4.3. Добовий і річний хід температури на поверхні ґрунту

Температура на поверхні ґрунту зазнає періодичних добових і річних коливань, які в загальних рисах повторюють коливання її радіаційного балансу. З представлених вище матеріалів зрозуміло, що зміни теплового стану земної поверхні визначаються не тільки надходженням і випромінюванням радіації, а тепловим балансом в цілому.

Добовий хід температури ґрунту. Взаємозв’язок між теплообміном у діяльному шарі і температурою підстильної поверхні розглянемо на прикладі ділянки з оголеним ґрунтом при безхмарній погоді (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Залежність між теплообміном у діяльному шарі і добовим ходом температури підстильної поверхні

Упродовж першої половини світлового дня діяльний шар більше отримує тепла, ніж витрачає (надходження перевищує витрату). Надлишки тепла накопичуються, що спричиняє підвищення температури. Зауважимо, однак, що максимум температури () не співпадає з часом максимального надходження енергії. Температура продовжує зростати і після досягнення максимуму надходження тепла, оскільки ще упродовж декількох годин надходження енергії перевищує її втрати. Максимум температури досягається тоді, коли надходження і витрати тепла урівнюються. Потім витрати тепла уже перевищують його надходження, і температура починає спадати. Зниження температури триває до тих пір, поки втрати тепла перевищують його надходження. Коли вони урівнюються знову, досягається мінімум температури (). Саме тому мінімум температури спостерігається одразу після сходу Сонця (точніше, до півгодини після його сходу), а максимум – після полудня (близько 13–14-ї години).

Таким чином, в ясні дні добовий хід температури поверхні ґрунту з деяким запізненням у часі повторює хід радіаційного балансу підстильної поверхні. В інші дні правильний добовий хід може порушуватися неперіодичними змінами, пов'язаними з проходженням атмосферних фронтів, впливом хмарності, випаданням опадів та іншими чинниками.

Різниця між максимальною і мінімальною температурою за добу називається амплітудою добового ходу. На неї впливає ряд чинників.

1. Пора року. Найбільші амплітуди добового ходу температури ґрунту спостерігаються влітку, а найменші – взимку. В середній смузі Східноєвропейської рівнини літні амплітуди досягають 10–20°C, а іноді й більше. Зимові амплітуди тут приблизно удвічі менші.

2. Географічна широта. Оскільки амплітуда добового ходу температури поверхні ґрунту залежить від полуденної висоти Сонця, то вона зменшується зі збільшенням географічної широти. Найбільші амплітуди спостерігаються у субтропічних пустелях, де ефективне випромінювання і нічне охолодження ґрунту особливо сильні. Найменші амплітуди відмічаються у полярних країнах.

3. Хмарність. У похмуру погоду амплітуда менша, ніж в ясну, оскільки хмари значно зменшують надходження сонячної радіації удень та ефективне випромінювання підстильної поверхні уночі. При ясному стані неба навпаки, сумарна радіація удень та ефективне випромінювання вночі є великими.

4. Теплоємність і теплопровідність ґрунту. Амплітуда перебуває в оберненій залежності від теплоємності ґрунту. Чим більша теплоємність ґрунту, тим менше він нагрівається удень й охолоджується уночі, тобто тим менша амплітуда коливань його температури. Такий же характер має залежність амплітуди від теплопровідності ґрунту.

5. Колір ґрунту. Амплітуда ходу температури поверхні темних ґрунтів значно більша, ніж світлих, оскільки поглинальна і випромінювальна здатність темних поверхонь більші, ніж світлих.

6. Рослинний покрив. Рослинний покрив зменшує амплітуду добових коливань температури поверхні ґрунту, оскільки він перешкоджає нагріванню його сонячними променями удень та послаблює радіаційне охолодження уночі. Особливо сильно на амплітуду добового ходу температури ґрунту впливає ліс, в якому діяльний шар розшаровується на дві частини. Окрім поверхневого шару ґрунту з лісовою підстилкою, окремий діяльний шар утворюють крони дерев. Густий ліс висотою 20–30 м пропускає до ґрунту тільки 2–7 % падаючої сонячної радіації. Листяний ліс пропускає більше, ніж хвойний.

7. Сніговий покрив. Особливими радіаційними і теплофізичними властивостями володіє сніговий покрив. Удень він завдяки великому альбедо снігу нагрівається мало, а вночі, незважаючи на велику випромінювальну здатність, менше втрачає тепло шляхом випромінювання завдяки малій своїй теплопровідності. В кінцевому підсумку амплітуда добового ходу температури засніжених ділянок виявляється меншою, ніж там, де сніговий покрив відсутній. Утеплювальна роль снігового покриву яскраво проявляється у глибині промерзання ґрунту: під сніговим покривом вона значно менша, ніж на ділянках, де снігу немає.

8. Експозиція схилів. На температуру поверхні ґрунту та амплітуду його добового ходу впливає експозиція схилів – орієнтація площини горизонту у напрямку головного вектора топографічної поверхні. Південні схили пагорбів нагріваються сильніше північних, а західні – сильніше за східні. Це пояснюється тим, що нагрівання східних схилів відбувається вранці при низькій температурі повітря. Крім того, у ранішні години, коли схили можуть бути зволожені росою, значна частина тепла витрачається на її випаровування. Західні ж схили нагріваються у післяполудневі години при високих температурах повітря і відносно сухому ґрунті.

Річний хід температури поверхні ґрунту. Зміна температури поверхні ґрунту упродовж року називається річним ходом. Річний хід, як і добовий, пов'язаний з надходженням і витратою тепла й визначається головним чином радіаційними чинниками. Річний хід температури поверхні ґрунту, як і решти метеорологічних величин, прийнято визначати за середньомісячними значеннями.

У помірних і високих широтах Північної півкулі максимальні середньомісячні температури поверхні ґрунту здебільшого спостерігаються у липні або серпні (на узбережжі), а мінімальні – у січні, а на узбережжі – у лютому. У тропічних широтах річний хід температури поверхні ґрунту складніший, що пояснюється впливом хмарності.

Середня річна температура ґрунту на декілька десятих градуса вища за середню річну температуру повітря.

Різниця між найбільшою і найменшою середньомісячною температурою за рік називається амплітудою річного ходу. Амплітуда річного ходу температури поверхні ґрунту у великій мірі залежить від географічної широти місцевості. В екваторіальній зоні вона в середньому становить близько 3°C, а в полярних широтах у глибині материків перевищує 70°C. На амплітуду річного ходу, як і добового, улітку впливає рослинний, а взимку сніговий покрив.