Тепловой баланс Земли, земной поверхности, атмосферы

Тепловой баланс Земли, земной поверхности, атмосферы
Тепловой баланс системы Земля-атмосфера представляет собой
алгебраическую сумму всех притоков тепла к вертикальному столбу
единичного сечения, охватывающему всю толщу атмосферы и верхние слои
почвы или водоема.
В течение длительных (многолетних) периодов
времени Земля в целом, а также отдельно атмосфера и деятельная
поверхность находятся в состоянии теплового равновесия, т. е. не
испытывают
систематического
непрерывного
разогревания
или
выхолаживания. Средние их температуры почти не изменяются от одного
многолетнего периода к другому. Из этого следует, что общий приход-расход
тепла за такие периоды в системе Земля-атмосфера равен нулю.
Приток тепла к деятельной поверхности, обусловленный поглощением
солнечной и атмосферной радиации, уравновешивается отдачей ею тепла
путем излучения и нерадиационного обмена.
Атмосфера в свою очередь не только поглощает солнечную и земную
радиацию, но и сама излучает длинноволновую радиацию вверх и вниз, а
также обменивается теплом с деятельной поверхностью нерадиационным
путем. При тепловом равновесии Земли в целом приток солнечной радиации
на верхнюю границу атмосферы должен быть равен отдаче радиации с этой
границы в мировое пространство. Таким образом, на верхней границе
атмосферы должно существовать лучистое равновесие, т. е. радиационный
баланс должен равняться нулю.
Тепловой баланс системы Земля-атмосфера имеет существенное
значение для изучения атмосферных процессов большого масштаба.
На основании расчетов теплового баланса Земли в целом М. И. Будыко
получил, что солнечная радиация, поглощаемая деятельной поверхностью,
составляет 43 % всей солнечной радиации, приходящей на внешнюю границу
атмосферы. Эффективное излучение деятельной поверхности составляет 15
% последней величины. Таким образом, радиационный баланс деятельной
поверхности составляет 28 % радиации, приходящей на внешнюю границу
атмосферы. Из этого 23 % расходуется на испарение, а 5 % теряется путем
турбулентной теплоотдачи.
На основании исследований теплового баланса можно судить о режиме
солнечной радиации и ее преобразованиях на поверхности земли и в
атмосфере. Данные о тепловом балансе широко используются при изучении
атмосферных процессов большого масштаба, в частности при разработке
теории термического режима атмосферы, изучении общей циркуляции
атмосферы, исследовании особенностей климата различных географических
районов и т. д.
По данным изучения теплового баланса было установлено, что
сравнительно низкие температуры воздуха в Арктике (даже летом)
объясняются высокой отражательной способностью полярных льдов, в
результате чего, несмотря на большую суммарную радиацию, поглощенная
ее часть оказывается незначительной. Была также рассчитана температура
воздуха, которая наблюдалась бы в высоких широтах при отсутствии здесь
ледяного покрова. Получено, что ледяной покров снижает среднюю годовую
температуру воздуха в Арктике примерно на 20 °С. Однако ледяные массы
Арктики неустойчивы. В случае их исчезновения произойдет такое
потепление климата, которое сделает маловероятным повторное образование
льда.
Тепловой баланс широтных зон и воздушные течения. Радиационный
баланс земной поверхности и атмосферы даже за год является
положительным или отрицательным в зависимости от широты места.
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 в отдельных зонах компенсируется нерадиационным 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.
Стимулируется эта передача процессами общей циркуляции атмосферы.
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 распределение температуры по широтным зонам,
отличное от того, какое было бы при лучистом равновесии, т. е. 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 в атмосфере
устанавливается более равномерное распределение тепла по Земному шару.
Если бы температура воздуха распределялась только в соответствии с
лучистым равновесием, т. е. если бы под каждой широтой существовало
равновесие между притоком и отдачей радиации, то на полюсе средняя
годовая температура была бы −44° и на экваторе +39°. В действительности
же она на полюсе −22° и на экваторе +26°.
Путем адвекции в земной атмосфере переносятся из низких широт в
высокие огромные количества тепла. Кроме переноса тепла из низких широт
в высокие, воздушные течения осуществляют и сезонный перенос тепла
между полушариями. Тепло переносится из того полушария, в котором лето
или осень, в то, в котором зима или весна. Перенос этот не очень значителен.