Тема 3. Тепловой режим атмосферы

Тепловым режимом атмосферы называется распределение температуры воздуха и ее непрерывное изменение в атмосфере. Значения температуры определяются, главным образом, теплообменом между атмосферным воздухом и окружающей средой, под которой понимается космическое пространство, соседние воздушные массы или слои воздуха и земная поверхность.

Выделяются следующие виды теплообмена:

а) радиационный – поглощение воздухом излучения Солнца, земной поверхности и атмосферы;

б) молекулярная теплопроводность – передача тепла между непосредственно прилегающими слоями воздуха и земной поверхностью;

в) турбулентная теплопроводность – передача тепла от одних слоев воздуха к другим в результате неупорядоченного, хаотического перемешивания (движения) небольших объемов воздуха – вихрей или других его структурных элементов по сложным траекториям;

г) тепловая конвекция – упорядоченный перенос отдельных объемов воздуха в вертикальном направлении, возникающий в результате сильного нагрева нижнего слоя атмосферы (перенос объемов воздуха в горизонтальном направлении называется адвекцией);

д) понижение температуры в результате затрат тепла на испарение или выделение тепла при конденсации водяного пара.

Все перечисленные виды теплообмена в разной степени участвуют в формировании теплового баланса земной поверхности, который представляет собой алгебраическую сумму всех приходов и расходов тепла на земной поверхности за те или иные интервалы времени. Для многолетнего периода (>15 лет) тепловой баланс равен нулю.

В упрощенном виде уравнение теплового баланса записывается следующим образом: R = P+B+LE,

где R – радиационный баланс;

P – турбулентный поток тепла в приземном слое атмосферы;

B – поток тепла между деятельной поверхностью и нижележащими слоями.

LE – тепло, затрачиваемое на испарение воды или выделяющееся при конденсации водяного пара на деятельной поверхности; при этом L – теплота испарения, Е – количество воды, испарившееся с единицы поверхности за интервал времени, для которого составлено уравнение.

Тепловой баланс земной поверхности в конечном итоге определяет абсолютные значения, амплитуду и характер суточного и годового хода ее температуры.

От теплового баланса земной поверхности следует отличать тепловой баланс системы Земля - атмосфера, который представляет собой алгебраическую сумму всех притоков тепла к вертикальному столбу единичного сечения, охватывающему всю толщу атмосферы и верхние слои почвы или водоема.

Температура воздуха является одной из основных характеристик погоды, представляющей собой состояние атмосферы в данный момент времени, и важнейшим фактором, влияющим на развитие практически всех процессов, протекающих в географической оболочке Земли. Особенно сильно это влияние сказывается на жизнедеятельности всех живых организмов, особенно растений.

Для каждого вида растений имеется свои оптимальный диапазон значений температуры воздуха и почвы, при котором вегетация (развитие) растений происходит наиболее благоприятно. Можно сказать, что рост, развитие и географическое распространение растений на земном шаре – результат влияния температуры воздуха, особенностей ее распределения в приземном слое атмосферы. Каждому из жизненных процессов растительного организма (усвоение питательных веществ, дыхание, рост, стадии развития и т.п.) соответствуют три основных температурных показателя: минимальная температура (ниже которой жизненный процесс затухает), наиболее благоприятная (оптимальная) температура, при которой этот процесс протекает наиболее активно, и максимальная температура, выше которой жизненный процесс прекращается.

Температура воздуха является одним из основных метеорологических параметров, знание которых необходимо при проектировании и строительстве любого сооружения. Важной характеристикой при проектировании является температура внешних стен зданий, так как различия этой величины и температуры воздуха внутри помещений не должны превышать установленных нормативных значений (для жилых и общественных зданий не более 6°-7°).

Температурный режим следует учитывать также при проектировании и строительстве отопительных систем. Мощность отопительной системы при этом определяют по температуре самой холодной пятидневки года. На территории России эта температура меняется от -10°, -15°С для районов Краснодарского края до -60°С в Верхоянске (Якутия). За начало и конец отопительного сезона принимаются даты перехода среднесуточной температуры через +8°С.

Знание теплового режима атмосферы необходимо для правильной безаварийной эксплуатации почти всех видов транспорта, при организации открытой добычи полезных ископаемых и решения других хозяйственных задач. Для успешного лечения и отдыха людей нужно хорошо знать тепловой режим мест расположения санаториев и курортов.

Особенности распределения температуры воздуха по высоте выражаются в следующем. В тропосфере температура воздуха понижается в среднем на 0,65° при увеличении высоты точки измерения на каждые 100 м. В реальных условиях в зависимости от погодных условий изменение температуры воздуха с высотой может быть самым разнообразным и определяется вертикальным градиентом температуры γ_t, представляющим собой величину этого изменения на каждые 100 метров:

γ_t = (t_H-t_B) ׃ (H_H-H_B) · 100 (3.1),

где t_H – температура воздуха на нижнем уровне;

t_B – температура воздуха на верхнем уровне;

Н_Н – высота нижнего уровня (м);

Н_В – высота верхнего уровня (м).

Вертикальный градиент температуры воздуха имеет размерность – °С/100 м. Вектор градиента направлен в сторону более низких значений и поэтому имеет отрицательные значения.

Распределение температуры с высотой можно представить графически. Для этого на вертикальной оси прямоугольной системы координат откладывается высота точек измерения температуры воздуха, а на горизонтальной – значения температуры. Точки, соответствующие измеренным значениям температуры на разных высотах, соединяют отрезками прямой и получают ломаную линию, которая и характеризует распределение температуры с высотой и называется кривой стратификации.

Пример кривой стратификации температуры воздуха в ее возможных вариантах показан на рис.5.

Типы стратификации:

AB, DE – устойчивая стратификация;

BC – изотермия (постоянное значение t в некотором слое) CD – инверсия (повышение t° воздуха с высотой)

Для получения сравнимых между собой результатов измерения температуры воздуха в различных пунктах, расположенных на разной высоте, выполняется приведение ее значений к единой поверхности (как частный случай – к уровню моря). Приведение выполняется по формуле:

T_{ур.моря}= t_B+ γ_t · Н_В ׃100 (3.2),

полученной из формулы (3.1), при условии, что Н_Н=0 м (уровень моря).

Для получения представления о пространственном разделении температуры воздуха используются карты изотерм. Изотерма – линия, соединяющая на карте точки с одинаковой температурой. Карты изотерм могут быть построены на какой-либо конкретный момент времени или по средним значениям за тот или иной промежуток времени (день, декаду, месяц, сезон, год, многолетие) для определенного участка земной поверхности, материка или океана или для всей поверхности земного шара.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: