Контрольні запитання

1. Які фактори визначають тепловий режим ґрунту та водоймищ?

2. Як теплофізичні якості рунту впливають на його температурний режим?

3. Від чого і як залежать амплітуди добових та річних коливань температури ґрунту?

4. Які середні глибини проникнення добових і річних коливань температури в ґрунті?

5. Як впливають рослиний і сніговий покрів на тепловий режим ґрунту?

6. Як формулюються основні закони поширення температурних коливань у ґрунті?

7. Як впливає вологість ґрунту на його теплофізичні характеристики і спроможність проводити тепло на глибини?

8. На якій приблизно глибині затухають добові коливання температури в сухому ґрунті?

9. На які глибини проникають температурні коливання в океані влітку та взимку?

10. Як пов’язані питома та об’ємна теплоємності ґрунту?

11. Чим відрізняються потік і приплив тепла?

12. Яким законом описують добовий хід температури ґрунту?

13. Як записується рівняння теплопровідності ґрунту?

14. Який механізм теплопровідності переважає в океані?

15. Що таке «квазіоднорідний» шар та «сезонний термоклін» в океані?

16. Як впливає сніговий покрив на термічний режим ґрунту?

17. Як глибина проникнення температурних коливань у грунті залежить від коефіцієнту температуропровідності і періоду коливань?

18. Як впливає лід на тепловий режим водойми?

8. Турбулентний і тепловий стан приземного шару атмосфери

Приземний шар атмосфери має товщину 50 −100 м. Через приземний шар здійснюється обмін теплом і вологою між землею і атмосферою.

Вертикальні градієнти метеорологічних величин в цьому шарі на один - два порядки перевищують вертикальні градієнти в інших шарах атмосфери. У цьому шарі існують молекулярна, конвективна та променева теплопровідності. Порівняння інтенсивності теплопровідності різного походження показує, що теплопровідність, яка пов’язана з неупорядкованими турбулентними рухами окремих обсягів повітря (вихори, конвективні комірки або струменя) , на декілька порядків вища за інші види теплопровідності. Неупорядковані рухи найбільш розвинені у самому нижньому шарі атмосфери  приземному, де вони викликають перемішування усіх якостей повітря. Неупорядковані турбулентні рухи в приземному шарі атмосфери  це головний механізм розповсюдження тепла від земної поверхні в атмосферу.

Турбулентне перемішування в приземному шарі є основним засобом передачі тепла. Причини виникнення турбулентних рухів біля земної поверхні це шорсткість земної поверхні (динамічні умови) і термічна нестійкість приземного шару атмосфери (термічні умови).

Приземний шар займає 10-15% від товщини всього приграничного шару атмосфери. Тут генерується до 80% енергії турбулентності, причому самі нижні шари приблизно 5% від товщини приграничного шару дають більше половини вкладу в повне виробництво турбулентної енергії.

Турбулентний потік тепла. Потік турбулентних молів, які переміщуються у вертикальному напрямку, переносить в атмосферу свої якості: кількість руху (імпульсу), наприклад, потенціальний тепловміст , та водяну пару.

Таким чином турбулентні потоки тепла це кількість потенціального тепловмісту, що проходить крізь одиничну площадку, в перпендикулярному до неї напрямку, за одиницю часу

, (26)

або

, (27)

де А=k  коефіцієнт турбулентного обміну;  коефіцієнт турбулентності, який характеризує інтенсивність турбулентного перемішування в атмосфері, його розмірність [м²/с], він є функцією вертикальних градієнтів швидкості вітру і температури в приземному шарі атмосфери;   густина повітря; с_Р  питома теплоємність сухого повітря при постійному тиску;  вертикальний градієнт потенціальної температури у приземному шарі атмосфери.

Напрямок турбулентного потоку тепла залежить від знаку вертикального температурного градієнта. Якщо потенціальна температура повітря з висотою зменшується, то градієнт від’ємний и тепло передається знизу уверх і турбулентний потік тепла додатний. Ці умови спостерігаються вдень при прогріві земної поверхні за рахунок припливу сонячної радіації. Вночі за рахунок нічного випромінювання земна поверхня і приземний шар біля землі вихолоджуються, потенціальна температура повітря з висотою зростає, а турбулентний потік тепла від’ємний.

Методи визначення коефіцієнта турбулентності. Неупорядковані турбулентні рухи повітря називають (аналогічно неупорядкованим рухам молекул) турбулентною дифузією. Коефіцієнт турбулентності є аналогом коефіцієнта молекулярної дифузії, але він на декілька порядків більшій.

Для приземного шару з постійною потенціальною температурою Прандтль розробив метод визначення коефіцієнту турбулентності. За цим методом коефіцієнт турбулентності можна визначати з рівняння турбулентного потоку імпульсу (кількості руху), який часто називається дотичним напругою турбулентного тертя, або потоком турбулентної в’язкісті

, (28)

де (du/dz)  вертикальний градієнт швидкості вітру в шарі , − коефіцієнт турбулентності,  − густина повітря.

Коефіцієнт турбулентності, як показник інтенсивності турбулентних рухів в приземному шарі, за Прандтлєм, залежить від індивідуального імпульсу турбулентного моля (нескінченно мала одиниця об'єму) і рівня, на якому моль знаходиться. Зародкові молі, що виникають біля шорсткої поверхні за рахунок змін швидкості руху в приземному шару, при перенесені угору зростають і тому коефіцієнт турбулентності повинен пропорційно залежати від висоти.

Прандтль представив цю залежність у такому вигляді

(29)

де l  шлях змішування, на якому моль (частинка), що має імпульс повністю змішується з оточуючим середовищем і передає йому свою якость.

Шлях змішування l прямо пропорційний висоті z

(30)

де  безрозмірна стала яка запропонована Карманом.

Якщо розглянути у приземному шарі два рівні та _,, швидкості горизонтального руху на яких відповідно та , то записати

, (31)

де du = u₂  u₁ = якщо u₂ = u₁ то ; dz = z₂  z₁ = l.

Звідси випливає, що змінення швидкості горизонтального руху з висотою у приземному шарі , здійснюється за рахунок імпульсу , який переносить частинки повітря при вертикальному русі на відстань l.

Перепишемо рівняння (30) так

. (32)

Таким чином (29) з урахуванням (32) можна переписати у вигляді

. (33)

Використовує формулу (33) запишемо силу турбулентного тертя (28) наступним чином

 =  l² , (34)

Перепишемо (34) так що би отримати взаємозв'язок між турбулентним тертям і імпульсом

. (35)

Права частина рівняння (35) має розмірність швидкості яка отримала назву «динамічна швидкість»

. (36)

Наступні прості викладення, а саме використання рівнянь та , дозволяють отримати формулу для визначення коефіцієнту турбулентності для випадку коли градієнт потенційної температури дорівнює нулю, тобто має місце сухобайдужа (безразличная) стратифікація

(37)