دعونا ننظر ، إلى جانب الغلاف الجوي ، في النظام الحراري للطبقة النشطة للأرض. الطبقة النشطة هي طبقة من التربة أو الماء ، تتعرض درجة حرارتها لتقلبات يومية وسنوية. تظهر الملاحظات أنه على الأرض ، تنتشر التقلبات اليومية على عمق يتراوح بين 1 و 2 متر ، والتقلبات السنوية - إلى طبقة من عدة عشرات من الأمتار. في البحار والمحيطات ، يزيد سمك الطبقة النشطة عشر مرات عن سمكها على اليابسة. يتم الاتصال بين الأنظمة الحرارية للغلاف الجوي والطبقة النشطة للأرض باستخدام ما يسمى بمعادلة توازن الحرارة لسطح الأرض. تم استخدام هذه المعادلة لأول مرة في عام 1941 لبناء نظرية الاختلاف اليومي في درجة حرارة الهواء بواسطة A. دورودينتسين. في السنوات اللاحقة ، تم استخدام معادلة توازن الحرارة على نطاق واسع من قبل العديد من الباحثين لدراسة الخصائص المختلفة للطبقة السطحية للغلاف الجوي ، حتى تقييم التغييرات التي ستحدث تحت تأثير التأثيرات النشطة ، على سبيل المثال ، على الغطاء الجليدي من القطب الشمالي. دعونا نتحدث عن اشتقاق معادلة التوازن الحراري لسطح الأرض. الإشعاع الشمسي الذي وصل إلى سطح الأرض يُمتص على الأرض في طبقة رقيقة ، يُشار إلى سمكها (الشكل 1). بالإضافة إلى تدفق الإشعاع الشمسي ، يتلقى سطح الأرض الحرارة على شكل تدفق للأشعة تحت الحمراء من الغلاف الجوي ، ويفقد الحرارة من خلال الإشعاع الخاص به.
أرز. واحد.
في التربة ، يخضع كل من هذه التيارات لتغيير. إذا كان التدفق Ф في طبقة أولية بسمك (- العمق المحسوب من السطح إلى عمق التربة) قد تغير بمقدار dФ ، فيمكننا الكتابة
حيث أ هو معامل الامتصاص ، هو كثافة التربة. نحصل على دمج العلاقة الأخيرة في النطاق من إلى
أين هو العمق الذي يتناقص فيه التدفق بعامل e مقارنة بالتدفق Ф (0) عند. إلى جانب الإشعاع ، يتم نقل الحرارة عن طريق التبادل المضطرب لسطح التربة مع الغلاف الجوي والتبادل الجزيئي مع طبقات التربة الأساسية. تحت تأثير التبادل المضطرب ، تفقد التربة أو تتلقى كمية من الحرارة تساوي
بالإضافة إلى ذلك ، يتبخر الماء من سطح التربة (أو يتكثف بخار الماء) ، مما يستهلك كمية الحرارة
يتم كتابة التدفق الجزيئي عبر الحد السفلي للطبقة كـ
أين هو معامل التوصيل الحراري للتربة ، هو سعتها الحرارية النوعية ، هو معامل الانتشار الحراري الجزيئي.
تحت تأثير تدفق الحرارة ، تتغير درجة حرارة التربة ، وعند درجات حرارة قريبة من الصفر ، يذوب الجليد (أو يتجمد الماء). بناءً على قانون الحفاظ على الطاقة في عمود عمودي من التربة ، يمكننا تدوين السماكة.
في المعادلة (19) ، المصطلح الأول على الجانب الأيسر هو مقدار الحرارة التي يتم إنفاقها على تغيير المحتوى الحراري سم 3 من التربة لكل وحدة زمنية ، وهي الكمية الثانية من الحرارة المستخدمة لإذابة الجليد (). على الجانب الأيمن ، يتم أخذ جميع التدفقات الحرارية التي تدخل طبقة التربة عبر الحدود العلوية والسفلية بعلامة "+" ، ويتم أخذ تلك التي تغادر الطبقة بعلامة "-". المعادلة (19) هي معادلة توازن الحرارة لسمك طبقة التربة. في هذا الشكل العام ، هذه المعادلة ليست أكثر من معادلة تدفق الحرارة المكتوبة لطبقة ذات سمك محدود. لا يمكن استخلاص أي معلومات إضافية منه (مقارنة بمعادلة تدفق الحرارة) عن النظام الحراري للهواء والتربة. ومع ذلك ، يمكن الإشارة إلى العديد من الحالات الخاصة لمعادلة توازن الحرارة ، عندما يمكن استخدامها كشرط حدودي مستقل عن المعادلات التفاضلية. في هذه الحالة ، تتيح معادلة توازن الحرارة تحديد درجة حرارة سطح الأرض غير المعروفة. فيما يلي مثل هذه الحالات الخاصة. على الأرض غير المغطاة بالثلج أو الجليد ، تكون القيمة ، كما هو موضح بالفعل ، صغيرة جدًا. في الوقت نفسه ، فإن النسبة لكل من الكميات التي هي من أجل النطاق الجزيئي كبيرة جدًا. نتيجة لذلك ، يمكن كتابة معادلة الأرض في حالة عدم وجود عمليات ذوبان الجليد بدرجة كافية من الدقة في الشكل:
مجموع المصطلحات الثلاثة الأولى في المعادلة (20) ليس سوى توازن الإشعاع R لسطح الأرض. وهكذا ، تأخذ معادلة التوازن الحراري لسطح الأرض الشكل:
تُستخدم معادلة توازن الحرارة بالصيغة (21) كشرط حدودي في دراسة النظام الحراري للغلاف الجوي والتربة.
التوازن الحراري للأرض
توازن الأرض ، نسبة الدخل واستهلاك الطاقة (المشعة والحرارية) على سطح الأرض ، في الغلاف الجوي وفي نظام الغلاف الجوي الأرضي. المصدر الرئيسي للطاقة للغالبية العظمى من العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية في الغلاف الجوي والغلاف المائي والطبقات العليا من الغلاف الصخري هو الإشعاع الشمسي ؛ وبالتالي ، توزيع ونسبة مكونات T. b. تميز تحولاتها في هذه الأصداف.
T. ب. هي صيغ خاصة لقانون الحفاظ على الطاقة ويتم تجميعها لجزء من سطح الأرض (T. b. من سطح الأرض) ؛ لعمود رأسي يمر عبر الغلاف الجوي (T. ب. الغلاف الجوي) ؛ لنفس العمود الذي يمر عبر الغلاف الجوي والطبقات العليا للغلاف الصخري أو الغلاف المائي (T. b. نظام الغلاف الجوي الأرضي).
المعادلة T. b. سطح الأرض: R + P + F0 + LE 0 هو مجموع جبري لتدفق الطاقة بين عنصر من سطح الأرض والفضاء المحيط. تتضمن هذه التدفقات توازن الإشعاع (أو الإشعاع المتبقي) R - الفرق بين الإشعاع الشمسي قصير الموجة الممتص والإشعاع الفعال طويل الموجة من سطح الأرض. يتم تعويض القيمة الموجبة أو السلبية لتوازن الإشعاع بعدة تدفقات حرارية. نظرًا لأن درجة حرارة سطح الأرض لا تساوي عادةً درجة حرارة الهواء ، ينشأ تدفق حراري P بين السطح السفلي والغلاف الجوي. لوحظ تدفق حراري مماثل F 0 بين سطح الأرض والطبقات الأعمق من الغلاف الصخري أو الغلاف المائي. في هذه الحالة ، يتم تحديد تدفق الحرارة في التربة عن طريق التوصيل الحراري الجزيئي ، بينما في المسطحات المائية ، يكون لانتقال الحرارة ، كقاعدة عامة ، طابعًا مضطربًا بدرجة أكبر أو أقل. التدفق الحراري F 0 بين سطح الخزان وطبقاته العميقة يساوي عدديًا التغير في المحتوى الحراري للخزان خلال فترة زمنية معينة وانتقال الحرارة بواسطة التيارات في الخزان. القيمة الأساسية في T. b. عادةً ما يكون لسطح سطح الأرض استهلاك حراري للتبخر LE ، والذي يُعرَّف بأنه ناتج كتلة الماء المتبخر E وحرارة التبخر L. وتعتمد قيمة LE على ترطيب سطح الأرض ودرجة حرارته ، رطوبة الهواء وشدة انتقال الحرارة المضطرب في طبقة الهواء السطحية ، والتي تحدد معدل انتقال بخار الماء من سطح الأرض إلى الغلاف الجوي.
المعادلة T. b. الغلاف الجوي له الشكل: Ra + Lr + P + Fa D W.
T. ب. يتكون الغلاف الجوي من توازن الإشعاع الخاص به R a ؛ المدخلات الحرارية أو المخرجات Lr أثناء تحولات الطور للماء في الغلاف الجوي (r هو مجموع هطول الأمطار) ؛ وصول أو استهلاك الحرارة P ، بسبب التبادل الحراري المضطرب للغلاف الجوي مع سطح الأرض ؛ وصول الحرارة أو فقدانها بسبب التبادل الحراري من خلال الجدران الرأسية للعمود ، والذي يرتبط بحركات الغلاف الجوي المنظمة والاضطراب الكبير. بالإضافة إلى ذلك ، في المعادلة T. ب. يشتمل الغلاف الجوي على مصطلح DW ، يساوي التغير في المحتوى الحراري داخل العمود.
المعادلة T. b. أنظمة الأرض - الغلاف الجوي يتوافق مع المجموع الجبري لشروط المعادلات T. ب. سطح الأرض والغلاف الجوي. مكونات T. b. يتم تحديد سطح الأرض والغلاف الجوي لمناطق مختلفة من العالم من خلال أرصاد الأرصاد الجوية (في محطات قياس الأكتينومتري ، وفي محطات خاصة في السماء ، وعلى سواتل الأرصاد الجوية للأرض) أو من خلال الحسابات المناخية.
متوسط القيم العرضية لمكونات T. b. سطح الأرض للمحيطات والأرض والأرض ، و T. b. الأجواء معطاة في الجدولين 1 ، 2 ، حيث قيم أعضاء T. b. تعتبر إيجابية إذا كانت تتوافق مع وصول الحرارة. نظرًا لأن هذه الجداول تشير إلى متوسط الظروف السنوية ، فإنها لا تتضمن المصطلحات التي تميز التغيرات في المحتوى الحراري للغلاف الجوي والطبقات العليا من الغلاف الصخري ، نظرًا لأنها قريبة من الصفر في هذه الظروف.
بالنسبة للأرض ككوكب ، جنبًا إلى جنب مع الغلاف الجوي ، فإن مخطط T. b. هو مبين في الشكل. تدفق إشعاع شمسي يساوي متوسط حوالي 250 كيلو كالوري / سم 2 في السنة لكل وحدة سطح من الحدود الخارجية للغلاف الجوي ، والتي تمتص الأرض منها حوالي 167 كيلو كالوري / سم 2 سنويًا (السهم Q s في الشكل. ). يصل سطح الأرض إلى إشعاع قصير الموجة ، أي ما يعادل 126 كيلو كالوري / سم 2 في السنة ؛ ينعكس 18 كيلو كالوري / سم 2 سنويًا من هذه الكمية ، ويتم امتصاص 108 كيلو كالوري / سم 2 سنويًا بواسطة سطح الأرض (السهم Q). يمتص الغلاف الجوي 59 كيلو كالوري / سم 2 سنويًا من إشعاع الموجة القصيرة ، أي أقل بكثير من سطح الأرض. يبلغ الإشعاع الفعال طويل الموجة لسطح الأرض 36 كيلو كالوري / سم 2 في السنة (السهم الأول) ، وبالتالي فإن توازن الإشعاع على سطح الأرض هو 72 كيلو كالوري / سم 2 في السنة. تساوي إشعاع الموجة الطويلة للأرض في الفضاء العالمي 167 كيلو كالوري / سم 2 في السنة (السهم هو). وهكذا ، يستقبل سطح الأرض حوالي 72 كيلو كالوري / سم 2 سنويًا من الطاقة المشعة ، والتي تُنفق جزئيًا على تبخر الماء (الدائرة LE) وتعاد جزئيًا إلى الغلاف الجوي من خلال انتقال الحرارة المضطرب (السهم P).
فاتورة غير مدفوعة. واحد . - التوازن الحراري لسطح الأرض كيلو كالوري / سم 2 سنة
خط العرض ، درجات
متوسط الأرض
خط عرض 70-60 شمالا
0-10 خط عرض جنوبي
الأرض ككل
بيانات عن مكونات T. b. تستخدم في تطوير العديد من مشاكل علم المناخ وهيدرولوجيا الأرض وعلم المحيطات ؛ يتم استخدامها لإثبات النماذج العددية لنظرية المناخ واختبار نتائج تطبيق هذه النماذج تجريبياً. مواد حول T. b. تلعب دورًا مهمًا في دراسة تغير المناخ ، كما أنها تستخدم في حسابات التبخر من سطح أحواض الأنهار والبحيرات والبحار والمحيطات ، في دراسات نظام الطاقة للتيارات البحرية ، لدراسة أغطية الجليد والجليد ، في فسيولوجيا النبات لدراسة النتح والتمثيل الضوئي ، في فسيولوجيا الحيوانات لدراسة النظام الحراري للكائنات الحية. بيانات حول T. b. استخدمت أيضًا لدراسة تقسيم المناطق الجغرافية في أعمال الجغرافي السوفيتي أ. أ. غريغورييف.
فاتورة غير مدفوعة. 2. - توازن حرارة الغلاف الجوي كيلو كالوري / سم 2 سنة
خط العرض ، درجات
خط عرض 70-60 شمالا
0-10 خط عرض جنوبي
الأرض ككل
مضاءة: أطلس التوازن الحراري للكرة الأرضية ، أد. إم آي بوديكو ، موسكو ، 1963. Budyko M.I. ، المناخ والحياة ، L. ، 1971 ؛ Grigoriev A. A. ، أنماط بنية وتطور البيئة الجغرافية ، M. ، 1966.
إم آي بوديكو.
الموسوعة السوفيتية العظمى TSB. 2012
انظر أيضًا التفسيرات والمرادفات ومعاني الكلمات وما هو EARTH HEAT BALANCE في اللغة الروسية في القواميس والموسوعات والكتب المرجعية:
- الارض
الغرض الزراعي - الأرض المخصصة لاحتياجات الزراعة أو المخصصة لهذه ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الغرض الترفيهي - الأراضي المخصصة وفقًا للإجراءات المعمول بها ، والمخصصة والمستخدمة للترفيه الجماعي والسياحة للسكان. لهم … - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الغرض البيئي - أراضي المحميات (باستثناء الصيد) ؛ مناطق التفريخ والمحظورة ؛ الأراضي التي تشغلها الغابات التي تؤدي وظائف الحماية ؛ آخر … - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
صندوق الاحتياطي الطبيعي - أراضي المحميات الطبيعية والآثار الطبيعية والحدائق الطبيعية (الوطنية) والأشجار والنباتية. تكوين Z.p.-z.f. يشمل الأرض مع ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الضرر - انظر الضرر الذي يلحق بالأرض ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الغرض الصحي - قطع الأراضي ذات العوامل العلاجية الطبيعية (الينابيع المعدنية ، ورواسب الطين العلاجي ، والظروف المناخية وغيرها) ، ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الاستخدام العام - في المدن والبلدات والمستوطنات الريفية - الأراضي المستخدمة كوسيلة للاتصال (الساحات ، والشوارع ، والأزقة ، ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
سعر الأرض - راجع سعر تنظيم الأرض ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
المستوطنات - انظر الأراضي الحضرية ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
البلدة - انظر بلطلة الأرض ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
صندوق الغابات - الأراضي المغطاة بالغابات ، وكذلك. غير مغطاة بالغابات ، ولكنها تلبي احتياجات الغابات والغابات ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الغرض التاريخي والثقافي - الأراضي التي (وفيها) توجد المعالم التاريخية والثقافية والأماكن ذات الأهمية ، بما في ذلك تلك المعلنة ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
احتياطي - جميع الأراضي غير المخصصة للتملك والحيازة والاستخدام والتأجير. تشمل الأراضي والملكية والممتلكات ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
النقل بالسكك الحديدية - الأراضي الفيدرالية المقدمة مجانًا للاستخدام الدائم (غير المحدود) لمؤسسات ومؤسسات النقل بالسكك الحديدية لتنفيذ ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
لاحتياجات الدفاع - الأراضي المخصصة للتنسيب والنشاط الدائم للوحدات والمؤسسات العسكرية والمؤسسات التعليمية العسكرية والمؤسسات والمنظمات المسلحة ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
URBAN - راجع URBAN LAND ... - الارض في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
صندوق المياه - الأراضي التي تشغلها الخزانات والأنهار الجليدية والمستنقعات ، باستثناء مناطق التندرا والغابات والتندرا ، والمنشآت الهيدروليكية وغيرها من مرافق إدارة المياه ؛ أ … - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
موارد العمل - توازن توافر واستخدام موارد العمل ، مجمعة مع مراعاة تجديدها والتخلص منها ، والعمالة ، والإنتاجية ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
TRADING PASSIVE - راجع رصيد التداول السلبي ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
TRADING ACTIVE - انظر التداول النشط ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
التداول - انظر ميزان التداول ؛ التجارة الخارجية ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
العمليات الحالية - ميزان يوضح صافي صادرات الدولة ، مساويًا لحجم الصادرات من السلع والخدمات مطروحًا منه الواردات ، مع إضافة صافي ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
موحد - انظر الرصيد الموحد ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الرصيد - راجع توازن الرصيد ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
مقدر - انظر المقدرة ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الفصل - راجع الرصيد المنفصل ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
وقت العمل - التوازن الذي يميز موارد وقت العمل لموظفي المؤسسة واستخدامها لأنواع مختلفة من العمل. تم تقديمه كـ ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الدفع الحالي انظر الرصيد الحالي ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
المدفوعات للعمليات الحالية - راجع ميزان المدفوعات للعمليات الحالية ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الدفع السلبي. انظر الرصيد السلبي للمدفوعات ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
مدفوعات التجارة الخارجية - انظر ميزان التجارة الخارجية للمدفوعات ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الدفع النشط - انظر الرصيد النشط للمدفوعات ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الدفع - انظر الدفع ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
مدفوعات المقاصة - ميزان التسويات غير النقدية لالتزامات الدفع أو المطالبات المتبادلة ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
التداول السلبي (الدفع) - راجع التداول السلبي (الدفع) ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الأصول الثابتة - الميزانية العمومية التي تقارن الأصول الثابتة النقدية ، مع مراعاة الاستهلاك والتخلص منها ، والأموال المقدمة حديثًا ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
ما بين الفروع - انظر ما بين الفروع ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
المواد - انظر المواد ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
التصفية - انظر التصفية ... - الرصيد في قاموس المصطلحات الاقتصادية:
الدخل والمصروفات - ميزانية عمومية ، في أقسامها يشار إلى مصادر ومبالغ الدخل والمصروفات لفترة معينة ... - الرصيد في الموسوعة السوفيتية العظمى TSB:
(الميزان الفرنسي ، حرفيا - موازين ، من اللاتينية بيلانكس - بها وعاءان للوزن) ، 1) موازنة ، موازنة. 2) نظام المؤشرات ... - الارض
تشكلت المناطق الروسية القديمة بالقرب من المدن القديمة. كانت Z. ، غالبًا لمسافة كبيرة جدًا من المدينة ، ملكًا لسكانها ودائمًا ... - الرصيد في القاموس الموسوعي لبروكهاوس وإوفرون:
الميزان المحاسبي. في محاسبة B. ، يتم إنشاء توازن بين الخصم والائتمان ، ويميز حساب B. - الرصيد في القاموس الموسوعي:
أنا أ ، رر. لا ، م 1. نسبة المؤشرات المترابطة لبعض الأنشطة ، العملية. الإنتاج والاستهلاك. والميزان التجاري ...
التوازن الإشعاعيهو الفرق بين التدفق الداخلي والخارجي للطاقة المشعة التي يمتصها وينبعث منها سطح الأرض.
توازن الإشعاع - المجموع الجبري لتدفقات الإشعاع في حجم معين أو على سطح معين. عند الحديث عن توازن الإشعاع في الغلاف الجوي أو نظام "الغلاف الجوي الأرضي" ، فغالباً ما يقصدون التوازن الإشعاعي لسطح الأرض ، والذي يحدد انتقال الحرارة عند الحد الأدنى للغلاف الجوي. يمثل الفرق بين إجمالي الإشعاع الشمسي الممتص والإشعاع الفعال لسطح الأرض.
توازن الإشعاع هو الفرق بين الطاقة المشعة الواردة والصادرة التي يمتصها وينبعث منها سطح الأرض.
يعتبر التوازن الإشعاعي أهم عامل مناخي ، حيث يعتمد توزيع درجة الحرارة في التربة وطبقات الهواء المجاورة لها إلى حد كبير على قيمتها. تعتمد عليه الخصائص الفيزيائية للكتل الهوائية التي تتحرك عبر الأرض ، وكذلك شدة التبخر وذوبان الثلج.
توزيع القيم السنوية لتوازن الإشعاع على سطح الكرة الأرضية ليس هو نفسه: في خطوط العرض الاستوائية ، تصل هذه القيم إلى 100 ... 120 كيلو كالوري / (سم 2 سنة) ، والحد الأقصى (حتى لوحظ 140 كيلو كالوري / (سم 2 سنة)) قبالة الساحل الشمالي الغربي لأستراليا). في المناطق الصحراوية والجافة ، تكون قيم توازن الإشعاع أقل مقارنة بمناطق الرطوبة الكافية والمفرطة عند نفس خطوط العرض. يحدث هذا بسبب زيادة في البياض وزيادة الإشعاع الفعال بسبب الجفاف العالي للهواء وانخفاض نسبة السحب. في خطوط العرض المعتدلة ، تتناقص قيم توازن الإشعاع بسرعة مع زيادة خط العرض بسبب انخفاض إجمالي الإشعاع.
في المتوسط ، على مدار العام ، تبين أن مبالغ التوازن الإشعاعي لكامل سطح الكرة الأرضية كانت موجبة ، باستثناء المناطق ذات الغطاء الجليدي الدائم (أنتاركتيكا ، والجزء الأوسط من جرينلاند ، وما إلى ذلك).
تُقاس الطاقة ، التي تُقاس بقيمة توازن الإشعاع ، جزئيًا على التبخر ، وتُنقل جزئيًا إلى الهواء ، وأخيراً ، تذهب كمية معينة من الطاقة إلى التربة وتذهب لتسخينها. وبالتالي ، يمكن تمثيل إجمالي مدخلات ومخرجات الحرارة لسطح الأرض ، والذي يسمى توازن الحرارة ، على النحو التالي:
هنا B هو توازن الإشعاع ، M هو التدفق الحراري بين سطح الأرض والغلاف الجوي ، V هو استهلاك الحرارة للتبخر (أو إطلاق الحرارة أثناء التكثيف) ، T هو التبادل الحراري بين سطح التربة والطبقات العميقة.
الشكل 16 - تأثير الإشعاع الشمسي على سطح الأرض
في المتوسط ، على مدار العام ، تعطي التربة عمليًا قدرًا كبيرًا من الحرارة إلى الهواء كما تتلقاها ، وبالتالي ، في الاستنتاجات السنوية ، يكون معدل دوران الحرارة في التربة صفرًا. يتم توزيع استهلاك الحرارة للتبخر على سطح الكرة الأرضية بشكل غير متساوٍ للغاية. تعتمد على المحيطات على كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح المحيط ، وكذلك على طبيعة التيارات المحيطية. تزيد التيارات الدافئة من استهلاك الحرارة للتبخر ، بينما تقللها التيارات الباردة. في القارات ، يتم تحديد تكلفة الحرارة من أجل التبخر ليس فقط بكمية الإشعاع الشمسي ، ولكن أيضًا من خلال احتياطيات الرطوبة الموجودة في التربة. مع نقص الرطوبة ، مما يؤدي إلى انخفاض التبخر ، يتم تقليل تكاليف الحرارة للتبخر. لذلك ، في الصحاري وشبه الصحاري ، يتم تقليلها بشكل كبير.
عمليا المصدر الوحيد للطاقة لجميع العمليات الفيزيائية التي تتطور في الغلاف الجوي هو الإشعاع الشمسي. السمة الرئيسية لنظام إشعاع الغلاف الجوي هي ما يسمى. تأثير الاحتباس الحراري: يمتص الغلاف الجوي إشعاعًا شمسيًا قصير الموجة بشكل ضعيف (يصل معظمه إلى سطح الأرض) ، ولكنه يؤخر الإشعاع الحراري طويل الموجة (الأشعة تحت الحمراء بالكامل) لسطح الأرض ، مما يقلل بشكل كبير من انتقال حرارة الأرض إلى الفضاء الخارجي وتزيد درجة حرارته.
يُمتص الإشعاع الشمسي الذي يدخل الغلاف الجوي جزئيًا في الغلاف الجوي عن طريق بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والأوزون والهباء الجوي ويتناثر بواسطة جزيئات الهباء الجوي وتقلبات كثافة الغلاف الجوي. بسبب تشتت الطاقة المشعة للشمس في الغلاف الجوي ، لا يُلاحظ فقط الإشعاع الشمسي المباشر ، ولكن أيضًا الإشعاع المتناثر ، فهما يشكلان معًا إجمالي الإشعاع. عند الوصول إلى سطح الأرض ، ينعكس الإشعاع الكلي منه جزئيًا. يتم تحديد مقدار الإشعاع المنعكس من خلال انعكاس السطح السفلي ، ما يسمى. البياض. بسبب الإشعاع الممتص ، يسخن سطح الأرض ويصبح مصدرًا للإشعاع طويل الموجة الموجه نحو الغلاف الجوي. بدوره ، يُصدر الغلاف الجوي أيضًا إشعاعًا طويل الموجة موجهًا نحو سطح الأرض (ما يسمى بالإشعاع المضاد للغلاف الجوي) والفضاء الخارجي (ما يسمى بالإشعاع الخارج). يتم تحديد التبادل الحراري العقلاني بين سطح الأرض والغلاف الجوي من خلال الإشعاع الفعال - الفرق بين إشعاع سطح الأرض والإشعاع المضاد للغلاف الجوي الذي يمتصه. يسمى الفرق بين إشعاع الموجة القصيرة الذي يمتصه سطح الأرض والإشعاع الفعال بميزان الإشعاع.
تشكل تحولات طاقة الإشعاع الشمسي بعد امتصاصه على سطح الأرض وفي الغلاف الجوي التوازن الحراري للأرض. المصدر الرئيسي للحرارة في الغلاف الجوي هو سطح الأرض الذي يمتص الجزء الأكبر من الإشعاع الشمسي. نظرًا لأن امتصاص الإشعاع الشمسي في الغلاف الجوي أقل من فقد الحرارة من الغلاف الجوي إلى الفضاء العالمي بواسطة إشعاع الموجة الطويلة ، يتم تعويض استهلاك الحرارة الإشعاعية بتدفق الحرارة إلى الغلاف الجوي من سطح الأرض في شكل انتقال الحرارة المضطرب ووصول الحرارة نتيجة تكثف بخار الماء في الغلاف الجوي. نظرًا لأن المبلغ الإجمالي للتكثيف في الغلاف الجوي بأكمله يساوي كمية هطول الأمطار ، وكذلك مقدار التبخر من سطح الأرض ، فإن تدفق حرارة التكثيف في الغلاف الجوي يساوي عددًا الحرارة التي يتم إنفاقها على التبخر على سطح الأرض. السطحية.
الفرق بين الإشعاع الشمسي الممتص والإشعاع الفعال هو توازن الإشعاع ، أو الإشعاع المتبقي لسطح الأرض (ب). يمكن كتابة توازن الإشعاع ، المتوسط على كامل سطح الأرض ، بالصيغة B = Q * (1 - A) - E eff أو B = Q - R k - E eff. يوضح الشكل 24 النسبة المئوية التقريبية لأنواع مختلفة من الإشعاع المتضمنة في الإشعاع وتوازن الحرارة. من الواضح أن سطح الأرض يمتص 47٪ من كل الإشعاع الذي وصل إلى الكوكب ، والإشعاع الفعال 18٪. وبالتالي ، فإن توازن الإشعاع ، المتوسط على سطح الأرض بالكامل ، موجب ويبلغ 29٪.
أرز. 24. مخطط موازين الإشعاع والحرارة لسطح الأرض (حسب K. Ya. Kondratiev)
إن توزيع توازن الإشعاع على سطح الأرض معقد للغاية. تعتبر معرفة أنماط هذا التوزيع مهمة للغاية ، حيث يتم تشكيل نظام درجة حرارة السطح الأساسي وطبقة التروبوسفير ومناخ الأرض ككل تحت تأثير الإشعاع المتبقي. تحليل خرائط التوازن الإشعاعي لسطح الأرض للعام (الشكل 25) يؤدي إلى الاستنتاجات التالية.
يكون المجموع السنوي لتوازن الإشعاع على سطح الأرض موجبًا في كل مكان تقريبًا ، باستثناء الهضاب الجليدية في القارة القطبية الجنوبية وجرينلاند. تنخفض قيمها السنوية بشكل منطقي ومنتظم من خط الاستواء إلى القطبين وفقًا للعامل الرئيسي - إجمالي الإشعاع. علاوة على ذلك ، فإن الاختلاف في قيم توازن الإشعاع بين خط الاستواء والقطبين أكثر أهمية من الاختلاف في قيم إجمالي الإشعاع. لذلك ، فإن منطقة توازن الإشعاع واضحة جدًا.
الانتظام التالي لتوازن الإشعاع هو زيادته أثناء الانتقال من الأرض إلى المحيط مع الانقطاعات واختلاط العزلات على طول الساحل. يتم التعبير عن هذه الميزة بشكل أفضل في خطوط العرض الاستوائية - الاستوائية وتتحول تدريجياً إلى خطوط العرض القطبية. يفسر توازن الإشعاع الأكبر فوق المحيطات انخفاض بياض الماء ، وخاصة في خطوط العرض الاستوائية - الاستوائية ، ومن خلال انخفاض الإشعاع الفعال الناتج عن إلى انخفاض درجة حرارة سطح المحيط والمحتوى الرطوبي الكبير للهواء والغيوم.بسبب زيادة قيم توازن الإشعاع واتساع مساحة المحيط على الكوكب (71٪) ، فهو من يلعب دورًا رائدًا في النظام الحراري للأرض ، ويحدد الاختلاف في توازن الإشعاع للمحيطات والقارات تأثيرهما المتبادل المستمر والعميق على بعضهما البعض في جميع خطوط العرض.
أرز. 25. التوازن الإشعاعي لسطح الأرض للعام [MJ / (m 2 X year)] (وفقًا لـ S. P. Khromov و M. A. Petrosyants)
التغيرات الموسمية في توازن الإشعاع في خطوط العرض الاستوائية الاستوائية صغيرة (الشكل 26 ، 27). ينتج عن هذا تقلبات طفيفة في درجات الحرارة على مدار العام. لذلك ، يتم تحديد فصول السنة ليس من خلال مسار درجات الحرارة ، ولكن بنظام هطول الأمطار السنوي. في خطوط العرض خارج المدارية ، هناك تغيرات نوعية في توازن الإشعاع من القيم الموجبة إلى القيم السلبية خلال العام. في الصيف ، على مساحات شاسعة من خطوط العرض المعتدلة والمرتفعة جزئيًا ، تكون قيم توازن الإشعاع مهمة (على سبيل المثال ، في يونيو على الأرض بالقرب من الدائرة القطبية الشمالية ، هي نفسها كما في الصحاري الاستوائية) وتقلباتها في خطوط العرض صغيرة نسبيًا. ينعكس هذا في نظام درجة الحرارة ، وبالتالي في ضعف الدورة الدموية البينية خلال هذه الفترة. في فصل الشتاء ، على مساحات شاسعة ، يكون توازن الإشعاع سالبًا: يمر خط توازن الإشعاع الصفري لأبرد شهر فوق الأرض تقريبًا على طول خط عرض 40 درجة ، فوق المحيطات - على طول 45 درجة. تؤدي الظروف الحرارية المختلفة في الشتاء إلى تنشيط عمليات الغلاف الجوي في مناطق خطوط العرض المعتدلة وشبه الاستوائية. يتم تعويض توازن الإشعاع السالب في فصل الشتاء في خطوط العرض المعتدلة والقطبية جزئيًا عن طريق تدفق الحرارة مع كتل الهواء والماء من خطوط العرض الاستوائية - الاستوائية. على عكس خطوط العرض المنخفضة في مناطق خطوط العرض المعتدلة والمرتفعة ، يتم تحديد فصول السنة بشكل أساسي من خلال الظروف الحرارية التي تعتمد على توازن الإشعاع.
أرز. 26. التوازن الإشعاعي لسطح الأرض لشهر يونيو [10 2 MJ / (m 2 x M es.) |
في الجبال من جميع خطوط العرض ، يكون توزيع توازن الإشعاع معقدًا بسبب تأثير الارتفاع ، ومدة الغطاء الجليدي ، والتعرض للشمس المنحدرات ، والغيوم ، وما إلى ذلك بشكل عام ، على الرغم من القيم المتزايدة للإشعاع الكلي في الجبال ، هناك انخفاض في توازن الإشعاع بسبب بياض الثلج والجليد ، وزيادة نسبة الإشعاع الفعال وعوامل أخرى.
الغلاف الجوي للأرض له توازن إشعاعي خاص به. يتم وصول الإشعاع إلى الغلاف الجوي بسبب امتصاص كل من الإشعاع الشمسي قصير الموجة والإشعاع الأرضي طويل الموجة. يستهلك الغلاف الجوي الإشعاع مع إشعاع مضاد ، يتم تعويضه تمامًا عن طريق الإشعاع الأرضي وبسبب الإشعاع الخارج. وبحسب الخبراء فإن توازن إشعاع الغلاف الجوي سلبي (-29٪).
بشكل عام ، يكون توازن الإشعاع لسطح الأرض والغلاف الجوي 0 ، أي أن الأرض في حالة توازن إشعاعي. ومع ذلك ، فإن فائض الإشعاع على سطح الأرض وعدم وجوده في الغلاف الجوي يجعل المرء يتساءل: لماذا مع وجود فائض من الإشعاع لا يحترق سطح الأرض ، ولا يتجمد الغلاف الجوي بنقصه لدرجة حرارة الصفر المطلق؟ الحقيقة هي أنه بين سطح الأرض والغلاف الجوي (وكذلك بين السطح والطبقات العميقة للأرض والماء) توجد طرق غير إشعاعية لنقل الحرارة. الأول هو التوصيل الحراري الجزيئي وانتقال الحرارة المضطرب (H) ، حيث يتم تسخين الغلاف الجوي وإعادة توزيع الحرارة فيه رأسياً وأفقياً. يتم أيضًا تسخين الطبقات العميقة من الأرض والماء. والثاني هو التبادل الحراري النشط ، والذي يحدث عندما يمر الماء من حالة طور إلى أخرى: أثناء التبخر ، يتم امتصاص الحرارة ، وأثناء تكثيف وتسامي بخار الماء ، يتم إطلاق حرارة التبخر الكامنة (LE).
إن الطرق غير الإشعاعية لنقل الحرارة هي التي توازن توازنات الإشعاع على سطح الأرض والغلاف الجوي ، مما يؤدي إلى الوصول إلى الصفر ومنع ارتفاع درجة حرارة السطح والتبريد الفائق للغلاف الجوي للأرض. يفقد سطح الأرض 24٪ من الإشعاع نتيجة تبخر الماء (ويتلقى الغلاف الجوي ، على التوالي ، نفس الكمية بسبب التكثيف اللاحق وتسامي بخار الماء على شكل سحب وضباب) و 5٪ من الإشعاع عند الغلاف الجوي يسخن من سطح الأرض. إجمالاً ، هذا هو 29٪ من الإشعاع المفرط على سطح الأرض والذي ينقصه الغلاف الجوي.
أرز. 27. التوازن الإشعاعي لسطح الأرض لشهر ديسمبر [في 10 2 MJ / (m 2 x M es.)]
أرز. 28. مكونات التوازن الحراري لسطح الأرض في النهار (حسب S. P. Khromov)
يُطلق على المجموع الجبري لجميع المداخيل والنفقات الحرارية على سطح الأرض وفي الغلاف الجوي اسم توازن الحرارة ؛ وبالتالي فإن توازن الإشعاع هو أهم عنصر في توازن الحرارة. معادلة التوازن الحراري لسطح الأرض لها الشكل:
B - LE - P ± G = 0,
حيث B هو التوازن الإشعاعي لسطح الأرض ، LE هو استهلاك الحرارة للتبخر (L هي الحرارة النوعية للتبخر ، £ كتلة الماء المتبخر) ، P هو التبادل الحراري المضطرب بين السطح السفلي والغلاف الجوي ، G هو التبادل الحراري مع السطح السفلي (الشكل 28). يتم تعويض فقدان الحرارة السطحية لتسخين الطبقة النشطة نهارًا وصيفًا بشكل كامل تقريبًا من خلال عودتها من الأعماق إلى السطح ليلًا وفي الشتاء ، وبالتالي متوسط درجة الحرارة السنوية طويلة المدى للطبقات العليا من التربة و تعتبر مياه المحيط العالمي ثابتة ويمكن اعتبار G لأي سطح تقريبًا مساويًا للصفر. لذلك ، في الاستنتاج طويل الأجل ، يتم إنفاق التوازن الحراري السنوي لسطح الأرض والمحيط العالمي على التبخر وتبادل الحرارة بين السطح السفلي والغلاف الجوي.
يعتبر توزيع توازن الحرارة على سطح الأرض أكثر تعقيدًا من التوزيع الإشعاعي ، وذلك بسبب العديد من العوامل التي تؤثر عليه: الغيوم ، والتساقط ، والتدفئة السطحية ، وما إلى ذلك. عند خطوط العرض المختلفة ، تختلف قيم توازن الحرارة عن 0 في اتجاه واحد أو آخر: عند خطوط العرض العليا يكون سالب ، وفي حالة انخفاض الموجب. يتم تعويض نقص الحرارة في المناطق القطبية الشمالية والجنوبية عن طريق نقلها من خطوط العرض الاستوائية بشكل أساسي بمساعدة التيارات المحيطية والكتل الهوائية ، وبالتالي إنشاء توازن حراري بين خطوط العرض المختلفة لسطح الأرض.
يتم كتابة التوازن الحراري للغلاف الجوي على النحو التالي: –B + LE + P = 0.
من الواضح أن الأنظمة الحرارية التكميلية لسطح الأرض والغلاف الجوي تتوازن مع بعضها البعض: كل الإشعاع الشمسي الذي يدخل الأرض (100٪) يتم موازنته بفقدان إشعاع الأرض بسبب الانعكاس (30٪) والإشعاع (70٪) لذلك ، بشكل عام ، حراري ، فإن توازن الأرض ، مثله مثل الإشعاعي ، يساوي 0. الأرض في توازن إشعاعي وحراري ، وأي انتهاك لها يمكن أن يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة كوكبنا أو تبريده.
تحدد طبيعة توازن الحرارة ومستوى طاقته سمات وكثافة معظم العمليات التي تحدث في الغلاف الجغرافي ، وقبل كل شيء النظام الحراري لطبقة التروبوسفير.
دعونا أولاً ننظر في الظروف الحرارية لسطح الأرض والطبقات العليا من التربة والمسطحات المائية. هذا ضروري لأن الطبقات السفلية من الغلاف الجوي يتم تسخينها وتبريدها في الغالب عن طريق التبادل الحراري الإشعاعي وغير الإشعاعي مع الطبقات العليا من التربة والماء. لذلك ، يتم تحديد التغيرات في درجات الحرارة في الطبقات السفلى من الغلاف الجوي بشكل أساسي من خلال التغيرات في درجة حرارة سطح الأرض وتتبع هذه التغييرات.
يتلقى سطح الأرض ، أي سطح التربة أو الماء (وكذلك الغطاء النباتي والثلج والغطاء الجليدي) الحرارة باستمرار ويفقدها بطرق مختلفة. من خلال سطح الأرض ، تنتقل الحرارة إلى الأعلى - إلى الغلاف الجوي وإلى أسفل - إلى التربة أو الماء.
أولاً ، يدخل كل من الإشعاع الكلي والإشعاع المضاد للغلاف الجوي إلى سطح الأرض. يتم امتصاصها بدرجة أكبر أو أقل من السطح ، أي أنها تذهب لتسخين الطبقات العليا من التربة والماء. في الوقت نفسه ، يشع سطح الأرض نفسه ويفقد الحرارة في هذه العملية.
ثانيًا ، تأتي الحرارة إلى سطح الأرض من الأعلى ، من الغلاف الجوي ، عن طريق التوصيل. بنفس الطريقة ، تتسرب الحرارة من سطح الأرض إلى الغلاف الجوي. عن طريق التوصيل ، تترك الحرارة أيضًا سطح الأرض لأسفل في التربة والماء ، أو تأتي إلى سطح الأرض من أعماق التربة والمياه.
ثالثًا ، يتلقى سطح الأرض الحرارة عندما يتكثف بخار الماء عليه من الهواء أو ، على العكس من ذلك ، يفقد الحرارة عندما يتبخر الماء منه. في الحالة الأولى ، يتم إطلاق الحرارة الكامنة ، وفي الحالة الثانية ، تنتقل الحرارة إلى الحالة الكامنة.
في أي فترة زمنية ، ترتفع كمية الحرارة التي ترتفع وتنخفض من سطح الأرض كما تتلقاها من أعلى وأسفل خلال هذا الوقت. إذا كان الأمر كذلك ، فلن يتم الوفاء بقانون حفظ الطاقة: سيكون من الضروري افتراض أن الطاقة تنشأ أو تختفي على سطح الأرض. ومع ذلك ، فمن الممكن ، على سبيل المثال ، أن ترتفع درجة الحرارة أكثر مما جاء من الأعلى ؛ في هذه الحالة ، يجب تغطية انتقال الحرارة الزائدة بوصول الحرارة إلى السطح من أعماق التربة أو الماء.
لذلك ، يجب أن يكون المجموع الجبري لجميع التدفقات الحرارية الداخلة والخارجة على سطح الأرض مساويًا للصفر. يتم التعبير عن ذلك من خلال معادلة التوازن الحراري لسطح الأرض.
لكتابة هذه المعادلة ، أولاً ، نقوم بدمج الإشعاع الممتص والإشعاع الفعال في توازن إشعاع.
سيتم الإشارة إلى وصول الحرارة من الهواء أو إطلاقها في الهواء عن طريق التوصيل الحراري بواسطة P. سيُشار إلى نفس الدخل أو الاستهلاك عن طريق التبادل الحراري مع طبقات أعمق من التربة أو الماء أ. فقدان الحرارة أثناء التبخر أو سيتم الإشارة إلى الوصول أثناء التكثيف على سطح الأرض بواسطة LE ، حيث L هي الحرارة المحددة للتبخر و E هي كتلة الماء المتبخر أو المكثف.
يمكن القول أيضًا أن معنى المعادلة هو أن التوازن الإشعاعي على سطح الأرض يتم موازنته بنقل الحرارة غير الإشعاعي (الشكل 5.1).
المعادلة (1) صالحة لأي فترة زمنية ، بما في ذلك سنوات عديدة.
حقيقة أن التوازن الحراري لسطح الأرض يساوي صفرًا لا يعني أن درجة حرارة سطح الأرض لا تتغير. عندما يتم توجيه انتقال الحرارة إلى أسفل ، فإن الحرارة التي تأتي إلى السطح من الأعلى وتتركه بعمق تبقى إلى حد كبير في الطبقة العليا من التربة أو الماء (في ما يسمى بالطبقة النشطة). تزداد أيضًا درجة حرارة هذه الطبقة ، وبالتالي درجة حرارة سطح الأرض. على العكس من ذلك ، أثناء انتقال الحرارة عبر سطح الأرض من الأسفل إلى الأعلى ، إلى الغلاف الجوي ، تتسرب الحرارة بشكل أساسي من الطبقة النشطة ، ونتيجة لذلك تنخفض درجة حرارة السطح.
من يوم لآخر ومن سنة إلى أخرى ، يختلف متوسط درجة حرارة الطبقة النشطة وسطح الأرض في أي مكان قليلاً. هذا يعني أنه خلال النهار ، تدخل الحرارة تقريبًا إلى أعماق التربة أو الماء أثناء النهار كما تتركها في الليل. لكن مع ذلك ، خلال أيام الصيف ، تنخفض الحرارة أكثر قليلاً مما تأتي من الأسفل. لذلك ، فإن طبقات التربة والمياه ، وبالتالي سطحها ، يتم تسخينها يومًا بعد يوم. في الشتاء تحدث العملية العكسية. هذه التغيرات الموسمية في مدخلات الحرارة - يتوازن استهلاك الحرارة في التربة والمياه تقريبًا على مدار العام ، ويختلف متوسط درجة الحرارة السنوية لسطح الأرض والطبقة النشطة قليلاً من عام إلى آخر.
توازن حرارة الأرض- نسبة دخل واستهلاك الطاقة (المشعة والحرارية) على سطح الأرض وفي الغلاف الجوي وفي نظام الغلاف الجوي الأرضي. المصدر الرئيسي للطاقة للغالبية العظمى من العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية في الغلاف الجوي والغلاف المائي والطبقات العليا من الغلاف الصخري هو الإشعاع الشمسي ، لذا فإن توزيع ونسبة مكونات توازن الحرارة يميزان تحولاته في هذه الأصداف.
التوازن الحراري هو صيغة خاصة لقانون الحفاظ على الطاقة ويتم تجميعها لجزء من سطح الأرض (التوازن الحراري لسطح الأرض) ؛ لعمود رأسي يمر عبر الغلاف الجوي (توازن حرارة الغلاف الجوي) ؛ لنفس العمود الذي يمر عبر الغلاف الجوي والطبقات العليا للغلاف الصخري أو الغلاف المائي (التوازن الحراري لنظام الغلاف الجوي الأرضي).
معادلة التوازن الحراري لسطح الأرض:
R + P + F0 + LE = 0. (15)
يمثل المجموع الجبري لتدفق الطاقة بين عنصر من سطح الأرض والفضاء المحيط. في هذه الصيغة:
R - توازن الإشعاع ، وهو الفرق بين الإشعاع الشمسي الممتص قصير الموجة والإشعاع الفعال طويل الموجة من سطح الأرض.
P هو التدفق الحراري الذي يحدث بين السطح السفلي والغلاف الجوي ؛
F0 - يلاحظ تدفق الحرارة بين سطح الأرض والطبقات العميقة من الغلاف الصخري أو الغلاف المائي ؛
LE - استهلاك الحرارة للتبخر ، والذي يتم تعريفه على أنه ناتج كتلة الماء المتبخر E وحرارة التبخر L ميزان الحرارة
تتضمن هذه التدفقات توازن الإشعاع (أو الإشعاع المتبقي) R - الفرق بين الإشعاع الشمسي قصير الموجة الممتص والإشعاع الفعال طويل الموجة من سطح الأرض. يتم تعويض القيمة الموجبة أو السلبية لتوازن الإشعاع بعدة تدفقات حرارية. نظرًا لأن درجة حرارة سطح الأرض لا تتساوى عادةً مع درجة حرارة الهواء ، ينشأ تدفق الحرارة P بين السطح السفلي والغلاف الجوي. لوحظ تدفق حراري مماثل F0 بين سطح الأرض والطبقات الأعمق من الغلاف الصخري أو الغلاف المائي. في هذه الحالة ، يتم تحديد تدفق الحرارة في التربة عن طريق التوصيل الحراري الجزيئي ، بينما في المسطحات المائية ، يكون لانتقال الحرارة ، كقاعدة عامة ، طابعًا مضطربًا بدرجة أكبر أو أقل. التدفق الحراري F0 بين سطح الخزان وطبقاته العميقة يساوي عدديًا التغير في المحتوى الحراري للخزان خلال فترة زمنية معينة وانتقال الحرارة بواسطة التيارات في الخزان. في التوازن الحراري لسطح الأرض ، عادةً ما يكون استهلاك الحرارة للتبخر LE ذو أهمية كبيرة ، والذي يتم تعريفه على أنه ناتج كتلة الماء المتبخر E وحرارة التبخر L. تعتمد قيمة LE على ترطيب سطح الأرض ودرجة حرارتها ورطوبة الهواء وشدة انتقال الحرارة المضطرب في طبقة الهواء السطحية والتي تحدد معدل انتقال بخار الماء من سطح الأرض إلى الغلاف الجوي.
معادلة توازن حرارة الغلاف الجوي لها الشكل:
Ra + Lr + P + Fa = ΔW ، (16)
حيث ΔW هو التغير في المحتوى الحراري داخل الجدار العمودي لعمود الغلاف الجوي.
يتكون التوازن الحراري للغلاف الجوي من توازن الإشعاع الخاص به Ra ؛ المدخلات الحرارية أو المخرجات Lr أثناء تحولات الطور للماء في الغلاف الجوي (r هو مجموع هطول الأمطار) ؛ وصول أو استهلاك الحرارة P ، بسبب التبادل الحراري المضطرب للغلاف الجوي مع سطح الأرض ؛ اكتساب الحرارة أو فقدانها Fa الناجم عن التبادل الحراري من خلال الجدران الرأسية للعمود ، والذي يرتبط بحركات الغلاف الجوي المنظمة والاضطراب الكبير. بالإضافة إلى ذلك ، تتضمن معادلة التوازن الحراري للغلاف الجوي المصطلح ΔW ، والذي يساوي التغير في المحتوى الحراري داخل العمود.
تتوافق معادلة توازن الحرارة لنظام الأرض والغلاف الجوي مع المجموع الجبري لشروط معادلات التوازن الحراري لسطح الأرض والغلاف الجوي. يتم تحديد مكونات التوازن الحراري لسطح الأرض والغلاف الجوي لمناطق مختلفة من العالم من خلال ملاحظات الأرصاد الجوية (في محطات قياس الأكتينومتري ، في محطات خاصة لتوازن الحرارة ، على سواتل الأرصاد الجوية للأرض) أو عن طريق الحسابات المناخية.
يتم إعطاء متوسط القيم العرضية لمكونات التوازن الحراري لسطح الأرض للمحيطات والأرض والأرض والتوازن الحراري للغلاف الجوي في جداول ، حيث يتم مراعاة قيم شروط توازن الحرارة إيجابية إذا كانت تتوافق مع وصول الحرارة. نظرًا لأن هذه الجداول تشير إلى متوسط الظروف السنوية ، فإنها لا تتضمن المصطلحات التي تميز التغيرات في المحتوى الحراري للغلاف الجوي والطبقات العليا من الغلاف الصخري ، نظرًا لأنها قريبة من الصفر في هذه الظروف.
بالنسبة للأرض ككوكب ، مع الغلاف الجوي ، يظهر مخطط توازن الحرارة في الشكل. تدفق إشعاع شمسي يساوي متوسط حوالي 250 كيلو كالوري / سم 2 في السنة لكل وحدة سطح من الحدود الخارجية للغلاف الجوي ، والتي ينعكس حوالي 1/3 منها في الفضاء العالمي ، و 167 كيلو كالوري / سم 2 في السنة تمتصه الأرض
التبادل الحراريعملية تلقائية لا رجوع فيها لنقل الحرارة في الفضاء ، بسبب مجال درجة حرارة غير منتظم. في الحالة العامة ، يمكن أن يحدث انتقال الحرارة أيضًا بسبب عدم تجانس مجالات الكميات الفيزيائية الأخرى ، على سبيل المثال ، الاختلاف في التركيزات (التأثير الحراري للانتشار). هناك ثلاثة أنواع من نقل الحرارة: التوصيل الحراري ، والحمل الحراري ، ونقل الحرارة بالإشعاع (عمليًا ، يتم نقل الحرارة عادةً بواسطة جميع الأنواع الثلاثة في وقت واحد). يحدد انتقال الحرارة أو يصاحب العديد من العمليات في الطبيعة (على سبيل المثال ، تطور النجوم والكواكب ، وعمليات الأرصاد الجوية على سطح الأرض ، وما إلى ذلك). في التكنولوجيا والحياة اليومية. في كثير من الحالات ، على سبيل المثال ، عند دراسة عمليات التجفيف والتبريد بالتبخير والانتشار ونقل الحرارة يعتبر مع نقل الكتلة. يسمى نقل الحرارة بين مبردين من خلال جدار صلب يفصل بينهما أو من خلال الواجهة بينهما بنقل الحرارة.
توصيل حراريأحد أنواع نقل الحرارة (طاقة الحركة الحرارية للجسيمات الدقيقة) من الأجزاء الأكثر سخونة في الجسم إلى الأجزاء الأقل تسخينًا ، مما يؤدي إلى معادلة درجة الحرارة. مع التوصيل الحراري ، يتم نقل الطاقة في الجسم نتيجة النقل المباشر للطاقة من الجسيمات (الجزيئات ، الذرات ، الإلكترونات) التي لديها طاقة أكبر إلى الجسيمات ذات الطاقة الأقل. إذا كان التغيير النسبي في درجة حرارة التوصيل الحراري على مسافة متوسط المسار الحر للجسيمات l صغيرًا ، فإن القانون الأساسي للتوصيل الحراري (قانون فورييه) مستوفى: كثافة التدفق الحراري q تتناسب مع تدرج درجة الحرارة T أي (17)
حيث λ هي الموصلية الحرارية ، أو الموصلية الحرارية ببساطة ، لا تعتمد على grad T [تعتمد على الحالة الكلية للمادة (انظر الجدول) ، وهيكلها الذري والجزيئي ، ودرجة الحرارة والضغط ، والتركيب (في حالة خليط أو محلول).
تشير علامة الطرح الموجودة على الجانب الأيمن من المعادلة إلى أن اتجاه تدفق الحرارة وتدرج درجة الحرارة متعاكسان بشكل متبادل.
تسمى نسبة قيمة Q إلى منطقة المقطع العرضي F التدفق الحراري المحدد أو الحمل الحراري ويُشار إليها بالحرف q.
(18)
يتم اختيار قيم معامل التوصيل الحراري λ لبعض الغازات والسوائل والمواد الصلبة عند ضغط جوي 760 مم زئبق من الجداول.
انتقال الحرارة.نقل الحرارة بين مبردين من خلال جدار صلب يفصل بينهما أو من خلال الواجهة بينهما. يشمل نقل الحرارة نقل الحرارة من سائل أكثر سخونة إلى الجدار ، والتوصيل الحراري في الجدار ، ونقل الحرارة من الجدار إلى وسط متحرك أكثر برودة. تتميز شدة انتقال الحرارة أثناء نقل الحرارة بمعامل انتقال الحرارة k ، يساوي عدديًا كمية الحرارة التي يتم نقلها عبر وحدة من سطح الجدار لكل وحدة زمنية عند اختلاف درجة الحرارة بين السوائل بمقدار 1 كلفن ؛ البعد k - W / (m2․K) [kcal / m2 ․ ° С)]. تسمى القيمة R ، وهي المعاملة بالمثل لمعامل انتقال الحرارة ، إجمالي المقاومة الحرارية لانتقال الحرارة. على سبيل المثال ، R لجدار من طبقة واحدة
,
حيث α1 و α2 هما معاملات انتقال الحرارة من السائل الساخن إلى سطح الجدار ومن سطح الجدار إلى السائل البارد ؛ δ - سمك الجدار λ هو معامل التوصيل الحراري. في معظم الحالات التي تتم مواجهتها في الممارسة العملية ، يتم تحديد معامل انتقال الحرارة تجريبيًا. في هذه الحالة ، تتم معالجة النتائج التي تم الحصول عليها من خلال طرق نظرية التشابه
إشعاع انتقال الحرارة -يتم إجراء نقل الحرارة الإشعاعي نتيجة لعمليات تحويل الطاقة الداخلية للمادة إلى طاقة إشعاعية ، ونقل الطاقة الإشعاعية وامتصاصها بواسطة المادة. يتم تحديد مسار عمليات انتقال الحرارة بالإشعاع من خلال الترتيب المتبادل في الفضاء بين الأجسام التي تتبادل الحرارة ، وخصائص الوسط الذي يفصل بين هذه الأجسام. يتمثل الاختلاف الأساسي بين انتقال الحرارة بالإشعاع والأنواع الأخرى من نقل الحرارة (التوصيل الحراري ، ونقل الحرارة بالحمل الحراري) في أنه يمكن أن يحدث أيضًا في حالة عدم وجود وسط مادة يفصل أسطح نقل الحرارة ، حيث يتم تنفيذه نتيجة انتشار الإشعاع الكهرومغناطيسي.
حادثة الطاقة المشعة في عملية نقل الحرارة المشعة إلى سطح جسم معتم وتتميز بقيمة تدفق الإشعاع الساقط ، يمتص الجسم جزئيًا وينعكس جزئيًا من سطحه (انظر الشكل).
يتم تحديد تدفق الإشعاع الممتص من خلال العلاقة:
Qabs \ u003d A Qpad ، (20)
حيث A هي القدرة الاستيعابية للجسم. يرجع ذلك إلى حقيقة أنه لجسم معتم
Qfall \ u003d Qab + Qotr ، (21)
حيث Qotr هو تدفق الإشعاع المنعكس من سطح الجسم ، وهذه القيمة الأخيرة تساوي:
قطر = (1 - أ) Qpad ، (22)
حيث 1 - A \ u003d R هي انعكاس الجسم. إذا كانت قدرة الجسم على الامتصاص تساوي 1 ، وبالتالي انعكاسه تساوي 0 ، أي أن الجسم يمتص كل الطاقة الواقعة عليه ، فيسمى الجسم الأسود المطلق ، وأي جسم تختلف درجة حرارته عن الصفر المطلق يبعث طاقة. بسبب تدفئة الجسم. يسمى هذا الإشعاع إشعاع الجسم نفسه ويتميز بتدفق إشعاعه الخاص Qe. يُطلق على الإشعاع الذاتي ، المرتبط بوحدة من سطح الجسم ، كثافة تدفق إشعاعها ، أو انبعاثية الجسم. هذا الأخير ، وفقًا لقانون الإشعاع Stefan-Boltzmann ، يتناسب مع درجة حرارة الجسم إلى القوة الرابعة. تسمى نسبة انبعاثية الجسم إلى انبعاثية جسم أسود تمامًا عند نفس درجة الحرارة بدرجة السواد. بالنسبة لجميع الأجسام ، تكون درجة السواد أقل من 1. إذا كانت بالنسبة لبعض الجسم لا تعتمد على الطول الموجي للإشعاع ، فإن هذا الجسم يسمى الرمادي. إن طبيعة توزيع الطاقة الإشعاعية لجسم رمادي على أطوال موجية هي نفس طبيعة الجسم الأسود تمامًا ، أي أنه موصوف في قانون بلانك للإشعاع. درجة سواد الجسم الرمادي تساوي قدرته على الامتصاص.
سطح أي جسم يدخل النظام ينبعث تدفقات من الإشعاع المنعكس Qotr والإشعاع الخاص به Qcob ؛ يُطلق على إجمالي كمية الطاقة التي تغادر سطح الجسم اسم التدفق الإشعاعي الفعال Qeff ويتم تحديده من خلال العلاقة:
Qeff = Qotr + Qcob. (23)
يعود جزء من الطاقة التي يمتصها الجسم إلى النظام في شكل إشعاعه الخاص ، لذلك يمكن تمثيل نتيجة انتقال الحرارة المشعة على أنها الفرق بين تدفقات الإشعاع الخاص به والممتص. قيمة
Qpez \ u003d Qcob - Qabs (24)
يسمى تدفق الإشعاع الناتج ويوضح مقدار الطاقة التي يتلقاها الجسم أو يفقدها لكل وحدة زمنية نتيجة لانتقال الحرارة المشعة. يمكن أيضًا التعبير عن تدفق الإشعاع الناتج كـ
Qpez \ u003d Qeff - Qpad ، (25)
أي كالفرق بين إجمالي الاستهلاك وإجمالي وصول الطاقة المشعة على سطح الجسم. ومن ثم ، نظرا لذلك
Qpad = (Qcob - Qpez) / أ ، (26)
نحصل على تعبير يستخدم على نطاق واسع في حسابات انتقال الحرارة بالإشعاع:
تتمثل مهمة حساب انتقال الحرارة الإشعاعية ، كقاعدة عامة ، في إيجاد تدفقات الإشعاع الناتجة على جميع الأسطح المدرجة في نظام معين ، إذا كانت درجات الحرارة والخصائص البصرية لجميع هذه الأسطح معروفة. لحل هذه المشكلة ، بالإضافة إلى العلاقة الأخيرة ، من الضروري معرفة العلاقة بين التدفق Qinc على سطح معين وتدفق Qeff على جميع الأسطح المدرجة في نظام التبادل الحراري المشع. للعثور على هذه العلاقة ، يتم استخدام مفهوم متوسط المعامل الزاوي للإشعاع ، والذي يوضح جزء من إشعاع نصف الكرة (أي المنبعث في جميع الاتجاهات داخل نصف الكرة) لسطح معين مدرج في نظام التبادل الحراري المشع الذي يقع على هذا السطح. وبالتالي ، يتم تعريف التدفق Qfall على أي أسطح مدرجة في نظام التبادل الحراري الإشعاعي على أنه مجموع منتجات Qeff لجميع الأسطح (بما في ذلك السطح المعطى ، إذا كان مقعرًا) والمعاملات الزاويّة المقابلة للإشعاع.
يلعب نقل الحرارة بالإشعاع دورًا مهمًا في عمليات نقل الحرارة التي تحدث عند درجات حرارة تبلغ حوالي 1000 درجة مئوية وما فوق. يستخدم على نطاق واسع في مختلف مجالات التكنولوجيا: في علم المعادن ، وهندسة الطاقة الحرارية ، وهندسة الطاقة النووية ، وتكنولوجيا الصواريخ ، والتكنولوجيا الكيميائية ، وتكنولوجيا التجفيف ، وتكنولوجيا الطاقة الشمسية.
