Нагревание воздуха и его температура. Зависимость температуры от географической широты

Годовой ход температуры воздуха определяется прежде всего годовым ходом температуры деятельной поверхности. Амплитуда годового хода представляет собой разность среднемесячных температур самого теплого и самого холодного месяцев. На амплитуду годового хода температуры воздуха влияют:

Широта места. Наименьшая амплитуда наблюдается в экваториальной зоне. С увеличением широты места амплитуда увеличивается, достигая наибольших значений в полярных широтах

Высота места над уровнем моря. С увеличением высоты над уровнем моря амплитуда уменьшается.

Погодные условия. Туман, дождь и, главным образом, облачность. Отсутствие облачности зимой приводит к понижению средней температуры самого холодного месяца, а летом – к повышению средней температуры самого теплого месяца.

Заморозки

Заморозками называют понижение температуры до 0 °С и ниже при положительных среднесуточных температурах.

При заморозках температура воздуха на высоте 2 м иногда может оставаться положительной, а в самом нижнем слое воздуха, прилегающем к земле, понижаться до 0 °С и ниже.

По условиям образования заморозки делят на:

радиационные;

адвективные;

адвективно-радиационные.

Радиационные заморозки возникают в результате радиационного охлаждения почвы и прилегающих слоев атмосферы. Возникновению таких заморозков благоприятствуют безоблачная погода и слабый ветер. Облачность уменьшает эффективное излучение и тем самым снижает вероятность заморозка. Ветер также препятствует возникновению заморозка, т.к. он усиливает турбулентное перемешивание и в результате этого увеличивается приток тепла от воздуха к почве. На радиационные заморозки влияют тепловые свойства почвы. Чем меньше ее теплоемкость и коэффициент теплопроводности, тем сильнее заморозки.

Адвективные заморозки . Образуются в результате адвекции воздуха, имеющего температуру ниже 0 °С. При вторжении холодного воздуха почва от соприкосновения с ним охлаждается, и поэтому температура воздуха и почвы мало различаются. Адвективные заморозки охватывают большие площади и мало зависят от местных условий.

Адвективно-радиационные заморозки. Связаны с вторжением холодного сухого воздуха, иногда даже имеющего положительную температуру. Ночью, особенно при ясной или малооблачной погоде, происходит дополнительное охлаждение этого воздуха за счет излучения, и возникают заморозки, как на поверхности, так и в воздухе.

Тепловой баланс деятельной поверхности и атмосферы Тепловой баланс деятельной поверхности

Днем деятельная поверхность поглощает некоторую часть приходящей к ней суммарной радиации и встречного излучения атмосферы, но теряет энергию в виде собственного длинноволнового излучения. Тепло, получаемое деятельной поверхностью, частично передается внутрь почвы или водоема, а частично – в атмосферу. Кроме того, часть полученного тепла расходуется на испарение воды с деятельной поверхности. Ночью суммарная радиация отсутствует и деятельная поверхность обычно теряет тепло в виде эффективного излучения. В это время суток тепло из глубины почвы или водоема поступает вверх к деятельной поверхности, а тепло из атмосферы передается вниз, то есть тоже поступает к деятельной поверхности. В результате конденсации водного пара из воздуха на деятельной поверхности выделяется теплота конденсации.

Общий приход-затрата энергии на деятельной поверхности называется ее тепловым балансом.

Уравнение теплового баланса:

В = Р + L + CW,

где В – радиационный баланс;

Р – поток тепла между деятельной поверхностью и ниже лежащими слоями;

L - турбулентный поток тепла в приземном слое атмосферы;

C·W – тепло, затрачиваемое на испарение воды или выделяется при конденсации водного пара на деятельной поверхности;

C – теплота испарения;

W – количество воды, которая испарилась из единицы поверхности за интервал времени, для которого составлен тепловой баланс.

Рисунок 2.3 – Схема теплового баланса деятельной поверхности

Одной из основных составных теплового баланса деятельной поверхности есть ее радиационный баланс В, который уравновешивается нерадиационными потоками тепла L, P, CW.

В тепловом балансе не учтенные менее важные процессы:

Перенос тепла вглубь почвы осадками, которые выпадают на нее;

Затрата тепла при процессах гниения, при радиоактивном распаде веществ в земной коре;

Поступление тепла из недр Земли;

Выделение тепла при промышленной деятельности.

6 класс

Температура воздуха и суточный ход температуры

Цель: Сформировать представление о распределение тепла на поверхности Земли, среднюю суточную температуру, амплитуду колебаний температуры (суточная, годовая).

Оборудование: термометр,учебник.

Ход урока.

I .Организационный момент. Раппорт.

II . Проверка домашнего задания

Тест.

Какой газ преобладает в атмосфере:

а) кислород; б) водород; в) углекислый; г) азот.

В каком слое атмосферы содержится большая часть воздуха:

В каких широтах толщина тропосферы больше:

а) над экватором; б) в полярных широтах; в) в умеренных широтах.

Какой слой атмосферы находится над тропосферой:

а) экзосфера; б) стратосфера; в) мезосфера.

В каком слое происходит изменение погоды:

а) в стратосфере; б) в тропосфере; в) в верхних слоях атмосферы. III . Изучение нового материала. Как нагревается воздух?

Как вы думаете, какая часть солнечной энергии будет нагревать воздух тропосферы?

Расскажите, как изменяется температура в тропосфере и с высотой. Почему температура понижается?

Выявляют закономерности :

Солнечные лучи проходят через атмосферу не нагревая её.

Солнечные лучи нагревают поверхность Земли

Воздух атмосферы нагревается от поверхности Земли

Температура воздуха уменьшается с высотой. На каждый км температура понижается на 6° С.

Какова причина неодинакового нагревания воздуха в течение суток? Рассмотрите рисунок на слайде, постарайтесь сформулировать закономерность.

Закономерность : чем выше Солнце над горизонтом, тем больше угол падения солнечных лучей, следовательно, лучше прогревается поверхность Земли, а от нее воздух.

Суточный ход температуры воздуха.

В какое время суток температура воздуха бывает наибольшей и наименьшей? Объясните.

Как изменяется температура в течение года?

Подумайте, почему самые теплые и холодные месяцы - не июнь и декабрь, когда солнечны лучи имеют наибольший и наименьший углы падения на земную поверхность.

Температура воздуха - степень нагретости воздуха, определяемая при помощи термометра.

Температура воздуха - одна из важнейших характеристик погоды и климата.

Температура воздуха, а также почвы и воды в большинстве стран выражается в градусах международной температурной шкалы, или шкалы Цельсия (˚С). Ноль этой шкалы приходится на температуру, при которой тает лёд, а +100 ˚С - на температуру кипения воды. Однако в США и ряде других стран до сих пор не только в быту, но и в метеорологии используется шкала Фаренгейта (F). В этой шкале интервал между точками таяния льда и кипения воды разделён на 180˚, причём точке таяния льда приписано значение +32 ˚F. Нуль шкалы Цельсия соответствует +32 ˚F, а +100 ˚С = +212 ˚F.

Кроме того, в теоретической метеорологии применяется абсолютная шкала температур (шкала Кельвина ), K. Нуль этой шкалы отвечает полному прекращению теплового движения молекул, то есть самой низкой возможной температуре. По шкале Цельсия это будет −273 ˚С

Чтобы выявить общие закономерности изменения температуры, используют показатель средних температур: средних суточных, средних месячных, средних годовых.

Определите среднюю годовую температуру в Усть-Каменогорске

Проверка:

Отрицательные: -10°+(-7°)+(-2°)+(-2°)+(-6°)= -27°С

Положительные: 6°+13°+17°+18°+16°+12°+5°=+87°С

Средняя суточная t : 87° - 27°= 60°: 12= +5°С

Определяя изменение температуры, обычно отмечают ее самые высокие и самые низкие показатели. Разница между самыми высокими и самыми низкими показателями называется амплитудой температур. Запишите определение.

Определите амплитуду температур по таблице и схемам на слайде .

Задание : по рис. 86, стр.94 определите амплитуду температуры воздуха, пользуясь показаниями третьей пары термометров.

Обучающая практическая работа.

Составление графика суточного хода температуры (под руководством учителя)

Изотермы - это линии, соединяющие точки с одинаковой средней температурой воздуха за определенный промежуток времени.

Обычно показывают изотермы самого теплого и самого холодного месяцев года, т. е. июля и января.

IV . Закрепление изученного.

Учебник стр. 94

V . Домашнее задание.

§24, вопросы

В воскресенье отмечать температуру воздуха в 9ч, 12ч, 15ч, 18ч, 21ч. Данные занести в таблицу

Часы

9 ч

12 ч

15 ч

18 ч

21 ч

Солнечные лучи, проходя через прозрачные тела, нагревают их очень слабо. По этой причине прямые солнечные лучи почти не нагревают воздух атмосферы, а нагревают поверхность Земли, от которой прилегающим слоям воздуха передается тепло. Нагреваясь, воздух становится более легким и поднимается вверх, где перемешивается с более холодным, в свою очередь нагревая его.

По мере поднятия вверх воздух охлаждается. На высоте 10 км температура постоянно держится на отметке 40-45 °C.

Понижение температуры воздуха с высотой - это общая закономерность. Однако нередко наблюдается и повышение температуры по мере поднятия вверх. Такое явление называют температурной инверсией, т. е. перестановкой температур.

Возникают инверсии либо при быстром охлаждении земной поверхности и прилегающего воздуха, либо, наоборот, при стекании тяжелого холодного воздуха по склонам гор в долины. Там этот воздух застаивается и вытесняет более теплый вверх по склонам.

В течение суток температура воздуха не остается постоянной, а непрерывно изменяется. Днем поверхность Земли нагревается и нагревает прилегающий слой воздуха. Ночью Земля излучает тепло, охлаждается, и происходит охлаждение воздуха. Наиболее низкие температуры наблюдаются не ночью, а перед восходом солнца, когда земная поверхность уже отдала все тепло. Аналогично этому наиболее высокие температуры воздуха устанавливаются не в полдень, а около 15 ч.

На экваторе суточный ход температур однообразен, днем и ночью они почти одинаковы. Очень незначительны суточные амплитуды на морях и у морских побережий. А вот в пустынях днем поверхность земли часто нагревается до 50-60 °C, а ночью нередко охлаждается до 0 °C. Таким образом, суточные амплитуды превышают здесь 50-60 °C.

В умеренных широтах наибольшее количество солнечной радиации поступает на Землю в дни летних солнцестояний, т. е. 22 июня в Северном полушарии и 21 декабря в Южном. Однако самым жарким месяцем является не июнь (декабрь), а июль (январь), так как в день солнцестояния огромное количество радиации расходуется на нагревание земной поверхности. В июле (январе) радиация уменьшается, но эта убыль компенсируется сильно нагретой земной поверхностью.

Аналогично этому самый холодный месяц не июнь (декабрь), а июль (январь).

На море, в связи с тем что вода более медленно охлаждается и нагревается, смещение температур еще больше. Здесь самый жаркий месяц август, а самый холодный - февраль в Северном полушарии и соответственно самый жаркий - февраль и самый холодный - август в Южном.

Годовая амплитуда температур в значительной степени зависит от широты места. Так, на экваторе амплитуда в течение года остается почти постоянной и составляет 22-23 °C. Самые высокие годовые амплитуды характерны для территорий, расположенных в средних широтах в глубине континентов.

Любая местность характеризуется также абсолютными и средними температурами. Абсолютные температуры устанавливают путем многолетних наблюдений на метеостанциях. Так, самое жаркое (+58 °C) место на Земле находится в Ливийской пустыне; самое холодное (-89,2 °C) - в Антарктиде на станции «Восток». В Северном полушарии самая низкая (-70,2 °C) температура отмечена в поселке Оймякон в Восточной Сибири.

Средние температуры определяют как среднеарифметическое нескольких показателей термометра. Так, чтобы определить среднесуточную температуру, производят измерения в 1; 7; 13 и 19 ч, т. е. 4 раза в сутки. Из полученных цифр находят среднеарифметическую величину, которая и будет среднесуточной температурой данной местности. Затем находят среднемесячные и среднегодовые температуры как среднеарифметическое среднесуточных и среднемесячных.

На карте можно обозначить точки с одинаковыми значениями температур и провести линии, соединяющие их. Эти линии называют изотермами. Наиболее показательны изотермы января и июля, т. е. самого холодного и самого теплого месяца в году. По изотермам можно определить, как распределяется тепло на Земле. При этом прослеживаются отчетливо выраженные закономерности.

1. Самые высокие температуры наблюдаются не на экваторе, а в тропических и субтропических пустынях, где преобладает прямая радиация.

2. В обоих полушариях температуры понижаются от тропических широт к полюсам.

3. В связи с преобладанием моря над сушей ход изотерм в Южном полушарии более плавный, а амплитуды температур между самым жарким и самым холодным месяцем меньше, чем в Северном.

Суточный ход температуры воздуха у земной поверхности

1. Температура воздуха изменяется 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. Над поверхностью моря условия сложнее, о чем будет сказано дальше.

Рост температуры воздуха начинается вместе с ростом температуры почвы (минут на 15 позже) утром, после восхода солнца. В 13-14 ч температура почвы, как мы знаем, начинает понижаться. В 14-15 ч начинает падать и температура воздуха. Таким образом, минимум в суточном ходе температуры воздуха у земной поверхности приходится на время вскоре после восхода солнца, а максимум - на 14-15 ч.

Суточный ход температуры воздуха достаточно правильно проявляется лишь в условиях устойчивой ясной погоды. Еще более закономерным представляется он в среднем из большого числа наблюдений: многолетние кривые суточного хода температуры- плавные кривые, похожие на синусоиды.

Но в отдельные дни суточный ход температуры воздуха может быть очень неправильным. Это зависит от изменений облачности, меняющих радиационные условия на земной поверхности, а также от адвекции, т. е. от притока воздушных масс с другой температурой. В результате этих причин минимум температуры может сместиться даже на дневные часы, а максимум - на ночь. Суточный ход температуры может вообще исчезнуть или кривая суточного изменения примет сложную форму. Иначе говоря, регулярный суточный ход перекрывается или маскируется непериодическими изменениями температуры. Например, в Хельсинки в январе с вероятностью 24 % суточный максимум температуры приходится на время между полуночью и часом ночи, и только в 13% он приходится на промежуток времени от 12 до 14 ч.

Даже в тропиках, где непериодические изменения температуры слабее, чем в умеренных широтах, максимум температуры приходится на послеполуденные часы только в 50 % всех случаев.

В климатологии обычно рассматривается суточный ход температуры воздуха, осредненный за многолетний период. В таком осредненном суточном ходе непериодические изменения температуры, приходящиеся более или менее равномерно на все часы суток, взаимно погашаются. Вследствие этого многолетняя кривая суточного хода имеет простой характер, близкий: к синусоидальному.
Для примера приводим на рис. 22 суточный ход температуры воздуха в Москве в январе и июле, вычисленный по многолетним данным. Вычислялась многолетняя средняя температура для каждого часа январских или июльских суток, а затем по полученным средним часовым значениям были построены многолетние кривые суточного хода для января и июля.

Рис. 22. Суточный ход температуры воздуха в январе (1) и июле (2). Москва. Средняя месячная температура 18.5 °С для июля, -10 "С для января.

2. Суточная амплитуда температуры воздуха зависит от многих влияний. Прежде всего она определяется суточной амплитудой температуры на поверхности почвы: чем больше амплитуда на поверхности почвы, тем больше она в воздухе. Но суточная амплитуда температуры на поверхности почвы зависит в основном от облачности. Следовательно, и суточная амплитуда температуры воздуха тесно связана с облачностью: в ясную погоду она значительно больше, чем в пасмурную. Это хорошо видно из рис. 23, на котором представлен суточный ход температуры воздуха в Павловске (под Ленинградом), средний для всех дней летнего сезона и отдельно для ясных и пасмурных дней.

Суточная амплитуда температуры воздуха изменяется еще по сезонам, по широте, а также в зависимости от характера почвы и рельефа местности. Зимой она меньше, чем летом, так же как и амплитуда температуры подстилающей поверхности.

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 °С, под широтой 60° около 6 °С, под широтой 70° только 3 °С. В самых высоких широтах, где солнце не восходит или не заходит много дней подряд, регулярного суточного хода температуры нет вовсе.

Имеет значение и характер почвы и почвенного покрова. Чем больше суточная амплитуда температуры самой поверхности почвы, тем больше и суточная амплитуда температуры воздуха над ней. В степях и пустынях средняя суточная ампли-

Туда достигает 15-20 °С, иногда 30 °С. Над густым растительным покровом -она меньше. На суточной амплитуде сказывается и близость водных бассейнов: в приморских местностях она меньше.

Рис. 23. Суточный ход температуры воздуха в Павловске в зависимости от облачности. 1 - ясные дни, 2 - пасмурные дни, 3 - все дни.

На выпуклых формах рельефа местности (на вершинах и склонах гор и холмов) суточная амплитуда температуры воздуха уменьшена в сравнении с равнинной местностью, а на вогнутых формах рельефа (в долинах, оврагах и лощинах) увеличена (закон Воейкова). Причина заключается в том, что на выпуклых формах рельефа воздух имеет уменьшенную площадь соприкосновения с подстилающей поверхностью и быстро сносится с нее, заменяясь новыми массами воздуха. В вогнутых же формах рельефа воздух сильнее нагревается от поверхности и больше застаивается в дневные часы, а ночью сильнее охлаждается и стекает по склонам вниз. Но в узких ущельях, где и приток радиации, и эффективное излучение уменьшены, суточные амплитуды меньше, чем в широких долинах.

3. Понятно, что малые суточные амплитуды температуры на поверхности моря имеют следствием и малые суточные амплитуды температуры воздуха над морем. Однако эти последние все же выше, чем суточные амплитуды на самой поверхности моря. Суточные амплитуды на поверхности открытого океана измеряются лишь десятыми долями градуса, но в нижнем слое воздуха над океаном они доходят до 1 - 1,5 °С (см. рис. 21), а над внутренними морями и того больше. Амплитуды температуры воздуха повышены потому, что на них сказывается влияние адвекции воздушных масс. Также играет роль и непосредственное поглощение солнечной радиации нижними слоями воздуха днем и излучение ими ночью.

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.