КАТЕГОРИЯ:


Астрономия- (809) Биология- (7483) Биотехнологии- (1457) Военное дело- (14632) Высокие технологии- (1363) География- (913) Геология- (1438) Государство- (451) Демография- (1065) Дом- (47672) Журналистика и СМИ- (912) Изобретательство- (14524) Иностранные языки- (4268) Информатика- (17799) Искусство- (1338) История- (13644) Компьютеры- (11121) Косметика- (55) Кулинария- (373) Культура- (8427) Лингвистика- (374) Литература- (1642) Маркетинг- (23702) Математика- (16968) Машиностроение- (1700) Медицина- (12668) Менеджмент- (24684) Механика- (15423) Науковедение- (506) Образование- (11852) Охрана труда- (3308) Педагогика- (5571) Полиграфия- (1312) Политика- (7869) Право- (5454) Приборостроение- (1369) Программирование- (2801) Производство- (97182) Промышленность- (8706) Психология- (18388) Религия- (3217) Связь- (10668) Сельское хозяйство- (299) Социология- (6455) Спорт- (42831) Строительство- (4793) Торговля- (5050) Транспорт- (2929) Туризм- (1568) Физика- (3942) Философия- (17015) Финансы- (26596) Химия- (22929) Экология- (12095) Экономика- (9961) Электроника- (8441) Электротехника- (4623) Энергетика- (12629) Юриспруденция- (1492) Ядерная техника- (1748) Arhitektura- (3434) Astronomiya- (809) Biologiya- (7483) Biotehnologii- (1457) Военни бизнесмен (14632) Висока technologies- (1363) Geografiya- (913) Geologiya- (1438) на държавата (451) Demografiya- ( 1065) Къща- (47672) журналистика и смирен (912) Izobretatelstvo- (14524) външен >(4268) Informatika- (17799) Iskusstvo- (1338) историята е (13644) Компютри- (11,121) Kosmetika- (55) Kulinariya- (373) културата е (8427) Lingvistika- (374) Literatura- (1642) маркетинг-(23702) математиците на (16968) Механична инженерно (1700) медицина-(12668) Management- (24684) Mehanika- (15423) Naukovedenie- (506) образователна (11852) truda- сигурност (3308) Pedagogika- (5571) Poligrafiya- (1312) Politika- (7869) Лево- (5454) Priborostroenie- (1369) Programmirovanie- (2801) производствено (97 182 ) индустрия- (8706) Psihologiya- (18388) Religiya- (3217) Svyaz (10668) Agriculture- (299) Sotsiologiya- (6455) на (42831) спортист строително (4793) Torgovlya- (5050) транспорт ( 2929) Turizm- (1568) физик (3942) Filosofiya- (17015) Finansy- (26596) химия (22929) Ekologiya- (12095) Ekonomika- (9961) Electronics- (8441) Elektrotehnika- (4623) Мощност инженерно ( 12629) Yurisprudentsiya- (1492) ядрена technics- (1748)

Топлинният поле на Земята. Thermal зониране на вътрешността на Земята. Топлинният баланс на Земята

Лекция номер 3

Основните въпроси, разгледани в лекцията:

1. Процесите на физически топлина, осъществяване на прехвърлянето и преразпределението на топлина в земната кора.

2. Термична обработка и топлинна зониране на вътрешността на Земята.

3. Външни и вътрешни източници на топлина от земята.

4. топлинния баланс на на Земята.

5. топлинния баланс на атмосферата.

6. топлинния баланс на земната повърхност.

1. Процесите на физически топлина, осъществяване на прехвърлянето и преразпределението на топлина в земната кора. Топлинният поле на Земята се формира от различни източници на топлина, неговото прехвърляне и преразпределение. Източници на топлина са дълбоки вътрешни топлинни процеси и слънчева енергия. Прехвърляне и разпределение на топлината в земната кора, изработен от молекулно топлопроводимост на скали, конвекция и радиация. На дълбочина над 10 км най-важната роля в пренос на топлина играе радиация загрява недра вещество и конвекция. Измерените параметри на топлинна поле на Земята са температурата на скали, тя се променя с дълбочина и топлинния поток.

Геофизика раздел, който разглежда топлинните процеси, протичащи в земята, и структурата на разпределение на температурата във вътрешността му, се нарича геотермална. Проблемът на топлинния режим на земното кълбо е един от най-важните и най-трудно, смята по физика на Земята. Много свойства на земните недра материал - топлопроводимост, електропроводимост, вискозитет, провлачване на скали и др. - До голяма степен зависят от температурата, при дадена дълбочина. Температурата заедно с налягането определя състоянието на материята.

За измерването на абсолютните стойности на температурата в горния повърхностен слой, и най-значителни дълбочини, включително дъното на водите, използвани живачни термометри и електрически съпротивителни термометри (коефициент). За да се измери температурата на стъпки се използват termogradientomery. Те са монтирани в една сонда, потопен в сондажи, кладенци или утайките. За да се оцени потоци топлина са топломери, изградени на базата на термометри и поле космическите изследвания и инфрачервени изследвания използват специално оборудване - термовизионни камери, които работят по специални кристали, които са чувствителни на електромагнитно излъчване на определени дължини на вълните. За измерване на температура на земната кора слоеве в кладенци и мини са наречени геотермални измервания. Те са от голямо значение за проектирането на големи подземни съоръжения (мини, тунели за подлези, пътища, железопътни линии, вода, топлина, газ и нефтопроводи, и така нататък. Н.). Особено важни са тези измервания в вечно замръзналите райони, където топлинните условия влияят на възможността за изграждане на различни комуникации (продуктопроводи, кабели за електричество и телефон, и така нататък. D.), вода, и проводници на топлина, силата на почви и фондации.



Thermistors - устройства, в които температурата се измерва чрез електрическата проводимост на полупроводници. Особености по-чувствителни към промени в температурата.

Като научна дисциплина geothermics започва да се развива след откриването на основните източници на топлина във вътрешността на Земята и, по-специално, след откриването на енергийния поток топлинна, освободен в процеса на естествени радиоактивни трансформации, т. Е. В началото на XX век.

2. Термична обработка и топлинна зониране на вътрешността на Земята. данни за преките и косвени геотермална мониторинг (изход на топла подземни източници, или така наречените термални води, изливането на горещи лава вулкани течни и т.н ..), оставя се да се разпредели в земята дебели три характеристика топлинна зона. Те се различават по източника на поколение, и в резултат на температурни промени във времето и дълбочина.

Горната, близки до повърхността, тънък (средно до 30 м) има температура на земната кора зона определя от слънчевата радиация. Тя heliometric, или дейност, площ, изпитват сезонни температурни колебания. По-долу е по-фин неутрална зона (зона) при постоянна температура, съответстваща на средната температура на мястото. Всички базови кора и мантията на Земята и земната сърцевина заема геотермалната зона, където температурата се определя от вътрешни източници на топлина на Земята, и топлинната проводимост на скали увеличава с дълбочина.

Heliometric (от гръцки Хелио -. Слънцето), или зоната дейност. Получаване на слънчевата радиация на повърхността на Земята е обособен денонощен, сезонен, годишен, и вековната курса, който води до циклични промени на подходящо температура и земната повърхност. Поради това, температурата на почвата и podstilayuschi скали също варира в рамките на деня, сезоните и дългосрочен период. период средната температура по-цикличен въздух, толкова по-голяма дълбочина на земната кора, те проникват. В зависимост от дълбочината на проникване на амплитудата на вибрациите на дневни или годишни температури в района heliometric излъчват два слоя - слой от дневните и годишните температурни колебания слой.

Layer дневни температурни колебания - това е най-повърхностния слой на земната кора, на дълбочина от 1,0-1,5m където промяната на температурата на практика съответства на дневния курс на слънчевата радиация и радиацията на повърхността на земята. Предаване на топлината в дълбочина се извършва от молекулно топлопроводимост на скали и въздушна конвекция на водни пари и проникването на валежите. Теория и практика на изучаване на топлинна поле на Земята показва, че когато температурата на въздуха е температурата на скалите се променя с известно закъснение. В същото време на повърхността на почвата има максимум (около 13h) и поне едно (преди изгрев) температура. Най-големите стойности на амплитудата на дневни температурни колебания достигат повърхността на почвата. С дълбочината на амплитудата е намалена, и, освен това, има промяна към по-късна дата в момента на настъпване на максимум и минимум (таб. 7). Това се дължи на факта, че по-голямата част от топлината се абсорбира от горните слоеве на почвата и следователно слънчево топлинен поток дълбоко в отслабена.

Средната дневна температура на почвата намалява с дълбочина през лятото и расте през зимата. В преходните сезони (пролет и есен) има една по-сложна неговата промяна с дълбочина.

На вертикалното разпределение на температурата на почвата значително засегната растение и сняг. Растения, поглъщащи част от слънчевата радиация по време на деня, за да се намали притока на своя земя, а през нощта намалява ефективността на радиацията на почвата. През лятото, когато главната роля в топлина играе пряка слънчева радиация, почвата е по-хладна под растителността на дълбочина (на ΔTz, ° C) гола почва.

През зимата, когато преобладаващата роля на радиация, почвата под растителността топло гола. Снежната покривка, поради ниската топлопроводимост предпазва почвата от дълбоко замразяване. Дневни температурни колебания в снежна покривка проникват само на дълбочина 20-30см.

Layer годишна температурна разлика е под слоя на дневните вариации. В рамките на най-много на този слой температурата на курса е почти равна на годишните хода на слънчевата радиация и радиацията на повърхността на земята. трансфер на топлина се осъществява главно чрез молекулно топлопроводимост, както и от движението на подземните води. В умерените ширини, максималната температура се проявява през юли и август, най-малко - през януари и февруари. С дълбочината на амплитудата на температурата се понижава, както и времето на настъпване на екстремни стойности се забавя средно с 20-30 дни на метър дълбочина на средната годишна температура на почвата намалява с дълбочина в ниските географски ширини и увеличения на високо.

Поставете долната граница heliometric зона зависи от много фактори, вода и термични свойства на скали, релеф и геоложка структура на повърхността на земята, растителността и т.н. Всички неща са равни на минималната дълбочина на тази граница е характерен за районите с морето и особено с тропически климат, а максималната -. За райони с континентален климат. Средната стойност за цялото земно кълбо годишни температурни колебания са разпределени на дълбочина от 10-12 метра в тропиците, до 42-45 м - във високите географски ширини и до 10 - 40 м в нашата страна. В океаните, годишните температурни вариации проникват на дълбочина 200-300 м.

постоянна температура зона (IPT т.нар неутрален слой). Този тънък район се намира под слой от проникване на годишните колебания на температурата, които се откриват в постоянна температура през цялата година. Ето защо, тя се нарича зона или зона на постоянна температура, съответстваща на средната годишна температура на въздуха при повърхността на земята в този регион. Така, че е по-дълбоко (28 m) Якутск постоянна температура (-2 ° С) в Москва площ с постоянна температура от 4,2 ° С се наблюдава на дълбочина от 20 т, Париж (11,8 ° С) се отбелязва на дълбочина от около 10 м., в случай на отрицателен Средната годишна температура на въздуха в хоризонта, образуван от вечния постоянна температура (дългосрочна) вечната замръзналост.

Само светските промени в температурата проникнат дълбоко зона на постоянна температура и се съхраняват там за дълго време поради естественото забавяне на температурата вълни в фази с дълбочина. По този начин, охлаждането и затопляне в кватернера (настроите 4-5 такива цикъла) да повлияе на топлинния режим на Земята на дълбочина от 3-4 км. Пример за такова охлаждане на климата е дълбоко замръзналата земя, простираща се понякога до няколко стотин метра.

Геотермална област. Ако не се вземат под внимание вековна изменението на климата, по-ниската зона на постоянна температура (на дълбочина от 40-50 метра по-горе) влиянието на цикличност на слънчевата активност може да бъде пренебрегнато, и скалите на температурен режим определя дълбочината на топлинния поток и характеристиките на топлинните свойства на скали. Геотермални измервания, направени в настоящия момент в континенталните и океански части на земното кълбо, предоставят ценна информация за термичен режим на Земята. Въз основа на тези измервания (обикновено по-дълбоко от 5 км) до следните заключения: Първо, в областта на геотермална температура остава постоянно във времето и от друга страна, се увеличава с увеличаване на дълбочината.

Вътрешен термично поле на Земята има висока постоянство. Това не оказва влияние върху температурата в близост до повърхността и климата на земята, както и енергия за вписване на земната повърхност от Слънцето е 1000 пъти по-голяма, отколкото от интериора.

Като резултат от години на топлинна снимките на Земята натрупаната информация за характеристиките на топлинно поле на Земята. Степента на нарастване на температурата на скали с дълбочина, изразена в ° С / т, се нарича геотермална градиент. За да се изчисли T геотермалния градиент = делта Т / Δz е необходимо да се знае увеличение? T температурата в дълбочина интервал Δz.

През 1828 г., на френски минен инженер П. Кордие измерва температурата в редица мини и първият, който дефинира геотермална градиента в повърхностния слой на Земята, равна на 0,03 ° C / м, което е изненадващо добро споразумение със съвременни данни. Кордие проучвания, предоставени допълнителни доказателства за горещ старт на Земята, който се свързва към този момент (тъй като радиоактивността е все още неизвестен) с първичен разтопено състояние.

Наклонът на геотермална в различни части на Земята варира в доста широк диапазон - от 0,1 до 0,01 ° C / м, в зависимост от състава на скалите, на условията на тяхното възникване и на редица други фактори (близостта или отдалечеността от центровете на вулканични, радиоактивни елементи и т.н. .. г) наклонът на геотермална е в кристални щитове около 0.01 ° C / м, върху платформите - около 0.03 в гънката региони - 0.1-0.05, в областите на неотдавнашното вулканична дейност - 0,2-0, 5 ° C / м. Реципрочен на геотермална градиент се нарича геотермална етап. Тя варира от 10 до 100 т / ° С

В някои случаи, стойностите на геотермална градиент и, следователно, геотермална етап може значително надвишават тези граници. Най-голямата геотермална градиента на 0,15 ° C / м записано в Орегон (САЩ), съответния етап на геотермална - 6.67 m / ° C. Най-малката геотермална градиента - 0,0057 ° C / M записано в Трансваал (Южна Африка), то съответства на нивото на геотермална 172.7 m / ° C.

Големи разлики в стойностите на геотермални градиент и геотермални стъпки са резултат от промени в стойността на дълбоко топлинен поток и променя свойствата на топлопроводимост на земната кора.

По-рано се предполагаше, че тектонски тих район с дълбочина температурата се повиши леко (около 10 ° С в продължение на 1 км).

Въпреки това, според последните данни на Колския супер-дълбоки кладенци, засадени в рамките на античния кристален щита на East European платформата, на дълбочина от 10 км температурата достига 180 ° C, и на дълбочина от 12 км е повече от 200 ° C, което съответства на геотермална градиента на 0,017 ° C / м и геотермална стъпка 60 m / ° C. Може би това се дължи отчасти на някои увеличаване на дълбочината на съдържанието на радиоактивни елементи. В САЩ през седиментни скали на дълбочина от 9,5 км той е достигнал температура по-висока стойност - 243 ° С (геотермална градиента на 0.026 ° C / м, геотермална етап - 39 м / ° C).

Има случаи, когато повишаване на температурата с 1 ° С настъпва при вдлъбнатината в 2 GP. В Камчатка на дълбочина 400-500 м, температурата достига 150-200 ° C (същите като в Кола супер-дълбок кладенец на дълбочина от 12 км) и да mnogoletnemerzlotnyh породите разпределение площ, като на речния басейн. Vilyuya, на дълбочина 1800 m .temperatura е само 3,6 ° C. Това означава, че тук геотермална градиент е 0002 ° C / м, и геотермална стъпка - 500 м / ° C. Въпреки това, такава крайна стойност 0,002 и 0,15 ° C / м, най-редките и вибрации геотермални градиенти, в повечето случаи се случват в рамките на 0,02-0,05 ° C / м, и геотермална етап - 20-50 м / ° S. Това се приема като равен на 0,03 ° C / м и съответното ниво на средното потребление на геотермална достъпно за измерване на дълбочината на утаечни скали геотермална градиент - PO м / ° C.

Това геотермална градиент може да се проследи само в горната част на кората на дълбочина 15-20 км, и по-дълбоко може да бъде намален. Ако това градиент се поддържа и по-дълбоко дълбочината на най-малко 100 км температура е 3000 ° С В същото време, вулканични изригвания около тези дълбочини се изсипва върху земната повърхност на лава с температура от 1100-1250 ° C. Според изчисленията на температура VA Магнитски на дълбочина от 100 км, не превишава 1300 до 1500 ° С, в противен случай скалите мантията биха били напълно стопени и напречните сеизмични вълни преминаха.

Широката гама от стойности на геотермална градиент на територията показва различен ендогенната активност на земната кора, както и различна топлопроводимост на скали. Най-високите стойности на геотермална градиент, се ограничават до подвижни зони на океаните и континентите, и на последно място - най-стабилните и древни области на континенталната кора.

В горната част на дебелина 15-20 км от земната кора по всяко дълбочина под зоната с постоянна температура стойност на температурата може да се оцени на приблизително по формулата

TZ = TS + ZG, (3.1)

където TZ - температура, при дълбочина Z, ° C; TS - Средната годишна температура на въздуха близо до земната повърхност, ° C; Z - дълбочина, за което температурата се определя от стойността М; D - геометрична градиент, ° C / м.

Температурата на по-дълбоките слоеве на земната кора, мантия и ядро ​​се оценява много грубо въз основа на косвени доказателства. Може да се предположи, че по-ниското ниво на температура астеносферата естествено се издига със значително намаляване на геотермална етапа на геотермална градиент и увеличение. Това предположение се основава на увеличаване на дълбочината на топлопроводимост на подземни материал и намаляване на концентрацията на радиоактивни елементи, докато се движи по-дълбоко в земята.

Изхождайки от идеята, че ядрото -consists предимно от желязо, топене неговите изчисления са извършени на различни граници, като се вземат предвид съществуващите там свръхвисоки налягания, при която веществото е в състояние на висока компресия. се получават следните данни: на границата на долната мантия и вътрешна температура трябва да бъде 3700 ° С, и на границата на външната и вътрешната сърцевина - 4300 ° С, изчисления показват, че температурата на вътрешната сърцевина от около 5000 ° С

Таблица 3.1 - Най-вероятно разпределението на температурата във вътрешността на Земята (Гутенберг)

Дълбочина, км
Температура, ° С

Температурата в земята повишава бързо до дълбочина от 200 км, след което спира рязко увеличаване с дълбочина.

В описаните по-горе модели на температурни промени и неговите абсолютни стойности дълбочина, има и други гледни точки. Така, съгласно S. Lyubimov, максималната температура от 4000 ° С е характеристика на долната мантия, g.lubzhe попада в ядрото е около 2600 ° С

3. Вътрешни и външни източници на топлина. Топлинният състоянието на земната повърхност се формира от екзогенни (външни) и ендогенни (вътрешни) източници на топлина. Наличието на тези два различни енергийни потоци по произход е важна характеристика на географския обвивка на Земята. На повърхността на екзогенен енергия Земята поток около 5000 пъти по-висока от ендогенен. Това представлява около 99.5% от общата топлина, прехвърлени на повърхностния слой на Земята.

Екзогенни енергиен поток се състои предимно от elekttromagnitnogo лъчения на слънцето - слънчева радиация. Правене на Земята, слънчевата радиация в по-голямата част превръща в топлина. А определено количество топлина: енергията повърхността на земята получава от звезди и планети (поради високите енергийни космически лъчи, промени в света на постоянна гравитация, и т.н. ...), но това е много пъти (около 30 милиона) по-малко от топлинната енергия, идваща от слънцето.

Общата сума на енергия, излъчвана от Слънцето в космоса, неимоверно - 3,83-1026 вата. Това количество енергия е само ½ 200000000акции, или 1,74-1017 W пада на Земята. Потокът на слънчевата радиация в горната част на атмосферата, т. Е. Преди радиация претърпяват частично абсорбция и разсейване в атмосферата, средно разстояние на Земята от Слънцето се нарича слънчева константа. Според най-новите дефиниции, които използват ракетни и сателитни измервания, слънчевата константа I 0 = 1,353kVt / m2. Това означава, че в горната част на атмосферата, всеки квадратен метър от повърхността на всяка секунда 1353Dzh получава излъчване слънчева енергия.

Слънчева радиация преди достигане на земната повърхност в атмосферата претърпява значителни промени. Част от радиация е разпръснат от въздушните молекули и аерозоли, съдържащи се в атмосферата, а от друга - се абсорбира от и в крайна сметка се превръща в топлинна енергия.

Като цяло, всеки квадратен километър от повърхността на Земята трябва да 4,27-1016Dzh за годината, което е еквивалентно на изгаряне на 400 хил. Тона въглища. Всички съществуващи в световните запаси от въглища се равнява на повече от 30 години на притока на слънчева радиация към Земята. По-малко от 1,5 дни на слънце дава Земята на същото количество енергия, като всички централи на света за една година.

Броят е дошъл до повърхността слънчева радиация на земята зависи от географската ширина, сезона, облак покривка и атмосферно прозрачността.

земната повърхност се абсорбира само една малка част от входящата радиация. Друга част от него е отразено. Делът на погълната зависи от отражението на основната повърхност. Съотношението на отразената слънчева радиация, изразен като процент фракция или да идва тази повърхност се нарича Албедо. Албедото на естествени повърхности е много гъвкава. Запалката и земната повърхност, по-високото албедо.

Албедо зависи основно от влажността на повърхността на почвата, с която се увеличава намалява. Поради намаляването на албедо когато влажността на почвата е увеличаване на погълната. Албедо повърхностните води зависи от ъгъла на падане на слънчевите лъчи: колкото по-високо слънцето, толкова по-малко енергия се отразява. Като цяло, албедото на повърхността на водата е по-малко от албедото на земя, 6% в екваториалната зона и 16-20% -на ширина 60-70 °.

Албедо на повърхности е добре дефинирана дневна и годишна промяна поради зависимостта на албедо от височината на слънцето. Най-ниската стойност на албедо се наблюдава в .chasy почти обяд, а през годината - лято. В целом для нашей планеты по данным, полученным с искусственных спутников Земли, альбедо составляет 33%.

К эндогенным или внутриземным, источникам относится тепло, образующееся за счет гравитационной энергии, выделяемой при перемещении глубинного вещества в земное ядро в процессе его дифференциации (расслоения), распада радиоактивных элементов, адиабатического сжатия Земли и химических реакций в горных породах. К эндогенным источникам относится также «первоначальное тепло» земного шара, тепло кристаллизации и полиморфических превращений и процессов, ведущих к изменению структуры электронных оболочек ядер. Важным источником тепла является энергия земных приливов, т. е. деформаций Земли, происходящих преимущественно вдоль зон разломов под действием притяжения Луны и Солнца.

Далеко не все из указанных источников тепла равноценны. Уже на современной стадии развития геотермики можно сказать, что часть из них не играет заметной роли в тепловом режиме Земли и может быть отнесена к второстепенным источникам. Из всех перечисленных выше источников к главным относятся тепло .гравитационной энергии дифференциации глубинного вещества (за счет роста Fе в ядре) и радиоактивное тепло.

Гравитационное тепло. Оно выделяется при гравитационной дифференциации глубинного вещества Земли и тесно связано с историей ее развития. Академик А. П. Внноградов показал, что в ходе сложного физико-химического процесса зонного плавления вещества более легкоплавкие вещества (оксиды кремния и магния) поднимаются из глубин Земли к ее поверхности. Более тугоплавкие и тяжелые – такие, как оксиды железа с серой, опускаются в нижние внутренние слои. Происходит перераспределение потенциальной и кинетической энергии между поднимающимися вверх легкими и опускающимися вниз тяжелыми компонентами и выделение энергии при физико-химических превращениях вещества. По современным данным, процессы .гравитационной дифференциации глубинного вещества дают основное количество тепла, определяющего термику нашей планеты.

Радиоактивное тепло. Количество тепла, выделяемое при распаде радиоактивных элементов, велико. Так, 1 г урана генерирует в течение года 3,1 Дж тепла, 1 г тория – 0,84 Дж. Значительно меньше тепла генерирует радиоактивный калий – 1 г отдает за год 21 10-6Дж. И хотя калий выделяет мало тепла при естественном распаде, он широко распространен в верхних слоях Земли, поэтому его радиоактивность играет важную роль в «разогреве» земной коры.

Расчеты показывают, что генерация тепла радиоактивными источниками в гранитном слое земной коры составляет 7,96 10-5 Дж/(см3 год), в базальтовом – 1,47- 10-5 Дж/(см3 год), или примерно в 5,5 раза меньше.

Все геосферы и горные породы Земли содержат радиоактивные элементы, но распределены они, в том числе и главнейшие (уран, торий и калий), оказывающие наиболее существенный термический эффект, очень неравномерно. Геохимические исследования показывают, что в период ранней истории Земли основные радиоактивные элементы аккумулировались в верхней части земного шара.

Сопоставление содержания радиоактивных элементов на различных глубинах свидетельствует о том, что наибольших значений концентрация достигает в земной коре, где уран, торий и калий сосредоточены в верхних слоях, и с глубиной содержание их убывает. Так, в центральном ядре предположительно содержится радия – 0,001 · 10-6, урана – 0,003 и тория – 0,013 г/т.

Помислете за концентрация на радиогенен елементи в различни скали. Широко разпространен в земната кора магмени формации на Земята се различават по съдържанието на основния компонент - силициев диоксид (силициев оксид), размерът на който се определя киселинността или алкалността на породата. Въз основа на това вулканични скали, разделени в кисела (съдържание на силициев диоксид 65 до 70% .massovyh), средна (53-64%), основен (45-52%), ултрабазични (40-44%). От вулканични скали най-голямо количество радиоактивни елементи съдържат киселинни вулканични скали. Тези скали генерират много повече топлина, отколкото основните или ултрабазични.

От седимент-високото съдържание на радиоактивни елементи са глина и шисти, сорбент свойства са по-високи в сравнение с други породи. Хидрохимични валежи, въглища, кварцов пясък, напротив, са изключително бедни с радиоактивни елементи. В морски седименти, особено в дълбоки води, радиоактивни елементи в повече от континентален.

Колебанията в концентрацията на радиоактивни елементи в скали обикновено са малки, но понякога, особено в седиментни скали, по-висока от средната стойност (Clarke) в десетки и стотици пъти. Същото се прилага към почвата.

радиационен разпад живота на на Земята бавно отслабва, за да го датират е намалял с около 4-5 пъти. Ето защо, на средна мощност радиогенен топлина за целия период на съществуване на земята 2, е 2,5 пъти повече от стойността на модерна радиация топлинния поток.

Откриването на вещество радиоактивност в края на миналия век, произведени истинска революция в geothermics, и geochronology. Важната роля на радиоактивността на скали, като източник на вътрешната топлина на Земята за първи път е отбелязано от Е. Ръдърфорд, след това учи J. Рейли, VI Вернадски, и др. През 1906 г. Рейли показаха, че тази малка добавка на радиоактивните елементи уран, торий, а също така, както вече знаем, калий, съдържаща се в скалите е достатъчно, за да послужи като важен източник на топлина. значително отрицателно въздействие върху срока на нашата планета. По-късно (1933), академик Fersman, предвид данните за разпространението в кората на редица радиоактивни елементи, заключи, че радиоактивните топлина и по-висок топлинен режим, свързан само с повърхностния слой на Земята. Тази ситуация се обяснява много факти, включително и на не-еднородността на топлинния поток през повърхността на земята и местния характер на образованието огнища на течна лава вътре твърдо земната кора.

От всички видове топло (радиация, конвекция, пренос на топлина от вода и пара, и т.н ..), Най-важната роля, която играе v.gornyh скали молекулно проводимост. Молекулно топлопроводимост се осъществява чрез прехвърляне на топлина от твърдите частици един към друг в техните места за контакт. Това прехвърляне се осъществява както между твърдите частици, както и чрез разделяне на въздуха или на водната среда.

Топлинният поток, идващ от вътрешността на Земята към повърхността Q (W / m2) може да се определи от уравнението на топлина

Q = - λ (DT / DZ), (3.2)

където λ - коефициент на топлопроводимост на скалата, която е числено равна на количеството топлина в J тече за 1 секунда през слой с площ от 1 м 2 и дебелина от 1 m, ако температурната разлика между двете повърхности на слоя е 1 K, W / (m K); DT / DZ - вертикален наклон на промяна на температурата, K / m. От (1) следва, че F = Q / λ.

знак минус в уравнение (3.2) показва, че топлинния поток протича в посоката, в която температурата се понижава.

Съгласно формула (3.2) се изчислява като моментния (втори) топлинния поток в W / m2. Час, ден, месечните и годишните количества на топлинния поток се изразяват в J / m 2, MJ / m2, GJ / m2 и т. D.

Коефициент на топлопроводимост, която характеризира свойствата на веществото, за да пренасят топлина към различните скали и почвени компоненти варира. Като цяло, топлопроводимостта на скалата ще надценяват минерален състав, структура, текстура, плътност, порьозност, съдържание на влага, температура и налягане. С увеличаване на плътността и налягане и следователно топлопроводимостта се намалиха скала порьозност увеличава. С увеличаване на влажността скали топлопроводимостта им рязко се увеличава, тъй като коефициентът на топлопроводимост на водата по-голям от коефициента на топлопроводимост на въздуха. Например, промяна на влажност от 10 до 50% от проводимостта на топлина може да се увеличи с 2-4 пъти или повече. По този начин, за сух пясък коефициент на топлопроводимост от 1.0, и на мокро - 2.2 W / (m · K). Повишаване на температурата намалява топлопроводимостта на кристална утайка и се изсушава и увеличава тяхната наситен с вода.

Магмени и метаморфни скали имат коефициент на топлопроводимост на 2-4 (средно W W / (m · K), седиментни - 0.3-5 (средно по 1,25 W / (m · K) топлопроводимост 3,2 гранит. 4,1 W / (m · K), пясъчник - 1.3-1.7, базалт - 1,3-2,8, варовик, 1.67 Средната топлопроводимост на земната кора -. 2.34 W / (m · . K) за сравнение, коефициентът на топлопроводност на среброто - 420, мед - 390 дървесина - 0.14 - 0.20 W / m · K).

Молекулярна вода е много ниска топлопроводимост: λ = 0592 W / (m · K) при 293 К (20 ° С). Водата е лош проводник на топлина, така че трансферът на топлина във водни обекти от слой на слой по молекулярна топлопроводимост е изключително бавно, а отоплението на дълбоките води се дължи основно на процеса на вертикално смесване. Още по-ниско молекулно проводимост има въздух. При температура от 293 K, коефициентът на топлопроводност на безветрие е само 0,025 W / (m · K).

Ниска топлопроводимост е пухкав сняг, съдържащ голям брой пори, пълни с въздух. На практика, степента на оценка на топлинния поток, както следва: определяне на скоростта на покачване на температурата във вътрешността на Земята, т.е. определяне на геотермална градиента и температурен градиент на вертикалната и стойността на λ за скали, които образуват добре или шахта, в която се прави измерване на температура ... След това, с помощта на (3.2), топлинният поток се изчислява.

Измерване на топлинен поток изисква голямо внимание и се произвежда в големи дълбочини, като термичното състояние на външния капак на няколко десетки метра дебелина се определя от метеорологичните фактори.

градиент на температурата се измерва с помощта на силно чувствителни термометри електрическото съпротивление (обикновено температурен коефициент), монтирани на определено разстояние един от друг. На земята това се постига с използването на сондажи мерки за избягване на водата да тече през сондажния отвор и смущенията, причинени от пробиване. Обикновено се изискват конкретни кладенци за такива измервания дълбочина най-малко 500 m, така че наземните измервания на топлинния поток се правят малки. Топлопроводимост се определя един от двата вида в лабораторията от проби или чрез увеличаване скоростта на температура, когато е монтиран в нагревателя добре.

Измерване на температурния градиент в дъното на океана по-малко време процедура, тъй като долната част обикновено е доста мощен утаечен слой, който позволява дълго zaglubit куха тръба няколко метра. Заедно засили сонда термистори, които измерват температурата и следователно температурен градиент на. Самата сонда се използва като вземане на проби: кухина е в нейната основна мостра, чиято топлопроводимост се измерва вече са на повърхността.

Поради технически трудности първите точни измервания на топлинния поток се провеждат само през 1939 г. в Южна Америка и в Англия. Първите измервания на потока на топлина в океаните (Atlantic) бяха извършени през 1956 г. Тези измервания са дали около едни и същи ценности, които са били получени за топлинния поток на континента, който по това време беше голяма изненада.

За дълго време се е смятало, че потокът на топлина в океаните трябва да бъде много по-малко, отколкото на континента. Но действителните данни за измерване през 1956 г. опровергават това мнение. Най-простият, но не е единственото обяснение за равенството на топлинните потоци на континентите и океаните основава на предположението, че размерът на радиогенен топлина за единица площ и на континентите и океаните на същото. Разликата е само в това, че континенти радиогенен топлинни източници концентрирани в относително тънки слоеве от гранит и базалт и океани тези източници са разпръснати на дълбочина от няколко стотици километри.

В определяне на място на топлинния поток в различни области на океаните и континентите се покаже, че стойността му варира в различните части на Земята и варира в широки граници - от 0,025 до 0,168, а дори и до 0,4 W / m 2. Интензивността на притока на топлина от земята и силата определя от близостта на източника на топлина, топлопроводимостта на скали и, освен това, зависи от мобилността на земната кора и интензивността на ендогенни процеси.

В рамките на най-стабилните части на земната кора - щитове и платформи - топлинният поток е минимална: повечето от нейната стойност, равна на 0,025-0,042 W / m 2. В границите на континентите най-спокойните райони на измерените стойности на топлинния поток в диапазона от 0,038- 0,050 W / m 2, а само на някои места се увеличава до 0,054- 0059 W / m 2. В планинските райони (Карпатите, Кавказ и др.) Наблюдава увеличение на топлинния поток към 0,084-0,168 W / m 2.

В хребети океана в разломни зони и области на съвременните вулканизъм топлинните потоци са максимум (0,2-0,4 W / m 2). Топлинния поток се увеличава в посока от древността до младите области на сгъване и във всяка от тях има увеличение в потоците от foredeeps в местата с активна орогенезис. морското дъно стойност на топлинния поток в света е близо до стойността в континенталните равнините.

На фона на маркираните Моделите са местни отклонения. Те се появяват, когато, при представяне на редица изследователи, там са локализирани източници на топлина, подобни на вулканични райони на континентите и островите.

Въз основа на 7000 (1982), полеви данни установили, че средната стойност на топлинния поток от вътрешността на Земята през цялата повърхност на Земята е около 3.21 х 10 13 W или 0.062 W / m 2. През годината, топлината на този поток е 10,1 × 10 20 джаула, което се равнява на изгарянето на 1,9 × 10 10 тона петрол. Средната стойност на топлинния поток е равен на континентите 0,059 W / м 2, и за океаните - 0.063 W / м 2.

Преди се е смятало, че основният принос към общия топлинен поток на Земята прави кора от радиоактивното разпадане на елементи, съдържащи се в него. Въпреки това, изследването на температурния режим на Кола на супер-дълбоко и е позволил на нов отговор на този въпрос. Въз основа на изчислението на енергийния баланс на земната кора и мантията на Земята, EA Козловски показа, че основният източник на топлина е диференцирането на мантията материал, а не на топлинната енергия на разпад на радиоактивни елементи в скалите на горните слоеве на земната кора.

Топлинният поток от вътрешността на Земята характеризира основната скала на енергията на планетата. Свързаната произведената енергия през повърхността на земята в момент на 3,21 × 10 13 W е около 100 пъти повече от цялата енергия, освободена от земетресения и вулканична активност. От енергийна гледна точка, всички други процеси, протичащи в недрата на земята, се сравняват с него феномени като страна, придружаваща термичен еволюция на Земята.

Ние очакваме, термичната еволюция на Земята по време на своето съществуване т = 4,6 · 10 9 години се приема постоянна Q топлинния поток = 3,21 13 октомври вата. През годината, загубата на топлина от повърхността на земното кълбо направи Q = 3,21 · 13 октомври · 365 · 86 · 400 = 10.1 × 10 20 J. По време на съществуването на Земята е загубил топлина на Qt = 10.1 × 10 20 × 4.6 · 109 = 4.6 × 10 30 J. средна топлина капацитет на Земята Н = 0,96 × 10 3 J / (kg.K) в, и неговата маса m = 5,98 × 10 24 кг. По време на съществуването на Земята беше охлаждане си на Δt градуса, които получаваме чрез разделяне на общата загуба на топлина на Земята най-високото си капацитет топлина и маса, т. Е.

Δt = Q т / час с м. (3.3)

Заместването в това уравнение загубата на топлина по време на съществуването на Земята, устойчиви на висока температура и масата, ние откриваме, че в продължение на 4,6 милиарда години, Земята е охладена до 800 ° C или 0,0000001 ° C годишно. Според учените това охлаждане се изчислява като съвсем нормално.

Охлаждане на Земята в момента е бавен. Активност по отношение на зоната на термично охлаждане са горните слоеве на земята на дълбочина 100-200 км, особено в областта на пролиферация на киселина скали. В дълбоките недра на разпределението на температурата на планетата леко "ненормален" изтичането на топлина към повърхността.

Теоретично изчислено, че "охлаждане време на Земята" - около 10 12 години, което е повече от 2000 пъти по-висок от "живота на Земята", равна на 4.6 х 10 9 години. Това заключение се основава на, като се вземат предвид следните фактори: топлината на земята, ниска топлопроводимост на подземни материал, много нисък процент на затопляне се дължи на радиоактивния разпад и на дълги разстояния, които топлина трябва да премине преди листата на повърхността на земята.

Ето някои данни за спътника на термики Земята - Луната. На Луната, две измервания на топлинния поток е доволен, след кацането на космически кораб "Аполо-15" в граничната зона между морето и континенталните райони и "Аполо 17" - в континентална зона. И в двата случая, сондажа пробити на дълбочина 230sm, които се поставят в топлинните сонди. Стационарен температура на Луната определя на дълбочина от 70 сантиметра и са 253 К. От тази дълбочина, термичен градиент, отразяващ постоянен топлинен поток от вътрешността към повърхността, съответно на 1.3 и 1.7 ° C / м. Топлинният поток от вътрешността на Луната е приблизително 3-4 пъти по-малко, отколкото на Земята топлинния поток.

4. топлинния баланс на на Земята. Слънчева радиация е основен източник на топлинна енергия за почти всички естествени процеси, развиващи се в атмосферата, хидросферата и в горните слоеве на кората на главния мозък. В резултат на това, механизмът на превръщане на слънчевата енергия в географско обвивка на Земята е от голямо значение за развитието на широка гама от теоретично: практически проблеми. За да ги решим, което трябва да знаете: колко слънчева топлина получава горната граница на атмосферата, тъй като тя отива за отопление на атмосферата, за да промените състоянието на водните пари в атмосферата; количеството топлина достига сушата и океана повърхност, която се нагрява до различни органи, промяна на състояние (от твърдо в течно, от течно към газообразно състояние) химични реакции, особено тези, свързани с органичен живот; колко топлина на Земята губи от радиация в космоса и как е тази загуба.

В основата на изследването на всички форми на преобразуване на слънчева енергия във външния географската обвивка е баланс уравнение на топлина, която изразява закона за запазване и преобразуване на енергия. уравнението на топлинния баланс се използва за определяне на моделите на развитие на редица важни геофизични процеси, протичащи при обмен на енергия и конверсия на влияние между геосферата и вътре в тях, за да се изчисли на отопление и охлаждане на земя и вода на повърхността, изпаряване на вода, сняг, лед, натрупването и така нататък. г.

уравнение топлина баланс може да се запише за атмосферата на система -... земята, т.е., за цялата Земя като цяло, за атмосферата, земната повърхност, всички части на земята, океаните и моретата, и т.н. В съставянето на топлинния баланс отчита всички източници на приходи и разходи топлина. В тази топлина входящите потоци се записват с плюс, прекарано - със знак минус.

В присъствието на оригиналните данни топлинен баланс може да се изчисли за всеки период от време - година, месец, ден. Всички членове на уравнението на топлинния баланс трябва да бъдат изразени в същите топлинни единици - както във формата на топлина, т.е., J, или като интензитет на топлинните .potoka вливащи за единица време на единица площ, т.е. в W / .... м 2 J / (m 2 година) и така нататък. г. последната форма е по-удобно, тъй като позволява да се получат стойностите, които са сравними за различни предмети, и да се избегнат тежки номера.

Определяне на топлинния баланс компоненти, особено тези, като кръгла бурна топлина, абсорбирана от слънчевата пряка и дифузна слънчева радиация, в сила от радиация и атмосферно радиация и т.н., проблемът е доста сложно. Първият въпрос, на изследването на топлинния баланс е направен изключително географ и климатолог Voeikov. "Мисля, - пише той през 1884 г. - това е един от най-важните задачи на физическите науки в днешно време -. Поддържане на профила книга на слънчевата топлина, получена от земното кълбо, с неговия въздух и вода черупка" Задълбочено изследване на топлинния баланс започва в края на 30-те години. след създаването на методи за определяне на ключовите му компоненти. Работата се извършва в две направления: създаване на специални инструменти за измерване на отделните компоненти на баланса и развитието на методи за изчисляване на .balansa компоненти на теоретична основа. Голям принос за развитието на тези области са направили изследвания на шведски учен А. ангстрьома, Норвегия - О. Devika и съветски учени Budyko, P. Кузмина, MP Тимофеев и др.

Най-изчерпателното до момента, разследвал топлинен баланс на системата на "земя - въздух" (т.е., на Земята като планета ..), атмосферата и земната повърхност. Информация за баланса на отделните слоеве на атмосферата (тропосферата, граничния слой) и на по-специфични вътрешни Геосфера Земята не може да се смята за завършена.

Земята получава топлина чрез абсорбиране късовълнова слънчева радиация в атмосферата, и особено върху земната повърхност. Слънчевата радиация е практически единственият източник на топлина въвеждане на системата "атмосфера-Earth". Други източници на топлина (топлината, генерирана от разпадането на радиоактивните елементи в гравитационното топлина на Земята, и т.н.) Добавяне до само един от пет хилядна част от топлината, която постъпва в горната граница на атмосферата от слънчевата радиация SO и в подготовката на уравнението на топлинния баланс може да се пренебрегне ,

Загуба на топлина от влизащия в глобалното пространство на къси вълни радиация, отскочи назад от атмосферата Soa и повърхност SOP на земята, и се дължи на ефективното излъчване на земната повърхност дълговълнова радиация и атмосферно радиация Ее Ea. По този начин, в горната част на атмосферата топлинния баланс на Земята като планета е съставена от лъчиста (радиация) на пренос на топлина:

Ското Soa- Sop- ЕЕ Ea = ± ΔSz, (3.4)

където ΔSz - промяна в топлина "атмосферата на системата - Земята за период от време Δt.

Помислете за условията на това уравнение за годината. Слънчевата радиация при средна дистанция на Земята от Слънцето е приблизително 42,6 х 10 9 J / (m 2 годишно). Този поток се доставя енергия на земята равна на произведението на слънчевата константа при сечение на Земята I0 πR 2, т.е. I0 πR 2, където R - .. Среден радиус на Земята. Под влияние на въртене на Земята, тази енергия се разпределя по цялата повърхност на земното кълбо, равен 4πR 2. Следователно, средната стойност на потока на слънчевата радиация върху хоризонтална повърхност на Земята, без да взема предвид отслабването на неговата атмосфера е I0 πR 2 / 4πR 2 = I0 / 4, или 0,338 кВтч / м 2. За една година на квадратен метър от повърхността на атмосферата, средно получава около 10,66 × 10 9 J, или 10.66 GJ на слънчева енергия, т.е.. E.S 0 = 10.66 GJ / (m 2 · Тод). Фиг. 3.1 Тази стойност е представена със стрелка S 0.

Помислете за разходната част на уравнението (3.4). Вписана на външната граница на Слънчевата радиация атмосфера частично прониква в атмосферата и частично се отразява на атмосферата и повърхността на Земята в космоса. Според последните данни на средната албедо на Земята се оценява на 33%: това е сумата на отражението от облаците (26%) и отражението от основната повърхност (7%). Тогава облаци отразени радиация SOA = 10.66 = 0.26 · 2.77 GJ / (m 2 годишно), повърхността на Земята - Соп = 10.66 = 0.75 · 0.07 GJ / (m 2 годишно) и като цяло, Земята отразява 3.52 GJ / (m 2 години) (фиг. 3.1 стрелки SOA, SOP, SOZ).

земната повърхност се нагрява от усвояването на слънчевата радиация, тя се превръща в източник на дълговълнова радиация, нагряване на атмосферата. Повърхността на всяко тяло с температура над абсолютната нула излъчват топлина непрекъснато. Те са на повърхността не е изключение на Земята и атмосферата. Според закона на Стефан - интензивност на Болцман радиация зависи от температурата на тялото и излъчвателна на E = βσT4,

където Е - интензивността на излъчване, или вътрешна радиация, W / m2; . Р способността относителна -lucheispuskatelnaya тялото да черното, за които Р = 1; σ - Stefan - Болцман константа, която е равна на 5,67 х 10 -8 W / (m 2 · К 4); T - абсолютната температура на тялото.

Стойностите на β за различни повърхности варират от 0.89 (гладка повърхност на водата) до 0.99 (дебелина зелена трева). Като цяло за земната повърхност β е равен на 0.95.

Абсолютна температура на повърхността на земята, са между 190 и 350 К. при такива температури, излъчена радиация има дължини на вълните 4-120mkm и поради това е всичко инфрачервения и не се възприема от окото.

Правилната повърхност радиация земната Es изчислява, равно 12.05 GJ / (m 2 година), които 1,39GDzh / (m 2 година), или 13% по-висока от влезе в горната граница на атмосфера слънчева радиация S 0. Такъв голям изход радиация на повърхността на Земята ще доведе до бързо охлаждане, ако това не пречи на процеса на усвояване на слънчевата радиация и атмосферно повърхност на Земята.

Инфрачервен наземна лъчение, или притежавате земната повърхност в границите на 4,5 до 80 микрона дължина на вълната силно абсорбира от атмосферата на водна пара, и само в границите на 8.5 - 11 микрона преминава през атмосферата и в космоса. На свой ред, на водна пара в атмосферата и излъчват невидими инфрачервени лъчи, голяма част от която е насочена надолу към повърхността на земята, а останалата част отива в космоса. Атмосферно радиация идва до земната повърхност, наречена брояч на атмосферата светлината.

Фигура 3.1 - The топлинния баланс на Земята, GJ / (m 2 годишно)

От контра-радиация от атмосферата повърхността на Земята поглъща 95% от стойността си, тъй като способността закон на Кирхоф излъчвателна тялото е способността му luchepoglotitelnoy. По този начин, за борба с радиация от атмосферата към земната повърхност е важен източник на топлина в допълнение към абсорбира слънчевата радиация. Директно определяне на контра-излъчване на атмосферата не може да бъде изчислена чрез косвени методи. земната повърхност абсорбира радиацията брояч Eza атмосфера = 10.45 GJ / (m 2 годишно). По отношение на S 0, е 98%.

Counter радиация е винаги по-малък от Земята. Затова повърхността на земята губи топлина от положителната разлика между себе си и контра-лъчение. Разликата между повърхността на земята от собствената си радиация и контра-радиация от атмосферата, наречен ефективното излъчване (Ez).

Ее = Ez - Eza (3.5)

Ефективна радиация е чиста загуба на лъчиста енергия, а оттам и на топлината от повърхността на земята. Тази изходяща топлина в космоса е 1,60 GJ / (m 2 · година), или 15% от горната граница на входящо слънчевата радиация в атмосферата (фиг. 3.1 Ее стрелка). В умерените ширини на повърхността на земята, чрез ефективното излъчване губи около половината от количеството топлина, която получава от погълнатата радиация.

Атмосферно радиация е по-сложно, отколкото радиацията на повърхността на земята. На първо място, според Кирхоф закон излъчва енергия само тези газове, които го абсорбират, R. F, водни пари, въглероден диоксид и озон. Второ, емисиите на всяка от тези газове е селективен комплекс. Тъй като съдържанието на водна пара намалява с височина, най-силно излъчващи слоеве на атмосферата са на височини от 6-10km.

Дълговълнова радиация на атмосферата в пространството Ea = 5.54 GJ / (m 2 години), което представлява 52% от слънчевата радиация притока на горната част на атмосферата (фиг. 3.1 стрелка ЕА). Дълговълнова радиация на повърхността на земята и атмосферата, влизайки в пространството, наречено напускащия радиация Ей. В обобщение, това е 7,14GDzh / (m 2 · година), или 67% от притока на слънчева радиация.

Заместването в уравнение (3.4), намерени стойности S0, SOA, Соп, Ее и Ea получи ΔSz = 0, т. Д., заедно с изходящия радиация отразена и разсеяна късовълнова радиация Soz компенсира притока на слънчева радиация към Земята. С други думи, с атмосферата на земята губи толкова радиация получава, и следователно, радиация е в равновесие.

Топлинният баланс на Земята се поддържа от дългосрочни наблюдения на температурата: Средната температура на земната година на година промени малко, и от един период към друг дългосрочно остава почти непроменен.

5. топлинния баланс на атмосферата. Атмосферата получава и губи топлина чрез абсорбиране на слънчевата и наземна радиация и даване на радиация му в пространството и повърхността на Земята. Освен това, обменя топлина с повърхността на земята чрез radiationless. Топлината се прехвърля от земната повърхност или обратно във въздуха чрез проводимост. Накрая, топлината се консумира чрез изпаряване на вода от повърхността под тях, а след това той се освобождава в атмосферата при кондензацията на водна пара. С това каза, топлинния баланс на атмосферата има формата

Sa-Ea + Qt + Qc = ± ΔSa, (3.5)

където Sa - атмосфера абсорбира късовълнова слънчева радиация; Ea - дълговълнова радиация от атмосферата; Qt - бурен обмен на топлина между земната повърхност и атмосферата; Qc - топлина на кондензация на водна пара в атмосферата; ΔSa - промяна на съхранение атмосфера на топлина за определен период от време Δτ.

Слънчевата радиация, получена от атмосферата на Земята, преди да достигнат земната повърхност е в процес на някои значителни промени. Преминавайки през атмосферата, се абсорбира частично от атмосферни газове и примеси, тя се превръща в топлина и се използва за отопление на атмосферата. Част от слънчевата радиация е разпръсната от атмосферните газове и аерозолни става специална форма на радиация -rasseyannoy.

Слънчевата радиация се абсорбира в атмосферата, най-вече в инфрачервената част на спектъра, и селективно: различни газове абсорбират радиация в различни спектрални области в различна степен. Основната пара абсорбера се центрира в тропосферата, и особено в долната си част. От общия поток на слънчевата радиация водна пара поглъща значителен дял в инфрачервената област на спектъра. Силно поглъща радиация озон. Въпреки че съдържанието му в атмосферата е много малка, но тя е толкова силно поглъща ултравиолетовите лъчи, които в слънчевия спектър на земната повърхност не се наблюдава дължина на вълната по-къса от 0.29 микрона.

Слънчевата радиация се абсорбира и атмосферни замърсители и капчици от облаци и мъгли. Със силни замърсяването на въздуха (особено в градските райони с прашни бури, голям горски и торфени пожари, и така нататък. Н.), Solar усвояване радиация може да бъде значително. Във всеки сайт абсорбция се променя с времето, в зависимост от съдържанието на въздуха абсорбиращи вещества и слънчеви височина над хоризонта. В резултат на поглъщане на енергия .solnechnaya preoobrazueteya в други форми на енергия главно за отопление, и в горните слоеве на йонизация - в електричество.

Scatter слънчева радиация, атмосферни аерозоли, които се суспендират във въздуха, твърди или течни частици с различни размери, както и молекули разумно въздух. До височина от 3 km разсейване на слънчевата радиация се дължи основно на аерозоли и по-висока - молекулно разсейване доминира. Разсейване на радиация по-голям е по-дълго съдържа въздух аерозол.

Атмосферата в разсеяна радиация се превръща около 25% от общата слънчева радиация. Въпреки това, значителна част от разсеяна радиация (около 2/3) също излиза на повърхността. Но това е особен вид на радиация, значително се различава от прякото излъчване в спектралния състав.

Unscattered нерезорбиращ в атмосфера на пряка слънчева радиация достига земната повърхност. От 10.66 GJ / (m 2 · година) получи слънчева радиация в атмосферата достига земната повърхност радиация СПЗ = 5.55 GJ / (m 2 · година), или 52%. Погълнат слънчевата атмосфера Sa е 2.34 GJ / (m 2 години), или 22% от слънчевата радиация идва на земната атмосфера (фиг. 3.1 стрелка Sa).

Единственият консуматив компонент на уравнението (3.5) е дълговълнова радиация Ea атмосфера в космоса. Разход на топлина чрез излъчване от атмосферата откриваме разликата между изходящата Ey и Ее ефективно излъчване, т.е. Ea = 7,14 - .. 1.60 = 5.54 GJ / (m 2 годишно) (фигура 3.1, за стрела ЕА.) , Излъчването на атмосферата е 2,4 пъти повече от атмосферата абсорбира късовълнова слънчева -radiatsii и 52% от входящата радиация в горната граница на атмосферата. Поради тази радиация щеше да охлажда атмосферата при 1,5 ° C / ден, ако не е имало други нерадиационните източници на топлина вход -. Пристигането на топлината от повърхността турбулентен пренос на топлина на Земята и кондензация на водна пара.

Турбулентни загрява повърхността на Земята и атмосфера. Температурата на повърхността на земята по отношение на различни пейзажи на сушата и във водни органи не правя обикновено равна на температурата на долния слой на въздуха. В резултат, между повърхността и атмосферата има вертикален поток на топлина поради бурната топлопроводимост на повърхността въздух слой.

Турбулентни обмен на топлина във вертикална посока по теоретични изследвания, описани по уравнението

Qt = -ρcpkdt / DZ, (3.6)

където Qt - топлинен поток за единица време през единица площ; ρ - плътността на въздуха; CP - специфична топлина на въздуха при постоянно налягане; K - коефициент турбулентен обмен; DT / DZ - вертикален температурен градиент. В знак минус показва, че потокът се насочва от по-горещо повърхността на земята в атмосферата.

Определяне вертикална турбулентен поток на топлина, както чрез преки измервания и уравнение (3.6), поради трудността да се намерят к представлява най-голямото предизвикателство в сравнение с изчисляването на други членове на топлинния баланс. По имеющимся оценкам турбулентный теплообмен между земной поверхностью и атмосферой Qт составляет небольшую величину – 0,74 ГДж/ (м 2 ·год), или 7% пришедшей к атмосфере солнечной радиации (на рис. 3.1 стрелка Qт).

Тепло, выделяющееся при конденсации водяного пара. Количество тепла, выделяемого при конденсации водяного пара в атмосфере Qk , определяется по формуле

Qk=Lm, (3.7)

где L – удельная теплота испарения воды; m – масса сконденсировавшегося водяного пара. В среднем за год в атмосфере конденсируется огромная масса влаги – 577·10 12 м 3 . Эта та вода, которая испаряется с земной поверхности, а затем вновь выпадает в виде дождя и снега. Удельная теплота конденсации водяного пара исключительно велика. При 273 К (при 0°С) она равна 2,5·10 6 Дж/кг. Перемножив одну величину на другую и принимая во внимание, что площадь поверхности Земли 510·10 6 км 2 , получим Qk =2,46 ГДж/ (м 2 ·год) (рис. 3.1, стрелка Qk). По отношению к пришедшей на верхнюю границу атмосферы солнечной радиации эта величина составляет 23%.

Подставляя найденные таким образом составляющие теплового баланса атмосферы в уравнение (3.5), получим, что изменение теплозапаса атмосферы ΔSа за годовой период равно нулю.

6. Тепловой баланс земной поверхности. Уравнение теплового баланса земной поверхности имеет вид

Sпз–Sоп–Eэ–Qт–Qи=±ΔSп (3.8)

где Sпз –поступившая на поверхность Земли коротковолновая радиация; Sоп – отразившаяся от земной поверхности радиацня; Еэ – эффективное излучение; Qт – турбулентный теплообмен с атмосферой; Qи –затраты тепла на испарение; ΔSп – изменение теплосодержания земной поверхности за период времени Δt.

Из поступившей на верхнюю границу солнечной радиации S 0 =10,66 ГДж/ (м 2 ·год), примем ее за 100%, поверхности Земли достигает лишь 5,55 ГДж/ (м 2 ·год), или 52%. 2,77 ГДж/ (м 2 ·год), или 26% солнечной радиации, отражается атмосферой и 2,34 ГДж/ (м 2 ·год), или 22%, поглощается ею. От земной поверхности отражается еще 0,75 ГДж/ (м 2 ·год), или 7% радиации. Таким образом, поглощенная земной поверхностью солнечная радиация Sпп=4,80 ГДж/ (м 2 ·год), что составляет менее половины (45%) поступившей радиации на поверхность атмосферы, но значительно больше, чем поглощает атмосфера.

Расходные компоненты баланса Sоп , Еэ и Qт известны по приведенным выше расчетам. Затраты тепла на испарение Qи равны количеству тепла, выделяемому при конденсации влаги в атмосфере. Подставив найденные значения составляющих баланса в уравнение (3.8), получим, что за годовой период ΔSп = 0 и, следовательно, среднегодовая температура поверхности Земли от года к году так же, как и температура Земли, в целом не изменяется.

Заслуживает внимания то, что отношение эффективного излучения с земной поверхности к общему излучению Земли Eэ/Еу=0,22 гораздо меньше соответствующего отношения, количеств поглощенной радиации земной поверхностью и атмосферой Sпп/Sпа =0,67. Это различие показывает, какое громадное влияние .оказывает на термический режим Земли парниковый эффект. Благодаря парниковому эффекту поверхность Земли получает около 3,2 ГДж/ (м 2 ·год) радиационной энергии, которая частично расходуется на испарение воды (2,46 ГДж/м 2 ·год) и частично возвращается в атмосферу турбулентной теплоотдачей (0,74 ГДж/(м 2 ·год).

Средние значения теплового баланса Земли, в целом атмосферы и земной поверхности к настоящему времени установлены с более или менее удовлетворительной степенью точности. Они достаточно плавно изменяются в зависимости от широты места и времени года.

<== Предишна лекция | На следващата лекция ==>
| Топлинният поле на Земята. Thermal зониране на вътрешността на Земята. Топлинният баланс на Земята

; Дата: 01.11.2014; ; Прегледи: 1285; Нарушаването на авторските права? ;


Ние ценим Вашето мнение! Беше ли полезна публикуван материал? Да | не



ТЪРСЕНЕ:


Вижте също:



ailback.ru - Edu Doc (2013 - 2017) на година. Тя не е автор на материали, и дава на студентите с безплатно образование и използва! Най-новото допълнение , Al IP: 11.45.9.22
Page генерирана за: 0.114 сек.