Практичне заняття 7. Клімат

Зміст: Клімат як екологічний фактор. Тепловий баланс земної поверхні. Радіаційний баланс земної поверхні. Турбулентний теплообмін як складова теплового балансу. Фактори, що впливають на інтенсивність турбулентного перемішування. Індекс аридності як характеристика клімату. Кліматограми.

За результатами практичного заняття студент повинен знати:

• особливості клімату та класифікацію кліматів;

• індекс аридності як характеристику клімату;

• правила побудови кліматограм.

Повинен вміти:

• будувати картограми для окремих населених пунктів;

• читати складені картограми та робити висновки щодо належності її до конкретної місцевості

Теоретичні відомості

Клімат як екологічний фактор. Клімат - це статистичний багаторічний режим погоди, який є однією з основних характеристик місцевості. Основні особливості клімату визначаються надходженням сонячної радіації, процесами циркуляції, характером підстильної поверхні Впливають також широта і висота місцевості, наближення її до морського берега, рослинний покрив, наявність снігу та льоду, ступінь забруднення атмосфери. Ці фактори визначають широтну зональність клімату і сприяють формуванню місцевих різновидів (гірський, гумідний, арктичний, континентальний, морський, мусонний, субтропічний, тропічний, екваторіальний тощо). Клімат істотно впливає на водний режим, фунт, рослинний покрив та інші компоненти природи.

У змінах клімату виділяються циклічні процеси від 3-, 11-, 33-річного до вікового, а також спрямовані зміни Циклічні процеси є проявом автоколивань, які виникають під впливом флуктуації сонячної радіації, прозорості атмосфери тощо.

Класифікація кліматів базується переважно на використанні двох найважливіших і найкраще вивчених факторів: температури та кількості опадів. Залежно від температури на Землі, починаючи від екватора, виділяють декілька кліматичних зон:

1 Тропічна. Мінімальна середня температура понад +16 ⁰С. Місячні і річні коливання дуже малі. Вегетаційний період триває цілорічно.

2 Субтропічна Вегетаційний період триває цілорічно, але протягом 1-4 місяців спостерігається зниження температури. Теплові коливання значніші, ніж у тропічній зоні.

3 Помірно тепла. Максимальна середня температура вища 0 ⁰С, але нижча +16 ⁰С Помітний перепад зимових температур. Проте перерви у вегетації через нестачу тепла немає, але теплолюбних рослин у флорі дуже мало.

4 Помірно холодна. Середня річна температура вища 0 ⁰С. Чітко виділяються сезони року. Найтепліший місяць - липень, його середня температура становить понад +10 ⁰С. Вегетаційний період триває 7-8 місяців і переривається через нестачу тепла наприкінці осені. Однак деревна рослинність може тут існувати, витримуючи досить низькі температури.

5 Холодна полярна. Середньорічна температура території Крайньої Півночі (окрім Кольського п-ва, який омивається Гольфстрімом) нижще 0 ⁰С. Середня липнева температура менша 10 ⁰С. Вегетаційний період триває 3,5–4 місяці, а саме літо 2–3 місяці. Протягом усього вегетаційного періоду спостерігаються нічні заморозки.

Індекс аридності. Кліматограми. Щоб краще зрозуміти характер розміщення на планеті рослинності, звернімось до такого показника, як індекс аридності або посушливості (табл.7.1).

Таблиця 7.1 – Індекс аридності для деяких станцій Франції і Північної Америки

Місце розташування станції	Р, мм	Т, 0С	і
Біарріц	1182	14,0	49,0
Брест	820	12,0	38,0
Париж	560	10,0	28,0
Марсель	540	13,5	23,0
Оран	428	18,0	15,3
Таманрассет	20	21,0	0,7

Цей показник, за Мартонном, визначається за формулою:

і = (7.1)

де Р - річна кількість опадів, мм;

Т - середньорічна температура, ⁰С.

Часто показовішим є не річний, а місячний індекс аридності, наприклад, липня, коли в розпал сезон вегетації рослин. Для визначення індексу аридності лише для одного місяця користуються формулою:

(7.2)

де Р - кількість опадів за даний місяць;

Т - середня температура місяця.

Класичним способом представлення клімату даної місцевості є омбротермічні діаграми (кліматограми), яю дають змогу вивчити абіотичні фактори різних агрокліматичних зон. оцінити спільну дію температури та вологості на живі організми. Порівнюючи кліматограми різних місць, можна швидко виявити їх кліматичні розбіжності і подібність (рис. 7.1).

Рисунок 7.1 – Кліматограми деяких метеостанцій (за Дажо, 1975)

Порядок роботи

1 На осі абсцис відкладають місяці, по осі ординат зліва – температуру, справа – кількість опадів. Крива температури відображає витрату вологи, а крива опадів – її нагромадження. Їх взаємне розміщення на графіку дає уявлення про характер водного балансу даної території.

2 Простір між кривими опадів і температури заповнити точками. Якщо крива опадів проходить нижче лінії температур, то це означає посушливий період. Якщо крива опадів проходить вище неї, то простір між ними вертикально заштрихуйте і це означатиме, що для вегетації рослинності вологи досить. Якщо протягом місяця випадає вологи понад 100 мм, то надмірність прийнято зображати в масштабі 1:10 і повністю зарисовувати. Цю вологу рослини практично не використовують, вона становить поверхневий стік.

3 Над горизонтальною віссю чорною смугою відмічають місяці з мінусовими середньомісячними температурами (рис. 7.1).

Приклади виконання типових задач

1 Знайти радіаційний баланс поверхні вологого чорнозему, якщо його температура 15,0 ⁰С. потік сонячної радіації становить 784 Вт/м², розсіяної - 441 Вт/м², температура повітря на висоті 2 м над діяльною поверхнею 21,0 ⁰С, парціальний тиск водяної пари на тій же висоті 9,6 гПа. Спостереження проводилися при висоті Сонця = 40⁰ при ясному небі.

Розв'язання. Потік на горизонтальну поверхню

S' = S  sinh = 784 sin 40° = 784  0,6428 = 504 Вт/м².

Сумарна радіація

S' + В = 504 + 441 = 945 Вт/м².

Альбедо для вологого чорнозему (таблиця Б.7) А = 8 %. Поглинена радіація

(S' + В )  (1-А) = 945  0,92 = 896 Вт/м².

В таблиці Д.2 знаходимо значення Т_а⁴ при температурі повітря 21,0 ⁰С (Т_а ⁴ = 426 Вт/м²).

3устрічне випромінювання атмосфери

Е_а = sТ_а ⁴ / (0.61+0.05 ) = 426 ((0.61+0.05 ) = 326 Вт/м².

Знаходимо в таблиці Д. 1 значення коефіцієнта сірості 5 для вологого грунту (= 0,954) і в таблиці Д.2 - значення sТ⁴ при температурі грунту 15,0 ⁰С (sТ_з⁴ = 391 Вт/м²).

Випромінювання земної поверхні

Е_з = sТ_з⁴ = 0.954391 = 373 Вт/м².

Ефективне випромінювання Землі

Е_еф = Е_з - sЕ_а = 373 - 326 = 47 Вт/м².

Радіаційний баланс діяльної поверхні

R = (S'+D)-(1-А) - Е_еф= 896- 47 = 849 Вт/м².

Задачі для самостійного розв’язання

1 Розрахувати при ясному небі випромінювання діяльного шару, який має  = 0,90 і температуру 20 ⁰С, зустрічне випромінювання атмосфери, якшо температура повітря 15 ⁰С і парціальний тиск водяної пари 9 гПа. поглинуту частину зустрічного випромінювання, ефективне випромінювання діяльного шару, баланс довгохвильової радіації. Що означає одержаний знак ефективного випромінювання і балансу довгохвильової радіації^. Нагрівання чи охолодження діяльного шару відбувається в даному випадку за рахунок довгохвильової радіації?

2 Обчислити ефективне випромінювання і баланс довгохвильової радіації дієвого шару, що має  = 0,90 та температуру 30,0 ⁰С, якщо температура повітря 10,0 ⁰С, парціальний тиск водяної пари 9,0 гПа і небо ясне.

3 Яким стане ефективне випромінювання діяльного шару при ясному небі, що становило 174 Вт/м², якщо півнеба буде закрито хмарами верхнього, середнього або нижнього ярусу. Як впливає хмарність на ефективне випромінювання. Чому хмари різних ярусів неоднаково змінюють ефективне випромінювання.

4 Обчислити ефективне випромінювання поверхні чистого снігу, що має температуру -6,0 ⁰С, якщо температура повітря -5,0 ⁰С, парціальний тиск водяної пари 4 гПа та спостерігаються 4 бали хмар середнього та 5 балів хмар нижнього ярусу.

5 Обчислити ефективне випромінювання і баланс довгохвильової радіації водної поверхні, що має температуру 30,0 ⁰С, якщо температура повітря 20,0 ⁰С, парціальний тиск водяної пари 4 гПа і половина неба закрита хмарами нижнього ярусу.

6 Знайти баланс довгохвильової радіації, якщо ефективне випромінювання становить 174, 70, -21 Вт/м². Визначити ефективне випромінювання, якщо баланс довгохвильової радіації складає -105, -49, 28 Вт/м².

7 Обчислити радіаційний баланс діяльного шару, якщо поглитта частина прямої радіації на горизонтальну поверхню становить 349 Вт/м², розсіяної 84 Вт/м², випромінювання атмосфери 300 Вт/м², власне випромінювання діяльного шару 405 Вт/м². Про що говорить знак відповіді? Для якого часу доби і пори року він характерний, якщо дані відносяться до помірних широт?

8 Знайти радіаційний баланс діяльного шару, якщо поглинута частина короткохвильової радіації дорівнює 35 Вт/м², а ефективне випромінювання 84 Вт/м². Що означає знак відповіді? До якого часу доби і року відносяться дані, якщо їх отримали в помірних широтах при ясному небі?

9 Обчислити радіаційний баланс діяльного шару, якщо баланс короткохвильової радіації В_к = 384 Вт/м², а баланс довгохвильової радіації В_я = -105 Вт/м². Чи може В_к дорівнювати нулю або бути від'ємним? Як при цьому зміниться відповідь при такому ж В_д? Чи може В_л дорівнювати нулю чи бути додатним? Як при цьому зміниться відповідь при тому ж В_к? Яке звичайне співвідношення між радіаційним балансом і балансом довгохвильової радіації в помірних широтах вдень і вночі?

10 Розрахувати радіаційний баланс поверхні сухого піску, якщо потік прямої радіації на горизонтальну поверхню 698 Вт/м², розсіяна радіація 279 Вт/м², альбедо 25 %, власне випромінювання діяльного шару 524 Вт/м², зустрічне випромінювання 209 Вт/м². Як зміниться відповідь, якщо сонячний диск закриється густою хмарою? Якщо збільшиться (зменшиться) висота Сонця? Якщо збільшиться (зменшиться) альбедо? Якщо збільшиться (зменшиться) температура поверхні при незмінності решти величин? Якщо збільшиться (зменшиться) температура повітря і парціальний тиск водяної пари?

Контрольні запитання

1 Напишить формулу радіаційного балансу діяльного шару.

2 Як визначається ефективне випромінювання діяльного шару?

3 Опишіть порядок обчислення балансу довгохвильової радіації дієвого шару.

Рекомендована література: [1] с. 89-107; [4] с. 50-65; [5] с. 23-44; [6], с. 85-90. [11], с. 131-145.