Тепловий баланс Землі — Вікіпедія

Тепловий баланс Землі — баланс енергії процесів теплопередачі і випромінювання в атмосфері та на поверхні Землі. Основний приплив енергії в систему атмосфера -Земля забезпечується випроміненням Сонця в спектральному діапазоні від 0,1 до 4 мкм. Густина потоку енергії від Сонця на відстані 1 астрономічної одиниці дорівнює близько 1367 Вт/м ² (сонячна постійна). За даними за 2000-2004 роки ^[1] усереднений за часом і по поверхні Землі цей потік становить 341 Вт/м²^[2]^[3], або 1,74×10 ¹⁷ Вт в розрахунку на повну поверхню Землі.

Складові теплового балансу[ред. | ред. код]

Основний приплив енергії до Землі забезпечується сонячним випромінюванням і становить близько 341 Вт/м² в середньому по всій поверхні планети. Внутрішні джерела тепла (радіоактивний розпад, стратифікація по щільності) у порівнянні з цією цифрою незначні (близько 0,08 Вт/м²) ^[2].

З 341 Вт/м² сонячного випромінювання, що потрапляє на Землю, приблизно 30% (102 Вт/м²) відразу ж відбивається від поверхні Землі (23 Вт/м²) і хмар (79 Вт/м²), а 239 Вт/м² в сумі поглинається атмосферою (78 Вт/м²) і поверхнею Землі (161 Вт/м²) ^[1]. Поглинання в атмосфері зумовлено, в основному, хмарами і аерозолями ^[2].

З 161 Вт/м² поглинається поверхнею Землі енергії 40 Вт/м² повертається в космічний простір у вигляді теплового випромінювання діапазону 3-45 мкм, ще 97 Вт/м² передаються атмосфері за рахунок різних теплових процесів (80 Вт/м² - випаровування води, 17 Вт/м² - конвективний теплообмін). Крім того, близько 356 Вт/м² випромінювання Землі поглинається атмосферою, з яких 333 Вт/м² повертається у вигляді зворотного випромінювання атмосфери. Таким чином, повне теплове випромінювання поверхні Землі становить 396 Вт/м² (356 + 40), що відповідає середній температурі 288 К (15 °С) ^[1] ^[2].

Атмосфера випромінює в космічний простір 199 Вт/м², в тому числі 78 Вт/м², отримані від випромінення Сонця, 97 Вт/м², отримані від поверхні Землі, і різницю між випромінюванням поверхні, що поглинається атмосферою, і зворотним випроміненням атмосфери обсягом 23 Вт/м² ^[1].

Внутрішнє тепло Землі[ред. | ред. код]

Внутрішні джерела тепла Землі менш значні за потужністю, ніж зовнішні. Вважається, що основними джерелами є: розпад довгоживучих радіоактивних ізотопів (уран-235 і уран-238, торій-232, калій-40), гравітаційна диференціація речовини, припливне тертя, метаморфізм, фазові переходи^[4].

Середня густина теплового потоку по земній кулі становить 87 ± 2 мВт/м² або (4,42 ± 0,10)×10 ¹³ Вт в цілому по Землі ^[5], тобто приблизно в 5000 разів менше, ніж середня сонячна радіація. В океанських районах цей показник становить у середньому 101 ± 2 мВт/м², в континентальних - 65 ± 2 мВт/м²^[5]. У глибоководних океанічних жолобах вона змінюється в межах 28-65 мВт/м², на континентальних щитах - 29-49 мВт/м², в областях геосинкліналей і серединно-океанічних хребтах може досягати 100-300 мВт/м² і більше ^[4]. Близько 60% теплового потоку (2,75×10 ¹³ Вт) припадає на внутрішні джерела тепла^[6], інші 40% зумовлені охолодженням планети.

Відповідно до вимірів нейтринного потоку з надр Землі, на радіоактивний розпад припадає 24 ТВт (2,4×10 ¹³ Вт) внутрішнього тепла ^[7].

Природний парниковий ефект[ред. | ред. код]

Основні атмосферні гази (кисень та азот) прозорі для вхідного сонячного світла, але також прозорі для вихідного теплового (інфрачервоного) випромінення. Однак водяна пара, вуглекислий газ, метан та інші слідові гази — непрозорі для багатьох довжин хвиль теплового випромінення. Поверхня Землі випромінює чистий еквівалент 17-и відсотків отриманої сонячної енергії у вигляді теплового інфрачервоного випромінювання. Однак кількість, яка безпосередньо йде в космос, становить лише близько 12 відсотків одержаної сонячної енергії. Частина, що залишилася — складова від 5 до 6 відсотків, поглинається атмосферою — молекулами парникових газів.^[8]

Коли молекули парникових газів поглинають теплову інфрачервону енергію, їх температура підвищується. Потім ці гази випромінюють збільшену кількість теплової інфрачервоної енергії в усіх напрямках. Тепло, що випромінюється вгору, продовжує зустрічатися з молекулами парникових газів; ці молекули також поглинають тепло, і їх температура підвищується, а кількість тепла, яке вони випромінюють, збільшується. Атмосфера стає тоншою з підйомом, тож приблизно на висоті 5-6 км, концентрація парникових газів в вищерозміщених шарах атмосфери настільки мала, що тепло може йти до космосу.^[8]

Оскільки молекули парникових газів випромінюють інфрачервону енергію в усіх напрямках, деякі з них поширюють її донизу і зрештою, вона повертається на поверхню Землі, де поглинається. Таким чином, температура поверхні Землі стає вищою, ніж якби вона нагрівалася тільки прямим сонячним випроміненням. Таке додаткове опалення і є природним парниковим ефектом. Це ніби якби Земля була покрита ковдрою, яка дозволяє проникати високочастотному випроміненню (сонячного світла), але уповільнює швидкість, з якою проходить низькочастотна інфрачервона промениста енергія, котру випромінює Земля.

Атмосферні гази поглинають енергію лише деяких довжин хвиль, але прозорі для інших. Картини поглинання водяної пари (сині піки) і вуглекислого газу (рожеві піки) перекриваються на деяких довжинах хвиль. Вуглекислий газ не є таким дужим парниковим газом, як водяна пара, але він поглинає енергію з довжиною хвилі (12-15 мікрометрів) на що не здатна водяна пара, частково закриваючи «вікно», крізь яке тепло, що випромінюється поверхнею, зазвичай виходить в космос. (Ілюстрація НАСА, Роберт Роде) ^[9]

Див. також[ред. | ред. код]

Література[ред. | ред. код]

Кондратьев К.Я. Радиационные факторы современных измерений глобального климата. - Л., 1980.
Кондратьев К.Я., Биненко В.И. Влияние облачности на радиацию и климатю - Л. - 1984; Климатология Л. - 1989.

Посилання[ред. | ред. код]

Баланс тепловий // Словник-довідник з екології : навч.-метод. посіб. / уклад. О. Г. Лановенко, О. О. Остапішина. — Херсон : ПП Вишемирський В. С., 2013. — С. 15.
J.T. Kiehl and Kevin E. Trenberth, February 1997: Earth’s Annual Global Mean Energy Budget. — Bulletin of the American Meteorological Society, 78, 197—208.
Тепловий баланс Землі [Архівовано 5 березня 2016 у Wayback Machine.] (Фізична енциклопедія)
Тепловий баланс атмосфери [Архівовано 6 квітня 2013 у Wayback Machine.] (Фізична енциклопедія)
Details of Earth’s energy balance [Архівовано 13 березня 2013 у Wayback Machine.] — stanford.edu.

Glenn White Systematic Errors and Surface Fluxes in the NCEP Global Model. — noaa.gov.
A. Zastawny Parametric model of the Earth’s radiation budget. — Meteorol. Atmos. Phys. 85, 275—281 (2004). DOI 10.1007/s00703-003-0017-z.

Earth’s Radiant Energy Balance and Oceanic Heat Fluxes. — oceanworld.tamu.edu.

On the Global Average IR Radiation Budget. — miskolczi.webs.com.

Jeffrey L. Anderson et al. The new GFDL global atmosphere and land model AM2/LM2: Evaluation with prescribed SST simulations [Архівовано 8 серпня 2017 у Wayback Machine.]. — Submitted to Journal of Climate, March 2003.

Global Heat Flow [Архівовано 13 жовтня 2015 у Wayback Machine.] — International Heat Flow Commission (IHFC).

Global Heat Flow [Архівовано 13 жовтня 2015 у Wayback Machine.] — International Heat Flow Commission (IHFC).

Don L. Anderson Energetics of the Earth and the Missing Heat Source Mystery [Архівовано 14 травня 2013 у Wayback Machine.] — www.mantleplumes.org.

A.M. Hofmeister, R.E. Criss Earth’s heat flux revised and linked to chemistry [Архівовано 26 липня 2011 у Wayback Machine.]. Tectonophysics 395 (2005), 159—177.

Henry N. Pollack, "Earth, heat flow in, " [Архівовано 6 березня 2016 у Wayback Machine.] in AccessScience, ©McGraw-Hill Companies, 2008.

J. H. Davies and D. R. Davies Earth’s surface heat flux [Архівовано 24 вересня 2015 у Wayback Machine.]. Solid Earth, 1, 5-24, 2010.

Carol A. Stein Heat Flow of the Earth^{[недоступне посилання з травня 2019]}, AGU Handbook of Phisical Constants, edited by T.J. Ahrens, Am. Geophys Un., Washington, D.C., 1994.

Примітки[ред. | ред. код]

↑ ^а ^б ^в ^г ^д Kevin E. Trenberth, John T. Fasullo, and Jeffrey Kiehl, March 2009: Earth’s global energy budget [Архівовано 25 березня 2012 у Wayback Machine.]. — Bulletin of the American Meteorological Society, 90, 311–323.
↑ ^а ^б ^в ^г Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
↑ Центральний перетин земної кулі ( $S = π R ²$ ), на який припадає тепловий потік від Сонця, в 4 рази менше площі поверхні ( $S = 4π R ²$ ), звідки середній тепловий потік на одиницю поверхні землі в 4 рази менше сонячної постійної: 341 Вт/м² ≈ 1367/4
↑ ^а ^б Геотермия [Архівовано 31 липня 2013 у Wayback Machine.] — Горная энциклопедия
↑ ^а ^б Pollack, H. N., S. J. Hurter, and J. R. Johnson (1993), Heat flow from the Earth's interior: Analysis of the global data set, Rev. Geophys., 31(3), 267-280.
↑ Van Schmus W.R. Natural radioactivity of the crust and mantle, AGU Handbook of Phisical Constants, edited by T.J. Ahrens, Am. Geophys Un., Washington, D.C., 1994.
↑ Ядерный распад дает половину тепла Земли [Архівовано 27 липня 2014 у Wayback Machine.] — infox.ru, 18.07.2011.
↑ ^а ^б Climate and Earth’s Energy Budget. earthobservatory.nasa.gov (англ.). 14 січня 2009. Архів оригіналу за 24 січня 2021. Процитовано 11 січня 2021.
↑ Climate and Earth’s Energy Budget. earthobservatory.nasa.gov (англ.). 14 січня 2009. Архів оригіналу за 10 квітня 2020. Процитовано 11 січня 2021.

[Kiehl-1] а ^б ^в ^г ^д Kevin E. Trenberth, John T. Fasullo, and Jeffrey Kiehl, March 2009: Earth’s global energy budget [Архівовано 25 березня 2012 у Wayback Machine.]. — Bulletin of the American Meteorological Society, 90, 311–323.

[encyclo-2] а ^б ^в ^г Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

[3] Центральний перетин земної кулі ( $S = π R ²$ ), на який припадає тепловий потік від Сонця, в 4 рази менше площі поверхні ( $S = 4π R ²$ ), звідки середній тепловий потік на одиницю поверхні землі в 4 рази менше сонячної постійної: 341 Вт/м² ≈ 1367/4

[geoterm-4] а ^б Геотермия [Архівовано 31 липня 2013 у Wayback Machine.] — Горная энциклопедия

[pollack-5] а ^б Pollack, H. N., S. J. Hurter, and J. R. Johnson (1993), Heat flow from the Earth's interior: Analysis of the global data set, Rev. Geophys., 31(3), 267-280.

[schmus-6] Van Schmus W.R. Natural radioactivity of the crust and mantle, AGU Handbook of Phisical Constants, edited by T.J. Ahrens, Am. Geophys Un., Washington, D.C., 1994.

[neutrino-7] Ядерный распад дает половину тепла Земли [Архівовано 27 липня 2014 у Wayback Machine.] — infox.ru, 18.07.2011.

[:0-8] а ^б Climate and Earth’s Energy Budget. earthobservatory.nasa.gov (англ.). 14 січня 2009. Архів оригіналу за 24 січня 2021. Процитовано 11 січня 2021.

[9] Climate and Earth’s Energy Budget. earthobservatory.nasa.gov (англ.). 14 січня 2009. Архів оригіналу за 10 квітня 2020. Процитовано 11 січня 2021.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]