Тепловой баланс Земли

Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию и нагреваясь, сама становится источником излучения тепла в атмосферу и через нее в мировое пространство. Чем выше температура поверхности, тем выше излучение. Собственное длинноволновое излучение Земли большей частью задерживается в тропосфере, которая при этом нагревается и излучает радиацию — противоизлучение атмосферы. Разность между излучением земной поверхности и противоизлучением атмосферы называется эффективным излучением. Оно показывает фактическую потерю тепла поверхностью Земли и составляет около 20%.

Рис. 7.2. Схема среднегодового радиационного и теплового баланса, (по К.Я.Кондратьеву, 1992)

Атмосфера в отличие от земной поверхности больше излучает, чем поглощает. Дефицит энергии компенсируется приходом тепла от земной поверхности вместе с водяным паром, а также за счет турбулентности (в процессе подъема нагретого у земной поверхности воздуха). Возникающие между низкими и высокими широтами температурные контрасты сглаживаются за счет адвекции — переноса тепла морскими и главным образом воздушными течениями от низких широт к высоким (рис. 7.2, правая часть). Для общегеографических выводов важны также ритмические колебания радиации из-за смены времен года, так как от этого зависит тепловой режим конкретной местности. Отражательные свойства земных покровов, теплоемкость и теплопроводность сред еще больше усложняют перенос тепловой энергии и распределение теплоэнергетических характеристик.

Уравнение теплового баланса.Количество тепла описывается уравнением теплового баланса, которое у каждого географического района свое. Его важнейшим компонентом является радиационный баланс земной поверхности. Солнечная радиация расходуется на нагревание почвы и воздуха (и воды), испарение, таяние снега и льда, фотосинтез, почвообразовательные процессы и выветривание горных пород. Поскольку для природы всегда характерно равновесие, равенство наблюдается между приходом энергии и ее расходом, что выражается уравнением теплового баланса земной поверхности:

где R — радиационный баланс; LE — тепло, затрачиваемое на испарение воды и таяние снега или льда (L — скрытое тепло испарения или парообразования; Е — скорость испарения или конденсации); А — горизонтальный перенос тепла воздушными и океаническими течениями или турбулентным потоком; Р — теплообмен земной поверхности с воздухом; В — теплообмен земной поверхности с почвой и горными породами; F — расход энергии на фотосинтез; С — расход энергии на почвообразование и выветривание; Q+q — суммарная радиация; а — альбедо; I — эффективное излучение атмосферы.

На долю энергии, расходуемой на фотосинтез и почвообразование, приходится менее 1% радиационного бюджета, поэтому в уравнении эти составляющие часто опускаются. Однако в реальности они могут иметь значение, поскольку эта энергия обладает способностью аккумулироваться и преобразовываться в другие виды (превратимая энергия). Маломощный, но продолжительный (сотни миллионов лет) процесс накопления превратимой энергии оказал существенное влияние на географическую оболочку. В ней скопилось около 11×10¹⁴ Дж/м² энергии в рассеянном органическом веществе в осадочных породах, а также в виде каменного угля, нефти, сланцев.

Уравнение теплового баланса можно вывести для любого географического района и отрезка времени, учитывая специфичность климатических условий и вклад компонентов (для суши, океана, районов с льдообразованием, незамерзающих и др.).

Перенос и распределение тепла.Перенос тепла от поверхности в атмосферу происходит тремя путями: тепловое излучение, нагревание или охлаждение воздуха при контакте с сушей, испарение воды. Водяные пары, поднимаясь в атмосферу, конденсируются и образуют облака или выпадают в виде осадков, а выделяемое при этом тепло поступает в атмосферу. Поглощенная атмосферой радиация и тепло конденсации водяных паров задерживают потерю тепла земной поверхностью. Над засушливыми районами это влияние уменьшается, и мы наблюдаем самые большие суточные и годовые амплитуды температуры. Наименьшие амплитуды температуры присущи океаническим районам. Являясь огромным резервуаром, океан хранит больше тепла, что ослабляет годовые колебания температуры вследствие высокой удельной теплоемкости воды. Таким образом, на Земле вода играет важную роль как аккумулятор тепла.

Структура теплового баланса зависит от географической широты и типа ландшафта, который, в свою очередь, сам зависит от нее. Она существенно изменяется не только при движении от экватора к полюсам, но и при переходе с суши на море. Суша и океан различаются как по величине поглощенной радиации, так и по характеру распределения тепла. В океане летом тепло распространяется на глубину до нескольких сотен метров. За теплый сезон в океане накапливается от 1,3×10⁹ до 2,5×10⁹ Дж/м². На суше тепло распространяется на глубину всего нескольких метров, и за теплый сезон здесь накапливается около 0,1×10⁹ Дж/м², что в 10—25 раз меньше, чем в океане. Благодаря большому запасу тепла, океан зимой охлаждается меньше, чем суша. Расчеты показывают, что разовое содержание тепла в океане в 21 раз превышает ее поступление к земной поверхности в целом. Даже в 4-метровом слое океанической воды тепла в 4 раза больше, чем во всей атмосфере.

До 80% энергии, поглощаемой океаном, расходуется на испарение воды. Это составляет 12×10²³ Дж/м² в год, что в 7 раз больше аналогичной статьи теплового баланса суши. 20% энергии расходуется на турбулентный теплообмен с атмосферой (что также больше, чем на суше). Вертикальный теплообмен океана с атмосферой стимулирует и горизонтальный перенос тепла, благодаря чему оно частично оказывается на суше. В теплообмене океана и атмосферы участвует 50-метровый слой воды.

Изменение радиационного и теплового баланса.Годовая сумма радиационного баланса почти всюду на Земле положительна, за исключением ледниковых районов Гренландии и Антарктиды. Его среднегодовые значения уменьшаются в направлении от экватора к полюсам, следуя закономерности распределения солнечной радиации по земному шару (рис. 7.3). Радиационный баланс над океаном больше, чем над сушей. Это связано с меньшим альбедо водной поверхности, повышенным влагосодержанием в экваториальных и тропических широтах. Сезонные изменения радиационного баланса происходят на всех широтах, но с разной степенью выраженности. В низких широтах сезонность определяется режимом осадков, так как термические условия здесь мало изменяются. В умеренных и высоких широтах сезонность определяется термическим режимом: радиационный баланс меняется от положительного летом до отрицательного зимой. Отрицательный баланс холодного периода года в умеренных и полярных широтах частично компенсируется за счет адвекции теплоты воздушными и морскими течениями из низких широт.

Для сохранения энергетического баланса Земли должен существовать перенос тепла в направлении полюсов. Несколько менее из этого тепла переносится океаническими течениями, остальное атмосферой. Различия в нагревании Земли обусловливают ее действия как географической тепловой машины, в которой происходит передача тепла от нагревателя к холодильнику. В природе этот процесс реализуется в двух формах: во-первых, термодинамические пространственные неоднородности формируют планетарные системы ветров и морских течений; во-вторых, данные планетарные системы сами участвуют в перераспределении тепла и влаги на земном шаре. Таким образом, от экватора в направлении к полюсам потоками воздуха или океаническими течениями переносится тепло, а к экватору переносятся холодные воздушные или водные массы. На рис. 7.4 показан перенос теплой поверхностной воды в Атлантическом океане к полюсу. Перенос тепла по направлению к полюсам достигает максимума около широты 40° и становится равным нулю у полюсов.

Приток солнечной радиации зависит не только от географической широты, но и от времени года (табл. 7.4). Примечательно, что в летний период в Арктику поступает тепла даже больше, чем на экватор, однако вследствие высокого альбедо арктических морей льды здесь не тают.

Распределение температуры.На горизонтальное распределение температуры влияют географическое положение, рельеф, свойства и вещественный состав подстилающей поверхности, системы океанических течений и характер атмосферной циркуляции в приземном и приводном слоях.

Рис. 7.3. Распределение среднегодового радиационного баланса на земной поверхности, МДж/(м²×год) (по С.П.Хромову и М.А.Петросянцу, 1994)

Рис. 7.4. Перенос тепла в северной части Атлантического океана, °С (по С. Нешиба, 1991). Заштрихованы районы, где поверхностные воды теплее, чем в среднем по океану. Цифры обозначают объемные переносы воды (млн м³/с), стрелки — направление течений, жирная линия — Гольфстрим

Таблица 7.4. Суммарная радиация, поступающая на земную поверхность (Н.И.Егоров, 1966)

Средняя температура земной поверхности составляет около 15°С. Самые высокие температуры (рис. 7.5) наблюдаются на термическом экваторе — линии, соединяющей точки с наиболее высокой среднегодовой температурой (выше 28°С), который примерно соответствует параллели 5° с.ш. на океанах и 10° с.ш. на суше. Смещение термического экватора в Северное полушарие обусловлено охлаждающим воздействием ледяного панциря Антарктиды, с высоким до 60% альбедо и отрицательным радиационным балансом. Кроме того, большая часть Южного полушария занята водой, прогреваемость которой ниже, чем у суши.

Вертикальное распределение температуры зависит от термических свойств вещества, слагающего геосферы, и высотного (глубинного) уровня стратификации. Вверх от земной поверхности, в тропосфере, температура воздуха (за исключением присущих этому слою инверсий) понижается в среднем на 0,6°С на каждые 100 м высоты. В литосфере температура повышается с глубиной в среднем на 1—3°С на каждые 100 м (хотя и здесь возможны отклонения от нормального градиента). Для океаносферы, средняя температура которой составляет 4°С, характерна двухслойная стратификация вод: верхний однородный слой, ограниченный снизу термоклином (слоем скачка температуры), в которым происходят сильные перепады температур, и основная масса вод Мирового океана, расположенная глубже, с характерной температурой от 1 до 2,5°С.

Рис. 7.5. Распределение среднегодовой температуры воздуха на земной поверхности, °С (С.Г.Любушкина, К.В.Пашканг, 2002)

Нарушение плотностной стратификации, особенно в таких подвижных геосферах, как атмосфера и гидросфера, обусловливает движение воздуха и воды в вертикальном и горизонтальном направлениях. Усиление или ослабление этого процесса приводят к перераспределению тепла (выравниванию, понижению или повышению температуры), появлению или размыванию слоистости воздушных и водных масс.

Рис. 7.6. Схема возникновения элементарной конвективной ячейки (по К. И. Геренчуку и др.). Объяснение в тексте

Земля как тепловая машина.Основа атмосферной циркуляции — неравномерное распределение теплоты в атмосфере. Давление в любой точке атмосферы равно весу вышележащего столба воздуха. При равномерном нагревании земной поверхности и атмосферы давление с высотой изменяется одинаково во всех точках, находящихся на одной высоте, что можно изобразить с помощью изобар, которые в таком случае будут горизонтальными (рис. 7.6, а). Поступление дополнительного тепла в точку В приведет к локальному расширению воздуха и наклону изобар вверх (рис. 7.6, б). Это не вызовет изменения давления у земной поверхности, однако в атмосфере возникнет разность давления по горизонтали, причем горизонтальный барический градиент будет направлен в сторону точки А. Перенос воздуха в этом направлении на высоте приведет к увеличению массы воздуха над точкой А и, следовательно, к повышению давления в точке А. В результате градиент давления возникнет и у земной поверхности, но его направление будет противоположным к точке В (рис. 7.6, в). Соответственно этому будет происходить перенос приземного воздуха. Над теплым участком местности у земной поверхности возникает минимум давления, а над холодным — максимум. На некоторой высоте положение минимума и максимума обратное. Поскольку в области минимума воздух движется вверх (восходящий поток), а в области максимума поток воздуха нисходящий, то образуется замкнутая вертикальная конвективная ячейка циркуляции — элементарная тепловая машина. Возникающее движение изменяет свое направление под влиянием силы Кориолиса. В районах преобладания высокого давления формируются нисходящие движения воздуха — антициклоны, а в районах преимущественно пониженного давления умеренных широт — циклоны.

Атмосфера — наиболее подвижная часть географической оболочки. В механическую энергию атмосферных движений переходит 1—2% удерживаемой земной поверхностью солнечной энергии. Этот переход осуществляется в процессе функционирования географических тепловых машин, учение о которых принадлежит В.В. Шулейкину.

Самой большой географической тепловой машиной является система «экватор—полюсы», которую следует называть тепловой машиной первого рода. С ней связаны особенно крупномасштабные движения в атмосфере. В такой машине разность температур постоянно поддерживается неравномерным поступлением солнечной радиации на сферическую поверхность Земли. Поток тепла более выражен в направлении зимнего полушария, вследствие чего происходит некоторое сглаживание температурных контрастов, как по широте, так и между зимним и летним полушариями.

Различия в нагревании материков и океанов приводят к возникновению тепловых машин второго рода. Данная модель меняет свой знак в зависимости от сезона года: зимой роль нагревателя исполняет океан, летом — суша. Ей соответствует зарождение муссонов.

Географическую тепловую машину третьего рода образуют горизонтальные круговороты воды — циклонические и антициклонические кольца океанической циркуляции. Одним из таких круговоротов является система течений в Северной Атлантике, включающая Канарское, Северное Пассатное, Гольфстрим и Северо-Атлантическое течения. Общий центр этой системы располагается в Саргассовом море. Нагревателями этой машины являются Канарское течение и часть Северного Пассатного течения до тех пор, пока температура воды, переносимая течениями, ниже, чем в окружающих водах Атлантического океана, поэтому тепло устремляется от окружающих вод к течению.

Географическая тепловая машина четвертого рода — это система, в которой происходит вертикальный перенос тепла от земной поверхности в атмосферу. Атмосфера в целом холоднее, чем земная поверхность: средняя температура тропосферы равна -18°С, а в приземном двух-, трехметровом слое воздуха — 14,2°С. Таким образом, разность температур составляет около 30°С (если рассматривать ее как разность среднегодовых значений, что не совсем верно). При вертикальной компенсации разности температур воздух «всплывает» вверх, унося с собой тепло.

Географической машиной пятого рода В.В.Шулейкин назвал систему тропического циклона (урагана или тайфуна). Условия его зарождения требуют, чтобы среди относительно прохладного (для тропических широт) океана встретился относительно теплый участок с более разогретой водной поверхностью (например, вблизи архипелага или атолла), над которым устанавливается восходящее движение теплого и влажного неустойчивого воздуха. Тропический циклон представляет собой замкнутый «энергетический насос», посредством которого энергия Мирового океана передается в атмосферу и пространственно перемещается. Каждое такое образование перекачивает до нескольких десятков кубических километров воды в форме водяного пара и соответствующее количество энергии фазового перехода, которая выделяется, когда водяной пар конденсируется, и тратится на механическую работу и нагревание атмосферного воздуха. Для саморазвития тропический циклон должен горизонтально смещаться. Покидая теплую подстилающую поверхность, он лишается достаточного количества внешней энергии и ослабевает.

Тепловую машину шестого рода образуют синоптические вихри, развивающиеся в океанах на границах течений и являющиеся физическим аналогом циклонов и антициклонов атмосферы. Такие вихри (ринги) были обнаружены еще в 30-х годах XX в. вдоль восточной границы Гольфстрима, но основательно их стали изучать с помощью современных космических и океанографических средств. По характеру вращения синоптические вихри бывают циклоническими и антициклоническими. Условием для образования вихря является неустойчивость циркуляции на периферии основного течения, способствующая его меандрированию. По мере усиления пограничного течения, меандр отпочковывается в вихрь, существующий самостоятельно в течение нескольких дней, недель и даже месяцев (в истории известны вихри, наблюдавшиеся до полутора лет). Средний диаметр океанских вихрей синоптического масштаба составляет 100 км, время жизни — до трех месяцев. Влияние вихря прослеживается до глубины 1500 м. Существуют предположения, что вихри охватывают всю толщу вод Мирового океана. Синоптические вихри воздействуют на теплообмен океана с атмосферой (считается, что именно в этом диапазоне частот энергия атмосферы передается в океан), тепловое поле океанического дна, а также на термическую, физическую, химическую и биологическую структуры вод.

Циркуляция атмосферы в первом приближении складывается из горизонтальных (зональных и меридиональных) и вертикальных движений. Зональные переносы (вдоль параллелей) преобладают. Они на порядок интенсивнее меридиональных и на два порядка — вертикальных движений. Хотя меридиональные движения слабее зональных, их значение велико, так как они осуществляют межширотный обмен воздуха и сглаживают межширотные контрасты. Поэтому реальная температура воздуха на экваторе оказывается на 13,6°С ниже солярной (рассчитанной по радиационному равновесию) температуры. Средняя температура в районе Северного полюса составляет -19,0°С, что выше солярной на 25,0°С. На Южном полюсе средняя температура равна -36,5°С, что выше солярной на 7,5°С. Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Воздух атмосферы и воды океанов также находятся в непрерывном движении. Для поддержания движений в географической оболочке необходима движущая сила, которая возбуждает географические процессы. Эта энергия приходит от Солнца. Лучистая энергия перехватывается атмосферой и поверхностью Земли. Значительная ее часть поглощается, другая рассеивается и отражается в межпланетное пространство. Неравенство в поступлении тепла обусловливает движения в атмосфере и океане — возникает перенос тепла от экватора к полюсам. Эти движения изменяются вследствие вращения Земли. Важную роль в перераспределении тепла играет взаимодействие между атмосферой и гидросферой. Определенный вклад в этот процесс вносят локальные факторы, которые существенно осложняют сложившиеся взаимодействия компонентов, вследствие чего в природе существует множество отклонений.