Температурный режим подстилающей поверхности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Температурный режим подстилающей поверхности

1. Температурный режим подстилающей поверхности и деятельного слоя

температура почва прибор

Подстилающая поверхность, или деятельная поверхность - это поверхность земли (почвы, воды, снега и т.д.), взаимодействующая с атмосферой в процессе тепло- и влагообмена.

Деятельный слой - это слой почвы (включая растительность и снежный покров) или воды, участвующий в теплообмене с окружающей средой, и на глубину которого распространяются суточные и годовые колебания температуры.

Тепловое состояние подстилающей поверхности оказывает значительное влияние на температуру низших слоев воздуха. Это уменьшающееся с высотой влияние может обнаруживаться даже в верхней тропосфере.

Существуют различия в тепловом режиме суши и воды, которые объясняются различием их теплофизических свойств и процессов теплообмена между поверхностью и нижележащими слоями.

В почве коротковолновая солнечная радиация проникает на глубину в десятые доли миллиметра, где она преобразуется в тепло. В нижележащие слои это тепло передается путем молекулярной теплопроводности.

В воде в зависимости от ее прозрачности солнечная радиация проникает на глубины до десятков метров, а перенос тепла в глубинные слои происходит в результате турбулентного перемешивания, термической конвекции, а также испарения.

Турбулентность в водоемах обусловлена прежде всего волнением и течениями. В ночное время суток и в холодное время года развивается термическая конвекция, когда охлажденная на поверхности вода опускается вниз вследствие возросшей плотности и замещается более теплой водой из нижних слоев. При значительном испарении с поверхности моря верхний слой воды становится более соленым и плотным, в результате чего более теплая вода опускается с поверхности в глубину. Поэтому суточные колебания температуры в воде распространяются на глубину до десятков метров, а в почве - менее метра. Годовые колебания температуры воды распространяются на глубину до сотен метров, а в почве - только на 10-20 м; т.е. в почве тепло сосредоточивается в тонком верхнем слое, который нагревается при положительном радиационном балансе и остывает - при отрицательном.

Таким образом, суша быстро нагревается и быстро остывает, а вода медленно нагревается и медленно остывает. Большой тепловой инерции водоемов способствует и то, что удельная теплоемкость воды в 3-4 раза больше, чем почвы. По этим же причинам суточные и годовые колебания температуры на поверхности почвы намного больше, чем на поверхности воды.

Суточный ход температуры поверхности почвы в ясную погоду изображается волнообразной кривой, напоминающей синусоиду. При этом минимум температуры наблюдается вскоре после восхода Солнца, когда радиационный баланс меняет знак с «-» на «+». Максимум температуры приходится на 13-14 ч. Плавность суточного хода температуры может нарушаться наличием облаков, осадков, а также адвективными изменениями.

Разность между максимальной и минимальной температурами за сутки - суточная амплитуда температуры.

Амплитуда суточного хода температуры поверхности почвы зависит от полуденной высоты Солнца, т.е. от широты места и времени года. Летом в ясную погоду в умеренных широтах амплитуда температуры оголенной почвы может достигать 55° С, а в пустынях - 80° и более. В пасмурную погоду амплитуда меньше, чем в ясную. Облака днем задерживают прямую солнечную радиацию, а ночью уменьшают эффективное излучение подстилающей поверхности.

На температуру почвы оказывают влияние растительный и снежный покровы. Растительный покров уменьшает амплитуду суточных колебаний температуры поверхности почвы, так как он препятствует нагреванию ее солнечными лучами днем и защищает от радиационного выхолаживания ночью. При этом понижается и средняя суточная температура поверхности почвы. Снежный покров, обладая малой теплопроводностью, предохраняет почву от интенсивной потери тепла, при этом резко уменьшается суточная амплитуда температуры по сравнению с оголенной почвой.

Разность между максимальной и минимальной средними месячными температурами в течение года называется годовой амплитудой температуры.

Амплитуда температуры подстилающей поверхности в годовом ходе зависит от широты (в тропиках - минимальная) и растет с широтой, что находится в соответствии с изменениями в меридианальном направлении годовой амплитуды месячных сумм солнечной радиации в солярном климате.

Распространение тепла в почве от поверхности вглубь достаточно близко соответствует закону Фурье. Независимо от вида почвы и ее влажности, период колебаний температуры не изменяется с глубиной, т.е. на глубине суточный ход сохраняется с периодом 24 ч, в годовом ходе - в 12 месяцев. При этом амплитуда колебаний температуры с глубиной уменьшается.

На некоторой глубине (около 70 см, разной в зависимости от широты и сезона года) начинается слой с постоянной суточной температурой. Амплитуда годовых колебаний убывает практически до нуля на глубине около 30 м в полярных районах, около 15-20 м - в умеренных широтах. Максимальные и минимальные температуры как в суточном, так и в годовом ходе наступают позднее, чем на поверхности, причем запаздывание прямо пропорционально глубине.

Наглядное представление о распределении температуры почвы по глубине и во времени дает график термоизоплет, который строится по многолетним средним месячным температурам почвы (рис. 1.2). На вертикальной оси графика отложены глубины, а на горизонтальной оси - месяцы. Линии равных температур на графике называются термоизоплетами.

Перемещение по горизонтальной линии позволяет проследить изменение температуры на данной глубине в течение года, а перемещение по вертикальной линии дает представление об изменении температуры по глубине для данного месяца. Из графика видно, что максимальная годовая амплитуда температуры на поверхности с глубиной убывает.

В силу рассмотренных выше различий процессов теплообмена между поверхностью и глубинными слоями водоемов и суши суточные и годовые изменения температуры поверхности водоемов намного меньше, чем у суши. Так, суточная амплитуда изменения температуры поверхности океанов составляет около 0,1-0,2° С в умеренных широтах, и около 0,5 °С в тропиках. При этом минимум температуры отмечается через 2-3 ч после восхода Солнца, а максимум - около 15-16 ч. Годовая амплитуда колебаний температуры поверхности океана значительно больше, чем суточная. В тропиках она порядка 2-3° С, в умеренных широтах около 10° С. Суточные колебания обнаруживаются на глубинах до 15-20 м, а годовые - до 150-400 м.

2 Приборы измерения температуры деятельного слоя

Измерение температуры поверхности почвы, снежного покрова и определение их состояния.

Поверхность почвы и снежного покрова является подстилающей поверхностью, которая непосредственно взаимодействует с атмосферой, поглощает солнечную и атмосферную радиацию и сама излучает в атмосферу, участвует в тепло- и влагообмене и оказывает влияние на термический режим нижележащих слоев почвы.

Для измерения температуры почвы и снежного покрова в сроки наблюдений используется термометр ртутный метеорологический ТМ-3 с пределами шкал от -10 до +85° С; от -25 до +70° С; от -35 до +60° С, с ценой деления шкалы 0,5° С. Погрешность измерения при температурах выше -20° С составляет ±0,5° С, при более низких температурах ±0,7° С. Для определения экстремальных температур между сроками используются термометры максимальный ТМ-1 и минимальный ТМ-2 (такие же, как для определения температуры воздуха в психрометрической будке).

Измерения температуры поверхности почвы и снежного покрова производятся на незатененном участке размером 4х6 м в южной части метеорологической площадки. Летом измерения производятся на оголенной, разрыхленной почве, для чего весной участок перекапывается.

Отсчеты по термометрам берут с точностью до 0,1 °С. Состояние почвы и снежного покрова оцениваются визуально. Измерение температуры и наблюдение за состоянием подстилающей поверхности ведутся в течение всего года.

Измерение температуры в верхнем слое почвы

Для измерения температуры в верхнем слое почвы применяют термометры ртутные метеорологические коленчатые (Савинова) ТМ-5 (выпускаются комплектом по 4 термометра для измерения температуры почвы на глубинах 5, 10, 15, 20 см). Пределы измерения: от -10 до +50° С, цена деления шкалы 0,5° С, погрешность измерения ±0,5° С. Резервуары цилиндрические. Термометры изогнуты под углом 135° в местах, отстоящих от резервуара на 2-3 см. Это позволяет устанавливать термометры так, чтобы резервуар и часть термометра до изгиба находились в горизонтальном положении под слоем почвы, а часть термометра со шкалой располагалась над почвой.

Капилляр на участке от резервуара до начала шкалы покрыт теплоизоляционной оболочкой, что уменьшает влияние на показания термометра слоя почвы, лежащего над его резервуаром, обеспечивает более точное измерение температуры на глубине, где находится резервуар.

Наблюдения по термометрам Савинова производят на той же площадке, где устанавливаются термометры для измерения температуры поверхности почвы, в единые сроки и только в теплую часть года. При понижении температуры на глубине 5 см ниже 0° С термометры выкапывают, весной устанавливают после схода снежного покрова.

Измерение температуры почвы и грунта на глубинах под естественным покровом

Для измерения температуры почвы применяется термометр ртутный метеорологический почвенно-глубинный ТМ-10. Его длина 360 мм, диаметр 16 мм, верхний предел шкалы от + 31 до +41° С, а нижний - от -10 до -20° С. Цена деления шкалы 0,2° С, погрешность измерения при плюсовых температурах ±0,2° С, при отрицательных ±0,3° С.

Термометр помещается в винипластовую оправу, снизу заканчивающуюся медным или латунным колпачком, заполненным вокруг резервуара термометра медными опилками. К верхнему концу оправы крепится деревянный стержень, с помощью которого термометр погружается в эбонитовую трубу, находящуюся в грунте на глубине измерения температуры почвы.

Измерения производятся на участке размером 6х8 м с естественным растительным покровом в юго-восточной части метеоплощадки. Вытяжные почвенно-глубинные термометры устанавливаются по линии восток-запад на расстоянии 50 см друг от друга на глубинах 0,2; 0,4; 0,8; 1,2; 1,6; 2,4; 3,2 м в порядке возрастания глубин.

При снежном покрове до 50 см выступающая над поверхностью земли часть трубы составляет 40 см, при большей высоте снежного покрова - 100 см. Установку наружных (эбонитовых) труб производят с помощью бура с тем, чтобы меньше нарушать естественное состояние почвы.

Наблюдения по вытяжным термометрам производят круглый год, ежедневно на глубинах 0,2 и 0,4 м - все 8 сроков (кроме периода, когда высота снега превышает 15 см), на остальных глубинах - 1 раз в сутки.

Измерение температуры воды у поверхности

Для измерения используется ртутный термометр с ценой деления 0,2° С, с пределами шкалы от -5 до +35° С. Термометр помещен в оправу, которая предназначена для сохранения показаний термометра после его поднятия из воды, а также для предохранения от механических повреждений. Оправа состоит из стакана и двух трубок: наружной и внутренней.

Термометр в оправе помещается так, чтобы его шкала располагалась против имеющихся в трубках прорезей, а резервуар термометра - в средней части стакана. Оправа имеет дужку для крепления к тросу. При погружении термометра поворотом наружного чехла прорезь закрывают, а после подъема и для взятия отсчета - открывают. Время выдержки термометра в точке 5-8 мин, заглубление в воду - не более 0,5 м.

Размещено на Allbest.ru