Процеси нагрівання та охолодження повітря

Розпреділення температури в атмосфері в основному визначається теплообміном з земною поверхнею та поглинанням сонячної радіації. Нижні шари атмосфери поглинають сонячну радіацію набагато слабше, ніж верхні. Основне джерело нагрівання тропосфери, особливо її нижніх шарів, є тепло підстилаючої поверхні. Вдень, коли радіаційний баланс позитивний, підстилаюча поверхня нагрівається, стає тепліша за повітря, і тепло від неї передається атмосфері. Вночі підстилаюча поверхня внаслідок ефективного випромінювання стає холодніша повітря і охолоджує прилеглий шар атмосфери.

Перенос тепла між діючою поверхнею та атмосферою та перенос його в атмосфері обумовлюють слідуючі процеси.

Теплова конвекція – перенос повітря по вертикалі, виникає при нерівномірному прогріванні різних ділянок поверхні. Над найбільш прогрітими ділянками повітря стає тепліше, тому воно легше прилеглого піднімається, а простір яків воно звільнює займає холодне повітря прилеглих територій. Воно в свою чергу також прогрівається та піднімається. Так утворюється східний потік повітря, який переносить тепло від підстилаючої поверхні в верхні шари атмосфери.

Над сушею теплова конвекція виникає вдень, а над морем – в холодну пору року та вночі, коли водна поверхня тепліше прилеглих шарів атмосфери.

Турбулентність– хаотичний рух невеликих мас повітря в загальному потоці вітру. Вона виникає як наслідок безперервного руху повітря, окремі маси якого мають різну швидкість. Із збільшенням швидкості мас повітря турбулентність збільшується, викликаючи поривчастість вітру. Наслідком турбулентного характеру руху є вертикальне та горизонтальне перемішування повітря в потоці вітру та інтенсивний перенос тепла. Турбулентний теплообмін між земною поверхнею та атмосферою в тисячі разів інтенсивніше молекулярного.

Молекулярний теплообмін – обмін теплом між підстилаючою поверхнею та прилеглим шаром атмосфери за рахунок молекулярної теплопровідності. Майже нерухомим повітря буває в дуже щільному рослинному покриві. Але коефіцієнт молекулярної теплопровідності дуже малий (5 ∙ 10^-5 кал/см ∙ с ∙ ⁰С), тому значення цього теплообміну дуже мале порівняно з двома попередніми процесами.

Радіаційна теплопровідність- перенос тепла довгохвильовою радіацією підстилаючої поверхні та атмосфери. Дія цих потоків в нижніх шарах атмосфери проявляється переважно вночі, коли сонячна радіація не поступає, турбулентність послаблена, а теплова конвекція відсутня.

Конденсація (сублімація) водяного пара, який поступає із земної поверхні в атмосферу. При конденсації 1 г пара виділяється біля 600 кал тепла. Це тепло має велике значення для нагрівання приземного шару тропосфери, в якому утворюються хмари.

Температура повітря в даній місцевості може змінюватись в результаті адвекції – руху повітряних мас в горизонтальному напрямку. Якщо проходить вторгнення теплої повітряної маси, то відбувається адвекція тепла, якщо вторгуються холодніші повітряні маси – адвекція холоду. Адвекція холоду навесні та восени дуже небезпечна для сільського господарства.

Основні процеси, відповідальні за нагрівання атмосфери, є конвекція, адвекція і динамічна і термічна турбулентність.

Формування теплових потоків або турбулентний теплообмін розглядається в рівнянні теплового балансу слідуючим чином:

Потоки тепла, які поступають на підстилаючу поверхню, витрачаються в першу чергу на випаровування вологи. Затрати тепла на випаровування вологи на Землі дуже великі – 1,31 ∙ 10⁹ МДж.

Елементи теплового балансу в кліматичних зонах України свідчать про потоки тепла в атмосферу і грунт (табл 22.).

Таблиця 22.

Елементи теплового балансу в кліматичних зонах України

З півночі на південь наростає сухість грунту, тому затрати тепла на випаровування вологи з грунту в степу зменшуються, а потоки тепла в грунт збільшуються. Це приводить до того, що сильніше прогрівається нижчий шар атмосфери. В південному степу збільшуються потоки тепла на турбулентний обмін на 12 % порівняно з Поліссям. Крім цього процесу, нагрівання повітря проходить в результаті сковзання теплого повітря поздовж фронтальної горизонтальної поверхні, підтікання холодного повітря під тепле, яке витісняється в верхні шари атмосфери.

Охолодження повітря викликається різними механізмами. При підніманні теплого повітря його тиск зменшується, об’єм збільшується і температура падає. Це викликає опускання охолодженого повітря до підстилаючої поверхні, тут воно охолоджує приземний шар повітря, знову прогрівається, піднімається вгору, охолоджується і знову опускається до підстилаючої поверхні. Тепло витрачається на піднімання повітря.

Охолодження повітря проходить в нічні години, коли проходить остигання підстилаючої поверхні і охолоджується потім приземний шар повітря. При обтіканні теплим повітрям холодної підстилаючої поверхні повітря охолоджується. При цьому високі шари повітря будуть теплими. Такий процес спостерігається на морських узбережжях, коли з моря на берег поступає прохолодне повітря, яке охолоджує повітря над узбережжям. Сильно охолоджується повітря при обтіканні снігових, льодових поверхонь.

Інтенсивність охолодження приземного шару повітря залежить від характеру підстилаючої поверхні. Вода мало віддає тепла, велика частина сонячної енергії витрачається на нагрівання води. Пісчані грунти, віддають до 37 % тепла на нагрівання приземного шару повітря, піски – до 49 %.