Что является основным источником нагревания атмосферы
§ 31. Нагревание атмосферы
Основным источником тепла, нагревающим земную поверхность и атмосферу, служит солнце. Другие источники – луна, звезды, разогретые недра Земли – поставляют столь малое количество тепла, что ими можно пренебречь.
Солнце излучает в мировое пространство колоссальную энергию в виде тепловых, световых, ультрафиолетовых и других лучей. Вся совокупность лучистой энергии Солнца называется солнечной радиацией. Земля получает ничтожную долю этой энергии – одну двухмиллиардную часть, которой, однако, достаточно не только для поддержания жизни, но и для осуществления экзогенных процессов в литосфере, физико-химических явлений в гидросфере и атмосфере.
Различают радиацию прямую, рассеянную и суммарную.
При ясной, безоблачной погоде поверхность Земли нагревается в основном прямой радиацией, которую мы ощущаем как теплые или горячие солнечные лучи.
Проходя через атмосферу, солнечные лучи отражаются от молекул воздуха, капелек воды, пылинок, отклоняются от прямолинейного пути и рассеиваются. Чем пасмурнее погода, тем плотнее облачность и тем большее количество радиации рассеивается в атмосфере. При сильной запыленности воздуха, например во время пыльных бурь или в промышленных центрах, рассеивание ослабляет радиацию на 40–45 %.
Значение рассеянной радиации в жизни Земли очень велико. Благодаря ей освещаются предметы, находящиеся в тени. Она же обусловливает цвет неба.
Интенсивность радиации зависит от угла падения солнечных лучей на земную поверхность. Когда солнце находится высоко над горизонтом, его лучи преодолевают атмосферу более коротким путем, следовательно, меньше рассеиваются и сильнее нагревают поверхность Земли. По этой причине в солнечную погоду утром и вечером всегда прохладнее, чем в полдень.
На распределение радиации на поверхности Земли огромное влияние оказывают ее шарообразность и наклон земной оси к плоскости орбиты. В экваториальных и тропических широтах солнце в течение всего года находится высоко над горизонтом, в средних широтах его высота меняется в зависимости от времени года, а в Арктике и Антарктике высоко над горизонтом оно не поднимается никогда. В результате в тропических широтах солнечные лучи рассеиваются меньше, а на единицу площади земной поверхности приходится их большее количество, чем в средних или высоких широтах. По этой причине количество радиации зависит от широты места: чем дальше от экватора, тем меньше ее поступает на земную поверхность.
Поступление лучистой энергии связано с годичным и суточным движением Земли. Так, в средних и высоких широтах ее количество зависит от времени года. На Северном полюсе, например, летом солнце не заходит за горизонт 186 дней, т. е. 6 месяцев, и количество поступающей радиации даже больше, чем на экваторе. Однако солнечные лучи имеют малый угол падения, и большая часть радиации рассеивается в атмосфере. В результате поверхность Земли нагревается незначительно.
Зимой солнце в Арктике находится за горизонтом, и прямая радиация на поверхность Земли не поступает.
На количество поступающей солнечной радиации влияет и рельеф земной поверхности. На склонах гор, холмов, оврагов и т. д., обращенных к солнцу, угол падения солнечных лучей увеличивается, и они сильнее нагреваются.
Совокупность всех этих факторов приводит к тому, что на земной поверхности нет места, где интенсивность радиации была бы постоянной.
Неодинаково происходит и нагревание суши и воды. Поверхность суши нагревается и охлаждается быстро. Вода же нагревается медленно, но зато дольше удерживает тепло. Объясняется это тем, что теплоемкость воды больше теплоемкости горных пород, слагающих сушу.
На суше солнечные лучи нагревают только поверхностный слой, а в прозрачной воде тепло проникает на значительную глубину, в результате чего нагревание происходит медленнее. На его скорость влияет и испарение, так как на него нужно много тепла. Вода остывает медленно, в основном потому, что объем прогреваемой воды во много раз больше объема нагревающейся суши; к тому же при ее охлаждении верхние, остывшие слои воды опускаются на дно, как более плотные и тяжелые, а на смену им из глубины водоема поднимается теплая вода.
Накопленное тепло вода расходует более равномерно. В результате море в среднем теплее суши, а колебания температуры воды никогда не бывают такими резкими, как колебания температуры суши.
Температурный режим воздуха процессы нагревания и охлаждения воздуха
Тепловым режимом атмосферы называют характер распределения и изменения температуры в атмосфере. Тепловой режим атмосферы определяется главным образом её теплообменом с окружающей средой, т. е. с деятельной поверхностью и космическим пространством. За исключением верхних слоев, атмосфера поглощает солнечную энергию сравнительно слабо. Основной источник нагревания нижних слоев атмосферы — тепло, получаемое ими от деятельной поверхности. В дневные часы, когда приход радиации преобладает над расходом, деятельная поверхность нагревается, становится теплее воздуха, и тепло передается от нее воздуху. Ночью деятельная поверхность теряет тепло излучением и становится холоднее воздуха. В этом случае воздух отдает тепло почве, в результате чего сам он охлаждается. Перенос тепла между деятельной поверхностью и атмосферой, а также в самой атмосфере осуществляется следующими процессами.
Молекулярная теплопроводность. Воздух, непосредственно соприкасающийся с деятельной поверхностью, обменивается с ней теплом посредством молекулярной теплопроводности. Вследствие того что коэффициент молекулярной теплопроводности неподвижного воздуха сравнительно мал, этот вид теплообмена незначителен.
Турбулентная теплопроводность. Она возникает внутри атмосферы вследствие вихревого, хаотического движения воздуха, т. е. турбулентности. Ее условно можно разделить на динамическую и термическую.
Динамическая турбулентность — вихревое хаотическое движение, возникающее в результате появления силы трения как между отдельными слоями перемещающегося воздуха, так и между движущимся воздухом и подстилающей поверхностью.
Термическая турбулентность, или тепловая конвекция — упорядоченный перенос отдельных объемов воздуха в вертикальном направлении, возникающий при неравномерном нагревании различных участков поверхности. Над более прогретыми участками воздух становится теплее а, следовательно, легче окружающего и поднимается вверх. Его место занимает более холодный соседний воздух, который, в свою очередь, нагревается и тоже поднимается.
Радиационная теплопроводность. Определенную роль в передаче тепла от почвы к атмосфере играет излучение деятельной поверхностью длинноволновой радиации, поглощаемой нижними слоями атмосферы. Последние, нагреваясь, таким же способом последовательно передают тепло вышележащим слоям. В период охлаждения поверхности радиационный поток тепла направлен от вышележащих слоев атмосферы вниз. Радиационный поток тепла над сушей проявляется главным образом в ночные часы, когда турбулентность резко ослаблена, а тепловая конвекция отсутствует.
Конденсация (сублимация) водяного пара. При конденсации выделяется тепло, нагревающее воздух, особенно более высокие слои атмосферы, где образуются облака.
Суточный и годовой ход температуры воздуха
Изменения температуры приземного слоя воздуха в течение суток и года обусловлены периодическими колебаниями температуры подстилающей поверхности и наиболее четко выражены в его нижних слоях.
В суточном ходе кривая имеет по одному максимуму и минимуму. Минимальное значение температуры наблюдают перед восходом Солнца. Затем она непрерывно повышается, достигая наибольших значений в 14. 15 ч, после чего начинает снижаться до восхода Солнца.
Амплитуда температурных колебаний — важная характеристика погоды и климата, зависящая от ряда условий.
Амплитуда суточных колебаний температуры воздуха зависит от погодных условий. В ясную погоду амплитуда больше, чем в пасмурную, так как облака днем задерживают солнечную радиацию, а ночью уменьшают потерю тепла земной поверхностью путем излучения.
Амплитуда зависит также от времени года. В зимние месяцы при малой высоте Солнца в средних широтах она понижается до 2. 3 °С.
Оказывает большое влияние на суточный ход температуры воздуха рельеф: на выпуклых формах рельефа (на вершинах и на склонах гор и холмов) амплитуда суточных колебаний меньше, а в вогнутых (ложбины, долины, котловины) больше по сравнению с равнинной местностью.
Назначение амплитуды влияют и физические свойства почвы:
чем больше суточный ход на самой поверхности почвы, тем больше суточная амплитуда температуры воздуха над ней.
Растительный покров уменьшает амплитуду суточных колебаний температуры воздуха среди растений, так как он днем задерживает солнечную радиацию, а ночью — земное излучение. Особенно заметно уменьшает суточные амплитуды лес.
.Годовой ход температуры воздуха в разных географических зонах различен в зависимости от широты и континентальное™ местоположения. По средней многолетней амплитуде и по времени наступления экстремальных температур выделяют четыре типа годового хода температуры воздуха.
Экваториальный тип. В экваториальной зоне в году наблюдают два слабовыраженных максимума температуры — после весеннего (21.03) и осеннего (23.09) равноденствия, когда Солнце находится в зените, и два минимума — после зимнего (22.12) и летнего (22.06) солнцестояния, когда Солнце находится на наименьшей высоте.
Тропический тип. В тропических широтах наблюдают простой годовой ход температуры воздуха с максимумом после летнего и минимумом после зимнего солнцестояния.
Тип умеренного пояса. Минимальные и максимальные значения температуры отмечаются после солнцестояний.
Полярный тип. Минимум температуры в годовом ходе вследствие полярной ночи сдвигается на время появления Солнца над. Максимум температуры в Северном полушарии наблюдается в июле.
На годовой ход температуры воздуха оказывает влияние также высота места над уровнем моря. С увеличением высоты годовая амплитуда уменьшается.
Что является основным источником нагревания атмосферы?
Атмосфера нагревается несколькими способами, но главным источником атмосферного нагревания является солнце. На местном уровне воздух нагревается в результате процессов, которые не зависят от солнца, таких как извержения вулканов, лесные пожары, удары молнии или деятельность человека, но эти источники незначительны по сравнению с солнечной радиацией. Солнце излучает энергию во всех направлениях в виде тепла, света и излучения. Эта энергия способна нагревать объекты на невероятные расстояния.
Что является основным источником нагревания атмосферы
Радиация бывает прямая и рассеянная . Не будь атмосферы, земная поверхность получала бы только прямую радиацию. Поэтому радиацию, приходящую непосредственно от Солнца в виде прямых солнечных лучей и при безоблачном небе называют прямой . Она несет наибольшее количество тепла и света. Но, проходя через атмосферу, солнечные лучи частично рассеиваются, отклоняются от прямого пути в результате отражения от молекул воздуха, капелек воды, пылинок и переходят в лучи, идущие во всех направлениях. Такая радиация называется рассеянной. Поэтому светло бывает и в тех местах, куда прямые солнечные лучи (прямая радиация) не проникают (полог леса, теневая сторона скал, гор, зданий и т.д.). Рассеянная радиация обусловливает и цвет неба. Всю солнечную радиацию, приходящую к земной поверхности, т.е. прямую и рассеянную, называют суммарной. Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию, нагревается и сама становится источником излучения тепла в атмосферу. Оно называется земным излучением, или земной радиацией и в значительной мере задерживается нижними слоями атмосферы. Поглощенная земной поверхностью радиация Солнца расходуется на нагревание воды, почв, грунтов, воздуха, испарение и излучение в атмосферу.
Земная, а не солнечная радиация определяет температурный режим тропосферы, т.е. солнечные лучи, проходящие через все слои атмосферы, ее не нагревают. Самое большое количество тепла получают и нагреваются до наиболее высоких температур нижние слои атмосферы, непосредственно прилегающие к источнику тепла — земной поверхности. По мере удаления от земной поверхности нагревание ослабевает. Именно поэтому температура воздуха в тропосфере с высотой понижается в среднем 0,6 ° С на каждые 100 м подъема. Это общая закономерность для тропосферы. Бывают случаи, когда вышележащие слои воздуха оказываются теплее нижележащих. Такое явление называетсятемпературной инверсией. Нагревание земной поверхности существенно различается не только по высоте.
- На экваторе, где солнечные лучи падают отвесно, поверхность Земли нагревается сильнее.
- Чем ближе к полюсам, тем меньше угол падения солнечных лучей и тем слабее нагревается поверхность.
- В полярных областях лучи как будто скользят по планете и почти не нагревают её.
- Приземный слой воздуха нагревается от подстилающей поверхности, следовательно, температура воздуха уменьшается от экватора к полюсам.
Такая неравномерность распределения тепла на Земле в зависимости от широты места позволяет выделить пять тепловых поясов:
- один жаркий,
- два умеренных,
- два холодных.
| Воздушная масса | Температура | Влажность (количество осадков) | Атмосферное давление |
|---|---|---|---|
| Экваториальная | высокая | высокая | низкое |
| Тропическая | высокая | низкая | высокое |
| Умеренная | меняется по сезонам | высокая | низкое |
| Арктическая | низкая | низкая | высокое |
Условия нагревания солнечной радиацией воды и суши весьма различны.
Теплоемкость воды в два раза больше, чем суши.
Это значит, что при одинаковом количестве тепла суша нагревается вдвое быстрее воды, а при охлаждении происходит обратное. Кроме того, вода при нагревании испаряется, на что затрачивается немалое количество тепла.
На
суше тепло сосредоточивается только в верхнем ее слое, в глубину передается лишь небольшая его часть. В воде же лучи нагревают сразу значительную толщу, чему способствует и вертикальное перемешивание воды. В результате вода накапливает тепла гораздо больше, чем суша, удерживает его дольше и расходует более равномерно, чем суша. Она медленнее нагревается и медленнее охлаждается.
Поверхность суши неоднородна. Ее нагревание в значительной мере зависит от физических свойств почв и горных пород, растительности, снежного покрова, льда, экспозиции (угла наклона участков суши по отношению к падающим солнечным лучам) склонов. Особенности подстилающей поверхности обусловливают различный характер изменения температур воздуха в течении суток и года.
Наиболее низкие температуры воздуха в течении суток на суше отмечаются незадолго до восхода Солнца (отсутствие притока солнечной радиации и сильное земное излучение ночью). Наиболее высокие — после полудня (14-15 ч).
В течении года в Северном полушарии наиболее высокие температуры воздуха на суше отмечаются в июле, а самые низкие — в январе.
Над водной поверхностью суточный максимум температуры воздуха смещен и отмечается в 15-16 ч, а минимум через 2-3 ч после восхода Солнца. Годовой максимум (в Северном полушарии) приходится на август, а минимум — на февраль.