какие температуры воздуха следует называть высокими
Температура воздуха
Температура воздуха — одно из свойств воздуха в природе, выражающегося количественно.
Содержание
Общая характеристика
Температура воздуха в каждой точке атмосферы непрерывно меняется; в разных местах Земли в одно и то же время она также различна. У земной поверхности температура воздуха варьируется в довольно широких пределах: крайние её значения, наблюдавшиеся до сих пор, +56,7˚ (в США[1][2]) и около −89.4˚ (на материке Антарктида). С высотой температура воздуха меняется в разных слоях и случаях по-разному. В среднем она сначала понижается до высоты 10-15 км, затем растёт до 50-60 км, потом снова падает и т. д.
Относительная шкала
Температура воздуха, а также почвы и воды в большинстве стран выражается в градусах международной температурной шкалы, или шкалы Цельсия (˚С), общепринятой в физических измерениях. Нуль этой шкалы приходится на температуру, при которой тает лёд, а +100˚ — 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˚. Таким образом, величина одного градуса Фаренгейта равна 5/9˚С, а нуль шкалы Фаренгейта приходится на −17.8˚С. Нуль шкалы Цельсия соответствует +32˚F, а +100˚С = +212˚F.
Абсолютная шкала
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 −273,15∓0.03˚С. Но на практике за абсолютный нуль принимается в точности −273˚С. Величина единицы абсолютной шкалы равна величине градуса шкалы Цельсия. Поэтому нуль шкалы Цельсия соответствует 273 абсолютной шкалы (273К). По абсолютной шкале все температуры положительные, то есть выше абсолютного нуля.
Рекорды температур
Наиболее низкие температуры воздуха у поверхности земли наблюдаются на полюсах планеты. При этом могут подразумеваться либо абсолютные минимумы температуры, либо минимумы средние годовые ее величины.
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА
В связи с установившейся высокой температурой воздуха, Главное управление МЧС России по Курской области обращается к гостям и жителям региона: соблюдайте меры предосторожности! Постарайтесь ограничить время пребывания на солнце, примите необходимые меры, чтобы не допустить теплового или солнечного ударов! Берегите своё здоровье и здоровье своих близких!
Влияние жары на здоровье человека
Не рекомендуется долго находиться на солнце, особенно с непокрытой головой. Необходимо регулярно принимать жидкость. Утолять жажду предпочтительнее прохладными (но не холодными!) напитками: водой (лучше минеральной), чаем, соком, но ни в коем случае не алкоголем, кофе или пивом. Кроме того, нужно контролировать температуру в помещении и не находиться непосредственно под вентилятором или кондиционером. Следует надевать на себя легкую, светлую одежду из натуральных тканей (хлопок, лен, шелк).
Больным с заболеваниями сердечно-сосудистой системы необходимо четко выполнять рекомендации врача и своевременно принимать назначенные медикаменты. Людям, страдающим артериальной гипертонией, необходимо регулярно контролировать свое артериальное давление.
Больным сахарным диабетом нужно более тщательно следить за уровнем сахара в крови.
Людям, принимающим антибиотики, категорически не рекомендуется находиться на солнце, так как некоторые антибиотики повышают чувствительность кожи, что приводит к солнечным ожогам кожи. То же самое касается людей, страдающих онкологическими заболеваниями и получающим химиотерапевтические препараты.
Людям, страдающим сердечно-сосудистыми и легочными заболеваниями, не рекомендуется пользоваться городским транспортом в жаркое время суток.
Используя эти простейшие меры профилактики, можно легче перенести жаркие знойные дни и избежать ухудшения состояния здоровья.
Кардиологи советуют избегать летом употребление алкоголя, особенно это касается тяжелых алкогольных напитков.
Факторы, способствующие тепловому и солнечному ударам
• слишком большая масса тела;
• состояние повышенного психоэмоционального напряжения;
• препятствия для рассеивания тепла – слишком плотная одежда, плохо проветриваемые помещения;
• сердечно-сосудистые и эндокринные заболевания;
• проблемы неврологического характера;
• прием некоторых лекарственных средств;
• состояние алкогольного опьянения;
• курение.
Определение термина и общие сведения
Показателем степени нагревания воздуха является его температура. Характер ее изменения и распределения в слоях атмосферы называется тепловым режимом. Основной фактор, определяющий его параметры, — теплообмен между разными слоями атмосферы и окружающей средой. Верхние слои нагреваются за счет солнечной радиации довольно слабо. Основным источником повышения температуры приповерхностных воздушных слоев служит тепло, получаемое при попадании солнечных лучей в литосферу и гидросферу.
Влияние широты
В разных широтах воздушные массы нагреваются неодинаково. Значение температуры определяется углом падения солнечных лучей на земную поверхность в исследуемой зоне. Чем более отвесно они падают, тем сильней прогревают нижние слои атмосферы. Как температура воздуха зависит от географической широты:
Таким образом, чем выше широта, тем ниже температура. Угол падения солнечных лучей в определенной местности можно найти так: отнять от 90° значение широты, на которой она расположена. Температурный режим зависит от расстояния между точкой измерения и уровнем моря. Поэтому верно утверждение: с высотой температура воздуха изменяется, уменьшаясь на один градус при подъеме на один километр. Эта взаимосвязь определяется двумя причинами:
Земля вращается вокруг Солнца, поэтому в течение разных промежутков времени (сутки, месяц, год) ее поверхность освещается под разными углами. Помимо солнечной радиации, большое влияние на температурные значения оказывает география перемещений воздушных масс. Например, от холодного арктического воздуха температура будет понижаться, а от теплого с Гольфстрима — повышаться.
Подстилающая поверхность
Важным фактором при понимании, от чего зависит температура воздуха, является понятие подстилающей поверхности. Это один из внутренних климатообразующих факторов, включающий в себя соотношение океана и суши на местности, ее рельеф, структуру деятельного слоя климатической зоны. Он влияет на эффективность излучения с поверхности и количество тепла, затраченного на испарение.
Кроме того, вид поверхности играет важную роль в формировании и перемещении воздушных масс. Температура воздуха изменяется неодинаково над водной поверхностью и над сушей.
Способы и единицы измерения
Единица измерения температуры в СИ (общепринятая международная система единиц измерения) — Кельвин. Начало шкалы Кельвина совпадает с абсолютным нулем — точкой прекращения всех термодинамических процессов, которая считается недостижимой. Замерзание воды по этой шкале начинается при +273°К.
Самое широкое распространение получили температурные измерения по шкале Цельсия. Отсчетными точками для нее были взяты температуры таяния льда (0 °C) и кипения воды (100 °C). В США чаще всего пользуются шкалой Фаренгейта. Нормальная температура человеческого тела соответствует по ней 96°F, а «огненным» значением, необходимым для возгорания бумаги, называется известный роман-антиутопия Рэя Бредбери «251 градус по Фаренгейту».
Измеряться температурные данные могут разного типа термометрами. Для бытовых измерений используются жидкостные стеклянные термометры, в которых рабочей жидкостью может быть спирт или ртуть. Для точных метеорологических измерений термометр помещается в специальную будку, расположенную на высоте двух метров над землей. Прибор обязательно должен находиться в тени, иначе он будет измерять температуру солнечных лучей, а не воздуха.
Для непрерывного измерения и регистрации степени нагрева воздушных масс метеорологами используются термографы, основной элемент которого — биметаллический термометр.
Средние значения и амплитуда температур
Одна из характеристик климата географической точки — среднесуточная температура. Ее можно определить как среднее арифметическое от замеров, сделанных 4 раза за сутки:
Среднегодовая температура является средним арифметическим от суммы температур всех месяцев года. Соответственно, среднемесячная определяется по сумме ежедневных данных за месяц, разделенной на число дней в месяце.
Температурные колебания в каком-либо регионе характеризуются амплитудой температуры, т. е. разницей между самым высоким и самым низким значением, зафиксированным за определенный промежуток времени. Обычно говорят о суточной, месячной или годичной амплитуде.
В России самые большие амплитуды имеют суточные температурные колебания, происходящие в ясную погоду весной и летом.
Амплитуда колебаний зависит от многих факторов. Прежде всего — это температурные изменения на подстилающей поверхности, чем шире их диапазон, тем больше амплитуда температуры воздуха. Она зависит и от облачности: в ясную погоду колебания сильнее, чем в пасмурную. Сезонные показатели длительного воздействия также отличаются — зимой они меньше, чем летом. С увеличением широты амплитуда температуры воздушных масс идет на убыль, поскольку убывает высота, на которую поднимается солнце к полудню.
Суточная амплитуда неодинакова на разных формах рельефа земной поверхности. На склонах и вершинах холмов и гор она меньше, чем на равнинных территориях. Это объясняется тем, что у выпуклых рельефных форм площадь соприкосновения воздуха и подстилающей поверхности меньше, чем у плоских. Кроме того, на них воздушные массы быстро сменяются на новые.
В оврагах и лощинах форма рельефа вогнутая. Здесь происходит более сильный нагрев воздуха от поверхности и застаивание его в дневные часы. Ночью большие массы холодного воздуха стекают по стенкам вниз. Поэтому в таких местах наблюдается повышенная амплитуда температуры. Но в очень узких ущельях, где приток солнечной радиации небольшой, этот показатель даже меньше, чем в широких долинах.
На материковой широте 20—30° суточная амплитуда, взятая в среднем за год, составляет около двенадцати градусов Цельсия. На широте 60° — примерно 6 °C, а на широте 70° — всего 3 °C.
Имеет значение и почвенный покров: в местности, где он густой и обширный, суточный разброс температур небольшой, а в сухом климате пустынь, полупустынь и степей может достигать 30 °C. Расположение климатической зоны вблизи морей и океанов уменьшает амплитуду.
Суточный ход на суше
Изменения температуры воздуха происходят вместе с изменением температуры подстилающей поверхности с задержкой примерно 15 минут. В течение суток самые низкие показания у термометра наблюдаются в 4−6 часов утра. Так происходит потому, что воздушные массы, нагретые за дневные часы, в ночные постепенно остывают.
Пик процесса понижения приходится как раз на время перед восходом Солнца. С раннего утра солнечные лучи начинают постепенно нагревать воздух, успевший остыть за ночь. Днем солнце достигает зенита, согревая не только воздушные массы, но и поверхность земли. Самое большое значение термометр показывает в 14−16 часов.
К этому времени атмосфера начинает получать тепло и от солнечной энергии, и от нагретой подстилающей поверхности, а температурный показатель достигает своего максимального значения. Потом начинается постепенное остывание и земли, и воздуха. Правильные наблюдения за суточным ходом температуры желательно проводить при ясной погоде.
Закономерности суточного хода лучше прослеживаются в средних значениях при большом числе наблюдений. В виде графиков они представляют собой плавные кривые, сходные с синусоидами. В самых высоких широтах солнце не заходит или не восходит неделями, там регулярного суточного хода температуры нет.
Особенности теплообмена над водными поверхностями
Суточные амплитуды над поверхностью морей и океанов больше значений на самой поверхности. Их диапазон колебаний небольшой — в пределах десятых долей градуса. В нижних слоях атмосферы над океанами колебания достигают 1−1,5 °C, над внутренними морями — до 5 °C. Это происходит потому, что днем солнечная радиация поглощается водяным паром в самых нижних слоях воздуха, а ночью от них исходит длинноволновое тепловое излучение.
Отличия условий прогревания воды и суши обусловлены тем, что теплоемкость твердой поверхности в два раза меньше, чем у водной. Одинаковое количество тепла нагревает сушу в два раза быстрее воды. При охлаждении наблюдается обратный процесс. Кроме того, тепло над водными поверхностями расходуется на испарение воды и на прогревание водных масс на значительную глубину. При этом происходит перемешивание воды в вертикальном направлении.
Все это причины того, что в океанах накапливается намного больше тепла, чем на материках. Вода удерживает его долгое время и расходует равномерней суши. Можно утверждать, что температура воздуха над океанами повышается и понижается значительно медленней, чем на суше.
Годовые и ежемесячные изменения
Изменение температурных показателей по месяцам называют годовым ходом температуры и характеризуют годовой амплитудой, т. е. разностью между средней температурой самого теплого месяца и самого холодного.
Климат называется морским, если для него характерны небольшие годовые колебания температуры. Большая амплитуда определяет континентальный климат. Таким образом, климатические изменения происходят не только от экватора к полюсам, но и вдоль широт при удалении от берегов океанов вглубь материков.
На годовой ход оказывают влияние широта и континентальное месторасположение географических зон. Увеличение высоты над уровнем моря приводит к уменьшению температурных колебаний за год. Определение средней многолетней амплитуды и времени наступления минимальной и максимальной температуры позволяет выделить четыре типа годового хода:
Тема изменения температуры очень важна для определения метеорологических условий в каждой из географических зон земной поверхности. Температурная климатическая норма — это среднее значение, вычисленное за тридцатилетний период. При отслеживании погоды для наглядности применяются такие статистические величины, как отклонения от нормы или аномалии за сутки, месяц, сезон или год.
Роспотребнадзор
Роспотребнадзор
Правила поведения населения при аномально высоких температурах воздуха
Правила поведения населения при аномально высоких температурах воздуха
С приходом долгожданных жарких летних дней необходимо помнить об опасности аномально высоких температур. В это время как никогда высоки риски получения солнечного и теплового удара и обезвоживания, переутомления, обострения хронических заболеваний. Вот почему так важно знать и соблюдать правила поведения в жаркую погоду.
• В жаркие дни следует носить легкую, свободную одежду из натуральных тканей (хлопка, льна, шелка) светлых тонов и неприлегающим силуэтом, чтобы обеспечить телу достаточный воздухо- и теплообмен. Следует отказаться от ношения тугих поясов и ремней, которые ухудшают кровообращение. В жару также стоит отказаться от обуви на каблуках, что поможет избежать отечности ног. Ходить в майке на узких бретельках или с голым торсом в такую погоду — абсолютная ошибка. В такую жару не надо раздеваться. Лучше отдать предпочтение свободной одежде, максимально закрывающей руки и ноги, не говоря уже о груди, животе и спине. Не стесняйтесь носить кепки, панамы или шляпы. В дни с повышенной температурой воздуха (выше 28 о С) не выходите на улицу без особой необходимости, особенно в период максимальной солнечной активности (с 11 до 17 часов). Если же такой возможности нет, надо выбирать затененные стороны улицы и обязательно прикрывать голову головным убором или использовать солнцезащитный зонт, а также применять средства специальной солнцезащитной косметики на водной основе, отражающие ультрафиолетовое излучение и не препятствующие дыханию кожи.
• Для защиты организма от обезвоживания необходимо больше пить – не менее 1,5 – 3 литров в день. Не рекомендуется употреблять алкоголь (в том числе и пиво) и газированные напитки, которые не только не утоляют жажду, но и замедляют обменные процессы в организме. При обильном потоотделение организм теряет необходимое количество минеральных солей, поэтому питьевую воду можно слегка подсаливать, либо употреблять негазированную минеральную воду. Следует обратить внимание на то, чтобы вода не была холодной, так как в жару увеличивается риск заболеть ангиной и ОРЗ.
• В жару необходимо больше пить, чем есть. Жаркая погода обезвоживает организм, что ведет к сгущению крови. Поэтому летом лучше отдавать предпочтение продуктам с большим содержанием жидкостей, и как можно чаще между приемами пищи выпивать стакан-другой любого освежающего и питательного напитка. В жаркую погоду исключить из своего рациона жирные, жареные и сладкие блюда. В меню должна быть легкая пища – овощи, фрукты, отварная или тушеная рыба, курица, холодные супы и окрошки. Летом очень полезны все лиственные зеленые овощи. Они обеспечивают организм не только витаминами, но и минеральными солями, которые теряются при выделении пота. Особенно хороши зелень горчицы, кресс-салат, шпинат, сельдерей, салат, ботва свеклы и других овощей, как в сыром, так и в приготовленном виде. Помните о правилах санитарной гигиены – тщательно мойте овощи и фрукты проточной водой, мясо, рыбу обязательно проваривайте. Внимательно следите за сроком годности приобретенной молочной продукции, на жаре она портится гораздо быстрее.
• Как можно чаще принимайте душ. Регулярное очищение позволяет коже дышать намного эффективнее. Вода должна быть комнатной температуры, приятной для тела. А попытка охладиться ледяной водой — самый короткий путь к пневмонии, которая развивается из-за резкой смены температур. Конечно, и купание в открытых водоемах — неплохой способ охладиться, только не стоит делать это на необорудованных пляжах и в стоячей воде.
• Людям, страдающим сердечно-сосудис тыми, онкологическими заболеваниями, болезнями органов дыхания, любыми хроническими заболеваниями, необходимо проконсультирова ться с лечащим врачом по вопросам предупреждения обострений этих заболеваний и их осложнений.
• Здоровые люди тоже должны позаботиться о своем здоровье и соблюдать правила поведения в жаркие дни во избежание тепловых и солнечных ударов, повышения артериального давления и др.
• Особое внимание в жару – детям! Детский организм особо чувствителен к повышенной температуре окружающей среды. Симптомы перегрева ребенка – покраснение кожи, повышенная температура, вялость, тошнота, беспричинные капризы, частое дыхание с одышкой, судороги и даже обморок. При первых проявлениях этих симптомов с ребенка необходимо снять одежду, уложить в горизонтальное положение, протереть все тело влажной салфеткой или смоченной в воде тканью и обязательно поить каждые 5-10 минут. При потере сознания незамедлительно вызывайте скорую помощь.
• Все перечисленные симптомы наблюдаются и при тепловом или солнечном ударе у взрослых. Поэтому, пострадавшего необходимо уложить в прохладном месте, на голову – холодный компресс. Если он в сознании, дать ему обильное питье, если нет – приводить в чувство с помощью нашатырного спирта и ждать приезда бригады скорой помощи.
• Находясь загородом на дачных участках помните о режиме труда: 30-40 минут поработали, 15-20 – отдохните. Если появились одышка, перебои в работе сердца, слабость, головокружение или, ещё хуже, загрудинные боли, немедленно прекратите любые физические действия. В личной аптечке всегда должны быть сердечные средства. Это препараты для снижения давления, прописанные лечащим врачом, валокордин, валидол и нитроглицерин.
Выполняя эти простые рекомендации, даже в условиях аномальной жары можно сохранить свое здоровье и здоровье своих детей.
Если в жару человеку стало плохо, помогите ему перебраться в тень. Освободите грудную клетку, расстегнув рубашку, ослабив давления пояса, воротника, ремня.…
Обрызгайте лицо и грудь водой. Если он жалуется на загрудинную боль, ощущение сдавленности, камня на груди, дайте под язык таблетку нитроглицерина. Если боль не проходит, нужно принять аспирин. И как можно скорей вызывайте «скорую помощь».
Тепловой режим атмосферы
Содержание
Причины изменений температуры воздуха
Основная часть солнечной радиации, которая поступает в околоземное пространство, поглощается земной поверхностью. Тепло земной поверхности, в свою очередь, передаётся расположенным ниже слоям почвы или воды и определяет как их температурный режим, так и температуру прилегающих к ним слоёв атмосферы.
Распределение температуры воздуха в атмосфере и его непрерывные изменения называют тепловым режимом атмосферы. Этот тепловой режим атмосферы определяется обменом тепла — теплообменом между атмосферным воздухом и окружающей средой. Эта характеристика состояния атмосферы чрезвычайно изменчива и имеет существенные отклонения в течение суток, сезона, года и т. д., в различных слоях атмосферы и географических зонах на нашей планете. Она находится в зависимости от целого ряда причин: от количества поступающей солнечной радиации, величины альбедо подстилающей поверхности, отражающих свойств в различных слоях атмосферы и эффективного излучения Земли.
На испарение затрачивается тепло, которое переходит в скрытое тепло парообразования. При конденсации водяного пара это скрытое тепло выделяется и идёт на нагревание воздуха, а иногда почвы и водной поверхности, если конденсация происходит на земной поверхности.
Кроме того, изменения температуры воздуха могут происходить и «независимо от теплообмена» — адиабатически. Такие изменения температуры связаны с изменением атмосферного давления. При понижении давления и, следовательно, при расширении объёма воздуха температура его падает. При сжатии воздуха температура его растёт. Адиабатические изменения состояния атмосферы происходят при движении воздуха с вертикальной составляющей. Если атмосферный процесс протекает достаточно быстро и теплообмен за это время мал, то изменение состояния воздуха можно приближённо считать адиабатическим. Следует, однако, иметь в виду, что строго адиабатических процессов в атмосфере быть не может — никакая масса воздуха не может быть полностью изолирована от теплового влияния окружающей среды.
Для нижних слоёв атмосферы непосредственное поглощение солнечной радиации сравнительно мало. По этой причине малы и связанные с этим процессом изменения температуры воздуха (около 0,1–0,2 ºC в час до высот 3 км). Большее значение для теплового состояния нижних слоёв воздуха имеют поглощение им длинноволновой радиации земной поверхности и теплообмен с земной поверхностью путём теплопроводности.
Основным механизмом, посредством которого осуществляется передача тепла в почве, является молекулярная теплопроводность. Температура почвы на разных глубинах испытывает периодические колебания, но амплитуда их с глубиной уменьшается. Между земной поверхностью и расположенными ниже слоями почвы происходит обмен тепла. Количественно этот теплообмен характеризуется тем потоком тепла, который направлен либо от поверхности в глубь почвы, либо в обратном направлении. В суточном ходе температуры поверхности почвы максимум наблюдается в условиях максимальной инсоляции вскоре после полудня (около часа дня), а минимум — перед восходом солнца.
Наличие растительного покрова на поверхности почвы оказывает существенное влияние на тепловой режим почвы. С одной стороны, он уменьшает нагревание почвы в дневные часы, а с другой, растительный покров уменьшает охлаждение поверхности почвы в ночные часы, задерживая тепло, отдаваемое эффективным излучением.
Тепло, аккумулируемое почвой в летнее время, к зиме с уменьшением притока солнечной радиации отдаётся атмосфере.
В зимний период существенное влияние на тепловой режим почвы оказывает снежный покров — он предохраняет почву от глубокого промерзания и в то же время приводит к ослаблению теплообмена между почвой и атмосферой.
Условия распространения тепла в водных бассейнах отличны от тех же условий в почве по ряду признаков. Механизмы поглощения и излучения радиации в водных бассейнах и почве различны. Основную роль в распространении тепла в водных бассейнах играет турбулентное перемешивание, а не молекулярная теплопроводность.
Распространение тепла в водных бассейнах определяется подвижностью частиц воды. Благодаря этому свойству возможно перемешивание тёплых и холодных масс воды под воздействием чисто механических сил (например, под воздействием ветра). Кроме этого, в водной среде возникает конвекционный перенос тепла.
Слой воды, в котором наблюдаются суточные, сезонные и годовые колебания температуры, в водных бассейнах значительно больше, чем в почве. В океанах и морях заметные суточные колебания температуры наблюдаются до глубин 15–20 м, а годовые — даже до глубины 200–400 м. Сама же величина амплитуды температурных колебаний, как суточных, так и годовых невелика.
Суточной (годовой) амплитудой температурных колебаний называется разность между суточным (годовым) максимумом и суточным (годовым) минимумом температуры.
На поверхности океанов она составляет обычно несколько десятых долей градуса в суточном ходе (0,1–0,2 ºC в умеренных широтах и около 0,5 ºC в тропиках) и несколько градусов в годовом ходе. Суточные колебания температуры воды на поверхности океана имеют максимум около 15–16 часов, а минимум через 2–3 часа после восхода солнца. В мелководных бассейнах ограниченного размера, внутренних морях и глубоководных озёрах амплитуда суточных колебаний достигает значений порядка нескольких градусов (1–5 ºC), а амплитуда годовых колебаний составляет около 15–20 ºC.
Причина малых амплитуд температуры в океанах и морях обусловлена тем, что теплоёмкость воды значительно больше, чем теплоёмкость почвы, поэтому при одном и том же количестве поступившей энергии температурный эффект, обусловленный ею, в воде будет во много раз меньше, чем в почве. Водные бассейны больших размеров способны аккумулировать тепла в 20–30 раз больше, чем суша.
Как суточные, так и годовые колебания температуры распространяются в воде до бóльших глубин, чем в почве (конечно, с запозданием). Суточные колебания температуры обнаруживаются в море на глубинах до 15–20 м, а годовые — до 150–400 м.
Особенностью теплового режима больших водных бассейнов в холодное и тёплое время года является то, что влияние их сказывается на температуре воздуха в нижних слоях атмосферы. Оно проявляется в том, что отепляющее влияние этого режима сказывается зимой и, наоборот, умеряющее влияние — в тёплую половину года. Благодаря этому вблизи крупных морских бассейнов температура воздуха летом несколько ниже, чем в более континентальных районах мира, а зимой — выше, чем вдали от них.
Атмосфера, исключая её верхние слои, за счёт поглощения солнечной радиации нагревается незначительно. Она получает тепло в основном от земной поверхности — водной поверхности и поверхности суши. Между земной поверхностью и атмосферой постоянно происходит сложный процесс обмена теплом.
Воздух, непосредственно прилегающий к земной поверхности, обменивается с нею теплом вследствие молекулярной теплопроводности. Однако внутри атмосферы действует другая, более эффективная передача тепла путём турбулентной теплопроводности. Турбулентная теплопроводность увеличивает также передачу тепла от земной поверхности в воздух или обратно.
Понятие температуры воздуха нуждается в некоторых пояснениях. Когда речь идёт о температуре воздуха у земной поверхности, следует понимать, что она может измеряться как над поверхностью суши, так и над поверхностью моря. Изменения температуры воздуха, происходящие в определённом количестве или объёме воздуха, можно назвать индивидуальными. Они характеризуют изменения состояния данного количества воздуха.
Температура же воздуха у земной поверхности на сети гидрометеорологических станций — это температура воздуха, измеренная в психрометрической будке на метеорологической площадке, причём резервуары термометров помещаются на высоте 2 м над поверхностью почвы. Только при специальных исследованиях состояния приземного слоя воздуха термометры помещаются на различных уровнях — более низких или более высоких (градиентные наблюдения). На судах термометры устанавливаются на других уровнях, исходя из некоторых конструктивных особенностей надстройки судна. Кроме этого следует учитывать, что на судах температура воздуха наблюдается не в метеорологических будках, а в «нестандартных условиях», с использованием портативного прибора для измерения температуры и влажности воздуха — аспирационным психрометром Ассмана.
Суточный ход температуры водной поверхности (моря) и температуры воздуха на высоте до 6 м уже может иметь существенные различия. Подобно тому, как в почве или воде нагревание и охлаждение передаются от поверхности в глубину, так и в воздухе нагревание и охлаждение передаются из нижнего слоя в более высокие слои, в зависимости от тепловых условий на подстилающей поверхности и ряда других факторов. Нерадиационная передача тепла над водной поверхностью передаётся также за счёт адвекции тепла и особенностей турбулентной теплопроводности, т. е. при перемешивании воздуха. Над морем суточная амплитуда температуры несколько растёт с высотой, но всё же остаётся малой.
Непериодические изменения температуры воздуха
Непериодические изменения температуры воздуха в атмосфере связаны главным образом с переносом воздушных масс из других районов Земли.
Воздушные массы можно в наиболее общем виде разделить на тёплые, холодные и местные.
Тёплая воздушная масса (например, тропический воздух или морской полярный воздух зимой над материком) движется на более холодную подстилающую поверхность. Она при этом охлаждается снизу.
Холодная воздушная масса (например, арктический воздух, морской полярный воздух над материками) движется на более тёплую подстилающую поверхность и при этом нагревается снизу.
Местные воздушные массы — это воздушные массы, которые формируются и длительное время сохраняются в том или ином географическом районе.
Температура воздуха в атмосфере будет изменяться вследствие непрерывной смены воздуха в данном месте, т. е. вследствие прихода воздуха различных воздушных масс, где он имеет другую температуру. Эти изменения температуры называют адвективными. Адвекция связана с притоком в данное место новых воздушных масс из других частей земного шара. Если в данное место поступает воздух с более высокой температурой, то говорят об адвекции тепла, если с более низкой — об адвекции холода.
Общие изменения температуры в зафиксированной географической точке, зависящие и от индивидуальных изменений состояния воздуха, и от адвекции, называют локальным (местным) изменением.
Особенно значительные похолодания, иногда называемые «волнами холода», происходят в умеренных широтах в связи с вторжениями холодных воздушных масс, поступающих с Северного Ледовитого океана в Северном полушарии и из Антарктиды и Южного океана в Южном полушарии. Холодные воздушные массы иногда проникают в Средиземноморский бассейн и даже достигают Северной Африки и Передней Азии. Это иногда определяет и климатические условия Средиземноморского бассейна. На Дальнем Востоке и в Северной Америке нет горных хребтов, проходящих в широтном направлении. Поэтому холодные массы арктического воздуха в Тихоокеанском бассейне могут беспрепятственно проникать далеко на юг. В Азии над морями это влияние ощущается в районе Японских островов. В Северной Америке «волны холода» проникают в отдельные годы до Флориды и Мексиканского залива.
Над океанами холодные воздушные массы могут проникать глубоко в тропики. Конечно, при этом холодный воздух прогревается над тёплой водой, но всё же он может создать заметные понижения температуры воздуха и водной поверхности.
Вторжения морского воздуха из средних широт Атлантического океана в Европу создают заметное потепление зимой и похолодание летом.
В Северную Америку тропический воздух вторгается как с Тихого, так и с Атлантического океана, особенно с Мексиканского залива, что существенно смягчает континентальный климат.
Даже в приполюсных районах Северного Ледовитого океана температура воздуха зимой иногда повышается до нуля в результате выноса тепла из умеренных широт, причём потепление можно проследить во всей тропосфере.
Перемещение воздушных масс в атмосфере, приводящее к адвективным изменениям температуры воздуха над поверхностью океанов, связано с общей циркуляцией атмосферы и особенностями проявления циклонической активности.
Тепловые изменения в приземном слое атмосферы
Нагрев и охлаждение земной поверхности по своей природе зависит от прихода и расхода тепла.
В летнее время приток тепла на подстилающую поверхность (суши и верхних слоёв океанов и морей) превышает в целом количество излучаемой ею тепловой энергии. Поэтому происходит нагревание земной поверхности. В тёмное время суток и особенно зимой наблюдается значительное излучение тепловой энергии с поверхности Земли и происходит её охлаждение. Процессы нагревания и охлаждения различных участков суши и водной поверхности довольно сложны. Они определяются и зависят от целого ряда факторов, без учёта которых понять эти процессы и механизмы теплообмена невозможно.
Температура воздуха в каждой точке атмосферы непрерывно изменяется. В одно и то же время в разных географических точках, в том числе и у земной поверхности, она тоже различна. Температура воздуха на сети метеорологических станций варьируется в довольно широких пределах (в тёплое время года от 0 ºC до +60 ºC, а в холодное время года от −0 ºC до −90 ºC).
Тепловой режим тропосферы
Температура воздуха у поверхности Земли зависит, прежде всего, от притока солнечного тепла и характера подстилающей поверхности. Над сушей минимум температуры воздуха наступает незадолго до восхода солнца, а над океаном — через 2–3 часа после восхода. С восходом солнца быстро повышается температура земной поверхности и путём турбулентного обмена и излучения тепла от земной поверхности передаётся воздуху.
Максимум температуры воздуха обычно наступает над сушей в 14–15 часов местного времени, а над океаном — в 15–16 часов. Затем температура воздуха начинает понижаться, сначала медленно, а затем до захода солнца — быстро. После захода солнца, в течение ночи, процесс понижения температуры воздуха замедляется, но в целом характеризуется медленным понижением.
Суточный ход температуры воздуха у земли достаточно правильно проявляется лишь в условиях устойчивой ясной погоды. В отдельные дни и даже более длительные периоды времени суточный ход температуры воздуха нарушается. Например, максимум температуры может оказаться в ночные часы, минимум — в дневные, а иногда отмечается ровный ход температуры в течение всего рассматриваемого периода времени. Эти нарушения в суточном ходе температуры у поверхности Земли связаны с циркуляционными процессами в атмосфере, сменой воздушных масс и рядом других причин.
Амплитуда суточного хода температуры воздуха над океаном значительно меньше, чем над сушей. В среднем над океанами и морями она составляет 1,0–1,5 ºC. Над сушей амплитуда температуры воздуха в 10–15 раз больше, чем над водной поверхностью.
Величина амплитуды температуры воздуха зависит от времени года. В умеренных широтах летом над сушей она в 3–4 раза больше, чем зимой.
В годовом ходе температуры воздуха у поверхности Земли зимой повсеместно отмечается минимум (холод), а летом — максимум (тепло). В тропической же климатической зоне, где лето совпадает с сезоном дождей, летние температуры могут оказаться ниже зимних (сухой сезон).
Разность между средними месячными температурами самого тёплого и самого холодного месяца называется годовой амплитудой температуры воздуха.
Годовая амплитуда температуры воздуха увеличивается с географической широтой. Годовой ход температуры воздуха над сушей больше, чем над океаном. Над океаном в тропической зоне амплитуды составляют 2–3 ºC, а в умеренных широтах — 3–15 ºC.
Температура воздуха с высотой может уменьшаться с различной скоростью, оставаться постоянной или даже расти.
Слой воздуха, в котором температура с высотой не изменяется называется слоем изотермии.
Слой воздуха, в котором температура с высотой растёт, называется слоем инверсии. По уровню расположения инверсий в атмосфере различают приземные инверсии и инверсии свободной атмосферы.
Инверсии и изотермии являются отклонениями от нормального хода температуры в тропосфере.
Температура воздуха с высотой может существенно изменяться. Тропосферные падения температуры воздуха на уровне тропопаузы достигают −70–80 ºC, а в отдельных случаях ниже −90 ºC. В среднем это понижение составляет около 6 ºC на каждый километр высоты. Но даже в среднем она меняется с высотой поразному. В нижней тропосфере температура уменьшается с высотой медленнее, чем в верхней тропосфере. Эти изменения температуры с высотой принято оценивать значением и знаком вертикального температурного градиента, который обозначают греческой буквой γ (гамма).
Вертикальным температурным градиентом называется величина изменения температуры воздуха на каждые 100 м высоты:
В случае падения температуры с высотой вертикальный температурный градиент будет положительным.
Очень важную роль в атмосферных процессах играет то обстоятельство, что температура воздуха может изменяться без теплообмена с окружающей средой, т. е. адиабатически.
Пусть в единице массы воздуха количество тепла Q меняется на pdv. Тогда для этой массы можно написать известное из физики уравнение первого начала термодинамики (уравнение притока тепла) в следующем виде:
где cv — удельная теплоёмкость газа при постоянном объёме, cvdT — изменение внутренней энергии газа, pdv — работа расширения или сжатия газа.
Для адиабатического процесса уравнение притока тепла напишется с учётом того, что dQ = 0
т. е. работа против внешних сил давления (работа расширения) совершается за счёт внутренней энергии, а работа со стороны внешних сил давления (работа сжатия) увеличивает внутреннюю энергию.
Закон, по которому происходят адиабатические изменения состояния в идеальном газе, с достаточной степенью точности применим к сухому воздуху, а также ненасыщенному влажному воздуху. Этот сухоадиабатический закон выражается уравнением сухоадиабатического процесса, или так называемым уравнением Пуассона:
где R — удельная газовая постоянная, зависящая от природы газа; ср — удельная теплоёмкость при постоянном давлении.
Смысл уравнения Пуассона состоит в следующем: если давление в массе сухого или ненасыщенного воздуха изменяется от р0 в начале процесса до р в конце, то температура в этой массе изменяется от Т0 в начале процесса до Т в конце (при этом значения температуры и давления связаны написанным уравнением, а показатель степени R/cp = 0,286 ).
Адиабатические процессы в атмосфере, протекающие в сухом или во влажном ненасыщенном воздухе, называют сухоадиабатическими процессами. В этом случае мерой охлаждения воздуха или его нагревания с высотой служит сухоадиабатический градиент.
Величина сухоадиабатического градиента
Знак минус показывает, что температура с высотой понижается. Следовательно, при адиабатическом подъёме сухого и ненасыщенного воздуха его температура на каждые 100 м подъёма понижается на 1 ºC, а при адиабатическом опускании на каждые 100 м возрастает на 1 ºC. Следует иметь в виду, что при адиабатических процессах рассматривается индивидуальное изменение температуры частицы воздуха или некоторого небольшого объёма воздуха.
С адиабатическим подъёмом влажного ненасыщенного воздуха связано такое важное изменение в состоянии газа, как приближение его к состоянию насыщения. Температура воздуха при его подъёме понижается и на некоторой высоте он достигает насыщения. Эта высота называется уровнем конденсации. При дальнейшем подъёме влажный насыщенный воздух охлаждается иначе, чем ненасыщенный. В поднимающемся насыщенном воздухе температура падает уже не сухоадиабатически, а по влажноадиабатическому закону: тем медленнее, чем больше влагосодержание воздуха в состоянии насыщения.
Падение температуры в насыщенном воздухе при подъёме на единицу высоты (100 м) называют влажноадиабатическим градиентом температуры.
На каждые 100 м подъёма насыщенный воздух при давлении 1000 гПа и температуре 0 ºC охлаждается на 0,66 ºC. При температуре же 20 ºC эта величина составляет 0,44 ºC, а при температуре −20 ºC изменения составляют 0,88 ºC. При более низком атмосферном давлении падения температуры будут соответственно меньше.
Влияние температуры воздуха на мореплавание
Температура воздуха у земной поверхности убывает от экватора к географическим полюсам в соответствии с зональным убыванием притока солнечной радиации. У самого экватора и в экваториальной зоне Северного и Южного полушарий средняя температура в течение года составляет 25–29 ºC. В направлении к географическим полюсам Земли температура воздуха убывает более значительно в том полушарии, в котором в данный период времени отмечается зимний сезон.
Влияние температуры воздуха на мореплавание проявляется в следующем:
Обледенение судна — образование и нарастание льда в холодное время года на корпусе и надстройке судна, что может привести к потере остойчивости судна. Интенсивность обледенения зависит от температуры воздуха и поверхностного слоя воды, силы ветра, степени волнения моря, а также типа судна, его заливаемости и курса по отношению к ветру и волне.
Обычно умеренное обледенение начинается при понижении температуры до −5–8 ºC и часто сопровождается сильными и штормовыми ветрами. Нарастание льда обычно в таких условиях происходит очень быстро.