地球的能量平衡
用热力学(能量)方法研究冻土的形成和发展具有越来越重要的意义。然而，迄今为止，影响冻结层状态的内外部参数和主要热力学函数(内能、焓、熵)尚未得到深入研究。这就是为什么研究冻土发展的热力学条件的研究人员的战略努力是针对确定冻结层的热平衡和水-热平衡。
由于冻土是一种行星现象，其范围和发展取决于地球的一般状态，其变化由行星热(能量)平衡决定。人们应该记住，地面的热平衡取决于流入能量的区域、区域和局部分布，而流入能量又受地质-地理环境的制约。因此，地面能量平衡应从行星、地带性、区域性和局部性四个方面进行研究。
地球表面的热状态是由从外部和内部到达地球表面的热量决定的。根据目前的概念，外部能量对行星的影响是通过以下方式进行的:
1)辐射能(电磁场)被地球拦截的太阳和恒星(1025 J年)
2)微粒，包括中微子逃逸、太阳和恒星的辐射(1018J年“1);
3)陨石坠落地球的能量;
4)月球、太阳和其他天体的引力效应(1020j年1)。
外部能量的流入增加了地球的内部能量。内部能量来源可以任意定义为产生于:
1)核反应(1021 J年- *);
2)引力过程在地球内部(1020 J年- *);
3)地球自转速率变化(1020 J年”*);
4)放热化学反应(1019 J年-1)。从长远来看，地球的内能会由于能量从内部源辐射到外部空间而减少。
能源的功率差别很大。同时，外部能量作用是内源能量的10万倍(大5个数量级)。由此可以得出这样的结论:地球表面发生的许多过程，包括地壳上部温度场的形成，其基本能量来源是太阳辐射能量的流入。地面是一个“热厨房”，地球和周围空间之间的主要热交换过程发生在这里。的温度制度地表形成是影响岩石圈上层温度场动态变化和近地空气温度变化的关键因素。通过计算流入能量和流出能量的平衡比，可以确定动力学。
因此，地球是在太阳短波流中发现的辐射(波长度约0.5 //m)。平行的太阳光束向大气边界传递约1.4kJ m" 2s -1的热量。地球表面只接收到太阳辐射的一部分。剩下的部分被云层反射到太空中，或被大气扩散和吸收。的太阳能到达地球表面的辐射由直接辐射<2dir和在大气中扩散的辐射qdii组成。由于地球是球形的，其表面每单位面积接收到的太阳直接辐射量不同。此外，由于地球的自转和绕太阳的循环，以及自转轴对黄道平面的倾斜，地球单位面积的太阳能流入量具有明显的日变化和年变化，由于地球轨道元素的多年和多个世纪的变化，也具有多个世纪的变化。
地球表面接收的部分辐射(<2dir + qdit)被反射，其余部分被吸收。辐射的反射部分与整个流入辐射的比值用表面的反照率a表示。总平均地球反照率作为一个行星等于0.37-0.40。对于地球的自然表面，a值的变化范围很广，从水面的0.05到新雪的0.95。的短波太阳辐射(Qdir + qdi[) (1 - a)。但这并不是能量平衡中流入部分的全部。大量的热量以长波辐射的形式被表面从加热的大气中接收(红外辐射的最大能量在8-10¿urn波段)，因为任何受热物体表面辐射的能量与表面绝对温度的四次方成正比(I =fij4)。大气辐射的能量被地球表面吸收的部分用/a表示。余额的流入部分应该包括从地球内部到达地表的热量q。然而，这部分的值比其他部分小得多，通常不被考虑在内。
平衡的流入部分为发生在地球表面和地下的大多数过程提供了能量。首先，平衡的流入部分维持了地球表面的温度，这与0 K有很大的不同。因此，地球表面辐射-热平衡的支出项目首先包括地球作为受热体返回外部空间IT的长波辐射能的量。IT和/a之间的区别在气候学上通常被称为地球表面的长波有效辐射(/ef = IT - /a)。利用所讨论的指标，并假设下垫面辐射平衡R为地球表面可吸收短波辐射与向外辐射的长波辐射之差，则方程为以下形式:
至于其他基本的和研究得更好的过程，有表面的蒸发(冷凝)(LE是的产物)蒸发潜热-冷凝和蒸发或凝结水分的量)，表面与周围空气的湍流热交换，p，和热量流动在夏季，这些过程导致地表能量损失，而在冬季，土壤中的热流B是指向地表的，应该属于平衡的流入部分。这对于湍流热交换p通常是有效的。因此，地球表面的热平衡或辐射-热平衡的形式很大程度上取决于特定平衡的时间。
在气气学中，辐射-热平衡方程的形式通常是根据热交换的方式进行分组，而不是根据它们属于平衡的流入或支出项目:一部分包括辐射热交换的成分，另一部分包括与对流和传导有关的成分传热机理：
(Gdir + < Zdif) (l -«)——“ef = R =勒+ p + B (10.2)
其中左边的项，用R表示，是辐射平衡，而右边的项是热平衡。
辐射-热平衡的每一项都是一个积分特性。它们表示在一定时间内(一年、半年、一个月、十天等)到达地表或离开地表的能量量。个别成员和余额的整体形式的可变性在很大程度上是由这个时间间隔决定的。因此，例如，如果计算一年的余额，那么B的值(在周期方面接近稳定的情况下)实际上等于零，可以不计算;而值LE和p则属于余额的支出项目。如果余额以半年为单位计算，则B与余额的其他成员可比较。如果按月计算，辐射-热平衡的所有项都有明显的年度变化，即它们在年度周期中成为时间的函数。这是由于照射到地表的太阳辐射量每年按照类似正弦曲线的规律变化的结果。主要受天文因素影响的辐射-热平衡第一分量的关键作用由此显现出来。余额的收入和支出的其余条款在相互影响和条件方面是相等的。 Each of the balance components has its 'earth' factors (geological, geophysical, geographical), which determine their variability. But with the change of even one component of the balance the remaining ones respond and are modified until a new balance is established.
这种关系的机制是建立在平衡的每个组成部分(可能第一个成员除外)对计算平衡的地球表面温度的依赖之上的。因此，地表温度isurf是地表换热水平的客观指标，即余额的流入或支出值越大，地表温度越高。为了说明，让我们考虑一个例子。让我们假设在地球表面上，在某一温度下，收支部分是平衡的。在某一时刻，表面润湿条件发生变化，E值增大。因此，余额的支出部分也增加了，而流入部分保持不变。这将导致地表温度降低，进而改变辐射-热平衡的许多组成部分。但是最重要的变化，减少，将发生在Ir。因此，消耗将减少，并将建立一个新的平衡，但在较低的热交换水平上-在较低的tsurf值上。
在春季，吸收的辐射量增加，辐射-热平衡方程的进来部分超过它的出去部分。其结果是表面温度升高，平衡的所有成分都随温度而变化。首先，Ir增加，支出趋于等于收入。因此，随着吸收辐射值的正弦(年)变化，也有吸收辐射值的正弦变化地球表面温度．应该注意的是，辐射换热的热力学平衡建立得相当快，但地表温度的快速波动受到下伏地面温度场的高惯性的阻碍。这种温度场的惯性在热b的循环中表现出来。因此，近表面温度的波动相对于温度的变化表现出滞后吸收的太阳辐射．这些变化的值和滞后的值不仅由入射辐射波动的幅度决定，而且还由地下地面的热物理特性决定(2,C, Qph)。
如果不仅在行星和地带性尺度上考虑辐射-热平衡，而且在区域和地方一级考虑，人们应该记住，平衡方程应代表能量守恒定律的一种特殊形式。这些方程可以用于薄的表面层和不同体积的岩石圈、水圈或大气，其中能量(热)可以以不同的方式到达。特别是，热量传递可以通过流动的水发生，这将需要考虑相关的水平衡与热。例如，陆地表面的水平衡方程，给出了在考虑的水平表面或在一定时间内流入一定体积地面的水分和流出水分的相等表达式。对于陆地表面，这个方程可以表示为:
式中r为降水;E是蒸发和凝结的区别在地球表面的水分;/是径流;B为地面含水率变化。在考虑热平衡时，空气或水的横向传热是很重要的的水圈或大气区域．然而，由于测量的准确性不够，在实践中有必要借助于热平衡的估计，而忽略了许多术语，因为这些术语研究得很少。
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