1.5. Тепловой баланс

Солнце является основным источником тепла для поверхности нашей планеты, верхнего слоя почвы, Океана и атмосферы. Раз­личают прямую и рассеянную солнечную радиацию. Часть ее отражается земной и водной поверхностями, часть излучается в атмосферу и межпланетное пространство.

На поверхности раздела водная поверхность — атмосфера, а также в толще воды непрерывно происходят процессы, изменяю­щие тепловое состояние вод. Некоторые процессы сопровождаются поглощением тепла и приводят к повышению температуры воды, другие приводят к потере тепла и понижению температуры. Для количественной оценки закономерностей развития тепловых и ди­намических процессов, происходящих под влиянием теплообмена между водными объектами и окружающей средой, применяют уравнение теплового баланса.

При составлении уравнения учитываются основные компонен­ты теплового обмена, некоторые второстепенные слагаемые иск­лючаются, если их величина того же порядка, что и погрешность в определении главных составляющих. Все слагаемые в уравне­нии теплового баланса выражают в тепловых единицах в виде количества тепла (Дж) или в форме теплового потока, отнесен­ного к единице поверхности (Дж/см², кДж/м²).

Уравнение теплового баланса составляют или для некоторого замкнутого контура, как это делается при расчетах водного ба­ланса, или для поверхности воды, снега, льда, почвы.

Для океанов и морей уравнение теплового баланса можно записать в виде

(1.14)

где qq — суммарная солнечная радиация, поглощаемая морем; Qef — тепло, теряемое или получаемое морем в результате эф­фективного излучения *; Q_z,_c — тепло, затрачиваемое при испаре­нии и приобретаемое при конденсации; Qt — тепло, получаемое

31

или отдаваемое морем в результате турбулетного (контактного) теплообмена с воздухом; Q, — тепло процессов льдообразования и таяния; Q_y — тепло вод материкового стока; Q_x — тепло атмо­сферных осадков; Q_w — тепло, получаемое в результате водооб­мена (течений); Qb — разность между приходом и расходом тепла, затраченная на изменение температуры в деятельном слое моря; Q_s — тепло, теряемое или получаемое в результате теплообмена! с дном.

Деятельным слоем называют слой воды, в котором прояв­ляются сезонные (годовые) колебания океанологических характе­ристик.

При определении теплового баланса в среднем за год уравне-лше упрощается. В этом случае приход тепла в Мировой океан, определяемый количеством суммарной солнечной радиации, рас­ходуется на излучение в атмосферу, на испарение и турбулент­ный подогрев, теплообмен с нижними слоями атмосферы.

Уравнение теплового баланса отдельных океанов и морей и Мирового океана в целом используют при исследованиях терми­ческого режима Земли, ее климата и погодных условий, с кото­рыми связаны природные ресурсы воды.

Основными составляющими теплового баланса озера, так же как и морей, являются радиационный баланс, теплообмен с ат­мосферой и теплообмен с дном водоема. Дополнительные состав­ляющие баланса (тепловой сток рек, тепло, выделяемое при льдообразовании и затрачиваемое при таянии льда, тепло био­логических и биохимических процессов и т. д.) весьма малы и ими можно пренебречь.

Уравнение теплового баланса озера за некоторый промежуток времени может быть представлено в виде

(1.15)

Обозначения те же, что и в формуле (1.14).

Значения элементов теплового баланса озера не остаются одинаковыми, меняясь во времени, в различных географических зонах и в зависимости от размеров озер в одной зоне.

Уравнение теплового баланса для бесприточного участка реки при отсутствии ледяного покрова имеет вид

(1.16)

где Q,_n — тепло, поступающее с водой; Q_aw— тепло, удаляемое вместе с водой, протекающей соответственно через верхний и нижний створы, ограничивающие участок реки.

* Эффективное излучение представляет собой ра«ость между длинноволно­вым (тепловым) излучением поверхности моря и встречным длинноволновым из­лучением атмосферы Так как излучение с поверхности моря, как правило, боль­ше излучения атмосферы, Q_ef почти всегда входит в уравнение теплового ба­ланса с отрицательным знаком

32

Соотношения между элементами теплового баланса меняются вместе с метеорологическими условиями: каждому сезону свой­ственны определенные соотношения между приходом и расходом тепла, что обусловливает типичные черты температурного режима речных вод. Уравнение теплового баланса применяют для рас­чета изменения температуры воды, льдообразования на реках и т. д.