Dalam bagian ini akan menyelidiki tentang pertukaran energi di seluruh atmosfer  bawah  dan permukaan air bebas  dan  tanah   padat.  Singkatnya, bagian ini  berkonsentrasi pada  pertukaran  dan kekuatan panas yang ada di biosfer, atau  lapisan  kehidupan.  Suhu  udara,  tanah,  atau  permukaan air laut, danau dan sungai yang di ukur  dari  tingkat  energi  panasnya. Organisme  membutuhkan  rentang  suhu yang cocok  untuk pertumbuhan dan kelangsungan hidup.  Akibatnya  kisaran  suhu permukaan  dari  ekuator  ke  kutub,  dan  di dalam siklus sehari-haridan musim menjadi perhatian penting bagi  ilmuwan  lingkungan,

A. Mekanisme Arus  Panas

         Penyerapan  radiasi  elektromagnetik oleh  gas,  cair,  padat  cenderung  menyebabkan  kenaikan suhu zat, sedangkan  radiasi  gelombang  panjang luar cenderung menyebabkan suhu turun pada saat panas yang masuk akan hilang.  Suhu dapat juga berpindahan dengan  konduksi  melalui materi.  Melakukan  perjalanan  dari  daerah  yang bersuhu lebih tinggi ke daerah suhu yang lebih rendah.  Dalam  kasus  gradient suhu atau aksis gradien termal, dan rata-rata laju aliran panas  sebagai  gradien meningkat.

            Ada perbedaan  dalam  arti kata-kata suhu  dan panas.   Panas  adalah ukuran  kuantitas Energi  total suatu  materi.   Di  sisi  lain, suhu  adalah  ukuran tingkat  intensitas energi internal  misalnya  bak penuh  air dingin memiliki  kuantitas jauh lebih besar dari suhu  dari  secangkir air mendidih, namun tingkat intensitas gerak molekul jauh lebih tinggi dalam air mendidih  dari pada  air  dingin.

               Laju  aliran  panas  oleh  konduksi  tergantung  juga  pada  banyaknya intrinsik  dari  zat  melakukan, konduktivitas,  yang  hanya  relatif mudah  mengalirkan  panas.  Udara,  yang  sebagai gas, memiliki konduktivitas yang sangat  rendah,  berbeda  dengan  konduktivitas yang tinggi padatan air dan mineral.  Dibandingkan  dengan  logam tembaga murni  dan  perak,  konduktivitas  termal  dari  beberapa substansi  yang umum adalah sebagai berikut:

Tembaga, siver                      1,00 [1]
Ice                                           0,005 – 0,007
Kebanyakan batuan               0,007
Air                                         0,0014
Kering pasir                           0,001
Salju, kompak                       0,0005
Udara                                     0,00006

Konduktivitas sangat mempengaruhi tingkat penyerapan,  panas yang dilalui di bawah  cairan,  batuan  dan  air  berada di permukaan  atau  di atas  permukaan tersebut akan di bawa ke atas di udara .

 Panas juga diangkut oleh gerakan udara atau air, yang telah diperoleh melalui  penyerapan  radiasi,  atau  dengan konduksi.  Baik udara  dan air  adalah  cairan,  yang  dengan mudah mengembangkan  turbulensi, dan gerak tambahan dalam fluida. Gerakan ini juga disebut  sebagai  konveksi. Turbulensi sangat membantu  dalam pelaksanaan  panas melalui  lapisan  fluida berturut-turut,  proses yang disebut pertukaran turbulensi  (konveksi) yang  disebut  sebagai  fluks  panas  sensibel.

      Kuat panas sensibel di udara, air, tanah atau batuan lain tergantung pada  properti intrinsik  dari zat  menahan  panas. Properti ini  adalah  panas spesifik,  ditetapkan  dari jumlah  unit panas  (kalori)  yang dibutuhkan untuk menaikkan  suhu satu satuan massa (1 gram)  dari zat menyerap dengan satu unit suhu (1 derajat Celcius).  Untuk  beberapa  substansi  umum,  panas spesifik adalah  sebagai berikut:

                                                                            Cal/g/C0

Air (150C)                                                         1,00
Ice (-2 0C)                                                          0,5
Air (100 0C,  tekanan  1

Atmosfer di permukaan   laut)                            0,24

Granit dan basalt                                                0,2

tanah liat (kering)                                               0,2

dari tabel ini kita melihat bahwa jauh lebih besar panas yang harus ditambahkan  ke unit massa  air untuk  menaikkan suhu dengan besar tertentu dari pada  ditambahkan ke unit massa udara,  batu, atau  padat kering. Secara praktis,  ini berarti bahwa di mana  permukaan air dan permukaan  batuan  keduanya  menyerap  radiasi  matahari pada tingkat yang sama,  batu akan melakukan  peningkatan temperatur yang jauh lebih cepat dari pada air dalam periode waktu yang sama. Namun, setelah diberi lapisan kedua zat telah dipanaskan suhu yang sama,air akan mengadakan penyimpanan  sejumlah  besar energi panas  sensibel dari pada batu.

           Prinsip  transportasi panas dan penyimpanan panas ini dibutuhkan jika kita  ingin  memahami  lingkungan  termal biosfer. Prinsip yang sama  akan  membantu  kita  untuk  memprediksi perubahan dalam lingkungan termal manusia, karena  ia mengubah hutan dan  lahan yang dibudidayakan ke dalam lingkungan  perkotaan  dinding  pasangan  bata  perkerasan  aspal.

[1] Satuan yang digunakan adalah satuan kalori per sekon yang ditransmisikan melalui sebuah lempengan yang tebalnya 1 cn.

B. Pertukaran panas  selama  perubahan  keadaan  air suatu  bentuk  yang jelas

         Sebuah perbedaan transportasi  panas  terjadi  ketika penguapan  air dilakukan  di udara. Energi panas  ini disebut sebagai panas laten,  diserap oleh  udara ketika  uap air diambil dalam proses penguapan. Kalor laten diberikan  oleh  udara  dalam proses kebalikan dari kondensasi.

Untuk memahami peran panas laten, kita harus kembali ke beberapa prinsip sederhana fisika. Ketika air mengalami perubahan keadaan ada pertukaran panas dalam diagram skema dan menceritakan pertukaran panas yang menyertainya.

Pertimbangan penguapan pertama. Selama penguapan dari permukaan cairan bebas, molekul air lebih cepat terbang dari permukaan cair, membawanya dengan energi kinetik gerak. Akibatnya, cairan yang tersisa telah kehilangan energi dan didinginkan. Energi yang hilang ini sekarang disimpan dalam gas di atas dalam bentuk energi kinetik internal, disebut sebagai energi laten, atau panas laten. Dari setiap gram air yang diuapkan sekitar 600 kalori masuk ke dalam bentuk laten dan diadakan oleh uap air. Ketika kondensasi terjadi, molekul gas dari uap air yang ada dari diam pada permukaan kondensasi dan energi kinetik gerak mereka berubah kembali menjadi panas sensibel. Dengan demikian larutan 1 gram uap air diminyaki sekitar 600 kalori panas sensible.

Mencairnya es untuk membentuk air cair, seperti penguapan, menyerap panas sensibel, yang kemudian dilakukan di air itu sendiri. Panas ini, dikenal sebagai panas laten fusi. Berjumlah sekitar 80 kalori per gram air meleleh. Setelah pembekuan, air membebaskan jumlah yang sama panas.

Seperti Gambar 3.1 menunjukkan, perubahan ketiga transformasi langsung uap air dalam proses es disebut sublimasi. Kita sudah akrab dengan proses ini melalui pembentukan es di kumparan kulkas, dan dalam pembentukan embun beku di kaca depan mobil. Sublimasi melepaskan sejumlah panas yang kurang lebih sama dengan jumlah dari panas laten yang dilepaskan oleh kondensasi dan panas yang diproduksi oleh air beku. Es juga dapat menguap langsung untuk menghasilkan uap air. Proses ini juga merupakan salah satu sublimasi, tetapi biasanya disebut sederhana sebagai penguapan.

Pembebasan dan penyerapan panas selama perubahan keadaan air sangat penting dalam lingkungan termal biosfer. Bentuk-bentuk pertukaran panas merupakan bagian penting dari keseimbangan panas yang berlaku untuk lapisan tanah dan air dari atmosfer.

Hilangnya energi panas oleh penguapan dari permukaan air terbuka, tanah lembab muncul, dan dari daun tanaman ini dikenal sebagai fluks panas laten. Tanaman yang tumbih memberikan air ke udara dalam proses yang dikenal sebagai transpirasi, yang sebagai bentuk penguapan berlangsung dari khusus pori-pori di permukaan daun. Gabungan kehilangan air dari tanah dan permukaan celana oleh penguapan langsung dan oleh transpirasi dikenal sebagai evapotranspirasi. Istilah ini agak besar akan sangat berharga dalam analisis neraca air.

C. Persamaan Keseimbangan Panas

Pembuatannya menggunakan prinsip-prinsip transportasi panas dan pertukaran, marilah kita meletakkan berbagai istilah yang menggambarkan keseimbangan panas yang berlaku untuk kolom tanah atau air. Kolom ini memiliki penampang satuan luas, misalnya 1 cm2 atau 1 ft2 batas atas adalah permukaan minyak atau air di kontak dengan atmosfir. Kedalaman kolom terbatas, namun cukup untuk mencapai wilayah dimana pertukaran panas yang mendekati nol. Apa yang kita mencari persamaan sederhana yang akan tinggi kita jumlah yang isi panas perubahan unit kolom per unit waktu; membiarkan istilah ini ditunjuk oleh unit G. akan kalori per menit. Persamaan Ini adalah

G = R – H –LE  – F

Dimana R adalah bersih semua radiasi gelombang di permukaan atas (lihat Bab 2)

H adalah fluks panas sensibel keatas melalui permukaan ke atmosfer (misalnya, fluks panas sensibel)

LE adalah panas laten fluks oleh penguapan air dari permukaan atas (L adalah kalor laten penguapan, sekitar 600 kal / gm; E adalah jumlah penguapan air, gm / menit)

Akhir F adalah horisontal fluks panas ke atau dari kolom secara konduksi (untuk tanah atau batu) atau dalam pengangkutan oleh gerakan air (danau atau laut) Sejak radiasi bersih, R, merupakan sumber energi dasar untuk seluruh sistem, yang terbaik adalah untuk mengatur ulang persyaratan persamaan demikian:

 

R = H + LE + G + F

 

Gambar 3.2 akan membantu Anda untuk memvisualisasikan empat istilah di sisi kanan dari persamaan. Setiap istilah-istilah ini memiliki nilai positif ketika panas memasuki kolom, nilai negatif ketika meninggalkan. Aliran panas horisontal, F, akan praktis nol untuk tanah atau batuan, karena tidak ada gerakan dari dalam padatan dan kolom berdekatan diduga mengalami tingkat yang sama keuntungan atau kerugian panas. Namun untuk kolom masalah, arus bergerak horizontal di badan air dapat mengimpor atau mengekspor panas dalam jumlah besar. Persamaan keseimbangan panas berlaku untuk setiap rentang waktu tertentu, seperti, hari kedua menit,, jam, atau tahun.

D. Siklus Harian Dan Keseimbangan Panas Tahunan

Untuk memahami lingkungan termal biosfer kita harus mempertimbangkan baik siklus harian dan tahunan dari keseimbangan panas pada permukaan tubuh tanah dan air. Kami akan memeriksa siklus harian dan tahunan khas untuk lokasi di darat. Di sini istilah transportasi horisontal, F, penurunan keluar dari persamaan, hanya menyisakan

R = H + LE + G

Pertimbangkan pertama siklus harian, menunjukkan pada Gambar 3.3. data ditampilkan untuk dua stasiun, di dalam iklim yang lembab, urutan dalam iklim gurun. Tingkat menunjukkan skala vertikal arus panas laju aliran panas di langleys per menit. (kolom unit memiliki penampang dalam cm2). Skala horisontal diberi waktu melalui hari 24-jam. Pembacaan dari masing-masing komponen dalam persamaan  diambil pada interval jam. Sebuah kurva mulus telah ditarik dapat terhubung titik per jam. Akibatnya, ada empat kurva, masing-masing mewakili istilah dalam persamaan. Sekarang, karena persamaan keseimbangan panas harus dipenuhi setiap saat, jumlah H, LE, dan G harus selalu sama dengan R. Anda dapat memeriksa ini dengan menggunakan sepasang pembagi pada grafik pada Gambar 3.3. misalnya, pada baris siang, mengukur kuantitas masing-masing secara terpisah ke atas dari garis nol horizontal, menambahkan panjang diperoleh R.

Lihat selanjutnya di grafik untuk El Mirage, California, stasiun gurun. Data adalah untuk hari musim panas yang sangat panas (bagian bawah Gambar 33). Semua kurva radiasi gelombang bersih, R, sangat mirip dengan yang untuk stasiun Wisconsin, tapi kurva lain sangat berbeda. Fluks panas sensibel, H, meningkat pesat selama jam pagi dan puncak dengan nilai yang sangat tinggi di siang hari. Efek ini disebabkan oleh pemanasan kuat dari tanah, telanjang kering. Sebaliknya, fluks kalor laten, LE, hampir menimbulkan ke tingkat yang terukur pada siang hari, karena tanah adalah tulang-kering dan tidak ada vegetasi. Keuntungan cepat panas dengan tanah, diwakili oleh kenaikan tajam dalam kurva untuk G selama jam pagi hari, adalah penyebab atau peningkatan drastis fluks panas sensibel. Dengan hampir tidak ada penguapan, pemanasan tanah sangat ketat. Namun, sebelum siang, laju aliran panas ke dalam tanah mulai jatuh dan akan dibatalkan oleh sore pertengahan. Nilai negatif dari G selama jam menunjukkan kegelapan bahwa permukaan tanah menyerah panas ke udara di atasnya.

Sekarang pengamatan yang menarik bahwa urbanisasi intens dari sebuah daerah di iklim yang lembab, seperti yang dari Wisconsin, akan menyebabkan perubahan dalam siklus keseimbangan panas setiap hari di arah kondisi gurun yang ditunjukkan oleh stasiun California. Vegetasi akan digantikan oleh trotoar, atap, dan dinding tembok. Dalam cuaca kering dengan evaporasi dan transpirasi sebagian besar cut off, fluks panas laten jatuh ke nilai yang rendah, sedangkan fluks panas sensibel naik ke nilai yang tinggi. Kita akan katakan saya lebih lanjut tentang efek urbanisasi di Bab 6.

Beralih di samping siklus tahunan dari persamaan keseimbangan panas, melihat dua grafik pada Gambar 3.4. Sekali lagi, kita membandingkan lingkungan yang lembab (Wisconsin) dengan lingkungan gurun (Arizona). Unit aliran energi di langleys per hari. Setiap titik pada kurva adalah nilai rata-rata satu bulan kalender

Pertama mempertimbangkan siklus tahunan untuk Madison, Wisconsin. Semua nilai dari istilah keseimbangan panas.

negatif selama bulan-bulan musim dingin. Pada awal musim semi bersih semua gelombang radiasi meningkat dengan cepat, dan dengan itu fluks panas sensibel, H_ Namun, fluks kalor laten, LE, tertunda dalam meningkat sampai kembali daun dan transpirasi mengalami peningkatan yang cepat. Offset Kenaikan ini fluks panas sensibel dan menyebabkannya agak penurunan. Keuntungan dalam panas oleh tanah, G, sangat kecil sebagai akibat dari tingkat berat tansportasi penguapan.

Perhatikan bagaimana sangat berbeda adalah siklus panas Ance ¬ bal untuk Yuma, Arizona. Di sini radiasi gelombang bersih semua ¬ positif sepanjang sepanjang tahun, tetapi dengan siklus tahunan yang kuat. Fluks Panas sensibel, H naik dan turun dalam kurva dekat dengan fluks panas Laten R., LE sangat kecil di setiap waktu, karena ada sangat sedikit kelembaban tanah dan vegetasi yang sangat jarang. Perubahan panas tanah yang tersimpan, G, kecil, kurva menunjukkan siklus tahunan lemah.

Mari kita sekarang menerapkan informasi tentang siklus harian dan tahunan dari persamaan keseimbangan panas untuk pemanasan dan pendinginan tanah, dan kemudian ke permukaan air.

E. Pemanasan dan Pendinginan Tanah

Suhu Tanah memainkan peran utama dalam irama musiman fisiologi tanaman dan aktivitas biologi umumnya dalam tanah. Kita bisa belajar banyak dengan menempatkan serangkaian termometer di dalam tanah, jarak mereka pada serangkaian kedalaman, masing-masing sekitar dua kali sedalam satu di atasnya. Gambar 3.5 menunjukkan data temperatur untuk sebuah lokalitas di Uni Soviet utara kedalaman Pengamatan berjalan pada kemajuan demikian: 1, 2, 5, 10, 20, 40, 80, dan 160 cm. Kurva temperatur adalah rata-rata selama satu bulan, bulan menjadi Mei dan Januari. Melihat pertama di grafik Mei, kita melihat langsung bahwa kisaran suhu harian paling besar sekitar 18 ° C (32 ° F)-pada kedalaman dangkal, dan bahwa kisaran ini jatuh cepat dengan meningkatnya kedalaman. Selanjutnya, saat suhu maksimum hari ini maju dengan bertambahnya kedalaman. Kita bisa membayangkan gelombang pemanasan maju ke dalam tanah setiap hari. Sebagai gelombang ini melewati turun secara konduksi, panas yang hilang dengan penyerapan dan puncak gelombang berkurang tingginya. Ada juga yang waktu lag, sehingga puncak gelombang tidak datang di cm 40-(16-in.) kedalaman sampai setelah tengah malam Pada kedalaman 80 cm (31,5 inci) gelombang telah praktis menghilang, sehingga tidak ada perubahan siklik harian preceptible bawah kedalaman ini.

Melihat kurva untuk Januari (grafik yang lebih rendah dalam Gambar 3.5) kita menemukan sebuah situasi yang sangat berbeda. Dekat ke permukaan hanya ada sedikit pemanasan harian pada periode pertengahan-hari. Pada lintang ini sekitar 60 ° N-matahari sangat rendah di langit di musim dingin dan siang hari jam sedikit. Gelombang lemah pemanasan tidak menembus sangat jauh dan tidak terlihat pada kedalaman 40 cm (16 masuk).

Sekarang, bandingkan suhu Mei dan Januari di Pavlosk untuk kedalaman 160 cm (63 masuk). Anehnya, pada kedalaman tanah ini lebih dingin 1 Mei (dekat 0 ° C, 32 ° F), dibandingkan pada bulan Januari (dekat 4 ° C, 38 ° F). Apa yang kita lihat adalah siklus tahunan pemanasan dan pendinginan yang tertinggal sekitar setengah tahun balik siklus tahunan permukaan pada kedalaman ini.

Untuk melihat lebih jauh ke dalam siklus tahunan pemanasan, dan pendinginan tanah, memeriksa Gambar 3.6, yang ‘menunjukkan suhu pada kedalaman 2_5, 5, 10, dan I-20 ft di sebuah stasiun mengamati di Brookhaven, Long Island, New York (-t1 ° N lintang). Tanah di sini adalah berpasir dan porous. Sekali lagi kita menemukan gelombang tahunan pemanasan untuk penurunan amplitudo dengan `kedalaman, sedangkan puncak suhu akan semakin kemudian dengan kedalaman. Pada kedalaman 20 ft (6-m) waktu terhangat adalah pada bulan November. Ketidakberesan kecil banyak suhu pada kedalaman dangkal mencerminkan efek dari badai hujan, yang dingin tanah,. dan jangka pendek, suhu udara lebih hangat atau dingin yang normal. di semua musim untuk iklim ini.

 

Anda mungkin mengantisipasi bahwa untuk setiap daerah iklim, ada kedalaman di bawah ini yang suhu tanah atau batuan ini tidak berubah tahun sekitar, dan ‘bahwa ini suhu konstan akan mendekati rata-rata suhu udara dekat permukaan tanah. Fakta membuktikan dugaan ini. Sebagai contoh,, suhu udara di Caverns Endless, Virginia, yang konstan pada 56 ° F (13 ° C) sepanjang tahun, hanya sedikit lebih tinggi dari suhu udara rata-rata tahunan sebesar 52 ° F (11 ° C) . Luar biasa. Kehadiran suhu subterannean membuat lingkungan termal yang tidak biasa bagi hewan yang hidup dalam kegelapan total gua kapur.