4.7. Шляхи теплообміну земної поверхні з атмосферою

Атмосфера мало засвоює сонячної радіації, отже і мало нагрівається Сонцем. Засвоєне тепло може підвищувати температуру повітря протягом дня на 0,5⁰ С. Основним джерелом тепла для нижніх шарів атмосфери є земна поверхня. Удень діяльна поверхня засвоює сонячну радіацію і нагрівається, а від неї нагрівається і повітря. Уночі земна поверхня втрачає тепло і стає холоднішою за повітря. У цьому випадку повітря віддає тепло земній поверхні і охолоджується. Тепло між діяльною поверхнею і атмосферою, а також у самій атмосфері передається різними шляхами.

Радіаційний теплообмін. Земна поверхня випромінює довгохвильову радіацію, яку майже повністю засвоює атмосфера. Одночасно атмосфера у свою чергу випромінює довгохвильову радіацію у тому числі і в напрямку до Землі, яку й засвоює земна поверхня. Цей механізм теплообміну діє цілодобово. Земля випромінює радіації більше, ніж одержує від атмосфери. Уночі, коли відсутня сонячна радіація, радіаційний баланс від’ємний і земна поверхня охолоджується.

Молекулярна теплопровідність. Повітря, що прилягає безпосередньо до діяльної поверхні, обмінюється з нею теплом, шляхом молекулярної теплопровідності. Оскільки коефіцієнт теплопровідності малий, то і потік тепла незначний. Це неефективний шлях обміну теплом. Зрозуміло, що потік тепла буде завжди спрямований від теплішого тіла до холоднішого.

Турбулентне перемішування. Повітря в атмосфері постійно рухається. Воно рухається нерівномірно, хаотично. У потоці повітря виникають вихори різного розміру з вертикальною та горизонтальною віссю. Такий рух повітря, за пропозицією англійського фізика А. Томпсона називають турбулентним, а процес – турбулентним перемішуванням, або турбулентністю, на відміну від рівномірного або ламінарного руху. Чим більша швидкість вітру та шорсткість або нерівність земної поверхні, тим більша турбулентність. У результаті турбулентності відбувається постійний обмін масами повітря між сусідніми шарами, що розташовані один над одним. Іншими словами, якийсь об’єм повітря, що перебуває на одній висоті, в наступний момент уже виявився на іншій висоті. Наслідком такого обміну є вирівнювання властивостей повітря у в вертикальному напрямку, оскільки разом з повітрям переноситься і тепло і волога, що є в цьому об’ємі. Турбулентний теплообмін між земною поверхнею і атмосферою в 100 разів інтенсивніший від молекулярної теплопровідності. В процесі перемішування повітря тепло швидко передається з одних шарів атмосфери в інші.

Турбулентне перемішування повітря збільшує потік тепла від земної поверхні в атмосферу і навпаки. Коли повітря вихолоджується від земної поверхні, то турбулентні рухи переносять до поверхні тепле повітря з вищих шарів. Це підтримує різницю температури між повітрям і поверхнею і потік тепла з повітря до поверхні. При цьому повітря безпосередньо поблизу поверхні земні буде охолоджуватись мало, але охолодження передаватиметься на значний шар атмосфери. У результаті земна поверхня втратить тепла більше, ніж було б це без турбулентності.

Теплова конвекція. Тепловою конвекцією називають упорядковане перенесення окремих об’ємів повітря у вертикальному напрямку, що виникає під впливом сильного перегріву приземного шару повітря. Спочатку теплова конвекція виникає як рух окремих невеликих об’ємів, вихорів, які поступово зливаються, формуючи інтенсивний висхідний потік, що супроводжується компенсуючими його низхідними рухами над суміжними ділянками. Разом із порціями повітря переноситься тепло від перегрітих шарів атмосфери до холодніших. Над морем теплова конвекція виникає у випадку, коли водна поверхня тепліша за прилеглі шари атмосфери. На водоймах це має місце у холодну частину року та в нічні години. За сприятливих умов конвекція може охоплювати всю товщу тропосфери.

Випаровування вологи з поверхні діяльного шару і наступна конденсація (сублімація) водяної пари в атмосфері.

На випаровування води з поверхні витрачається 2500 кДж/кг тепла. Водяна пара разом із повітрям шляхом турбулентності або теплової конвекції переноситься в атмосферу на значну висоту. У подальшому водяна пара конденсується і виділяється тепло, що йде на нагрівання навколишнього повітря. Вночі водяна пара може конденсуватись на земній поверхні і таким чином поверхня отримує звільнене тепло.

Усі перелічені процеси обміну теплом між діяльною поверхнею та атмосферою мають різний вплив на зміну температури. Домінуюча роль в обміні теплом належить турбулентності, тепловій конвекції та фазовим перетворенням води.