Нагрівання та охолодження водних басейнів

Для водних басейнів земної кулі, які займають біля 71% поверхні Землі, як і для ґрунту, основним джерелом нагрівання є сонячна радіація. Відбиваюча здатність водяної поверхні тим більша, чим менша висота Сонця, але в середньому близька до відбиваючої здатності ґрунту. Випромінювання водної поверхні складає приблизно 95% випромінювання абсолютно чорного тіла, приближаючись по величині до випромінювання ґрунту. Таким чином, кількість енергії, яку водна поверхня отримує від Сонця та втрачає за рахунок випромінювання, приблизно така ж як і для ґрунту.

Однак тепловий режим водних басейнів відрізняється від теплового режиму ґрунту тим, що вода пов’язана з фізичними особливостями:

1. Вода має об'ємну теплоємність у 2-3 рази більшу, ніж різні види ґрунту. Тому на її нагрівання й охолодження потрібно більше тепла та температура її змінюється повільніше.

2. У водних басейнах має місце проникнення прямої сонячної радіації до значних глибин. Довгохвильова (теплова частина радіації) поглинається найвищим шаром води.

3. Рухливість – основна особливість води, що різко відрізняє її від ґрунту.

Передача тепла на глибину води шляхом молекулярної теплопровідності (як і в ґрунті) відбувається дуже повільно внаслідок її малої теплопровідності. Тепловою конвекцією тепло на глибину води не передається, так як верхні шари води, нагріваючись, стають менш щільними та не можуть змішуватися з нижніми, більш холодними шарами. Головну роль у передачі тепла на глибину води відіграють турбулентні рухи (динамічна конвекція).

При русі води (і повітря) тільки при дуже малих швидкостях всі частинки в загальному потоці рухаються паралельно один одному; такий рух називається ламінарним.

У природних умовах течія води (і повітря) завжди має турбулентний характер, як тільки швидкість її перевищує деяку зовсім малу критичну швидкість. При цьому в середині потоку води виникають малі вихрі, які переміщаються у різноманітних напрямках. Ці безладні рухи (турбулентність) і здійснюють переміщення тепла з поверхні до більш глибоких шарів води шляхом їх перемішування.

Внаслідок динамічної конвекції (турбулентності), передача тепла на глибину води здійснюється в 1000 – 10 000 раз швидше, ніж шляхом теплопровідності.

Деякі значення в передачі тепла більш глибоким шарам має також випаровування солоної води з поверхні морів і океанів. При сильному випаровуванні солона морська вода стає більш щільною й опускається вниз, передаючи тепло більш глибоким шарам.

Охолодження води в нічний час і зимою відбувається швидше.

Верхні шари внаслідок випромінювання охолоджуються та стають щільнішими: завдяки цьому вони опускаються вниз, а їх місце займає відносно тепла вода, що піднімається із більш глибоких шарів. Виникає теплова конвекція, викликаючи перемішування води у вертикальному напрямку. Вертикальне перемішування води при осінньому охолоджені відбувається до того часу, поки температура її у всіх шарах не досягне 40. Після цього перемішування припиняється та верхні шари води починають інтенсивно охолоджуватися, впритул до замерзання, тобто до 00. Для морської води, що містить сіль, температури найбільшої щільності та замерзання будуть інакшими. А саме: температура замерзання солоної води буде нижче 00, і чим більша солоність, тим нижча ця температура. В середньому морська вода замерзає при температурі біля -1,0; -2,00.