Атмосфера Земли участвует в непрерывном обмене тепловой энергией между Солнцем, земной поверхностью, океанами, ледниками и космическим пространством. Основным внешним источником тепла является солнечное излучение. Атмосфера получает энергию преимущественно в виде коротковолнового излучения (в основном в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах), часть которого достигает поверхности Земли, а часть поглощается, рассеивается и отражается атмосферными компонентами.
Солнечная постоянная — это количество солнечного излучения, приходящего на верхнюю границу атмосферы на единицу площади, перпендикулярную солнечным лучам. Её среднее значение составляет приблизительно 1361 Вт/м².
Из общего количества поступающего солнечного излучения:
Поглощённая энергия нагревает земную поверхность, которая затем начинает излучать тепловую (длинноволновую) радиацию. Это излучение частично поглощается парниковыми газами атмосферы (водяной пар, углекислый газ, метан и др.) и облаками, что приводит к вторичному излучению в обе стороны — обратно к поверхности и в космос.
Тепловой баланс атмосферы можно выразить в виде уравнения, описывающего равенство между притоком и оттоком энергии. Для глобального среднегодового состояния земной системы оно записывается следующим образом:
Q = Rн + H + LE
где:
Радиционный (лучевой) баланс представляет собой разность между поглощённой и излучённой радиацией. Он является центральным элементом теплового баланса атмосферы.
Поглощённая радиация:
Излучаемая радиация:
Чистый радиационный баланс атмосферы является отрицательным, так как она излучает в космос больше, чем получает напрямую от Солнца. Этот дефицит компенсируется за счёт теплового обмена с подстилающей поверхностью.
Передача тепла от земной поверхности к атмосферному воздуху осуществляется за счёт турбулентной диффузии, обусловленной разностью температур. Этот процесс особенно интенсивен днём при сильной прогреве поверхности. Поток чувствительного тепла обозначается через H и зависит от градиента температуры и характеристик турбулентности в приземном слое.
Связан с фазовыми переходами воды. При испарении с поверхности затрачивается энергия, которая высвобождается при конденсации в атмосфере. Этот процесс является важнейшим для вертикального переноса тепла в атмосфере, особенно в тропиках. Поток скрытого тепла обозначается LE.
В атмосфере происходит перераспределение тепловой энергии по вертикали. В тропосфере это достигается конвекцией, турбулентным перемешиванием и фазовыми переходами воды. В стратосфере, где турбулентность практически отсутствует, основную роль играет молекулярная теплопроводность и радиационные процессы.
Поглощение солнечного излучения в верхних слоях атмосферы также существенно. Особенно важны:
На глобальном уровне система “Земля–атмосфера” находится в радиационном равновесии: общее количество поступающей солнечной энергии в среднем за год равно количеству энергии, излучаемой системой в космос.
Однако на широтах это равновесие нарушается:
Для компенсации этих различий работает система меридионального переноса тепла, в котором участвуют:
Днём земная поверхность активно поглощает солнечную радиацию и нагревается, что вызывает восходящие потоки воздуха и турбулентный обмен. Ночью — поверхность остывает, теряя тепло посредством излучения, что приводит к инверсии температуры и подавлению турбулентности.
Максимальное значение температуры и вертикального теплообмена наблюдается во второй половине дня, тогда как минимум температуры приходится на предрассветные часы.
Изменение угла падения солнечных лучей и продолжительности дня вызывает сезонную модуляцию радиационного баланса. Летом происходит накопление тепла, зимой — потеря. Атмосфера сглаживает эти сезонные колебания, обладая значительной тепловой инерцией.
Современные изменения климата в значительной степени связаны с нарушением естественного теплового баланса атмосферы. Основные антропогенные факторы:
Это приводит к усилению парникового эффекта, изменению глобальной циркуляции, усилению климатических экстремумов и дисбалансу тепловых потоков в системе Земля–атмосфера.
На основе спутниковых данных и наземных измерений был установлен следующий примерный глобальный среднегодовой тепловой баланс (Вт/м²):
Земная поверхность:
Атмосфера:
Эти величины варьируются по широтам, сезонам и в зависимости от облачности и поверхности (океан, лед, суша).
Тепловой баланс атмосферы — это динамическая система обмена энергией, критически важная для поддержания климата, метеорологических процессов и общего состояния биосферы. Его понимание лежит в основе прогноза погоды, климатического моделирования и оценки влияния деятельности человека на глобальные процессы.