- Тепловой режим Земли
-
Тепловой режим Земли — совокупность факторов, определяющих распределение температур и тепловых потоков на планете Земля.
Содержание
Общая характеристика
Солнечная энергия
Общие данные
Солнце является источником тепла и света на Земле. Оно излучает в мировое пространство громадное количество энергии, часть которой перехватывает земля. Количество тепла, даваемое солнцем, достаточно для того, чтобы расплавить ежегодно слой льда мощностью в 36 м, покрывающий всю земную поверхность при t = 0°. Другие источники энергии ничтожны. Луна и звёзды нам посылают очень мало тепла. Собственная теплота земли оказывает ничтожное действие на температуру земной поверхности и прилегающих слоёв атмосферы. 1 кв. см земной поверхности получает благодаря ей только 54 м кал в год, что составляет около 1/5000 доли тепла, посылаемого солнцем. Нагревание Земли, следовательно, происходит, главным образом, от Солнца.
Физическое описание солнечной энергии
Вся совокупность солнечной энергии (от инфракрасных до ультрафиолетовых лучей), посылаемой солнцем, называется солнечной радиацией. Общее количество тепла, полученного от солнца в 1 минуту 1 кв. см вычерненной поверхности, поставленной перпендикулярно (нормально) к солнечным лучам, называется напряжением солнечной радиации. Оно выражается в малых калориях и обозначается буквой I. Величина инсоляции, то есть того количества теплоты и света, которое получается от солнца в единицу времени, например в одну минуту, единицей поверхности, измеряется особыми приборами — актинометрами. и пиргелиометрами. Интенсивность инсоляции изменяется в зависимости от следующих условий. Во-первых, она зависит от расстояния земли от солнца. Как известно из физики, напряжение лучистой энергии изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника света и тепла.
Во-вторых, величина инсоляции зависит от угла падения лучей и прямо пропорциональна синусу угла, составляемого падающим лучом с поверхностью земли. Чем ближе этот угол к прямому, тем больше лучи дают тепла и света. Если пучок лучей падает вертикально, то он дает максимум тепла и света, а если горизонтально, то он совсем не дает тепла. Количество тепла, получаемое 1 кв. см горизонтальной поверхности, на основании законов физики, равно количеству тепла, получаемому 1 кв. см поверхности, направленной перпендикулярно к лучам, умноженному на синус угла, образованного лучами с горизонтальной поверхностью. Третьим фактором является продолжительность нагревания. Два последних фактора имеют особенно большое значение. В разных местах и в различные времена года определялась величина солнечной инсоляции, и из этих определений попытались вывести и величину солнечной постоянной, то есть количества энергии, получаемой в минуту при вертикальном падении лучей 1 кв. см черной поверхности, находящейся за пределами атмосферы, то есть когда лучи совершенно не задерживаются последней. Долгое время принималось определение Лангдея, который вычислил, что солнечная постоянная равняется 3 м кал (м. кал — количество тепла, потребное для нагревания 1 г воды на 1°). За последние годы точные наблюдения американских астрофизиков и других ученых в разных странах показали, что солнечная постоянная в среднем равна 1,94 м кал/кв. см мин. Эта солнечная постоянная однако, не остается постоянной и изменяется, во-первых, в связи с изменением расстояния земли от солнца и, во-вторых, в связи с колебаниями в самой радиации, испускаемой солнцем. Во время наименьшего расстояния земли от солнца (около 147 млн км) приток солнечной энергии на внешнюю границу атмосферы должен быть на 6,7 % больше, чем в момент наибольшего удаления (около 152 млн км). Что касается второй причины, влияющей на колебания величины солнечной постоянной, то замечено, что в годы с большим количеством солнечных пятен, когда поверхность солнца находится в наиболее деятельном состоянии, солнечная постоянная увеличивается приблизительно на 2 % по сравнению с годами минимального развития пятен.
Bходя в атмосферу, солнечная радиация частью поглощается и рассеивается, так что до поверхности земли достигает только оставшаяся часть. Когда солнце находится в зените, путь солнечной радиации через атмосферу наиболее короткий. Коэффициент прозрачности уменьшается при увеличении содержания в воздухе пыли, водяного пара (абсолютной влажности) и углекислого газа. Так как зимой меньше пыли и вследствие низкой температуры абсолютная влажность мала, то прозрачность воздуха больше, чем летом. У земной поверхности различают прямую солнечную радиацию и рассеянную. Рассмотренные выше формулы относятся к прямой солнечной радиации. Чем ниже солнце и, следовательно, длиннее путь солнечной радиации в атмосфере, тем больше рассеивается лучей. В пасмурную погоду в тени мы имеем дело с рассеянной солнечной радиацией. При этом нужно не забывать, что к ней всегда прибавляется лучеиспускание облаков и окружающих предметов (невидимая инфракрасная тепловая радиация).
Величина инсоляции претерпевает как суточное изменение, так годовое: изменение суточное происходит от вращения земли вокруг оси причем понятно, что при восходе солнца лучи его падают сначала в плоскости горизонта, а потом, когда солнце поднимается все выше и выше над горизонтом, то и лучи его падают под большим и большим углом, и вследствие этого инсоляция возрастает до 12 часов пня, а затем начинает уменьшаться. Кроме суточной периодичности, существует еще годовая, так как, кроме вращения вокруг своей оси, земля движется еще вокруг солнца, причем ось земли поставлена нe вертикально по отношению к эклиптике (то есть пути, по которому движется земля), а наклонно под углом в 66°33'.
Энергия подземных источников
Общие данные
Оценка температуры в недрах Земли
Тепловой поток зависит от градиента температуры. Если он положительный, то есть недра Земли излучают тепло, то температура должна повышаться с глубиной. Конечно, если исключить влияние локальной температуры поверхности, связанной, например, с солнечным теплом. Рост температуры с глубиной особенно ясно ощущается при бурении. Среднее значение геотермического градиента равно 20 С/км. Конечно, геотермический градиент зависит от местных условий. Температуру внутри Земли можно оценить из следующих соображений. Если предположить, что температурный градиент (не температура) не возрастает с глубиной, то на глубине 100 км температура не должна превосходить 2000 °C. Более точно для этих глубин определяют температуру по очагам вулканов, которая составляет приблизительно 1200 °C. Как известно по лабораторным исследованиям и данным сейсмологии, на глубинах 400 км происходят фазовые переходы минералов — , а температура этих переходов 160050 °C.
Поскольку мантия Земли по отношению к сейсмическим волнам ведет себя как твердое тело, то за верхний предел температуры обычно берут границу температур плавления. Температура плавления силикатов, составляющим мантию, на границе ядро-мантия, составляет приблизительно 5000К при давлении 1,4 млн бар. Земное ядро находится в расплавленном состоянии. Оно, в основном, состоит из железа, температура плавления которого при давлении 1,4 млн бар составляет 4600 К. Температуру в центре ядра Земли оценивают в 6000 К.
Тепловой поток определяют как на суше, так и на море. Измерения показали, что величина теплового потока зависит от геологии региона. В наиболее древних регионах, например, на докембрийских щитах тепловой поток составляет 0.92 мккал/смс, а в вулканических областях, исключая геотермальные районы, 2,16 мккал/смс. На океанах наибольший тепловой поток наблюдается на подводных хребтах, а наименьший — в глубоководных желобах. Неразгаданная тайна Одной из загадок природы геофизики считают приблизительное равенство тепловых потоков на океанах и континентах, хотя толщины земной коры отличаются значительно. Среднее значение теплового потока на континентах составляет 1,55, а на океанах 1,50 мккал в секунду с квадратного сантиметра. Существует несколько гипотез, объясняющих это явление. Объясняют либо степенью дифференциации радиоактивных элементов либо конвекцией в верхней мантии. Хотя до конца этот вопрос остается не изученным.
См. также
- Мантия земли
Ссылки
Wikimedia Foundation. 2010.
