ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ И АТМОСФЕРЫ
Тепловая энергия поступает в нижние слои атмосферы главным образом от подстилающей поверхности. Тепловой режим этих слоев
тесно связан с тепловым режимом земной поверхности, поэтому его изучение является также одной из важных задач метеорологии.
Основными физическими процессами, при которых почва получает или отдает тепло, являются: 1) лучистый теплообмен; 2) турбулентный теплообмен между подстилающей поверхностью и атмосферой; 3) молекулярный теплообмен между поверхностью почвы и нижним неподвижным прилегающим слоем воздуха; 4) теплообмен между слоями почвы; 5) фазовый теплообмен: затраты тепла на испарение воды, таяние льда и снега на поверхности и в глубине почвы или его выделение при обратных процессах.
Тепловой режим поверхности земли и водоемов определяется их теплофизическими характеристиками. Особое внимание при подготовке следует обратить на вывод и анализ уравнения теплопроводности почвы (уравнение Фурье). Если почва однородна по вертикали, то ее температура t на глубине z в момент времени т может быть определена из уравнения Фурье
: (1)
где а - температуропроводность почвы.
Следствием этого уравнения являются основные законы распространения температурных колебаний в почве:
1. Закон неизменности периода колебаний с глубиной:
T(z) = const (2)
2. Закон уменьшения амплитуды колебаний с глубиной:
(3)
где и - амплитуды на глубинах а - температуропроводность слоя почвы, лежащего между глубинами ;
3. Закон сдвига фазы колебаний с глубиной (закон запаздывания):
(4)
где запаздывание, т.е. разность между моментами наступления одинаковой фазы колебаний (например, максимума) на глубинах и Колебания температуры проникают в почву до глубины znp, определяемой соотношением:
(5)
Кроме того, необходимо обратить внимание на ряд следствий из закона уменьшения амплитуды колебаний с глубиной:
а) глубины, на которых в разных почвах ( ) амплитуды температурных колебаний с одинаковым периодом ( = Т2) уменьшаются в одинаковое число раз относятся между собой как корни квадратные из температуропроводности этих почв
(6)
б) глубины, на которых в одной и той же почве (а = const) амплитуды температурных колебаний с разными периодами ( ) уменьшаются в одинаковое число раз =const, относятся между собой как корни квадратные из периодов колебаний
(7)
Необходимо четко усвоить физический смысл и особенности формирования теплового потока в почву.
Поверхностная плотность теплового потока в почве определяется по формуле:
(8)
где λ - коэффициент теплопроводности почвы вертикальный градиент температуры.
Мгновенные значение Р выражаются в кВт/м с точностью до сотых, суммы Р - в МДж/м2 (часовые и суточные - с точностью до сотых, месячные - до единиц, годовые - до десятков).
Средняя поверхностная плотность теплового потока через поверхность почвы за интервал времени т описывается формулой
где С - объемная теплоемкость почвы ; интервал; z„p - глубина проникновения температурных колебаний; ∆tcp - разность средних температур слоя почвы до глубины znp в конце и в начале интервала т. Приведем основные примеры задач по теме «Тепловой режим почвы».
Задача 1. На какой глубине уменьшается в е раз амплитуда суточных колебаний в почве, имеющей коэффициент температуропроводности а = 18,84 см2/ч?
Решение. Из уравнения (3) следует, что амплитуда суточных колебаний уменьшится в е раз на глубине, соответствующей условию
Задача 2. Найти глубину проникновения суточных колебаний температуры в гранит и в сухой песок, если экстремальные температуры поверхности соседних участков с гранитной почвой 34,8 °С и 14,5 °С, а с сухой песчаной почвой 42,3 °С и 7,8 °С. Температуропроводность гранита а г= 72,0 см2/ч, сухого песка а п= 23,0 см2/ч.
Решение. Амплитуда температуры на поверхности гранита и песка равна:
. Глубина проникновения рассматривается по формуле (5):
В связи с большей температуропроводностью гранита мы получили и большую глубину проникновения суточных колебаний температуры.
Задача 3. Предположив, что температура верхнего слоя почвы изменяется с глубиной линейно, следует вычислить поверхностную плотность теплового потока в сухом песке, если температура его поверхности составляет 23,6 "С, а температура на глубине 5 см равна 19,4 °С.
Решение. Температурный градиент почвы в этом случае равен:
Теплопроводность сухого песка λ= 1,0 Вт/м*К. Поток тепла в почву определяем по формуле:
Р = -λ - = 1,0 • 84,0 • 10" 3 = 0,08 кВт/м2
Тепловой режим приземного слоя атмосферы определяется главным образом турбулентным перемешиванием, интенсивность которого зависит от динамических факторов (шероховатости земной поверхности и градиентов скоростей ветра на различных уровнях, масштаба движения) и термических факторов (неоднородности нагревания различных участков поверхности и вертикального распределения температуры).
Для характеристики интенсивности турбулентного перемешивания используется коэффициент турбулентного обмена А и коэффициент турбулентности К. Они связаны соотношением
К = А/р (10)
где р - плотность воздуха.
Коэффициент турбулентности К измеряется в м2/с, с точностью до сотых долей. Обычно в приземном слое атмосферы используют коэффициент турбулентности К] на высоте г' = 1 м. В пределах приземного слоя:
(11)
где z - высота (м).
Необходимо знать основные методы определения К\.
Задача 1. Вычислить поверхностную плотность вертикального теплового потока в приземном слое атмосферы через площадку, на уровне которой плотность воздуха равна нормальной, коэффициент турбулентности равен 0,40 м2/с, а вертикальный градиент температуры 30,0 °С/100м.
Решение. Вычисляем поверхностную плотность вертикального теплового потока по формулe
L=1.3*1005*0.40*
Изучите факторы, влияющие на тепловой режим приземного слоя атмосферы, а также периодические и непериодические изменения температуры свободной атмосферы. Уравнения теплового баланса земной поверхности и атмосферы описывают закон сохранения энергии, полученной деятельным слоем Земли. Рассмотрите суточный и годовой ход теплового баланса и причины его изменений.
Дата добавления: 2017-09-19; просмотров: 189;