Тепловой баланс Земли, земной поверхности и атмосферы

Земля в целом, атмосфера в отдельности и подстилающая поверхность Земли находятся в состоянии теплового равновесия, если рассматривать условия за длительный период. Средние температуры их от года к году меняются мало, а за многолетние периоды остаются почти неизменными. Отсюда следует, что приток и отдача тепла за достаточно длительный период равны или почти равны.

Земля получает тепло, поглощая солнечную радиацию в атмосфере и, особенно, на земной поверхности. Теряет она тепло путем излучения в мировое пространство длинноволновой радиации земной поверхности и атмосферы. При тепловом равновесии Земли в целом приток радиации извне от Солнца к Земле (на верхнюю границу атмосферы) и отдача радиации с верхней границы атмосферы в мировое пространство должны быть равными. Иначе говоря, на верхней границе атмосферы должно существовать радиационное равновесие, т. е. радиационный баланс, равный нулю.

Атмосфера, отдельно взятая, получает и теряет тепло, поглощая солнечную и земную радиацию и отдавая длинноволновую радиацию вниз и вверх. Кроме того, она обменивается теплом с земной поверхностью нерадиационным путем. Это, во-первых, тепло, переносимое от поверхности Земли в воздух или обратно путем теплопроводности. Во-вторых, это скрытая теплота, затрачиваемая на испарение воды с подстилающей поверхности и освобождающаяся в атмосфере при конденсации водяного пара. Все указанные потоки тепла, направленные в атмосферу и из атмосферы, за длительное время должны уравновешиваться.

Наконец, на поверхности Земли уравновешиваются приток тепла вследствие поглощения солнечной и атмосферной радиации, отдача тепла путем излучения самой земной поверхности и указанный выше нерадиационный обмен теплом с атмосферой.

Тепловой баланс широтных зон и воздушные течения

1. За годовой или многолетний период равенство между приходом и расходом тепла сохраняется не только для Земли в целом, но и для отдельных ее широтных зон, поскольку средние температуры воздуха в них остаются с течением времени почти неизменными. Это значит, что избыток или недостаток радиации компенсируется не радиационным теплообменом между земной поверхностью и атмосферой.

В высоких широтах, где приток радиации меньше отдачи, должна существовать значительная передача тепла теплопроводностью от атмосферы к земной поверхности. Напротив, в низких широтах, где радиации поглощается больше, чем излучается, должна существовать значительная передача тепла от земной поверхности к атмосфере.

2, Чем стимулируется эта передача тепла путем теплопроводности?

Дело в общей циркуляции атмосферы, т. е. в переносе воздуха из одних широт в другие, в адвекции воздуха. Теплые воздушные массы, притекающие в высокие широты, отдают там свое тепло более холодной земной поверхности. Напротив, холодные воздушные массы, попадая в низкие широты, воспринимают путем теплопроводности избыток тепла от земной поверхности. Таким образом, в широтных зонах поддерживается тепловое равновесие земной поверхности.

В самой атмосфере вследствие указанной адвекции воздушных масс также устанавливается равновесное распределение температуры по широтным зонам, отличное от того, какое было бы только при поглощении и излучении радиации. Перенос теплого воздуха в высокие широты повышает там температуру атмосферы, а перенос холодного воздуха в низкие широты, напротив, понижает там температуру атмосферы. В результате устанавливается более равномерное распределение тепла по земному шару.