4.6. Переносы тепла от земной поверхности в атмосферу и внутри атмосферы
В переносе тепла от земной поверхности к атмосфере и внутри атмосферы основную роль играют следующие процессы:
– конвективный и турбулентный теплообмены;
– молекулярный теплообмен;
– излучение и поглощение радиации;
– фазовые превращения воды.
Рассмотрим эти процессы.
Конвективный и турбулентный теплообмен
Воздух находится в постоянном движении. Вместе с перемещающимися частицами (массами) воздуха соответственно переносится и теплосодержание этих частиц (масс).
Потоком тепла Q называется теплосодержание ( срТ ), переносимое частицами воздуха в единицу времени через единичную площадь в направление нормали к ней.
Поток тепла через такую площадку складывается из конвективного QК и турбулентного QТ потоков.
Конвективный поток тепла (QК) обусловлен упорядоченным перемещением воздуха со средней скоростью с и удельной теплоемкостью воздуха при постоянном давлении (для сухого воздуха – 1005 Дж/кг К).
Так как горизонтальная составляющая средней скорости ветра в сотни раз больше вертикальной, то конвективный поток QК представляет собой перенос тепла преимущественно по горизонтали.
Г
оризонтальная
составляющая Qа
называется
адвективным
потоком.
Вертикальная составляющая
QК
называется
конвективным
потоком.
Турбулентный
поток тепла
(QТ)
обусловлен пульсациями скорости и
зависит от коэффициента турбулентной
температуропроводимости, плотности
воздуха
(
)
и величины сухоадиабатического градиента
.
Турбулентный поток тепла QТ
– отрицателен
(QТ
<
0),
т.е. направлен сверху вниз при сухоустойчивой
стратификации (
<
);
– равен нулю (QТ = 0) при сухобезразличной стратификации ( = 0) обусловлены тепловым движением молекул;
– положителен (QТ > 0) при сухонеустойчивой стратификации ( > ).
Молекулярный теплообмен (Qм)
Молекулярные потоки тепла обусловлены тепловым движением молекул и зависят от коэффициента молекулярной диффузии, удельного содержания молекул и высоты потока.
Приток тепла в атмосфере (адиабатический процесс) зависит от:
• адвективной составляющей температуры, т.е. изменения температуры за время Δt, обусловленное горизонтальным переносом (адвекцией) воздушной массы;
• конвективной составляющей температуры, т.е. изменения температуры за время Δt, обусловленное вертикальным переносом (конвекцией) воздушной массы.
4.7. Суточные и годовые изменения температуры
Приток солнечной энергии имеет суточный и годовой ход, следовательно, такой же ход имеет и температура подстилающей поверхности, поверхности морей и атмосферного воздуха в приземном слое.
Над сушей, во время установившейся погоды, суточный ход температуры имеет синусоидальную закономерность:
минимальная температура Тmin достигается перед восходом
Солнца,
максимальная температура Tmax достигается через 2 – 3 часа после полудня.
Над морем амплитуда суточных колебаний температуры над водной поверхностью значительно меньше, чем над сушей. Причинами этого являются:
– солнечная радиация проникает в воду на несколько десятков метров, прогревая ее;
– морские течения увеличивают поток тепла на глубину;
– вода и суша имеют различную теплоемкость.
Вода, имея большую теплоемкость и большее перемешивание по вертикали, в течение суток изменяет свою температуру в поверхностном слое незначительно – до нескольких долей градуса.
С увеличением широты амплитуда суточных колебаний температуры воздуха возрастает.
Над материками максимум суточных колебаний наблюдается в широтах 30° – 40° – в пустынях и полупустынях.
Амплитуда суточных колебаний в среднем составляет:
в летнее время 10° – 15°С,
в зимнее время 3° – 5°С.