3.2. Суточный и годовой ход температуры земной поверхности

Температура на поверхности почвы изменяется в течение суток. Ее минимум наблюдается приблизительно через полчаса после восхода Солнца. К этому моменту времени радиационный баланс становится равным нулю, поскольку отдача тепла с земной поверхности уравновешивается поступающей солнечной радиацией. В 13–14 ч. наступает максимум температуры на поверхности почвы. С этого времени начинается падение температуры, несмотря на положительный радиационный баланс. В этот период увеличивается отдача тепла в атмосферу путем теплопроводности и расхода на испарение. Часть тепла уходит в более глубокие слои почвы.

Плавная кривая суточного хода температуры на конкретный день может искажаться за счет облачности, осадков и адвективных изменений. Кривая, построенная на основе многолетних данных, отличается более правильной формой.

Максимальные дневные температуры поверхности почвы обычно выше, чем в воздухе на высоте метеорологической будки, ночные же температуры на почве ниже, чем в воздухе.

Разность температур между суточным максимумом и минимумом называется суточной амплитудой температуры. В безоблачную погоду в значительной мере возрастают прямая солнечная радиация в течение светлого периода суток и эффективное излучение ночью. В безоблачный период наблюдаются максимум температур днем и минимум ночью. Весной и осенью ночные заморозки обычно наблюдаются в ясную погоду, когда имеет место максимум эффективного излучения.

Суточный ход температуры почвы зависит от экспозиции склона. Эффективное излучение ночью не зависит от экспозиции горного склона, но на южном почва днем нагревается в значительно большей степени, чем на северном. По этой причине заморозки на северных склонах гор наблюдаются значительно чаще, чем на южных.

Температура почвы изменяется и в годовом цикле. В тропических и экваториальных широтах ее годовая амплитуда очень мала. На широте 10º она составляет примерно 3ºС, на широте 30º повышается до 10ºС, а на шроте 50º она возрастает до 50ºС. В среднем годовая амплитуда колебаний поверхности почвы в северном полушарии она составляет 25ºС, а в южном несколько больше.

Растительный покров уменьшает уровень охлаждения почвы ночью, т.к. эффективное излучение в атмосферу поступает с поверхности листьев растений, а почва под покровом растительности сохраняет более высокую температуру. Днем растительность препятствует проникновению прямой солнечной радиации к поверхности почвы. В результате суточная амплитуда температуры почвы уменьшается, а ее средняя температура понижается.

Снежный покров зимой защищает почву от потери тепла, направляемого в атмосферу. Совместное действие растительности летом и снегового покрова зимой уменьшает годовую амплитуду температуры поверхности почвы в умеренных широтах приблизительно на 10ºС по сравнению с почвой, незащищенной растительным покровом и снегом.

Распределение тепла в толще почвы определяется четырем законами Фурье.

Первый закон.

Чем больше плотность и влажность почвы, тем лучше она проводит тепло. Независимо от типа почвы период колебаний ее температуры не меняется с глубиной.

Второй закон.

Амплитуда колебаний температуры почвы с глубиной уменьшается в геометрической прогрессии. На глубине 70–100 см начинается слой с постоянной суточной температурой. Амплитуда годовых колебаний в почве распространяется до глубины 30 м в полярных областях. В умеренных широтах ее граница достигает 15–20 м, а в тропиках сокращается до 10 м.

Третий закон.

Сроки наступления суточных максимумов и минимумов с глубиной запаздывают на 2,5–3 ч. на каждые 10 см глубины. Годовые максимумы и минимумы температуры запаздывают на 20–30 суток на каждый метр глубины.

Четвертый закон

Глубины слоев с постоянной суточной и годовой амплитудой температуры относятся как квадратные корни из периода колебаний, т.е. 1: . Иными словами, глубина, на которой затухают годовые колебания температуры в 19 раз больше глубины затухания суточной амплитуды температуры почвы.

Законы Фурье достаточно надежно подтверждаются натурными наблюдениями.

Различие в суточном и годовом ходе температуры почвы приводит к тому, что летом температура от поверхности в глубину падает, а зимой возрастает. Изменение температурного поля в течение суток или года с глубиной изображается графиком термоизоплет.

В водоемах нагревание и охлаждение воды распространяется глубже, чем в почве благодаря турбулентному обмену. Ввиду большой теплоемкости воды, ее температура при поступлении тепла увеличивается незначительно. Амплитуда суточного хода температуры в южных морях России составляет 1–2ºС, а на поверхности больших озер в умеренном поясе она повышается до 2–5ºС.

Суточный максимум на поверхности океана наблюдается в 15–16 ч., а минимум – через 2–3 ч. после восхода Солнца.

Годовая амплитуда колебания температуры на поверхности океана значительно больше суточной, но меньше, чем на почве. В тропиках она составляет 2–3ºС, а в средних широтах повышается до 10ºС.

Суточные колебания в морях прослеживаются до глубины 15–20 м, а годовые распространяются до 150–400 м.