Acasă | Despre noi | feedback-ul
Echilibru termic. Ca urmare a schimbului complex de energie între suprafața pământului, atmosferă și spațiul interplanetar, fiecare dintre aceste componente primește în medie aceeași cantitate de energie din celelalte două, pe măsură ce se pierde. În consecință, nici suprafața pământului, nici atmosfera nu experimentează nici creșterea, nici scăderea energiei.
Echilibrul termic al suprafeței pământului.
În conformitate cu legea conservării energiei, aceasta trebuie să fie zero. Semnificația egalității la zero înseamnă constanță pentru perioade lungi de timp (un secol, mileniu) de temperatură medie pe un an pe Pământ. Dacă Pământul ar absorbi radiația solară fără a pierde căldura, temperatura ar crește continuu, dar acest lucru nu se întâmplă, deoarece Pământul oferă radiații electromagnetice spațiului. Dacă luăm în considerare valorile medii anuale și neglijăm orice modificare a temperaturilor medii anuale ale Pământului pentru diferiți ani, atunci putem obține un echilibru între radiația solară care intră și radiația de ieșire a Pământului.
Balanța de căldură a sistemului Pământ-atmosferă este prezentată schematic în Fig. 1.2.4. 100% din radiația solară care intră în atmosferă, 70% din radiația directă, din care 23% este reflectată de nori, 20% este absorbită de aer, 27% cade la suprafața pământului, și absorbită de aceasta 25% și reflectată de aceasta la 2%. Pe radiația împrăștiată de 30%, din care 8% merge în spațiu, iar 22% vine la suprafața pământului (20% și 2% este absorbită se reflectă în spațiul mondial). Astfel, cu limita superioară a atmosferei în spațiu lăsând radiație 23 + 8 + 4 = 35%. Această valoare - 35% - se numește albedo al Pământului.
Fig. 1.2.4. Echilibrul termic al sistemului Pământ-atmosferă.
Atmosfera emite 157% din energie, 102% din care sunt direcționate către suprafața pământului, iar 55% merg în spațiul mondial. Suprafața Pământului prin radiația cu unde lungi pierde 117%, din care 10% se află în spațiul mondial, iar 107% este absorbit de atmosferă. În plus, 23% din căldură este consumată la evaporarea apei și 7% sunt pierdute în timpul schimbului de căldură cu atmosfera. Ar trebui să se acorde atenție faptului că atmosfera și suprafața terestră, luate separat, radiază mult mai multă căldură decât în același timp absorb radiația solară. Dar acest lucru este, în esență, un schimb reciproc, "pomparea" radiațiilor de undă lungă.
Din cele prezentate în text și în Fig. 1.2.4. Figurile arată că atât la limita superioară a atmosferei, cât și în atmosferă însăși și pe suprafața pământului, există o egalitate de intrare și de întoarcere a căldurii.
Radiația solară care ajunge la suprafața pământului poate fi absorbită de aceasta, ea poate fi, de asemenea, transferate în interiorul Pământului, în cazul în care pe cale de a se întâlni cu privire la materialul transparent în acesta, sau pot fi reflectate de la ea.
Reflexia unei suprafețe depinde de substanța constituentă și textura ei, de unghiul de incidență al radiației de intrare și de lungimea de undă. Valorile Albedo pentru cea mai mare parte a suprafeței terenului au valori de 10-30%. Albedo-ul suprafeței calme a apei este mai mic de 5% dacă Soarele se abate de la zenit cu nu mai mult de 50 °. Dar dacă Soarele coboară și unghiul dintre acesta și zenit este de 80 °, albedo-ul suprafeței apelor se ridică brusc și poate depăși 50%. Albedo-ul planetar mediu al globului, inclusiv acoperirea cloud, este aproape de 35%.
Singura parte a suprafeței Pământului, care este în mare măsură transparentă pentru radiația solară, este apa. Acea parte a radiației care a ajuns la suprafața apei și nu se reflectă din ea, pătrunde în coloana de apă, refractând la limita celor două medii. Apoi este absorbit și împrăștiat, în principal prin particule în suspensie. În apa de mare purificată din impurități, aproximativ 40% din radiația primită atinge o adâncime de 1 m și o lungime de 22% de 10 m. În apa obișnuită a oceanelor, cifrele corespunzătoare sunt de 35 și 10%. În apele turbidite de coastă, acestea vor fi de 23 și 0,5%. Rata de absorbție și împrăștiere a radiației solare în diferite părți ale spectrului diferă semnificativ. Infraroșu și lumină roșie pătrunde până la o adâncime mai mică. În apele limpezi ale oceanului, lumina albastră penetrează mai adânc, în timp ce în apele de coastă tulbure pătrunde lumina verde și galbenă.
Când absorbția radiației solare și suprafața pământului solid al apei oceanului, ele încep încălzire. Căldura poate fi transmisă în continuare sau conductiv, sau într-un lichid - prin convecție. prin transfer conductive relativ lent, iar suprafața solidă a pământului în timpul zilei nu este încălzit mai adânc de 0,5 m. În ocean, principalul proces care conduce la transferul de căldură în jos este convecție. În plus față de convecție termică (care se formează prin răcirea suprafeței oceanului), amestecarea verticală are loc sub influența fluxurilor turbulente vânt și valuri, și ziua în ocean deschis, de obicei, se încălzește stratul de la o adâncime de 10 metri și mai mult.
Absorbție de căldură conduce la o creștere a temperaturii, magnitudinea, care este invers proporțională cu căldura specifică a substanței sau să schimbe starea, așa cum este cazul cu apă. Căldura specifică a apei este de aproximativ cinci ori mai mare decât cea din lemn de esență tare sau sol uscat, dar datorită faptului că apa are o densitate mai mică, căldura specifică este numai de două ori mai mare decât căldura specifică a aceluiași volum de rocă. Astfel, în cazul în volume egale de apă și roca obține aceeași cantitate de căldură, atunci, chiar dacă nu se va produce și căldura de vaporizare a apei este distribuită uniform, temperatura apei se ridică la o valoare aproximativ de două ori mai mici decât cele pentru pietre. Diferențele vor fi și mai mari dacă în loc de roci se va lua sol uscat.
Dacă nu ar exista oceane și atmosferă pe Pământ, atunci energia care vine de la Soare ar încălzi Pământul la o temperatură la care radiația de întoarcere ar deveni egală cu radiația care intră. Conform legii lui Ștefan-Boltzmann, temperatura medie a unui corp absolut negru pentru Pământ, care este necesară pentru atingerea acestui echilibru, este de 250 ° K (-23 ° C). Se numește temperatura planetară a Pământului. Această temperatură este mult mai mică decât temperatura medie a suprafeței Pământului (288 ° K). Acest lucru se realizează pentru că o parte apreciabilă a energiei radiate de suprafața pământului este absorbită sau reflectată de atmosferă înapoi pe suprafața Pământului.
Din fig. 1.2.5 arată că lungimea de undă la care maxime în spectrul de emisie pentru un corp negru la o temperatură de 285 ° K, aproape de temperatura medie a Pământului (temperatura medie de 15 ° C Pământului, adică 288 ° C) este aproximativ 10 microni și aproape toată radiația are loc la lungimi de undă mai mari de 4 microni. (Pentru comparație, maximul radiației solare de intrare are loc la o lungime de undă de aproximativ 0,5 microni) este, prin urmare, având în vedere valoarea (4 u) este luată ca limita, care separă „mai scurt“, radiația solară de „lungime de unda„Pământ radiații.
Fig. 1.2.5. Distribuția intensității radiației cu lungime de undă pentru un corp negru, cu o temperatură de suprafață de 285 ° K (în acest caz, care reprezintă Pământul) și absorbția acestor radiații diagrama de abur, dioxid de carbon și ozon.
Unele gaze atmosferice au capacitatea de a absorbi radiațiile de lungă durată: sunt vapori de apă, dioxid de carbon și ozon. Acestea absorb aproape toată radiația Pământului, având lungimi de undă mai mici de 8 microni și mai mult de 12 microni. Dar între aceste valori există o "fereastră de radiație" prin care, cu cerul clar, radiațiile radiază în spațiul cosmic.
Nori pot absorbi și reflecta radiațiile cu unde lungi. Gazele care alcătuiesc atmosfera care absoarbe radiația de ieșire a Pământului, la rândul său, radiază în toate direcțiile, inclusiv în spațiu, dar o parte din energie se întoarce pe Pământ. Astfel, ele acționează ca un strat de izolare în jurul Pământului, ca pereții de sticlă ai unei serii, astfel încât acest efect asupra temperaturii Pământului se numește efect de seră.
Cantitatea de dioxid de carbon din atmosferă a crescut cu 10% în ultimii 70 de ani, inclusiv ca rezultat al arderii combustibilului. După cum cred unii cercetători, acest lucru are un impact enorm asupra amplorii efectului de seră și acest lucru se poate datora unei schimbări a temperaturii globale a atmosferei.
Echilibrul dintre radiația de intrare și ieșire este obținut ca urmare a unei modificări a temperaturii Pământului. Dacă crește radiația, temperatura Pământului crește, ceea ce duce, la rândul său, la o creștere a cantității de radiații de ieșire. Ca urmare, echilibrul este restabilit la o temperatură mai ridicată.
După cum sa menționat mai sus, temperatura medie a Pământului în absența oceanului și a atmosferei ar fi de 250 ° K, în timp ce la ecuator ar fi 270 ° K, la polul sudic 150 ° K, iar la Polul Nord 170 ° K De fapt, suprafața Pământului este mult mai caldă, iar contrastul dintre temperatura la ecuator și la poli este mult mai mic. Atât temperatura superioară, cât și contrastele mai mici dintre pol și ecuator sunt determinate de prezența oceanului și a atmosferei. Mai puțin decât contrastele teoretice se datorează faptului că atmosfera și oceanul pot transfera căldură dintr-o zonă în alta, afectând astfel echilibrul energetic.
Cele mai multe radiații sunt absorbite pe suprafața planetei noastre, fie că sunt apă sau pământ, după trecerea prin atmosferă. Suprafața Pământului încălzește atmosfera atât cu radiația lungă a undelor, cât și ca urmare a transferului de căldură la atmosfera oceanică sau la limita Pământ-atmosferă, ceea ce duce la convecția în atmosferă. Numai transferul de căldură ar putea duce la transferul foarte mic de căldură. Cu toate acestea, este necesar ca căldura să fie transferată numai printr-un strat foarte subțire cu o grosime de câțiva milimetri sau chiar mai puțin. Căldura suplimentară este transferată în procesul de mișcare verticală a aerului, care poate rezulta din convecția termică sau ca urmare a mișcării orizontale a debitului de aer pe o suprafață neuniformă (convecție turbulentă). Ca urmare, un anumit gradient de temperatură va fi menținut la interfața dintre cele două medii și, prin urmare, transferul de căldură va fi realizat destul de repede.
Există un alt proces foarte important în care căldura solară este transferată în atmosferă. Aceasta este evaporarea de pe suprafața apei și condensarea umidității în atmosferă. Pentru fiecare gram de apă evaporată din suprafața oceanului necesită aproximativ 103 2,47 jouli de căldură care aburul pătrunde sub formă de căldură latentă și care este eliberat în atmosferă în timpul condensării sale.
Au fost făcute mai multe încercări pentru determinarea echilibrului termic al oceanului. Sa demonstrat că partea de cheltuieli a balanței termice a oceanului la latitudini de 70 ° N. w. până la 70 ° S. w. 41% determinată de radiația longwave care își încetează activitatea, transmisia cu 5% în aer și 54% prin evaporare. Desigur, în diferite locuri de pe glob si in diferite anotimpuri, aceste valori pot varia considerabil, dar, în general, putem spune că este evaporarea rezultatelor de apă în cea mai mare pierdere de căldură, în timp ce rolul de transfer de căldură conductiv, urmată de procesele convective în atmosfera cea mai puțin importantă .
Exprimate adevărat dacă temperatura medie a apei la suprafață este mai mare decât temperatura aerului deasupra, și, mai important, în cazul în care presiunea vaporilor de apă deasupra suprafeței oceanului este mai mică decât presiunea aburului saturat la o temperatură de aer care are o apă de suprafață. În aceste condiții, apa se evaporă. Cu toate acestea, există importante excepții de la această regulă generală. De exemplu, în zona Grand Banks temperatura aerului de primăvară depășește temperatura suprafeței apei, care are ca rezultat transferul de căldură din atmosferă în ocean și la suprafața oceanului și direct deasupra condensarea aburului se produce și se formează ceață. Ca o consecință, apele de suprafață devin mai calde și, în consecință, mai puțin dense, iar aerul deasupra lor se răcește și devine mai dens. În ambele medii, convecția termică este în cele din urmă suprimată, transferul de căldură este relativ lent, cu excepția cazului când suflă vânturi puternice.
de transport orizontal termic - advecție - (. Figura 1.2.6) necesare pentru a compensa pierderile de căldură datorate radiației la latitudini mari și fluxul de căldură de la latitudini mai joase. Schimbarea deficitului și a excesului în bilanțul anual al radiațiilor are loc la aproximativ 37 ° latitudine nordică și sudică. Dacă advectiei căldură nu există, temperatura în zona ecuatorială ar crește la 10 ° C, în timp ce în latitudinile polare s-ar fi scăzut cu mai mult de 20 ° C Acest lucru ar duce la o creștere semnificativă, acoperite cu gheață și zăpadă suprafața Pământului, care, la rândul său, ar determina o creștere a albedo în mijloc și latitudini înalte, iar zonele corespunzătoare au răcit în continuare.
Cele mai multe estimări arată că mai mult de 80% din transferul de căldură are loc în atmosferă, unde, ca urmare a proceselor de circulație globală, aerul cald și vaporii de apă, împreună cu căldură de condensare latentă, sunt transportate spre stâlpii Pământului.
Cele mai recente estimări ale balanței de căldură a Pământului, realizate din datele sateliților artificiali, au arătat totuși că în regiunea dintre ecuator și 70 ° N, În medie, 40% din acest transfer de energie cade pe ocean și 20 ° sec. w. această contribuție atinge 74%. Vânturile și curenții oceanici nu echilibrează echilibrul termic între latitudinile joase și înalte, ci depind și de distribuția inegală a căldurii pe suprafața pământului. Această inegalitate servește drept sursă de energie care susține mișcarea lor.
Figura 1.2.6. Valoarea medie pe termen lung a radiației de intrare (lungime de undă scurtă și lungă) și radiația de ieșire către media zonelor latitudinale Pământ-atmosferă (în J. C. Johnson).
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: