Какие процессы осуществляют перенос тепла между деятельным слоем и атмосферой

Обновлено: 04.07.2024

обмен теплотой, происходящий в атмосфере в горизонтальном и в вертикальном направлениях. Поток тепла направлен от более нагретых областей к менее нагретым, а его интенсивность тем больше, чем больше разность температур. В общем в тропосфере (См. Тропосфера) температура убывает от экватора к полюсам, а на каждой данной широте понижается с возрастанием высоты. Вследствие междуширотного теплообмена атмосфера в тропических и субтропических широтах (в Северном полушарии до 40°) теряет тепло, а в более высоких широтах — получает его. Кроме того, теплообмен происходит также и в направлении широт вследствие неоднородности тепловых свойств подстилающей поверхности (См. Подстилающая поверхность) (например, суши и моря). При вертикальном Т. в а. поток тепла направлен главным образом вверх от земной поверхности.

Перенос тепла в атмосфере осуществляется: конвекцией (См. Конвекция) (включая адвекцию), то есть горизонтальным и вертикальным переносом воздуха; лучистым теплообменом, теплообменом, обусловленным испарением воды и конденсацией водяного пара, и в незначительной степени молекулярной теплопроводностью. Горизонтальный конвективный (адвективный) теплообмен между южным и северным широтами осуществляется меридиональным переносом воздушных масс и составляет около 1019 кал/сут. Конвективный теплообмен в вертикальном направлении вызывается как упорядоченными вертикальными перемещениями воздуха в областях Циклонов и Антициклонов, так и турбулентностью (см. Турбулентность в атмосфере и гидросфере). В среднем для Северного полушария вертикальный поток тепла составляет около 50 кал/см․сут. Лучистый теплообмен происходит вследствие поглощения и излучения длинноволновой радиации водяным паром, пылью, углекислым газом, облаками и др. газами и аэрозолями атмосферы. В результате лучистого теплообмена в конечном счёте происходит теплоотдача из атмосферы в мировое пространство; количество отдаваемого тепла составляет в среднем 400 кал/см․сут. Потеря тепла в мировое пространство, в общем, уменьшается от низких широт к высоким. Теплообмен, вызванный процессами испарения и конденсации, приводит к переносу тепла с земной поверхности в атмосферу в среднем в количестве около 120 кал/см․сут. Наибольшее количество тепла этим путём переносится в низких широтах. В связи с существованием годовых и суточных изменений температуры и суточных колебаний скорости ветра наблюдается годовой и суточный ход интенсивности Т.

Лит.: Пальмен Э., Ньютон Ч., Циркуляционные системы атмосферы, пер. с англ., Л., 1973; Хргиан А. Х., Физика атмосферы, Л., 1969; Кондратьев К. Я., Лучистый теплообмен в атмосфере, Л., 1956.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Полезное

Смотреть что такое "Теплообмен в атмосфере" в других словарях:

теплообмен в атмосфере — šilumos mainai atmosferoje statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Šilumos pernaša atmosferoje horizontalia ir vertikalia kryptimi. Vyksta konvekcijos, spinduliuotės, oro masių judėjimo būdu. atitikmenys: angl. heat exchange in… … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas

ТЕПЛООБМЕН — ТЕПЛООБМЕН, наряду с работой в термодинамике один из видов обмена энергией термодинамической системы (физического тела) с окружающими телами, происходящий с помощью процессов теплопроводности, конвекции или излучения и не сопровождающийся… … Современная энциклопедия

теплообмен — а; м. Необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. Самопроизвольный, лучистый т. Т. в атмосфере. Т. в почве. Регулирование теплообмена. ◁ Теплообменный, ая, ое. Т. процесс. Т ая аппаратура (производящая теплообмен) … Энциклопедический словарь

теплообмен — а; м. см. тж. теплообменный Необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. Самопроизвольный, лучистый теплообме/н. Теплообме/н в атмосфере. Теплообме/н в почве. Регулирование теплообмена … Словарь многих выражений

Углекислый газ в атмосфере Земли — Изменения концентрации CO2 в ppm на протяжении последних 400 тыс. лет. Современное изменение концентрации указано отдельно. Углекислый газ в атмосфере Земли, по состоянию на … Википедия

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН — необратимый процесс переноса теплоты в движущихся средах с неоднородным полем темп ры, обусловленный совместным действием конвекции и молекулярного движения. Наиб. важный для практики случай К. т. между движущейся средой и поверхностью её раздела … Физическая энциклопедия

Конвективный теплообмен — процесс переноса тепла, происходящий в движущихся текучих средах (жидкостях либо газах) и обусловленный совместным действием двух механизмов переноса тепла собственно конвективного переноса и теплопроводности (См. Теплопроводность). Таким … Большая советская энциклопедия

Климат — (от греч. klíma, родительный падеж klímatos, буквально наклон; подразумевается наклон земной поверхности к солнечным лучам) многолетний режим погоды, свойственный той или иной местности на Земле и являющийся одной из ее географических… … Большая советская энциклопедия

теплообме́н — а, м. Самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. Теплообмен в атмосфере. Теплообмен в почве. Лучистый теплообмен … Малый академический словарь

Экстинкция радиации — в атмосфере, ослабление электромагнитной радиации в атмосфере, обусловленное её поглощением и рассеянием. Солнечная радиация поглощается главным образом водяным паром и озоном, а рассеивается молекулами воздуха и аэрозолями, причём… … Большая советская энциклопедия

Важнейшими факторами, определяющими пригодность для проживания человека, воздушной среды являются химический состав, степень ионизации, относительная влажность, давление, температура и скорость движения. Рассмотрим каждый из этих факторов по-отдельности.

Химический состав воздуха

В 1754 году Джозеф Блэк экспериментально доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не однородное вещество.

Нормальный состав воздуха

Вещество	Обозначение	По объёму, %	По массе, %
Азот	N ₂	78,084	75,50
Кислород	O ₂	20,9476	23,15
Аргон	Ar	0,934	1,292
Углекислый газ	CO ₂	0,0314	0,046
Неон	Ne	0,001818	0,0014
Метан	CH ₄	0,0002	0,000084
Гелий	He	0,000524	0,000073
Криптон	Kr	0,000114	0,003
Водород	H ₂	0,00005	0,00008
Ксенон	Xe	0,0000087	0,00004

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ВОЗДУХА

Измерение температуры воздуха

На метеорологических станциях термометры устанавливают в особой будке, называемой психрометрической будкой, стенки которой жалюзийные. В такую будку не проникают лучи Солнца, но в то же время воздух имеет свободный доступ в нее.

Термометры устанавливают на штативе так, чтобы резервуары располагались на высоте 2 м от деятельной поверхности.

Срочную температуру воздуха измеряют ртутным психрометрическим термометром ТМ-4, который устанавливают вертикально. При температуре ниже —35°С используют низкоградусный спиртовой термометр ТМ-9.

Экстремальные температуры измеряют по максимальному ТМ-1 и минимальному ТМ-2 термометрам, которые укладывают горизонтально.

Для непрерывной записи температуры воздуха служит термограф М-16А, который помещают в жалюзийной будке для самописцев. В зависимости от скорости вращения барабана термографы бывают суточные и недельные.

В посевах и насаждениях температуру воздуха измеряют, не нарушая растительный покров. Для этого используют аспирационный психрометр.

Значение температуры воздуха для сельскохозяйственного

Производства

Значение температуры воздуха для сельского хозяйства общеизвестно. Фотосинтез, дыхание, транспирация, усвоение питательных веществ из почвы и другие физиологические процессы происходят в определенном диапазоне температур. Существуют температурные пределы жизнедеятельности растений — биологический минимум и биологический максимум. Между ними находится зона оптимальных температур, при которых наиболее интенсивно развиваются растения и формируется урожай. Пределы температуры для различных растений неодинаковы и изменяются даже для одного и того же растения в период его вегетации , а также при перемещении растений в другие географические условия. Таким образом, их нельзя считать постоянными. Они могут сдвигаться в пределах генетически заложенной нормы реакции в результате приспособления к условиям среды. Самые низкие и самые высокие температуры, которые выдерживает данное растение, называют температурными или летальными границами жизни. В пределах этих границ находятся так называемые латентные границы — скрытые (внешне не проявляющиеся) границы физиологической реакции. После перехода через эти границы активные жизненные процессы обратимо снижаются до минимального значения, и протоплазма клеток впадает в тепловое или холодное оцепенение. При достижении летальной границы возникают, необратимые повреждения и жизнь прекращается.

Температура среды также является одним из основных метеорологических факторов, определяющих возможность возникновения заболевания растений и степень его вредоносности. Влияние этого фактора начинает проявляться уже на первых этапах инфекционного процесса, обусловливая жизнеспособность возбудителя болезни и возможность его сохранения к началу вегетационного периода. Сохранение жизнеспособности возбудителя в значительной мере зависит от формы его существования в течение периода, когда прекращается вегетация растений. Наименее стойкими к воздействию среды в это время оказываются так называемые пропагативные споры. Так, конидии возбудителя мучнистой росы пшеницы способны прорастать в большом диапазоне температур (от 0 до 35 °С), что не позволяет им сохраняться уже при температуре, близкой к 0 °С, а споры милдью виноградной лозы способны сохраняться около 20 сут лишь при температуре ниже 10 °С.

Температура среды регулирует и скорость прорастания спор (рис. 4.8).

Тесно связаны с температурным режимом распространение и вредоносность вредителей сельскохозяйственных растений. Для каждого вида вредных насекомых существуют оптимальные и предельные значения температуры. Так, у саранчи период развития от стадии личинки до взрослого насекомого при температуре 32. 39 °С длится 20 сут, при 22. 27 °С - около 52 сут. Недостаток тепла задерживает или прекращает развитие насекомых. Например, гусеница лугового мотылька при температуре ниже 17 °С не превращается в куколку, аналогичный эффект наблюдается у личинки жука-казарки при температуре ниже 14 °С.

Температура воздуха определяет также состояние, поведение и продуктивность сельскохозяйственных животных.

Тепло — один из основных экологических факторов жизнедеятельности биоценозов. Поэтому учет температурного режима воздуха важен для всех отраслей сельскохозяйственного производства как при выборе проектных решений, например районирование культур и сортов сельскохозяйственных растений и пород животных, так и при выработке плановых: расчеты сроков сева и уборки, числа и сроков обработки посевов гербицидами, поливов и т. д.

Задание.

Состав воздуха.

Химический состав воздуха

Нормальный состав воздуха

Вещество	Обозначение	По объёму, %	По массе, %
Азот	N ₂	78,084	75,50
Кислород	O ₂	20,9476	23,15
Аргон	Ar	0,934	1,292
Углекислый газ	CO ₂	0,0314	0,046
Неон	Ne	0,001818	0,0014
Метан	CH ₄	0,0002	0,000084
Гелий	He	0,000524	0,000073
Криптон	Kr	0,000114	0,003
Водород	H ₂	0,00005	0,00008
Ксенон	Xe	0,0000087	0,00004

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ВОЗДУХА

ПРОЦЕССЫ НАГРЕВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА

Тепловым режимом атмосферы называют характер распределения и изменения температуры в атмосфере. Тепловой режим атмосферы определяется главным образом её теплообменом с окружающей средой, т. е. с деятельной поверхностью и космическим пространством. За исключением верхних слоев, атмосфера поглощает солнечную энергию сравнительно слабо. Основной источник нагревания нижних слоев атмосферы — тепло, получаемое ими от деятельной поверхности. В дневные часы, когда приход радиации преобладает над расходом, деятельная поверхность нагревается, становится теплее воздуха, и тепло передается от нее воздуху. Ночью деятельная поверхность теряет тепло излучением и становится холоднее воздуха. В этом случае воздух отдает тепло почве, в результате чего сам он охлаждается. Перенос тепла между деятельной поверхностью и атмосферой, а также в самой атмосфере осуществляется следующими процессами.

Молекулярная теплопроводность. Воздух, непосредственно соприкасающийся с деятельной поверхностью, обменивается с ней теплом посредством молекулярной теплопроводности. Вследствие того что коэффициент молекулярной теплопроводности неподвижного воздуха сравнительно мал, этот вид теплообмена незначителен.

Турбулентная теплопроводность. Она возникает внутри атмосферы вследствие вихревого, хаотического движения воздуха, т. е. турбулентности. Ее условно можно разделить на динамическую и термическую.

Динамическая турбулентность — вихревое хаотическое движение, возникающее в результате появления силы трения как между отдельными слоями перемещающегося воздуха, так и между движущимся воздухом и подстилающей поверхностью.

Термическая турбулентность, или тепловая конвекция — упорядоченный перенос отдельных объемов воздуха в вертикальном направлении, возникающий при неравномерном нагревании различных участков поверхности. Над более прогретыми участками воздух становится теплее а, следовательно, легче окружающего и поднимается вверх. Его место занимает более холодный соседний воздух, который, в свою очередь, нагревается и тоже поднимается.

Радиационная теплопроводность. Определенную роль в передаче тепла от почвы к атмосфере играет излучение деятельной поверхностью длинноволновой радиации, поглощаемой нижними слоями атмосферы. Последние, нагреваясь, таким же способом последовательно передают тепло вышележащим слоям. В период охлаждения поверхности радиационный поток тепла направлен от вышележащих слоев атмосферы вниз. Радиационный поток тепла над сушей проявляется главным образом в ночные часы, когда турбулентность резко ослаблена, а тепловая конвекция отсутствует.

Конденсация (сублимация) водяного пара. При конденсации выделяется тепло, нагревающее воздух, особенно более высокие слои атмосферы, где образуются облака.

Размещение
новых сортов и
гибридов
Распространен
ие и
вредоносность
болезней и
вредителей с/х
растений
Состояние,
поведение и
продуктивно
сть с/х
животных
Оценка состояния
озимых и плодовых
культур зимой
Температура
воздуха
скорость
развития растений
увеличивается
пропорционально
возрастанию
температуры
Фотосинтез,
дыхание,
транспирация
и др.
Расчет
сроков
сева и
уборки

Тепловым
режимом атмосферы
называют характер распределения и
изменения температуры в атмосфере.
Тепловой режим атмосферы
определяется главным образом ее
теплообменом с окружающей средой,
т.е. с деятельной поверхностью и
космическим пространством.

Перенос тепла между деятельной поверхностью и
атмосферой, а также в самой атмосфере может
осуществляться с помощью следующих процессов.
Тепловая конвексия - упорядоченный перенос
отдельных
объемов
воздуха
в
вертикальном
направлении, возникающий в результате сильного
нагрева нижнего слоя атмосферы. Теплые порции
воздуха как более легкие поднимаются, а их место
занимают холодные, которые затем тоже нагреваются и
поднимаются.

Над сушей тепловая конвекция возникает днем в
результате неравномерного нагревания разных
участков деятельной поверхности почвы.
Над морем она возникает когда водная поверхность
теплее прилежащих слоев атмосферы - в холодное
время года и в ночные часы.

Турбулентность – вихревое хаотическое движение
небольших объемов воздуха в общем потоке ветра.
Происходит вследствие непрерывного движения
воздуха, отдельные объемы которого имеют
различную скорость. С увеличением скорости
движения воздуха турбулентность усиливается,
образуются вихри, вызывающие порывистость
ветра. Данный вид теплообмена в тысячи раз
интенсивнее молекулярного

Молекулярный теплообмен – обмен теплом между
деятельной поверхностью и прилегающим слоем
атмосферы за счет молекулярной теплопроводности
неподвижного воздуха. Например, воздух почти
неподвижен в густом растительном покрове. Т.к.
коэффициент
молекулярной
теплопроводности
воздуха очень мал (5*10-5кал/(см*с*оС)), то значение
этого теплообмена очень мало по сравнению

Радиационная теплопроводность – перенос
тепла потоками длинноволновой радиации
деятельной поверхности и атмосферы.
Действие этих потоков в нижних слоях
атмосферы проявляется преимущественно
ночью, когда солнечная радиация не
поступает, турбулентность ослаблена, а
тепловая конвекция отсутствует.

Конденсация (сублимация) водяного пара,
поступающего с земной поверхности в
атмосферу. При конденсации 1 г пара
выделяется около 600 кал тепла. Это тепло
имеет важное значение для нагревания
приземного слоя, а особенно более высоких
слоев атмосферы, в которых образуются
облака

Основное значение имеют турбулентный
теплообмен и тепловая конвекция
Адвекция – передвижение воздушных масс в
горизонтальном направлении.
Если происходит вторжение воздушной массы,
имеющей более высокую температуру, чем воздух,
ранее находившийся на данном месте, то
происходит адвекция тепла; если вторгается более
холодные массы – адвекция холода.
Адвекция холода весной и осенью опасна для с/х
культур, т.к. обуславливает губительное понижение
температуры.

13. Вертикальный градиент температуры

Изменение температуры воздуха на 100 м
высоты называется вертикальным градиентом
температуры:
ВГТ = (tн – tв/ zв-zн)* 100, где
tн – tв – разность температур воздуха на
верхнем и нижнем уровнях;
zв-zн - разность высот в метрах

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 z_np, 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/м 2 (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

Задача 1. На какой глубине уменьшается в е раз амплитуда суточных колебаний в почве, имеющей коэффициент температуропроводности а = 18,84 см 2 /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 см 2 /ч, сухого песка а _п= 23,0 см 2 /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/м 2

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

где р - плотность воздуха.

Коэффициент турбулентности К измеряется в м 2 /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 м 2 /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.

Литература

[1], Раздел Ш,гл. 2, § 1-8.

Вопросы для самопроверки

1. Какие факторы определяют тепловой режим почвы и водоемов?

2. Каков физический смысл теплофизических характеристик и как они влияют на температурный режим почвы, воздуха, воды?

3. От чего зависят и как зависят амплитуды суточных и годовых колебаний температуры поверхности почвы?

4. Сформулируйте основные законы распределения температурных колебаний в почве?

5. Какие следствия вытекают из основных законов распределения температурных колебаний в почве?

6. Каковы средние глубины проникновения суточных и годовых колебаний температуры в почве и в водоемах?

7. Каково влияние растительного и снежного покрова на тепловой режим почвы?

8. Какие особенности теплового режима водоемов, в отличие от теплового режима почвы?

9. Какие факторы влияют на интенсивность турбулентности в атмосфере?

10. Какие количественные характеристики турбулентности вы знаете?

11. Каковы основные методы определения коэффициента турбулентности, их достоинства и недостатки?

12. Нарисуйте и проанализируйте суточный ход коэффициента турбулентности над поверхностью суши и водоема. В чем причины их различия?

13. Как определяется поверхностная плотность вертикального турбулентного теплового потока в приземном слое атмосферы?

Читайте также: