Тепловой баланс Земли — Википедия

Солнце – источник громадного количества тепла и света. Несмотря на то, что оно находится на значительном расстоянии от нашей планеты (149 млн. км) и до нас доходит лишь небольшая часть его излучения, этого вполне достаточно для развития жизни на Земле.

Материалы для подготовки к уроку

Т.В. КОНСТАНТИНОВА
канд. пед. наук, старший преподаватель
Калужского государственного педагогического университета
им. К.Э. Циолковского

Средства обучения

Глобус, физическая карта полушарий, таблицы, схемы, теллурий (если есть).

Термины и понятия

Солнцестояние (летнее солнцестояние и зимнее солнцестояние) — моменты, когда высота Солнца над горизонтом в полдень наибольшая (летнее солнцестояние, 22 июня) или наименьшая (зимнее солнцестояние, 22 декабря). В отдельные годы солнцестояние смещается на 21-е число, так как продолжительность календарного года меняется (365 или 366 дней). В день летнего солнцестояния самая большая продолжительность дня в Северном полушарии, вся область за полярным кругом освещена, Солнце не заходит. В Южном полушарии в это время самый короткий день, вся область за полярным кругом в тени, Солнце не восходит. В день зимнего солнцестояния картина обратная: самый короткий день в Северном полушарии, самый длинный в Южном. В дни, близкие к солнцестоянию, мало изменяются продолжительность дня и полуденная высота Солнца, отсюда термин «солнцестояние».
Равноденствие (весеннее равноденствие и осеннее равноденствие) — моменты, когда солнечные лучи касаются обоих полюсов, а земная ось перпендикулярна лучам. Весеннее равноденствие бывает 21 марта, осеннее равноденствие — 23 сентября; в отдельные годы равноденствие смещается на 22-е число. Северное и Южное полушария освещены одинаково, на всех широтах день равен ночи, на одном полюсе Солнце восходит, на другом заходит. Фактически всюду день несколько длиннее ночи, так как Солнце видно с Земли не как точка, а как диск диаметром около 0,5°, а из-за преломления лучей в атмосфере Солнце кажется несколько выше над горизонтом, чем оно расположено на самом деле.
Тропики — Северный тропик и Южный тропик (от греческого tropikos kyklos — круг поворота) — параллели соответственно с северной и южной широтой около 23,5°. В день летнего солнцестояния (22 июня) Солнце в полдень стоит в зените над Северным тропиком, или тропиком Рака; в день зимнего солнцестояния (22 декабря) — над Южным тропиком, или тропиком Козерога. На любой широте между тропиками Солнце бывает в зените дважды в году; к северу от Северного тропика и к югу от Южного тропика Солнце в зените не бывает.
Пояса освещенности — части поверхности Земли, ограниченные тропиками и полярными кругами и различающиеся по условиям освещенности. Между тропиками расположен тропический пояс; здесь дважды в году (а на тропиках — раз в году) можно наблюдать полуденное Солнце в зените. От полярного круга до полюса
в каждом полушарии лежат полярные пояса; здесь бывают полярный день и полярная ночь. В умеренных поясах, находящихся в Северном и Южном полушариях между тропиком и полярным кругом, Солнце в зените не бывает, полярный день и полярная ночь не наблюдаются. Раньше пояса освещенности назывались тепловыми поясами. Сейчас термин «тепловые пояса» применяется для обозначения понятия «температурные пояса».
Полярные круги (Северный полярный круг и Южный полярный круг) — параллели соответственно с северной и южной широтой около 66,5°. К северу от Северного полярного круга и к югу от Южного полярного круга наблюдаются полярный день (летом) и полярная ночь (зимой). Область от полярного круга до полюса в обоих полушариях называется Заполярье.
Полярный день — период, когда Солнце в высоких широтах круглые сутки не опускается за горизонт. Продолжительность полярного дня тем больше, чем дальше к полюсу от полярного круга. На полярных кругах Солнце не заходит только в день солнцестояния, на 68° широты полярный день длится около 40 суток, на Северном полюсе 189 суток, на Южном несколько меньше, из-за неодинаковой скорости движения Земли по орбите в зимнее и летнее полугодия.
Полярная ночь — период, когда Солнце в высоких широтах круглые сутки не поднимается над горизонтом, — явление, противоположное полярному дню, наблюдается одновременно с ним на соответствующих широтах другого полушария. Фактически полярная ночь всегда короче полярного дня из-за того, что Солнце, когда оно находится ненамного ниже горизонта, освещает атмосферу и полной темноты нет (сумерки).

Ученые

Абу Рейхан Мухаммед ибн Ахмед аль Бируни (973 — около 1050) Арабский астроном, геолог, минералог. Высказал мысль о движении Земли вокруг Солнца.
В 1020 г. определил угол наклона эклиптики: 29° 34’, что полностью соответствует современным расчетам этого угла для данного года.

Инструментарий географа

Теллурий (от латинского tellus, родительный падеж telluris, — Земля) — прибор для наглядной демонстрации годового движения Земли вокруг Солнца и суточного вращения Земли вокруг своей оси. В теллурии шарик, изображающий Землю, движется вокруг источника света (например, лампочки с рефлектором), представляющего Солнце. Кроме того, шарик-Земля вращается вокруг оси, проходящей через его центр и сохраняющей неизменное наклонное направление (подобно земной оси). Иногда в теллурии меньший шарик изображает Луну, обращающуюся вокруг Земли.
Гномон (от греческого gnomon — стрелка) — древнейший астрономический инструмент, состоящий из вертикального стержня на горизонтальной площадке. По наблюдению за длиной и направлением тени стержня можно определить высоту и азимут Солнца, направление полуденной линии и др.

Практическая работа учащихся

Нанесение на контурную карту полярных кругов,
тропиков и поясов освещенности

Цель работы: формирование представления о годовом движении Земли по орбите вокруг Солнца, о нагреве и освещении Земли, формирование аккуратности при работе с контурными картами.
Оборудование: Атлас по географии для 6-го класса, контурные карты полушарий, цветные карандаши, рабочая тетрадь.

Задание 1

На контурной карте полушарий обозначьте и надпишите:
1. Синим карандашом — полярные круги, красным карандашом — тропики.
2. Редкой штриховкой обозначьте пояса освещенности: тропический пояс — красным карандашом, умеренные — зеленым, полярные — синим.
3. Надпишите названия поясов освещенности.

Задание 2

Ответьте на вопросы:
1. Почему на Земле происходит смена времен года?
2. Почему солнечное тепло и свет по поверхности Земли распределяются неравномерно?
3. Чем примечательны дни весеннего и осеннего равноденствия?

Задание 3

Схематическим рисунком изобразите положение Земли относительно Солнца 22 декабря.
1. Подумайте, как надо расположить границу света и тени относительно полярных кругов.
2. На чертеже проведите параллель, имеющую широту вашей местности.
3. Синим карандашом обведите те части параллелей, которые находятся в тени.
4. Сделайте вывод о продолжительности дня и ночи на этих параллелях.

Цифры и факты

Все данные приводятся без учета видимой величины диска Солнца и преломления лучей в атмосфере.

Изменение продолжительности дня
на разных широтах в течение года в Северном полушарии,
час.мин

Продолжительность полярного дня и полярной ночи
на различных широтах Северного полушария,
сут.

Пояса освещённости

Интересное

Зависит ли погода от состояния небесных светил
и их положения на небосводе?

На состояние земной атмосферы, а следовательно и на погоду на Земле могут оказывать влияние лишь светила, являющиеся источниками энергии, поступающей на нашу планету. Солнце — практически единственный такой источник и, значит, единственное светило, от положения на небосводе и состояния которого зависит погода на Земле. Остальные звёзды, другие планеты солнечной системы, так же как Луна, никакого прямого влияния на погоду Земли не оказывают. Но условия их наблюдения с Земли сильно зависят от условий погоды — это-то и дало повод людям в далёком прошлом связывать с положением небесных светил происходящие на Земле изменения погоды.

Обелиск полярному кругу

Жители Салехарда вполне могут гордиться уникальным географическим положением своего города. Дело в том, что Салехард расположен на линии Северного полярного круга и разделен ею на две части. В центре города на символической разделительной линии установлен обелиск Полярному кругу.
Возле железной дороги Петербург—Мурманск стоит каменный столб с надписью «Полярный круг».
А вот такой же надписи на станции с этим названием не верьте: станция примерно на 12 км южнее этой параллели.
Студенты биологического факультета МГУ соорудили на линии Северного полярного круга деревянный знак на ББС (Беломорской биологической станции), расположенной на границе Мурманской области и республики Карелия.

Самостоятельная работа учащихся

География и поэзия

Прочитайте отрывок из поэмы А.С. Пушкина:

…Когда я в комнате моей
Пишу, читаю без лампады,
И ясны спящие громады
Пустынных улиц и светла
Адмиралтейская игла.

И, не пуская тьму ночную
На золотые небеса,
Одна заря сменить другую
Спешит, дав ночи полчаса.

Ответьте на вопросы:

1. О каком времени суток говорится в этом отрывке? Почему поэт читает без лампады?
2. Какое время года описывается в отрывке?
3. О каком городе России идет речь?

Домашнее задание для желающих

Узнай при помощи фонарика, как зависит
освещенность от направления лучей

Земля совершает путь вокруг Солнца в течение года. Поскольку земная ось — воображаемая линия, проходящая через центр планеты между полюсами, — имеет наклон 23,5°, то ежегодно в определенное время Cеверное и Южное полушария попеременно получают от Солнца то больше тепла и света, то меньше.
В последнем случае холодает и световой день сокращается. Попробуй это проверить при помощи фонарика.
Требуется:
лист белого картона, фонарь.
Выполнение:
1. Направь луч фонарика отвесно на лист белого картона так, чтобы освещенная поверхность представляла собой круг.
2. С того же расстояния направь луч фонарика под углом — освещена уже бoльшая поверхность, овальной формы, но освещена слабее, чем круг. То же самое происходит и с солнечными лучами. Ближе к полюсам они падают на землю под более острым углом, и освещаемая ими поверхность получает мало света и тепла. Ближе к экватору лучи падают отвесно или почти отвесно, поверхность получает больше тепла.

Смотрите также:

• Ледяная глыба метила в дачу →
• Атмосфера (20.03.2005) →
• Река зацветает в мае →

Самое интересное в соцсетях

Солнце как источник тепла

Солнце – это ближайшая к Земле звезда, представляющая собой огромный шар раскалённой плазмы в центре солнечной системы.

Любое тело в природе обладает собственной температурой, а, следовательно, собственной интенсивностью излучения энергии. Чем выше интенсивность излучения, тем выше температура. Имея крайне высокие температуры, Солнце является очень сильным источником излучения. Внутри Солнца протекают процессы, при которых из атомов водорода синтезируются атомы гелия. Эти процессы называются процессами ядерного синтеза. Они сопровождаются выделением огромного количества энергии. Эта энергия приводит к тому, что Солнце разогревается до температуры 15 миллионов градусов Цельсия в ядре. На поверхности Солнца (фотосфере) температура достигает 5500°С (11) (3, с. 40-42).

Таким образом, Солнце излучает огромное количество энергии, которая приносит тепло на Землю, но Земля расположена на таком расстоянии от Солнца, что до поверхности доходит лишь немногая часть этого излучения, что позволяет комфортно существовать живым организмам на нашей планете.

Составляющие теплового баланса[править | править код]

Основной приток энергии к Земле обеспечивается солнечным излучением и составляет около 341 Вт/м² в среднем по всей поверхности планеты. Внутренние источники тепла (радиоактивный распад, стратификация по плотности) по сравнению с этой цифрой незначительны (около 0,08 Вт/м²)[3].

Из 341 Вт/м² солнечного излучения, попадающего на Землю, примерно 30 % (102 Вт/м²) сразу же отражается от поверхности Земли (23 Вт/м²) и облаков (79 Вт/м²), а 239 Вт/м² в сумме поглощается атмосферой (78 Вт/м²) и поверхностью Земли (161 Вт/м²)[1]. Поглощение в атмосфере обусловлено, в основном, облаками и аэрозолями[3].

Из 161 Вт/м² поглощаемой поверхностью Земли энергии 40 Вт/м² возвращается в космическое пространство в виде теплового излучения диапазона 3–45 мкм, ещё 97 Вт/м² передаются атмосфере за счёт различных тепловых процессов (80 Вт/м² — испарение воды, 17 Вт/м² — конвективный теплообмен). Кроме того, около 356 Вт/м² излучения Земли поглощается атмосферой, из которых 332 Вт/м² (161 – 40 – 97 – 356 + 332 = 0) возвращается в виде обратного излучения атмосферы. Таким образом, полное тепловое излучение поверхности Земли составляет 396 Вт/м² (356+40), что соответствует средней тепловой температуре 288 К (15 °С)[1][3].

Атмосфера излучает в космическое пространство 199 Вт/м², включая 78 Вт/м², полученные от излучения Солнца, 97 Вт/м², полученные от поверхности Земли, и разность между поглощаемым атмосферой излучением поверхности и обратным излучением атмосферы в объёме 23 Вт/м²[1].

С севера на юг

Цветовые обозначения на карте природных зон.

Пронумеруй основные природные зоны в порядке их смены с севера на юг

Схема нагревания поверхности Земли солнечными лучами

Расскажи по этой схеме о причинах смены природных зон с севера на юг.

Ответ: Почему происходит смена природных зон? Причина в неравномерном нагревании Солнцем разных участков Земли. На схеме видно, что в северных районах солнечные лучи падают на Землю наклонно. Они скользят по поверхности Земли и слабо нагревают её. Чем южнее, тем более отвесно падают на Землю солнечные лучи, тем сильнее они нагревают земную поверхность. Это и приводит к постепенному изменению всей картины природы.

Подумай, что тебе хотелось бы узнать о природных зонах России. Запиши свои вопросы. По мере изучения природных зон постарайся найти ответы на эти вопросы.

Что такое полярная ночь и полярный день?
Какие цепи питания характерны для арктики?
Какие природные условия в зоне тундры?
Какие животные обитают в тайге?
Чем степь отличается от леса?
В какой природной зоне живёт жук скоробей?
Какие животные и растения обитают в пустыни?

Поступление тепла

Прямое и рассеянное солнечное излучение

Так называемая солнечная постоянная составляет 1353 Вт/кв.м., но это тепловой поток солнечного тепла падающий на землю из космоса. Величина солнечной прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при безоблачном небе на широте 52 с.ш. в полдень равна 800 Вт/кв.м. В более южных районах тепловой поток может доходить до 1000 Вт/кв.м. Примем коэффициент, учитывающий отражающую способность тел (альбедо) зависит от типа и цвета поверхности. В нашем случае используем коэффициент 0.7. Поверхность крыши резервуара 800 кв.м. и он находится под прямым солнечным излучением (исходя из необходимости учета худших возможных условий, да и по генплану затенять его нечем).

Нагрев поверхности солнечными лучами выражается формулой:

$$Q_{heat} = Q_{sol} times A times mu$$

где:

$Q_{sol}$ – поток солнечного излучения, 800 $frac{Вт}{кв.м}$

A – площадь поверхности, участвующей в излучении тепла, кв.м

$mu$ – коэффициент отражения поверхности (альбедо).

Это верно для резервуара не находящегося в тени. Если он затенен, то потребуется еще один коэффициент, учитывающий процент затенения поверхности, а также поступления тепла от рассеянного солнечного излучения. Коэффициенты отражения для разных поверхностей можно найти в мини-справочнике.

Внутреннее тепло Земли[править | править код]

Внутренние источники тепла Земли менее значительны по мощности, чем внешние. Считается, что основными источниками являются: распад долгоживущих радиоактивных изотопов (уран-235 и уран-238, торий-232, калий-40), гравитационная дифференциация вещества, приливное трение, метаморфизм, фазовые переходы[4].

Средняя плотность теплового потока по земному шару составляет 87±2 мВт/м² или (4,42±0,10)·1013 Вт в целом по Земле[5], то есть примерно в 5000 раз меньше, чем средняя солнечная радиация. В океанских районах этот показатель составляет в среднем 101±2 мВт/м², в континентальных — 65±2 мВт/м²[5]. В глубоководных океанических желобах она меняется в пределах 28-65 мВт/м², на континентальных щитах — 29-49 мВт/м², в областях геосинклиналей и срединно-океанических хребтах может достигать 100-300 мВт/м² и более[4]. Около 60 % теплового потока (2,75·1013 Вт) приходится на внутренние источники тепла[6], остальные 40 % обусловлены остыванием планеты.

Согласно измерениям нейтринного потока из недр Земли, на радиоактивный распад приходится 24 ТВт (2,4·1013 Вт) внутреннего тепла[7].

См. также[править | править код]

• Солнечная постоянная
• Тепловая инерция

Примечания[править | править код]