Лекція 7

Тема 4. Температура ґрунту та водних поверхонь

4.5. Тепловий режим снігового покриву

Ще в кінці минулого століття засновник російської кліматології А.І.Воєйков вказав на значний вплив снігового покриву, що являється прошарком між ґрунтом і атмосферою, на тепловий режим ґрунту та повітря. Цей вплив снігового покриву є наслідком його особливостей, а саме:

1. поганої теплопровідності,

2. великого альбедо для короткохвильової (тобто сонячної) радіації,

3. дуже великої (практично найбільшої) випромінювальної здатності,

4. прозорості снігу для короткохвильової радіації.

Теплопровідність снігу залежить від його щільності. У пухкого, щойновипавшого снігу щільність приблизно 0,1 г/см³, а теплопровідність дорівнює 0,0003 кал/см²сек град, у промерзлого снігу щільність 0,3 г/см³,а теплопровідність складає 0,0006, у мокрого снігу теплопровідність – 0,0008. Завдяки малій теплопровідності сніговий покрив охороняє ґрунт від глибокого промерзання та різких коливань температури.

Велика відбиваюча та випромінююча здатність снігу перешкоджає перегріванню його поверхні, а мала теплопровідність не дозволяє компенсувати охолодження поверхні переносом тепла із глибоких шарів ґрунту під снігом. Тому радіаційний баланс на поверхні снігу завжди негативний і температура його поверхні нижча температури навколишнього повітря та поверхні ґрунту, яка непокрита снігом.

Цікавою особливістю снігового покриву є те, що він не тільки відбиває, а ще і пропускає через себе пряму сонячну радіацію. Невелика її частина при неглибокому сніговому покриві досягає навіть поверхні ґрунту.

Тепловий режим всередині снігового покриву та температуру в ґрунті під снігом можна представити по термоізоплетам. На мал. 7.1. ці термоізоплети побудовані А.П.Тольським по спостереженнях у Боровому дослідному лісництві за даними зими. Верхня ламана лінія показує зміну висоти снігового покриву протягом зими.

Мал. 7.1 Термоізоплети в сніговому покриві та в ґрунті.

Аналіз термоізоплет дозволяє зробити наступні висновки:

1. зміна температури по вертикалі проходить швидше в товщі снігового покриву (особливо в лютому) та значно повільніше в ґрунті. Тому температура поверхні ґрунту значно вища температури поверхні снігу;

2. найбільші коливання температури у часі також спостерігаються у сніговому покриві.

Вони розповсюджуються до глибини 25 см.

Все це характеризує захисну роль снігового покриву.

4.6. Нагрівання та охолодження водних басейнів

Для водних басейнів земної кулі, які займають біля 71% поверхні Землі, як і для ґрунту, основним джерелом нагрівання є сонячна радіація. Відбиваюча здатність водяної поверхні тим більша, чим менша висота Сонця, але в середньому близька до відбиваючої здатності ґрунту. Випромінювання водної поверхні складає приблизно 95% випромінювання абсолютно чорного тіла, приближаючись по величині до випромінювання ґрунту. Таким чином, кількість енергії, яку водна поверхня отримує від Сонця та втрачає за рахунок випромінювання, приблизно така ж як і для ґрунту.

Однак тепловий режим водних басейнів відрізняється від теплового режиму ґрунту тим, що вода пов’язана з фізичними особливостями:

1. Вода має об'ємну теплоємність у 2-3 рази більшу, ніж різні види ґрунту. Тому на її нагрівання й охолодження потрібно більше тепла та температура її змінюється повільніше.

2. У водних басейнах має місце проникнення прямої сонячної радіації до значних глибин. Довгохвильова (теплова частина радіації) поглинається найвищим шаром води.

3. Рухливість – основна особливість води, що різко відрізняє її від ґрунту.

Передача тепла на глибину води шляхом молекулярної теплопровідності (як і в ґрунті) відбувається дуже повільно внаслідок її малої теплопровідності. Тепловою конвекцією тепло на глибину води не передається, так як верхні шари води, нагріваючись, стають менш щільними та не можуть змішуватися з нижніми, більш холодними шарами. Головну роль у передачі тепла на глибину води відіграють турбулентні рухи (динамічна конвекція).

При русі води (і повітря) тільки при дуже малих швидкостях всі частинки в загальному потоці рухаються паралельно один одному; такий рух називається ламінарним.

У природних умовах течія води (і повітря) завжди має турбулентний характер, як тільки швидкість її перевищує деяку зовсім малу критичну швидкість. При цьому в середині потоку води виникають малі вихрі, які переміщаються у різноманітних напрямках. Ці безладні рухи (турбулентність) і здійснюють переміщення тепла з поверхні до більш глибоких шарів води шляхом їх перемішування.

Внаслідок динамічної конвекції (турбулентності), передача тепла на глибину води здійснюється в 1000 – 10 000 раз швидше, ніж шляхом теплопровідності.

Деякі значення в передачі тепла більш глибоким шарам має також випаровування солоної води з поверхні морів і океанів. При сильному випаровуванні солона морська вода стає більш щільною й опускається вниз, передаючи тепло більш глибоким шарам.

Охолодження води в нічний час і зимою відбувається швидше.

Верхні шари внаслідок випромінювання охолоджуються та стають щільнішими: завдяки цьому вони опускаються вниз, а їх місце займає відносно тепла вода, що піднімається із більш глибоких шарів. Виникає теплова конвекція, викликаючи перемішування води у вертикальному напрямку. Вертикальне перемішування води при осінньому охолоджені відбувається до того часу, поки температура її у всіх шарах не досягне 4⁰. Після цього перемішування припиняється та верхні шари води починають інтенсивно охолоджуватися, впритул до замерзання, тобто до 0⁰. Для морської води, що містить сіль, температури найбільшої щільності та замерзання будуть інакшими. А саме: температура замерзання солоної води буде нижче 0⁰, і чим більша солоність, тим нижча ця температура. В середньому морська вода замерзає при температурі біля -1,0; -2,0⁰.