Полякова Л.С., Кашарин Д.В. Метеорология и климатология

Тепловой баланс для поверхности Земли

Солнечная радиация, поглощенная поверхностью суши, преобразуется в тепло. Часть этого тепла затрачивается на нагревание приземного слоя атмосферы, растений, на испарение воды, а часть тепла передается в нижележащие слои почвы.

Тепловой режим земной поверхности в основном обусловлен радиационным балансом, то есть зависит от прихода радиации, величины альбедо и эффективного излучения. При положительном радиационном балансе верхний слой почвы нагревается. Если радиационный баланс отрицателен, то верхний слой охлаждается и тогда тепло из глубины почвы поступает к ее поверхности. Это вызывает охлаждение почвы на глубине.

Для процессов нагревания и охлаждения почвы определенное значение имеют также испарение и концентрация водяного пара на ее поверхности. При конденсации выделяется тепло, нагревающее почву, а при испарении тепло затрачивается на этот процесс, поэтому происходит охлаждение почвы.

Приход и расход тепла на земной поверхности характеризуется уравнением теплового баланса, в которое входят следующие основные составляющие:

  • радиационные потоки, сумма которых равна радиационному балансу В,
  • турбулентный поток тепла от подстилающей поверхности к атмосфере Р,
  • поток тепла от подстилающей поверхности к нижележащей поверхности А,
  • затрата тепла на испарение LE , где L – скрытая теплота парообразования, Е – скорость испарения.

Уравнение теплового баланса имеет вид:

В = LE + P +А. (4.1)

Приход солнечной радиации, радиационный и тепловой баланс являются важнейшими факторами климата. Знания о приходе и поглощении солнечной радиации и ее последующих преобразованиях на земной поверхности и в атмосфере позволяют объяснить закономерности формирования климата и распределения его по земному шару.

Изменение тепловых потоков в течении суток следуют за ходом радиационного баланса (рис. 4.1).

Суточный ход составляющих теплового баланса за июль в районе г. Санкт-Петербурга
Рисунок 4.1. Суточный ход составляющих теплового баланса за июль в районе г. Санкт-Петербурга

Поскольку приход солнечной радиации неодинаков в течение суток и года, то температура почвы тоже изменяется и иногда в очень широких пределах.

Между поверхностью почвы и ее нижележащими слоями происходит непрерывный обмен теплом. Передача тепла в почве осуществляется в основном за счет молекулярной теплопроводности. Когда поверхность почвы теплее нижележащих слоев (день, лето), поток тепла направлен от поверхности вглубь почвы. Этот тип распределения температуры в почве называют типом инсоляции (положительный радиационный баланс). Когда поверхность почвы холоднее нижележащих слоев, поток тепла направлен из глубины к поверхности. Такой тип распределения температуры в почве называют типом излучения. Он наблюдается при отрицательном балансе (зимой, ночью).