Тепловой баланс земной поверхности

Нижние слои атмосферы нагреваются преимущественно путем радиационного и теплового конвективного обмена теплом с верхними слоями почвы и воды. На земную поверхность поступает суммарная радиация и встречное излучение атмосферы. Они в значительной степени поглощаются поверхностью и нагревают верхние слои почвы и вод. Поэтому и сама поверхность, нагреваясь, излучает, теряя тепло. На поверхность поступает также тепло атмосферы путем теплопроводности. Таким же образом часть тепла теряется поверхностью, попадая как в более глубинные слои, так и обратно в атмосферу. Наконец, поверхность получает тепло при конденсации на ней водяного пара из воздуха или теряет тепло при испарении с нее воды (тепло переходит в скрытое состояние). Существуют и другие тепловые процессы на поверхности, связанные, например, со снегом и льдом, осадками, но их мы касаться не будем.

За любой промежуток времени от поверхности уходит вверх и вниз всего столько же тепла, сколько она получила за это время сверху и снизу. Алгебраическая сумма всех приходов и расходов равна нулю. Это выражается уравнением теплового баланса земной поверхности:

R + P + A + LE = 0 (6.5)

Здесь P – приход из воздуха или расход тепла в воздух путем теплопроводности. А – приход или расход тепла путем теплообмена с более глубокими слоями почвы или воды. Потеря тепла при испарении или его приход при конденсации обозначают как LE, где L – удельная теплота испарения, E – масса испарившейся или сконденсировавшейся воды.

Как видно из уравнения теплового баланса, радиационный баланс уравновешивается нерадиационной передачей тепла. Это уравнение справедливо для любого длительного промежутка времени. Однако равенство нулю теплового баланса вовсе не значит, что температура поверхности не меняется. Если поток тепла направлен вниз, то тепло, приходящее сверху и уходящее вглубь, преимущественно нагревает только верхний, т.н. деятельный слов почвы или воды. Температура этого слоя возрастает. Если поток тепла направлен снизу через поверхность в атмосферу, то тепло теряется преимущественно из деятельного слоя, в силу чего его температура, как и температура поверхности, падает. Особенно отчетливо это прослеживается в океане, где деятельный слой хорошо выражен и достигает глубин порядка сотен метров.

От суток к суткам (как и от года к году) средняя температура деятельного слоя меняется мало. Это значит, что за сутки (год) вглубь почвы или воды попадает днем (летом) почти столько же тепла, сколько уходит ночью (зимой). Днем (летом) вглубь тепла уходит немного больше, чем приходит снизу, поэтому слои почвы (воды) постепенно нагреваются. Ночью (зимой) происходит обратный процесс. Эти сезонные изменения за год почти уравновешиваются, поэтому среднегодовая температура поверхности меняется мало.