Изменение температуры земли с глубиной: Тепло Земли | Наука и жизнь

Тепло Земли | Наука и жизнь

В нашей стране, богатой углеводородами, геотермальная энергия — некий экзотический ресурс, который при сегодняшнем положении дел вряд ли составит конкуренцию нефти и газу. Тем не менее этот альтернативный вид энергии может использоваться практически всюду и довольно эффективно.

Фото Игоря Константинова.

Изменение температуры грунта с глубиной.

Рост температуры термальных вод и вмещающих их сухих пород с глубиной.

Изменение температуры с глубиной в разных регионах.

Извержение исландского вулкана Эйяфьятлайокудль —иллюстрация бурных вулканических процессов, протекающих в активных тектонических и вулканических зонах с мощным тепловым потоком из земных недр.

Установленные мощности геотермальных электростанций по странам мира, МВт.

Распределение геотермальных ресурсов по территории России. Запасы геотермальной энергии, по оценкам экспертов, в несколько раз превышают запасы энергии органического ископаемого топлива.

По данным ассоциации «Геотермальное энергетическое общество».

‹

›

Геотермальная энергия — это тепло земных недр. Вырабатывается оно в глубинах и поступает к поверхности Земли в разных формах и с различной интенсивностью.

Температура верхних слоёв грунта зависит в основном от внешних (экзогенных) факторов — солнечного освещения и температуры воздуха. Летом и днём грунт до определённых глубин прогревается, а зимой и ночью охлаждается вслед за изменением температуры воздуха и с некоторым запаздыванием, нарастающим с глубиной. Влияние суточных колебаний температуры воздуха заканчивается на глубинах от единиц до нескольких десятков сантиметров. Сезонные колебания захватывают более глубокие пласты грунта — до десятков метров.

На некоторой глубине — от десятков до сотен метров — температура грунта держится постоянной, равной среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли. В этом легко убедиться, спустившись в достаточно глубокую пещеру.

Когда среднегодовая температура воздуха в данной местности ниже нуля, это проявляется как вечная (точнее, многолетняя) мерзлота. В Восточной Сибири мощность, то есть толщина, круглогодично мёрзлых грунтов достигает местами 200—300 м.

С некоторой глубины (своей для каждой точки на карте) действие Солнца и атмосферы ослабевает настолько, что на первое место выходят эндогенные (внутренние) факторы и происходит разогрев земных недр изнутри, так что температура с глубиной начинает расти.

Разогрев глубинных слоёв Земли связывают, главным образом, с распадом находящихся там радиоактивных элементов, хотя называют и другие источники тепла, например физико-химические, тектонические процессы в глубоких слоях земной коры и мантии. Но чем бы это ни было обусловлено, температура горных пород и связанных с ними жидких и газообразных субстанций с глубиной растёт. С этим явлением сталкиваются горняки — в глубоких шахтах всегда жарко. На глубине 1 км тридцатиградусная жара — нормальное явление, а глубже температура ещё выше.

Тепловой поток земных недр, достигающий поверхности Земли, невелик — в среднем его мощность составляет 0,03—0,05 Вт/м²,
или примерно 350 Вт·ч/м² в год. На фоне теплового потока от Солнца и нагретого им воздуха это незаметная величина: Солнце даёт каждому квадратному метру земной поверхности около 4000 кВт·ч ежегодно, то есть в 10 000 раз больше (разумеется, это в среднем, при огромном разбросе между полярными и экваториальными широтами и в зависимости от других климатических и погодных факторов).

Незначительность теплового потока из недр к поверхности на большей части планеты связана с низкой теплопроводностью горных пород и особенностями геологического строения. Но есть исключения — места, где тепловой поток велик. Это, прежде всего, зоны тектонических разломов, повышенной сейсмической активности и вулканизма, где энергия земных недр находит выход. Для таких зон характерны термические аномалии литосферы, здесь тепловой поток, достигающий поверхности Земли, может быть в разы и даже на порядки мощнее «обычного». Огромное количество тепла на поверхность в этих зонах выносят извержения вулканов и горячие источники воды.

Именно такие районы наиболее благоприятны для развития геотермальной энергетики. На территории России это, прежде всего, Камчатка, Курильские острова и Кавказ.

В то же время развитие геотермальной энергетики возможно практически везде, поскольку рост температуры с глубиной — явление повсеместное, и задача заключается в «добыче» тепла из недр, подобно тому, как оттуда добывается минеральное сырьё.

В среднем температура с глубиной растёт на 2,5—3^оС на каждые 100 м. Отношение разности температур между двумя точками, лежащими на разной глубине, к разности глубин между ними называют геотермическим градиентом.

Обратная величина — геотермическая ступень, или интервал глубин, на котором температура повышается на 1^оС.

Чем выше градиент и соответственно ниже ступень, тем ближе тепло глубин Земли подходит к поверхности и тем более перспективен данный район для развития геотермальной энергетики.

В разных районах, в зависимости от геологического строения и других региональных и местных условий, скорость роста температуры с глубиной может резко различаться. В масштабах Земли колебания величин геотермических градиентов и ступеней достигают 25 крат. Например, в штате Орегон (США) градиент составляет 150

оС на 1 км, а в Южной Африке — 6^оС на 1 км.

Вопрос, какова температура на больших глубинах — 5, 10 км и более? При сохранении тенденции температура на глубине 10 км должна составлять в среднем примерно 250—300^оС. Это более или менее подтверждается прямыми наблюдениями в сверхглубоких скважинах, хотя картина существенно сложнее линейного повышения температуры.

Например, в Кольской сверхглубокой скважине, пробурённой в Балтийском кристаллическом щите, температура до глубины 3 км меняется со скоростью 10^оС/1 км, а далее геотермический градиент становится в 2—2,5 раза больше. На глубине 7 км зафиксирована уже температура 120

оС, на 10 км — 180^oС, а на 12 км — 220^oС.

Другой пример — скважина, заложенная в Северном Прикаспии, где на глубине 500 м зарегистрирована температура 42^oС, на 1,5 км — 70^oС, на 2 км — 80^oС, на 3 км — 108^oС.

Предполагается, что геотермический градиент уменьшается начиная с глубины 20—30 км: на глубине 100 км предположительные температуры около 1300—1500^oС, на глубине 400 км — 1600^oС, в ядре Земли (глубины более 6000 км) — 4000—5000

oС.

На глубинах до 10—12 км температуру измеряют через пробурённые скважины; там же, где их нет, её определяют по косвенным признакам так же, как и на бóльших глубинах. Такими косвенными признаками могут быть характер прохождения сей-смических волн или температура изливающейся лавы.

Впрочем, для целей геотермальной энергетики данные о температурах на глубинах более 10 км пока не представляют практического интереса.

На глубинах в несколько километров много тепла, но как его поднять? Иногда эту задачу решает за нас сама природа с помощью естественного теплоносителя — нагретых термальных вод, выходящих на поверхность или же залегающих на доступной для нас глубине.

В ряде случаев вода в глубинах разогрета до состояния пара.

Строгого определения понятия «термальные воды» нет. Как правило, под ними подразумевают горячие подземные воды в жидком состоянии или в виде пара, в том числе выходящие на поверхность Земли с температурой выше 20^оС, то есть, как правило, более высокой, чем температура воздуха.

Тепло подземных вод, пара, пароводяных смесей — это гидротермальная энергия. Соответственно энергетика, основанная на её использовании, называется гидротермальной.

Сложнее обстоит дело с добычей тепла непосредственно сухих горных пород — петротермальной энергии, тем более что достаточно высокие температуры, как правило, начинаются с глубин в несколько километров.

На территории России потенциал петротермальной энергии в сто раз выше, чем у гидротермальной, — соответственно 3500 и 35 трлн тонн условного топлива. Это вполне естественно — тепло глубин Земли имеется везде, а термальные воды обнаруживаются локально. Однако из-за очевидных технических трудностей для получения тепла и электроэнергии в настоящее время используются большей частью термальные воды.

Воды температурой от 20—30 до 100^оС пригодны для отопления, температурой от 150

оС и выше — и для выработки электроэнергии на геотермальных электростанциях.

В целом же геотермальные ресурсы на территории России в пересчёте на тонны условного топлива или любую другую единицу измерения энергии примерно в 10 раз выше запасов органического топлива.

Теоретически только за счёт геотермальной энергии можно было бы полностью удовлетворить энергетические потребности страны. Практически же на данный момент на большей части её территории это неосуществимо по технико-экономическим соображениям.

В мире использование геотермальной энергии ассоциируется чаще всего с Исландией — страной, расположенной на северном окончании Срединно-Атлантического хребта, в исключительно активной тектонической и вулканической зоне. Наверное, все помнят мощное извержение вулкана Эйяфьятлайокудль (Eyjafjallajökull) в 2010 году.

Именно благодаря такой геологической специфике Исландия обладает огромными запасами геотермальной энергии, в том числе горячих источников, выходящих на поверхность Земли и даже фонтанирующих в виде гейзеров.

В Исландии в настоящее время более 60% всей потребляемой энергии берут из Земли. В том числе за счёт геотермальных источников обеспечивается 90% отопления и 30% выработки электроэнергии. Добавим, что остальная часть электроэнергии в стране производится на ГЭС, то есть также с использованием возобновляемого источника энергии, благодаря чему Исландия выглядит неким мировым экологическим эталоном.

«Приручение» геотермальной энергии в XX веке заметно помогло Исландии в экономическом отношении. До середины прошлого столетия она была очень бедной страной, сейчас занимает первое место в мире по установленной мощности и производству геотермальной энергии на душу населения и находится в первой десятке по абсолютной величине установленной мощности геотермальных электростанций. Однако её население составляет всего 300 тысяч человек, что упрощает задачу перехода на экологически чистые источники энергии: потребности в ней в целом невелики.

Помимо Исландии высокая доля геотермальной энергетики в общем балансе производства электроэнергии обеспечивается в Новой Зеландии и островных государствах Юго-Восточной Азии (Филиппины и Индонезия), странах Центральной Америки и Восточной Африки, территория которых также характеризуется высокой сейсмической и вулканической активностью. Для этих стран при их нынешнем уровне развития и потребностях геотермальная энергетика вносит весомый вклад в социально-экономическое развитие.

(Окончание следует.)

Температура почвы на глубинах до 320 см (ежедневные данные)

Шерстюков А.Б.

 

Описание массива суточных данных о температуре почвы на глубинах до 320 см по метеорологическим станциям Российской Федерации (версия 2).

 

1.     Введение

В процессе создания данного массива использовались данные специализированного массива данных “Температура почвы по территории России” подготовленного Р.А. Мартугановым в отделе климатологии, а также использовались выборки из информационной базы РСБД ”Приземная метеорология” полученные с помощью технологии Аисори (http://meteo.ru/it/178-aisori, разработчик: В.М. Веселов). Первая версия массива с данными до 2008 года была подготовлена в ОКЛ в 2010 году.

 В настоящей версии массива применены доработанные авторские методы контроля, ряды наблюдений по станциям продлёны до 2015 года включительно. Подробное описание методов контроля приводится ниже.

Текущая версия массива данных подготовлена в лаборатории исследования последствий изменения климата ФГБУ “ВНИИГМИ-МЦД”.

Массив данных обновляется и дорабатывается в ЛИПИК (http://www.meteo.ru/structure/lipic), обнаруженные ошибки фиксируются с помощью признаков качества. Информация о найденных ошибках содержится внутри массива в виде признаков качества.

Перечень станций России для обновленной версии массива составлен на основании Списка станций Росгидромета, включенных в Глобальную сеть наблюдений за климатом и списка реперных метеорологических станций Росгидромета.

 

Любые замечания и рекомендации по данному массиву данных можно направлять во ВНИИГМИ-МЦД:

-старшему научному сотруднику ЛИПИК

Шерстюкову Артёму Борисовичу:

    Email:  Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

2. Описание

Массив данных содержит суточные значения температуры почвы на глубинах до 320 см, полученные на метеорологических станциях Российской Федерации за последние четыре десятилетия.

Наблюдения на станциях Российской Федерации начинались не одновременно.  В связи с этим, период наблюдений на станциях различен, самый ранний год в массиве 1963.

Под естественным покровом температура почвы измеряется на глубинах 2, 5, 10, 15, 20, 40, 60, 80, 120, 160, 240, 320 см.

Основные глубины наблюдений за температурой почвы под естественной поверхностью (по вытяжным термометрам) – 20, 40, 80, 160 и 320 см, дополнительные – 60  см (в 60-х гг. вышла из употребления), 120 см и 240 см.

Наблюдения по вытяжным термометрам на глубинах 80 — 320 см производятся в течении всего года один раз в сутки в срок, ближайший к 14 ч поясного декретного (зимнего) времени. Наблюдения на глубинах 20 и 40 см в теплую половину года производятся в единые синхронные сроки. Зимой, когда высота снежного покрова достигает 15 см и более, наблюдения производятся один раз в сутки в срок, ближайший к 14 ч поясного декретного (зимнего) времени. Наблюдения в единые синхронные сроки возобновляются весной при высоте снежного покрова менее 5 см.

В наблюдениях, по причинам не всегда известным, возникали перерывы на отдельных глубинах или на всех глубинах одновременно, а в архивах в это время возникали пропуски в данных. Иногда эти пропуски в данных совпадают с различными историческими событиями и переходными моментами в развитии страны.

Кроме того, в архивах, созданных в ГУ «ВНИИГМИ-МЦД» на основе перфокартотек до 1976 года, имеются сравнительно большие пропуски в данных о температуре почв, так как со времени их создания (1970-е гг.) до ввода в ЭВМ и создания в 1980-х годах архивных файлов перфокартотеки деградировали из-за старения основы (перфокарт) и хранения в неподходящих условиях.

При создании массива проводился контроль качества исходных данных.

В ходе выполнении контроля никакие из исходных данных не были исправлены, результатом контроля являются только признаки качества каждого значения. Это сделано специально, чтобы каждый пользователь этого массива, мог иметь возможность дополнительно проводить свой контроль и принимать свое решение относительно достоверности того или иного значения. Следует помнить, что выполненные методы контроля могли пропустить некоторые ошибочные значения, т.е. признаки качества, характеризующие то или иное значение, носят рекомендательный характер.

Массив по температуре почвы имеет следующую структуру:

 

1. Данные по каждой станции представлены отдельным файлом.

2. Строка файла представляет собой данные на всех глубинах за один день по одной станции. 

3. В строке записаны:

—        Индекс ВМО станции,

—        год,

—        месяц,

—        день,

—        температура на глубине 2 см, увеличенная в 10 раз; признак качества.

—        температура на глубине 5 см, увеличенная в 10 раз; признак качества.

 —       температура на глубине 10 см, увеличенная в 10 раз; признак качества.

—        температура на глубине 15 см, увеличенная в 10 раз; признак качества.

—        температура на глубине 20 см, увеличенная в 10 раз; признак качества.

—        температура на глубине 40 см, увеличенная в 10 раз; признак качества.

—        температура на глубине 60 см, увеличенная в 10 раз; признак качества.

—        температура на глубине 80 см, увеличенная в 10 раз; признак качества.

—        температура на глубине 120 см, увеличенная в 10 раз; признак качества.

—        температура на глубине 160 см, увеличенная в 10 раз; признак качества.

—        температура на глубине 240 см, увеличенная в 10 раз; признак качества.

—        температура на глубине 320 см, увеличенная в 10 раз; признак качества.

Фрагмент файла данных:

				2	p	5	p	10	p	15	p	20	p	40	p	60	p	80	p	120	p	160	p	240	p	320	p
22217	1963	1	1	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-18	0	9999	9	-6	5	2	0	9999	9	16	0	9999	9	35	0
22217	1963	1	2	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-17	0	9999	9	-7	5	2	0	9999	9	16	0	9999	9	35	0
22217	1963	1	3	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-17	0	9999	9	-7	5	2	0	9999	9	15	0	9999	9	34	0
22217	1963	1	4	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-19	0	9999	9	-8	5	1	0	9999	9	15	0	9999	9	34	0
22217	1963	1	5	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-17	0	9999	9	-8	5	1	0	9999	9	14	0	9999	9	34	0
22217	1963	1	6	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-18	0	9999	9	-9	5	0	0	9999	9	14	0	9999	9	32	0
22217	1963	1	7	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-15	0	9999	9	-10	5	0	0	9999	9	14	0	9999	9	32	0
22217	1963	1	8	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-12	0	9999	9	-10	5	0	0	9999	9	14	0	9999	9	33	0
22217	1963	1	9	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-10	0	9999	9	-10	5	0	0	9999	9	14	0	9999	9	33	0
22217	1963	1	10	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-14	0	9999	9	-10	5	-2	0	9999	9	14	0	9999	9	32	0
22217	1963	1	11	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-19	0	9999	9	-12	5	-2	0	9999	9	13	0	9999	9	32	0
22217	1963	1	12	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-21	0	9999	9	-15	5	-3	0	9999	9	13	0	9999	9	32	0
22217	1963	1	13	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-22	0	9999	9	-17	5	-4	0	9999	9	13	0	9999	9	32	0
22217	1963	1	14	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-23	0	9999	9	-18	5	-6	0	9999	9	13	0	9999	9	31	0
22217	1963	1	15	9999	9	9999	9	9999	9	9999	9	-27	0	9999	9	-18	5	-6	0	9999	9	13	0	9999	9	31	0

Константой отсутствия данных является “9999”.

 

Признаки качества:

 

0 – значение достоверно.

1 – значение ошибочно, забраковано методом 1.

2 – значение ошибочно, забраковано методом 2.

3 – значение ошибочно, забраковано методом 3.

4– значение ошибочно, забраковано методом 4.

5– значение сомнительно, по методу 1 (т.к. данный метод контроля применить не удалось).

6 – значение сомнительно, по методу 2.

7– значение сомнительно, по методу 3.

8–значение ошибочно: забраковано более, чем одним методом одновременно.

9 – отсутствие данных.

Методы контроля

 

Представленный массив данных был проконтролирован с помощью четырех методов статистического контроля. Статистический контроль был необходим, поскольку исходные данные наблюдений имеют некоторые ошибки, вызванные разными причинами.

Как известно, статистические методы дают более точные (хорошо трактуемые, понятные) результаты, если применять их к непрерывному последовательному ряду значений (Это идеальный случай). Однако на практике последовательный ряд наблюдений имеет пропуски значений, т.е. некоторые данные отсутствуют.

Вследствие этого при выполнении контроля, приходилось прибегать к некоторым ограничениям применимости того или иного метода контроля или к ограничениям на выполнение каких-либо внутренних расчетов внутри метода. Это делалось, чтобы избежать некорректного контроля, в случаях, если недостаточно данных для выполнения конкретного метода контроля. Эти ограничения часто приводили к  тому, что те или иные значения остались не проконтролированы каким-то из методов, при этом в массиве имеются пометки в виде флагов (признак качества) рядом с каждым значением, указывающие на это обстоятельство.

 

Метод 1. «Метод гистограмм»

Метод предназначен для обнаружения грубых ошибок, выходящих за допустимые пределы правильных экстремальных значений. Он основан на анализе гистограмм распределения температуры по градациям.

 

Общая идея метода:

Гистограмма отражает повторяемость температуры по отдельным градациям температуры. Повторяемость – это число случаев с температурой в градации, деленное на общее число членов ряда. При достаточном количестве данных гистограмма должна быть гладкой на краях, а ее значения на краях слева и справа должны плавно переходить в нули.

Общая идея метода заключается в определении граничных минимальной и максимальной градаций безошибочных значений температуры с целью последующего отсечения значений, которые значительно выходят за пределы этих граничных значений.

 Предполагается, что ошибочные значения превышают экстремальные правильные значения на величину более чем одна градация. Такие ошибочные значения должны выходить за пределы правильных значений температуры и отделяться от основных значений градациями с нулевой повторяемостью в левой и правой частях гистограммы. Значения принимаются ошибочными, если на краях гистограммы они попадают в градации, следующие после градации с нулевой повторяемостью.

 

Примечание: алгоритм применяется на каждой станции и на каждой глубине отдельно.

 

Метод 2. «Метод проверки на сигмы»

Общая идея метода:

Идея метода заключается в том, что при отсутствии ошибок в исходных данных среднеквадратическое отклонение (σ) всех исходных данных температуры характеризует наиболее вероятные пределы отклонений исходных данных от среднего значения (от нормы). В связи с этим, метод 2 применяется после метода 1, к данным которые признаны корректными по методу 1 — это позволяется снизить влияние грубых ошибок на вычисление среднеквадратического отклонения (σ). В интервале ±4σ (количество сигм подобрано эмпирически) от среднего значения находятся практически все правильные исходные данные (в предположении, что температура имеет нормальное распределение).

 

Метод 3. «Проверка на связанность соседних по времени значений»

Значения температуры в соседние дни не могут сильно отличаться из-за инерционности изменения температуры почвы. Это свойство используется для выявления скачкообразных ошибок, при анализе  последовательных дней.

Общая идея метода:

Идея метода заключается в том, чтобы проверить каждое суточное значение температуры на допустимые пределы отклонений от линейного изменения температуры между предыдущим и последующим днем.

Для проверки каждого суточного значения температуры вычисляется соответствующее ему интерполированное значение температуры между предыдущим и последующим днем. Т.е., например, для проверки температуры 2 января вычисляется интерполированное значение t_i на этот день по данным за первое T _i-1 и третье января T _i+1 .

t_i = (T _i+1 + T _i-1)/2,  где 

i – номер дня года

T _i+1 –температура в последующий день

T _i-1 –температура в предшествующий день

t_i – интерполированная температура на проверяемый день

 

Вычисленное t_i  и фактическое T_i значения на 2 января могут отличаться в некоторых пределах. Необходимо определить допустимые пределы величины ΔT_i = T_i — t_i , при которых T_i можно признать правильным значением. Допустимые пределы определяются по анализу среднеквадратического отклонения σ_о(i) значений ΔT_i на проверяемый день за все годы. Если ΔT_i выходит за установленные пределы ±5σ_о(i), то соответствующее проверяемое  значение температуры признается некорректным (в нашем примере некорректным признается исходное значение на 2 января).

Метод 3 применяется после метода 1, к данным которые признаны корректными по методу 1. Это позволяется снизить влияние грубых ошибок на вычисление среднеквадратического отклонения (σ_о(i)). Интервал ±5σ_о подобран эмпирически.

 

Метод 4. «Проверка соседних значений на ошибку обратного знака»

Метод 4 является дополнительным к первым трем методам. Это очень простой метод контроля, призванный найти единичные ошибки “в знаке” значения.

В исходном массиве очень редко встречаются такие ошибки, когда в ряду положительных температур вдруг попадается такое же по величине число, но с обратным знаком.

Метод 4 применяется, как и метод 1, к исходному массиву, в отличие от методов 2 и 3, которые применяются к массиву, проконтролированному методом 1.

 

Общая идея метода:

В каждых трех последовательных значениях температуры проверяется соответствие знака второго значения со знаком первого и третьего значения температуры.  Если знак второго значения отличается, то выполнятся сравнение значений, чтобы определить переход ли это через 0 ^оС (т.е. корректное значение) или же это появление одиночного резкого выброса (т.е. появление ошибки).

Конечно, возможно появление неверного знака и в других различных сочетаниях, например, появление двух последовательных чисел с неверным знаком подряд и т. д. – такие ситуации этот метод не учитывает, но такие ситуации редкие.

О тепловом состоянии внутренних частей земного шара

Недра Земли для прямого изучения совершенно недоступны; достаточно сказать, что наибольшая глубина скважин, достигнутая при бурении на нефть, лишь немногим превышает 6 км.

Поэтому наши познания о распределении тепла не только в теле планеты, но даже в толще её внешнего слоя — так называемой земной коры — основаны преимущественно на косвенных данных.

О сравнительно высоких температурах говорят выходы горячих источников и выделение вулканами на дневную поверхность жидких расплавленных минеральных масс.

Установлено, что в кратерах действующих вулканов лава бывает нагрета от 1100 до 1180° (Везувий, Стромболи) либо от 1070 до 1300° (Килауэа), а в среднем на 1100°. При 1050° и ниже течение обыкновенной лавы уже прекращается. Следовательно, наличие внутри Земли температур порядка 1000—1100° не подлежит сомнению. Или несколько меньше, если предположить, что лава, поднявшись на поверхность и захватывая кислород атмосферы, нагревается в результате развивающихся реакций окисления, т. е. приобретает более высокую, чем она имела на глубине, температуру. Гораздо труднее составить представление о верхнем пределе температуры в Земле. Для общих заключений о нём пользуются наблюдениями над вертикальным распределением температуры в толще земной коры, сделанными попутно при закладке шахт, тоннелей и буровых скважин.

Тепловой режим поверхностного слоя земной коры на суше непосредственно зависит от нагревания солнцем. Здесь отмечаются как суточные, так и сезонные изменения температуры, хотя по сравнению с соответствующими колебаниями температуры воздуха они замедлены во времени и сглажены по размаху. Однако на известной глубине (в умеренных странах около 20 м, в тропиках меньше, а в полярных широтах несколько глубже) находится слой постоянной температуры, одинаковой в течение всего года и равной средней годовой температуре воздуха данной местности. Ниже постоянного слоя температура с глубиной нарастает.

Для количественного определения величины этого нарастания пользуются двумя взаимно связанными понятиями. Изменение температуры при углублении в землю на 100 м называется геотермическим градиентом, а то расстояние по отвесу, на которое необходимо углубиться, чтобы получить повышение температуры на 1°, называется геотермической ступенью.

Действительная величина ступени, зависящая от теплопроводности горных пород, близости или удалённости вулканических очагов и ряда других причин, колеблется в довольно широких границах, например в СССР от 1,4 м (район тёплых источников Пятигорска) до 177,7 м (Монче-Тундра). Средней величиной геотермической ступени принято считать 33 м, средней величиной геотермического градиента 3°. Однако в справедливости этик цифр можно сомневаться, так как подавляющее большинство геотермических измерений, из которых выведены средние, производилось в осадочных породах, т. е. в условиях, не характерных для земной коры, которая на 95% (в верхних 16 км) состоит из кристаллических пород. Все измерения в кристаллических породах Южной Африки, Канады, Кольского полуострова, в Кривом Роге и т. д. дают величину геотермической ступени от 122 до 200 м. Именно эти величины нужно считать нормальными для земной коры в целом, и тогда нормальный геотермический градиент будет не более 1 —1°,2.

Путём экстраполяции величины геотермического градиента на большие глубины можно подсчитать, что в центральных частях нашей планеты температура должна быть равной десяткам тысяч градусов.

Однако для такой экстраполяции нет разумных оснований. Выяснилось, что величина геотермической ступени есть функция не только местных особенностей горных пород, но и глубины: с глубиной ступень становится больше; следовательно, повышение температуры замедляется. Это позволяет предположить, что на известном расстоянии от земной поверхности повышение температуры вообще прекратится, и отсюда до центра Земли могут господствовать изотермические (или близкие к изотермическим) условия.

Подобное предположение подкрепляется и тем, что главным источником тепла внутри земного шара является распад радиоактивных веществ.

Радиоактивные элементы довольно широко, хотя и в ничтожных количествах, распространены в горных породах как составные части некоторых минералов. Они подвергаются непрерывному и самопроизвольному атомному распаду, сопровождаемому выделением материальных частиц и тепла.

Если бы радиоактивные вещества в теле нашей планеты распределялись равномерно и их процентное содержание оставалось бы всюду таким, как и в поверхностных частях земной коры, Земля испытывала бы нагревание. Однако возрастающего нагревания Земли не удаётся обнаружить. Кроме того, в Земле с глубиной повышение температуры замедляется.

Здесь возможны два объяснения: либо на глубине, в условиях огромных давлений, распад радиоактивных веществ замедлен; либо количество радиоактивных веществ с глубиной становится меньше. Первое мало вероятно, так как, насколько можно судить, никакие известные нам высокие или низкие давления и температуры не оказывают практически заметного влияния на ход радиоактивного распада. Второе предположение имеет под собой более прочную почву. Исследованиями доказано, что поверхностные породы гранитного состава богаче радиоактивными элементами, чем более глубинные породы типа базальтов. Геофизики, исходя из предположения о тепловом равновесии Земли, высчитали, что радиоактивные вещества сосредоточены только в земной коре до глубины 50—80 км, а в остальной массе земного шара: они либо находятся в ничтожно малых количествах, либо их там вовсе нет.

Тогда увеличение геотермической ступени с глубиной находит себе чрезвычайно простое объяснение. Не остаётся также и места для неограниченной экстраполяции значений геотермического градиента. Необходимо сделать вывод, что самая высокая температура, которая достигнута на определённой глубине, характеризует затем уже однородно нагретую всю внутреннюю часть нашей планеты и не должна превышать 2—3 тыс. градусов.

Кстати, по мнению некоторых авторов (Мак-Ниш), особенности магнитного поля Земли могут быть удовлетворительно объяснены только в предположении, что температура земного ядра равна около 2 тыс. градусов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Почему потепление даже на 1,5 градуса — это опасно? Объясняем, что ждет Россию и мир | Экология

На Конференции по изменению климата в Париже в 2015 году международное сообщество взяло на себя обязательство стабилизировать повышение средней температуры Земли до уровня ниже двух градусов по Цельсию и установить максимально допустимый предел температуры в 1,5 градуса. Рассказываем, как, казалось бы, небольшое изменение средних температур может вызвать долгосрочные изменения в жизни, какой мы ее знаем.

Глобальное потепление существует? А что это?

Когда ученые и экологи говорят о потеплении на 1,5 градуса, речь идет о повышении средней температуры Земли. С чем сравнивается это повышение? С базовой средней температурой в середине-конце девятнадцатого века. Именно тогда промышленная революция достигла своего пика, и люди начали сжигать ископаемое топливо на беспрецедентном уровне, что и дало толчок изменению климата.

Важно понимать, что глобальное потепление, вызванное сжиганием ископаемого топлива, не является однородным процессом. Из-за множества природных факторов некоторые области — например, полюса — нагреваются намного быстрее, чем другие. Поэтому, когда мы говорим о предотвращении глобального потепления на 1,5 градуса, мы говорим о предотвращении повышения средней температуры Земли. Некоторые места уже пересекли эту черту.

Конечно, климат постоянно меняется и в прошлом Земля переживала как потепления, так и замерзания. И за 4,5 миллиарда лет существования Земли на ней было и гораздо теплее, и гораздо холоднее, чем сейчас. Однако даже если собрать все имеющиеся значения глобальной температуры в один таймлайн, можно увидеть, что никогда еще скорость роста не была такой высокой.

Так что проблема, в основном, из-за слишком быстрого изменения климата.

Почему потепление даже на 1,5 градуса — это опасно?

 Многие при словах «глобальное потепление» думают о самых жарких днях лета, когда повышение один или два градуса, конечно, приведет к неудобствам, но не похоже на конец света.

Достижение глобального потепления на 1,5 градуса не означает, что средние температуры в некоторых местах не поднимутся значительно выше этого числа. Опять же — это просто среднемировой показатель.

Кроме того, при повышении средней температуры всплески и волны тепла будут намного, намного выше, чем всего на 1,5 градуса, сообщает Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). Иными словами, если глобальное потепление достигнет 1,5 градусов, самая высокая из самых высоких температур повысится, и во многих (других) местах станет опасно жарко».

А что будет при потеплении на 1,49999999 градуса?

Еще одна важная вещь, которую нужно понять в отношении глобального потепления, заключается в том, что не все, что до 1,49999 градусов, — это радуга, единороги и бесплатное мороженое для всех. Как только планета пересекает линию в 1,5 градуса, Четыре Всадника Апокалипсиса не начнут разрушать Землю. Это происходит уже сейчас.

Климатический кризис уже наступил. Сегодня более высокие температуры уже приводят к засухам и уничтожают посевы. Гималайские ледники, которые обеспечивают водой около 240 млн человек, уже тают. Такие штормы, как ураганы Харви, Ирма и Мари, уже становятся сильнее и разрушительнее из-за изменения климата. Этот список можно продолжить.

Все эти воздействия (и многие другие) затрагивают сложные системы. Некоторые наслаиваются друг друга. Некоторые этого не делают. Но все их объединяет тепло. Тепло — это фактор, который выводит из строя природные системы с их хрупкой системой сдержек и противовесов.

Более простая версия состоит в том, что чем больше тепла добавляется к климатической системе Земли, тем больше разбалансируются природные системы. Чем больше разбалансированы природные системы, тем к большим разрушениям и страданиям они приводят. 

Что ж, глобальное потепление примерно на 1,5 градуса достаточно, чтобы подтолкнуть многие природные системы, которые поддерживают людей, к опасному поворотному моменту. Считайте 1,5 градуса не абсолютной линией на песке, а общим показателем того, где многие климатические воздействия переходят от разрушительных к катастрофическим. Это табличка на двери, которая ведет в очень темное место, куда никто не хочет идти.

«На самом деле становится теплее? У нас на улице постоянно холодно!»

Между полярными и экваториальными частями планеты существует естественный перепад средних температур: у экватора теплее, у полюсов — холоднее. Можно было бы ожидать, что при общем повышении температуры на планете этот температурный перепад будет просто «подниматься» — везде станет теплее. Однако, на самом деле, линия температур не только поднимается, но и выправляется — разница между экватором и полюсами становится все меньше, среднегодовая температура в Арктике и Антарктике растет быстрее, чем на экваторе. Согласно оценкам Росгидромета, на территории России потепление климата происходит примерно в 2,5 раза интенсивнее, чем в среднем по Земному шару.

Изменение климата, однако, отнюдь не означает простого повышения температур: оно может сопровождаться волнами холода, которые возникают и устанавливаются на больших территориях. Это процесс связан с изменением движения потоков воздуха на полюсах, что, в свою очередь, может быть спровоцировано изменением климата. Впрочем, конкретно эта связь пока не установленный факт, а только предмет для исследований.

Что произойдет, если температура повысится на 1,5-2 градуса? Люди тут же умрут?

Нет. Но проблема не в этом. 

При потеплении на 1,5 градуса по Цельсию связанные с климатом риски для здоровья человека, средств к существованию, продовольственной безопасности, безопасности человека, водоснабжения и экономического роста увеличатся. Обездоленные и уязвимые группы населения, некоторые коренные народы и общины, средства к существованию которых основаны на сельском хозяйстве или прибрежных ресурсах, будут подвергаться наибольшему риску. К регионам наибольшего риска относятся арктические экосистемы, засушливые районы, малые островные развивающиеся государства и наименее развитые страны. Некоторые группы населения столкнутся с ростом бедности и неблагоприятных условий. Ограничение потепления до 1,5 градусов по Цельсию может сократить к 2050 году количество людей, подверженных риску бедности, связанной с климатом, на несколько сотен миллионов человек.

• Заболевания и смертность, связанные с жарой

Города будут испытывать наихудшие воздействия волн тепла из-за эффекта городского теплового острова, который сохраняет в них тепло сильнее, чем в прилегающих сельских районах.

Карты типа поверхности суши и температуры для Балтимора, штат Мэриленд, показывают тесную взаимосвязь между развитием и эффектом городского теплового острова. Температура земли в плотно застроенном центре города на 10 градусов по Цельсию выше, чем в окружающем лесном ландшафте. В специальном отчете МГЭИК говорится, что города испытают наихудшие последствия волн тепла из-за эффекта городского острова тепла.

Предоставлено: Обсерватория Земли НАСА.

Воздействие будет варьироваться в зависимости от региона из-за многих факторов, таких как способность населения приспосабливаться к изменениям в окружающей среде, уязвимость населения, антропогенное окружение и доступ к кондиционированию воздуха.
Пожилые люди, дети, женщины, люди с хроническими заболеваниями и люди, принимающие определенные лекарства, будут подвергаться наибольшему риску.

• Трансмиссивные заболевания

Все больше людей умирают от трансмиссивных болезней, как малярия и лихорадка денге, при потеплении на 1,5 градуса потепления ситуация ухудшится.

• Продовольственная безопасность

Ожидается, что при потеплении на 2 градуса по Цельсию продовольственная безопасность снизится по сравнению с 1,5 градусами, говорят авторы доклада, при этом наибольшие риски возникнут в африканском Сахеле, Средиземноморье, Центральной Европе, Амазонии, а также в Западной и Южной Африке.

Урожайность таких культур, как кукуруза, рис, пшеница и другие зерновые культуры будет меньше при потеплении на 2 градуса, чем при 1,5 градусе, особенно в странах Африки к югу от Сахары, Юго-Восточной Азии и Центральной и Южной Америке. 

Рис и пшеница станут менее питательными. Прогнозируемая доступность продуктов питания при потеплении. Погибнет от семи до 10 процентов поголовья пастбищных угодий.

А что ждет природу?

Многие природные системы пересекут точки невозврата, вызывая длительные изменения и трансформируя жизнь в том виде, в котором мы ее знаем.

Такое резкое повышение уровня моря может иметь разрушительные последствия: жители планеты рискуют потерять около 1,79 млн квадратных километров земли, а до 187 млн человек лишатся своих домов. Малые островные государства в Тихом океане будут затоплены и необитаемы. Такие изменения в течение следующих 80 лет вызовут серьезные социальные волнения, отмечают эксперты.

Кроме того, ограничение потепления до 1,5 градусов Цельсия снизит повышение температуры океана и связанное с этим повышение кислотности океана и снижение уровня кислорода, что создает значительные риски для морского биоразнообразия, рыболовства и экосистем, говорится в отчете.

Океаны станут более кислыми из-за более высоких концентраций углекислого газа при потеплении на 1,5 градуса, который станет еще выше при потеплении на 2 градуса, что отрицательно скажется на широком спектре видов, от водорослей до рыб. Уровень кислорода в океане также снизится, что приведет к появлению количества «мертвых зон», областей, где нормальные океанические воды заменяются водами с низким уровнем кислорода, которые не поддерживают большинство водных организмов.

Размер и количество морских мертвых зон — областей, где на глубине воды так мало растворенного кислорода, что морские существа не могут выжить — за последние полвека резко выросли. Красные круги на этой карте показывают расположение и размер многих мертвых зон нашей планеты. Черные точки показывают, где наблюдались мертвые зоны, но их размер неизвестен. Предоставлено: обсерватория Земли НАСА.

Что произойдет в теплых странах?

Да. разрушатся  нарушатся экосистемы всего мира. Станет труднее предотвратить наводнения, очищать воду и поддерживать плодородие почвы. Рост температуры от 1,5 до 2 градусов приведет к увеличению количества жарких дней в году в геометрической прогрессии. В одних частях света станет гораздо меньше дождей, в других — наоборот. Сильнее всего пострадают жители юга Африки и берегов Средиземного моря, где засуха может кардинально изменить флору и фауну.

Что станет с холодными частями планеты?

При потеплении на 1,5 градуса планета потеряет 70–90% коралловых рифов, которые погибают уже сейчас. Этот процент может стать катастрофическим для миллионов океанических существ, но в долгосрочной перспективе останется шанс спасения экосистем. Если Земля потеплеет на 2 градуса, исчезнут 99% рифов, что повлечет вымирание тысяч видов животных.

Текстура поверхности плавного льда, такого как ледник Хеймдаль на юге Гренландии, позволяет спутнику Landsat 8 отображать почти весь текущий лед в мире. Фото: НАСА

Вечная мерзлота существовала в отдельных уголках Земли в течение сотен тысяч, а возможно, и миллионов лет. Если не позволять планете нагреваться выше 1,5% градусов, то вероятность сохранения ледников составит 70%. Но при 2 градусах лед растает даже в Арктике. Белые медведи и другие виды северных животных будут вынуждены бороться за выживание в неестественных условиях. Исследования показали, что при 1,5 градусах нагрева к 2300 году уровень моря поднимется на 1 метр. При этом высок риск разрушения ледяных поверхностей Гренландии и Западной Антарктиды. Если же температура будет расти быстрее, эти льды растают и уровень моря поднимется до 2 метров за 200 лет. Миллионы людей столкнутся с ежегодными наводнениями, многим жителям прибрежных городов придется задуматься о переезде.

Эта визуализация начинается с демонстрации динамической красоты морского льда Арктики, который реагирует на ветры и океанские течения. Исследования поведения арктического морского льда за последние 30 лет привели к более глубокому пониманию того, как этот лед выживает из года в год. В следующей анимации виден возраст морского льда: молодой лед имеет более темные оттенки синего цвета, а самый старый лед — более ярко-белый. Это визуальное представление возраста льда ясно показывает, как количество более старого и толстого льда изменилось в период с 1984 по 2016 год. Фото: Студия научной визуализации НАСА

Морские экосистемы. Согласно докладу, при потеплении на 1,5 градуса по Цельсию географические ареалы многих морских видов сместятся в более высокие широты, появятся новые экосистемы и будет нанесен больший ущерб морским экосистемам. Такое перемещение видов будет иметь в основном негативные последствия для людей, но в некоторых районах будут достигнуты краткосрочные выгоды, например, рыболовство в высоких широтах Северного полушария. Эти риски выше при потеплении на 2 градуса по Цельсию. Рыболовство и аквакультура будут менее продуктивными.

Рыба в Муфушиу Канду, Мальдивы. Согласно специальному докладу МГЭИК, при потеплении на 1,5 градуса по Цельсию географические ареалы многих морских видов сместятся в более высокие широты, появятся новые экосистемы, и, согласно докладу, морским экосистемам будет нанесен больший ущерб. Эти риски выше при потеплении на 2 градуса по Цельсию. Предоставлено: Бруно де Джусти [CC BY-SA 2.5 it (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/it/deed.en)]

Даже если вода поднимется всего на метр, что такого?

За последние 100 лет уровень мирового океана поднялся приблизительно на 20 сантиметров, что уже привело к подтоплению многих прибрежных территорий. А что случится, если воды мирового океана станут выше еще на один метр? Если кратко, то пострадает огромная часть населения планеты.

Остров Таваруа, Фиджи  CC BY-SA 3.0

Повышение уровня мирового океана прежде всего угрожает странам с низменной береговой линией, а также многочисленным островным государствам, которые могут полностью, либо частично уйти под воду. По словам специалистов, в зону риска входят многие острова Индийского и Атлантического океанов, мелкие атоллы Океании, значительная часть побережья США, Великобритании, Нидерландов, Дании, Италии, Испании Германии, Польши, Украины, России, а также некоторых стран Юго-Восточной Азии. 

Мальдивы

Пессимистичные прогнозы говорят о том, что большинство из здешних атоллов скроются под водой уже в ближайшие десятилетия.

Венеция

По расчетам ученых, город станет непригоден для жизни уже к 2028 году, а к 2100-му он практически полностью затонет.

Майями

Уязвимым перед лицом глобального потепления город делает его специфическая геология: Майами-Бич стоит на пористых известняках, которые впитывают подступающую воду, после чего она фонтанирует из всех канализационных стоков. Рельеф региона, который не поднимается выше двух метров, лишь усугубляет ситуацию. Еще один дополнительный метр грозит лишить этот прибрежный регион жизни.

Нидерланды

Благодаря данным Европейского космического агентства было установлено, что в некоторых районах Голландии воды Северного моря поднимаются со скоростью два сантиметра в год. Ученые прогнозируют, если уровень прибрежных вод повысится хотя бы на один метр под воду уйдут крупнейшие города страны – Амстердам и Гаага.

Бангкок

Жители района Самутпракан, дома которых возведены возле реки, уже вынуждены ходить по щиколотку в воде. Значительная часть Бангкока уже находится ниже уровня моря.

А что ждет Россию?

Россия занимает четвертое место по выбросу парниковых газов. По данным Росгидромета, в нашей стране потепление происходит в среднем в 2,5 раза быстрее по сравнению с остальным миром. Приморские регионы рискуют погибнуть от наводнений, а средняя полоса пострадает от засух и тепловых волн. Если не остановить темпы роста температуры, неизбежен коллапс в сельском хозяйстве из-за роста числа вредителей, а также гибель представителей флоры и фауны в результате масштабных пожаров и таяния ледников.

Кроме того, обострится ситуация с клещами. Все более частые, чем ранее, теплые зимы и весны, приводят к тому, что больший процент клещей успешно перезимовывает, их численность растет, и они расползаются по все большей территории. Прогнозы изменений климата на ближайшие десятилетия однозначно говорят, что тенденции не изменятся, а значит, сами клещи не уползут и не погибнут, и проблема будет лишь обостряться. 

Кстати, климат в России уже век теплеет почти вдвое быстрее, чем во всем мире.

При этом, потепление климата приводит к увеличению количества снега в Сибири

Сейчас эпоха глобального потепления, и по мере увеличения температуры воздуха растет и влагосодержание воздушных масс, поэтому в холодных районах возрастает количество выпадающего снега. Это свидетельствует о большой чувствительности снежного покрова к любым изменениям в составе атмосферы и ее циркуляции, и об этом надо помнить при оценке любых антропогенных воздействий на окружающую среду.

Пожары будут происходить все чаще и масштабнее.

Изменение климата может привести к дефициту воды в южных регионах РФ

В ряде густонаселенных регионов Черноземного центра России (Белгородская, Воронежская, Курская, Липецкая, Орловская и Тамбовская области), Южного (Калмыкия, Краснодарский и Ставропольский края, Ростовская область) и юго-западной части Сибирского (Алтайский край, Кемеровская, Новосибирская, Омская и Томская области) федеральных округов РФ, в ближайшие десятилетия следует ожидать уменьшения водных ресурсов на 10-20%

---

Почему меняется температура воды в мировом океане

Площадь мирового океана занимает 70% Земли, 30% приходится на сушу. В связи с этим, потребляет больше солнечной энергии на прогрев. Однако лучи воздействуют только на водную поверхность. Уровень нагрева толщи жидкости зависит от смешивания слоев.

Причины изменения температуры воды в океане

Тепловой фон колеблется по ряду факторов:

• географическое расположение. На экваториальной широте наблюдается самая высокая температура. Верхние слои нагреваются до +28°. При движении к полярному кругу наблюдается снижение. На полюсах показатели варьируются в районе нуля. Кроме этого изменчива соленость поверхностных вод. Температура пресной жидкости на несколько градусов ниже;
• глубина. Чем дальше от поверхности, тем холоднее. Изначально показатели «скачут», поэтому температура воды в океане изменяется неравномерно. С набором глубины охлаждение проходит плавнее. Каждые 1000 м понижается на 2°;
• наличие подводных течений. Теплые и холодные источники влияют на скорость «смешивания» подводных слоев.

Глубинные воды имеют полярное происхождение, поэтому структура и состав однородны. На глубине свыше 4000 метров t колеблется в пределах 0°-+2°С.

Факторы, влияющие на неоднородность прогрева

Разбирая вопрос, почему в мировом океане меняется температура воды, необходимо учитывать шарообразную форму планеты. От положения солнца относительно экватора меняется угол наклона. Следовательно, чем дальше от широты, тем больше рассеиваются солнечные лучи. Это снижает эффективность прогрева. Таким образом:

• наиболее высокие значения встречаются в экваториальной зоне. По мере удаления от широты наблюдается понижение;
• наличие ледников. Дрейфующие льдины остужают поверхность вокруг себя. Полное промерзание глубинных вод исключено за счет мантии, которая подогревает нижние слои;
• климат. На территории рядом с пустынями отмечены максимальные значения.

Показатели умеренных широт изменяются от времени суток. Проводя анализ, как и почему меняется температура воды в океане, исследователи учитывают все факторы.

Мировой океан – своеобразный тепловой котел, поглощающий на 50% больше солнечного тепла, чем суша. Вода, нагретая в жаркий сезон, аккумулирует энергию. Высвобождает в атмосферу в период холодов. Такая циркуляция исключает промерзание земли. Учеными подсчитано – если океаническая жидкость не могла сохранять тепло, среднее значение держится на отметке — 21°. Это ниже текущей на 36°.

Простые ответы на сложные вопросы по климату

Вопросы и ответы подготовлены в рамках проекта «Повышение осведомленности в вопросах изменения климата среди молодежи российской части Баренц региона», выполняемом WWF России, WWF Германии и САФУ им. М.В. Ломоносова при поддержке программы «Северное измерение» ЕС. Вопросы были собраны с помощью опроса представителей неправительственных организаций Баренцевоморского региона, а также в процессе более 20 вебинаров и очных семинаров по данной теме, проведенных в 2019-2021 годах. Ответы подготовлены руководителем программы «Климат и энергетика» WWF России Алексеем Кокориным. Автор выражает глубокую благодарность всем, кто помог собрать вопросы и отладить ответы по смыслу и по языку, что кардинальным образом помогло сформулировать их более просто и наглядно, а затем в удобном для читателей виде представить на сайте: Михаилу Волкову, Юлии Калиничевой, Денису Копейкину, Андрею Копытову, Анастасии Кочневой, Николаю Ларионову и Анне Пороховой.

После каждого ответа даются ссылки на более подробную информацию в лекциях WWF России «Изменения климата в России», подготовленных на базе докладов Росгидромета, материалов его Климатического центра и других научных источников.

Ниже проводится список из 100 вопросов. Первым идет вопрос-резюме —  Как в двух словах рассказать про наши действия по климату? Затем, вопросы и ответы собраны в семь разделов:

Пожалуйста, если у вас есть вопросы, которых нет ниже, напишите автору данной работы по адресу [email protected]. Это поможет нам выяснить, что пропущено, а ответ на ваш вопрос войдет в «100+ вопросов по климату» и появится на веб-сайте WWF России.

Как в двух словах рассказать про наши действия по климату?

Первое ваше слово должно отвечать на вопрос «почему?», а второе – «что делать?». Первое очень важно именно у нас, ведь в России причины изменений климата вне программ школ и ВУЗов, а в интернете безумная путаница. Однако есть раздел «Климатическая продукция» на сайте Росгидромета и более популярные материалы – лекции WWF России. Из них можно видеть, что все прошлое хорошо объясняется Солнцем, вулканами, океанскими вариациями, вращением Земли и движением континентов. Но никакое их сочетание не может объяснить последние 50 лет. Что нового? Если очень кратко, то вот три экспериментальных факта: одновременный прогрев всех океанов, рост концентрации СО₂ в атмосфере и его изотопный состав, охлаждение верхней атмосферы – стратосферы при потеплении приземного слоя воздуха. Это однозначно доказывает ведущую роль человека, который немного, но существенно усилил парниковый эффект, прежде всего, сжигая уголь, нефтепродукты и газ.

Конечно, в отдельные годы и даже десятилетия естественные факторы могут быть доминирующими, временные похолодания есть и будут, но вывод климатологов однозначен – в масштабе прошлых 50 и будущих 100-200 лет – основной вклад дает человек. Прогноз неутешителен, загляните на сайт Климатического центра Росгидромета, там очень наглядные карты.

Что делать? Конечно, снижать выбросы парниковых газов. Причем достаточно быстро, иначе плохо будет всем, и заранее – климатическая система откликается на наши действия с временным лагом в несколько десятилетий. Ученые даже ввели термин – «планетарный углеродный бюджет» – это то, сколько все мы можем «послать» в атмосферу СО₂ и других парниковых газов, чтобы удержаться «на плаву», пойти хотя бы по умеренному сценарию выбросов парниковых газов, а это глобальное потепление на 2-2,5⁰С. В принципе, есть технологии увеличения углеродного бюджета, это проекты по поглощению СО₂ лесами или же напрямую из дымовых труб предприятий. Однако это довольно дорого, поэтому сначала надо попытаться экономить бюджет.

Чтобы наш общий ресурс – планетарный углеродный бюджет нельзя было быстро израсходовать, нужно вводить плату за выбросы, причем она должна постепенно расти. Это уже работает в Европе, в Китае и многих других странах, не за горами и плата в нашей стране. Платят предприятия – производители продукции, а если нет – огромные штрафы. В этой ситуации предприятия начинают предпринимать климатические проекты по снижению углеродного следа своей продукции. Причем передовики здесь могут получить немало преимуществ, ведь покупатель скорее предпочтет их более «зеленую» продукцию, а не более «грязных» конкурентов. Поэтому возникает даже рынок проектов. Это не шутка, такая тенденция уже налицо и будет только нарастать.

Однако и это не все. Чем сильнее потепление – суровее опасные климатические явления – волны жары и засухи, наводнения и штормовые ветра, лесные пожары и нашествия вредителей, смерчи и тайфуны, тем дороже производить продукцию. Все мы, и страна и регионы и предприятия должны адаптироваться к новым условиям, а это тоже затраты, которые лучше нести заранее, чтобы потом не было катастрофических разрушений, грозящих потерей бизнеса, имущества и даже жизней. Все непросто, но иначе никак, главное – надо действовать – строить свой сценарий декарбонизации и одновременно адаптации. Иначе проиграют все. 

Подробнее в лекциях WWF России «Изменения климата в России»

Суточный и годовой ход температуры почвы

Суточный и годовой ход температуры почвы

Наблюдения за температурой поверхности почвы и темпера­турой на различной глубине проводятся на некоторых метеороло­гических станциях уже более 70—80 лет. Обработка этих данных позволила установить закономерности изменения температуры почвы в течение суток и года.

Изменение температуры почвы в течение суток называется су­точным ходом. Суточный ход температуры имеет обычно один максимум и один минимум. Минимум температуры поверхности почвы при ясной погоде наблюдается перед восходом Солнца, когда радиационный баланс еще отрицателен, а обмен теплом между воздухом и почвой незначителен. С восходом Солнца, по мере изменения знака и величины радиационного баланса, тем­пература поверхности почвы возрастает, особенно при ясной по­годе. Максимум температуры наблюдается около 13 ч, затем температура начинает понижаться, что продолжается до утрен­него минимума.

В отдельные дни указанный суточный ход температуры почвы нарушается под влиянием облачности, осадков и других факто­ров. При этом максимум и минимум могут смещаться на другое время. Хорошо выраженный и правильный суточный ход наблю­дается в теплый период при ясной погоде.

Изменение температуры почвы в течение года называется го­довым ходом. Обычно график годового хода строится по средним месячным температурам почвы. Годовой ход температуры поверх­ности почвы определяется в основном различным приходом сол­нечной радиации в течение года. Максимальные средние месяч­ные температуры поверхности почвы в умервнных широтах север­ного полушарля наблюдаются обычно в июле, когда приток тепла к почве наибольший, а минимальные — в январе — феврале.

Разность между максимумом и минимумом в суточном или годовом ходе называется амплитудой хода температуры.

Факторы, влияющие на амплитуду суточного и годового хода температуры почвы

На амплитуду суточного хода температуры почвы влияют:

1) время года; летом амплитуда наибольшая, зимой — наи­меньшая;

Рекомендуемые файлы

2) географическая широта; амплитуда связана с полуденной высотой Солнца, которая в один и тот же день возрастает в направлении от полюса к экватору; поэтому в полярных районах амплитуда незначительна, а в тропических пустынях, где к тому же велико эффективное излучение, она достигает 50—60° С;

3) рельеф местности; по сравнению с равниной южные скло­ны нагреваются сильнее, северные слабее, а западные несколько сильнее восточных; соответственно изменяется и амплитуда;

4) растительный и снежный покровы; амплитуда суточного хода под этими покровами меньше, чем при их отсутствии;

5) теплоемкость и теплопроводность почвы; амплитуда нахо­дится в обратной зависимости от теплоемкости и теплопровод­ности;

6) цвет почвы; амплитуда суточного хода температуры по­верхности темных почв больше, чем светлых, так как поглощение радиации и ее излучение у темных поверхностей больше, чем у светлых; поверхности сухих и рыхлых почв имеют большую ам­плитуду, чем поверхности влажных и плотных почв;

7) облачность: в пасмурную погоду амплитуда значительно меньше, чем в ясную.

На амплитуду годового хода температуры поверхности почвы влияют те же факторы, что и на амплитуду суточного хода, за исключением времени года. Амплитуда годового хода, в отличие от суточного, возрастает с увеличением широты. В экваториаль­ной зоне она в среднем составляет 2—3° С, а в полярных райо­нах материков превышает 70° С (Якутия).

Амплитуда годового хода температуры оголенной поверхности почвы значительно больше, чети поверхности, покрытой раститель­ностью или снегом.

 Закономерности распространения тепла в почве

Суточные и годовые колебания температуры поверхности поч­вы вследствие теплопроводности передаются в более глубокие ее слои. Слой почвы, в котором наблюдается суточный и годовой ход температуры, называют активным слоем. Распространение температурных колебаний в глубь почвы (при однородном соста­ве почвы) происходит в соответствии со следующими законами Фурье.

1. Период колебаний с глубиной не изменяется, т. е. как на поверхности почвы, так и на всех глубинах интервал между дву­мя последовательными минимумами или максимумами темпера­туры составляет в суточном ходе 24 ч, а в годовом 12 месяцев.

2. Если глубина растет в арифметической прогрессии, то ам­плитуда уменьшается  в геометрической прогрессии, т.  е. с уве- ‘ личением глубины амплитуда быстро уменьшается.

Слой почвы, температура в котором в течение суток не изме­няется, называют слоем постоянной суточной температуры.

Температурный режим почвы     __67

В средних широтах этот слой начинается с глубины 70—100 см. Слой постоянной годовой температуры в средних широтах зале­гает глубже 15—20 м.

3. Максимальные и минимальные температуры на глубинах наступают позднее, чем на поверхности почвы (табл. 15). Это за­паздывание прямо пропорционально глубине. Суточные максиму­мы и минимумы запаздывают на каждые 10 см глубины в сред­нем на 2,5—3,5 ч, а годовые на каждый метр глубины запазды­вают на 20—30 суток.

Таблица 15

Среднее время  наступления максимумов и минимумов в  суточном  ходе температуры  почвы  (июнь)

Глубина, см	Минимум, ч мин	Максимум, ч мин	Амплитуда   ‘ температурных колебаний, °С
Нукус (близ Аральского моря, пустыня)
0	4 20	12 45	40,3
5	5 30	16 30	15,3
10	6 25	18 10	11,1
20	9 36	20 35	5,0
Ленинград
0	3 24	13 12	14,3
20	8 06	18 12	2,7
40	12 48	23 42	1,0
80	19 00	7 00	0,2

Приведенные законы Фурье иллюстрируются графиками су­точного (рис. 12) и годового (рис. 13) хода температуры поверх­ности почву и температуры на различных глубинах. На этих ри­сунках четко прослеживается уменьшение амплитуды с глуби­ной, запаздывание времени наступления максимумов и миниму­мов с увеличением глубины и независимость периода колебаний от глубины.

Согласно теоретическим расчетам Фурье, глубина, до которой проявляется годовой ход температуры почвы, должна примерно в 19 раз превышать глубину проявления суточных колебаний. В действительности наблюдаются значительные отклонения от теоретических расчетов, и во многих случаях глубина проникно­вения годовых колебаний оказывается больше расчетной. Это обусловлено различием во влажности почвы по глубинам и во времени, изменением температуропроводности почвы с глубиной и другими причинами. 68

Глава 3

В северных широтах глубина проникновения годового хода температуры почвы составляет в среднем 25 м, в средних широ­тах— 15—20 м, в южных — около 10 м.

Температурный режим почвы

69

Рис.    12.  Суточный  ход темпе­ратуры почв в июне в Тбилиси.

Цифры у кривых — глубина в мет­рах.

//  ///  IV —V   VI   УГ VIII К-‘ X XI XII

Рис.  13. Годовой ход средней месячной температуры почвы с естественной    по­верхностью в Тбилиси. Цифры у кривых — глубина в метрах.

Термоизоплеты

«Лекция 5» — тут тоже много полезного для Вас.

Материалы многолетних наблюдений за температурой почвы на различных глубинах могут быть представлены графически (рис. 14). На таком графике связываются температура почвы, глубина и время. Для построения графика на вертикальной оси откладывают глубины, а на горизонтальной — время (обычно ме­сяцы). На график наносят среднюю месячную температуру почвы на разных глубинах. Затем точки с одинаковой температурой со­единяют плавными линиями, которые называют термоизоплеты. Термоизоплеты дают наглядное представление о температуре активного слоя почвы на любой глубине в каждый месяц. Такие графики используют, например, для определения глубины про-

никновения    критических   температур,   повреждающих   корневую систему плодовых деревьев.

«/         III V       ‘УН        IX       XI        -1

Рис. 14. Изоплеты температуры почвы  (Тбилиси).

Эти графики используют также в коммунальном хозяйстве, в промышленном и дорожном строительстве, при мелиорации.

Мощность мерзлого слоя обязательно учитывается при закла­дывании дрен в мелиорируемых районах.

{2}}} = \ frac {1} {\ alpha} \ frac {\ partial T (y, t)} {\ partial t}. $$

(1)

Решение вышеуказанного уравнения подчиняется первому граничному условию на поверхности земли, данному Бхардваджем и Бансалом (1981):

$$ — k \ left. {\ frac {\ partial T} {\ partial y}} \ right | _ {y \, = \, 0} = h (T _ {\ text {a}} — T_ {y \, = \, 0}) — \ varepsilon \ Delta R + \ alpha_ {0} S. $$

(2)

Фиг.1

a Физическая модель и b вычислительная область

Левая часть приведенного выше уравнения показывает проводимость через поверхность земли. Первый член в правой части уравнения показывает конвективный теплообмен между поверхностью земли ( T _{y = 0} ) и воздух ( T _а ). Второй член — тепловое излучение (Δ R ) с излучательной способностью почвы ε .Третий член обозначает солнечную радиацию ( S ), поглощаемую поверхностью земли с поглощающей способностью почвы α ₀ . Вышеприведенное уравнение можно записать в виде общего граничного условия конвективного теплообмена:

$$ — k \ left. {\ frac {\ partial T} {\ partial y}} \ right | _ {y = 0} = h (T _ {\ text {e}} — T_ {y = 0}). $$

(3)

Температуру \ (T _ {\ text {e}} \) можно выразить следующим образом:

$$ T _ {\ text {e}} = T _ {\ text {a}} + \ alpha_ {0} S / ч — \ varepsilon \ Delta R / h.$$

(4)

В формуле. (4), ч, и \ (\ Delta R \) вычисляются согласно Кейсу и Кроуфорду (1980). Обозначение h — это общий коэффициент теплопередачи, который включает коэффициенты конвективной и радиационной теплопередачи. Конвективный член зависит от скорости воздуха ( v ), а радиационный член зависит от температуры воздуха. Δ R — тепловое излучение, зависящее от температуры воздуха и неба, данное в Hillel (1980, 1982, 2004):

$$ h = h _ {\ text {c}} + h _ {\ text {r}} $$

(5)

$$ h _ {\ text {c}} = 2.{4}]. $$

(9)

Второе граничное условие рассматривается как постоянная температура, которая является среднегодовой эффективной температурой (\ (\ bar {T} _ {\ text {e}} \)):

$$ T_ {y \ to \ infty} = \ bar {T} _ {\ text {e}}. $$

(10)

Изменение температуры подземного грунта с глубиной в течение типичных дней …

Контекст 1

… урбанизация в развивающихся странах создает огромный спрос на энергию в промышленном, жилом и коммерческом секторах для выполнения своих функций.Следовательно, энергетический кризис этих стран может стать большой угрозой в ближайшем будущем, если они не предпримут каких-либо заблаговременных инициатив по оптимизации использования энергии или использованию других альтернатив искусственной энергии или использованию естественной энергии в различных секторах города. Многие страны мира сейчас пытаются использовать солнечную, водную, воздушную и геоэнергетику в различных секторах (промышленном, коммерческом, жилом и т. Д.) Для экономии антропогенной энергии и создания безопасной и устойчивой окружающей среды.Из данных обследования потребления электроэнергии Малайзии в 2007 году видно, что коммерческий и бытовой секторы потребляют соответственно 31,76% и 18,8% от общего потребления электроэнергии в этой стране. Большая часть потребляемой электроэнергии идет на охлаждение зданий. Энергоэффективное проектирование зданий в настоящее время является серьезной проблемой для инженеров и архитекторов, а также других исследователей и ученых. В последние годы по этому вопросу проводятся серьезные исследования.Пассивные методы охлаждения, такие как правильная ориентация здания, изоляция всей оболочки здания, соответствующее соотношение окна к стене (WWR), двойной фасад, высококачественное остекление, полное затенение от прямых солнечных лучей, воздухонепроницаемость, озеленение вокруг здания и так далее принимаются во внимание при нынешнем строительстве коммерческих и жилых зданий по всему миру для обеспечения энергоэффективности зданий. 2–4 Общие или средние преобладающие погодные условия определенного региона, включая температуру, атмосферное давление, влажность, осадки, облачность и ветры, в течение года, усредненные за ряд лет, определяются как климат.5 Состояние погоды может варьироваться от региона к региону. Климатический график Куала-Лумпура, Малайзия, показан на рисунке 1. Из этого графика видно, что температура (минимальная, максимальная и средняя) и средний час солнечного света почти постоянны в течение года, а другие погодные факторы, такие как осадки, относительная влажность и влажный день, меняются. в течение года. На тепловую среду внутри здания сильно влияет местный климат. Здания могут перегреваться в дневное время из-за поступления солнечного тепла через ограждающую конструкцию здания и проникновения солнечного света через окна в тропическом климате.7 Климатические и физические факторы, такие как осадки, относительная влажность, атмосферное давление, облачность и ветер, также важны, как температура воздуха, для теплового комфорта здания. Таким образом, индекс комфорта определяется параметрами окружающей среды, которые влияют на тепловой комфорт, такими как температура, радиация, влажность и скорость ветра. Гут и Дитер 8 отметили, что основными климатическими факторами, влияющими на комфорт человека и имеющими отношение к строительству, являются температура воздуха, ее экстремальные значения и разница между днем ​​и ночью, а также летом и зимой; влажность и осадки; приходящая и исходящая радиация, влияние состояния неба, движения воздуха и ветра. Подземный грунт может действовать как пассивная охлаждающая среда для зданий, построенных в тропической среде, из-за того, что его температура намного ниже, чем температура окружающей среды в здании, и может играть роль в экономии энергии охлаждения, которая требуется для охлаждения здания в тропических или жарких регионах. Имеющаяся литература, относящаяся к температуре подземной почвы, указывает на то, что температура подземной почвы может варьироваться от 8 ° C до 27 ° C в некоторых частях мира, особенно в регионах с преобладанием холода (Северная Америка), и от 15 ° C до 25 ° C в тропическом климате.9–11 Nassar et al. 12 проводили исследования по оценке термических свойств подземного грунта в Ливии. Они провели исследование температуры почвы на глубине 4 м от поверхности земли. Они обнаружили, что средняя температура почвы на этой глубине подземного грунта составляет 21 ° C. Bansal et al. 13 измеряли температуру почвы под землей на той же глубине (4 м) в условиях увлажненной почвы, покрытой сухим черноземом с затененной поверхностью в течение года в Нью-Дели, Индия. Они нашли максимальную температуру почвы 17.5 ° C, на этой глубине переувлажненной почвы. Температура наружного воздуха (показанная на рис. 2) под смешанными диптерокарповыми лесами на полуострове Малайзия для типичного дня июля – августа 2006 г. была определена Nik et al. 14 Они отметили, что температура почвы под лесным покровом постоянно ниже, чем на открытом воздухе, на 4–6 ° C из-за эффекта затенения лесного покрова. Cui et al. 15 оценили изменение температуры с глубиной подземного слоя почвы для типичного дня в тропических странах (см. Рисунок 3). Следовательно, температура грунта под землей всегда будет ниже, чем температура окружающей среды в здании, если не будет воздействия естественных источников тепла.Колебание подземной температуры грунта обычно до глубины 3 м; после этого он становится постоянным. Однако это зависит от нескольких факторов, таких как теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость, климат окружающей среды (метеорологические условия, интенсивность солнечного излучения, скорость ветра, дождь, влажность и температура воздуха) и любые естественные источники тепла вблизи земной коры. Используя преимущества подземной температуры почвы на примере дома Cooltek, Reimann et al. 16 оценили наземное охлаждение вентиляционного воздуха для энергоэффективного дома в Малайзии.Они проанализировали измерения на месте системы воздуховодов для охлаждения грунта в энергоэффективном доме Cooltek в Малакке, Малайзия. Внутренняя, внешняя и внутренняя температура, влажность и содержание CO 2 в воздуховоде для охлаждения грунта были измерены для двух режимов работы, таких как полностью пассивный режим, когда вентиляция осуществляется за счет теплового усилия солнечного дымохода, и гибридный режим, в котором помогает небольшой вентилятор. солнечный дымоход в вентиляции здания. Они отметили, что грунтовая система охлаждения приточного воздуха может помочь повысить энергоэффективность дома.Подземный грунт иногда также можно использовать в качестве радиатора для модифицированного кондиционера. В настоящее время геотермальная энергия также используется другими способами, такими как теплообменник земля-воздух, тепловой насос с грунтовым источником, скважинный теплообменник, энергетические сваи и грунтовые поглотители в Германии, США и многих других странах мира. 17–19 Распределение температуры внутри здания в жаркое и холодное время суток непостоянно. Он может меняться по вертикали и горизонтали внутри комнаты.Симоне и Роде 20 измерили вертикальную и горизонтальную температуру помещения riso flexhouse с различными принципами управления отоплением. Они обнаружили, что вертикальный температурный профиль комнаты показывает заметные температурные градиенты, особенно в занятой зоне, когда солнечное усиление велико, в то время как в остальном горизонтальное распределение температуры невелико. Они измеряли вертикальные температуры на расстоянии 1 м от окна на высоте 0,1 м, 0,6 м, 1,1 м и 1,7 м от пола с 8 утра до 5 вечера.м. дня. Они обнаружили вертикальное колебание температуры на 3–5 ° C с 11:30 до 14:00. Ясуи и др. 21 провел исследование тепловой среды в помещении и вертикального температурного градиента в большом цехе с поликарбонатной крышей школы без кондиционирования воздуха в летнее время. Они обнаружили большой разброс вертикальной температуры внутри комнаты. Они обнаружили, что температура в помещении может стать высокой из-за высокой солнечной радиации летом и поликарбонатной кровельной системы здания.По тем же принципам может быть сформирован большой вертикальный градиент температуры. Pollard et al. 22 обнаружили вертикальное колебание температуры внутри комнаты от 0,5 C до 1,5 C для солнечного излучения примерно с 13 до 15 часов. Оверби 23 также обнаружил аналогичное изменение вертикальной температуры внутри комнаты (показано на Рисунке 4). В данном исследовании изменение внутренней температуры помещения по высоте помещения и изменение температуры почвы до глубины 3 м учитывались при численном анализе задачи теплопередачи всей системы.Строительство (малоэтажное) можно считать энергоэффективным путем размещения материалов с высокой теплопроводностью (алюминиевых труб) вдоль внутренней стороны стен в комнатах здания путем расширения их нижней части до достаточного контакта с землей, где температура ниже температуры окружающей среды в помещении. Малоэтажное однокомнатное здание было учтено при численном исследовании теплового потока по трубам с высокой теплопроводностью в подземный грунт. Считалось, что здание построено из железобетонного материала с цементобетонной конструкцией внутренних и наружных стен.В качестве теплопроводящей среды были выбраны полые алюминиевые трубы меньшего размера, которые считались закрепленными (через винтовые соединения в некоторых точках) на оптимальном расстоянии по горизонтали (между двумя трубами) вдоль внутренних поверхностей стенок CC. Оптимальный размер, форма и расстояние между теплопроводными трубками были получены с учетом диапазона комфортной температуры в помещении. Поскольку размер и расстояние между трубами теплопроводности коррелируют друг с другом (труба большего размера будет иметь большую площадь поверхности, следовательно, больше тепла может передаваться одной трубой, которая может быть размещена на большем расстоянии по горизонтали для того же количества тепла, передаваемого посредством трубы меньшего размера с меньшим шагом по горизонтали) потребуется много времени, чтобы установить взаимосвязь между ними. Поэтому численный анализ всей области проводился только для фиксированных размеров, формы и расстояния теплопроводных трубок для получения предварительного …

Context 2

… становится постоянным. Однако это зависит от нескольких факторов, таких как теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость, климат окружающей среды (метеорологические условия, интенсивность солнечного излучения, скорость ветра, дождь, влажность и температура воздуха) и любые естественные источники тепла вблизи земной коры.Используя преимущества подземной температуры почвы на примере дома Cooltek, Reimann et al. 16 оценили наземное охлаждение вентиляционного воздуха для энергоэффективного дома в Малайзии. Они проанализировали измерения на месте системы воздуховодов для охлаждения грунта в энергоэффективном доме Cooltek в Малакке, Малайзия. Внутренняя, внешняя и внутренняя температура, влажность и содержание CO 2 в воздуховоде для охлаждения грунта были измерены для двух режимов работы, таких как полностью пассивный режим, когда вентиляция осуществляется за счет теплового усилия солнечного дымохода, и гибридный режим, в котором помогает небольшой вентилятор. солнечный дымоход в вентиляции здания.Они отметили, что грунтовая система охлаждения приточного воздуха может помочь повысить энергоэффективность дома. Подземный грунт иногда также можно использовать в качестве радиатора для модифицированного кондиционера. В настоящее время геотермальная энергия также используется другими способами, такими как теплообменник земля-воздух, тепловой насос с грунтовым источником, скважинный теплообменник, энергетические сваи и грунтовые поглотители в Германии, США и многих других странах мира. 17–19 Распределение температуры внутри здания в жаркое и холодное время суток непостоянно.Он может меняться по вертикали и горизонтали внутри комнаты. Симоне и Роде 20 измерили вертикальную и горизонтальную температуру помещения riso flexhouse с различными принципами управления отоплением. Они обнаружили, что вертикальный температурный профиль комнаты показывает заметные температурные градиенты, особенно в занятой зоне, когда солнечное усиление велико, в то время как в остальном горизонтальное распределение температуры невелико. Они измерили вертикальные температуры на расстоянии 1 м от окна на высоте 0 °.На высоте 1 м, 0,6 м, 1,1 м и 1,7 м от пола с 8:00 до 17:00. дня. Они обнаружили вертикальное колебание температуры на 3–5 ° C с 11:30 до 14:00. Ясуи и др. 21 провел исследование тепловой среды в помещении и вертикального температурного градиента в большом цехе с поликарбонатной крышей школы без кондиционирования воздуха в летнее время. Они обнаружили большой разброс вертикальной температуры внутри комнаты. Они обнаружили, что температура в помещении может стать высокой из-за высокой солнечной радиации летом и поликарбонатной кровельной системы здания.По тем же принципам может быть сформирован большой вертикальный градиент температуры. Pollard et al. 22 обнаружили вертикальное колебание температуры внутри комнаты от 0,5 C до 1,5 C для солнечного излучения примерно с 13 до 15 часов. Оверби 23 также обнаружил аналогичное изменение вертикальной температуры внутри комнаты (показано на Рисунке 4). В данном исследовании изменение внутренней температуры помещения по высоте помещения и изменение температуры почвы до глубины 3 м учитывались при численном анализе задачи теплопередачи всей системы. Строительство (малоэтажное) можно считать энергоэффективным путем размещения материалов с высокой теплопроводностью (алюминиевых труб) вдоль внутренней стороны стен в комнатах здания путем расширения их нижней части до достаточного контакта с землей, где температура ниже температуры окружающей среды в помещении. Малоэтажное однокомнатное здание было учтено при численном исследовании теплового потока по трубам с высокой теплопроводностью в подземный грунт. Считалось, что здание построено из железобетонного материала с цементобетонной конструкцией внутренних и наружных стен.В качестве теплопроводящей среды были выбраны полые алюминиевые трубы меньшего размера, которые считались закрепленными (через винтовые соединения в некоторых точках) на оптимальном расстоянии по горизонтали (между двумя трубами) вдоль внутренних поверхностей стенок CC. Оптимальный размер, форма и расстояние между теплопроводными трубками были получены с учетом диапазона комфортной температуры в помещении. Поскольку размер и расстояние между трубами теплопроводности коррелируют друг с другом (труба большего размера будет иметь большую площадь поверхности, следовательно, больше тепла может передаваться одной трубой, которая может быть размещена на большем расстоянии по горизонтали для того же количества тепла, передаваемого посредством трубы меньшего размера с меньшим шагом по горизонтали) потребуется много времени, чтобы установить взаимосвязь между ними. Поэтому численный анализ всей области проводился только при фиксированных размерах, форме и расстоянии между теплопроводными трубами для получения предварительного представления о тепловом потоке из помещения здания в подземный грунт. Схема помещения с конфигурацией труб, рассмотренная в данном исследовании, показана на Рисунке 5. Температурные колебания учитывались в подземном грунте на глубине до 3 м (согласно Рисунку 3 средняя температура учитывалась за июль 2010 г. — сентябрь 2010 г.).Считается, что на этой глубине температуры будут варьироваться в пределах 27 ° C, 24 ° C, 22 ° C и 20 ° C на глубинах 0–1 м, 1–2 м, 2–3 м и> 3 м соответственно. После этого была принята постоянная температура 20 ° C на большей глубине (> 3 м) подземного грунта. Наружная температура здания принималась равной 30 ° C. Температура трубы считалась такой же, как температура в помещении и температура окружающей грунтовой почвы, в которой она установлена. Из литературы и рисунка 4 видно, что комнатная температура увеличивается по вертикали от пола до потолка вдоль внутренней части (центра) комнаты. 20–23 Таким образом, вертикальное изменение температуры в помещении (27 C, 28 C и 29,5 C на уровне пола 0 м, 1 м и 2,3 м над полом, соответственно) между высотой помещения от 0 до 2,3 м было рассмотрено в эта учеба. Тенденция этого изменения температуры была получена из исследования Оверби. 23 Оверби проводил исследования окружающей среды с преобладанием умеренных температур. Однако в этом исследовании исследование проводилось для тропических стран, таких как Малайзия, где температура может варьироваться от 26 C до 32 C в дневное время.Полный анализ проводился путем изучения трех разных случаев. В первом случае анализировался тепловой поток между теплопроводными трубами и подземным грунтом. То же самое было проанализировано в помещении здания: без изолированной стены CC, с изолированной стеной CC и теплопроводной трубой. В третьем случае анализировался тепловой поток помещения здания, оборудованного механической системой охлаждения и теплопроводными трубами. Полный анализ теплового потока рассматривался как теплопроводность в стене CC, алюминиевых трубах и подземном грунте и свободная конвекция между поверхностями стены CC и наружным и внутренним воздухом здания. Электропроводность / конвекционные свойства различных материалов приведены в таблице 1. В данном исследовании принималось во внимание стационарное состояние теплового потока в систему. Влажность воздуха в помещении и вентиляция не учитывались при численном моделировании среды в помещении. Поскольку ANSYS поддерживает несколько вариантов (заданный тепловой поток, заданная температура, конвективная теплопередача, внешнее излучение и объединение внешнего излучения и внешнего конвективного теплообмена) для определения тепловых граничных условий в модели, различные варианты граничных условий были приняты во внимание для создания наиболее важных тепловая среда.Граничные условия для всех трех случаев приведены в таблице 2. Этот анализ был проведен для изучения роли теплопроводных труб в охлаждении здания. Поскольку предполагалось, что все трубы будут прикреплены к стене CC через винтовые соединения в некоторых точках на стене и на одинаковом горизонтальном интервале, и все трубы будут испытывать одинаковую температуру, одна алюминиевая труба с подземным грунтом рассматривалась как образец внутренней среды. комната. Программное обеспечение ANSYS 11 25 (математическое программное обеспечение, которое использует метод конечных элементов для решения двумерных и трехмерных (3D) задач теплопередачи) использовалось для моделирования всей области (проводящие среды и подземный грунт), где течет тепло.Восьмиузловые линейные тепловые трехмерные твердотельные элементы (SOLID 70) с одной степенью свободы в каждом узле использовались для дискретизации всей области. Геометрия подземного грунта принималась как 3 м (длина) Â 3 м (ширина) Â 3 м (глубина). Детали области показаны на рисунке 5. Полая алюминиевая труба квадратного сечения (внешний размер 25,4 Â 25,4 мм при толщине 3 мм) была принята во внимание для простоты анализа. Поскольку температура вокруг трубы (на четырех сторонах трубы) считалась такой же, как температура воздуха в помещении, материал и геометрия трубы по всей длине трубы также одинаковы, только одна четверть трубы ( преимущество симметрии четверти).Кусочно-регулируемая конвекция воздуха по высоте трубы (показанная на рисунке 6) применялась к внешней поверхности трубы и рассматривалась как тепловая нагрузка трубы. При моделировании области считалось, что трубы вставлены на глубину 3 м во влажную песчаную почву, а температуры труб и почвы на разных глубинах почвы считались одинаковыми. Переменные температуры почвы и труб (27 C, 24 C, 22 C и 20 C) на глубине почвы 0–1 м, 1–2 м, 2–3 м и> 3 м были определены в модели как ограниченные температуры.Температура трубы в месте контакта с грунтом считалась такой же, как температура почвы в этом месте. Температура подземного грунта в горизонтальном направлении (вдали от трубы) не должна сильно меняться. Предполагалось, что температура подземного грунта в каждой точке, удаленной от труб, была одинаковой. Граничные условия для этого случая показаны в Таблице 2. Этот раздел касается …

Температура недр Земли

На небольшой глубине (от 12 до 40 футов) ниже поверхности земли температура постоянна на всем протяжении год, и эта постоянная температура почвы мало отличается от среднегодовой температуры воздуха, за исключением гор более 6000 футов высотой. Земля прохладнее летом и теплее зимой, чем воздух над ней. По этой причине пещеры были первым жилищем людей, а подвалы до сих пор используются для защиты запасов пищи от резких перепадов температуры. Тот факт, что температура земли увеличивается с увеличением глубины под поверхностью, впервые был четко сформулирован Кирхером в 166 году. который получил свои данные от венгерских горных инженеров. Первые измерения этого повышения температуры были сделаны Фрислебеном, Гумбольдтом.Соссюр и другие в начале XIX века. «Мы сейчас имеем много хороших измерений, сделанных в разных странах. но результаты настолько расходятся, что трудно вывести общий закон повышения температуры. Некоторые из этих результатов показаны в следующей таблице, которая дает геотермический интервал или увеличение глубины, которое соответствует повышению температуры на один градус, а также геотермический градиент или долю градуса, на которую повышается температура. на единицу глубины.Геотермический градиент является обратной величиной геотермического интервала. или опровергнуть эту теорию и внести порядок в кажущийся хаос наблюдаемых результатов. Мы вывели аномальные температурные градиенты математически из известных законов теплопроводности, принимая во внимание изменения, которые конфигурация земной поверхности и близость жил руды, пластов угля и вулканических магм вносят в простые условия. представлен осадочными и неизменяемыми породами, лежащими в основе большой низменной равнины Северной Германии.Большинство градиентов являются аномальными, потому что большинство наблюдений проводилось в туннелях под горами или в шахтах угля или металла. то есть поблизости от веществ, выделяющих тепло в результате окислительного действия воздуха в газообразной форме или растворенных в воде. Измерения можно классифицировать по мере их снятия: 1. В неизменяемых осадочных породах под удаленными от гор равнинами и крупными водоемами (промеры 1-6). 2. В тоннелях под горами (7-9).3. Возле крупных водоемов (11-14). 4. В регионах недавней вулканической активности (1,5-16). 5. В угольных шахтах. нефтяные месторождения и месторождения окисляемых минералов (17-19). Первым объектом нашего исследования был чисто научный — объяснение наблюдаемых фактов с помощью как можно меньшего числа предположений. Вторая цель была практической — точное прогнозирование температур, которые могут возникнуть при проходке туннелей, прогноз извержений вулканов и определение существования горячих лав у поверхности земли.А В 1 C D E F Средний интервал. Средний градиент. Место. Метров на градус. С. Футов на град. Ф. Град. на метр. Град. П. на фут. Замечания. 1. Парускбовиц (Силезия) 2. Берлин 34. 0 3-2.0. 37,7 62 58 6!) 0,0294 0,0313 0,0266 0,016 0,017 0,015 я & аст; Равнины в северной и центральной Германии; неокисляющиеся, преимущественно осадочные породы. Среднее (1 из семи мест в Северной Германии \ 354,0 03 0,0290 0,016 39,8 73 0,0253 0,014 ) 5 Ла Муйонж 6. Индия .30.6: -3fi. 7 56 67 0,03326 0,02731 0,018 0,015 1 Равнины.Имеется ввиду для равнин, исключая Германию-) многие \ 33,4 61 0,0300 0,0165 7. :J [Туннель не Сенис (в центре) 8. Санкт-Готардский туннель: (ai В устье долины …. (b) В середине горы … (Дж. Симплон Туннель: а) В устье долины .. (б) В середине горы .. 10. Прибрам … Шахты Верхнего озера: 50,0 29,4 45,5 28,0 48,7. 59,0 42.O 91 54 83 ; 51 89 107 76 0,020 0,034 0,022 0,035,57 0,0200 0,0170 0. 02318 0,011 0,01 0,012 0,020 0,011 0,009 0,013 «1 Измеряется при проходке тоннелей под горами.12. Мины ближе к Джейку { 55,0 к (57,0 От 100 до 122 0,0182 до 0,0150 От 0,010 до 0,008 Рядом великие озера или океаны. 13. Калумет и Хекла на полуострове в озере. 14. Утрехтские равнины 122,8. 52,0 14,0 224 95 27 0,0081 0,0193 0,068,5 0,004 0,011 0,038 16. Дакота (США) { 9,0–12,8 17 к 23 0,104 до 0,078 От 0,0,57 до 0,043 Рядом с вулканическими вулканическими магмами. 17. Глазго (угольные месторождения) { От 25,5 до 7,8 47–14 От 0,039 до 0,128 От 0,021 до 0,070 18. Анзин (Франция) j От 20,7 до 15,8 От 50 до 28 год 0. 0375 до 0.0651 От 0,021 до 0,0316 I- На угольных и нефтяных месторождениях. 19. Печельбронн 13,9 25 0,0730 0,040 Из этой таблицы видно, что разница между значениями очень велика. Связаны ли эти различия с ошибками в или с ошибками выявленные особенности различных горных пород, или кажущаяся неоднородность подчиняется определенным законам? Они не могут быть полностью вызваны ошибками в измерениях. из-за таких причин ошибки, как тепло, выделяемое сверлом, или потоки воздуха и воды в отверстиях, едва ли могли изменить температуру более чем на 3 или 4 градуса.F., что на глубине 2000 футов даст ошибку только 7% в градиенте и интервале. (В шахтах, однако. Освещение и вентиляция, а также двигатели и машины могут вызывать ошибки на 30 и более процентов.) Многие геологи объясняют большой разброс температурного градиента сложными неоднородностями в структуре земной коры. Некоторые даже утверждают, что внутри Земли холодно и что наблюдаемое повышение температуры связано с местным и очень нерегулярным выделением тепла.Большинство геологов. однако предположим, что недра земли горячие, и приписываем большие колебания наблюдаемых температур и градиентов различиям в теплопроводности горных пород и влиянию подземных водотоков. расположение слоев. и другие причины, которые невозможно определить напрямую. Доктор Тома и писатель пытались доказать Для целей наших расчетов безразлично, связаны ли наблюдаемые температуры с охлаждением расплавленной внутренней части (как предполагали Кант, Лаплас, Фурье и Пуассон), с механическим воздействием (Молоток), химическими и радиоактивными процессами (Химштедт). , или ко всем этим вместе.Наши единственные предположения состоят в том, что среднее значение результатов, полученных в регионе, удаленном от гор и больших водоемов, представляет собой нормальное значение и что дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье истинно и применимо. Мы рассчитали градиенты и температуры под горами и долинами и получили следующие результаты: Расстояние Ol, pd r’alcu’atecj Туннель. изо рта Температура. Искушать восторг, Метры. Делл. С. Град. С. Санкт-Готтард От 700 до 900 С 13.00 до 15 14,9 до 15 Санкт-Готтард 3.500 25,9 25,9 Сен-Готард … & 50I0 U.7 , 32,1 Санкт-Готтард 9500 25,3 25,9 Mont Cenis Середина 29,5 30,4 Симплон Середина 52,0 49,0 Согласие настолько близко, что, по-видимому, можно заранее рассчитать температуры, которые будут встречаться при туннелировании, с вполне достаточной для практических целей точностью. Падение и порядок пластов приписывают большой эффект, но наши эксперименты по теплопроводности различных влажных пород (все альпийские пласты насыщены водой) в разных направлениях подтверждают это.что этот эффект очень мал. Охлаждающий или обогревающий эффект струй воды зависит от размера поверхности, которую они омывают. Источники Сен-Готарда слишком малы и компактны, чтобы оказывать заметное воздействие, кроме как в непосредственной близости от них. Вблизи больших масс воды геотермический интервал значительно увеличивается, а градиент, соответственно, уменьшается из-за проводимости воды. Озеро, покрывающее 400 квадратных миль на глубине 600 футов, может уменьшиться наполовину на глубине 1.600 футов и на расстоянии шести миль от озера. Лучшие примеры такого влияния воды можно найти в шахтах Верхнего озера. Геотермический интервал составляет 76 на руднике Оцеола в пяти милях от озера, от 100 до 122 на рудниках ближе к озеру и 224 на рудниках Калумет и Хекла на полуострове Кевинау. По измерениям интервала в недавних вулканических регионах, не содержащих руды или угля, можно вычислить глубину, на которой находится расплавленная лава. Из формулы для эллипсоидальной массы диаметром более шести миль и градиента температуры, выведенного из наблюдений у поверхности в Нойффене, вблизи третичного кратера и базальтовых разливов, мы находим температуру около 1500 градусов.F. на глубине четырех или пяти миль. Наши расчеты также показывают, что вариации активности вулкана должны отражаться в температурном градиенте в окрестностях, и что трех наблюдений температуры на глубинах 16 и 50 футов должно быть достаточно, чтобы с достаточной степенью точности определить Расположение ar: d форма подземной массы жидкой лавы. К сожалению, у нас нет сведений об этом персонаже. Я разработал прибор стоимостью от 75 до 150 долларов с целью регистрации изменений массы лавы посредством изменения геотермического интервала и, таким образом, возможно, для предсказания извержений вулканов.Над жилами угля и некоторых других полезных ископаемых градиент температуры высокий, а под ними быстро достигает нормального значения. Те же результаты дает математическая теория применительно к месторождениям сферической или эллипсоидальной формы. Мы обнаружили, что сферическая масса радиусом J 00 метров с центром на 400 метров ниже поверхности увеличит градиент температуры непосредственно над ней с 0,0,30 до 0,050, если выделение тепла в массе составляет 3 400 грамм-калорий на второй. Это эквивалентно ежегодному сжиганию 100 граммов углерода и углеводородов на каждом квадратном метре (примерно 3 унции на квадратный ярд) поверхности массы.Этот расчет показывает, что не требуется очень большого выделения тепла, чтобы вызвать значительное изменение наблюдаемой температуры. Следовательно, теоретически возможно охлаждение шахт с помощью холодильных камер, подходящим образом распределенных под галереями и рядом с ними, если камеры достаточно большие, многочисленные и хорошо изолированы, так что все тепло, которое они поглощают, отбирается из горных пород. Температуры и градиенты внутри угля или руды также могут быть вычислены, но каждый случай будет отличаться от остальных.Из приведенных выше соображений очевидно, что аномальные температурные градиенты могут быть объяснены очень просто и без введения новых гипотез различным тепловыделением в угольных пластах, близостью вулканических масс и охлаждающим эффектом больших водоемов. . Математический метод, напротив, предлагает горному инженеру и строителю туннелей очень ценные средства для предварительного расчета температуры стволов и туннелей с достаточной степенью точности, когда кое-что известно о геологических условиях.—Переведено приложение Scientific American из Умшау.

Границы | Изменения климатологии, снежного покрова и температуры земли в высокогорных районах

1. Введение

Воздействие изменения климата на тепловой режим земли в высокогорной среде остается неопределенным во многих аспектах, отчасти из-за сложных процессов, включающих обмен массой и энергией с зимним снежным покровом. Прогнозы альпийского снежного покрова были произведены в нескольких исследованиях (например,г., Laternser, Schneebeli, 2003; Лопес-Морено, 2005; Derksen and Brown, 2012), все сообщают о продолжающемся сокращении снежного сезона, в основном из-за более ранней даты таяния снега. Недавние исследования, такие как, например, López-Moreno et al. (2008) и Schmucki et al. (2015) использовали модельные подходы для прогнозирования изменений снежного покрова до конца века. Однако вызванная изменением климата эволюция высоких температур грунта в горах и связь с изменениями зимнего снежного покрова менее ясны и до сих пор изучались в относительно небольшом количестве исследований.

В нескольких исследованиях задокументированы обрушения склонов в условиях вечной мерзлоты и они увязаны с общими тенденциями потепления или конкретными событиями, такими как волна тепла 2003 г. (Gruber et al., 2004; Stoffel et al., 2005), однако они обычно сообщают о конкретных случаях. исследования. Раванель (2011) исследовал временные изменения в массиве Монблан с конца Малого ледникового периода до 2100 года и обнаружил отчетливое потепление на всех исследованных Скалистых валах. Deline et al. (2015) составили инвентаризацию камнепадов за последние 300 лет и обнаружили доказательства увеличения камнепадов и причинную связь с повышением температуры горных пород.Лючг и Хаберли (2005) рассмотрели взаимодействие снежного покрова и температуры почвы в более раннем исследовании и обнаружили, что нижний предел вечной мерзлоты повысился на 170 и 580 м за 80-летний период. Однако это исследование проводилось только на одном объекте — Вайсфлухйох, Давос.

Были проведены специальные исследования вечной мерзлоты как для определения текущего состояния (Luetschg and Haeberli, 2005), так и для будущей эволюции теплового режима земли в различных местах исследования (Noetzli et al., 2007; Раванель и др., 2017). Однако они были сосредоточены либо исключительно на районах вечной мерзлоты, проблемах устойчивости склонов, либо на динамике скальных стен. Ни в одном исследовании систематически не изучалось влияние на температуру снега и земли в условиях изменяющегося климата в Альпах. Ожидаемые изменения важно охарактеризовать, в частности, в Швейцарских Альпах, где инфраструктура и активы часто строятся на горных вечномерзлых почвах (или выходят на них). Изменения температуры грунта могут вызвать серьезные социально-экономические проблемы, поскольку тающий грунт теряет механическую прочность и, следовательно, стабильность (Haeberli, 1998; Gruber et al., 2004; Krautblatter et al. , 2013), потенциально вызывая или способствуя камнепаду, оползням, селевым потокам или другим событиям, связанным с дестабилизацией грунтового материала в приледниковой среде (Gobiet et al., 2014; Deline et al., 2015). В нескольких исследованиях было зафиксировано повышение температуры почвы за последние десятилетия (Harris et al., 2003), что привело к увеличению количества разрушений склонов вечной мерзлоты (Noetzli et al., 2007; Haeberli and Gruber, 2008; Phillips et al., 2017). . Имеются данные как об увеличении разрушения скальных стенок в результате изменений теплового режима грунта (Deline et al., 2015) и селей (Gobiet et al., 2014), хотя это явление дополнительно сильно связано с крупными осадками.

Процессы, связанные со снегом, часто близки к температуре плавления и, следовательно, очень чувствительны к изменению климата. В горных районах за последние десятилетия наблюдалось сильное повышение среднегодовой температуры воздуха (до 0,35 ° C за десятилетие в Швейцарских Альпах) (Ceppi et al. , 2012), и повышение температуры, вероятно, будет продолжаться в ближайшие десятилетия (Bernstein и другие., 2008) и, как следствие, уменьшится снежный покров. Поэтому весьма вероятно, что температура земли также претерпит значительные изменения. Однако взаимодействие температуры почвы и снежного покрова не совсем однозначно, и такие исследования, как Delarue et al. (2015) и Haberkorn et al. (2015) показали, что повышение температуры воздуха может привести к похолоданию почвы в определенных условиях местности и почвы. В отличие от этих результатов, Генри (2008) сообщил об уменьшении количества дней промерзания почвы в Канаде, а Мелландер и Лефвениус (2007) обнаружили повышение температуры почвы в шведских сосновых насаждениях.Однако очень мало исследований (и ни одного из них, насколько нам известно) смоделировали взаимодействие температуры почвы и снежного покрова в более крупном масштабе и в различных климатических условиях в высокогорной среде, учитывая при этом эту динамику в условиях будущего климата. Снег влияет на температуру почвы в основном своими физическими свойствами (высокое альбедо, низкая теплопроводность, скрытый напор плавления) (Zhang, 2005). Поскольку физические свойства снега могут приводить как к охлаждению, так и к нагреванию почвы, общий эффект зависит от времени года и состояния снежного покрова (Haeberli, 1998; Luetschg et al., 2008). Эффекты охлаждения в основном проявляются в начале зимы из-за высокого альбедо (Wendler and Kelley, 1988; Zhang et al., 1996) и во время таяния снега, когда температура равна нулю из-за изотермических условий на границе раздела почва и снега, поскольку скрытая тепло выделяется при повторном замерзании талой воды в снегу. Эффекты потепления преобладают в разгар зимы под толстым снежным покровом (Haeberli, 1973). Изоляционный эффект толстого зимнего снежного покрова был продемонстрирован в нескольких исследованиях (Zhang, 2005; Luetschg et al., 2008), а также охлаждающий эффект более тонкого снежного покрова (Kaste et al., 2008). Снежный покров может изменять среднегодовую температуру земли на несколько градусов, и общий эффект зависит от высоты снежного покрова, даты начала снежного покрова зимой, продолжительности периода снежного покрова, плотности снега и даты таяния снежного покрова. весной / летом (Haeberli, 1975; Zhang, 2005). В зависимости от продолжительности полностью изолирующего снежного покрова, снежный покров может повысить годовую температуру почвы на 2–7 ° C (Zhang et al., 1997; Bartlett et al., 2004). Различия в датах наступления и схода снежного покрова могут привести к изменению среднегодовой температуры почвы до 6 ° C (Goodrich, 1982). Исследования показали (Ling and Zhang, 2003), что дата появления снежного покрова осенью более критична, чем день его таяния, и, кроме того, увеличение высоты снежного покрова на один метр может повысить температуру на 2,7 ° C.

В Альпах топография оказывает большое влияние на температуру земли, в основном из-за различий в приходящей коротковолновой радиации и температуре воздуха (Gubler et al., 2011). Это влияет на метаморфоз снега и может усилить таяние снега на несколько недель или месяцев на южных склонах. На накопление снега и, следовательно, толщину снежного покрова также сильно влияет топография из-за ветровых эффектов и угла наклона (Gerber et al. , 2017). Из-за этих эффектов температура может сильно варьироваться в малых масштабах. Недавние исследования мелкомасштабной изменчивости средней годовой температуры поверхности земли на горных склонах обнаружили изменчивость 0,16–2,5 ° C в пределах 10 × 10 м следов (Gubler et al., 2011) и 1,5–3,0 ° C на расстояниях 30–100 м (Isaksen et al., 2011).

Это исследование преследует две основные цели:

1. Подход, основанный на модели, используется для моделирования изменений температуры земли в Швейцарских Альпах до конца столетия в заснеженных районах на высоте от 1700 до 2800 м над уровнем моря. с использованием технологической модели SNOWPACK. Сильной стороной этого исследования является возможность оценить базисный период, охватывающий период с 2004 по 2016 год, на основе высококачественного набора данных высотных автоматических метеорологических станций (AWS) из используемой сети межкантональных измерений и информации (IMIS). для прогноза лавин в Швейцарии.Эта сеть записывает полный набор метеорологических параметров, а также высоту снежного покрова и температуру земли. Таким образом, этот набор данных дает хорошую возможность изучить взаимодействие температуры снега и грунта в текущих и будущих условиях.

2. Для моделирования снежного покрова в SNOWPACK используются измерения высоты снежного покрова в зимний период. Чтобы моделировать температуру грунта, модель необходимо запускать непрерывно в течение всего годового цикла. Однако зимние осадки на этих станциях не измеряются, поскольку потребности в энергии для обогреваемых плювиометров не могут быть удовлетворены на этих удаленных станциях.Для решения этой проблемы дополнительно представлен метод восстановления набора данных об осадках за весь год на каждой АРМ.

2. Данные и методы

В этом исследовании температура земли и высота снежного покрова моделируются для базисного периода и трех будущих периодов на 16 высокогорных станциях АМС ИМИС в Швейцарии. Их можно разделить на высокогорные (с возможным возникновением вечной мерзлоты), высокогорные и низкие. Высота станций от 1630 м над уровнем моря. для низкоальпийских станций до 2850 м над ур. для высокогорных станций. Все станции относительно плоские (угол наклона 2–12 °), и все станции зимой имеют постоянный снежный покров. Продолжительность снежного сезона на станциях колеблется от 192 (Боско / Гурин, БОГ2) до 250 дней (Симплон, СПН2). Средняя высота снежного покрова варьируется от 0,68 м в Simplon Ze Seewe (SPN2) до 1,96 м в Simplon (SPN3). Высокогорные станции расположены в Граубюндене и Вале, средневысотные станции в Граубюндене, а также на центральном северном склоне Альп и более низкие станции (ниже 2000 м над уровнем моря).s.l.) на северной стороне Альп. На Рисунке 1 показано расположение, а в Таблице 1 приведены метаданные для каждой станции. Пространственное размещение станций охватывает все климатические районы Швейцарии. Несмотря на то, что территория Швейцарских Альп относительно небольшая, климатическая изменчивость велика. На основе прогнозируемых сигналов изменения климата (например, из сводных отчетов Ch3011 и Ch3018) принято делить Альпы на западный, восточный и северный секторы. Это в основном связано с тем, что Швейцарские Альпы находятся на границе европейского климатического водораздела с прогнозируемым уменьшением зимних осадков к югу от Альп и увеличением к северу от Альп.В этом исследовании играют роль оба сигнала, поэтому станции в основном классифицируются по их географическому положению, в результате чего выделяются три основных региона, которые используются в этом исследовании. К ним относятся: (1) регион Вале на юго-западе, со снежной зимой, (2) Граубюнден, расположенный на юго-востоке Швейцарии и гораздо более сухой, с внутренним альпийским климатом. во многих частях и (3) на северном склоне Альп, на который в основном влияют погодные условия из Северной Атлантики и Северной Европы.

Рисунок 1 . Расположение и высота 16 станций, использованных в исследовании.

Таблица 1 . Идентификационный номер, название, местоположение, высота, вид склона, угол наклона (уклон), тип почвы, категория (а. Луг означает альпийский луг) и средняя высота снежного покрова, для всех дней высота снежного покрова (HS)> 0,1 м для всех станций использованный в исследовании.

2.1. Входные данные

Все станции ИМИС измеряют следующие переменные: температуру воздуха, относительную влажность, скорость ветра, направление ветра и исходящую коротковолновую радиацию, температуру поверхности снега, температуру поверхности земли и высоту снежного покрова.Датчики температуры / относительной влажности имеют естественную вентиляцию. Данные доступны с 30-минутным разрешением. Для использования модели требуется непрерывный набор данных о летних и зимних осадках, но он недоступен, поскольку неотапливаемые плювиометры на станциях способны измерять только жидкие осадки. Кроме того, только часть станций была оборудована ненагреваемыми дождемерами и только с 2009 года. Эти данные, когда они доступны, используются для ввода жидких осадков летом. Поэтому данные полностью отсутствуют зимой и немногочисленны летом. Обработка пробелов в данных описана ниже.

Поля IMIS используются для принудительного использования SNOWPACK, а твердые осадки рассчитываются обратно на основе измеренной высоты снега с использованием модели плотности снега Costijn Zwart. Дополнительные проверки качества и контроля качества выполняются в наборе данных следующим образом. Поскольку рост растительности неправильно регистрируется как снег звуковым рейнджером (Lehning et al., 1999), они отфильтровываются путем проверки корреляции между повышением температуры воздуха и земли и скорости изменения фильтра для высоты снежного покрова (Marty and Klein, 2015). ).Измерения высоты снега, определяемые как растительность, обнуляются. Отрицательные значения снега из-за ошибок калибровки датчика обнуляются. Чтобы отфильтровать тающий снег в ненагреваемых дождемерах, вызывающих ложные осадки, измерения ненулевых осадков из всех источников разрешены только при относительной влажности> 0,6 и разнице температур между температурой воздуха и поверхности снега менее 3 ° C для высота снега выше 0 ° C, потому что это указывает на пасмурность. Отрицательные значения осадков из-за ошибок калибровки и измерений со станций ИМИС обнуляются.

Сеть автоматических наземных измерений (ANETZ) является частью сети метеорологических измерений Швейцарской национальной метеорологической службы (SwissMetNet). Эта сеть состоит из около 160 станций, которые измеряют температуру воздуха и осадки, по крайней мере, с 2000 года. Все станции оснащены подогреваемыми плювиометрами для круглогодичного измерения осадков.Однако мы предпочитаем использовать данные IMIS, поскольку эти станции лучше представляют альпийскую зону, тогда как станции ANETZ полностью запитаны и поэтому часто расположены в более низких или менее удаленных местах из-за этого требования быть «подключенным к сети». Эта сеть используется для заполнения оставшихся пробелов в данных ИМИС в соответствии со следующей процедурой: (1) данные SwissMetNet используются в качестве входных данных для множественной линейной регрессии, которая используется для восстановления явлений осадков на станциях ИМИС. (2) Регрессии пяти лучших станций SwissMetNet в радиусе 35 км и с наименьшим перепадом высот используются в качестве первой оценки для данной станции IMIS.(3) Наконец, из этих пяти станций выбираются максимум две станции, которые дают наилучшие значения R ² . Для всех станций, использованных в исследовании, значение R ² превышает пороговое значение, установленное на уровне 0,6. Регрессии рассчитываются на основе почасовых данных и на основе подмножества зимних осадков, которые превышают> 1 мм. Обратите внимание, что некоторые из регрессий содержат термин взаимодействия, который может иметь отрицательный знак. Если осадки на одной станции сильные, а на другой слабые, то могут выпадать отрицательные осадки.Если такая ситуация будет обнаружена, вероятность дождя на фактической станции IMIS маловероятна, поэтому значения устанавливаются равными нулю. Отрицательные значения составляют от 3 до 5% всех значений.

Чтобы подготовить полный набор данных об осадках и зафиксировать явления дождя на снегу (осадки во время «снежного» сезона), пробелы не только заполнялись данными регрессии, но и для каждой точки данных было принято решение на основе набора правил ( Таблица 2), какие значения осадков следует принимать. Значения взяты из трех существующих источников.(1) Твердые осадки взяты из моделирования SNOWPACK, рассчитаны на основе измеренной разницы высот снега с использованием рассчитанной плотности снега из SNOWPACK. Жидкие осадки берутся либо из (2) измерений на станции IMIS, либо (3) из значений линейной регрессии, рассчитанных на близлежащих станциях ANETZ. В качестве первого шага проверяется высота снега, если высота снега> 0,1 м, а температура ниже 1,2 ° C, используются значения осадков, рассчитанные с помощью SNOWPACK на основе измеренных разностей высоты снега, потому что при температурах ниже этого порогового значения дождь маловероятен.Для температур выше 1,2 ° C и высоты снега более 0,1 м регрессия от ANETZ используется в качестве входных данных для дождя, если регрессия дает ненулевое значение. Для высоты снега от 0,02 до 0,1 м измерения ANETZ выполняются, если температура выше 0 ° C, и данные SNOWPACK в противном случае. Порог для тонкого снежного покрова другой, поскольку снежный покров ниже 0,1 м в основном существует осенью, когда снегопады случаются чаще, потому что в среднем температура воздуха выше, чем зимой (Il Jeong and Sushama, 2018). Однако это составляет только <5% от всех точек данных. Если высота снега ниже 0,02 м и на станции IMIS есть измерения осадков, эти значения принимаются, в противном случае используются регрессии ANETZ. Для высоты снега менее 0,02 м измерения SNOWPACK, которые зависят от разницы в высоте снега, не являются точными. Поэтому ниже 0,02 м выполняются только измерения IMIS и ANETZ. Такая ситуация возникает в основном летом, когда измерения IMIS точны. Возможные летние снежные явления также будут измеряться ненагреваемым дождемером из-за типичного быстрого таяния воздуха по мере того, как температура воздуха нагревается до «нормальных» летних условий.Отсутствующие летние данные IMIS предпочтительно заполняются данными ANETZ, в противном случае используются данные SNOWPACK, если измерения ANETZ также отсутствуют. Этот алгоритм также включает в себя летние снежные события, поскольку он зависит от высоты снега, а не от температуры воздуха или времени года. При сравнении регрессий ANETZ с данными измерений зимних и летних осадков данные ANETZ имеют тенденцию к завышению оценок выпадения осадков, поэтому предпочтительно использовать данные IMIS, если они доступны. Переоценка регрессий ANETZ в основном связана с тем, что не все события ложных осадков можно отфильтровать, поскольку расстояния между станциями большие.Для станции Weissfluhjoch представленный выше метод дает среднегодовое количество осадков 1359 мм в год, которое можно сравнить со средними годовыми значениями с 1981 по 2010 год, полученными с помощью подогреваемого плювиометра на 1411 мм компанией MeteoSwiss. Дополнительные пробелы в полях воздействия заполняются линейной регрессией (Bavay et al., 2012), за исключением станции Weissfluhjoch, где отсутствуют данные с августа 2008 г. по октябрь 2008 г. и заполнены средними значениями за весь период наблюдений за соответствующий день.Разрывы не превышают трех дней, за исключением случая Weissfluhjoch.

Таблица 2 . Сводка правил, которые используются для построения наборов данных об осадках.

2.2. Изменение климата

Для периода изменения климата применяется метод изменения дельты (Hay et al. , 2000), который применяет масштабирование («сигнал дельты») к значениям базисного периода для моделирования измененного климата (Ch3011, 2011). Чтобы применить сигнал изменения дельты, дельта-изменения температуры воздуха добавляются к каждой точке данных соответствующего дня года.Для осадков данные за базисный период умножаются на сигнал изменения дельты соответствующего дня года. Этот подход обычно используется в исследованиях климата, поскольку он устойчив к ошибкам региональной климатической модели, но имеет тот недостаток, что экстремальные значения и межгодовая изменчивость не изменяют характер (López-Moreno et al., 2008), изменяется только величина. Изменения дельты применяются ко всему базисному периоду, и будущее моделирование было выполнено для 12 лет для каждого будущего климатического периода.Мы обнаружили, что моделирование будущих периодов с помощью сигнала изменения климата напрямую не выявляет каких-либо существенных различий по сравнению с переходным периодом с 2000 по 2100 год, который был выполнен для одной региональной климатической модели в Weissfluhjoch.

Швейцарский сценарий изменения климата Ch3011 (Ch3011, 2011) предсказывает возможные изменения средней сезонной температуры воздуха и количества осадков в Швейцарии до конца столетия. Это исследование в основном проводилось до выпуска новых сценариев Ch3018 (Национальный центр климатического обслуживания, 2018 г.), и поэтому они не могли быть рассмотрены.Однако, как указано в техническом отчете (Ch3018, 2018), последние результаты в основном подтверждают результаты оценки предыдущего сценария, Ch3011, и поэтому мы не ожидаем, что это окажет существенное влияние на наши основные выводы. для осадков (%) и температуры воздуха (° C) в этом исследовании используется расширенная версия Ch3011 (Масштабирование модели — местные суточные сценарии, PS-LDS). Для набора данных PS-LDS региональные результаты с Ch3011 были уменьшены до местоположения станций MeteoSwiss, и результаты были получены для 10 различных региональных климатических моделей (Bosshard et al., 2011). Данные Ch3011 были получены из центра моделирования климатических систем (C2SM) ETH Zurich. Используется многомодельный подход, и результаты генерируются для двух различных сценариев выбросов, определенных в четвертом отчете МГЭИК (2007a, Bernstein et al., 2008). В этом исследовании используются результаты сценария A2 МГЭИК 2007, который описывает очень неоднородный мир, что означает незначительное воздействие на климат или его полное отсутствие, а также местное развитие, которое приводит к постоянному увеличению населения и более фрагментированному и более медленному экономическому росту.Для сценария А2 прогнозируется повышение зимних температур на станциях, использованных в исследовании, на 3,5–3,8 ° C за период 2070–2099 гг. По сравнению с базисным периодом 1980–2009 гг. В дополнительном материале 1 показаны сигналы изменения десяти региональных моделей для станции WFJ. По прогнозам, средняя летняя температура повысится на 4,3–5,5 ° C. Все температуры имеют приблизительную погрешность 1 ° C. К 2085 году количество летних осадков, по прогнозам, уменьшится на 9–22%, а зимних — увеличится на 3–14%. Данные сценария Ch3011 доступны в масштабе участка на всех станциях MeteoSwiss, однако они не расположены рядом со станциями ИМИС. В этом исследовании используются ежедневные сигналы изменения дельты ближайшего соседа для каждой станции ИМИС. Расстояние между станциями не превышает 10 км, но в некоторых случаях перепады высот могут быть большими. К сигналам изменения дельты не применялось масштабирование на основе высоты.

2.3. Установка для моделирования

В качестве базового периода используется время с октября 2004 г. по октябрь 2016 г., которое включает 12 полных зимних сезонов.Учетный период отличается от учетного периода, используемого для Ch3011 (1980–2009 гг.), И он короче (12 лет по сравнению с 29 годами), поскольку данные полезного качества доступны только с 2004 г. для большинства станций. До 2004 года существовала лишь часть станций ИМИС, а временные ряды содержали большие пробелы в данных. Для станции Налунс использовались данные только с 2010 по 2016 год, поскольку более ранние измерения недоступны. Он был включен в это исследование, потому что в нем были измерения температуры земли с 2013 по 2016 год.По станциям в центральной части северных Альп (Гадмен, Муттен, Гуттаннен) данные доступны только с 2009 года. Они включены в исследование, чтобы обеспечить покрытие для этого региона Швейцарии. Для периодов изменения климата сигналы изменения дельты за период 2035–2060 (2035), 2060–2085 (2060) и 2085–2100 (2085) добавляются к входным данным за базисный период.

2.4. СНОУПАК

SNOWPACK — это одномерная, физически обоснованная численная модель, которая предоставляет информацию о состоянии снежного покрова, включая новую высоту снежного покрова, температуру и плотность снега (Lehning et al., 2002а). Снег моделируется как трехфазная пористая среда (лед, вода, воздух) и характеризуется объемным содержанием (θ) каждой среды и четырьмя независимыми параметрами микроструктуры (сферичность, дендричность, размер зерна и размер связи). Процессы переноса массы, энергии и фазового перехода моделируются таким же образом в почве и снеге (Lehning et al. , 2002b). Модель решает уравнения в частных производных, определяющие сохранение массы, энергии и количества движения в снежном покрове и слоях почвы, с использованием метода лагранжевых конечных элементов (Bartelt and Lehning, 2002).

Почва моделируется как четырехкомпонентный материал, состоящий из воды, воздуха, льда и минеральных компонентов почвы. Различные типы почв характеризуются средним размером зерна, плотностью и термическими свойствами сухого почвенного материала. Размер зерна определяет объемное содержание воды и почвы (Luetschg et al., 2008). В SNOWPACK 12 классы размера зерна предопределены, эти классы также определяют способность удерживания воды путем установки параметров ван Генухтена для кривой удержания воды.Для этого используется классификация почв ROSETTA и средние по классу гидравлические параметры (Schaap et al., 2001). Насыщенная гидравлическая проводимость также устанавливается в соответствии с классом крупности. Luetschg et al. (2003) показали, что моделирование различных типов почв по радиусу их зерен дает удовлетворительные результаты. Плотность содержания почвы, теплоемкость, альбедо почвы и теплопроводность также сильно влияют на поведение почв. Эти параметры необходимо настраивать индивидуально для каждого профиля почвы.

2.4.1. Инициализация параметра

Для исходных почвенных профилей, используемых в исследовании, станции классифицируются по классам землепользования: скалистые или альпийские луга. Затем на основе этой классификации присваивается почвенный профиль. На всех исследуемых станциях присутствует какой-то органический или растительный материал, так как ни один из них не расположен непосредственно на коренных породах. Преобладающий поверхностный покров на станциях взят из полевых съемок, проведенных на всех станциях ИМИС в 2015 году, и дополнительно подтвержден картами, доступными в Федеральном статистическом управлении (1979).Для всех станций наблюдаемый напочвенный покров соответствует карте землепользования (Wever et al., 2017). Информация о почве также доступна на всех станциях по профилям, сделанным во время съемки 2015 года. Для класса «рок» присваивается суглинисто-песчаный профиль, а для «альпийского луга» — ил-суглинок от 0,00 до 0,6 м и супесчаный суглинок для более глубоких почв от 0,60 до 3,00 м), следуя Wever et al. (2015). Значения плотности частиц почвы (ρ _s ), теплопроводности (γ _s ) и удельной теплоемкости ( c _p ) взяты из предыдущих исследований (Wever и другие., 2017) и сопоставимы, по крайней мере, для станции Weissfluhjoch с измерениями (Wever et al., 2015). Грунты моделируются до глубины 5 м, всего 50 слоев. Толщина слоя увеличивается с 0,01 м на поверхности до 0,30 м в нижней части профиля. Толщина слоя 0,01 м на поверхности выбрана по количественным причинам из-за высокой суточной изменчивости температуры на поверхности и из-за того, что температура поверхности очень чувствительна к толщине поверхностного слоя (Gubler et al., 2013).Приповерхностные температуры (0,00–1,00 м) инициализируются измеренной температурой поверхности на станции. Результаты моделирования показывают, что среднегодовая температура грунта нечувствительна к начальной температуре на поверхности, так как она изменяется относительно быстро. Температура на глубине 1,00–5,00 м инициализируется средней смоделированной температурой на глубине 1,00–5,00 м, полученной в результате 12-летнего прогона модели.

2.4.2. Установка для моделирования

Модель управляется суммой осадков, температурой воздуха, направлением ветра, относительной влажностью и уходящим коротковолновым излучением.Вместо измеряемой температуры поверхности параметризованное входящее длинноволновое излучение используется в качестве граничного условия для температурного уравнения, поскольку оно связано с температурой воздуха и, следовательно, дает более реалистичные результаты для сигнала изменения климата, как подробно описано Schmucki et al. (2015). Входящее длинноволновое излучение параметризуется с использованием формулировки всего неба Кроуфорда и Дюшона (1999) и параметризации чистого неба Дилли и О’Брайен (1998). Для атмосферной стабильности модель поправки MOHOLTSLAG (Schlögl et al., 2017), которая основана на модели Holtslag, De Bruin (1988). Длина шероховатости для всех станций установлена ​​на 2 мм, растительный покров отсутствует. Граничное условие Неймана используется для уравнения температуры на поверхности снежного покрова и геотермального теплового потока 0,6 Вт · м ² в качестве граничного условия в основании. Температурный порог разделения снега и дождя составляет 1,2 ° C. Для переноса воды в снеге и почве используется полное решение уравнения Ричардса со свободным дренажем (Wever et al., 2014а, 2015). Альбедо снега параметризуется в SNOWPACK (Schmucki et al., 2014).

3. Результаты и обсуждение

3.1. Проверка

Для проверки эффективности модели используются следующие показатели: смоделированная средняя высота снежного покрова и день наступления и таяния снежного покрова. Средняя высота снега — это средняя высота снега для всех дней с высотой снега> 0,10 м. Этот порог выбран, потому что измерения и результаты моделирования приемлемы для ошибок менее 0,10 м. Различия в моделировании и моделировании.наблюдаемая высота снега составляет от -4 до 12%. День таяния снега был определен как первый день с февраля по август, когда измеренная высота снега составила 0,00 м. Поскольку все станции расположены в высокогорных альпийских регионах и имеют непрерывный снежный покров с декабря до конца зимы, с помощью этого определения можно определить день таяния снега. Смоделированная средняя высота снежного покрова обычно находилась в ожидаемом диапазоне для каждой станции и составляла от 0,68 м в Симплоне до 1,96 м в Венгхорне (Таблица 3). На некоторых станциях высота снежного покрова недооценивается моделью, особенно когда среднегодовая высота снежного покрова высока (Рисунок 2).Это было замечено в других исследованиях (Wever et al., 2015) на станции Weissfluhjoch для моделирования SNOWPACK на основе осадков. Это имеет три основные причины: во-первых, ошибки моделирования, такие как смещения во входных данных об осадках или ошибки в параметризации модели (например, уплотнение). Во-вторых, смоделированная высота снега включает много дней с высотой снега ниже 10 см в начале зимы, которые не отображаются в измерениях. Эти значения ниже средней смоделированной высоты снежного покрова. Чтобы минимизировать этот эффект, для расчета средней высоты снега используются только значения выше 10 см.В дополнительном материале 2 показаны различия между рассчитанной средней высотой снега с низким порогом снега и без него. В-третьих, раннее таяние снежного покрова снижает среднюю высоту снежного покрова, как описано в разделе 5.1. ниже. Тем не менее, большая часть этого смещения связана с проблемами расчетов и в основном возникает при глубине снежного покрова более 1 м и, следовательно, не ожидается, что оно существенно повлияет на температуру земли. Кроме того, даты плавления обычно точно моделируются со смещениями не более чем на 2 дня.

Таблица 3 . Средняя высота снега (HS) для всех дней с высотой снега> 0,1 м в метрах и продолжительностью снежного сезона в днях для базисного периода, а также для трех будущих периодов, а также уменьшение в процентах от общей высоты снега и продолжительности снежного сезона .

Рисунок 2 . Рассеянный график смоделированной и измеренной максимальной годовой высоты снежного покрова для станции, использованной в исследовании. Точки обозначают станции. Квадраты представляют собой высокогорные станции, звезды — высокогорные станции, а треугольники — низкоальпийские.Среднеквадратичная ошибка (RMSE) для всех станций составляет 0,16 м.

Для наступления снежного покрова выбирается первый день, когда высота снежного покрова превышает 10 см в течение 10 дней подряд. Различия между измеренным и смоделированным начальным днем, а также годовые различия велики. Различия между смоделированными и измеренными начальными днями составляют от 7 до 30 дней. Более раннее смоделированное наступление снежного покрова в основном связано с тем, что некоторые осенние снегопады переоцениваются моделью, и таяние этих событий происходит медленнее, чем в действительности.Низкая скорость таяния также наблюдается весной и может быть связана с ошибками в альбедо снега и параметризацией приходящей длинноволновой радиации. Для всех станций начало таяния снега всегда слишком раннее и связано с фазой быстрого таяния снега, которую нельзя увидеть в измерениях. Поскольку день таяния таяния моделируется точно по сравнению с измерениями, можно видеть, что скорость таяния после первого быстрого таяния снега смоделирована слишком низкой. Для станции Weissfluhjoch этого не наблюдалось в более ранних исследованиях, таких как Schmucki et al.(2015). В этих более ранних исследованиях для расчета альбедо снега использовалось измеренное входящее длинноволновое и исходящее коротковолновое излучение, тогда как в этом исследовании используется только измеренное исходящее коротковолновое и параметризованное входящее длинноволновое излучение. Таким образом, ошибки в расчетном альбедо снега могли бы объяснить фазу быстрого таяния снега весной, что в целом привело к отрицательному смещению высоты снежного покрова. Поскольку измеренное входящее длинноволновое излучение доступно только для Weissfluhjoch, но не доступно для других станций, для согласованности в этом исследовании использовалось только измеренное исходящее коротковолновое излучение. Эта фаза раннего таяния снижает среднюю высоту снега на всех станциях до 0,02 м. Он также имеет незначительное влияние на температуру почвы. На рис. 3 представлены измеренные и смоделированные высота снежного покрова и температура грунта на разных глубинах за период 2014–2016 гг. На станции WFJ2. Метод моделирования 1 (зеленые линии) использует только измеренную исходящую короткую волну для расчета высоты снежного покрова. Этот подход используется в данном исследовании для всех станций. Подход к моделированию 2 (синие линии) представляет собой моделируемые данные, рассчитанные на основе измеренного входящего длинноволнового излучения, что приводит к лучшим результатам при моделировании высоты снега, поскольку здесь не воспроизводится раннее таяние.Это сравнение показывает, что смоделированное раннее начало таяния снега сдвигает начало точки нулевой завесы и вместе с этим увеличивает среднюю температуру. Пересчет средней температуры с более низкой температурой грунта для критического времени снижает среднюю температуру на 0,01–0,03 ° C, в зависимости от станции и результатов измерения высоты снега.

Рисунок 3 . Измеренная и смоделированная высота снега (HS, A ) и температура грунта (GT) на поверхности (B) и 10 (C) , 20 (D) и 50 см (E) глубины на 2014–2016 гг. на станции Weissfluhjoch (WFJ).Серая горизонтальная линия обозначает линию нуля градусов на каждом графике температуры почвы.

Для точных оценок температуры грунта требуется точное моделирование дня таяния и средней высоты снежного покрова зимой, что стало возможным с этим исследованием. Однако смоделированные температуры грунта не могут быть тщательно оценены, потому что имеется мало доступных высококачественных измерений. Станция Weissfluhjoch является единственным исключением, где измерения температуры земли на глубине 10, 20 и 50 см с 2014 по 2016 год сравниваются с смоделированной температурой земли.Данные измеряются вблизи станций ИМИС с разрешением 30 минут. Измерения температуры поверхности земли (GST) доступны для большинства станций IMIS с основной целью измерения температуры у основания снежного покрова. Они не всегда закрашены и поэтому подвержены ошибкам измерения. Поскольку эти измерения не обладают достаточным качеством в контексте данного исследования, они не используются для оценки модели.

В Weissfluhjoch (рис. 3) температура грунта смоделирована несколько заниженной на всех глубинах для лета и зимы, это наблюдалось в других исследованиях Weissfluhjoch, таких как Wever et al.(2015). Зимние температуры моделируются с одинаковым качеством на всех глубинах, но летняя изменчивость температуры грунта лучше улавливается на глубине, даже если абсолютное значение имеет отрицательное смещение на глубине 0,50 м. Температурные колебания на поверхности выше, чем на земле, и поэтому более чувствительны к ошибкам. Турбулентные потоки на границе воздуха и почвы усиливают теплообмен на границе и вызывают быструю прямую реакцию температуры поверхности земли на температуру воздуха. Глубже в почвенном профиле этот эффект отсутствует, а слои почвы, расположенные выше, обладают изолирующим эффектом. Из-за такой низкой теплопроводности снижается влияние температуры воздуха на глубине. Более медленную динамику и меньшую изменчивость проще смоделировать, и они могут объяснить лучшие результаты летом для глубины 0,30 и 0,50 м. Быстрая и прямая реакция температуры поверхности на состояние поверхности также объясняет улучшенные результаты моделирования зимой, поскольку зависимость зависит только от высоты снежного покрова и переноса тепла в снежном покрове, который можно моделировать более точно, чем поток тепла почвы. Можно сделать вывод, что реальный перенос тепла в почве слишком быстр для довольно простой параметризации, использованной в этом исследовании.

Зимнее моделирование температуры грунта очень чувствительно к высоте снежного покрова. Таяние снега характеризуется периодом времени, когда температура земли составляет точно 0,0 ° C из-за изотермических условий, «период нулевой завесы». Эта фаза хорошо видна на поверхности и на глубине 0,10 м. На глубине эффект не такой сильный, но все же заметен, главным образом потому, что это поверхностный эффект. Также отчетливо видно повышение температуры почвы после таяния снега, которое зависит от точности моделирования снега.Слишком поздно в конце зимы 2013/2014, когда таяние снега моделируется слишком поздно, и слишком рано в конце зимы 2015/2016, когда таяние снега моделируется слишком рано по сравнению с измерениями. Высокие температуры до 20 ° C подчеркивают проблему ошибок моделирования из-за прямого моделирования воздействия солнечного излучения. Устройства для измерения температуры земли обычно затенены и не подвергаются прямому солнечному излучению, тогда как в исследовании не моделируется затенение земли, которое может привести к очень высокой температуре из-за прямого солнечного излучения.Термисторы температуры земли были размещены на глубине 1 см, чтобы уменьшить эту проблему, но низкое альбедо земли и отсутствие затенения все же могут привести к высокой температуре. Эти высокие значения температуры также наблюдаются в начале зимы 2013/2014 гг. На поверхности и на глубине 10 см.

3.

2. Период изменения климата

3.2.1. Высота снега

Удовлетворительные результаты за отчетный период сделали моделирование температуры грунта и снега до 2100 г. полезным занятием. Согласно результатам моделирования для периодов изменения климата, средняя высота снежного покрова будет уменьшаться для всех трех будущих периодов на всех станциях.Однако различия между ответами станций велики и зависят от высоты и местоположения станции. К 2035 году ожидается сокращение от 1% (SIMP3) до 11% (Bosco Gurin), а к периоду 2085 года наблюдается уменьшение высоты снежного покрова от 19% (Glaernisch) до 42% (Bosco Gurin) (Таблица 3). Уменьшение высоты снежного покрова больше на станциях в Вале и южнее Альп, чем в Граубюндене и северных Альпах. В основном это связано с двумя эффектами. Во-первых, снежный покров в Вале начинается раньше, чем в Вайсфлухйохе и Цернеце, потому что в Граубюндене в начале зимы обычно меньше осадков.И наоборот, в западных Альпах более высокая частота выпадения снега в начале зимы, близкой к точке таяния, которая, вероятно, преобразуется в дождь в будущем. Это задерживает наступление снежного покрова на этих станциях, а также приводит к значительным различиям в средних значениях высоты снежного покрова, так как эти ранние зимние снегопады исключаются из годового бюджета снежного покрова. В Гризон основной период выпадения снега приходится на разгар зимы, когда температура будет оставаться на уровне ниже 0.0 ° C на большой территории в будущие моделируемые периоды. Более раннее таяние снега, которое наблюдается на всех станциях, не оказывает существенного влияния на среднюю высоту снега.

Станции в Вале больше подвержены влиянию южного сигнала об изменении климата, и поэтому, вероятно, будут получать меньше осадков зимой, в отличие от станций в Граубюндене, где ожидается увеличение зимних осадков. Однако прогнозируемые изменения в количестве осадков неопределенны и сильно зависят от используемой региональной климатической модели.Однако изменения средней высоты снега чувствительны к этому сигналу, поскольку увеличение количества зимних осадков может компенсировать более короткий зимний сезон из-за более позднего наступления или более раннего дня таяния снега. Для станций в климатически схожих регионах преобладают эффекты высоты, и уменьшение средней высоты снежного покрова сильнее всего на низких станциях и меньше на высоких альпийских и альпийских станциях. Это просто потому, что на более низких высотах снегопад происходит ближе к точке таяния и, следовательно, он более чувствителен к изменениям температуры воздуха.В таблице 3 показано абсолютное и процентное уменьшение средней высоты снежного покрова вместе с изменениями продолжительности снежного сезона для всех станций и периодов.

К 2035 году высота снежного покрова на всех станциях, вероятно, увеличится примерно на такую ​​же величину (Таблица 3). Здесь сигнал высоты является основным фактором, определяющим тенденцию к уменьшению высоты снежного покрова. На высокогорных станциях в Граубюндене и Симплоне, а также на подверженных ветру высокогорных станциях с тонким снежным покровом наблюдается только снижение примерно на 0,06 м (таблица 3).Топография станции и региональный климат, по-видимому, являются доминирующими факторами. Таких же относительных изменений.

Однако к 2085 году наиболее сильное понижение (около 0,40 м) будет наблюдаться в Вале, Энгадине и на низких станциях. Предполагается, что в Вале это связано с уменьшением количества зимних осадков. На высокогорных и низкогорных станциях уменьшение высоты снежного покрова составляет ок. 0,38 м с несколько более сильным понижением на снежных станциях. Исключение составляет высокогорная станция Симплон и высокогорные станции Флуэпасс и Налунс.Эти станции расположены в местах, подверженных воздействию ветра. Из-за ветровой эрозии снега высота снежного покрова на этих станциях сильно уменьшается. Однако расчетное уменьшение высоты снежного покрова при сценариях изменения климата на этих станциях относительно невелико. Основная причина этого заключается в том, что ветровая эрозия является доминирующим фактором, влияющим на накопление высоты снега, однако изменения скорости ветра в сценарии не учитываются.

С точки зрения изменения продолжительности снежного сезона, региональные климатические различия считаются наиболее важным фактором. Сокращение снежного сезона является наиболее сильным в Вале: 8% в 2035 году и 25% в 2085 году. Это происходит главным образом потому, что, как отмечалось ранее, снежный сезон в Вале обычно начинается раньше, и это раннее зимнее выпадение снега, вероятно, преобразуется. дождь в будущем. В Гризоне снежный сезон сократится примерно на 5% и примерно на 13 дней в 2035 году и на 18% в 2085 году. В северных Альпах это значение составит примерно 9% в 2035 году и примерно 21% в 2085 году. Weissfluhjoch, Zermatt, Gadmen, Fluelapass на каждый день среднего года за отчетный период, а также на 2035, 2060 и 2085 годы.Значения представляют собой среднесуточное значение, рассчитанное за весь 12-летний период. На всех станциях наблюдается более раннее начало периода таяния снега и более раннее окончание снежного покрова. Все станции показывают уменьшение снежного покрова для всех времен года и для всех будущих периодов.

Рисунок 4 . Средняя высота снежного покрова (HS) в среднем за 12 лет для базисного периода (черная линия) и трех периодов изменения климата (красный, зеленый, синий) для Гадмена (GAD2, A ), Fluela (FLU2, B ), Weissfluhjoch (WFJ2, C ) и Церматт (ZER2, D ). Средний год следует за снежным сезоном, поэтому выбран сентябрь-сентябрь, указана высота станций. Серые линии показывают измеренную высоту снега, черные линии моделируют высоту снега за базовый период (2004–2016 гг.), За ними следуют красный (2035–2060 гг.), Зеленый (2060–2085 гг.) И синий (2085–2100 гг.).

К 2035 году на внутренних альпийских станциях Fluelapass и Weissfluhjoch значительных изменений в периоде снегонакопления не наблюдается, однако вероятен более ранний и более быстрый процесс таяния снега. Этот эффект в основном обусловлен более высокими температурами весны.На этих станциях снегонакопление в начале зимы происходит медленно, и большинство снегопадов происходит в середине зимы, когда температура намного ниже точки плавления и небольшое повышение температуры не является значительным. К 2035 году не ожидается изменений в процессах накопления и максимальной высоты снежного покрова. Однако к концу века уменьшение высоты снежного покрова на всех станциях и в зимний период возможно, но изменения в периоде таяния снега все еще сохраняются. более выражен во внутренних альпийских областях в Граубюндене.На альпийских станциях изменения периода накопления также меньше, чем в период таяния, особенно на станциях с относительно тонким снежным покровом (Naluns и Fluelapass) и более медленными темпами накопления снега. Эту тенденцию также можно увидеть в изменении продолжительности снежного сезона, так как она определяется количеством дней между наступлением и днем ​​таяния снежного покрова. В таблице 3 сокращение снежного сезона на станциях в Вале сильнее, чем на малоснежных станциях во внутреннем альпийском районе Граубюнден, который менее подвержен воздействию западных ветров с Атлантики.

3.2.2. Температура земли

Повышение температуры воздуха, сокращение снежного сезона и изменения количества осадков, вероятно, повлияют на температуру земли на всех глубинах в будущие десятилетия. На Рисунке 5 показаны разности температур между базисным периодом и тремя будущими периодами для всех станций на глубине 5,0, 2,0, 1,0, 0,3, 0,1 м и у поверхности. Этот результат показывает повышение температуры на всех станциях и на всех глубинах к 2035 году, и это повышение будет продолжаться до 2085 года.Для большинства станций поверхностное потепление больше, чем в более глубоких почвах, и колеблется от среднего повышения на 0,6–2,3 ° C к 2035 году и от 2,9 до 6,8 ° C к 2085 году на поверхности. А на глубине 5 м от 0,3 до 1,8 ° C к 2035 году и от 1,6 до 4,4 ° C к 2085 году. К 2035 году потепление поверхности на высокогорных станциях будет больше, чем на средних и низких альпийских станциях, но к 2085 году потепление поверхности на высота высокогорной станции примерно такая же, как и на других станциях. Повышение температуры, наблюдаемое на станциях Вале, больше, чем на станциях в Граубюндене, на всех глубинах.Этот факт согласуется с различиями в изменении высоты снежного покрова. Следовательно, сокращение снежного сезона и более сильное уменьшение высоты снежного покрова приводит к более сильному повышению температуры почвы. В более глубоких почвах повышение температуры наиболее сильно для станций, которые классифицируются как каменистые (Таблица 1), более высокая проницаемость и содержание воздуха в этих почвах позволяют более быстрое нагревание на глубине в ответ на сигнал температуры поверхности. Органические почвы обладают более высокой теплоемкостью, и поэтому почвы альпийских лугов могут накапливать больше тепла, что может задерживать нагревание более глубоких земель.На поверхности класс почвы не имеет значения, потому что здесь основной движущей силой температурной динамики является изменение высоты снежного покрова.

Рисунок 5 . Показано повышение температуры грунта (GT) на поверхности (D) , 0,3 м (C) , 1,0 м (B) и 5,0 м (A) на глубине , для всех станций и за весь период. Станции ранжируются от высокого к низкому, а цвета указывают на период изменения климата. Для всех станций показаны три прямоугольника. Разница температур грунта показана по сравнению с базовым периодом.Во вставках показаны различия между 10 различными региональными моделями изменения климата.

Изменчивость модели, которая представлена ​​прямоугольными диаграммами на рис. 5, увеличивается со временем, как и величина различий между смоделированными разностями температур грунта. На большинстве станций со временем температура повышается. В Аролле повышение температуры почвы является самым сильным в период 2060–2085 годов, где также заметно сокращение снежного сезона и может быть объяснено входным сигналом изменения климата, который прогнозирует небольшое уменьшение количества зимних осадков в 2060 году и увеличение как в 2035 году, так и в 2085 году.В Гадмене самое сильное потепление наблюдается в период с 2035 по 2060 год. В Гадмене уменьшение высоты снега также является самым сильным в этот период, что еще раз показывает высокую степень связи между высотой снега и температурой земли. На Муттзее и Венгхорне потепление в 2060 г. будет немного меньше, чем в другие периоды, что соответствует меньшему снижению высоты снежного покрова для этого будущего периода. На высокогорных станциях Zermatt, Weissfluhjoch и Zernez поверхностное потепление в 2060 г. меньше, чем в периоды 2035 и 2085 гг.

Средняя годовая температура грунта для 16 смоделированных станций в целом демонстрирует тенденцию к повышению, однако для некоторых конкретных лет и станций можно наблюдать кратковременное похолодание температуры грунта. На рисунке 6 показаны изменения температуры земли и высоты снежного покрова для двух типичных лет. На верхней панели мы видим год с низким накоплением снега и охлаждением почвы в начале зимы, тогда как на нижней панели мы видим год с быстрым накоплением снега и повышением температуры почвы.Этот охлаждающий эффект наблюдается только при соблюдении определенных условий. Как видно на Рисунке 6A, тонкий длительный снежный покров в начале зимы, который не тает, приводит к охлаждению почвы в начале зимы. Это в основном связано с тем, что тонкий снежный покров по-прежнему имеет высокое альбедо, которое отражает приходящую коротковолновую радиацию, но позволяет холодной зимней температуре проникать в почвы, поскольку нет отделения от атмосферы из-за тонкого снежного покрова. Показано, что высота снежного покрова 0,40 м является пороговым значением, определяющим степень связи между поверхностью и атмосферой.Если высота снега опускается ниже этого значения, охлаждающий эффект усиливается. Снежный покров от 0,40 до 0,80 м, обычный порог для полностью изолирующего снежного покрова (Haeberli, 1973, 1975), демонстрирует небольшой охлаждающий эффект. Снежный покров должен быть тонким в течение значительного времени в начале зимы и требует более одного значительного выпадения снега на высоту более 0,80 м для заметного охлаждения почвы. В период тонкого снежного покрова температура должна быть ниже нуля для охлаждения. В годы похолодания максимальная высота снега ниже, чем в другие годы.На рисунке 6B показан год без охлаждающего эффекта, и мы видим, что в начале зимы с тонким снежным покровом существует только короткий период времени. В этот период температура земли значительно снижается, но высота снега в будущем будет выше, поэтому усиленное охлаждение не компенсирует более высокую температуру воздуха. Высота снега действительно очень рано превышает 0,80 м. При высоте снега более 0,80 м температура грунта полностью изолирована от холода зимой, и дальнейшего охлаждения не видно, даже если высота снежного покрова в целом будет немного уменьшена в будущем.В оба года наблюдается более раннее таяние снега, вызывающее более раннее повышение температуры почвы по сравнению с базовым периодом. Если посмотреть на среднегодовую температуру почвы (рис. 5), то сильное повышение температуры весной компенсирует все возможные охлаждающие эффекты ранней зимы. Было обнаружено, что даже в годы с небольшим охлаждающим эффектом зимой среднегодовая температура поверхности земли повышалась. С точки зрения долгосрочной и средней температуры почвы охлаждающее воздействие тонкого раннего зимнего снежного покрова оказалось незначительным.

Рисунок 6 . Пример бесснежного года ( A , 2006), когда наблюдается похолодание земли в начале зимы, и богатого снегом года ( B , 2009) без охлаждающего эффекта для станции Бевер в Гризоне. . Высота снега (HS) обозначена зеленоватым цветом, а температура грунта (GT) — синим.

На рисунке 7 показаны изменения температуры земли за снежный сезон для 2035 года (вверху), 2060 года (посередине), 2085 года (внизу). Было замечено, что температура грунта увеличивалась на всех глубинах и в любое время года. Снижение температуры, которое наблюдается на некоторых станциях в период накопления снега (Рисунок 6), не приводит к общей тенденции к похолоданию в начале зимы, поскольку межгодовые и межстанционные колебания велики. Как показано на Рисунке 5, повышение температуры является наибольшим на поверхности, со средним увеличением в 2035 г. на 1,24 ° C на поверхности и 0,7 ° C на глубине 5 м. Сезонные различия отчетливо видны и снова наиболее сильны на поверхности. На поверхности увеличение является наименьшим за время с постоянным снежным покровом (зимой), потому что до тех пор, пока присутствует постоянный, полностью изолирующий снежный покров, температура земли не зависит от атмосферных условий.Повышение температуры почвы зимой в основном вызвано повышением температуры почвы в период накопления снега (осень). Сильное увеличение в период таяния (весна) в основном связано с более ранним таянием снега, что приводит к очень большим перепадам температуры почвы. В бесснежный период (летом) температура грунта связана с температурой воздуха, и повышение температуры грунта сопоставимо с величиной повышения температуры воздуха, вызванного сигналом изменения дельты. Сигналам температуры поверхности требуется время, чтобы проникнуть на глубину. На глубине времена года смещены, что хорошо видно на Рисунке 7. Например, при приземной температуре воздуха сигналу требуется около шести месяцев, чтобы достичь глубины 5 м, поэтому на глубине 5 м самое сильное повышение температуры грунта происходит осенью и самое слабое повышение весной, отражающее сигналы летней и зимней температуры воздуха соответственно.

Рисунок 7 . Среднее повышение температуры почвы (GT) за период накопления снега [ноябрь – январь, (осень, звездочка)], время снежного покрова [февраль – апрель, (зима, кружок)], таяние [май – июль, (весна, треугольник) )], и бесснежный период [август – октябрь, (лето, крест)], и круглый год (квадрат) для разной глубины.Точки представляют собой средние значения всех 16 станций. Различия для 2035 (A) , 2060 (B) и 2085 (C) .

3.3. Неопределенности

В этом исследовании у нас есть три основных источника ошибок: сама модель, входные данные об осадках и сигнал изменения климата. Все значения изменения дельты, используемые для моделирования будущего изменения климата, из Ch3011 имеют ошибку c. 1 ° C (Ch3011, 2011), однако, поскольку мы берем среднее значение 10 различных моделей изменения климата за длительный период, это мало влияет на результаты.Значения зимних осадков реконструируются хорошо, по крайней мере, для средних значений. Отдельное событие можно пропустить или переоценить. Поскольку влияние единичного явления (дождь на снегу) на общую высоту снежного покрова зимой незначительно, результаты являются приемлемыми. Реконструкция летних осадков связана с большей погрешностью, по крайней мере, по сравнению со станционными измерениями осадков ИМИС. Поскольку они не нагреваются и не защищены, восстановленные значения осадков более надежны, чем измерения IMIS, которые используются для сравнения.Поскольку мы используем одни и те же входные данные для всех периодов моделирования, даже если общие числа могут включать некоторые ошибки, прогнозируемые изменения на будущее кажутся надежными. Тест на чувствительность для модели SNOWPACK в этом исследовании не проводился, поскольку SNOWPACK уже широко использовался для исследований изменения климата, и в этом контексте проводились многочисленные исследования чувствительности (Lehning et al., 2002a; Wever et al., 2014b ; Richter et al., 2018). Schmucki et al. (2014) показали, что выбор входящей длинноволновой параметризации не влияет на результаты по высоте снежного покрова, но SNOWPACK чувствителен к количеству атмосферных осадков.Коррекция недолова осадков, как мы это делали в этом исследовании, действительно значительно улучшает результаты SNOWPACK.

Расчет средней высоты снежного покрова показывает небольшое отрицательное смещение смоделированной высоты снежного покрова, однако, как обсуждалось выше, это не влияет на температуру земли. Ошибки в расчетах и ​​раннее начало периода таяния снега приводят к различиям между смоделированной и измеренной высотой снега от 3 до 10%. Мы смогли показать, что это лишь незначительно влияет на температуру земли. Эти систематические ошибки также влияют на результаты модели изменения климата, но так же, как и для базисного периода. Таким образом, рассчитанные изменения к концу века в относительном смысле не затронуты. Годовой цикл снежного покрова может быть хорошо представлен, и изменения в снежном цикле приемлемы для всех станций.

Оценка ошибок моделирования температуры грунта является сложной задачей, так как было мало измерений, которые можно было бы использовать для сравнения. Годовой цикл температуры земли воспроизводит ожидаемую закономерность.Для Вайсфлухйох и Налунс абсолютные ошибки средней годовой температуры грунта составляют от 1 до 3 ° C. Эти ошибки кажутся довольно высокими, но, поскольку мы используем одни и те же методы для базисного периода и периода изменения климата, изменения дельты все еще очень разумны. Использование различных настроек модели показывает, что хорошее представление летней температуры действительно имеет большее влияние на среднюю температуру земли, чем небольшие различия при моделировании высоты снежного покрова (Рисунок 3). Наша модель успешно отображает летнюю температуру.Раннее начало сезона таяния приводит к изменению температуры почвы только на 0,1–0,3 ° C, что меньше расчетных изменений температуры. Представленная модель устойчива к среднегодовой температуре и ее изменениям, а также к изменениям сезонного характера, но имеет некоторые недостатки при моделировании отдельных явлений. В дополнительном материале 2 мы представляем дальнейшие результаты полностью переходного периода (2004–2100 гг.). Сравнение с нашим моделированием будущего климата почвы за один временной период (12 лет) показывает, что последнего достаточно.

4. Заключение

В этом исследовании мы смоделировали взаимодействие высоты снежного покрова и температуры земли на 16 высокогорных альпийских станциях в климатически различных регионах Швейцарских Альп. Применение сигналов изменения дельты из сценариев изменения климата Ch3011 показало уменьшение высоты снежного покрова и сокращение снежного сезона до конца века для всех станций. Уменьшение средней высоты снежного покрова к концу века составило 35% на низких станциях, 32% на альпийских станциях, 35% на высокогорных участках в Вале и 20% в Граубюндене.Изменения даты схода снежного покрова больше, чем даты начала схода. Величина сокращения снежного сезона и уменьшения средней высоты снежного покрова зависит от станции и демонстрирует значительную изменчивость в зависимости от высоты и климатической зоны.

Прогнозируется повышение температуры земли для всех станций на всех глубинах во все будущие периоды. Для большинства станций поверхностное потепление больше, чем в более глубоких почвах, и колеблется в пределах от 0,6 до 2,3 ° C к 2035 году и 2 годам.От 9 до 6,8 ° C к 2085 году на поверхности и 0,3 и 1,8 ° C к 2035 году и 1,6 и 4,4 ° C к 2085 году на глубине 5 м. Эффект похолодания наблюдается на некоторых станциях только в течение нескольких лет, как правило, при наличии тонкого снежного покрова в начале зимы. Однако эти охлаждающие эффекты незначительны по сравнению с летним потеплением и межгодовой изменчивостью, которая доминирует в сигнале. Увеличение средней летней температуры больше, чем средней зимней температуры грунта, и видно, что среднегодовая температура грунта на поверхности увеличивается сильнее, чем на глубине.Абсолютные значения повышения температуры грунта зависят от станции. Показана сильная связь изменений температуры с изменениями снежного цикла.

Моделирование температуры грунта все еще остается сложной задачей. Сравнение с несколькими существующими измерениями показывает, что годовой цикл температуры грунта воспроизводится хорошо, но различия в абсолютных значениях могут быть довольно большими. Температура грунта очень чувствительна к моделированию высоты снежного покрова, а наличие измеренных радиационных полей для управления моделью (например, приходящей короткой волны в Вайсфлухйохе) помогает значительно улучшить моделирование температуры грунта.

Моделирование воздействий изменения климата связано с большими неопределенностями и ошибками. Самая большая ошибка возникает из-за ошибок моделирования, поскольку невозможно точно воспроизвести высоту снежного покрова и температуру грунта для базисного периода. Кроме того, сигналы изменения дельты для периодов изменения климата содержат ошибки. Базовый период и периоды изменения климата моделируются с использованием одного и того же подхода, поэтому, хотя абсолютные значения будущей температуры земли и высоты снежного покрова могут быть неопределенными, относительные изменения в смоделированном будущем по сравнению с эталонным периодом заслуживают внимания.

Мы представили метод построения полного набора данных об осадках за круглый год высокого качества для наших высокогорных участков, где есть измерения высоты снежного покрова, но нет надежных датчиков прямых осадков. Метод состоит из расчета осадков на основе изменений высоты снежного покрова и моделирования оседания снега с помощью SNOWPACK (Lehning et al., 1999) и интерполяции дождя с соседних станций, у которых есть надежные датчики. Набор данных для 16 станций между 1630 и 2850 м над уровнем моря.s.l. доступен для дальнейшего анализа.

Заявление о доступности данных

Наборы данных, созданные для этого исследования, публикуются на платформе данных WSL EnviDat с doi: 10.16904 / envidat.144.

Авторские взносы

Е.Б. провел анализ и подготовил рукопись. JF помогал с анализом и текстом. ML разработал исследование и помог с анализом и текстом.

Финансирование

Проект поддержан Швейцарским национальным научным фондом (грант SNF 200020_179130).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Управляющий редактор заявил о прошлом соавторстве с одним из авторов ML.

Благодарности

Матиас Бавай, Чарльз Фирц, Нандер Вевер и Кристоф Марти благодарим за помощь в моделировании и подготовке данных. Данные Ch3011 были получены из Центра моделирования климатических систем (C2SM).

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feart.2020.00100/full#supplementary-material

Список литературы

Бартельт П. и Ленинг М. (2002). Физическая модель SNOWPACK для швейцарского предупреждения о сходе лавин. Часть I: численная модель. Cold Regions Sci. Technol. 35, 123–145. DOI: 10.1016 / S0165-232X (02) 00074-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бартлетт, М.Г., Чепмен, Д. С., и Харрис, Р. Н. (2004). Рекорд температуры снега и земли при изменении климата. J. Geophys. Res. 109. DOI: 10.1029 / 2004JF000224

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бавай, М., Эггер, Т., Фирц, К., и Ленинг, М. (2012). «MeteoIO: библиотека предварительной обработки для числовых моделей», в Proceedings of the EGU General Assembly Conference Abstracts (Вена).

Google Scholar

Бернштейн, Л., Бош, П., Канциани, О., Чен, З., Христос, Р., и Риахи, К. (2008). МГЭИК, 2007: Изменение климата 2007: Обобщающий отчет . МГЭИК.

Google Scholar

Босхард, Т., Котларски, С., Эвен, Т., и Шер, К. (2011). Спектральное представление годового цикла в сигнале изменения климата. Hydrol. Earth Syst. Sci. 15, 2777–2788. DOI: 10.5194 / hess-15-2777-2011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ceppi, P., Scherrer, S.C., Fischer, A.М., и Аппенцеллер, К. (2012). Возвращаясь к тенденциям температур в Швейцарии 1959–2008 гг. Внутр. J. Climatol. 32, 203–213. DOI: 10.1002 / joc.2260

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ч3011 (2011). Ch3011, (2011), Сценарии изменения климата в Швейцарии, Ch3011 . Ch3011 от C2SM, MeteoSwiss, ETH, NCCR Climate и OcCC (Цюрих).

Google Scholar

Кроуфорд, Т. М., и Дюшон, К. Э. (1999). Улучшенная параметризация для оценки эффективного коэффициента излучения атмосферы для использования при расчете дневной нисходящей длинноволновой радиации. J. Appl. Meteorol. 38, 474–480. DOI: 10.1175 / 1520-0450 (1999) 038 <0474: AIPFEE> 2.0.CO; 2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Деларю, Ф., Батлер, А., Брагацца, Л., Грассет, Л., Джесси, В., Гого, С. и др. (2015). Экспериментальное потепление по-разному влияет на микробную структуру и активность на двух контрастных участках влаги на торфяниках с преобладанием сфагнума. Sci. Tot. Environ. 511, 576–583. DOI: 10.1016 / j.scitotenv.2014.12.095

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Делайн, П., Gruber, S., Delaloye, R., Fischer, L., Geertsema, M., Giardino, M., et al. (2015). «Глава 15 — Исчезновение льда и стабильность склонов в высокогорных регионах», в Снежные и ледовые опасности, риски и бедствия, , ред. Дж. Ф. Шредер, У. Хэберли и К. Уайтман (Бостон, Массачусетс: Academic Press) , 521–561.

Google Scholar

Дерксен, К., Браун, Р. (2012). Весеннее сокращение площади снежного покрова в период 2008–2012 гг. Превышает прогнозы климатических моделей. Geophys.Res. Lett. 39. doi: 10.1029 / 2012GL053387

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дилли А. и О’Брайен Д. (1998). Оценка длинноволновой освещенности поверхности нисходящего ясного неба по температуре экрана и наличию осадков. Q. J. R. Meteorol. Soc. 124, 1391–1401. DOI: 10.1002 / qj.49712454903

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Федеральное статистическое управление, S. (1979). Hintergrunddaten Arealstatistik и Vereinfachte Bodennutzung. Abteilung Raum und Umwelt Sektion Geoinformation 2.

Google Scholar

Гербер, Ф., Ленинг, М., Хох, С., и Мотт, Р. (2017). Гребневое мелкомасштабное поле атмосферного течения и его влияние на снегонакопление. J. Geophys. Res. 122, 7737–7754. DOI: 10.1002 / 2016JD026258

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гобиет, А., Котларски, С., Бенистон, М., Генрих, Г., Райчак, Дж., И Стоффель, М. (2014). Изменение климата в Европейских Альпах в XXI веке — обзор. Sci. Tot. Environ. 493, 1138–1151. DOI: 10.1016 / j.scitotenv.2013.07.050

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гудрич, Л. Э. (1982). Влияние снежного покрова на термический режим почвы. Кан. Геотех. J . 19, 421–432.

Google Scholar

Gruber, S., Hoelzle, M., and Haeberli, W. (2004). Таяние вечной мерзлоты и дестабилизация скальных валов Альп жарким летом 2003 года. Geophys. Res. Lett. 31.

Google Scholar

Гублер С., Эндриззи С., Грубер С. и Первес Р. С. (2013). Чувствительность и неопределенность смоделированных температур грунта в горной среде. Geosci. Модель Dev. 6, 1319–1336. DOI: 10.5194 / GMD-6-1319-2013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гублер С., Фиддес Дж., Келлер М. и Грубер С. (2011). Масштабное измерение и анализ изменчивости температуры поверхности земли в альпийской местности. Криосфера 5, 431–443. DOI: 10.5194 / TC-5-431-2011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Haberkorn, A., Phillips, M., Kenner, R., Rhyner, H., Bavay, M., Galos, S.P., et al. (2015). Температурный режим горных пород и его связь со снежным покровом в крутых альпийских скальных стенах: драгоценные камни, центральные швейцарские Альпы. Геогр. Аня. Сер. Физ. Геогр. 97, 579–597. DOI: 10.1111 / geoa.12101

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хэберли В. (1973). Die Basis- Temperatur der Winterlichen Schneedecke als Möglicher Indikator für die Verbreitung von Permafrost in den Alpen. Zeitschrift für Gletscherkunde und Glazialgeologie.

Google Scholar

Хэберли, В. (1975). Untersuchungen zur Verbreitung von Permafrost. Mitteilung der Versuchsanstalt fuer Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie and der ETH Zuerich.

Google Scholar

Хэберли В. и Грубер С. (2008). «Проблемы исследования вечной мерзлоты на крутых и холодных склонах: альпийская перспектива», в Труды 9-й Международной конференции по вечной мерзлоте, (Фэрбенкс, AK), 597–605.

Google Scholar

Хэберли В. и Бенистон М. (1998). Изменение климата и его влияние на ледники и вечную мерзлоту в Альпах. Ambio 27, 258–265.

Google Scholar

Харрис, К., Фондер Мюлл, Д., Исаксен, К., Хэберли, В., Соллид, Дж., Кинг, Л., и др. (2003). Прогревающаяся вечная мерзлота в европейских горах. Glob. Планета. Изменить 39, 215–225. DOI: 10.1016 / j.gloplacha.2003.04.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хэй, Л., Уилби, Р., и Ливсли, Г. (2000). Сравнение сценариев изменения дельты и уменьшенного масштаба ГКМ для трех горных бассейнов в США. J. Am. Водный ресурс. Доц. 36, 387–397. DOI: 10.1111 / j.1752-1688.2000.tb04276.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Генри, Х. А. Л. (2008). Изменение климата и динамика промерзания почв: исторические тенденции и прогнозируемые изменения. Клим. Изменить 87, 421–434. DOI: 10.1007 / s10584-007-9322-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гольцлаг, А., и Де Брюин, Х. (1988). Прикладное моделирование баланса ночной поверхностной энергии над сушей. J. Appl. Meteorol. 27, 689–704. DOI: 10.1175 / 1520-0450 (1988) 027 <0689: AMOTNS> 2.0.CO; 2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Иль Чжон Д. и Сушама Л. (2018). Дождь на снегу над Северной Америкой на основе двух канадских региональных климатических моделей. Клим. Дин. 50, 303–316. DOI: 10.1007 / s00382-017-3609-x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Исаксен, К., Ødegård, R. S., Etzelmüller, B., Hilbich, C., Hauck, C., Farbrot, H., et al. (2011). Деградирующая вечная мерзлота в горах на юге Норвегии: пространственная и временная изменчивость средних температур грунта, 1999-2009 гг. Permaf. Перигль. Процесс. 22, 361–377. DOI: 10.1002 / ppp.728

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Касте, О., Остнес, К., Вестгарден, Л.С., и Райт, Р. (2008). Манипуляции со снегом в небольших водосборах в верховьях Сторгамы, Норвегия: влияние на вымывание неорганического азота. AMBIO J. Hum. Environ. 37, 29–37. DOI: 10.1579 / 0044-7447 (2008) 37 [29: MOSISH] 2.0.CO; 2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Краутблаттер М., Функ Д. и Гюнцель Ф. К. (2013). Почему многолетнемерзлые породы становятся нестабильными: геомеханическая модель породы и льда во времени и пространстве. Earth Surf. Процесс. Формы суши 38, 876–887. DOI: 10.1002 / esp.3374

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Laternser, M., и Schneebeli, M.(2003). Многолетние тренды снежного климата Швейцарских Альп (1931–99). Внутр. J. Climatol. 23, 733–750. DOI: 10.1002 / joc.912

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ленинг, М., Бартельт, П., Браун, Б., и Фирц, К. (2002a). Физическая модель SNOWPACK для швейцарского предупреждения о лавинах: часть III: метеорологическое воздействие, формирование тонкого слоя и оценка. Холодная рег. Sci. Technol. 35, 169–184. DOI: 10.1016 / S0165-232X (02) 00072-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ленинг, М., Бартельт, П., Браун, Б., Фирц, К., и Сатьявали, П. (2002b). Физическая модель SNOWPACK для швейцарского лавинного предупреждения: часть II: микроструктура снега. Холодная рег. Sci. Technol. 35, 147–167. DOI: 10.1016 / S0165-232X (02) 00073-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ленинг, М., Бартельт, П., Браун, Б., Русси, Т., Штёкли, У., и Циммерли, М. (1999). Расчеты модели снежного покрова для предупреждения о лавинах на основе новой сети метеорологических и снежных станций. Холодная рег.Sci. Technol. 30, 145–157. DOI: 10.1016 / S0165-232X (99) 00022-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Линг, Ф., и Чжан, Т. (2003). Влияние сроков и продолжительности сезонного снежного покрова на активный слой и вечную мерзлоту в Арктике Аляски. Permafrost Periglac. Процесс. 14, 141–150. DOI: 10.1002 / ppp.445

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лопес-Морено, Дж. (2005). Последние изменения высоты снежного покрова в Центральных испанских Пиренеях. Arct. Антарктида. Альп. Res. 37, 253–260. DOI: 10.1657 / 1523-0430 (2005) 037 [0253: RVOSDI] 2.0.CO; 2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лопес-Морено, Дж., Гойетт, С., Бенистон, М., и Альвера, Б. (2008). Чувствительность энергетического баланса снега к климатическим изменениям: прогноз снежного покрова в Пиренеях в 21 веке. Клим. Res. 36, 203–217. DOI: 10.3354 / cr00747

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лютчг, М., Бартельт, П., Ленинг, М., Стокли, В., и Хэберли, В. (2003). «Численное моделирование процессов взаимодействия между снежным покровом и альпийской вечной мерзлотой», в 8th International Conference on Permafrost Proceedings (Lisse; Zürich: Swets & Zeitlinger), 697–702.

Google Scholar

Luetschg, M., and Haeberli, W. (2005). Эволюция вечной мерзлоты в Швейцарских Альпах в условиях меняющегося климата и роль снежного покрова. Norweg. J. Geogr. 59, 78–83. DOI: 10.1080 / 00291950510020583

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лючг, М., Ленинг, М., и Хэберли, В. (2008). Чувствительное исследование факторов, влияющих на теплую / тонкую вечную мерзлоту в Швейцарских Альпах. Дж. Глациол . 54, 696–704. DOI: 10.3189 / 002214308786570881

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Марти К. и Кляйн Г. (2015). «Автоматический алгоритм проверки достоверности измерений высоты снежного покрова станциями ИМИС», в документе Swiss Geoscience Meeting (Базель).

Google Scholar

Mellander, P., Löfvenius, M.O., и Лаудон, Х. (2007). Влияние изменения климата на температуру снега и почвы в древостоев сосны обыкновенной. Клим. Изменить 85, 179–193. DOI: 10.1007 / s10584-007-9254-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Национальный центр климатического обслуживания, Z. Ch3018 (2018), Ch3018 — Климатические сценарии для Швейцарии, Технический отчет . Национальный центр климатического обслуживания.

Google Scholar

Ноецли, Дж., Грубер, С., Коль, Т., Зальцманн, Н., и Хэберли, В. (2007). Трехмерное распределение и эволюция температур вечной мерзлоты в идеализированном высокогорном рельефе. J. Geophys. Res. 112. DOI: 10.1029 / 2006JF000545

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Филлипс, М., Вольтер, А., Люти, Р., Аманн, Ф., Кеннер, Р., и Бюлер, Ю. (2017). Обрушение скального откоса в недавно удаленной ледяной стенке вечной мерзлоты в Пиц-Кеш, Восточные швейцарские Альпы), февраль 2014 г. Earth Surf. Процесс. Landf. 42, 426–438.DOI: 10.1002 / esp.3992

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Раванель, Л., Делайн, П. (2011). Влияние климата на камнепады в высокогорных крутых скальных стенах: северная сторона Эгий-де-Шамони (массив Монблан) с конца «малого ледникового периода». Голоцен 21, 357–365. DOI: 10.1177 / 0959683610374887

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Раванель, Л., Магнин, Ф., Делайн, П. (2017). Воздействие летних волн тепла 2003 и 2015 годов на скальные стены, затронутые вечной мерзлотой, в массиве Монблан. Sci. Tot. Environ. 609, 132–143. DOI: 10.1016 / j.scitotenv.2017.07.055

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рихтер Б., ван Хервейнен А., Ротах М. и Швейцер Дж. (2018). «Чувствительность смоделированной нестабильности снега к входной метеорологической неопределенности», в International Snow Science Workshop Proceedings (Insbruck), 1186–1190.

Google Scholar

Шаап М., Лей Ф. и Ван Генухтен М. (2001).ROSETTA: компьютерная программа для оценки гидравлических параметров почвы с иерархическими функциями педотрансфера. J. Hydrol. 251, 163–176. DOI: 10.1016 / S0022-1694 (01) 00466-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шлёгль, С., Ленинг, М., Нишимура, К., Хувальд, Х., Каллен, Н. Дж., И Мотт, Р. (2017). Как поправки на устойчивость действуют в устойчивом пограничном слое над снегом ?. Пограничный слой Meteorol . 165, 161–180. DOI: 10.1007 / s10546-017-0262-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шмуки, Э., Марти, К., Фирц, К., и Ленинг, М. (2014). Оценка смоделированной высоты снежного покрова и водного эквивалента снега на трех контрастных участках в Швейцарии с использованием моделирования SNOWPACK, основанного на вводе различных метеорологических данных. Холодная рег. Sci. Technol. 99, 27–37. DOI: 10.1016 / j.coldregions.2013.12.004

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шмуки, Э., Марти, К., Фирц, К., и Ленинг, М. (2015). Моделирование реакции снега 21 века на изменение климата в Швейцарии на основе набора RCM. Внутр. J. Climatol. 35, 3262–3273. DOI: 10.1002 / joc.4205

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Stoffel, M., Schneuwly, D., Bollschweiler, M., Lièvre, I., Delaloye, R., Myint, M., et al. (2005). Анализ активности камнепадов (1600–2002 гг.) В защитном лесу — тематическое исследование с использованием дендрогеоморфологии. Геоморфология 68, 224–241. DOI: 10.1016 / j.geomorph.2004.11.017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вендлер Г. и Келли Дж.(1988). Об альбедо снега в Антарктиде: материалы ИАГО. J. Glaciol. 34, 19–25. DOI: 10.1017 / S0022143000009011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вевер, Н., Комола, Ф., Бавай, М., и Ленинг, М. (2017). Моделирование влияния процессов на поверхности снега на динамику влажности почвы и формирование речного стока на высокогорном водосборе. Hydrol. Earth Sys. Sci . 21, С. 4053–4071.

Google Scholar

Вевер, Н., Фирц, К., Миттерер, К., Хирасима, Х., и Ленинг, М. (2014a). Решение уравнения Ричардса для снега улучшает оценки стока талых вод снежного покрова в подробной многослойной модели снежного покрова. Криосфера 8, 257–274. DOI: 10.5194 / TC-8-257-2014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вевер, Н., Йонас, Т., Фирц, К., и Ленинг, М. (2014b). Модельное моделирование модулирующего воздействия снежного покрова в случае дождя на снегу. Hydrol. Earth Syst. Sci. 18, 4657–4669.DOI: 10.5194 / hess-18-4657-2014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вевер Н., Шмид Л., Хейлиг А., Эйзен О., Фирц К. и Ленинг М. (2015). Верификация модели многослойного снежного покрова с различными схемами водного транспорта. Криосфера 9, 2271–2293. DOI: 10.5194 / TC-9-2271-2015

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан Т. (2005). Влияние сезонного снежного покрова на термический режим земли: обзор. Ред.Geophys. 43. DOI: 10.1029 / 2004RG000157

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, T., Osterkamp, ​​T., and Stamnes, K. (1997). Влияние климата на активный слой и вечную мерзлоту на Северном склоне Аляски, США. Permafrost Periglac. Процесс. 8, 45–67. DOI: 10.1002 / (SICI) 1099-1530 (199701) 8: 1 <45 :: AID-PPP240> 3.0.CO; 2-K

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан Т., Стамнес К. и Боулинг С. (1996). Влияние облаков на поверхностные потоки излучения и таяние снега в Арктике и Субарктике. J. Clim. 9, 2110–2123. DOI: 10.1175 / 1520-0442 (1996) 009 <2110: IOCOSR> 2.0.CO; 2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Геотермический градиент — Energy Education

Рис. 1. Земля нагревается по мере приближения к ядру, известный как геотермальный градиент. ^[1]

Геотермический градиент — это величина, на которую температура Земли увеличивается с глубиной. Это указывает на то, что тепло течет из теплых недр Земли к ее поверхности. ^[2] В среднем температура увеличивается примерно на 25 ° C на каждый километр глубины. ^[3] Эта разница температур управляет потоком геотермальной энергии и позволяет людям использовать эту энергию для отопления и производства электроэнергии. На планете есть ряд мест, где температура меняется немного быстрее, и почти всегда в этих местах геотермальная энергия наиболее жизнеспособна.

Внутри Земли очень жарко, и температура достигает более 5000 ° C вблизи ядра, которое ненамного холоднее, чем поверхность Солнца (однако внутренняя часть Солнца на намного горячее на ). ^[4]

Откуда тепло?

В начале 20 века было обнаружено, что подземное тепло Земли исходит от радиоактивных элементов. В частности, геотермальное отопление вызывается распадом таких элементов, как калий, уран и торий. Эти элементы не встречаются в ядре, однако самая популярная модель предполагает, что они обнаружены в литосфере и мантии . Считается, что эта форма нагрева составляет 50% тепла Земли, а остальное тепло исходит от изначального тепла Земли (тепла от образования Земли, которое было захвачено на планете). ^[5]

На рисунках 2 и 3 ниже показано, как температура уменьшается по мере приближения к поверхности Земли, а также механизмы теплового потока. В целом, изменения температуры постепенные, за исключением области у основания мантии, где происходят резкие изменения состава, и в литосфере, где присутствие флюидов имеет большое влияние.

• Градиент температуры Земли

• Рис. 2. Температурный профиль слоев Земли. Температура увеличивается с глубиной. ^[6]

• Рис. 3. Механизмы теплопередачи в пределах Земли, а также процент теплового потока в каждом слое. ^[7]

Для дальнейшего чтения

Список литературы

1. ↑ Wikimedia Commons [Online], Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Blender3D_EarthQuarterCut.jpg
2. ↑ Verbruggen, A., W. Moomaw, J. Nyboer, 2011: Приложение I: Глоссарий, сокращения, химические символы и префиксы.В специальном отчете МГЭИК о возобновляемых источниках энергии и смягчении последствий изменения климата [О. Эденхофер, Р. Пичс-Мадруга, Ю. Сокона, К. Сейбот, П. Мацхосс, С. Каднер, Т. Цвикель, П. Эйкемайер, Г. Хансен, С. Шлёмер, К. фон Стехов (редакторы)], Кембридж University Press, Кембридж, Великобритания и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США.
3. ↑ Р. Вольфсон, «Энергия Земли и Луны» в Энергия, окружающая среда и климат , 2-е изд., Нью-Йорк, Нью-Йорк: W.W. Norton & Company, 2012, гл. 8. С. 204-224.
4. ↑ Д.Альфе; М. Гиллан и Г. Д. Прайс (30 января 2002 г.). «Состав и температура ядра Земли ограничены путем комбинирования расчетов ab initio и сейсмических данных» (PDF). Письма о Земле и планетологии (Elsevier) 195 (1-2): 91–98. Bibcode: 2002E и PSL.195 … 91A. DOI: 10.1016 / S0012-821X (01) 00568-4.
5. ↑ Physics World. (2011). Радиоактивный распад составляет половину тепла Земли. [Онлайн] Доступно: http://physicsworld.com/cws/article/news/2011/jul/19/radioactive-decay-accounts-for-half-of-earths-heat
6. ↑ Wikimedia Commons [Online], Доступно: https: // commons.wikimedia.org/wiki/File:Temperature_schematic_of_inner_Earth.jpg#/media/File:Temperature_schematic_of_inner_Earth.jpg
7. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Heat_flow_of_the_inner_earth.jpg#/media/File:Heat_flow_of_the_inner_earth.jpg

Изменение температуры грунта по глубине пласта в ледяной тундре [v1]

Препринт Статья Версия 1 Сохранилось в Portico. Эта версия не рецензировалась.

Версия 1 : Получено: 6 февраля 2020 г. / Утверждено: 7 февраля 2020 г. / Онлайн: 7 февраля 2020 г. (11:31:37 CET)

Также существует рецензируемая статья этого препринта.

Liu, Z .; Ю., Т .; Ян, Н .; Гу Л. Изменение температуры грунта по глубине пласта в ледяной тундре в районе гор Хинган, северо-восток Китая. Науки о Земле 2020 , 10 , 104. Liu, Z .; Ю., Т .; Ян, Н .; Гу Л. Изменение температуры грунта по глубине пласта в ледяной тундре в районе гор Хинган, северо-восток Китая. Науки о Земле 2020, 10, 104. Копировать

Ссылка на журнал: Geosciences 2020, 10, 104
DOI: 10.3390 / geosciences10030104

Цитируйте как:

Лю, З.; Ю., Т .; Ян, Н .; Гу Л. Изменение температуры грунта по глубине пласта в ледяной тундре в районе гор Хинган, северо-восток Китая. Науки о Земле 2020 , 10 , 104. Liu, Z .; Ю., Т .; Ян, Н .; Гу Л. Изменение температуры грунта по глубине пласта в ледяной тундре в районе гор Хинган, северо-восток Китая. Науки о Земле 2020, 10, 104. Копировать

ОТМЕНИТЬ КОПИРОВАТЬ ДЕТАЛИ ЦИТАТЫ

Абстрактный

Свайный фундамент в районе вечной мерзлоты находится в отрицательной температурной среде, поэтому на бетон влияет отрицательная температура окружающей почвы.Это не только влияет на формирование прочности бетона, но и в серьезных случаях приводит к несчастным случаям с инженерным качеством. изменения температуры по глубине в Большом Хингане. Результаты расчета кривой согласуются с результатами измерения температуры грунта. Результаты показывают, что тренд изменения температуры грунта по глубине пласта на разных участках мониторинга в основном одинаков.С июня по ноябрь температура грунта на разных глубинах имеет тенденцию быть постоянной. С декабря по май температура грунта на любой глубине в диапазоне глубин от 0 до 5,5 м подчиняется закону функции косинуса. Ниже 5,5 м — земля. температура больше не меняется с глубиной. Результаты исследований могут быть использованы как справочные при строительстве свайного фундамента в условиях отрицательной температуры окружающей среды.

Ключевые слова

вечная мерзлота; температура; нелинейная подгонка; модель прогноза

Предмет

НАУКИ О ЗЕМЛЕ, Прочее

Это статья в открытом доступе, распространяемая по лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Комментарии (0)

Мы приветствуем комментарии и отзывы широкого круга читателей. См. Критерии для комментариев и наше заявление о разнообразии.

что это?

Добавьте запись об этом обзоре в Publons, чтобы отслеживать и демонстрировать свой опыт рецензирования в мировых журналах.

×

Все, что вы когда-либо хотели знать о температуре почвы

Кен Симпсон, Морристаун, Индиана., в начале мая прислал мне электронные письма, в которых подробно описывалось, как однажды утром температура почвы упала до 38 градусов по Фаренгейту, а к середине утра все еще была ниже 40 градусов. Другие отметили, что послеобеденные чтения опустились до середины 50 и выше.

«Хорошо, Кен, насколько глубоко вы проверяете температуру почвы?» — спросил я, думая, что эти минимумы были частью ужасно больших колебаний.

«Около 2 дюймов. Почему?» он ответил.

«Я думаю, метеостанции проверяют это на глубине 4 дюймов под дерном», — объяснил я.

«Черт, Том, я не сажаю кукурузу на 4 дюйма глубиной под дерном.- В этом нет никакого смысла, — ответил он.

Ну, он меня там.

Так что же можно сказать о температуре почвы? Мы попросили Кена Шеринга, младшего государственного климатолога Индианы, и Боба Нильсена, специалиста по кукурузе из Университета Пердью, объяснить, как это измеряется и как влияет на рост кукурузы.

Каким стандартным способом метеостанции измеряют температуру почвы?

Scheeringa: Стандарт — 4 дюйма под дерном.Некоторые агротехнические центры Purdue добавили другие глубины, в том числе 1 дюйм, 2 дюйма, 8 дюймов, 20 и 40 дюймов, под голой почвой.

Почему метеостанции используют 4 дюйма под дерном, если фермеры не сажают так глубоко?

Scheeringa: Не знаю. Однако с 60-х годов существует традиция, что стандартная температура почвы на глубине составляет 4 дюйма. Последовательные измерения так важны для погодных условий. Часто такие вещи, как глубина 4 дюйма, будут продолжаться годами только потому, что тогда мы сможем сравнить данные десятилетней давности, чтобы увидеть, происходит ли изменение климата.Если вы измените слишком много правил, вы больше не сможете понять, почему что-то происходит.

Можно ли получить колебания температуры почвы весной примерно на 15 градусов между полуднем и утром?

Nielsen: Моя первая реакция заключалась в том, что это будет больше похоже на 8-10 градусов. Я часто видел это, просматривая данные из агроцентров Purdue. Это на 4 дюйма под голой почвой. На самом деле, показания на глубине 4 дюйма и 2 дюйма под голой почвой обычно не так уж сильно отличаются.

Так Кен дергал меня за ногу, говоря о том, что температура в начале мая упала до такой степени?

Nielsen: На самом деле, наверное, нет! Мы работали с ним в качестве кооператора на судебных процессах в течение нескольких лет, и он очень наблюдательный.

Фактически, я проверял данные Северо-восточного центра сельского хозяйства Purdue за начало мая и обнаружил более широкие колебания, чем я ожидал. 6 мая после полудня на высоте 4 дюймов под голой почвой было 59 градусов тепла. Рано утром следующего дня было 42 градуса.Это поворот на 17 градусов. Затем в воскресенье днем ​​она снова упала до 59 градусов, но в понедельник утром была 41. Это колебание на 18 градусов. Обратите внимание на низкие утренние температуры. Я бы сказал, что Кен был прав.

Итак, насколько быстро может измениться температура почвы?

Scheeringa: Скорость изменения температуры почвы в основном зависит от глубины почвы. На глубине менее 4 дюймов температура почвы может меняться так же быстро, как и температура воздуха, потому что между этой глубиной и поверхностью почвы нет большого слоя почвы.

Колебания суточных циклов нагревания и охлаждения почвы тем меньше, чем дальше вы спускаетесь по профилю почвы. К тому времени, как вы достигнете 40 дюймов, вы действительно вообще не сможете увидеть какой-либо дневной цикл. На такой глубине почвы в Индиане температура может колебаться примерно на 25 градусов в зависимости от сезона от зимы к лету, но вряд ли вообще в течение дня.

.