Теплоизлучение земной поверхности и атмосферы

Все участки географической оболочки – поверхность морей и океанов, почва, лесные массивы, снежники и ледники, нагретые солнечной радиацией выше абсолютного нуля, обладают собственным излучением. Теплоизлучение земной поверхности представляет собой длинноволновую радиацию. При температуре выше 15⁰ С (средняя температура воздуха в северном полушарии на высоте 2 м от земной поверхности составляет 15,2⁰ С) теплоизлучение равно 0,42 кВт/м² х мин (0,6 кал/см² х мин). Холодные тела излучают тепла меньше, а теплые тела излучают больше.

Земное излучение нагревает воздух. Нагретая атмосфера сама отдает тепло, одна часть которого идет вверх и теряется в межпланетном пространстве, вторая часть – идет вниз к Земле, навстречу земному излучению и называется встречным излучением. При средней величине собственного излучения земной поверхности 0,42 кВт/м² х мин (0,6 кал/см² х мин) встречное излучение в среднем равно 0,2 кал/ см² х мин.

Разница между собственным излучением тепла и встречным излучением атмосферы называется эффективным излучением. Его значение и выражает действительный поток тепла от Земли или воды к атмосфере. В отдельных случаях может наблюдаться поток тепла и от атмосферы к Земле; например, при поступлении морского теплого воздуха на холодную поверхность зимой. Встречное излучение показывает роль атмосферы в тепловом режиме географической оболочки.

Молекулы газов воздуха практически свободно пропускают коротковолновые солнечные лучи. На земной поверхности лучистая энергия превращается в длинноволновую тепловую. Переменная часть атмосферы – водяной пар, углекислый газ, капельки воды и другие взвеси – поглощают длинноволновые тепловые лучи, усиливая встречное излучение. В ясные ночи встречное излучение составляет 70 % от прямого, а в пасмурные достигает 100 %. Свойство атмосферы пропускать солнечные лучи к Земле и задерживать тепловое излучение называется оранжерейным, или тепловым эффектом.

Величина эффективного излучения зависит от следующих факторов:

1. Температура почвы или воды. Чем температура почвы или воды выше, тем больше тепла они теряют излучением. В жаркий летний день и земля, и вода много излучают тепла в воздух и температура его повышается. Теплый воздух дает больший и встречный поток. Возрастает и общий уровень эффективного излучения. Ночью, например, когда нагревание почвы и воды прекращается, уменьшается и их излучение. Перед рассветом оно становится совсем незначительным. Соответственно и понижается и температура воздуха.

2. Влажность воздуха. Водяной пар улавливает длинноволновое излучение и удерживает тепло. Влажная атмосфера посылает к Земле значительный встречный поток, эффективное излучение уменьшается. По этой причине во влажных климатах и при влажной погоде ночи не бывают так холодны, как в сухую погоду, и в странах с сухим климатом.

3. Туманы и облака. Капли воды туманов и облаков действуют, как и водяной пар, но в еще большей степени. Ночи при туманной и облачной погоде бывают обычно теплыми.

4. Близость или удаленность крупных водоемов. Водная масса, будучи теплоемкой, дольше, чем суша, удерживает тепло. Увеличением влажности, образованием облаков и туманов водоемы снижают эффективное излучение. По этой причине наибольшая потеря тепла зимой и ночью и, следовательно, резкие колебания ночной и дневной температур свойственны сухим внутриматериковым странам – Центральной и Средней Азии, Восточной Сибири и Антарктиде.

5. Абсолютная высота местности. В горах, например, с уменьшением плотности воздуха уменьшается встречное и увеличивается эффективное излучение.

6. Растительность. Мощный растительный покров, особенно леса, снижают эффективное излучение. В пустынях встречное излучение резко увеличивается.

7. Характер почво-грунтов. Мощные и рыхлые почвы дольше удерживают и больше излучают тепло; каменистые почвы и особенно пески пустынь скорее его теряют и быстро остывают.

Радиационный бюджет земной поверхности

Сложный и противоречивый процесс прихода и расхода солнечного радиационного тепла поверхностью земного шара выражается радиационным бюджетом (балансом) – результатом двух противоположных по направленности процессов: прихода и расхода тепла.

В приходную часть бюджета входят прямая радиация Q , рассеянная радиация В и встречное излучение А. Расход (Е) состоит из отраженной радиации С и излучения земной поверхности И:

R = Q + D + E - C – И.

Если включить эффективное излучение I , то формула примет следующий вид:

R = Q + D – I – C.

Есть и другие формулы для выражения радиационного баланса:

R = Q (1-a) – I, где

Q – суммарная радиация, а – альбедо.

Радиационный баланс может быть положительным, когда приход тепла больше расхода, нулевым, когда они уравновешиваются, и отрицательным, когда потеря тепла (расход) больше прихода.

Суточный ход радиационного баланса. С восходом Солнца начинается приход радиационного тепла и земная поверхность постепенно нагревается и повышается расход тепла. Максимум радиации бывает в полдень, а максимальный расход на 1-2 часа позднее, поскольку до этого времени почва еще не нагрелась. После 13-14 часов приход и расход тепла снижаются вслед за движением Солнца к закату. Ночью прихода тепла нет, но расход его продолжается: нагретая за день земная поверхность отдает тепло сначала в большом количестве, а затем все в меньшем и меньшем количестве.

Описанному радиационному режиму соответствует и ход температуры. Самая низкая температура наблюдается перед восходом Солнца, а самая высокая через 1-2 часа после полудня.

Годовой ход радиационного режима и температуры воздуха в принципе соответствует суточному ходу радиационного баланса и температуры. Самая незначительная радиация поступает в декабре, а самая низкая температура наблюдается в январе (годовое утро); максимум радиации приходится на июль, а максимум температуры – на июль (годовой полдень).

Распределение радиационного баланса по поверхности земного шара

Распределение радиационного баланса по поверхности земного шара или отдельно взятой территории показывается на картах радиационного баланса. Эти карты составляется для года и для каждого месяца.

Анализ карты радиационного баланса позволяет сделать следующие выводы:

1.Для всей Земли, кроме полярных ледовых зон, баланс тепла положительный. Однако это вовсе не означает, что радиационное тепло накапливается и климат из года в год становится теплее. Избыток тепла расходуется на нагревание и движение воздуха, на испарение воды, на различные биологические процессы. Для Земли в целом характерно лучистое и тепловое равновесие: приход тепла от Солнца уравновешивается его потерей в космос. Но между этими крайними звеньями – приходом тепла из Космоса и расходом в Космос – солнечное тепло производит в географической оболочке большую работу. Благодаря ему осуществляется многие географические и биологические процессы на Земле.

2. Для ледовых зон Арктики и Антарктики характерны: во-первых, ничтожные значения всех компонентов радиационного баланса, во-вторых, отрицательный или близкий к нулю радиационный баланс.

3. Наибольший приход тепла (около 120 ккал/см² в год) присущ тропическим морям, особенно Аравийскому морю (около 140 ккал/см² в год). В тропических пустынях, где высокое альбедо песков, остаток радиационного баланса вдвое меньше. В экваториальной зоне материков в связи со значительной облачностью радиационный баланс составляет около 70 ккал/см².

4.В целом радиационный баланс по земному шару распределяется зонально-регионально. Отчетливо выступают экваториальный, тропические, умеренные и полярные пояса. Каждый из этих поясов распадается на регионы, и в первую очередь на океанские и материковые, а эти последние распадаются на более дробные единицы. На океанах прослеживается влияние теплых и холодных течений, на материках – горных стран.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: