Закономерности формирования и развития толщ мерзлых пород и сезонного промерзания и протаивания. Энергетический баланс Земли

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТОЛЩ МЕРЗЛЫХ ПОРОД

ЛЕКЦИЯ 2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И КЛИМАТИЧЕСКИЕ

Термодинамический (энергетический) подход к изучению формирования и развития мерзлых пород приобретает все большее значение. Однако изученность внутренних и внешних параметров, влияющих на изменение состояния мерзлых толщ, а также изменений основных термодинамических функций (внутренней энергии, энтальпии и энтропии) до настоящего времени остается еще слабой. В силу этого основные усилия исследователей, направленные на изучение термодинамических условий развития мерзлых пород, сводятся главным образом к определению и изучению тепловых и водно-тепловых балансов мерзлых толщ.

Поскольку мерзлые горные породы представляют собой планетарное явление, то их распространение и развитие зависят от общего теплового состояния Земли и его изменений, определяемых планетарным тепловым (энергетическим) балансом. При этом следует учитывать, что тепловой баланс пород зависит от зонального, регионального и локального распределений приходящей энергии, обусловленных в свою очередь геолого-географическими условиями. Следовательно, энергетический баланс горных пород необходимо изучать в планетарном, зональном, региональном и локальном аспектах.

Тепловое состояние поверхности Земли определяется количеством тепловой энергии, поступающей от внешних и внутренних источников. Внешними энергетическими воздействиями на нашу планету являются: 1) лучистая энергия (электромагнитное поле) Солнца и звезд (10²⁵ Дж/год); 2) корпускулярное, в том числе и нейтронное, излучение Солнца и звезд (10¹⁸ Дж/год); 3) энергия метеоритов, падающих на Землю; 4) гравитационные воздействия Луны, Солнца и других небесных тел (10²⁰ Дж/год).

К внутренним источникам энергии (с долей условности) можно отнести энергию выделяющуюся: 1) при ядерных реакциях (10²¹ Дж/год); 2) при гравитационных процессах внутри Земли (10²⁰ Дж/год); 3) при изменениях скорости вращения Земли (10²⁰ Дж/год);

4) при экзотермических химических реакциях (10¹⁹ Дж/год).

Внешние энергетические воздействия примерно в 100 тыс. раз (на пять порядков) мощнее, чем воздействия внутренних источников. Это позволяет сделать вывод, что основным источником энергии для протекания многих процессов на поверхности Земли и для формирования температурного поля верхней части земной коры является поступление лучистой энергии от Солнца.

Таким образом, планета Земля находится в потоке солнечной коротковолновой (длина волны около 0,5 мкм) радиации. Параллельный пучок солнечных лучей доставляет к границе атмосферы около 1,4 кДж/м²с тепла. Поверхности Земли достигает лишь часть лучистого излучения Солнца. Остальная часть отражается облаками в мировое пространство, рассеивается и поглощается атмосферой. Достигающая же поверхности Земли солнечная энергия слагается из прямой Q_np и рассеянной в атмосфере q_p радиации. Причем поверхность Земли, вследствие ее шарообразности, получает в разных своих частях различное количество прямой солнечной радиации на единицу площади.

Часть поступающей к поверхности Земли радиации (Qnp+ q_p) отражается от нее, а оставшаяся часть - поглощается. Отношение отраженной части радиации ко всей - представляет собой альбедо α поверхности. Суммарное среднее альбедо Земли как планеты равняется 0,37—0,40. Для естественных земных поверхностей значение α изменяется в широких пределах— от 0,05 у водной поверхности до 0,5 у свежевыпавшего снега. Поглощенная земной поверхностью коротковолновая солнечная радиация, может быть представлена в следующем виде: (Qпp+ q_p) (1 — α). Большое количество тепла в виде длинноволновой радиации получает поверхность от нагретой атмосферы (инфракрасное излучение с максимумом энергии в области λ ~ 8—10 мкм) так как поверхность любого нагретого тела излучает энергию. Часть энергии, излучаемой атмосферой и поглощаемой поверхностью Земли, обозначается I_а. К приходной части баланса следует отнести и тепло, поступающее к поверхности из недр Земли, — q.

Приходная часть баланса обеспечивает энергией подавляющее большинство процессов, протекающих на поверхности Земли и в подстилающих породах. В первую очередь приходная часть баланса затрачивается на поддержание температуры на поверхности Земли, существенно отличной от 0 К. Поэтому к основным расходным статьям радиационно-теплового баланса поверхности Земли относится, в первую очередь, количество длинноволновой лучистой энергии, которую Земля, как нагретое тело, теряет во внешнее пространство I_из. Разность между I_из и I_а в климатологии нередко именуется как длинноволновое эффективное излучение поверхности Земли (I_эф = I_из — I_а). Используя приведенные выше обозначения и называя разность между поглощаемой коротковолновой радиацией и длинноволновым эффективным излучением Земли радиационным балансом подстилающей поверхности R, можно записать:

R= (Qпp+ q_p) (1 — α) — I_эф (2.1)

К другим наиболее существенным и наиболее изученным процессам относятся испарение (конденсация) с поверхности (LE —произведение скрытой теплоты испарения — конденсации на количество испаряемой или конденсируемой влаги), турбулентный теплообмен поверхности с окружающим воздухом р и теплопотоки в грунте В. В летний период эти процессы приводят к расходу энергии с поверхности. В зимний период теплопотоки в грунте В направлены к поверхности и должны быть отнесены к приходной части баланса. Это часто относится и к турбулентному теплообмену р. Таким образом, структура теплового или радиационно-теплового баланса на поверхности Земли существенно зависит от временного интервала.

В климатологии принято записывать уравнение радиационно-теплового баланса в таком виде, в котором группирование чле­нов производится не по принадлежности их к приходной или расходной части, а по способу теплообмена: в одну часть записываются составляющие лучистого теплообмена, в другую составляющие, связанные с конвективным и кондуктивным механизмом переноса тепла:

(Qпp+ q_p) (1 — α) — I_эф = R = LE + p +B (2.2)

где левая часть, обозначаемая R, носит название радиационного баланса, а правая часть — теплового баланса.

Все члены радиационно-теплового баланса являются инте-гральными характеристиками. Они представляют собой количество энергии, поступившее к поверхности или ушедшее от нее за определенный отрезок времени (за год, полугодие, месяц, декаду и т.д.). Поэтому изменчивость отдельных членов и вся структура баланса во многом определяется временным интервалом.

Если рассматривать радиационно-тепловой баланс не только в планетарном и зональном аспектах, но и в региональном и локальном планах, то следует иметь в виду, что его уравнения должны представлять собой частные формулировки закона сохранения энергии. Эти уравнения могут составляться как для тонкого поверхностного слоя, так и для различных объемов частей литосферы, гидросферы или атмосферы, энергия (тепло) в которые может поступать различными способами и путями, В частности, перенос тепла может осуществляться движущейся водой, что требует наряду с тепловым балансом рассматривать также и соответствующий водный баланс. Уравнение водного баланса, например, поверхности суши при этом выражает равенство прихода и расхода влаги, поступающей к рассматриваемому горизонтальному участку поверхности или в некоторый объем породы за определенный промежуток времени. Для поверхности суши это уравнение может быть, представлено в виде:

r = e + f+b, (2.3)

где г — осадки; е —разность испарения и конденсации влаги на земной поверхности; f — сток воды; b — изменение содержания влаги в породе. Не менее существенным при рассмотрении теплового баланса части гидросферы или атмосферы является учет бокового переноса тепла течениями водных или воздушных масс.

Дата добавления: 2014-01-07