Тепловий баланс

Взаємопов’язані процеси надходження радіаційної енергії у вигляді прямої, розсіяної і відбитої радіації, її наступне перетворення у теплову на діяльній поверхні, що витрачається на нагрівання ґрунту (і рослин), приземного шару повітря і евапотранспірацію – це основні процеси радіаційного і теплового балансів на земній поверхні. Всі ці процеси представлені на рис. 8.1.

Пряма, відбита у видимому спектрі, і довгохвильова радіація (інфрачервона) надходять на діяльну поверхню, а з діяльної поверхні випромінюється радіація у вигляді відбитої у видимому спектрі і у вигляді теплових променів (інфрачервоних). Результатом всіх цих відбивань-перетворень є радіаційний баланс, І_n – велика стрілка, направлена або всередину ґрунту (день) або з ґрунту в атмосферу (ніч). Формується тепловий баланс ґрунту. Як вже знаємо, баланс формується для конкретного шару і проміжку часу. Позитивні складові балансу – це всі складові, які мають направлення до шару, що розглядається, ті, які намагаються “наповнити” шар; від’ємні, навпаки, його “спустошити”. У найбільш загальному вигляді тепловий баланс буде мати такий вигляд:

(Пряма сонячна радіація) + (Розсіяна сонячна радіація) + (Противипромінювання атмосфери) – (Відбита сонячна радіація) – (Випромінювання ґрунтом тепла) – (Конвективне нагрівання приземного шару атмосфери) – (Втрата тепла на випаровування і транспірацію) –

(Потік тепла у ґрунт) = 0

Перші п’ять членів цього балансу формують радіаційний баланс І_n. А три останні витратні: нагрівання ґрунту і листкової поверхні рослин Q_s, нагрівання приземного шару повітря – Н_а і випаровування води LE як похідна питомої теплоти випаровування L (яка складає приблизно 585 кал/г Н₂О) на кількість води, що випаровувалась із ґрунту і з рослин – евапотранспірацію, Е (г Н₂О/(см²·доб)). Тому розмірності всіх складових теплового балансу ті ж, що і радіаційного балансу – кал/(см²·доб). Не слід забувати і ще одну складову – енергію, витрачену на фотосинтетичні процеси, – Q_ФАР, яка є досить невеликою у порівнянні з іншими. Тому часто її навіть не вказують у рівняннях теплового балансу:

І_n –Q_s – Н_а – LE – Q_ФАР = 0

У цих рівняннях напрямок потоків тепла і, відповідно, знак вказуються у залежності від напрямку до поверхні: позитивним будуть усі складові, які мають напрямок до поверхні, а негативним – від неї. Це уточнено у вищенаведеному рівнянні теплового балансу. Воно характеризує денні години. А ось нічні години, як видно на рис. 8.1, складові мають інший напрямок. З глибини ґрунту до поверхні направлений внутрішньо ґрунтовий потік. І величина Q_s позитивна, так само, як і Н_а, так як турбулентний потік тепла може бути направлений у нічний час до поверхні ґрунту. Евапотранспірація у нічний час близька до нуля, а ґрунт виділяє тепло у атмосферу – радіаційний баланс від’ємний. Таким чином, тепловий баланс у нічний час складатиме

Q_s + Н_а– І_n – LE = 0

Це означає, що і радіаційний баланс у нічний час від’ємний. Тому двічі на добу основні складові теплового балансу (І_n, Q_s, Н_а) змінюють свій знак і проходять через нуль. Тепловий баланс мають періодичний (але не симетричний) вигляд, як це і зображено на рис. 8.2. Для літнього періоду (рис. 8.2, а) добовий радіаційний баланс позитивний більшу частину доби, а ось зимою (рис. 8.2, б) – в основному від’ємний. Це добре видно на рис. 8.2: зимою значно довший період від’ємних значень І_n, Q_s. у результаті ґрунт охолоджується.

Що випливає із схеми і рівнянь радіаційного і теплового балансів? Перш за все, що всі ці процеси формуються на діяльній поверхні і від її характеристик залежать величини складових балансу. Змінюючи їх (наприклад, величину альбедо α), ми можемо суттєво змінювати співвідношення стрілок енергії, що надходить і відбитої енергії і в результаті – величину потоку тепла, що надходить у ґрунт. А це значить, що, змінюючи властивості діяльної поверхні, можна досить помітно змінити співвідношення складових теплового балансу. Це особливо важливо: саме ґрунтовій поверхні належить основна роль у прогріванні приземного, життєво важливого шару повітря.

Рис. 8.2. Добовий хід складових теплового балансу у літній і зимовий періоди

Крім того, співвідношення статей теплового балансу поверхні буде суттєвим чином залежати і від вологи, що містить у ґрунті: більше вологи – більше складова LE, менше тепла на прогрівання ґрунту і приземного шару повітря. значить, регулюючи вологість ґрунту, ми регулюємо і тепловий режим. Висушуючи ґрунт (дренаж), ми “зігріваємо” її, а зволожуючи, “охолоджуємо”. Ці два режими є строго взаємопов’язані. Вірніше – навіть всі три: адже повітряний і газовий режими також пов’язані з водним. Які широкі можливості відкриваються нам в управлінні ґрунтовими процесами. Потрібно вміти змінювати властивості діяльної поверхні (у нашому випадку – поверхні ґрунту), зволожувати і висушувати її, і будуть відповідно змінюватись водний, повітряний і тепловий режими, які формують основи ґрунтової родючості і функцій ґрунту в біосфері. А для того, щоб керувати, потрібно вміти розраховувати складові балансу, теплові потоки. Для ґрунтових процесів найбільш важливим є внутрішньо ґрунтовий потік тепла Q_s.

Дата добавления: 2014-01-04