Процеси на отопление и охлаждане на въздуха
агромет.doc
Процеси на отопление и охлаждане на въздуха. Фактори, влияещи
за отопление и охлаждане на въздух
Годишна промяна на температурата на въздуха.
Понастоящем се обръща голямо внимание на изучаването на особеностите на годишното изменение на повърхностната температура на въздуха поради неговата важност и уместност. На първо място, това се дължи на глобалното изменение на климата (по-специално на глобалното затопляне), настъпило през миналия век. Колебанията в температурата на въздуха през годината оказват огромно влияние върху човешката дейност (селско стопанство, промишленост). Тяхната оценка и прогнозиране са необходими за развитието на икономиката и предотвратяване на всякакви негативни последици.
Целта на тази работа е да се характеризира общият ход на температурата на въздуха в приземния слой през годината, да се идентифицират причините за нейните колебания в зависимост от различни фактори, да се обяснят възможните отклонения от средногодишните данни, както и да се запознае потребителя с някои от най-новите изследвания на редица учени.
Тази работа показва колко идеи за променливостта на температурния режим на планетата през годината като цяло и за неговите модели и характеристики в частност са се развили днес.
1. Процеси на нагряване и охлаждане на въздуха.
Фактори, влияещи върху нагряването и охлаждането на въздухаa
Топлинният режим на атмосферата е характерът на разпределението и изменението на температурата в атмосферата. Топлинният режим на атмосферата се определя главно от нейния топлообмен с околната среда, т.е. с активна повърхност и космическо пространство.
С изключение на горните слоеве, атмосферата поглъща слънчевата енергия относително слабо. В частност,Тропосферата се нагрява само леко от пряка слънчева светлина. Основният източник на отопление на долните слоеве на атмосферата е топлината, която те получават от активната повърхност. През деня, когато пристигането на радиация преобладава над радиацията, активната повърхност се нагрява; става по-топъл от въздуха и топлината се предава от него на въздуха. През нощта активната повърхност губи топлина чрез излъчване и става по-студена от въздуха. В този случай въздухът отдава топлина на почвата, в резултат на което самата тя се охлажда. Преносът на топлина между активната повърхност и атмосферата, както и в самата атмосфера, може да се извърши чрез следните процеси.
1. Молекулна топлопроводимост. Въздухът в контакт с активната повърхност обменя топлина с нея чрез молекулярна топлопроводимост. Въпреки това, поради факта, че коефициентът на молекулярна топлопроводимост на неподвижния въздух е сравнително малък, този тип пренос на топлина също е много малък в сравнение с други видове.
2. Турбулентно смесване. Атмосферният въздух е в постоянно движение. Движението на отделните му малки части, обеми, вихри има неподреден, хаотичен характер. Това движение се нарича турбулентно смесване или накратко турбулентност. Турбуленцията има голямо влияние върху много атмосферни процеси, включително топлообмен. В резултат на турбулентното смесване на атмосферата се получава интензивен топлообмен от по-топлите й слоеве към по-малко топлите. Преносът на топлина между земната повърхност и атмосферата чрез турбулентно смесване се извършва много по-интензивно от преноса на топлина поради молекулярната топлопроводимост на въздуха. И така, през лятото по обяд над сушата, турбулентен топлинен поток със същия температурен градиентоколо 10 000 пъти молекулното тегло. В някои случаи обаче може да се различава още повече от молекулярния.
3. Топлинна конвекция. Термична конвекция се нарича организиран транспорт на отделни обеми въздух във вертикална посока, в резултат на силно нагряване на долната атмосфера. Топлите части от въздуха, като по-леки, се издигат, а студените заемат мястото им, които след това също се нагряват и издигат. Топлинната конвекция първоначално възниква като движение на отделни малки струи обеми, вихри, които постепенно се сливат, образувайки мощен възходящ поток, придружен от низходящи движения, компенсиращи го в съседни региони. Заедно със смесените порции въздух топлината се пренася от по-нагрятите слоеве на атмосферата към по-малко нагрятите.
Над сушата топлинната конвекция възниква в резултат на неравномерно нагряване на различни части от активната повърхност на почвата. Над морето се получава и когато водната повърхност е по-топла от съседните слоеве на атмосферата. В резервоарите тази ситуация често се случва през студения сезон и през нощта. Конвективният топлопренос при благоприятни условия може вертикално да покрие цялата дебелина на тропосферата.
4. Радиационна топлопроводимост. Определена роля в преноса на топлина от почвата към атмосферата играе активното повърхностно излъчване на дълговълнова радиация, погълната от долните слоеве на атмосферата. Последните, нагрявайки се, по същия начин последователно пренасят топлината към горните слоеве. По време на охлаждането на повърхността радиационният топлинен поток се насочва надолу от горните слоеве на атмосферата. Над сушата този поток се проявява главно през нощта, когато турбулентността е рязко отслабена и термичната конвекция отсъства.
5. Изпаряваневлага от активната повърхност и последваща кондензация (сублимация) на водни пари в атмосферата. При кондензация (сублимация) се отделя топлина, която се използва за нагряване на околния въздух.
От петте изброени процеса на топлообмен между активната повърхност и атмосферата преобладаващата роля принадлежи на турбулентното смесване и термичната конвекция. Температурните промени, възникващи в резултат на описаните процеси в определен обем въздух, обикновено се наричат индивидуални. Те характеризират промяната в топлинното състояние на определено количество въздух. Но температурата на определено място може да се промени и в резултат на движение на въздуха в хоризонтална посока, т.е. по време на адвекция. При адвекция на топлина в дадено място навлиза въздух с по-висока температура от въздуха, който е бил там преди, а при адвекция на студ - въздух с по-ниска температура. Адвекцията на топлина (или студ) е важен фактор за локалните температурни промени не само в тропосферата, но и в стратосферата [1].
Естеството на активната повърхност оказва голямо влияние върху процесите на нагряване и охлаждане на прилежащия към нея атмосферен слой. Топлинните ефекти на земните и водните повърхности върху атмосферата не са еднакви: активната повърхност на сушата дава на въздуха много по-голяма част от получената лъчиста топлина (35-50%), отколкото повърхността на водните тела, която отдава по-голямата част от получената топлина към по-дълбоките слоеве. Много топлина във водните тела също се изразходва за изпаряване на водата и само малка част от нея се изразходва за нагряване на въздуха. Следователно, по време на периоди на нагряване на земята, въздухът върху нея се оказва по-топъл, отколкото над водната повърхност. Когато активната повърхност се охлажда от радиация, тогава земята, която не е натрупана достатъчнотоплинен резерв, охлажда относително бързо и охлажда съседните слоеве въздух.
Морета, океани и големи езера натрупват значително количество топлина в дебелината си през топлия сезон. През зимата го дават на въздуха. Следователно въздухът над водните повърхности през зимата е по-топъл, отколкото над сушата.
Повърхностите на континентите от своя страна са разнородни. Горите, блатата, степите, полетата дават различно количество топлина на въздуха. В допълнение, различни видове почви (чернозем, пясък, торф) също имат различни топлинни ефекти върху въздуха [7].
Растителната покривка оказва значително влияние върху температурата на въздуха. Повърхността на гъста растителна покривка поглъща почти цялата радиация, която идва към нея и на практика е активна повърхност. Въздухът в близост до него се затопля през деня и температурата намалява в посока нагоре и надолу от тази повърхност. През нощта над повърхността на растителната покривка, в резултат на нейното излъчване, въздухът е най-студен. При рядка растителност охладеният въздух пада малко до ниво с по-гъста зеленина. В този случай активната повърхност не е външната повърхност на растителността, а малко по-ниско ниво. През деня въздухът над растителната покривка се нагрява, а през нощта се охлажда по-малко, отколкото над голата почва. Това се обяснява с високия топлинен капацитет на растителната покривка, както и с факта, че част от лъчистата енергия, постъпваща в растителната покривка, се изразходва в нея за различни физични и биологични процеси, главно за изпарение.
В гората максималните и минималните температури на въздуха се наблюдават над короните на дърветата или, ако листата са оскъдни, малко под короните. Следователно най-големите амплитуди също се отбелязват над короните и по-гореа отдолу намаляват. От многобройни наблюдения на температурата на въздуха в гората, под короните на дърветата и на открито е установено, че средно температурата в гората е по-ниска, отколкото в полето. Чрез повишаване на най-ниските нива през нощта и понижаване на високите през деня, гората изглажда дневните температурни колебания. Амплитудите на денонощното изменение на температурата на въздуха в гората са с около 2°C по-ниски, отколкото в полето.
Топлинен режим на града. Градовете оказват значително влияние върху температурата на въздуха. През лятото жилищни сгради, различни градски структури, пътни настилки и др., когато се нагряват, отдават топлината си на въздуха. Поради това температурата на въздуха в града е по-висока, отколкото в околностите му. Тази разлика е особено голяма във вечерните часове, когато сградите и конструкциите, които са станали много горещи през деня, постепенно предават топлината си на въздуха. Освен това в града почти няма площи с открита почва и сравнително малки площи с растителна покривка, така че има по-малко топлина за изпаряване. Това също допринася за повишаване на температурата на въздуха в града [5].
През зимата в градовете, поради намалената прозрачност на въздуха, има по-слабо ефективно излъчване. Следователно температурата на въздуха в града през зимата също е малко по-висока, отколкото в околностите. Наблюденията установяват [11], че средните годишни температури на въздуха в градовете са с 0,5-1,0 °C по-високи от тези в околностите. Колкото по-голям е градът, толкова по-голяма е тази разлика.
Установено е [4], че под въздействието на антропогенни емисии на водни пари и замърсяване на атмосферата с други газообразни и твърди примеси, промени в термофизичните и оптичните (радиационни) свойства на земната повърхност, настъпват значителни промени в мезоклиматичния режим на големите градове и индустриални центрове.
Според ежедневните (за 8 периода) метеорологични наблюдения вград (Санкт Петербург, Кемерово, Уфа, Нижни Новгород, Архангелск, Екатеринбург и др.) и в няколко точки на няколко десетки километра от него са определени и анализирани разликите в температурите на въздуха, налягането на водните пари и относителната влажност, при формирането на които (разликите) мезомащабните процеси играят основна роля и влиянието на синоптични и по-мащабни процеси не засяга. Бяха определени не само средните стойности и квадратичните отклонения, но също така бяха конструирани функциите на разпределение на разликите на тези метеорологични стойности за различни сезони на годината и време на деня, които бяха използвани за оценка на вероятността от превишаване на температурата, налягането на водните пари и относителната влажност в града в сравнение с околностите (селските райони).
За да се идентифицира ролята на различни фактори при формирането на температурното поле („топлинни острови“), изчисляването на коефициентите на корелация между температурната разлика (град - квартал) и концентрацията на различни замърсители (парникови) вещества в града, както и между температурната разлика и разликата в налягането на водните пари.
Коефициентите на корелация също бяха изчислени между промените в температурата на въздуха в града и увеличенията на налягането на водните пари през същите интервали от време.
Анализът за различните сезони на годината и времето на деня на корелациите, както и функциите на разпределение на температурата и влажността на въздуха, позволиха да се заключи: през всички сезони на годината решаващата роля за повишаването (в сравнение с околната среда) на температурата в града (образуването на „топлинен остров“) играе абсорбцията на инфрачервеното лъчение от антропогенните водни пари, влиянието на други парникови газове и аерозол е приблизително порядък величина по-малка; през деня през лятото и отчасти през пролеттанамалената (до знака) температурна разлика между града и околностите също се формира главно под въздействието на поглъщането на радиация от водна пара, но разликата в скоростите на изпарение играе значителна роля в промяната на налягането на водната пара (последното е по-голямо през дневните часове през лятото в околностите, отколкото в града).