1.4.2. Енергетична характеристика навколишнього середовища

Головним джерелом енергії майже всіх природних процесів, що відбуваються в атмосфері, грунті й гідросфері, є сонячна радіація. Якщо знехтувати великою кількістю тепла, що надходить із земних надр (50–55 ккал/см²/рік), то практично вся енергія надходить на земну поверхню від Сонця.

Загальна схема надходження сонячної енергії в біосферу (М. І. Будико, 1977) показана на рис. 1.5. Потік сонячної ра­діації від Сонця до Землі є величиною сталою і становить близько 1000 ккал/см²/рік. На зовнішню поверхню земної атмосфери у зв'язку з її кулястою формою надходить лише 250 ккал/см²/рік, причому третина її відбивається у світовий простір, а 167 ккал/см²/рік поглинає Земля. Кількість короткохвильової радіації, що сягає земної поверхні, становить 126 ккал/см²/рік, з неї 18 ккал/см²/рік відбивається, а 108 поглинається земною поверхнею. Атмосфера поглинає 59 ккал/см²/рік короткохвильової радіації.

Нагріваючись за рахунок поглинання сонячної радіації, поверхня Землі стає джерелом довгохвильового випромінювання. Оскільки водяна пара та гази атмосфери поглинають і затримують радіацію, то значна частина випромінювання земною поверхнею компенсується противипромінюванням атмосфери. За різницею між випромінюванням поверхні Землі і противипромінюванням атмосфери визначають так зване ефективне випромінювання. Ефективне довгохвильове випромінювання поверхні Землі становить 36 ккал/см²/рік, довгохвильове випромінювання Землі у світовий простір – 167 ккал/см²/рік. Отже, поверхня Землі отримує близько 72 ккал/см²/рік променевої енергії, яка частково витрачається на випаровування води, а частково повертається в атмосферу завдяки турбулентній тепловіддачі. Сонячна енергія, що надходить на поверхню атмосфери Землі, становить 1,98 – 2,0 ккал/см²/хв. У фізиці ця величина називається "сонячною постійною". У сонячний день на поверхню Землі надходить 67% цієї кількості, або 1,34 кал/см²/хв. В атмосферу земної поверхні на території України у північних і північно-східних районах надходить 0,26–0,27 кал/см²/хв, у Криму – 0,34–0,35 кал/см²/хв. Ця енергія на 10% складається з ультрафіолетового випромінювання, на 45% – з видимого і 45 % – з інфрачервоного.

Підстилаюча

поверхня (грунт)

Атмосфера

Світовий простір

Рис. 1.5. Енергетичний баланс Землі (складові енергетичного балансу в ккал/см/рік) [3]

Рослини в процесі фотосинтезу поглинають сині й червоні сонячні промені довжиною відповідно 0,38–0,50 і 0,50–0,71 мкм. Тому променеву енергію у спектрі 0,38–0,71 мкм прийнято вважати фотосинтетично активною радіацією (ФАР).

Важливим компонентом навколишнього середовища є теплове випромінювання. Воно зумовлене надходженням тепла в атмосферу з поверхонь усіх тіл, температура яких вища за нуль (грунт, гірська порода, вода, рослина). Значну кількість теплової енергії випромінюють хмари. Потоки довгохвильового випромінювання поширюються постійно в усіх напрямах, тоді як сонячне випромінювання чітко спрямоване і надходить на земну поверхню лише вдень.

Для характеристики потоків радіаційної енергії, що надходить на поверхню Землі і випромінюється з неї, використовують величину радіаційного балансу (R). Вона дорівнює різниці між кількістю прямої і розсіяної короткохвильової радіації, що поглинається земною поверхнею, та величиною довгохвильового ефективного випромінювання:

R=Q(1–α) i, (1.1)

де: Q – сумарна короткохвильова радіація (сума прямої та розсіяної радіації); α – альбедо (відбиваюча здатність земної поверхні для сумарної радіації); і – ефективне випромінювання.

Радіаційний баланс в Україні в середньому за рік додатній і змінюється від 42 ккал/см² на північному сході до 63 ккал/см² на західному узбережжі Криму. Узимку радіаційний баланс часто буває від'ємним. Нульова ізолінія на більшій час­тині України проходить приблизно вздовж широти 49°, на сході піднімається до широти 50°. Значення радіаційного балансу взимку змінюється від –18 до 16 ккал/см². Найвищі значення цього показника влітку. Сумарне значення його за три літні місяці становить майже половину річної норми (від 22–23 ккал/см² на півночі до 30 ккал/см² у Криму). У добовому ході радіаційного балансу спостерігається перехід через 0 °С після сходу і перед заходом сонця. Перехід радіаційного балансу через 0 °С протягом року починається в листопаді і закінчується в січні–лютому.

Кількісні характеристики всіх форм перетвореної сонячної енергії на поверхні Землі входять в рівняння енергетичного (теплового) балансу земної поверхні:

R=P+B₀+LE (1.2)

Тепловий баланс земної поверхні дорівнює алгебраїчній сумі потоків енергії між елементами земної поверхні і навколишнім середовищем. До цих потоків входить радіаційний баланс R (залишкова радіація), що є різницею між поглинутою короткохвильовою сонячною радіацією і довгохвильовим ефективним випромінюванням із земної поверхні. Додатня чи від'ємна величина радіаційного балансу компенсується відповідними потоками тепла. Так, відомо, що температура земної поверхні відрізняється від температури повітря. Тому між денною поверхнею грунту чи поверхнею і атмосферою завжди виникає потік тепла Р. Аналогічний потік B₀ спостерігається між земною поверхнею та більш глибокими шарами літосфери або гідросфери (потік тепла углиб грунту від поверхні). Потік тепла в грунті при цьому значною мірою забезпечується молекулярною теплопровідністю. Істотне значення в тепловому балансі земної поверхні мають витрати енергії на випаровування (LE), які визначають як добуток величини випаровування (L) на приховану теплоту випаровування (L) (табл. 1.4).

Таблиця 1.4. Енергетичний баланс континентів,