§ 40. Тепло в атмосфере (1)

Физическая величина, характеризующая степень нагретости атмосферного воздуха и являющаяся одной из главных характеристик погоды и климата.

• 1. Принцип нагрева атмосферы — чистый воздух практически прозрачен для прямых солнечных лучей и почти не нагревается ими напрямую; солнечная радиация нагревает твердую и жидкую поверхность Земли, и уже от нагретой поверхности тепло путем излучения и конвекции передается воздуху.
• 2. Закономерность падения с высотой — поскольку источником тепла для тропосферы служит поверхность планеты, с удалением от нее воздух становится холоднее: температура воздуха, содержащего водяные пары, в тропосфере с высотой понижается примерно на 6 °C на каждый километр высоты.
• 3. Различие суши и воды — поверхность суши разогревается и остывает значительно быстрее, чем водная поверхность океанов и морей.
• 4. Роль влаги и облачности — влажный и облачный воздух задерживает тепло, излучаемое поверхностью Земли (парниковый эффект), поэтому в пасмурные дни воздух остывает медленно, а в ясные сухие ночи происходит быстрое радиационное выхолаживание.

Метеорологический прибор, предназначенный для количественного определения температуры воздуха в градусах Цельсия (°C).

• 1. Правила установки на метеостанции — для получения объективных данных о температуре свободного воздуха термометр помещают в специальную метеорологическую будку на высоте 2 м от поверхности земли строго в тень.
• 2. Устройство метеорологической будки — стенки будки выполнены из жалюзийных планок, которые обеспечивают свободное продувание прибора воздухом, но надежно экранируют термометр от прямых солнечных лучей, осадков и излучения окружающих предметов.
• 3. Срочные метеонаблюдения — замеры температуры на метеостанциях производятся синхронно через строго фиксированные промежутки времени (через каждые 3 часа), что позволяет детально отслеживать суточный ход температуры.

Обобщенный метеорологический показатель, представляющий собой среднее арифметическое значение температуры воздуха за сутки, вычисленное по результатам серии срочных измерений.

• 1. Методика расчета — суммируют показатели температуры, полученные за все сроки измерений в течение суток (например, 8 замеров с интервалом в 3 часа); положительные и отрицательные значения складывают раздельно с сохранением знаков, после чего общую алгебраическую сумму делят на число измерений (на 8).
• 2. Иерархия средних величин — на основе средних суточных температур рассчитывается средняя месячная температура (делением суммы среднесуточных температур на число дней в месяце), а затем средняя годовая температура (делением суммы 12 среднемесячных показателей на 12 месяцев).
• 3. Климатическое значение — позволяет сгладить кратковременные нерегулярные колебания погоды и выявить истинные климатические характеристики территории.

Разность между наибольшим (максимальным) и наименьшим (минимальным) значениями температуры воздуха за определенный промежуток времени.

• 1. Суточная амплитуда температуры — разность между самой высокой и самой низкой температурой воздуха в течение одних суток; над морями и влажными экваториальными лесами она составляет всего 1—2 °C, а в континентальных засушливых степях и пустынях достигает 20—25 °C и выше.
• 2. Годовая амплитуда температуры — разность между максимальной и минимальной среднемесячной температурой воздуха за год; служит ключевым показателем степени континентальности климата (в океаническом климате она мала, а во внутриконтинентальных котловинах Сибири, например в Верхоянске, превышает 60 °C).
• 3. Мировые рекорды температур — абсолютный максимум температуры на Земле зарегистрирован в Африке в районе г. Триполи (Ливия) и составил +58 °C; абсолютный минимум отмечен на российской полярной станции «Восток» в Антарктиде (–89 °C), а полюсом холода Северного полушария является северо-восток Сибири (район Верхоянска и Оймякона — около –71 °C).

Воздух у поверхности Земли теплее, чем на высоте, по следующим природным причинам:

• Механизм нагрева атмосферы: солнечные лучи свободно проходят сквозь прозрачный воздух атмосферы и почти не нагревают его напрямую. Они поглощаются поверхностью Земли (сушей и водоёмами), нагревая её;
• Нагревание снизу вверх: нагретая земная поверхность сама становится источником тепла и нагревает прилегающие нижние слои воздуха;
• Удаление от источника тепла: с подъёмом на высоту расстояние от тёплой поверхности Земли увеличивается, поэтому в тропосфере с высотой температура воздуха закономерно падает примерно на 6 °C на каждый километр;
• Разреженность воздуха: с высотой воздух становится менее плотным, в нём убывает количество водяного пара и углекислого газа, которые удерживают тепло, в результате чего тепловое излучение беспрепятственно уходит в космос.

О температуре воздуха известны следующие фундаментальные закономерности:

• Важнейшая характеристика погоды: температура определяет климат, состояние природы, самочувствие людей и условия ведения сельского хозяйства и промышленности;
• Периодические изменения: температура закономерно меняется в течение суток (суточный ход) и по сезонам года (годовой ход), что обусловлено вращением Земли вокруг своей оси и обращением вокруг Солнца;
• Свойства подстилающей поверхности: суша нагревается и остывает значительно быстрее водной поверхности; облака и влажный воздух удерживают тепло, а сухое ясное небо ведёт к быстрому остыванию;
• Правила измерений: температуру определяют термометром в тени метеорологической будки на высоте 2 м, измеряя её каждые 3 часа и рассчитывая средние суточные, месячные и годовые значения, а также амплитуды температур;
• Планетарные рекорды: максимальная температура воздуха отмечена в Ливии (+58 °C), а минимальная — в Антарктиде на станции «Восток» (–89 °C) и в Сибири (Верхоянск, около –71 °C).

Воздух атмосферы нагревается от поверхности Земли, а не прямо от солнечных лучей:

• Солнечные лучи, проходя сквозь толщу прозрачной атмосферы, почти не передают ей энергию и достигают земной поверхности;
• Поверхность Земли (почва, скалы, растительность, вода) поглощает солнечные лучи и интенсивно разогревается;
• От нагретой поверхности планеты тепло передаётся приземным слоям атмосферы за счёт теплопроводности и конвекции (восходящих потоков тёплого воздуха);
• Водяной пар, углекислый газ и облака поглощают и задерживают невидимое тепловое (инфракрасное) излучение Земли, удерживая его в нижних слоях атмосферы.

В тропосфере температура воздуха закономерно понижается с высотой:

• Градиент понижения: температура воздуха, содержащего водяные пары, снижается в среднем примерно на 6 °C на каждый километр (1000 м) высоты;
• Причина охлаждения: удаление от главного нагревателя — тёплой земной поверхности, а также разреженность воздуха, неспособного накапливать и удерживать тепло;
• Проявление в природе: именно поэтому в высокогорьях даже в жарких странах всегда прохладно, а вершины высоких гор круглый год покрыты шапками вечных снегов и ледников.

Чтобы узнать суточную амплитуду температуры воздуха, необходимо из самого высокого (максимального) значения температуры, зафиксированного за сутки, вычесть самое низкое (минимальное) значение за те же сутки.

• Формула: Асут = Тmax – Тmin;
• Пример: если в полдень максимальная температура составила +17 °C, а перед рассветом минимальная была +8 °C, то суточная амплитуда равна: +17 – (+8) = 9 °C;
• При переходе через ноль: если максимальная дневная температура составила +6 °C, а минимальная ночная была –4 °C, то амплитуда равна: +6 – (–4) = 6 + 4 = 10 °C.

Правильный ответ: 2) Верно только Б.

Обоснование:

• Утверждение А ошибочно: воздух в тропосфере нагревается не сверху Солнцем, а снизу — тёплой поверхностью Земли, поэтому с подъёмом вверх температура не возрастает, а падает;
• Утверждение Б абсолютно верно: в тропосфере температура воздуха закономерно понижается с высотой в среднем примерно на 6 °C на каждый километр подъёма;
• Следовательно, из четырёх вариантов правильным является вариант 2 («Верно только Б»).

Правильный ответ: б) термометра.

Назначение метеорологических приборов:

• б) Термометр — прибор, непосредственно предназначенный для измерения температуры воздуха (в градусах Цельсия, °C). На метеостанциях устанавливается в метеорологической будке жалюзийного типа в тени на высоте 2 метра;
• а) Барометр — прибор для измерения атмосферного давления;
• в) Флюгер — прибор для определения направления и скорости ветра.