Wärmebilanz
Die Wärmebilanz der Erdoberfläche Q* setzt sich zusammen aus der Strahlungsbilanz Q, dem Wärmeaustausch mit den tiefer gelegenen Bodenschichten (bzw. Wasserschichten) B, sowie dem Wärmeaustausch mit der Atmosphäre durch Wärmeleitung L und Verdunstung V:
Erdoberfläche
Vereinfachte Bilanzgleichung Im Falle von Niederschlag (Glied N/ horizontaler Transporte - Advektion) von Wärme der Atmosphäre bzw. Ozean noch ein Term A. Bei einer Schnee- oder Eisdecke muß ein weiterer Zusatztern für den Wärmeverbrauch/ Wärmegewinn beim Schmelzen / Gefrieren hinzutreten, im Fall von Vegetation.
Wärmeaustausch (tieferen Schichten)
Ist q die durch eine Fläche der Größe A transportierte Wärmemenge, dann ist (1/A) * (dy/dt) = B der durch die Einheitsfläche gehende Wärmestrom. Der Wärmestrom durch ein Medium ist außerdem (Newton - Prinzip) proportional zum Temperaturgradienten anzusetzten.
Wärmeaustausch (Atmosphäre)
Der Wärmeaustausch zwischen der Erdoberfläche (Wasser oder Land) und der Atmosphäre erfolgt an der unmittelbaren Grenzfläche auf zweierlei Weise:
Wärmeleitung
Verdunstung (Wasser/ Transport latenter Wärme durch den Wasserdampf)
Wärmeleitung
Bei der Wärmeleitung handelt es sich um Energieübertragung ohne jegliche Beteiligung eines Massentransports. Vielmehr wird die Energie durch physikalischen Kontakt, d.h. durch Impulsübertragung, Stöße, an benachbarte Moleküle weitergegeben. Das geschieht bei Festkörpern im Gefolge von Schwingungen um die Ruhelage der Moleküle, bei Flüssigkeiten und Gasen durch Kollisionen im Gefolge der Brownschen Molekularbewegung der freier beweglichen Moleküle.
Als Verdunstung (Evaporation) wird bekanntlich der Übertragung von Wasser aus der flüssigen in die gasförmige Phase verstanden, ohne das dabei Sieden stattfindet, d.h. die Verdunstung geschieht jederzeit, bei beliebiger Temperatur. Die Evaporation beschreibt den rein physikalischen Vorgang, z.B. in einem Pflanzenbestand, wo Pflanzen und der Boden dazwischen gemeinsam beschrieben werden sollen, spricht man von Evapotranspiration. Der Übertragung von der gasförmigen in die flüssige Phase heißt bekanntlich Kondensation. Sublimation heißt der Übergang vom festen in den gasförmingen Aggregatzustand und auch der umgekehrte (für diesen im Englischen) aber: ,,fusion").
Mikrophysikalische Beschreibung (Verdunstung)
Flüssigkeitsmoleküle mit überdurchschnittlicher, nach außen gerichteter Geschwindigkeit und näher an der Oberfläche als die mittlere freie Weglänge der Moleküle haben die Chance, die sie anziehenden Oberflächenkräfte der Flüssigkeit zu überwinden und in den darüberliegenden Gasraum überzuwechseln. Dadurch sinkt der Mittelwert der molekularen kinetischen Energie (Temperatur) in der verbleibenden Flüssigkeit, sie kühlt ab. Die mitgenommene Energie ist die besagte Verdunstungswärme oder Verdampfungswärme.
Makrophysikalische Beschreibung (Verdunstung)
Die Stärke der Verdunstung in einen Dampfraum hinein hängt ab von seinem Sättigungsdefizit
= E(T) - 3 [hPa]. Hierbei ist e der Partialdruck des Wasserdampfes und E(T) = sein Sättigungsdampfdruck, beides in [hPa]. Die Temperaturabhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks beschreibt die Magnus - Formel. Der Dampfdruck e ist gegeben durch: