АТМОСФЕРА КАК ИСТОЧНИК ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Как известно, энергетика современной атмосферы Земли состоит из:

  • энергии движения воздушных масс;
  • тепловой энергии воздушных масс;
  • энергии атмосферного электричества.

  • Энергия современной земной атмосферы не постоянна как в пространстве, так и во времени. На её значение влияет много факторов, основными из которых являются:

  • солнечная радиация;
  • космическая радиация;
  • природные радиоактивные процессы;
  • вулканические и тектонические процессы;
  • процесс собственного, инфракрасного излучения Земли в Космос;
  • результаты жизнедеятельности человека;
  • вся существующая биомасса на планете.

  • При использовании атмосферного воздуха в качестве возобновляемого источника энергии для теплонасосных систем важно знать источники и характеристики его тепловой энергии. Прояснению этого поможет рассмотрение атмосферы как элемента системы солнце-атмосфера-земля, которая находится в состоянии теплового баланса. Таким образом, атмосфера является одним из составляющих, определяющих тепловой баланс Земли и сама находится в состоянии теплового баланса.

    Тепловой баланс атмосферы можно описать в виде частного случая применения закона сохранения энергии для вертикального столба, проходящего через атмосферу. Тепловой баланс атмосферы может быть описан уравнением следующего вида, где:

    Ra + Lr + P + Fa = D * W

    Ra - радиационный баланс (разность между поглощенной энергией коротковолновой солнечной радиацией и энергией длинноволнового эффективного излучения);

    Lr - баланс энергий фазовых преобразований воды в атмосфере (сильно зависит от количества осадков);

    P - баланс энергий турбулентного теплообмена атмосферы с земной поверхностью;

    Fa - баланс энергий теплообмена через вертикальные стенки столба атмосферы, определяемый упорядоченным движением атмосферы и её макротурбулентностью;

    D*W - величина изменения тепловой энергии внутри столба атмосферы.

    Члены уравнения теплового баланса изменяются в зависимости от широты местности и высоты над поверхностью земли. К примеру, на широте 50-40 градусов северной широты члены уравнения теплового баланса атмосферы имеют следующие значения:

  • радиационный баланс атмосферы равен 60 ккал/см2;
  • баланс энергий турбулентного теплообмена атмосферы с земной поверхностью равен 17 ккал/см2;
  • рассеяние энергии за счёт движения атмосферы равно 4 ккал/см2;
  • баланс энергий на испарение и конденсацию влаги содержащейся в воздухе составляет около 47 ккал/см2.

  • Для сравнения, значения аналогичных членов уравнения теплового баланса Земли для этой же широты местности имеют следующие значения:

  • радиационный баланс атмосферы равен 45 ккал/см2;
  • излучение Земли в атмосферу составляет 21 ккал/см2;
  • а испарение влаги в почве расходуется 24 ккал/см2/

  • Известно также, что атмосфера поглощает 59 ккал/кв.см в год коротковолновой солнечной радиации, а земная поверхность 108 ккал/кв.см. Анализируя значения членов уравнений тепловых балансов атмосферы и земной поверхности можно сделать следующие выводы:

    1. Основными источниками тепловой энергии атмосферы является Земля и Солнце. Совокупность тепловой энергии поступающей из недр Земли и Солнца устанавливает климат на поверхности Земли и питает большинство физических, химических, биологических процессов, происходящих в атмосфере.

    2. Количество тепловой энергии поступающей от Солнца и Земли не постоянно во времени и пространстве.

    3. Земля представляет собой аккумулятор для посылаемого Солнцем тепла. В зависимости от активности Солнце посылает тепла то больше, то меньше. Земля, в зависимости от прозрачности атмосферы и альбедо аккумулирует часть тепла, а остальное излучает в космическое пространство. Аккумулирующие свойства Земли определяет наличие большого количества воды (моря и океаны) и наличие атмосферы, в которой основную роль в сохранении тепла Земли играет водяной пар.

    4. Процессы, связанные с аккумулированием тепловой энергии поверхностью Земли инерционные.

    Из данных, приведенных выше, следует, что атмосферный воздух при расчетах содержания в нём тепловой энергии можно рассматривать как водяной пар. При этом необходимо знать следующие численные параметры водяного пара: температуру, давление, влажность, теплоёмкость, энтропию, энтальпию. Эти параметры водяного пара позволяют оценивать его внутреннюю энергию, а её изменение в процессе теплообмена определяет поглощение или отдачу им конкретного количества тепловой энергии. В связи с тем, что процессы теплопереноса в системе солнце-атмосфера-земля сильно изменяются во времени для точного расчёта теплонасосных систем необходимо знать зависимость от времени перечисленных выше характеристик водяного пара.