Реферат Термічний режим атмосфери та поверхні землі

1. Температура повітря Розподіл температури повітря в атмосфері та його безперервні зміни називають тепловим режимом атмосфери. Він визначається перш за все теплообміном між атмосферним повітрям і навколишнім середовищем. Під навколишнім середовищем при цьому розуміють космічний простір, сусідні маси або шари повітря й особливо земну поверхню.

Теплообмін, як відомо, може здійснюватись: а) радіаційним шляхом, тобто при власному випромінюванні з повітря і при поглинанні повітрям радіації Сонця. земної поверхні та інших шарів атмосфери; б) шляхом теплопровідності - молекулярної між повітрям та земною поверхнею і турбулентної всередині самої атмосфери; в) передача тепла між земною поверхнею та повітрям може відбуватись в результаті випаровування з послідуючою конденсацією водяної пари.

Крім того, зміни температури повітря можуть відбуватись і незалежно від теплообміну, адіабатично. Такі зміни, як відомо, пов'язані зі змінами атмосферного тиску, особливо при русі атмосферного повітря по вертикалі.

Безпосереднє поглинання сонячної радіації в тропосфері дуже мале; воно здатне викликати підвищення температури повітря тільки приблизно на 0,5 °С за день. Трохи більше значення мають втрати тепла з повітря шляхом довгохвильового випромінювання. Але вирішальне значення для теплового режиму атмосфери має теплообмін і вологообмін з земною поверхнею.

Повітря, що безпосередньо стикається з земною поверхнею, обмінюється з нею теплом внаслідок молекулярної теплопровідності. Але всередині атмосфери діє інша, більш ефективна передача тепла - шляхом турбулентної теплопровідності. Перемішування повітря в процесі турбулентності сприяє дуже швидкій передачі тепла з одних шарів атмосфери в інші. Турбулентна теплопровідність збільшує і передачу тепла від земної поверхні в повітря або навпаки.

Для високих шарів атмосфери теплообмін з земною поверхнею має значно менше значення. Вирішальна роль в тепловому режимі переходить там до випромінювання з повітря і до поглинання радіації Сонця та атмосферних шарів, що лежать вище та нижче досліджуваного шару. В високих шарах атмосфери зростає і значення адіабатичних змін температури при висхідних і низхідних рухах повітря.

Зміни температури, що відбуваються в певному об'ємі повітря внаслідок вказаних вище процесів, можна назвати індивідуальними, Вони характеризують зміни теплового стану даного об'єму повітря. Такі зміни можуть бути зафіксовані, наприклад, повітряною кулею-пілотом з відповідними приладами, що рухається разом з повітряною масою.

Зміни температури, що фіксуються приладами (рис. 1) на нерухомій станції з певними географічними координатами і незмінною висотою над рівнем моря, і пов'язані з притоком нових повітряних мас з іншої точки земної кулі, називаються адвективними. Якщо в дану місцевість притікає повітря з більш високою температурою, кажуть про адвекцію тепла, а якщо з більш низькою, - про адвекцію холоду.

Загальні зміни температури в зафіксованій географічній точці, що залежать і від індивідуальних змін стану повітря, і від адвекції, називають локальними (місцевими) змінами.

Рис. 1. Метеорологічна будка

Термічний режим Харкова формується під впливом радіаційних чинників клімату, атмосферної циркуляції та підстилаючої поверхні. Значення кожного з цих чинників на протязі року неоднаково. Взимку істотний вплив на термічний режим визначається атмосферною циркуляцією і пов'язаною з нею адвекцією повітря. Влітку термічний режим визначається в основному радіаційними чинниками клімату, поряд з якими велике значення має і підстилаюча поверхня.

2. Тепловий баланс земної поверхні Нижні шари атмосфери нагріваються й охолоджуються більше всього шляхом радіаційного й нерадіаційного обміну теплом з верхніми шарами ґрунту й води. Тому зміни температури в нижніх шарах атмосфери перед усім визначаються змінами температури земної поверхні, слідуючи за цими змінами. Земна поверхня, тобто поверхня ґрунту або води ( а також і рослинного, снігового, крижаного покриву), безперервно різними способами отримує і втрачає тепло, Через земну поверхню тепло передається вгору - в атмосферу і вниз - в ґрунт чи воду.

У будь-який проміжок часу від земної поверхні йде вгору і вниз у сукупності така ж кількість тепла, яку вона отримує за цей час зверху і знизу. Як би було інакше, то не виконувався б закон збереження енергії: треба було б допустити, що на земній поверхні енергія виникає, або ж зникає. Однак можливо, що, наприклад, вгору може йти більше тепла, ніж прийшло згори; в такому випадку надлишок віддачі тепла повинен покриватись приходом тепла до земної поверхні з глибини землі або води.

Таким чином, алгебраїчна сума всіх доходів і видатків тепла на поверхні землі повинна дорівнювати нулю. Це виражається рівнянням теплового балансу земної поверхні. Щоб його написати, треба спочатку об'єднати радіацію, що поглинулась, і ефективне випромінювання в радіаційний баланс: R = ( I sin h + i ) ( 1 - A ) - Ee .

Прихід тепла з повітря або віддача його в повітря шляхом теплопровідності позначимо через Р, а такий же прихід або видаток шляхом теплообміну з більш глибокими шарами ґрунту або води А. Втрати тепла при випаровуванні або прихід його при конденсації на земній поверхні позначимо як LE, де L - питома теплота випаровування, Е - маса води, що випарувалась або сконденсувалась.

Тоді рівняння теплового балансу земної поверхні запишеться так: R + P + A + LE = 0.

Суть цього рівняння в тому, що радіаційний баланс на земній поверхні урівноважується нерадіаційною передачею тепла.

Середня місячна температура повітря. Однією з важливих кліматичних характеристик, що визначають фізико-географічні особливості району, є середня місячна температура повітря. Річний хід температури повітря майже співпадає з річним ходом притоку сонячної радіації.

В Харкові найбільш низька середня місячна температура повітря спостерігається в січні (-7 °С). Лютий по температурному режиму мало чим відрізняється від січня, тому що радіаційні та циркуляційні чинники цих місяців близькі між собою. Однак в окремі роки січень може бути значно тепліше (39%), або холодніше (61%) лютого.

В березні спостерігається підвищення температури повітря і в середньому вона на 5°С вище, ніж у лютому. Але в 1898, 1904, 1908, 1952, 1957, 1963 рр. середня місячна температура в березні була нижче, ніж у лютому. А в 1898 і 1952 рр. березень був самим холодним місяцем року. Повторюваність таких років складає 2%.

Найбільш інтенсивне підвищення температури відмічається від березня до квітня (на 9°С) і від квітня до травня (на 8°С). Тому середня місячна температура квітня завжди (в 100%) вище середньої місячної температури березня, а середня місячна температура травня вище середньої місячної температури квітня. В подальшому відбувається поступове нарощення температури повітря від місяця до місяця.

Річний хід температури повітря повторює річний хід притоку сонячної радіації, але трохи запізнюється в порівнянні з ним. Тому найбільш висока температура (20,9°С) в 67% років спостерігається не в червні, коли притік радіації максимальний, а в липні. З липня починається поступовий спад температури. Але все ж у 29% всіх років серпень буває теплішим за липень.

Інтенсивне зниження температури починається у вересні. До жовтня температура знижується на 7°С, а від жовтня до листопада - на 6°С. У грудні середня місячна температура повітря стає від'ємною і складає -3,7°С на південній околиці і -4,7°С в центрі міста.

Середня місячна температура вище 0°С спостерігається з квітня по листопад, вище 15°С - з травня по вересень.

Річна амплітуда (різниця між середньою температурою самого холодного і самого теплого місяців) в Харкові складає 28°С.

Відхилення температури від середньої найбільш значні (8-10°С) взимку, а влітку хід середньої місячної температури більш сталий, і відхилення не перевищують 5°С. В перехідні сезони вони збільшуються.

Мінливість температури повітря, добре помітна в річному ході, знаходиться в зворотній залежності від кількості поступаючої сонячної енергії. Коли притікання сонячної енергії збільшується (січень - липень), мінливість температури повітря поступово зменшується і, навпаки, при зменшенні притоку сонячної радіації (серпень - грудень) вона збільшується.

Мінімальна температура повітря спостерігається при вторгненні континентального арктичного повітря з подальшим його радіаційним вихолодженням. Вона залежить при цьому від місцевих умов (рельєфу, висоти, підстилаючої поверхні). 10 січня 1940 р. був зареєстрований самий низький абсолютний мінімум температури повітря (-35,6°С).

Заморозки - це пониження температури повітря до 0°С і нижче на тлі сталих додатних температур. Вони трапляються в основному в перехідні сезони. Період, на протязі якого вони не спостерігаються, називається безморозним. Заморозки бувають звичайно вночі або в передранковий час. Головною умовою при цьому повинна бути ясна тиха або зі слабким вітром погода, що спричиняє радіаційне вихолодження підстилаючої поверхні або адвекцію холоду. Частіше спостерігається і перше, і друге.

В Харкові останній заморозок спостерігається в середньому 29 квітня, а перший - 5 жовтня. Тривалість безморозного періоду складає 158 днів. В окремі роки середні дати весняних та осінніх заморозків можуть зміщуватись в ту чи іншу сторону на місяць і більше. Так, самий останній заморозок у Харкові спостерігався 2 червня 1916 року, а самий перший восени - 10 вересня 1900 року. В умовах ранньої весни і пізньої осені початок і закінчення заморозків можливе відповідно 10 листопада (1967 р.) та 24 березня (1951, 1966 рр.). Тривалість безморозного періоду може коливатись від 113 (1916 р.) до 208 днів (1938 р.).

Максимальна температура повітря спостерігається в саму теплу частину доби, коли відбувається найбільш інтенсивне турбулентне перемішування повітря. Середня максимальна температура повітря з квітня по жовтень завжди додатна. В окремі роки середній максимум буває додатним навіть в січні (1936, 1948 рр.), лютому (1925, 1957 рр.), грудні (1947, 1960 рр.), а інколи його значення в декілька разів нижче середнього багаторічного максимуму температури повітря (січень 1950 р., лютий 1929, 1954 рр., грудень 1933, 1938 рр.,).

У березні в зв'язку з підвищенням притоку сонячного тепла починається поступове підвищення денних температур. З квітня, відразу після танення снігу, відбувається інтенсивний ріст максимальних температур, які найбільших значень досягають в липні (26,6°С). Для початку осені (вересня та першої половини жовтня) характерно поступове зниження денних температур, однак ще й пізньої осені спостерігаються випадки повернення тепла з дуже високими температурами ("бабине літо").

Взимку максимальні температури спостерігаються в тих випадках, коли відбувається швидка адвекція теплих повітряних мас. При цьому додатні значення абсолютного максимуму складають 11 - 13°С. У теплий період року рекордні максимуми спостерігаються при стаціонарних антициклонах з малохмарною погодою й відсутністю адвекції морського повітря. З травня по вересень абсолютні максимуми температур перевищують 30 °С.

Самий високий абсолютний максимум був зафіксований у липні 1931 р. (38,8°С) та серпні 1946 р. (37,6°С). Абсолютна амплітуда температури повітря за рік (різниця між найбільш високим абсолютним і найбільш низьким абсолютним мінімумом) складає 74,4°С.

3. Температура ґрунту При проектуванні та будівництві різноманітних підземних споруд, прокладанні підземних комунікацій, теплотехнічних розрахунках, а також при інших видах робіт часто використовують дані про температуру ґрунту.

Спостереження за температурою ґрунту ведуться круглий рік, влітку - на ділянці без рослинності зі спушеною поверхнею, а взимку - на поверхні снігу. В теплий період на цій же ділянці за допомогою колінчастих термометрів Савинова визначають температуру на глибинах 5, 10, 15 та 20 см. На ділянці з природним трав'яним покривом проводяться спостереження за температурою ґрунту на різних глибинах.

Термічний режим ґрунту залежить від приходу сонячної радіації, адвекції повітряних мас, механічного складу та структури ґрунту, його вологості, характеру рослинності, рельєфу, наявності снігового покриву та багатьох інших чинників.

Температура поверхні ґрунту значно змінюється на близькій відстані. На її режим в значній мірі впливають місцеві особливості підстилаючої поверхні. У місті більша частина поверхні ґрунту вкрита асфальтом та каменем. Із такої поверхні практично не відбувається випаровування, тому майже все тепло поглинутої сонячної радіації витрачається на її нагрівання. Це призводить до того, що денні температури теплого періоду на поверхні сухого асфальту значно вищі температури ґрунту. В нічну частину доби асфальт і кам'яне покриття швидко охолоджується.

Середня температура поверхні ґрунту. В районі Харкова ґрунти представлені чорноземом суглинистим та важкосуглинистим. В зимові місяці середня температура поверхні ґрунту (снігу) не дуже відрізняється від температури повітря. Найбільш низька середня місячна температура ґрунту (7,2°С) спостерігається в січні. В окремі роки температура ґрунту може знижуватись до -35°С (січень 1963 р.) і підвищуватись до 16°С (січень 1972 р.). В січні - лютому температура ґрунту має найбільші коливання.

Навесні відбувається різке підвищення температури ґрунту. В березні середня температура ґрунту ще від'ємна (-1°С). Найбільш інтенсивне підвищення температури відбувається від березня до квітня (більш ніж на 10°С) і від квітня до травня (на 9°С). Однак в аномально холодні роки абсолютний мінімум температури на ґрунті (снігу) в березні може понижуватись до -35°С (1964 р.), у квітні - до -14°С (1963 р.), а в травні - до -4°С (1952 р.). В аномально теплому 1968 р. в березні температура ґрунту досягала 28°С, в квітні - 47°С, в травні - 57°С.

Влітку відбувається поступове збільшення температури ґрунту від 24°С у червні до 26°С у липні. Треба відзначити, температура ґрунту в літні місяці на 3 - 5°С вище температури повітря. В цьому сезоні температура ґрунту не опускається нижче 0°С. У денні години в ясну погоду поверхня ґрунту сильно нагрівається. В цей час був зареєстрований абсолютний максимум (60 - 61°С) температури ґрунту (червень - липень 1972 р., серпень 1961 р.).

Восени спостерігаються незначні відмінності між температурою поверхні ґрунту та температурою повітря. Зниження температури ґрунту починається вже в серпні, але більш значне (на 9°С) спостерігається від вересня до жовтня. В листопаді середня температура поверхні ґрунту ще додатна (1°С). Восени абсолютний мінімум температури ґрунту має від'ємні значення (вересень -6°С, жовтень -11°С, листопад -26°С).

Абсолютний максимум температури ґрунту в вересні інколи досягає 51°С, в жовтні - 38°С, в листопаді - 26°С. Амплітуда температури на ґрунті за рік в Харкові складає 33°С (по середнім) і 96°С (по абсолютним значенням).

Заморозки на ґрунті. Середня дата утворення останнього заморозку навесні на ґрунті припадає на кінець квітня. Бувають роки, коли заморозки закінчуються як на початку квітня (1973 р.), так і в кінці травня (1969 р.). Перші заморозки фіксуються в кінці вересня. Сама рання дата заморозку восени зафіксована 31 серпня 1966 р., сама пізня - 30 жовтня 1955 р. Мінливість дат настання весняних і осінніх заморозків однакова і складає 11 днів.

Середня тривалість безморозного періоду на поверхні ґрунту дорівнює 151 дню. В окремі роки безморозний період коливається від 109 (1966 р.) до 184 днів (1955 р.).

Температура ґрунту на різних глибинах відчуває значно менші коливання від місяця до місяця, ніж температура поверхні ґрунту. З жовтня по березень температура ґрунту до глибини 1 м ґрунту в річному ході слідкує за температурою її поверхні. Чим глибше, тим значніше зміщується максимум і мінімум температури ґрунту в річному ході. Зменшення річної амплітуди температури ґрунту з глибиною особливо помітно в зимовий сезон, тому що сніговий покрив захищає землю від різких перепадів температури.

До теорії поширення тепла у земні глибини можна застосувати загальну теорію молекулярної теплопровідності, яку запропонував свого часу французький математик і фізик Жан Батист Жозеф Фур’є (J. B. J. Fourler, 1768 - 1830). Вона відома зараз під назвою чотирьох законів Фур’є. 1. Період коливань температури не змінюється з глибиною. Добовий хід - 24 год., річний - 12 місяців. 2. Зростання глибини в арифметичній прогресії призводить до зменшення амплітуди у геометричній прогресії.

Таблиця 1

Залежність добової амплітуди температури грунту від глибини

Як видно з таблиці, починаючи з глибин 60 см і далі температура залишається без змін на протязі доби, тобто добова амплітуда дорівнює 0°С.

Річні амплітуди температури змінюються по такому ж закону. Річна нульова амплітуда знаходиться: у полярних широтах - на глибині 30 м, у помірних широтах - на глибині 15 - 20 м, у тропічних широтах - на глибині 10 м.

3. Строк настання максимумів і мінімумів температури як у добовому, так і у річному ході запізнюється з глибиною пропорційно їй. Добові екстремуми на кожні 10 см глибини запізнюються на 2,5 - 3,5 год., тобто на глибині 50 см добовий максимум наступає після півночі. Річні максимум і мінімум запізнюються на 20 - 30 діб на кожний 1 м глибини. Так, на глибині 5 м мінімальна температура спостерігається не у січні, а у травні, а максимальна - не у липні, а у жовтні.

4. Глибини шарів постійної добової та річної температури відносяться між собою як корені квадратні із періодів коливань, тобто як 1 : .

Це означає, що глибини, на яких згасають річні коливання, у 19 разів більше глибин згасання добових коливань. Треба мати на увазі, що розрахунки ускладнюються неоднорідністю складу і структури ґрунтів.

Середнє число днів з температурою ґрунту 0°С і нижче за рік на глибині 0,25 м складає 87 днів, на глибині 0,5 м - 36 днів. Число днів з температурою ґрунту 0°С і нижче значно коливається рік від року. В аномально холодні зими число днів з такою температурою на глибині 0,25 м може досягати 138, а на глибині 0,5 м - 110 днів.

В умовах природного покриття поверхні (влітку - трава, взимку - сніг) щорічно до від'ємних значень охолоджується лише верхній шар ґрунту (50 - 60 см), але в холодні зими при невеликій висоті снігового покриву нульова ізотерма доходить до глибини 105 см. Глибина проникнення температури 0°С в ґрунт не співпадає з глибиною промерзання, тому що замерзання ґрунту залежить від складу в ній вологи, розчину солей та інших домішок.

Глибина промерзання ґрунту менше глибини проникнення температури 0°С. В районі Харкова в середньому промерзання ґрунту (під озимою пшеницею в полі) в листопаді складає 11 см, в грудні - 34 см, в січні - 48 см, а в лютому досягає найбільших значень (74 см). В місті, під асфальтовим покриттям вулиць та майданів, вільних від снігу, глибина промерзання може бути значно більшою.

ДОДАТКОВІ ДЖЕРЕЛА

1. Агроклиматический атлас Украинской ССР. - Киев: Урожай, 1964.-37 с.

2. Агроклиматический справочник по Харьковской области. - Л.: Гидрометеоиздат, 1957.-179 с.

3. Александров Э.Л., Израэль Ю.А., Кароль И.Л., Хргиан А.Х. Озонный щит Земли и его изменения.- С.-Пб., Гидрометеоиздат, 1992. - 288 с.

4. Архангельский А.М. и др. Методика полевых физико-географических исследований. Учебное пособие для университетов и педвузов. - М.: Высшая школа, 1972. - 304 с.

5. Астапенко П.Д. Вопросы о погоде. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 240 с.

6. Атлас облаков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1957.

7. Атлас составляющих теплового и водного баланса Украины. -Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - 170 с.

8. Баранов А.М., Соломин С.В. Авиационная метеорология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 391 с.

9. Басманов Є.І. Друковані праці.

Ваше имя:
Сообщение:
Код: