7.1. Нагревание и охлаждение почвогрунтов и водоемов

Земная поверхность, непосредственно нагреваемая солнечными лучами и отдающая тепло нижележащим слоям и воздуху, называется деятельной поверхностью. Ее состояние оказывает большое влияние на температуру, влажность, ветер и другие метеоэлементы как в приземном слое воздуха, так и на вышележащие слои атмосферы, в том числе на образование облаков и осадков. Температура деятельной поверхности зависит главным образом от величины солнечной радиации, определяемой географической широтой и временем года. На отражение и поглощение солнечной радиации существенное влияние оказывают физические особенности поверхности. Тепловые свойства почвогрунтов и водоемов и условия их нагревания и охлаждения различны.

На нагревание почвогрунтов большое влияние оказывают цвет, определяющий отражательную способность поверхности, и влажность, от которой зависит затрата тепла на испарение. Хорошо выраженный суточный ход температур почвы наблюдается в теплое время года при ясной погоде. Он имеет один минимум температуры перед восходом Солнца и один максимум в 13–14 ч. Разница между ними называется суточной амплитудой температуры почвы. Она весьма различна в зависимости от широты места, времени года, облачности, экспозиции склонов, характера растительности, наличия снежного покрова и пр. Разница между максимальными и минимальными среднемесячными температурами почвы называется годовой амплитудой температуры почвы. Она незначительна в экваториальных широтах (около 3°С), максимальна в центральных частях континентов в приполярных широтах (до 70 °С).

Нагревание и охлаждение почвогрунтов на глубине определяется их теплопроводностью (зависимость прямая) и теплоемкостью (зависимость обратная). В среднем суточные колебания температур передаются на глубину около 1 м, годовые – на 15 м. Эти слои называют соответственно слоем постоянной суточной температуры и слоем постоянной годовой температуры. Поскольку на передачу тепла вглубь от слоя к слою затрачивается время, сроки максимальной и минимальной температуры на глубине запаздывают по сравнению с аналогичными температурами на поверхности: суточные – на полсуток, годовые – от нескольких месяцев до полугода. В слое постоянной годовой температуры она равна среднегодовой температуре на поверхности. Так, в Москве на глубине около 15 м она составляет +3,5 °С. Слой грунта, располагающийся над слоем постоянной годовой температуры и испытывающий ее сезонные колебания, называют деятельным слоем. В области многолетней мерзлоты под ним залегает мерзлый грунт разной мощности, в остальных районах – незамерзающий. Поскольку на суше деятельный слой тонок, летом он быстро прогревается, а зимой быстро теряет тепло, и теплообмен с воздухом совершается в короткий срок.

Нагревание и охлаждение водоемов протекает иначе, чем почвогрунтов: вода медленнее нагревается и медленнее охлаждается. Это вызвано рядом причин. Удельная теплоемкость воды в два-три раза больше, чем пород, слагающих сушу. Кроме того, вода – подвижная среда, поэтому тепло в ней проникает на глубину до 200 – 300 м, на что затрачивается значительная энергия и время. Это совершается главным образом в результате турбулентного перемешивания, частично за счет волнения, течений, плотностной конвекции. Некоторую роль играет и тот факт, что вода прозрачна и солнечные лучи проникают в глубину на несколько метров, нагревая воду. В суточном ходе максимум температуры на поверхности водоемов наблюдается в 15– 16ч, минимум – спустя 2– 3 ч после восхода Солнца, суточная амплитуда температуры – около 1°С. Суточные колебания температуры проникают в глубь водоемов до 15–20 м.

В годовом ходе температуры на поверхности водоемов максимум в северном полушарии наступает в августе, минимум – в феврале– марте, а в южном полушарии – наоборот. Годовая амплитуда температуры составляет от 1–2°С в экваториальных широтах до 5–10°С в субтропических и умеренных. В целом и суточные, и годовые колебания температуры воды гораздо меньше, чем суши. Годовые колебания температур затухают в океанах на глубинах в среднем 200– 300 м. Благодаря тому что в водоемах прогревается гораздо большая толща воды, чем на суше, они, особенно океан, являются резервуаром тепла на Земле, нагревая воздух в зимнее время.