1.2.4. Тепловой баланс

Уравнение теплового баланса (5) для любого объема воды или участка суши и интервала времени должно включать различные составляющие прихода теплоты и ее расхода .

Наиболее важный член уравнения теплового баланса – радиационный баланс R, представляющий собой разность между количеством суммарной коротковолновой солнечной радиации, поглощаемой поверхностью воды или суши , и эффективным длинноволновым излучением этой поверхности I:

. (9)

где – прямая, – рассеянная солнечная радиация, r– альбедо поверхности, т. е. отношение количества отраженной солнечной радиации к количеству поступающей, I– эффективное излучение, равное разности между излучением поверхности воды или суши в атмосферу и поглощенным встречным излучением атмосферы.

Ряд членов уравнения теплового баланса связан с поступлением или удалением теплоты с поверхностными или подземными водами. Соответствующие приходные и расходные составляющие теплового баланса обозначим через и и представим как и где —приток (индекс +) или отток (индекс -) теплоты с поверхностными водами, —то же, с подземными.

В уравнении теплового баланса учитывают также теплообмен с атмосферой и грунтами , обусловленный различиями в температуре воды и воздуха, воды и грунтов. Соответствующие приходные члены уравнения (при поступлении теплоты из атмосферы и от грунтов) обозначим через и , а их сумму —через + . Аналогично сумма расходных членов теплообмена (при удалении теплоты в атмосферу и в грунт) записывается как + .

Большое количество теплоты расходуется (выделяется) при фазовых переходах. Поступление теплоты обозначим через затрату – через . Эти члены уравнения равны соответственно и где - выделение теплоты при ледообразовании (замерзании воды) и конденсации водяного пара, – затраты теплоты на плавление льда и испарение воды.

Вместе с дополнительными положительными членами – поступлением теплоты с атмосферными осадками , а также вследствие перехода части кинетической энергии в тепловую (диссипации энергии ) уравнение теплового баланса (5) записывается в виде

(10)

Все члены уравнения (10) выражают в единицах теплоты (Дж) или относят к единице массы (Дж/кг), объема (Дж/м³), площади объекта (Дж/м²). Соответственно и изменение теплосодержания будет выражаться как , где V– объем объекта; – его плотность; h – толщина слоя (получают путем деления объема V на площадь F); – удельная теплоемкость воды при постоянном давлении.

Зная количественное выражение различных членов уравнения теплового баланса, можно рассчитать величину , а затем определить и изменение температуры . При = 0 и ,= 0, т.е. температура объекта не изменяется. При > 0 температура объекта повышается ( >0), при <О, наоборот, понижается ( <0).

Метод теплового баланса широко используют в гидрологии для исследования изменений температуры воды в реках, озерах, океанах и морях. Как и метод водного баланса, он заключается в составлении и анализе уравнения вида (10) и его членов, проверке или расчете трудно поддающихся определению членов уравнения. Уравнение теплового баланса можно использовать, например, для расчета количества растаявшего льда или воды, испарившейся с поверхности водоемов или участков суши.