Остановимся сначала на тепловых условияхземной поверхности и
самых верхних слоев почвы и водоемов. Это необходимо потому, что
нижние слои атмосферы нагреваются и охлаждаются больше всего путем
радиационного и нерадиационного обмена теплом с верхними слоями
почвы и воды. Поэтому изменения температуры в нижних слоях атмосферы
прежде всего определяются изменениями температуры земной
поверхности, следуют за этими изменениями
Земная поверхность, т. е. поверхность почвы или воды (а также и
растительного, снежного, ледяного покрова), непрерывно разными
способами получает и теряет тепло. Через земную поверхность тепло
передается вверх - в атмосферу - и вниз - в почву или воду.
Во-первых, на земную поверхность поступают суммарная радиация и
встречное излучение атмосферы. Они в большей или меньшей степени
поглощаются поверхностью, т. е. идут на нагревание верхних слоев
почвы и воды. В то же время земная поверхность излучает сама и при
этом теряет тепло.
Во-вторых, к земной поверхности приходит тепло сверху, из атмосферы,
путем теплопроводности. Тем же способом тепло уходит от земной
поверхности в атмосферу. Путем теплопроводности тепло также уходит
от земной поверхности вниз, в почву и воду; либо приходит к земной
поверхности из глубины почвы и воды.
В-третьих, земная поверхность получает тепло при конденсации на ней
водяного пара из воздуха или, напротив, теряет тепло при испарении с
нее воды. В первом случае выделяется тепло, во втором тепло
переходит в скрытое состояние.
Не будем касаться некоторых менее важных процессов, например затраты
тепла на таяние снега, лежащего на поверхности, или распространения
тепла в глубь почвы вместе с водой осадков.
В любой промежуток времени от земной поверхности уходит вверх и вниз
в совокупности такое же количество тепла, какое она за это время
получает сверху и снизу. Если бы было иначе, не выполнялся бы закон
сохранения энергии: следовало бы допустить, что на земной
поверхности энергия возникает или исчезает. Однако возможно, что,
например, вверх может уходить больше тепла, чем пришло сверху; в
таком случае избыток отдачи тепла должен покрываться приходом тепла
к поверхности из глубины почвы или воды.
Итак, алгебраическая сумма всех приходов и расходов тепла на земной
поверхности должна быть равной нулю. Это и выражается уравнением
теплового баланса земной поверхности.
2. Чтобы написать это уравнение, во-первых, объединим поглощенную
радиацию и эффективное излучение в радиационный баланс:
R = (Isin
h+i)(l - А)-Ее.
Приход тепла из воздуха или отдачу его в воздух путем
теплопроводности обозначим Р, а такой же приход или расход путем
теплообмена с более глубокими слоями почвы или воды А. Потерю тепла
при испарении или приход его при конденсации на земной поверхности
обозначим LE, где L - удельная теплота испарения, Е- масса
испарившейся или сконденсировавшейся воды.
Тогда уравнение теплового баланса земной поверхности напишется так:
R + P + A + LE = 0. (1)
Можно еще сказать, что смысл уравнения состоит в том, что
радиационный баланс на земной поверхности уравновешивается
нерадиационной передачей тепла (рис. 16).
Рис. 16. Составляющие Теплового баланса
земной поверхности в дневное время суток.
Уравнение (1) действительно для любого промежутка времени, в том
числе и для многолетнего периода.
3. Из того, что тепловой баланс земной поверхности равен нулю, не
следует, что температура поверхности не изменяется. Когда передача
тепла направлена вниз, то тепло, приходящее к поверхности сверху и
уходящее от нее вглубь, в значительной части остается в самом
верхнем слое почвы или воды (в так называемом деятельном слое).
Температура этого слоя, а стало быть, и температура земной
поверхности при этом возрастают. Напротив, при передаче тепла через
земную поверхность снизу вверх, в атмосферу,
тепло уходит прежде всего из деятельного слоя, вследствие чего
температура поверхности падает.
От суток к суткам и от года к году средняя температура деятельного
слоя и земной поверхности в любом месте изменяется мало. Это значит,
что за сутки в глубь почвы или воды попадает днем почти столько же
тепла, сколько уходит из нее ночью. Но все же за летние сутки тепла
уходит вниз несколько больше; чем приходит снизу. Поэтому слои почвы
и воды, а стало быть, и их поверхность день ото дня нагреваются.
Зимой происходит, обратный процесс. Эти сезонные изменения
приходо-расхода тепла в почве и воде за год почти уравновешиваются,
и средняя годовая температура земной поверхности и деятельного слоя
год от года изменяется мало.
