Особливості нагрівання і охолодження водойм

Водні басейни та суходіл нагріваються неоднаково. Суттєві відмінності їх теплового режиму визначаються такими причинами:

1. Суходіл і вода мають різні механізми теплопровідності. На суходолі тепло з поверхневого шару проникає вглиб повільно, головним чином шляхом молекулярної теплопровідності і лише частково разом з водою атмосферних опадів, яка фільтрується в грунт. У товщі води морів та океанів, особливо у верхньому 100-метровому шарі, завдяки постійному хвилюванню водної поверхні теплообмін відбувається значно ефективнішим способом, а саме шляхом турбулентної теплопровідності. Той об’єм води, який тільки що був на поверхні і засвоїв певну кількість тепла, в наступний момент виявився на значній глибині. Участь великих мас води у перемішуванні зумовлює те, що як нагрівання, так і охолодження тонкого поверхневого шару води відбувається в десятки разів повільніше, у порівнянні з поверхнею суходолу.

Крім того, вночі та в холодний період року, до турбулентного перемішування приєднується ще й термічна конвекція. Охолоджена на поверхні вода через збільшення її густини опускається вниз, а її місце займає відносно тепла вода, що підіймається з глибших шарів. Термічна конвекція припиняється, коли температура усіх шарів води знижується до 4⁰С, оскільки за такої температури густина прісної води найбільша.

2. Помітну роль у відмінах термічного режиму суходолу й води відіграє різна теплоємність. Теплоємність води у 3-4 рази більша за теплоємність грунту. Звідси слідує, що для підвищення температури грунту на 1⁰ С потрібно у 3-4 рази менше тепла, ніж для води. Тому в однакових умовах опромінення грунт тепліший. Навпаки, для охолодження на 1⁰ С вода повинна витратити тепла у 3-4 рази більше, ніж грунт.

3. Водна поверхня і грунт по різному засвоюють сонячну радіацію. На суходолі короткохвильова сонячна радіація засвоюється повністю поверхневим шаром товщиною кілька десятих долей міліметра, за винятком льоду і снігу. В океані сонячна радіація засвоюється поступово і проникає на значну глибину (табл. 4.2).

Таблиця 4.2. Проникнення сонячної радіації у воду при вертикальних променях (М.М.Калітін)

З таблиці видно, що навіть 10-метровий шар води засвоює не всю радіацію, 18 % енергії променя проникає глибше. Непрямі спостереження показують, що сонячна радіація проникає на значну глибину. Так, Ів Кусто свідчить, що на глибині кількох сотень метрів в океані можна читати газету. І сама газета і літери незвичного зеленого кольору.

З таблиці видно, що тонкий поверхневий шар води поглинає радіації зовсім мало. Це означає, що короткохвильова радіація в океанах, на відміну від суходолу, практично прямо не впливає на температуру підстильної поверхні. Температура водної поверхні залежить від безперервної дії надходження витрат довгохвильової радіації, а також від турбулентного обміну між підстильною поверхнею та атмосферою і з глибшими масами води.

Крім вказаних причин різного нагрівання суходолу й водних басейнів, слід нагадати, що водна поверхня засвоює більше тепла ніж суходіл, оскільки альбедо водної поверхні менше на 10-20 %, ніж альбедо суходолу влітку.

У результаті таких особливостей нагрівання добові коливання температури у воді поширюються на глибину десятків метрів, а в грунті – до одного метра. Річні коливання температури у воді поширюються на глибину кількох сотень метрів, а в грунті лише на 10-30 м.

Отже тепло, яке надходить вдень і влітку на поверхню води, поширюється до значної глибини і нагріває велику масу води. Температура верхнього шару і самої поверхні води при цьому підвищується мало. У грунті тепло накопичується у тонкому верхньому шарі, який дуже нагрівається. Вночі та зимою вода втрачає тепло з поверхні, але замість нього надходить тепло із нижніх шарів. Тому температура поверхні води знижується мало. Температура поверхні грунту значно знижується, оскільки тепло з тонкого поверхневого шару грунту витрачається швидко без достатньої компенсації знизу. Тому вдень і влітку температура поверхні грунту вища, ніж температура водної поверхні, а вночі та взимку нижча. Це означає, що добові та річні коливання температури поверхні грунту значно більші, ніж поверхні води.

Отже, відмінності в накопиченні та розповсюдженні тепла у грунті та водоймах призводять до того, що водойми у теплий період року накопичують у своїй товщі води багато тепла, яке поступово віддають в атмосферу в холодний період року. Грунт же протягом теплого періоду року віддає вночі більшу частину тепла, яке одержав вдень і мало накопичує його до зими. У результаті цих відмінностей температура повітря над морем влітку нижча, а взимку вища, ніж над суходолом.