1.2: Заголовок і охолодження земної поверхні

НАГРІВАННЯ І ОХОЛОДЖЕННЯ ЗЕМНОЇ ПОВЕРХНІ

1.2.1 Вступ

Існує галузь кліматології, яка називається мікрокліматологія, яка займається кліматом в конкретній місцевості на Землі. Одна важлива частина мікрокліматології пов'язана з тим, що можна охарактеризувати як «клімат біля землі». Хіба це не здається підходящою темою для курсу на навколишнє середовище поверхні Землі?

Більшість стандартних спостережень погоди, зроблених на метеостанціях, приймаються стандартною висотою над землею, яка трохи перевищує зріст середньостатистичної людини. У більшості випадків умови прямо біля поверхні землі досить різні, з точки зору швидкості вітру, температури і вологості. Клімат поблизу землі та його вплив на самий верхній шар ґрунту має очевидне значення не лише для сільського господарства, але й для цивільного та екологічного машинобудування, архітектури, планування та навіть медицини.

1.2.2 Пори року

Мені часто цікаво, наскільки середня людина розуміє, чому бувають сезони, і чому висота сонця і тривалість дня змінюються протягом року. Оскільки я не знаю багато про це (моя основа для судження лише анекдотична), я ризикую бути або занадто елементарним, або занадто просунутим для вас у цьому короткому розділі про пори року.

По-перше, деякі факти про геометрію системи Земля—Сонце. Земля обертається навколо Сонця, один раз на повний рік (ось як визначається рік!) , В площині, що проходить через земну орбіту, називається площиною екліптики. Орбіта Землі майже, але не зовсім, коло; насправді це еліпс з невеликим ексцентриситетом. Щоб дати вам уявлення про ступінь неокружності орбіти, максимальна відстань Земля—Сонце становить близько 152 мільйонів кілометрів, а мінімальна відстань - близько 147 мільйонів кілометрів.

Єдиний простий спосіб виявити шляхом прямого спостереження, що земля обертається навколо Сонця - астрономічний: переглядайте зірки одночасно кожну ніч протягом року, і дивіться, як змінюється їх положення. Вони роблять один повний контур через небо протягом року.

Ви, звичайно, знаєте, що земля обертається навколо своєї осі один раз в день, і саме це викликає різницю між ніччю і днем. (!) Якби вісь обертання Землі була точно перпендикулярна площині екліптики, довжина дня і висота сонця над горизонтом в даний час доби (місцевий полудень, скажімо) не змінювалися б протягом року, і все було б не так захоплююче, як насправді. (Під «днем» тут я маю на увазі час протягом 24-годинного дня, що сонце знаходиться над горизонтом. Слово «день» досить неоднозначне в англійській мові; подумайте про цей аспект «день» як «денний день»)

Земна вісь обертання фактично нахилена до площини екліптики приблизно на 23° 27', зазвичай округлена до 23-1/2°. Це має далекосяжні наслідки для умов на поверхні Землі. Як видно з малюнка 1- 4, існують два рази протягом року, звані рівнодення (один навесні, 20 або 21 березня, а один восени, 22 або 23 вересня), коли земна вісь обертання точно перпендикулярна лінії між землею і землею сонце. У ті пори року, і тільки в ті часи, денний день становить рівно дванадцять годин в кожній точці землі.

Північний полюс Землі і південний полюс представляють особливі випадки, в тому сенсі, що під час рівнодення сонце, як видно, лежить прямо на горизонті і робить повне коло навколо неба кожні 24 години!

Часом посередині між рівнодення, званими сонцестояннями, земна вісь обертання лежить саме в площині, яка проходить як через сонце, так і землю і перпендикулярна площині екліптики (рис. 1-4). У ті часи один із полюсів Землі вказує найближче до Сонця, а інший полюс - найдалі від Сонця. У момент літнього сонцестояння в Північній півкулі 21 або 22 червня сонце найбільше на небі в даний час доби, як опівдні, а денний день найдовший. І навпаки, в момент зимового сонцестояння в північній півкулі 21 або 22 грудня сонце найнижче на небі в даний час доби, а денний день гнітюче короткий, навіть відсутній.

Малюнок 1-4. Річний шлях Землі в її обертанні навколо Сонця, показуючи, як пори року виникають внаслідок різниці в куті між віссю обертання Землі та лінією Земля—Сонце. (Від Стралера, 1975.)

(Якщо ви думаєте, що речі приблизно під час зимового сонцестояння погані на широті Бостона, подумайте про те, які вони схожі на широті скандинавських міст, або Ном або Фербенкс на Алясці. З іншого боку, під час легендарних «білих ночей» Санкт-Петербурга, на початку літа, кажуть, що можна читати газету опівночі без штучного світла.)

Але кут, під яким сонце піднімається над горизонтом при сходом сонця, і рівний кут, під яким сонце сідає нижче горизонту на заході сонця, залишається колишнім через рік (рис. 1-5). Ретельно подумайте про геометрію системи Earth— Sun, щоб переконати себе в цьому факті.

До речі, чи можете ви придумати причину, чому рівнодення і сонцестояння не випадають точно на одні й ті ж дні, в березні та вересні та в червні та грудні відповідно щороку? Це пов'язано з існуванням високосних років. Астрономічна тривалість року - час, необхідний для того, щоб земля здійснила повний оборот навколо Сонця - близька до 365-1/4 днів, тоді як календарний рік має 365 днів, за визначенням. Кожні чотири роки вони додають 29 лютого до року, і це робить все виходить майже нормально, за винятком не зовсім, тому раз на кожне століття вони повинні мати додаткове коригування одного дня тощо, що призводить до того, що точні часи року, коли рівнодення та сонцестояння відбуваються, змінюються залежно від положення даний рік щодо високосних років.

Малюнок 1-5. Шляхи Сонця в небі в рівнодення і сонцестояння на широті 40° N. (модифіковано від Strahler, 1975.)

Один заключний момент: час максимальної відстані від Сонця до землі, зване афелієм, припадає на 4 липня, а час мінімальної відстані від сонця до землі, званого перигелієм, припадає на 3 січня. Зверніть увагу (рис. 1-6), що (1) ці часи не синхронізовані з сезонами і (2) земля найближча до сонця в північній півкулі взимку, в рази приблизно 1,03 (152 х 106 км, розділений на 147 х 106 км), що через зворотно-квадратне зменшення променистої енергії сонця з відстанню від сонця перекладається на коефіцієнт приблизно 1,07 (або сім відсотків, у тому, що я думаю, є звичайним способом визначення відсотків). Це теж добре, крім хіба що лижних фанатиків: якби ситуація була зворотною, з Землею, найвіддаленішою від Сонця взимку в північній півкулі, зими в Новій Англії були б ще жорсткішими, ніж вони є.

1.2.3 Сонячне світло

Як ви, напевно, знаєте, Сонце підживлюється термоядерним синтезом, за допомогою якого водень зливається з гелієм з величезним виділенням енергії. Поверхня Сонця при температурі близько 6000° C випромінює енергію у всіх напрямках у широкому діапазоні довжин хвиль. Земля перехоплює крихітну частку цієї променистої енергії у вигляді сонячного світла. Велика частина ультрафіолетової частини випромінювання поглинається до того, як вона досягне поверхні Землі, хоча останнім часом деградація озонового шару як наслідок певних техногенних газів холодоагентів у верхній атмосфері призвела до більшого ультрафіолетового випромінювання на поверхні, особливо при високих широт. Вплив техногенних газів на озоновий шар та його наслідки для ультрафіолетового випромінювання є полем активних досліджень атмосферних хіміків і фізиків в наш час.

Малюнок 1-6. Орбіта Землі навколо Сонця, і пори року. (Змінено Стралер і Стралер, 1992.)

Скільки енергії Сонця досягає землі? Подумайте про один квадратний сантиметр площі, орієнтованої перпендикулярно лінії між Землею і Сонцем і поза земною атмосферою. Швидкість доставки променистої енергії до цього квадратного сантиметра становить дуже майже два грами калорій в хвилину. Це часто називають два Ленглі в хвилину, Ленглі будучи один грам калорій на квадратний сантиметр. Це значення називається сонячною константою, хоча насправді воно не зовсім постійне: воно трохи змінюється в залежності від двох ефектів:

• зміни вихідного сигналу сонця, пов'язані з такими речами, як сонячні спалахи; і

• змінюється протягом року, тому що земна орбіта навколо Сонця - це не коло, а скоріше еліпс з невеликим ексцентриситетом, як ви вже бачили.

Як я можу дати вам відчути, що означає сонячна постійна в повсякденному житті? Перш за все, я повинен зазначити, що енергетичний потік (під цим я маю на увазі швидкість доставки енергії на одиницю площі перпендикулярно напрямку випромінювання) становить максимум близько половини, що тільки за межами атмосфери, або близько одного Ленглі, через неминуче поглинання і відображення, навіть на найясніші дні. У похмурі дні, або коли сонце світить під низьким кутом через атмосферу, значення відповідно набагато менше.

Всі ви маєте певний досвід з тим, скільки енергії потрібно для нагрівання води. Ви ставите каструлю з водою на плиту, включаєте конфорку, чекаєте і чекаєте, поки вода закипить. Як ви дізнаєтеся більше в наступному розділі, вода має дуже високу питому теплоємність: для підвищення температури води на задану кількість потрібно багато енергії.

Припустимо, що у вас був маленький кубик, по одному сантиметру з кожного боку, наповнений водою і орієнтований однією гранню, зверненою прямо в сонячне світло. Інші п'ять облич ідеально ізольовані від оточення, а обличчя, яке вловлює сонячне світло, повністю прозоре для енергії, що надходить сонця, але не може передавати тепло назад в навколишнє середовище. Скільки часу знадобиться для нагрівання води, що міститься в кубі, від температури замерзання (0°C) до температури кипіння (100° C)? Відповідь: близько 100 хвилин.

1.2.4 Нагрівання та охолодження поверхні

Поверхня землі - це межа між атмосферою та твердим і рідким матеріалом землі. Поверхня землі - це місце, де сонячне випромінювання перехоплюється і перетворюється на тепло. Він також є джерелом вихідного довгохвильового випромінювання. Це місце, де рідка вода випаровується і де вхідні опади зберігаються як ґрунтова волога і грунтові води. По-перше, у наступних двох параграфах наведено деякі дуже загальні речі щодо опалення та охолодження. Потім, після ще деякого фізичного фону, є більш докладно про нагрівання та охолодження поверхні Землі.

Низинні райони, як правило, холодніші вночі, ніж вище землі поблизу. У ясні ночі земля охолоджується, оскільки її тепло випромінюється в космос. Потім холодна земля охолоджує повітря біля землі. Охолоджене повітря трохи щільніше, ніж вищевказане повітря, тому він має тенденцію повільно текти вниз, так само, як вода тече вниз. Холодне повітря «ставків» на низьких ділянках. Це місця, де перші заморозки осені найбільш ранні і де останні заморозки весни найновіші. Якщо у вас коли-небудь є шанс посадити фруктові дерева, посадіть їх на найвищій землі навколо!

У горбистих районах схили, що виходять на північ, отримують менше сонячного світла, ніж схили, що виходять на південь. Місцеві температури на схилах, що виходять на північ, холодніші, ніж на схилах, що виходять на південь, як влітку, так і взимку. У районах з зимовими снігами сніг тане набагато пізніше на схилах, що виходять на північ. Навіть на відстанях в кілька метрів різниця в мікрокліматі між сонячною, відкритою територією з низькою трав'янистою рослинністю і прилеглої гаєм високих дерев може бути вражаючим.

Всім відомо, що земна поверхня має властивість прогріватися в сонячний день і охолоджуватися в ясну ніч. Давайте більш глибоко розберемося в тому, як це відбувається. Необхідно враховувати безліч різних і цікавих ефектів.

Якби не було атмосфери, все було б досить просто: Сонце випромінює енергію на поверхню Землі на коротких довжині хвиль, більша частина її поглинається, але частина її відбивалася, і Земля повторно випромінювала б цю енергію назад у космос на довших довжині хвиль, і температура поверхні стала б відрегульований так, що виходить довгохвильове випромінювання врівноважувало б вхідне короткохвильове випромінювання протягом тривалого часу. (Щоб це твердження мало для вас більше сенсу, потрібно усвідомлювати, що інтенсивність випромінювання від тіла зростає з температурою тіла—до четвертої влади! Це називається закон Стефана- Больцмана.)

Кілька додаткових слів про відображення надходить сонячної радіації поверхнею Землі назад в космос тут в порядку. Місцева відбивна здатність сильно варіюється в залежності від того, що покриває поверхню. Він коливається від цілих 95%, для свіжого снігового покриву, до лише декількох відсотків, для водних поверхонь при сильному сонці. На малюнку 1-7 представлена таблиця, що дає приблизні значення відбивної здатності для різного роду поверхні. Загальне середнє значення для всієї землі (тобто відсоток вхідної сонячної радіації, перехопленої всією землею, яка відбивається назад у космос, в довгостроковому середньому), називається земним альбедо; його значення становить близько 30%.

Малюнок 1-7. Альбедо різного роду поверхонь. (Від Гейгера, 1965.)

У реальному світі при товстому атмосферному покриві ситуація на поверхні землі набагато складніше, багато в чому в силу двох ефектів:

• Атмосфера відображає і розсіює частину вхідної сонячної радіації. (Розсіювання - це процес, при якому атоми, молекули та крихітні частинки в атмосфері взаємодіють з прохідними електромагнітними хвилями, довжини хвиль яких приблизно збігаються з розміром частинок, внаслідок чого частина хвиль буде відводитися в широкому діапазоні напрямків.) Те, що надходить на поверхню, - це поєднання прямого випромінювання та непрямого, розсіяного вниз випромінювання. Сама атмосфера поглинає частину надходить сонячної радіації, але, можливо, дивно, не сильно. (Попутна примітка: коротші довжини хвиль більш сприйнятливі до розсіювання, ніж довші довжини хвиль, тому непряме розсіяне випромінювання, яке ми бачимо на земній поверхні, як правило, знаходиться в більш короткій довжині хвилі видимого спектру - отже, синє небо в ясний день. Таким же чином, жовте або помаранчеве або навіть червоне сонце, що спостерігається на сході або заході сонця, є наслідком більшого розсіювання коротших довжин хвиль під час довгого похилого проходження сонячних променів через атмосферу, залишаючи головним чином випромінювання довшої хвилі, щоб пройти до нашого очі.)

• Багато довгохвильового зворотного випромінювання в космос із земної поверхні поглинається атмосферою. Частина поглиненої енергії повторно випромінюється назад на земну поверхню, а частина повторно випромінюється в космос. Важливим ефектом тут є те, що існує чисте випромінювання довгохвильової енергії в космос, але майже рівні величини назад і вперед довгохвильового випромінювання між поверхнею і атмосферою набагато більше, ніж чисте випромінювання в космос. Це знаменитий парниковий ефект.

Деякі атмосферні гази фігурують найбільш помітним у поглинанні вихідного довгохвильового наземного випромінювання атмосферою, перш за все серед яких водяна пара, вуглекислий газ, метан, озон та деякі техногенні гази, такі як хлорфторуглеці. Саме цей посилений парниковий ефект, спричинений зростаючою концентрацією антропогенних парникових газів, вважається причиною глобального потепління (але ситуація насправді складніша, значною мірою через все ще погано вивчені потенційні зміни хмарного покриву; для таких причини, глобальне потепління має своїх відповідальних скептиків). Кожен парниковий газ поглинає вихідне наземне довгохвильове випромінювання в різних сегментах електромагнітного спектра; вони об'єднуються, залишаючи лише вузькі вікна прозорості (рис. 1-8).

Водяна пара, оскільки вона є ефективним поглиначем довгохвильового земного випромінювання і оскільки вона присутня в атмосфері в набагато більшій концентрації, ніж будь-який інший парниковий газ, є парниковим газом номер один (але інші, найголовніше вуглекислий газ, людство має певний контроль над, чого немає у випадку з водяною парою). Остерігайтеся того, що ви читаєте в ЗМІ про те, що вуглекислий газ є найважливішим парниковим газом! Тут я міг би також зазначити, що парниковий ефект набагато більше наш друг, ніж наш ворог: якби не парниковий ефект, Земля була б замороженою і млявою планетою.

Також потрібно знати про кілька легко зрозумілих процесах, характерних для земної поверхні, які є важливими факторами теплового бюджету поверхні:

Малюнок 1-8. Поглинаюча здатність обраних парникових газів атмосфери, і атмосфери в цілому. (Від Лютгенса і Тарбука, 2004.)

• Коли поверхня тепліша, ніж безпосередньо вищезгадана атмосфера, тепло проводиться від землі до атмосфери; коли поверхня прохолодніша, ніж повітря вище, тепло ведеться вниз від повітря до землі.

• У міру прогрівання поверхні грунту тепло проводиться вниз в більш глибокі рівні грунту; при охолодженні поверхні грунту тепло ведеться вгору з більш глибоких рівнів.

• За умови, що відносна вологість менше 100%, вологість грунту, присутня на поверхні землі, або витягується вгору до поверхні землі капілярним дією, випаровується в атмосферу, тим самим доставляючи приховане тепло в атмосферу. (Як ви дізнаєтеся в розділі 3 нижче, для випаровування рідкої води потрібно багато теплової енергії; ця енергія виділяється в атмосферу, коли водяна пара конденсується до рідкої води.)

• Деяка кількість тепла додається до поверхні землі за рахунок конденсації роси в ясні ночі, але це не важливий ефект; що важливіше - доставка опадів на поверхню землі зверху. Якщо температура дощу більше, ніж у поверхні, поверхня прогрівається, і навпаки.

Зробити будь-яке просте твердження про стан поверхні грунту в плані теплоти непросто, адже всі перераховані вище ефекти і процеси змінюються в залежності від часу доби, стану погоди, пори року, кліматичної зони. Але наступного разу, коли ви опинитеся на свіжому повітрі і про те, дивлячись на поверхню грунту, хочеться, щоб ви подумали про всі вищеописані процеси, діючи одночасно для установки температури поверхні. Просто для резюме подивіться на рисунок 1-9, на якому показані різні процеси, і якісно їх типові величини, в сонячний літній день і в ясну літню ніч. Основними ефектами є: вхідне сонячне випромінювання, поглинене землею (S), що представляє собою комбінацію прямого і розсіяного випромінювання; вхідне сонячне випромінювання, відбите від землі (R); вхідне довгохвильове випромінювання з атмосфери (LI); вихідне довгохвильове випромінювання в атмосферу і космічний простір ( LO); провідність тепла від землі до вищезгаданого повітря або від вищезгаданого повітря до землі (С); і втрата (або незначний приріст) тепла від землі шляхом випаровування ґрунтової вологи (V).

В середньому протягом року існує чистий приріст тепла за рахунок інсоляції (термін, який використовується для опису сукупності сонячної радіації, що досягає атмосфери Землі) на низьких широтах іанетвтратах на високих висотах. Цей дисбаланс повинен бути компенсований якимось чином, тому що Земля' S середня температура поверхні змінюється тільки дуже повільно з часом. Це відбувається шляхом чистого перенесення тепла з низьких широт у високі широти земними вітровими системами та океанічними течіями. Одним з наслідків існування сезонів є те, що сонячна енергія, що отримується Землею, змінюється не тільки з широтою, як описано вище, але і з порами року. Чи здивує вас, дізнавшись, що приблизно під час літнього сонцестояння інсоляція на північному полюсі навіть більше, ніж на екваторі в той же час, адже сонце світить там двадцять чотири години на добу! Цифри 1-10 та 1-11 показують двома різними способами, як інсоляція змінюється залежно від широти та сезону.

Малюнок 1-9. Елементи теплового бюджету поверхні грунту. Зліва: ясний літній день. Праворуч: ясна літня ніч. Товщина стрілок показує дуже приблизно відносні величини ефекту. (Змінено з Гейгера, 1965.)

Малюнок 1-10. Інсоляція як функція широти і пори року. (Від Стралера, 1975.)

Як щодо температури ґрунту (або, загалом, реголіту та корінної породи) під поверхнею землі? Незважаючи на пісні про холодному, холодному грунті, субстрат не обов'язково холодніше поверхні грунту. Вертикальний розподіл температури в залежності від глибини під поверхнею залежить від безлічі факторів:

• температура навколишнього середовища повітря над поверхнею

• ясність неба

• стан поверхні грунту, особливості вологості і рослинного покриву

• склад субстрату

• вологість субстрату

• минула історія (оскільки температурний профіль не підлаштовується миттєво до зміни температури поверхні: тривалий час відставання)

Малюнок 1-11. Інсоляція як функція широти і пори року в північній півкулі. (Від Стралера, 1975.)

Коли Сонце світить на прохолодну поверхню землі Землі і нагріває її, це тепло проводиться вниз в Землю, зі швидкістю, яка залежить від різниці температур між поверхнею та надрами, а також від теплоємності та теплопровідності ґрунту Землі та гірських матеріалів. Так само, коли поверхня Землі охолоджується випромінюванням енергії назад в космос, тепло від ще теплих підповерхневих матеріалів передається провідністю назад на поверхню. Такі зміни відбуваються в основному на часових масштабах від дня до ночі та від зими до літніх сезонів. Цифри 1-12, 1-13 та 1-14 показують цікаві результати фактичного вимірювання циклічних змін температури з глибиною.

Очевидно, що температура біля поверхні найбільша влітку і найменше взимку, але під поверхнею є два значних впливу:

• Зміни температури протягом одного добового (тобто добового) циклу або протягом одного річного циклу зменшуються з глибиною в Землі. Нижче глибини близько метра щоденні зміни незначні, а нижче глибини близько десяти метрів температура практично однакова цілий рік.

• Терміни зміни температури на деякій глибині відстають від термінів зміни температури на поверхні. Це тому, що потрібен час, щоб тепло проводилося вниз. Час відставання збільшується з глибиною. На певній глибині цикл виходить з фази з поверхнею на цілий півцикл: тобто максимальна температура, досягнута на глибині, відбувається в момент мінімальної температури на поверхні, і навпаки!

Малюнок 1-12. Проникнення добової температурної хвилі (в градусах Цельсія) в землю в ясний літній день Фінляндії в середині серпня. (Від Гейгера та співавт., 2003.)

У холодному кліматі наслідки були б якісно однаковими, але температури були б нижчими. У таких районах, як в Новій Англії, верхній шар субстрату, на значну глибину, замерзає на досить тривалий час взимку. Будівельні норми в холодних регіонах визначені для забезпечення того, щоб фундаменти розміщувалися на глибині, досить великій, щоб бути нижче найглибшого рівня промерзання, який слід очікувати в даному кліматі.

Малюнок 1-13. Добова послідовність температури в піщаному грунті в травні (середні десятирічні показники). (Від Гейгера та співавт., 2003.)

Малюнок 1-14. Річна послідовність температури грунту (в градусах Цельсія). (Від Гейгера та співавт., 2003.)