Причины изменений температуры воздуха.

Температура воздуха меняется в суточном ходе вслед за температурой земной поверхности. Поскольку воздух нагревается и охлаждается от земной поверхности, амплитуда суточного хода температуры в метеорологической будке меньше, чем на поверхности почвы, в среднем примерно на одну треть.

Рост температуры воздуха начинается вместе с ростом температуры почвы (минут на 15 позже) утром, после восхода солнца. В 13-14 часов температура почвы, как мы знаем, начинает понижаться. В 14-15 часов она уравнивается с температурой воздуха; с этого времени при дальнейшем падении температуры почвы начинает падать и температура воздуха.

Суточный ход температуры воздуха достаточно правильно проявляется лишь в условиях устойчивой ясной погоды.

Но в отдельные дни суточный ход температуры воздуха может быть очень неправильным. Это зависит от изменений облачности, а также от адвекции.

Суточная амплитуда температуры воздуха меняется еще по сезонам, по широте, а также в зависимости от характера почвы и рельефа местности. Зимой она меньше, чем летом. С увеличением широты суточная амплитуда температуры воздуха убывает, так как убывает полуденная высота солнца над горизонтом. Под широтами 20-30° на суше средняя за год суточная амплитуда температуры около 12°, под широтой 60° около 6°, под широтой 70° только 3°. В самых высоких широтах, где солнце не восходит или не заходит много дней подряд, регулярного суточного хода температуры нет вовсе.

Температура поверхности почвы меняется и в годовом ходе. В тропических широтах ее годовая амплитуда, т. е. разность многолетних средних температур самого теплого и самого холодного месяца года, мала и с широтой растет. В северном полушарии на широте 10° она около 3°, на широте 30° около 10°, на широте 50° в среднем около 25°.

Причины изменений температуры воздуха

Воздух, непосредственно соприкасающийся с земной поверхностью, обменивается с ней теплом вследствие молекулярной теплопроводности. Но внутри атмосферы действует другая, более эффективная передача тепла - путем турбулентной теплопроводности. Перемешивание воздуха в процессе турбулентности способствует очень быстрой передаче тепла из одних слоев атмосферы в другие. Турбулентная теплопроводность увеличивает и передачу тепла от земной поверхности в воздух или обратно. Если, например, происходит охлаждение воздуха от земной поверхности, то путем турбулентности непрерывно доставляется на место охладившегося воздуха более теплый воздух из вышележащих слоев. Это поддерживает разность температур между воздухом и поверхностью и, стало быть, поддерживает процесс передачи тепла от воздуха к поверхности. изменения температуры, связанные с адвекцией - притоком в данное место новых воздушных масс из других частей земного шара, называют адвективными. Если в данное место притекает воздух с более высокой температурой, говорят об адвекции тепла, если с более низкой, - об адвекции холода.

Общее изменение температуры в зафиксированной географической точке, зависящее и от индивидуальных изменений состояния воздуха, и от адвекции, называют локальным (местным) изменением.

Суточный и годовой ход температуры воздуха зависит от при­тока солнечного тепла и характера подстилающей поверхности. В соответствии с суточным ходом интенсивности солнечной радиации максимальная температура воздуха в течение суток между морем или океаном наступает примерно в 12 час 30 мин, а над суше - около 14- 15. Минимальная же температура воздуха наступает незадолго до восхода или в мо­мент восхода Солнца, т. е. в период наибольшего охлаждения земной поверхности. Разность между максимумом и минимумом температуры воздуха за сутки называется суточной амплитудой темпе­ратуры.

Величина суточной амплитуды температуры воздуха далеко не постоянна и зависит от характера подстилающей поверхности, облачности, влажности воздуха, времени года и, наконец, от ши­роты и высоты места.

Наибольшая суточная амплитуда температуры воздуха бы­вает в южных широтах, над песчаной поверхностью, в теплое время года, при отсутствии облачности и при малой влажности воздуха, т. е. в сухих южных степях или в пустынях. В этих ус­ловиях разность между максимумом и минимумом температуры за сутки может достигать 25-30 и даже 40°.

Наличие низкой облачности, тумана, осадков сильно сглажи­вает суточный ход температуры. Амплитуда температуры в этих случаях незначительна.

Суточная амплитуда температуры воздуха над океанами и крупными морями на большом удалении от берегов невелика и составляет всего 2-3°. Иными словами, существенных измене­ний температуры воздуха в открытом море, (океане) в течение суток, как правило, не бывает. Такой сравнительно ровный су­точный ход над морями объясняется тепловыми свойствами во­ды, заключающимися в малом и медленном ее нагревании и ох­лаждении, что таким же образом сказывается и на температуре прилегающего к водной поверхности воздуха.

Что же касается годового хода температуры воздуха, то он зависит от тех же причин, что и суточный ход. На континентах максимум обычно наступает в июле, минимум - в ян­варе, что совпадает с периодами наивысшего и наинизшего солнцестояний. На океанах и побережьях наблюдается запазды­вание крайних температур: максимум наблюдается в августе, минимум-в феврале или в начале марта.

В экваториальной зоне наблюдаются два максимума темпе­ратуры - после весеннего и осеннего равноденствия, когда высо­та Солнца наибольшая, и два минимума после зимнего и летнего солнцестояний, при наименьшей в году высоте Солнца.

Разность между максимальной и минимальной средней ме­сячной температурой в течение года называется годовой ам­плитудой температуры. Ее величина зависит главным обра­зом от характера подстилающей поверхности и широты места.

Наименьшая годовая амплитуда бывает над океанами, осо­бенно между тропиками, где она составляет всего лишь 1-3°; в умеренных широтах она увеличивается до 5- 10°, а в полярных- еще более.

Наибольшая годовая амплитуда наблюдается над сушей, в глубине континентов в умеренных и высоких широтах, где она может достигать 40-50°, а в отдельных местах - даже 65°. На­пример, в Верхоянске (Якутия) средняя температура ию­ля плюс 15°, а января минус 50°. В низких широтах над сушей годовая амплитуда температуры воздуха сравнительно невелика, что объясняется более равномерным притоком солнечного тепла.

Суточным ходом температуры воздуха называется изменение температуры воздуха в течение суток – в общем отражает ход температуры земной поверхности, но моменты наступления максимумов и минимумов несколько запаздывают, максимум наступает в 14 часов, минимум после восхода солнца.

Суточная амплитуда температуры воздуха (разница между максимальной и минимальной температурами воздуха в течение суток) выше на суше, чем над океаном; уменьшается при движении в высокие широты, (наибольшая в тропических пустынях – до 40 0 С) и, возрастает в местах с оголенной почвой. Величина суточной амплитуды температуры воздуха – это один из показателей континентальности климата. В пустынях она намного больше, чем в районах с морским климатом.

Годовой ход температуры воздуха (изменение среднемесячной температуры в течение года) определяется, прежде всего, широтой места. Годовая амплитуда температуры воздуха - разница между максимальной и минимальной среднемесячными температурами.

Географическое распределение температуры воздуха показывают с помощью изотерм – линий, соединяющих на карте точки с одинаковыми температурами. Распределение температуры воздуха зонально, годовые изотермы в целом имеют субширотное простирание и соответствуют годовому распределению радиационного баланса.

В среднем за год самой теплой параллелью является 10 0 с.ш. с температурой 27 0 С – это термический экватор . Летом термический экватор смещается до 20 0 с.ш., зимой – приближается к экватору на 5 0 с.ш. Смещение термического экватора в СП объясняется тем, что в СП площадь суши, расположенная в низких широтах, больше по сравнению с ЮП, а она в течение года имеет более высокие температуры.

Тепло по земной поверхности распределено зонально-регионально. Помимо географической широты на распределение температур на Земле влияют: характер распределения суши и моря, рельеф, высота местности над уровнем моря, морские и воздушные течения.

Широтное распределение годовых изотерм нарушают теплые и холодные течения. В умеренных широтах СП западные берега, омываемые теплыми течениями, теплее восточных берегов, вдоль которых проходят холодные течения. Следовательно, изотермы у западных берегов изгибаются к полюсу, у восточных – к экватору.

Средняя годовая температура СП +15,2 0 С, а ЮП +13,2 0 С. минимальная температура в СП достигала –77 0 С (Оймякон) (абсолютный минимум СП) и –68 0 С (Верхоянск). В ЮП минимальные температуры гораздо ниже; на станциях «Советская» и «Восток» была отмечена температура –89,2 0 С (абсолютный минимум ЮП). Минимальная температура в безоблачную погоду в Антарктиде может опускаться до –93 0 С. Самые высокие температуры наблюдаются в пустынях тропического пояса, в Триполи +58 0 С, в Калифорнии, в Долине Смерти, отмечена температура +56,7 0 С.

О том насколько материки и океаны влияют на распределение температур, дают представление карты изономал (изономалы – линии, соединяющие точки с одинаковыми аномалиями температур). Аномалии представляют собой отклонения фактических температур от среднеширотных. Аномалии бывают положительные и отрицательные. Положительные аномалии наблюдаются летом над подогретыми материками. Над Азией температуры выше среднеширотных на 4 0 С. Зимой положительные аномалии располагаются над теплыми течениями (над теплым Северо-Атлантичеким течением у берегов Скандинавии температура выше нормы на 28 0 С). Отрицательные аномалии ярко выражены зимой над охлажденными материками и летом – над холодными течениями. Например, в Оймяконе зимой температура на 22 0 С ниже нормы.

На Земле выделяют следующие тепловые пояса (за границы тепловых поясов приняты изотермы):

1. Жаркий , ограничен в каждом полушарии годовой изотермой +20 0 С, проходящий вблизи 30 0 с. ш. и ю.ш.

2. Два умеренных пояса , которые в каждом полушарии лежат между годовой изотермой +20 0 С и +10 0 С самого теплого месяца (соответственно июля или января).

3. Два холодных пояса , граница проходит по изотерме 0 0 С самого теплого месяца. Иногда выделяют области вечного мороза , которые располагаются вокруг полюсов (Шубаев, 1977)

Таким образом:

1. Единственным источником тепла, имеющим практическое значение для хода экзогенных процессов в ГО, является Солнце. Тепло от Солнца поступает в мировое пространство в форме лучистой энергии, которая затем, поглощенная Землей, превращается в энергию тепловую.

2. Солнечный луч на своем пути подвергается многочисленным воздействиям (рассеяние, поглощение, отражение) со стороны различных элементов пронизываемой им среды и тех поверхностей, на которые он падает.

3. На распределение солнечной радиации влияют: расстояние между землей и Солнцем; угол падения солнечных лучей; форма Земли (предопределяет убывание интенсивности радиации от экватора к полюсам). В этом основная причина выделения тепловых поясов и, следовательно, причина существования климатических зон.

4. Влияние широты местности на распределение тепла, корректируется рядом факторов: рельеф; распределение суши и моря; влияние холодных и теплых морских течений; циркуляция атмосферы.

5. Распределение солнечной теплоты осложняется еще и тем, что на закономерности горизонтального (вдоль земной поверхности) распределения радиации и тепла накладываются закономерности и особенности вертикального распределения.

РАЗДЕЛ III ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ

Тема 2 АТМОСФЕРА

§30 . СУТОЧНЫЙ ХОД ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА

Вспомните, что является источником света и тепла на Земле.

Как нагревается прозрачный воздух?

КАК НАГРЕВАЕТСЯ ВОЗДУХ. Из уроков природоведения вы знаете, что прозрачный воздух пропускает солнечные лучи к земной поверхности, нагревают ее. Именно воздух лучами не нагревается, а нагревается от нагретой поверхности. Поэтому, чем дальше от земной поверхности, тем холоднее. Вот почему при долгом самолета, летящего высоко над землей, температура воздуха очень низкая. На верхней границе тропосферы она о пускается до - 56 °С.

Установлено, что через каждый километр высоты температура воздуха понижается в среднем на б °С (рис. 126). Высоко в горах земная поверхность получает больше солнечного тепла, чем у подножия. Однако с высотой тепло быстрее рассеивается. Поэтому во время восхождения в горы можно заметить, что температура воздуха постепенно снижается. Вот почему на вершинах высоких гор лежат снег и лед.

КАК ИЗМЕРИТЬ ТЕМПЕРАТУРУ ВОЗДУХА. Конечно, каждый знает, что температуру воздуха измеряют термометром, Однако, стоит помнить, что неправильно установлен термометр, например, на солнце, покажет не температуру воздуха, а на сколько градусов нагрелся сам прибор. На метеорологічных станциях для получения точных данных термометр размещают в специальной будке. Ее стенки решетчатые. Это дает возможность воздуху свободно попадать в будку, вместе решетки защищают термометр вия. прямых солнечных лучей. Будку устанавливают на высоте 2 м от земли. Показания термометра записывают каждые 3 часа.

Рис. 126. Изменение температуры воздуха с высотой

Полет выше облаков

В 1862 г. двое англичан совершили полет на воздушном шаре. На высоте 3 км, минуя облака, исследователи дрожали от холода. Когда облака исчезли и появилось солнце, стало еще холоднее. На выс эти 5 км замерзла вода Людям стало трудно дышать, в ушах шумело, с ерце сил актуально быил ося. Так опли ся на организм разреженный воздух. На высоте 3 км один из дослідни ков с терял сознание. На высот и 11 км было -24°С (на Земле в это время зеленела трава и цвели цветы). Обоим смельчакам угрожала смерть. Поэтомуони как можно быстрее спустились на Землю.

Рис. 127. График суточного хода температуры воздуха

СУТОЧНЫЙ ХОД ТЕМПЕРАТУРЫ. Солнечные лучи в течение суток нагревают Землю неравномерно (рис. 128). В полдень, когда Солнце высоко над горизонтом, земная поверхность нагревается сильнее всего. Однако высокие температуры воздуха наблюдаются не в полдень (в 12 ч), а через два-три часа после полудня (в 14-15 ч). Это объясняется тем, что для передачи тепла от земной поверхности требуется время. После полудня, несмотря на то, что Солнце уже опускается к горизонту, воздух продолжает получать тепло от нагретой поверхности еще в течение двух часов. Затем поверхность постепенно охлаждается, соответственно снижается температура воздуха. Самые низкие температуры бывают перед восходом Солнца. Правда, в некоторые дни такой суточный ход температур может нарушаться.

Следовательно, причиной изменения температуры воздуха в течение суток является изменение освещенности поверхности Земли вследствие ее вращения вокруг своей оси. Более наглядное представление об изменении температуры дают графики суточного хода температуры воздуха (рис. 127).

ЧТО ТАКОЕ АМПЛИТУДА КОЛЕБАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА. Разница между самой высокой и самой низкой температурами воздуха называется амплитудой колебания температуры (А). Различают суточную, месячную, годовую амплитуды.

Например, если самая высокая температура воздуха в течение суток составляла +25 °С, анайнижча+9 °С, то амплитуда колебаний будет равна 16 °С (25 - 9 = 16) (мате. 129). На суточные амплитуды колебаний температур влияет характер земной поверхности (ее называют подстилающей). Например, над океанами амплитуда составляет всего 1-2 °С, над степями 15-0 °С, а в пустынях достигает 30 °С.

Рис. 129. Определение суточной амплитуды колебания температуры воздуха

ЗАПОМНИТЕ

Воздух нагревается от земной поверхности; с высотой его температура понижается примерно на 6 °С на каждый километр высоты.

Температура воздуха в течение суток изменяется вследствие изменения освещенности поверхности (смены дня и ночи).

Амплитуда колебания температуры - это разница между самой высокой и самой низкой температурами воздуха.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Температура воздуха у земной поверхности составляет +17 °С. Определите температуру за бортом самолета, летящего на высоте 10 км.

2. Почему на метеорологических станциях термометр устанавливают в специальной будке?

3. Расскажите, как изменяется температура воздуха в течение суток.

4. Вычислите суточную амплитуду колебания воздуха по следующим данным (в°С): -1,0, + 4, +5, +3, -2.

5. Подумайте, почему самая высокая суточная температура воздуха наблюдается не в полдень, когда Солнце находится высоко над горизонтом.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 5 (Начало. Продолж. см. с. 133, 141.)

Тема: Решение задач на изменение температуры воздуха с высотой.

1. Температура воздуха у земной поверхности составляет+25 °С. Определите температуру воздуха на вершине горы, высота которой - 1500 м.

2. Термометр на метеомайданчику, расположенный на вершине горы, показывает 16 °С выше нуля. В то же время температура воздуха у ее подножия составляет +23,2 °С. Вычислите относительную высоту горы.

Суточным ходом температуры воздуха называется изменение температуры воздуха в течение суток – в общем отражает ход температуры земной поверхности, но моменты наступления максимумов и минимумов несколько запаздывают, максимум наступает в 14 часов, минимум после восхода солнца.

Суточная амплитуда температуры воздуха (разница между максимальной и минимальной температурами воздуха в течение суток) выше на суше, чем над океаном; уменьшается при движении в высокие широты, (наибольшая в тропических пустынях – до 400 С) и, возрастает в местах с оголенной почвой. Величина суточной амплитуды температуры воздуха – это один из показателей континентальности климата. В пустынях она намного больше, чем в районах с морским климатом.

Годовой ход температуры воздуха (изменение среднемесячной температуры в течение года) определяется, прежде всего, широтой места. Годовая амплитуда температуры воздуха - разница между максимальной и минимальной среднемесячными температурами.

Теоретически можно было бы ожидать, что суточная амплитуда, т. е. разница наивысшей и наинизшей температур, будет наибольшей около экватора, потому что там солнце днем стоит гораздо выше, чем в более высоких широтах, и в полдень в дни равноденствия достигает даже зенита, т. е. посылает вертикальные лучи и, следовательно, дает наибольшее количество тепла. Но этого в действительности не наблюдается, так как, кроме широты, на суточную амплитуду влияют и многие другие факторы, от совокупности которых зависит величина последней. В этом отношении имеет огромное значение положение местности относительно моря: представляет ли данная область сушу, отдаленную от моря, или же близко лежащую к морю местность, например остров. На островах благодаря смягчающему влиянию моря амплитуда незначительна, еще менее она на морях, океанах, в глубине же материков она гораздо более, причем величина амплитуды возрастает от берегов внутрь континента. В то же время амплитуда зависит и от времени года: летом она больше, зимой меньше; разница объясняется тем, что летом солнце стоит выше, чем зимой, да и продолжительность летнего дня гораздо более зимнего. Далее, на суточную амплитуду оказывает влияние облачность: она умеряет разницу температур дня и ночи, задерживая тепло, лучеиспускаемое землей ночью, и в то же время умеряя действие солнечных лучей.

Самая значительная суточная амплитуда наблюдается в пустынях и на высоких плоскогорьях. Горные породы пустынь, совершенно лишенные растительности, сильно накаляются в течение дня и быстро излучают за ночь всю полученную днем теплоту. В Сахаре суточная амплитуда воздуха наблюдалась в 20-25° и больше. Бывали случаи, когда после высокой дневной температуры ночью даже замерзала вода, и температура падала на поверхности земли ниже 0°, а в северных, частях Сахары даже до -6,-8°, поднимаясь днем гораздо выше 30°.

Значительно меньше суточная амплитуда в местностях, покрытых богатой растительностью. Здесь часть теплоты, получаемой за день, тратится на испарение растениями влаги, и, кроме того, растительный покров защищает землю от непосредственного нагревания, задерживая в то же время излучение ночью. На высоких плоскогорьях, где воздух значительно разрежен, ночью-приходо-расходный баланс тепла резко отрицателен, а днем резко положителен, поэтому суточная амплитуда здесь иногда больше, чем в пустынях. Например, Пржевальский во время своего путешествия в Центральной Азии наблюдал в Тибете суточное колебание температуры воздуха, даже до 30°, а на высоких плоскогорьях южной части Северной Америки (в Колорадо и Аризоне) суточные колебания, как показали наблюдения, достигали 40°. Незначительные колебания суточной температуры наблюдаются: в полярных странах; например, на Новой Земле амплитуда не превышает в среднем 1-2 даже летом. На полюсах и вообще в высоких, широтах, где солнце совсем не показывается в течение суток или месяцев, в это время нет совершенно суточных колебаний температур. Можно сказать, что суточный ход температуры сливается на полюсах с годовым и зима представляет ночь, а лето - день. Исключительный интерес в этом отношении представляют наблюдения советской дрейфующей станции «Северный полюс».

Таким образом, наивысшую суточную амплитуду мы наблюдаем: не у экватора, где она около 5° на суше, а ближе к тропику северного полушария, так как именно здесь материки имеют самое большое протяжение, и здесь же расположены величайшие пустыни, и плоскогорья. Годовая амплитуда температуры зависит, главным образом, от широты места, но, в противоположность суточной, годовая амплитуда увеличивается по мере удаления от экватора к полюсу. Вместе с тем на годовую амплитуду оказывают влияние все те факторы, с которыми мы уже имели дело при рассмотрении суточных амплитуд. Точно так же колебания увеличиваются с удалением от моря в глубь материка, и наиболее значительные амплитуды наблюдаются, например, в Сахаре и в Восточной Сибири, где амплитуды еще значительнее, потому что здесь играют роль оба фактора: континентальность климата и высокая широта, тогда как в Сахаре амплитуда зависит, главным образом, от континентальности страны. Кроме того, колебания зависят и от топографического характера местности. Чтобы убедиться, насколько этот последний фактор играет значительную роль в изменении амплитуды, достаточно рассмотреть колебания температуры на юрах и в долинах. Летом, как известно, температура уменьшается с высотой довольно быстро, поэтому на одиноко стоящих вершинах, окруженных со всех сторон холодным воздухом, температура значительно ниже, чем в долинах, сильно нагреваемых летом. Зимой же, наоборот, холодные и плотные слои воздуха располагаются в долинах, и температура воздуха повышается с высотой до известного предела, так что отдельные небольшие вершины иногда являются зимой как бы тепловыми островами, тогда как летом - более холодными пунктами. Следовательно, годовая амплитуда, или разница между температурами зимы и лета, в долинах значительнее, чем на горах. Окраины плоскогорий находятся в тех же условиях, как отдельные горы: окруженные холодным воздухом, они в то же время получают меньше тепла сравнительно с плоскими, равнинными местностями, так что и амплитуда их не может быть значительной. Условия нагревания центральных частей плоскогорий уже иные. Сильно нагреваясь летом благодаря разреженности воздуха, они сравнительно с отдельно стоящими горами излучают тепла гораздо меньше, потому что окружены нагретыми же частями плоскогорья, а не холодным воздухом. Поэтому летом температура на плоскогорьях может быть очень высока, зимой же плоскогорья теряют много тепла путем лучеиспускания вследствие разреженности воздуха над ними, и естественно, что здесь наблюдаются очень сильные температурные колебания.