Температура воздуха: термометр фото

Температура воздуха. Урок 12

С высотой температура воздуха в тропосфере уменьшается на каждый километр приблизительно на 6°С. Это можно заметить при подъёме в горы, во время полётов на воздушных шарах. Поднимаясь на самолёте, вы тоже можете слышать сообщение бортпроводников, например: «температура воздуха за бортом -40°С». Но почему так происходит? Незнайка сильно этому удивился, поднимаясь на воздушном шаре. Он думал, что Солнце становится ближе и должно быть теплее.

Температура воздуха зависит от солнечной радиации

Солнечная радиация – это излучение ближайшей к нам звезды, которое является главным источником энергии для всех химических и физических процессов, происходящих на Земле. Солнце испускает широкий спектр волн, но до атмосферы нашей планеты доходит 99% только его коротковолнового потока (в интервале между 0,1 и 4 мкм):

  • 46% из них составляют видимые лучи;
  • 47% – инфракрасные;
  • 7% – ультрафиолетовые.

Поэтому солнечную радиацию называют коротковолновой, в отличие от длинноволновой инфракрасной радиации (интервал длин волн от 3 – 4 до 80 – 120 мкм), которую излучают Земля и её атмосфера после поглощения коротковолновой солнечной.

В атмосфере радиация Солнца ослабляется

Солнце ежесекундно посылает на Землю гигантский заряд энергии (1,76 • 1017 Дж/с). Однако температура воздуха в приповерхностном слое чрезмерно не повышается. Треть этой энергии отражается от атмосферы и подстилающей поверхности Земли, а оставшиеся две трети ими же и поглощаются.

<!— Реклама —>


На Землю поступает лишь одна двухмиллиардная доля солнечное радиации. Газы атмосферы и её примеси поглощают и рассеивают часть солнечной радиации. Воздушная оболочка «амортизирует» смертельный для жизни заряд энергии.

Солнечная радиация фото
Рис. 1

Как атмосфера поглощает солнечную энергию?

Встречаясь с молекулами газов, с пылью и диоксидом водорода, часть солнечной радиации преобразуется в другой вид энергии. Большая часть – в тепловую, но в верхних слоях атмосферы в результате фотоионизации – в электрическую.

Газы, которые поглощают основную часть коротковолнового солнечного излучения – это кислород, озон, углекислый газ, водяной пар и некоторые газовые примеси с малым процентным содержанием. Ультрафиолет в основном улавливает озон, инфракрасное излучение – молекулярный кислород. Углекислый газ и водяной пар абсорбируют широкий спектр излучения.

Бесполезным в этом смысле оказывается азот. Он свободно пропускает как коротковолновую солнечную, так и длинноволновую земную радиацию. Но это же и к лучшему, прямые солнечные лучи из-за этого достигают Земли, а для парникового эффекта достаточно и парниковых газов.

Абсорбируют солнечную энергию и примеси. Очень сильно это заметно над пустынями во время бурь и в городах с замутнённой атмосферой. Самое сильное замутнение атмосферы связано с торфяными и лесными пожарами.

Поглощая излучение, тела нагреваются, а остывая, испускают собственное излучение, т. е. сами становятся его источниками.

Рассеяние солнечной радиации в атмосфере

При рассеянии электромагнитное солнечное излучение не только преобразуется в новый вид энергии, но и изменяет направление распространения. Солнечные лучи, обычно прямые и параллельные друг другу, достигают скрытых от них мест Земли. При этом молекулы воздуха, жидкие и твёрдые примеси сами становятся источниками излучения. Они рассеивают лучи, этот процесс называется дифракцией. Особенно сильно распределяют в атмосфере и земной поверхности солнечную радиацию нижние, самые плотные слои тропосферы.

Красный закат фото
Над озером Тургояк
Автор: XXN

Интересно, что газы атмосферы сильнее рассеивает коротковолновое излучение (сине-голубое). Поэтому безоблачное и мало запылённое дневное небо выглядит голубым. Во время рассвета и заката при изменении угла падения солнечных лучей их путь до Земли удлиняется, что делает сами волны длиннее, и тогда мы видим оттенки красного.

Чем выше слой атмосферы, тем менее плотным он становится, а значит, меньше рассеивает солнечных лучей. Поэтому небо с высотой становится более тёмным и синим или даже фиолетовым. А на уровне 100 км начинается «эффект космоса», если посмотреть вверх, можно увидеть чёрное пространство, яркие звёзды, планеты и Солнце.

Температура воздуха, космическое небо, снимок с самолёта фото
«Эффект космоса», снимок с самолёта.
Автор: Woudloper

Вначале нагревается земная поверхность: суммарная солнечная радиация

Но ни рассеивание, ни поглощение не нагревают тропосферу настолько, чтобы нам в ней было комфортно. Она получает тепло от нагретой воды, почвы, горных пород и т.д., расположенных на планете. Но какую долю энергии улавливает сама поверхность Земли?

Солнечная радиация и температура воздуха рисунок
Рис. 2

До неё доходит часть прямой и рассеянной радиации. В безоблачные дни прямые солнечные лучи почти свободно проходят через атмосферу. Это прямая радиация, обеспечивающая наибольшее количество света и тепла поверхности Земли. Если бы атмосферы не было совсем, то планета получала бы только такой вид радиации. Но атмосфера содержит примеси, которые дают эффект дифракции, поэтому на Землю поступают ещё и рассеянные солнечные лучи.

Рассеянные и прямая радиация (суммарная радиация) нагревает подстилающую поверхность планеты, прогревая только её верхний слой. Земля сама становится источником излучения и часть тепла отдаёт воздуху. То тепло, которое остаётся после всех этих процессов, называется радиационным балансом (см. рис. 2).

Количество суммарной радиации зависит от облачности, прозрачности атмосферы и высоты солнца над горизонтом. Рассмотрим подробнее причины изменения количества получаемого разными участками Земли тепла и света.

Зависимость суммарной радиации от состояния атмосферы

Чем плотнее и насыщеннее влагой воздух, тем сильнее в нём идёт рассеяние и поглощение, тем меньше радиации получает земная поверхность.

Грозовые облака, фото
Насыщенное водяным паром небо.
Автор: Saperaud~commonswiki

От географической широты

Количество радиации зависит от географической широты местности, а значит и от угла падения солнечных лучей и соответственно от длины их пути. Из-за шарообразной формы Земли и угла наклона её оси разные её участки освещаются неодинаково.

Количество радиации увеличивается от полюсов к экватору. Кратчайшим путём солнечные лучи попадают на Землю при угле падения в 90°. При этом они концентрируются на малой площади и эффективно её обогревают и освещают. Это происходит в тропическом поясе освещения.

Температура воздуха: угол падения солнечных лучей фото
Рис. 3

По мере удаления от тропиков угол падения солнечных лучей уменьшается, а путь их до Земли увеличивается. В районе умеренных и высоких широт лучи проходят по касательной линии. Площадь, захватываемая ими, увеличивается, соответственно растёт количество отражённой энергии.

От осевого движения Земли

Днём поверхность Земли нагревается сама и нагревает приземный слой воздуха. Ночью она остывает и отдаёт тепло атмосфере. Происходит охлаждение земли и воздуха. Самые низкие температуры воздуха наблюдаются перед рассветом, когда Земля уже максимально остыла.

Днём устанавливается два максимума температур: в 11 ч. и в 13 ч. В полдень же (в 12 ч) наблюдается незначительное понижение температур из-за повышения влажности атмосферы.

Из-за наклона земной оси и осевого движения умеренные пояса Земли больше всего тепла получают в дни летних солнцестояний (22 июня – Северное полушарие, 21 декабря – Южное). В эти дни Солнце находится в зените над соответствующим тропиком.

Но самым жаркими месяцами является не июнь и декабрь, а июль и январь. Это происходит потому, что в дни солнцестояний большое количество энергии тратится на разогрев остывшей земной поверхности. И хотя в январе (июле Северного полушария) количество радиации уменьшается, её убыль компенсируется нагретой поверхностью Земли.

От орбитального движения Земли

От времени года зависит высота Солнца над горизонтом и угол падения его лучей. В высоких и умеренных широтах по этой причине количество солнечной радиации сильно изменяется. Изменяется и расстояние Земли от Солнца. Соответственно колеблется и длина пути лучей.

Почти не меняется в течение всего года количество солнечной радиации, получаемой экваториальной зоной. Мало колеблется оно на океанах и морских побережьях. А в пустынях благодаря сухости воздуха амплитуда температур может превышать 50–60 °C. Днём поверхность пустынь сильно нагревается (до 50–60 °C), а ночью остывает, часто до 0 °C.

Тепловые пояса Земли фото
Пояса освещения, тепловые пояса Земли

От характера подстилающей поверхности

Светлая поверхность отражает больше лучей, чем тёмная. Причём интенсивность отражения нарастает с увеличением густоты чёрного цвета. Свойство поверхностных слоёв диффузно отражать радиацию называется альбедо.

Особенно сильным альбедо характеризуются снег и лёд (90%), меньшим – песок (35%), ещё более слабым – чернозём (4%). Нагрев суши и воды тоже происходит неодинаково. Если суша нагревается и остывает быстро, то вода из-за высокой теплоёмкости нагревается медленно, а благодаря низкой теплоотдаче она также и остывает с незначительной скоростью.

Поэтому океан называют «печкой» планеты. Но из-за большой площади водной поверхности ей приходится много энергии тратить на испарение, а не на нагрев воздуха. Тем не менее около океана теплее зимой даже в высоких широтах.

Распределение суммарной радиации на Земле

Максимальные показатели суммарной солнечной радиации (около 850 Дж/см²) в год наблюдаются в тропических пустынях, где прямая радиация из-за большой высоты Солнца и безоблачного неба наиболее интенсивна. Летом различия в поступлении солнечной радиации между высокими и низкими широтами сглаживается за счёт большой продолжительности освещения в полярных районах (полярный день). В зимнее полугодие они достигают максимума (полярная ночь).

Как нагревается воздух тропосферы?

При безоблачной погоде большая доля прямых лучей Солнца беспрепятственно достигает поверхности Земли, проходя через атмосферу, как сквозь стекло. При этом они почти не нагревают воздух. Он получает тепло за счёт нагретой земной поверхности. Это происходит путём диффузии и конвекции.

Конвекция – перемешивание тёплого и холодного воздуха. Тёплый воздух становится легче и поднимается, тяжёлый холодный опускается и путём диффузии нагревается от поверхности планеты.

Температура воздуха повышается и за счёт парникового эффекта. Проходя через атмосферу, отражённое от Земли инфракрасное излучение в значительной степени поглощается молекулами парниковых газов:

  • водяного пара Н2О,
  • углекислого газа СО2,
  • метана СН4,
  • озона О3 и некоторых других.

Азот N2 и кислород О2 и О для этого излучения прозрачны.

Подогретая поглощённой энергией, атмосфера сама становится источником излучения (противоизлучения атмосферы), вновь отправляя тепло к поверхности планеты. Атмосфера как одеяло препятствует охлаждению Земли. Из-за схожести этого явления с парником его назвали «парниковым эффектом». А газы, отправляющие назад противоизлучение атмосферы, назвали парниковыми.

Верхние слои тропосферы менее плотные, к тому же они просто не прогреваются за день, там меньше и парниковых газов, тепло из них уходит в стратосферу. Часть тепловой энергии тратится в виде теплового излучения.

Интересно, что на высоте 10 км температура постоянно держится на отметке -40–45 °C.

Кроме закономерного понижения температуры воздуха с высотой нередко встречается и обратный процесс. Инверсии, или перестановки температур (повышение с подъёмом вверх) возникают:

  • при лавинообразном остывании поверхности Земли и прилегающего к ней воздуха;
  • в долинах, когда тяжёлый холодный воздух быстро стекает со склонов гор. Более тёплый воздух выталкивается вверх, а холодный застаивается в долине. Именно по этой причине в Оймяконе так низко опускаются температуры, там был зафиксирован рекордный для Северного полушария показатель (-71°С).

По-разному нагревается воздух над сушей и водой, так как суша быстрее нагревается и быстрее остывает. Над океанами всегда теплее. Но температура воздуха зависит и от состояния самой атмосферы. Облачное небо теплее ясного.

Радиационный баланс Земли и температура воздуха

Суммарная радиация, остающаяся после частичного её отражения от подстилающей поверхности Земли, называется остаточной радиацией, или радиационным балансом. Сумма радиационного баланса положительна на всей территории планеты, за исключением ледников Антарктиды и Гренландии. Она уменьшается от экватора к полюсам, где приближается к нулю. Но не везде она формируется одинаково в разные времена года.

От экватора до сороковых широт (субтропиков) радиационный баланс положителен круглый год. Выше он положителен только летом, а зимой – отрицателен.

<!— Реклама —>


Зональность температуры воздуха можно наблюдать на климатических картах мира. Они показаны при помощи изотерм (годовых или максимальных – летних и минимальных – зимних). Изотермы зимних месяцев обозначаются синим цветом, летних – красным.

Климатическая карта мира фото

Проанализировав по карте закономерности изменения температур при помощи годовых изотерм, можно сделать следующие выводы:

  • в тропическом и холодных поясах понижение температур происходит медленно, а в умеренных – быстро. Это связано с изменением синуса угла падения солнечных лучей, которое особенно заметно в умеренных широтах, от 40 до 50°;
  • самые высокие температуры характерны не для экватора, а для 10° с. ш. (термический экватор Земли). Это связано с тем, что Северное полушарие теплее Южного. Большую часть Южного полушария занимает океан, поэтому больше энергии там тратится на испарение, а не нагрев. Сильно охлаждают Южное полушарие и ледники Антарктиды;
  • изотермы не совпадают с параллелями. Они зависят не только от зонально поступающей солнечной радиации, но и от местных признаков: рельефа, господствующих ветров, характера подстилающей поверхности, близости океанов, тёплых и холодных течений. Особенно это заметно в Северном полушарии, где материки и океаны чередуются чаще. Например, январская изотерма 0°С над сушей достигает широты 40°, образуя «волны холода», а над океанами заходит за полярный круг, образуя «волны тепла».

Практическая часть

Наиболее точно температура воздуха измеряется на метеорологических станциях. Термометр там помещают в метеорологическую будку, пряча его от прямых солнечных лучей, и фиксируют температуру каждые 3 часа. После сбора данных составляют графики и высчитывают средние значения, обозначают максимумы и минимумы, узнают амплитуды и делают прогнозы.

Термометр изобрёл Галилео Галилей приблизительно в 1597 году. Он был без шкалы и показывал только степень нагрева. Сегодня существуют разные термометры:

  • жидкостные;
  • механические;
  • электронные;
  • газовые;
  • инфракрасные;
  • оптические.

 

Средние показатели температур

Чтобы узнать закономерности изменения температур и сравнивать их за определённые промежутки времени (например, за годы, века), используют показатели средних температур:

  • средних суточных;
  • средних месячных;
  • средних годовых.

Чтобы узнать среднюю суточную температуру, в течение суток несколько раз через равные промежутки времени измеряют её при помощи термометра. Затем все показатели складывают и делят на количество измерений.

Пример 1

Определить среднесуточную температуру воздуха, зная следующие показатели.

3 ч 6 ч 9 ч 12 ч 15 ч 18 ч 21 ч 24 ч
+9°С +8°С +12°С +14°С +17°С +15°С +12°С +6°С

 

  1. Определяем общую температуру, для этого складываем все числа, они все положительные и это сделать просто. Получаем сумму в 99°С.
  2. Делим сумму на число измерений (измеряли температуру 8 раз). 99°С:8=11,6°С.

Ответ: среднесуточная температура равна 11,6°С.

Пример 2

Если в течение суток наблюдались как положительные, так и отрицательные температуры, нужно сложить их отдельно и из большего числа вычесть меньшее. Полученное число (сумму температур) разделить на число измерений, сохраняя знак делимого.

3 ч 6 ч 9 ч 12 ч 15 ч 18 ч 21 ч 24 ч
-7°С -6°С -3°С 0°С +2°С +3°С -1°С -4°С

 

1) -7+(-6)+(-3)+(-1)+(-4)=-11°С

2) 0+2+3=5°С

3) -11-5=-6°С

4) -6:8=-0,75°С (среднесуточная температура)

Чтобы рассчитать среднемесячную температуру, складывают среднесуточные температуры этого месяца и делят на число дней месяца. Чтобы рассчитать среднегодовую температуру, складывают среднемесячные и делят на 12 (число месяцев в году). Также можно рассчитывать средневековую температуру.

Анализ графиков изменения температур

По значениям средних температур составляют графики годового, месячного, многолетнего изменения температур. Проанализируем график и научимся с ним работать.

График суточного хода температур фото
График суточного хода температур

 

График температур строят на обычной координатной оси. По оси Х отмечают температуру воздуха, по оси У – время (часы, месяцы или годы). Точки с отрицательными показателями соединяют синим цветом, с положительными – красным.

1) Чему равна максимальная температура воздуха в течение суток?

Ищем самую высокую положительную температуру на графике. Это можно заметить по выдающейся верхушке. Проводим перпендикулярную линию карандашом или просто глазами от найденной точки на ось Х. На этом графике самая высокая температура воздуха в течение суток равна +8°С.

Как провести перпендикулярную линию к оси Х фото
Как провести перпендикулярную линию к оси Х

2) Когда она отмечалась?

Теперь от точки на графике проводим перпендикулярную линию к оси У. Самая высокая температура наблюдалась в 15 ч.

Перпендикуляр к оси У фото
Перпендикулярная линия к оси У

3) Чему равна минимальная суточная температура?

На графике нужно найти точку, которая максимально опущена вниз. От неё провести перпендикулярную линию к оси Х, ведь там отмечена температура воздуха. Она равна +2°С.

Минимальная температура воздуха суток фото
Как определить минимальную суточную температуру по графику?

4) Чему равна амплитуда температур?

Находим разницу между максимальной и минимальной суточными температурами: 8-2=6°С.

Амплитуда температур

При анализе полученных показателей определяют самую высокую и самую низкую температуру. Разница между самой высокой и самой низкой температурами называется амплитудой температур.

Разность среднемесячных температур самого тёплого и самого холодного месяцев называют годовой амплитудой температур, разность между самой высокой и самой низкой температурой воздуха в течение суток – суточной амплитудой температур. И та и другая амплитуды температур меньше на побережьях в морском климате и больше во внутренних частях материков в континентальном и особенно в резко континентальном климате.

Задача 1

Максимальная температура в течение суток составляла +20°С, минимальная +8°С. Какова суточная амплитуда температур?

Решение:

Найдём разницу между самой высокой и самой низкой температурой: 20 – 8=12

Ответ: суточная амплитуда температур равна 12°С

Задача 2

Максимальная температура в течение суток равна +19°С, минимальная -7°С. Найти суточную амплитуду температур.

19 – (-7) = 26°С

Амплитуда равна 26°С

Задание 3

Если известно, что годовая амплитуда температур одной территории составляет 20°С, а другой 46°С, какая из территорий находится дальше от моря? (Чем дальше от океана находится точка земной поверхности, тем больше амплитуда температур).

По времени наступления максимальных и минимальных среднемесячных температур воздуха в течение года различают четыре основных типа годового хода температур.

  1. Экваториальный тип. Температура весь год ровная, с двумя небольшими максимумами (27-28°С) после дней равноденствия (апрель, октябрь) и двумя небольшими минимумами (24-25°С) после дней солнцестояния (июль, январь).
  2. Тропический тип. Для него характерны один максимум (более 30°С) и один минимум (около 20°С) температур воздуха.
  3. Умеренный тип. Характерен один максимум и один минимум, причём температуры очень различны. Выражены сезоны года.
  4. Полярный тип. Типичны один максимум и один минимум температур. Причём они весь год или почти весь год отрицательные.

Самые высокие температуры воздуха на Земле наблюдаются в тропических пустынях. На севере Африки близ Триполи зарегистрирована рекордная температура +58,1°С. Самые низкие температуры приземного слоя воздуха (-89,2°С) отмечены в 1982 г. в Антарктиде на внутриконтинентальной станции «Восток», расположенной на высоте 3488 м над уровнем моря. В Северном полушарии самая низкая температура известна в Восточной Сибири в посёлке Оймякон (-71°С), расположенном в котловине среди гор, в верховьях реки Индигирки.

 

Как рассчитать температуру воздуха за бортом самолёта?

Зная закономерность: при подъёме вверх в тропосфере температура воздуха снижается на каждый километр на 6°С (на 0,6 °С на каждые 100 м), можно делать расчеты. Чтобы узнать температуру за бортом самолёта  или на вершине горы, нужно знать, какая температура в это время у поверхности Земли, и высоту нужной точки (полёта лайнера или вершины горы). А если знать температуру на вершине и её высоту, можно высчитать температуру у поверхности и т.д.

Температура воздуха, географическая задача фото

Следующее задание типично для ОГЭ по географии.

Задача по георгафии, подготовка к ОГЭ фото

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован.