apsorbira donja površina. Potrošni dio je određen gubitkom topline zbog vlastitog toplotno zračenje ispod površine (6, str. 328).

Jednačina radijacije:

R=(Q+q) (1-A)+d-

gdje je Q fluks (ili zbir) direktnog sunčevog zračenja, q je tok (ili zbir) raspršenog sunčevog zračenja, A je albedo donje površine, tok (ili zbir) atmosferskog protuzračenja, i je fluks (ili zbir) unutrašnjeg toplotnog zračenja donje površine, e je apsorpcioni kapacitet donje površine (6, str. 328).

Radijacijski bilans zemljine površine za godinu je pozitivan svuda na Zemlji, osim za ledene visoravni Grenlanda i Antarktika (Sl. 5). To znači da je godišnji priliv apsorbovanog zračenja veći od efektivnog zračenja za isto vreme. Ali to uopće ne znači da je Zemljina površina svake godine sve toplija. Višak apsorbovanog zračenja u odnosu na zračenje se balansira prenosom toplote sa zemljine površine u vazduh toplotnim provođenjem i tokom faznih transformacija vode (prilikom isparavanja sa zemljine površine i naknadne kondenzacije u atmosferi).

Shodno tome, za Zemljinu površinu ne postoji radijativna ravnoteža u prijemu i povratku zračenja, ali postoji toplotna ravnoteža: priliv toplote na površinu zemlje i radijativnim i neradijativnim putem jednak je njenom povratu istim metode.

Jednačina toplotnog bilansa:

gdje je vrijednost radijacionog toplotnog toka R, turbulentni toplotni tok između donje površine i atmosfere je P, toplotni tok između donje površine i donjih slojeva je A, a potrošnja toplote za isparavanje (ili oslobađanje toplote tokom kondenzacija) je LE (L - latentna toplota evaporacije, E je brzina isparavanja ili kondenzacije) (4, str. 7).

U skladu sa dolaskom i potrošnjom toplote u odnosu na podlogu, komponente toplotnog bilansa mogu imati pozitivne ili negativne vrednosti. U dugoročnom zaključku, prosječna godišnja temperatura gornjih slojeva tla i vode Svjetskog okeana smatra se konstantnom. Stoga se vertikalni i horizontalni prijenos topline u tlu iu Svjetskom okeanu u cjelini praktično može izjednačiti sa nulom.

Dakle, u dugoročnom izvođenju, godišnji toplotni bilans za površinu kopna i Svjetski okean sastoji se od bilansa zračenja, gubitaka topline na isparavanje i turbulentne izmjene topline između površine ispod i atmosfere (Sl. 5, 6). Za pojedine dijelove okeana, pored navedenih komponenti toplotnog bilansa, potrebno je uzeti u obzir i prijenos topline morskim strujama.

Rice. 5. Radijacijska bilanca Zemlje i dolazak sunčevog zračenja za godinu

Zemlja prima toplotu apsorbujući kratkotalasnu sunčevu radijaciju u atmosferi, a posebno na zemljinoj površini. Sunčevo zračenje je praktično jedini izvor toplote u sistemu "atmosfera-zemlja". Drugi izvori toplote (toplina koja se oslobađa tokom raspadanja radioaktivnih elemenata unutar Zemlje, gravitaciona toplota itd.) ukupno daju samo jednu pethiljaditu toplotu koja ulazi u gornju granicu atmosfere od sunčevog zračenja Tako da se i pri sastavljanju jednačine toplotnog bilansa mogu zanemariti.

Toplota se gubi kratkotalasnim zračenjem napuštajući svetski prostor, reflektujući se od atmosfere Soa i od zemljine površine SOP, a zbog efektivnog zračenja dugotalasnog zračenja Ee zemljine površine i zračenja atmosfere Ea.

Dakle, na gornjoj granici atmosfere, toplotna ravnoteža Zemlje kao planete sastoji se od radijacijskog (radijativnog) prijenosa topline:

SO - Soa - Sop - Ee - Ea = ?Se, (1)

gde? Se, promena toplotnog sadržaja sistema "atmosfera - Zemlja" tokom određenog vremenskog perioda?

Razmotrimo termine ove jednačine za godišnji period. Tok sunčevog zračenja na prosječnoj udaljenosti Zemlje od Sunca je približno jednak 42,6-10° J/(m2-godišnje). Od ovog toka, Zemlja prima količinu energije jednaku proizvodu solarne konstante I0 i površine poprečnog presjeka Zemlje pR2, odnosno I0 pR2, gdje je R prosječni polumjer Zemlje. Pod uticajem Zemljine rotacije, ova energija je raspoređena po celoj površini globusa, jednaka 4pR2. Posljedično, prosječna vrijednost toka sunčevog zračenja na horizontalnu površinu Zemlje, bez uzimanja u obzir njegovog slabljenja atmosferom, iznosi Io rR2/4rR3 = Io/4, odnosno 0,338 kW/m2. Godišnje se u prosjeku primi oko 10,66-109 J, odnosno 10,66 GJ sunčeve energije za svaki kvadratni metar površine vanjske granice atmosfere, odnosno Io = 10,66 GJ / (m2 * godina).

Razmotrimo stranu rashoda jednačine (1). Sunčevo zračenje koje je stiglo na vanjsku granicu atmosfere djelomično prodire u atmosferu, a djelomično se odbija od atmosfere i zemljine površine u svjetski prostor. Prema najnovijim podacima, prosječni albedo Zemlje procjenjuje se na 33%: to je zbir refleksije od oblaka (26%) i refleksije od donje površine (7:%). Tada je zračenje koje reflektuju oblaci Soa = 10,66 * 0,26 = 2,77 GJ / (m2 * godina), Zemljina površina - SOP = 10,66 * 0,07 = 0,75 GJ / (m2 * godina) i uopšte, Zemlja reflektuje 3,52 GJ/ (m2*godina).

Zemljina površina, zagrijana kao rezultat apsorpcije sunčevog zračenja, postaje izvor dugovalnog zračenja koje zagrijava atmosferu. Površina svakog tijela koje ima temperaturu iznad apsolutne nule neprekidno zrači toplotnu energiju. Zemljina površina i atmosfera nisu izuzetak. Prema Stefan-Boltzmannom zakonu, intenzitet zračenja zavisi od temperature tela i njegove emisivnosti:

E = wT4, (2)

gdje je E intenzitet zračenja, odnosno vlastito zračenje, W/m2; c je emisivnost tijela u odnosu na potpuno crno tijelo, za koje je c = 1; y - Stefanova konstanta - Boltzmann, jednaka 5,67 * 10-8 W / (m2 * K4); T -- apsolutna temperatura tijelo.

Vrijednosti za različite površine kreću se od 0,89 (glatka vodena površina) do 0,99 (gusta zelena trava). U prosjeku, za Zemljinu površinu, v se uzima jednakim 0,95.

Apsolutne temperature zemljine površine su između 190 i 350 K. Na takvim temperaturama, emitovano zračenje ima talasne dužine od 4-120 mikrona i stoga je sve infracrveno i oko ga ne opaža.

Intrinzično zračenje zemljine površine - E3, izračunato po formuli (2), jednako je 12,05 GJ/(m2*god), što je 1,39 GJ/(m2*godišnje), ili 13% više od sunčevog zračenja koje je stiglo na gornjoj granici atmosfere S0. Ovako veliki povratak radijacije zemljinom površinom doveo bi do njenog brzog hlađenja, da to nije spriječeno apsorpcijom sunčevog i atmosferskog zračenja od strane površine zemlje. Infracrveno zemaljsko zračenje, odnosno sopstveno zračenje zemljine površine, u opsegu talasnih dužina od 4,5 do 80 mikrona intenzivno se apsorbuje atmosferskom vodenom parom i samo u opsegu od 8,5 - 11 mikrona prolazi kroz atmosferu i odlazi u svetski svemir. Zauzvrat, atmosferska vodena para također emituje nevidljivo infracrveno zračenje, od čega je većina usmjerena dolje na površinu zemlje, a ostatak odlazi u svjetski svemir. Atmosfersko zračenje koje dolazi na površinu Zemlje naziva se protuzračenje atmosfere.

Od protuzračenja atmosfere, Zemljina površina apsorbira 95% svoje veličine, budući da je, prema Kirchhoffovom zakonu, sjaj tijela jednak njegovoj apsorpciji zračenja. Dakle, protuzračenje atmosfere je važan izvor topline za Zemljinu površinu pored apsorbovanog sunčevog zračenja. Protuzračenje atmosfere ne može se direktno odrediti i izračunava se indirektnim metodama. Protivzračenje atmosfere koje apsorbuje zemljina površina Eza = 10,45 GJ/(m2*god). U odnosu na S0, on iznosi 98%.

Protuzračenje je uvijek manje od zemaljskog. Stoga, Zemljina površina gubi toplinu zbog pozitivne razlike između vlastitog i protuzračenja. Razlika između vlastitog zračenja zemljine površine i protuzračenja atmosfere naziva se efektivno zračenje (Ee):

Ee \u003d Ez - Eza (3)

solarna razmena toplote na zemlji

Efektivno zračenje je neto gubitak energije zračenja, a time i toplote, sa površine zemlje. Ova toplota koja izlazi u svemir iznosi 1,60 GJ/(m2*god), ili 15% sunčevog zračenja koje je stiglo na gornju granicu atmosfere (strelica E3 na slici 9.1). U umjerenim geografskim širinama, Zemljina površina gubi efektivnim zračenjem oko polovine količine toplote koju prima od apsorbovanog zračenja.

Zračenje atmosfere je složenije od zračenja Zemljine površine. Prvo, prema Kirchhoffovom zakonu, energiju emituju samo oni plinovi koji je apsorbiraju, odnosno vodena para, ugljični dioksid i ozon. Drugo, zračenje svakog od ovih gasova ima složen selektivni karakter. Budući da se sadržaj vodene pare smanjuje s visinom, najjače zračeći slojevi atmosfere leže na visinama od 6-10 km. Dugotalasno zračenje atmosfere u svjetski prostor Ea=5,54 GJ/(m2*god), što je 52% priliva sunčevog zračenja na gornju granicu atmosfere. Dugotalasno zračenje zemljine površine i atmosfere koje ulazi u svemir naziva se izlazno zračenje EU. Ukupno je jednako 7,14 GJ/(m2*god), ili 67% priliva sunčevog zračenja.

Zamjenom pronađenih vrijednosti So, Soa, Sop, Ee i Ea u jednačinu (1) dobijamo - ?Sz = 0, tj. izlazno zračenje, zajedno sa reflektovanim i raspršenim kratkotalasnim zračenjem Soz, kompenzuje priliv sunčevog zračenja na Zemlju. Drugim riječima, Zemlja, zajedno sa atmosferom, gubi onoliko radijacije koliko i prima, te je stoga u stanju radijacijske ravnoteže.

Termička ravnoteža Zemlje potvrđena je dugoročnim posmatranjima temperature: prosječna temperatura Zemlja se malo mijenja iz godine u godinu, a iz jednog dugotrajnog perioda u drugi ostaje gotovo nepromijenjena.