Keling, atmosfera bilan birga Yer faol qatlamining issiqlik rejimini ko'rib chiqaylik. Faol qatlam - bu tuproq yoki suvning bunday qatlami bo'lib, uning harorati kunlik va yillik tebranishlarni boshdan kechiradi. Kuzatishlar shuni ko'rsatadiki, quruqlikda kunlik tebranishlar 1 - 2 m chuqurlikka, yillik tebranishlar - bir necha o'n metrli qatlamga tarqaladi. Dengiz va okeanlarda faol qatlamning qalinligi quruqlikdagidan o'n baravar ko'pdir. Atmosferaning issiqlik rejimlari va Yerning faol qatlami o'rtasidagi bog'liqlik tenglama deb ataladigan holda amalga oshiriladi. issiqlik balansi yer yuzasi. Bu tenglama birinchi marta 1941 yilda A.A. tomonidan havo haroratining sutkalik o'zgarishi nazariyasini yaratish uchun ishlatilgan. Dorodnitsyn. Keyingi yillarda issiqlik balansi tenglamasi ko'plab tadqiqotchilar tomonidan faol ta'sirlar ta'sirida sodir bo'ladigan o'zgarishlarni baholashgacha, masalan, muz qatlamida atmosfera sirt qatlamining turli xususiyatlarini o'rganish uchun keng qo'llanildi. Arktika. Keling, yer yuzasining issiqlik balansi tenglamasini chiqarishga to'xtalib o'tamiz. Er yuzasiga tushgan quyosh nurlari quruqlikda yupqa qatlamda so'riladi, uning qalinligi (1-rasm) bilan belgilanadi. Quyosh nurlanishi oqimidan tashqari, er yuzasi atmosferadan infraqizil nurlanish oqimi shaklida issiqlikni oladi, o'z nurlanishi orqali issiqlikni yo'qotadi.

Guruch. bitta.

Tuproqda bu oqimlarning har biri o'zgarishga uchraydi. Qalinligi (- tuproqning sirtidan chuqurligiga hisoblangan chuqurlik) elementar qatlamda F oqimi dF ga o'zgargan bo'lsa, u holda yozishimiz mumkin.

bu erda a - yutilish koeffitsienti, tuproqning zichligi. dan to oralig'idagi oxirgi munosabatni integratsiyalash orqali biz hosil qilamiz

bu yerda oqim F(0) da oqimga nisbatan e faktorga kamayib borayotgan chuqurlik. Radiatsiya bilan bir qatorda issiqlik almashinuvi tuproq yuzasining atmosfera bilan turbulent almashinuvi va tuproq ostidagi qatlamlar bilan molekulyar almashinuv orqali amalga oshiriladi. Turbulent almashinuv ta'sirida tuproq teng miqdorda issiqlikni yo'qotadi yoki oladi

Bundan tashqari, suv tuproq yuzasidan bug'lanadi (yoki suv bug'lari kondensatsiyalanadi), bu issiqlik miqdorini iste'mol qiladi.

Qatlamning pastki chegarasi orqali molekulyar oqim quyidagicha yoziladi

bu erda tuproqning issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti, uning solishtirma issiqlik sig'imi, molekulyar issiqlik tarqalish koeffitsienti.

Issiqlik oqimi ta'sirida tuproqning harorati o'zgaradi va 0 ga yaqin haroratlarda muz eriydi (yoki suv muzlaydi). Tuproqning vertikal ustunida energiyaning saqlanish qonuniga asoslanib, qalinligini yozishimiz mumkin.

(19) tenglamada chap tomondagi birinchi atama vaqt birligida tuproqning sm 3 issiqlik miqdorini o'zgartirish uchun sarflangan issiqlik miqdori, muzni eritish uchun ishlatiladigan ikkinchi issiqlik miqdori (). O'ng tomonda, tuproq qatlamiga yuqori va pastki chegaralar orqali kiradigan barcha issiqlik oqimlari "+" belgisi bilan, qatlamdan chiqib ketganlari esa "-" belgisi bilan olinadi. Tenglama (19) - tuproq qatlami qalinligi uchun issiqlik balansi tenglamasi. Bunday holda umumiy ko'rinish bu tenglama cheklangan qalinlikdagi qatlam uchun yozilgan issiqlik olish tenglamasidan boshqa narsa emas. Undan havo va tuproqning issiqlik rejimiga oid qo'shimcha ma'lumotni (issiqlik oqimi tenglamasiga nisbatan) olish mumkin emas. Biroq, issiqlik balansi tenglamasining bir nechta maxsus holatlarini ko'rsatish mumkin, agar u mustaqil ravishda ishlatilishi mumkin differensial tenglamalar chegara holati. Bunday holda, issiqlik balansi tenglamasi er yuzasining noma'lum haroratini aniqlash imkonini beradi. Quyida shunday maxsus holatlar keltirilgan. Qor yoki muz bilan qoplanmagan quruqlikda, yuqorida aytib o'tilganidek, qiymat juda kichik. Shu bilan birga, molekulyar diapazonda bo'lgan miqdorlarning har biriga nisbati juda katta. Natijada, muz erishi jarayonlari bo'lmaganda er uchun tenglama quyidagi shaklda etarli darajada aniqlik bilan yozilishi mumkin:

(20) tenglamadagi dastlabki uchta hadning yig'indisi yer yuzasining radiatsiya balansi R dan boshqa narsa emas. Shunday qilib, er yuzasining issiqlik balansi tenglamasi quyidagi shaklni oladi:

Atmosfera va tuproqning issiqlik rejimini o'rganishda chegaraviy shart sifatida (21) ko'rinishdagi issiqlik balansi tenglamasidan foydalaniladi.

Yer uchun issiqlik va yorug'lik energiyasining manbai quyosh radiatsiyasidir. Uning qiymati joyning kengligiga bog'liq, chunki quyosh nurlarining tushish burchagi ekvatordan qutblarga kamayadi. Quyosh nurlarining tushish burchagi qanchalik kichik bo'lsa katta sirt bir xil kesimdagi quyosh nurlari dastasi taqsimlanadi va shuning uchun maydon birligi uchun kamroq energiya mavjud.

Yil davomida Yer Quyosh atrofida 1 marta aylanib, o'z o'qining orbita tekisligiga (ekliptika) doimiy moyillik burchagini saqlab turgan holda harakatlanishi sababli, har xil sirt isitish sharoitlari bilan ajralib turadigan yilning fasllari paydo bo'ladi. .

21 mart va 23 sentabrda Quyosh ekvator ostida (tenkunlik) zenitda bo'ladi. 22-iyun kuni Quyosh Shimoliy tropik ustida, 22-dekabrda - janubda zenitda. Er yuzasida yorug'lik zonalari va termal zonalar ajralib turadi (o'rtacha yillik izoterma + 20 ° C bo'yicha, issiq (issiq) zonaning chegarasi o'tadi; o'rtacha yillik izotermlar + 20 ° C va izoterm + 10 ° C o'rtasida. mo''tadil zona mavjud; izotermga ko'ra + 10 ° C - sovuq kamar chegaralari.

Quyosh nurlari shaffof atmosferadan uni isitmasdan o'tadi, ular yer yuzasiga etib boradi, uni isitadi va uzoq to'lqinli nurlanish tufayli havo undan isitiladi. Er yuzasini va shuning uchun havoni isitish darajasi, birinchi navbatda, hududning kengligiga, shuningdek, dengiz sathidan 1) balandlikka bog'liq (ko'tarilganda havo harorati 100 m uchun o'rtacha 0,6ºS ga kamayadi. 2) turli xil rangda bo'lishi mumkin bo'lgan va har xil albedoga ega bo'lgan taglik yuzasining xususiyatlari - tog' jinslarining aks ettirish qobiliyati. Bundan tashqari, turli sirtlar turli xil issiqlik sig'imi va issiqlik o'tkazuvchanligiga ega. Suv o'zining yuqori issiqlik sig'imi tufayli sekin va sekin qiziydi, quruqlik esa aksincha. 3) qirg'oqlardan materiklarning chuqurligiga qadar havodagi suv bug'ining miqdori kamayadi va atmosfera qanchalik shaffof bo'lsa, unda quyosh nuri suv tomchilari bilan kamroq tarqaladi va quyosh nuri Yer yuzasiga ko'proq tushadi.

Quyosh moddasi va Yerga kiradigan energiya yig'indisi quyosh radiatsiyasi deb ataladi. U to'g'ridan-to'g'ri va tarqoqlarga bo'linadi. to'g'ridan-to'g'ri radiatsiya- bulutsiz osmon bilan atmosferaga kiradigan to'g'ridan-to'g'ri quyosh nurlari to'plami. tarqalgan radiatsiya- nurlar barcha yo'nalishlarda ketayotganda atmosferada tarqalgan radiatsiyaning bir qismi. P + P = Umumiy radiatsiya. Yer yuzasidan aks ettirilgan umumiy nurlanishning bir qismi aks ettirilgan nurlanish deyiladi. Yer yuzasi tomonidan so'rilgan umumiy radiatsiyaning bir qismi so'rilgan nurlanishdir. Issiq atmosferadan Yer yuzasiga, Yerdan issiqlik oqimiga qarab harakatlanadigan issiqlik energiyasi atmosferaning qarshi nurlanishi deb ataladi.

Umumiy quyosh nurlanishining yillik miqdori kkal/sm 2 yil (T.V. Vlasovaga ko'ra).

Samarali radiatsiya- issiqlikning Yer yuzasidan atmosferaga haqiqiy o'tishini ifodalovchi qiymat. Yerning radiatsiyasi va atmosferaning qarshi nurlanishi o'rtasidagi farq sirtning isishini belgilaydi. Radiatsiya balansi to'g'ridan-to'g'ri samarali nurlanishga bog'liq - quyosh nurlanishining kelishi va iste'mol qilinishining ikkita jarayonining o'zaro ta'siri natijasi. Balans miqdori asosan bulutlilikdan ta'sirlanadi. Kechasi muhim bo'lgan joyda u Yerning uzoq to'lqinli nurlanishini to'xtatib, uning kosmosga qochib ketishiga yo'l qo'ymaydi.

Havoning pastki va sirt qatlamlarining harorati va issiqlik balansi bevosita quyosh radiatsiyasining oqimiga bog'liq.

Issiqlik balansi to'g'ridan-to'g'ri quyosh nurlari bilan isitiladigan sirtdagi haroratni, uning kattaligini va o'zgarishini aniqlaydi. Qizdirilganda, bu sirt issiqlikni (uzoq to'lqin oralig'ida) ham pastki qatlamlarga, ham atmosferaga o'tkazadi. Sirtning o'zi faol sirt deb ataladi.

Atmosfera va butun Yer yuzasi issiqlik balansining asosiy tarkibiy qismlari

Quruq va o'simliklardan mahrum bo'lgan sirt haroratining kunlik kursida, aniq kunda, maksimal soat 14:00 dan keyin, minimal esa quyosh chiqishi paytida sodir bo'ladi. Bulutlilik, namlik va sirt o'simliklari haroratning kunlik kursini buzishi mumkin.

Er yuzasi haroratining kunduzgi maksimal harorati +80 o C yoki undan yuqori bo'lishi mumkin. Kundalik tebranishlar 40 o ga etadi. Ekstremal qiymatlar va harorat amplitudalarining qiymatlari joyning kengligi, fasl, loyqalik, sirtning issiqlik xususiyatlari, rangi, pürüzlülüğü, o'simlik qoplamining tabiati, qiyalik yo'nalishi (ekspozitsiya) ga bog'liq.

Qizdirilganda, sirt issiqlikni tuproqqa o'tkazadi. Issiqlikni qatlamdan qatlamga o'tkazish uchun vaqt sarflanadi va kun davomida maksimal va minimal harorat qiymatlarining boshlanishi momentlari har 10 sm ga taxminan 3 soatga kechiktiriladi. Qatlam qanchalik chuqurroq bo'lsa, u kamroq issiqlik oladi va undagi harorat o'zgarishi zaifroq bo'ladi. O'rtacha 1 m chuqurlikda tuproq haroratining kunlik tebranishlari "so'nadi". Ular to'xtab turgan qatlam doimiy kunlik harorat qatlami deb ataladi.

Tropik kengliklarda 5-10 m, yuqori kengliklarda 25 m chuqurlikda doimiy yillik harorat qatlami mavjud bo'lib, u erda harorat sirt ustidagi o'rtacha yillik havo haroratiga yaqin bo'ladi.

Suv sekinroq qiziydi va issiqlikni sekinroq chiqaradi. Bundan tashqari, quyosh nurlari kirib borishi mumkin katta chuqurlik chuqur qatlamlarni bevosita isitish. Issiqlikning chuqurlikka o'tishi molekulyar issiqlik o'tkazuvchanligi bilan bog'liq emas, balki ko'proq darajada suvlarning turbulent tarzda yoki oqimlarning aralashishi bilan bog'liq. Sovutganda sirt qatlamlari suv, termal konvektsiya sodir bo'ladi, bu ham aralashtirish bilan birga keladi.

Quruqlikdan farqli o'laroq, okean yuzasida haroratning kunlik tebranishlari kamroq. Yuqori kengliklarda o'rtacha atigi 0,1ºS, mo''tadil - 0,4ºS, tropiklarda - 0,5ºS. Ushbu tebranishlarning kirib borish chuqurligi 15-20 m.

Okean yuzasida yillik harorat amplitudalari ekvatorial kengliklarda 1ºS dan mo''tadil kengliklarda 10,2ºS gacha. Haroratning yillik tebranishlari 200-300 m chuqurlikka kirib boradi.

Suv havzalarida haroratning maksimal momentlari quruqlikka nisbatan kechiktiriladi. Maksimal taxminan 15-16 soatda, minimal - quyosh chiqqandan keyin 2-3 soatda sodir bo'ladi. Shimoliy yarim sharda okean yuzasida yillik maksimal harorat avgustda, minimal - fevralda sodir bo'ladi.

Yer yuzasi quyosh nurlanishini o'ziga singdirib, isib, o'zi atmosferaga va u orqali jahon fazosiga issiqlik nurlanishining manbai bo'ladi. Sirt harorati qanchalik baland bo'lsa, radiatsiya shunchalik yuqori bo'ladi. Yerning o'ziga xos uzun to'lqinli nurlanishi asosan troposferada saqlanadi, u qizib ketadi va radiatsiya - atmosfera qarshi nurlanishni chiqaradi. Yer yuzasining nurlanishi va atmosferaning qarshi nurlanishi o'rtasidagi farq deyiladi samarali radiatsiya. Bu Yer yuzasi tomonidan issiqlikning haqiqiy yo'qolishini ko'rsatadi va taxminan 20% ni tashkil qiladi.

Guruch. 7.2. O'rtacha yillik radiatsiya va issiqlik balansi sxemasi, (K.Ya.Kondratiev bo'yicha, 1992 y.)

Atmosfera, yer yuzasidan farqli o'laroq, u yutgandan ko'ra ko'proq nurlanadi. Energiya tanqisligi suv bug'i bilan birga er yuzasidan issiqlik kelishi, shuningdek turbulentlik (er yuzasi yaqinida isitiladigan havo ko'tarilishi paytida) tufayli qoplanadi. Past va yuqori kengliklar o'rtasida paydo bo'ladigan harorat kontrastlari tufayli tekislanadi adveksiya - dengiz orqali issiqlik uzatish va asosan havo oqimlari pastdan yuqori kengliklarga (7.2-rasm, o'ng tomonda). Umumiy geografik xulosalar uchun fasllarning o'zgarishi natijasida radiatsiyaning ritmik tebranishlari ham muhimdir, chunki ma'lum bir hududning issiqlik rejimi bunga bog'liq. Er qoplamalarining aks ettiruvchi xususiyatlari, muhitning issiqlik sig'imi va issiqlik o'tkazuvchanligi issiqlik energiyasini uzatishni va issiqlik energiyasining xususiyatlarini taqsimlashni yanada murakkablashtiradi.

Issiqlik balansi tenglamasi. Issiqlik miqdori issiqlik balansi tenglamasi bilan tavsiflanadi, bu har bir geografik hudud uchun farq qiladi. Uning eng muhim komponenti er yuzasining radiatsiya balansidir. Quyosh radiatsiyasi tuproq va havoni (suvni) isitishga, bug'lanishga, qor va muzning erishiga, fotosintezga, tuproq hosil bo'lish jarayonlariga va jinslarning nurashiga sarflanadi. Tabiat har doim muvozanat bilan tavsiflanganligi sababli, energiyaning kelishi va iste'moli o'rtasida tenglik kuzatiladi, bu ifodalanadi. issiqlik balansi tenglamasi yer yuzasi:

qayerda R- radiatsiya balansi; LE suvni bug'lash va qor yoki muzni eritish uchun ishlatiladigan issiqlikdir (L- bug'lanish yoki bug'lanishning yashirin issiqligi; E- bug'lanish yoki kondensatsiya tezligi); LEKIN - havo va okean oqimlari yoki turbulent oqim bilan gorizontal issiqlik uzatish; R - er yuzasining havo bilan issiqlik almashinuvi; DA - er yuzasining tuproq va jinslar bilan issiqlik almashinuvi; F- fotosintez uchun energiya sarfi; FROM- tuproq hosil bo'lishi va ob-havo uchun energiya sarfi; Q+q- umumiy nurlanish; a- albedo; I- atmosferaning samarali nurlanishi.

Fotosintez va tuproq shakllanishiga sarflangan energiya ulushi radiatsiya byudjetining 1% dan kamrog'ini tashkil qiladi, shuning uchun bu komponentlar ko'pincha tenglamadan chiqarib tashlanadi. Biroq, aslida, ular muhim bo'lishi mumkin, chunki bu energiya to'planish va boshqa shakllarga (aylantiriladigan energiya) aylanish qobiliyatiga ega. Kam quvvatli, lekin uzoq muddatli (yuz millionlab yillar) konvertatsiya qilinadigan energiyani to'plash jarayoni geografik konvertga sezilarli ta'sir ko'rsatdi. U cho'kindi jinslardagi diffuz organik moddalarda, shuningdek, ko'mir, neft, slanets shaklida taxminan 11×10 14 J/m 2 energiya to'plagan.

Issiqlik balansi tenglamasi iqlim sharoitining o'ziga xosligini va tarkibiy qismlarning hissasini (quruqlik, okean, muz hosil bo'lgan, muzlamaydigan va boshqalar uchun) hisobga olgan holda har qanday geografik hudud va vaqt oralig'i uchun olinishi mumkin.

Issiqlikni uzatish va taqsimlash. Issiqlikning sirtdan atmosferaga o'tishi uchta usulda sodir bo'ladi: termal nurlanish, quruqlik bilan aloqa qilganda havoning isishi yoki sovishi va suvning bug'lanishi. Atmosferaga ko'tarilgan suv bug'lari kondensatsiyalanadi va bulutlarni hosil qiladi yoki yog'ingarchilik sifatida tushadi va bu holda chiqarilgan issiqlik atmosferaga kiradi. Atmosfera tomonidan so'rilgan radiatsiya va suv bug'ining kondensatsiya issiqligi yer yuzasidan issiqlik yo'qotilishini kechiktiradi. Qurg'oqchil hududlarda bu ta'sir pasayadi va biz eng katta kunlik va yillik harorat amplitudalarini kuzatamiz. Eng kichik harorat amplitudalari okean mintaqalariga xosdir. Ulkan suv ombori sifatida okean ko'proq issiqlikni saqlaydi, bu esa yuqori harorat tufayli haroratning yillik o'zgarishini kamaytiradi. o'ziga xos issiqlik suv. Shunday qilib, Yerda suv issiqlik akkumulyatori sifatida muhim rol o'ynaydi.

Issiqlik balansining tuzilishi bog'liq geografik kenglik va landshaft turi, o'z navbatida, o'zi ham unga bog'liq. U nafaqat ekvatordan qutbga, balki quruqlikdan dengizga o'tganda ham sezilarli darajada o'zgaradi. Quruqlik va okean bir-biridan yutilgan nurlanish miqdori bilan ham, issiqlik taqsimoti tabiati bilan ham farqlanadi. Yozda okeanda issiqlik bir necha yuz metr chuqurlikka tarqaladi. Issiq mavsumda okean 1,3×10 9 dan 2,5×10 9 J/m 2 gacha toʻplanadi. Quruqlikda issiqlik bor-yo'g'i bir necha metr chuqurlikka tarqaladi va issiq mavsumda bu erda taxminan 0,1 × 10 9 J / m 2 to'planadi, bu okeandagidan 10-25 baravar kam. Issiqlikning katta ta'minoti tufayli okean qishda quruqlikka qaraganda kamroq soviydi. Hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, okeandagi bir martalik issiqlik miqdori uning butun yer yuzasiga ta'minlanishidan 21 baravar ko'pdir. Hatto okean suvining 4 metrli qatlamida ham butun atmosferaga qaraganda 4 barobar ko'proq issiqlik mavjud.

Okean tomonidan so'rilgan energiyaning 80% gacha suv bug'lanishi uchun sarflanadi. Bu yiliga 12 × 10 23 J / m 2 ni tashkil etadi, bu erning issiqlik balansining bir xil maqolasidan 7 barobar ko'pdir. Energiyaning 20% ​​atmosfera bilan turbulent issiqlik almashinuviga sarflanadi (bu ham quruqlikka qaraganda ko'proq). Okeanning atmosfera bilan vertikal issiqlik almashinuvi ham issiqlikning gorizontal uzatilishini rag'batlantiradi, buning natijasida u qisman quruqlikda tugaydi. 50 metrli suv qatlami okean va atmosfera o'rtasidagi issiqlik almashinuvida ishtirok etadi.

Radiatsiya va issiqlik balansidagi o'zgarishlar. Radiatsiya balansining yillik yig'indisi Grenlandiya va Antarktidaning muzlik hududlari bundan mustasno, Yerning deyarli hamma joylarida ijobiydir. Uning o'rtacha yillik qiymatlari ekvatordan qutblarga yo'nalish bo'yicha quyosh nurlanishining dunyo bo'ylab tarqalish qonuniyatlari bo'yicha pasayadi (7.3-rasm). Okean ustidagi radiatsiya balansi quruqlikka qaraganda kattaroqdir. Bu suv sathining pastki albedosi, ekvatorial va tropik kengliklarda namlikning ko'payishi bilan bog'liq. Radiatsiya balansidagi mavsumiy o'zgarishlar barcha kengliklarda sodir bo'ladi, ammo turli darajadagi zo'ravonlik bilan. Past kengliklarda mavsumiylik yog'ingarchilik rejimi bilan belgilanadi, chunki bu erda issiqlik sharoitlari kam o'zgaradi. Mo''tadil va yuqori kengliklarda mavsumiylik issiqlik rejimi bilan belgilanadi: radiatsiya balansi yozda ijobiydan qishda salbiyga o'zgaradi. Yilning sovuq davrining mo''tadil va qutb kengliklarida salbiy balansi qisman past kengliklardan havo va dengiz oqimlari tomonidan issiqlikning advektsiyasi bilan qoplanadi.

Yerning energiya muvozanatini saqlash uchun issiqlikning qutblarga o'tishi kerak. Bu issiqlikning bir oz kamroq qismi okean oqimlari tomonidan, qolgan qismi atmosfera tomonidan tashiladi. Erning isishidagi farqlar uning ishini geografik issiqlik dvigateli sifatida belgilaydi, unda issiqlik isitgichdan muzlatgichga o'tkaziladi. Tabiatda bu jarayon ikki shaklda amalga oshiriladi: birinchidan, termodinamik fazoviy bir jinslilik shamollar va dengiz oqimlarining sayyoraviy tizimlarini hosil qiladi; ikkinchidan, bu sayyora tizimlarining o'zi yer sharida issiqlik va namlikni qayta taqsimlashda ishtirok etadi. Shunday qilib, issiqlik ekvatordan qutblarga havo oqimlari yoki okean oqimlari orqali, sovuq havo yoki suv massalari esa ekvatorga o'tkaziladi. Shaklda. 7.4-rasmda Atlantika okeanida iliq er usti suvlarining qutbga ko'chishi ko'rsatilgan. Qutblarga qarab issiqlik uzatish 40 ° kenglik yaqinida maksimal darajaga etadi va qutblarda nolga aylanadi.

Quyosh radiatsiyasining kirib kelishi nafaqat geografik kenglik, balki mavsumga ham bog'liq (7.4-jadval). Shunisi e'tiborga loyiqki, yozda Arktikaga ekvatorga qaraganda ko'proq issiqlik kiradi, ammo Arktika dengizlarining yuqori albedosi tufayli muz bu erda erimaydi.

Harorat taqsimoti. Ustida gorizontal taqsimot haroratlar ta’sir qiladi geografik joylashuv, relyefi, er osti yuzasining xossalari va moddiy tarkibi, okean oqimlari tizimlari va sirt va yer yuzasiga yaqin qatlamlardagi atmosfera sirkulyatsiyasining tabiati.

Guruch. 7.3. Yer yuzasida o'rtacha yillik radiatsiya balansining taqsimlanishi, MJ / (m 2 × yil) (S.P. Xromov va M.A. Petrosyants, 1994 y.)

Guruch. 7.4. Shimoliy qismda issiqlik uzatish Atlantika okeani, °S(S. Neshiba bo'yicha, 1991). Qaerda soyali joylar er usti suvlari okeanning o'rtacha haroratidan issiqroq. Raqamlar hajmli suv o'tkazmalarini (million m 3 / s) ko'rsatadi, o'qlar oqim yo'nalishini ko'rsatadi, qalin chiziq ko'rfaz oqimini ko'rsatadi.

7.4-jadval. Yer yuzasiga kiradigan umumiy radiatsiya (N.I. Egorov, 1966)

Radiatsiya balansi turli vaqtlar davomida uning ostidagi sirt, atmosfera yoki yer-atmosfera tizimi tomonidan so'rilgan va chiqarilgan nurlanish energiyasining daromad-xarajati deb ataladi (6, 328-bet).

Pastki yuzaning radiatsiya balansining kiruvchi qismi R to'g'ridan-to'g'ri quyosh va diffuz nurlanishdan, shuningdek, uning ostidagi sirt tomonidan so'rilgan atmosfera qarshi nurlanishidan iborat. Xarajat qismi o'zining tufayli issiqlik yo'qotilishi bilan belgilanadi termal nurlanish ostidagi sirt (6, 328-bet).

Radiatsiya balansi tenglamasi:

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

Bu erda Q - to'g'ridan-to'g'ri quyosh nurlanishining oqimi (yoki yig'indisi), q - sochilgan quyosh nurlanishining oqimi (yoki yig'indisi), A - pastki yuzaning albedosi, atmosfera qarshi nurlanish oqimi (yoki yig'indisi) va er osti yuzasining ichki issiqlik nurlanishining oqimi (yoki yig'indisi), e - pastki yuzaning yutilish qobiliyati (6, 328-bet).

Yil davomida yer yuzasining radiatsiya balansi Grenlandiya va Antarktida muzli platolaridan tashqari Yerning hamma joyida ijobiy (5-rasm). Bu shuni anglatadiki, so'rilgan nurlanishning yillik oqimi bir vaqtning o'zida samarali nurlanishdan kattaroqdir. Ammo bu yer yuzasi har yili isib bormoqda, degani emas. So'rilgan nurlanishning radiatsiyaga nisbatan ko'pligi issiqlik o'tkazuvchanligi va suvning fazaviy o'zgarishlari (er yuzasidan bug'lanish va atmosferada keyingi kondensatsiya) paytida issiqlikning er yuzasidan havoga o'tishi bilan muvozanatlanadi.

Binobarin, er yuzasi uchun radiatsiyani olish va qaytarishda radiatsiyaviy muvozanat mavjud emas, lekin issiqlik muvozanati mavjud: issiqlikning yer yuzasiga radiatsiyaviy va radiatsiyaviy bo'lmagan yo'llar bilan kirishi uning qaytishiga tengdir. usullari.

Issiqlik balansi tenglamasi:

bu erda radiatsion issiqlik oqimining qiymati R, er osti yuzasi va atmosfera orasidagi turbulent issiqlik oqimi P, pastki yuza va pastki qatlamlar orasidagi issiqlik oqimi A va bug'lanish uchun issiqlik iste'moli (yoki issiqlik chiqishi paytida). kondensatsiya) LE (L -) yashirin issiqlik bug'lanish, E - bug'lanish yoki kondensatsiya tezligi) (4, 7-bet).

Issiqlikning pastki yuzasiga nisbatan kelishi va iste'moliga muvofiq, issiqlik balansining tarkibiy qismlari ijobiy yoki salbiy qiymatlarga ega bo'lishi mumkin. Uzoq muddatli xulosada Jahon okeanining tuproq va suvning yuqori qatlamlarining o'rtacha yillik harorati doimiy hisoblanadi. Shuning uchun tuproqda va umuman Jahon okeanida vertikal va gorizontal issiqlik almashinuvini amalda nolga tenglashtirish mumkin.

Shunday qilib, uzoq muddatli hosilada quruqlik yuzasi va Jahon okeani uchun yillik issiqlik balansi radiatsiya balansi, bug'lanish uchun issiqlik yo'qotishlari va pastki sirt va atmosfera o'rtasidagi turbulent issiqlik almashinuvidan iborat (5-rasm, 5-rasm). 6). Okeanning alohida qismlari uchun issiqlik balansining ko'rsatilgan tarkibiy qismlariga qo'shimcha ravishda, dengiz oqimlari bilan issiqlik o'tkazilishini hisobga olish kerak.

Guruch. 5. Yerning radiatsiya balansi va yil davomida quyosh nurlanishining kelishi

Yer atmosferada va ayniqsa yer yuzasida qisqa toʻlqinli quyosh nurlanishini oʻzlashtirib issiqlik oladi. Quyosh radiatsiyasi amalda "atmosfera-yer" tizimida issiqlikning yagona manbai hisoblanadi. Boshqa issiqlik manbalari (parchalanish paytida ajralib chiqadigan issiqlik). radioaktiv elementlar Yerning ichida, tortishish issiqligi va boshqalar) jami quyosh nurlanishidan atmosferaning yuqori chegarasiga kiradigan issiqlikning atigi besh mingdan bir qismini beradi Shunday qilib, issiqlik balansi tenglamasini tuzishda ularni e'tiborsiz qoldirish mumkin.

Issiqlik qisqa to'lqinli nurlanishning dunyo bo'shlig'ini tark etishi bilan yo'qoladi, atmosfera Soa va yer yuzasidan SOPdan aks ettiriladi va uzoq to'lqinli nurlanishning Ee er yuzasi va atmosferaning nurlanishining samarali nurlanishi tufayli Ea.

Shunday qilib, atmosferaning yuqori chegarasida sayyora sifatida Yerning issiqlik balansi radiatsion (radiatsion) issiqlik uzatishdan iborat:

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

Qaerda?Se, “atmosfera – Yer” sistemasidagi issiqlik tarkibining ma’lum vaqt oralig’idagi o’zgarishi?t.

Yillik davr uchun ushbu tenglama shartlarini ko'rib chiqing. Quyosh radiatsiyasining oqimi Yerning Quyoshdan o'rtacha masofasida taxminan 42,6-10 ° J/(m2-yil) ga teng. Ushbu oqimdan Yer quyosh doimiysi I0 va Yerning pR2 tasavvurlar maydoni, ya'ni I0 pR2 mahsulotiga teng energiya oladi, bu erda R - Yerning o'rtacha radiusi. Yerning aylanishi ta'sirida bu energiya 4pR2 ga teng bo'lgan butun dunyo yuzasiga taqsimlanadi. Binobarin, Quyosh nurlanish oqimining Yerning gorizontal yuzasiga atmosfera tomonidan susayganligini hisobga olmagan holda oʻrtacha qiymati Io rR2/4rR3 = Io/4 yoki 0,338 kVt/m2 ni tashkil qiladi. Bir yil davomida atmosferaning tashqi chegarasi yuzasining har bir kvadrat metri uchun o'rtacha 10,66-109 J yoki 10,66 GJ quyosh energiyasi olinadi, ya'ni Io = 10,66 GJ / (m2 * yil).

(1) tenglamaning xarajat tomonini ko'rib chiqing. Atmosferaning tashqi chegarasiga kelgan quyosh radiatsiyasi qisman atmosferaga kirib boradi va qisman atmosfera va yer yuzasi tomonidan dunyo fazosiga aks etadi. Oxirgi ma'lumotlarga ko'ra, Yerning o'rtacha albedosi 33% ni tashkil qiladi: u bulutlardan ko'rish (26%) va uning ostidagi yuzadan ko'rish (7:%) yig'indisidir. Keyin bulutlar tomonidan aks ettirilgan radiatsiya Soa = 10,66 * 0,26 = 2,77 GJ / (m2 * yil), er yuzasi - SOP = 10,66 * 0,07 = 0,75 GJ / (m2 * yil) va umuman, Yer 3,52 GJ / ni aks ettiradi. (m2*yil).

Quyosh nurlanishining yutilishi natijasida isitiladigan yer yuzasi atmosferani isituvchi uzun to'lqinli nurlanish manbaiga aylanadi. Mutlaq noldan yuqori haroratga ega bo'lgan har qanday jismning yuzasi doimiy ravishda nurlanadi issiqlik energiyasi. Yer yuzasi va atmosfera ham bundan mustasno emas. Stefan-Boltzman qonuniga ko'ra, nurlanishning intensivligi tananing haroratiga va uning emissiyasiga bog'liq:

E = wT4, (2)

bu erda E - nurlanishning intensivligi yoki o'z-o'zidan nurlanish, Vt / m2; c - tananing butunlay qora tanaga nisbatan emissiyasi, buning uchun c = 1; y - Stefan doimiysi - Boltzmann, 5,67 * 10-8 Vt / (m2 * K4) ga teng; T -- mutlaq harorat tanasi.

Turli sirtlar uchun qiymatlar 0,89 (silliq suv yuzasi) dan 0,99 (zich yashil o't) gacha. O'rtacha er yuzasi uchun v 0,95 ga teng qabul qilinadi.

Yer yuzasining mutlaq harorati 190 dan 350 K gacha bo'ladi. Bunday haroratlarda chiqarilgan nurlanish 4-120 mikron to'lqin uzunligiga ega va shuning uchun uning hammasi infraqizil bo'lib, ko'z bilan sezilmaydi.

Er yuzasining ichki nurlanishi - E3, formula (2) bo'yicha hisoblangan, 12,05 GJ / (m2 * yil) ga teng, bu 1,39 GJ / (m2 * yil) yoki kelgan quyosh radiatsiyasidan 13% yuqori. atmosferaning yuqori chegarasida S0. Er yuzasi tomonidan radiatsiyaning bunday katta qaytishi uning tez sovishiga olib keladi, agar bunga quyosh va atmosfera radiatsiyalarini er yuzasi tomonidan singdirish jarayoni to'sqinlik qilmasa edi. 4,5 dan 80 mikrongacha bo'lgan to'lqin uzunligi diapazonidagi infraqizil er radiatsiyasi yoki er yuzasining o'ziga xos nurlanishi atmosfera suv bug'lari tomonidan intensiv ravishda so'riladi va faqat 8,5 - 11 mikron oralig'ida atmosfera orqali o'tadi va dunyo kosmosga chiqadi. O'z navbatida, atmosferadagi suv bug'lari ham ko'rinmas infraqizil nurlanishni chiqaradi, ularning ko'p qismi er yuzasiga yo'naltiriladi, qolgan qismi esa dunyo fazosiga ketadi. Yer yuzasiga keladigan atmosfera nurlanishi atmosferaning qarshi nurlanishi deb ataladi.

Atmosferaning qarshi nurlanishidan er yuzasi o'z kattaligining 95% ni o'zlashtiradi, chunki Kirxgof qonuniga ko'ra, jismning nurlanishi uning nurlanish yutilishiga tengdir. Shunday qilib, atmosferaning qarshi nurlanishi so'rilgan quyosh radiatsiyasidan tashqari er yuzasi uchun muhim issiqlik manbai hisoblanadi. Atmosferaning qarshi nurlanishini bevosita aniqlash mumkin emas va bilvosita usullar bilan hisoblanadi. Yer yuzasi tomonidan so'rilgan atmosferaning qarshi nurlanishi Eza = 10,45 GJ / (m2 * yil). S0 ga nisbatan u 98% ni tashkil qiladi.

Qarshi radiatsiya har doim Yernikidan kamroq. Shuning uchun yer yuzasi o'zining va qarshi nurlanish o'rtasidagi ijobiy farq tufayli issiqlikni yo'qotadi. Yer yuzasining o'z-o'zidan nurlanishi va atmosferaning qarshi nurlanishi o'rtasidagi farq samarali nurlanish (Ee) deb ataladi:

Ee \u003d Ez - Eza (3)

Yerdagi quyosh issiqlik almashinuvi

Samarali nurlanish - bu er yuzasidan nurlanish energiyasini, demak, issiqlikni aniq yo'qotishdir. Kosmosga chiqadigan bu issiqlik 1,60 GJ / (m2 * yil) yoki atmosferaning yuqori chegarasiga kelgan quyosh radiatsiyasining 15% ni tashkil qiladi (9.1-rasmdagi E3 o'qi). Mo''tadil kengliklarda er yuzasi samarali nurlanish orqali yutilgan nurlanishdan oladigan issiqlik miqdorining yarmini yo'qotadi.

Atmosferaning nurlanishi yer yuzasining nurlanishiga qaraganda murakkabroqdir. Birinchidan, Kirchhoff qonuniga ko'ra, energiya faqat uni o'zlashtiradigan gazlar, ya'ni suv bug'lari, karbonat angidrid va ozon tomonidan chiqariladi. Ikkinchidan, bu gazlarning har birining nurlanishi murakkab selektiv xususiyatga ega. Suv bug'ining tarkibi balandlik bilan kamayib borayotganligi sababli, atmosferaning eng kuchli nurlanish qatlamlari 6-10 km balandlikda joylashgan. Atmosferaning jahon fazosiga uzoq toʻlqinli nurlanishi Ea=5,54 GJ/(m2*yil), bu atmosferaning yuqori chegarasiga quyosh radiatsiyasi oqimining 52% ni tashkil qiladi. Yer yuzasi va kosmosga kiradigan atmosferaning uzun to'lqinli nurlanishiga chiquvchi radiatsiya EI deyiladi. Hammasi bo'lib, u 7,14 GJ/(m2*yil), yoki quyosh radiatsiyasi oqimining 67% ga teng.

So, Soa, Sop, Ee va Ea ning topilgan qiymatlarini (1) tenglamaga qo'yib, biz - ?Sz = 0 ga ega bo'lamiz, ya'ni chiquvchi nurlanish, aks ettirilgan va tarqalgan Soz qisqa to'lqinli nurlanish bilan birgalikda kompensatsiyalanadi. quyosh radiatsiyasining Yerga kirib kelishi. Boshqacha aytganda, Yer atmosfera bilan birgalikda qancha nurlanishni qabul qilsa, shuncha yo'qotadi va shuning uchun radiatsiyaviy muvozanat holatidadir.

Yerning termal muvozanati haroratni uzoq muddatli kuzatishlar bilan tasdiqlangan: o'rtacha harorat Yer yildan yilga kam o'zgaradi va bir uzoq muddatli davrdan ikkinchisiga deyarli o'zgarishsiz qoladi.