Теплооборот в атмосфере

Альбедо
Падая на земную поверхность, суммарная радиация в большей своей части поглощается в верхнем тонком слое почвы или в более толстом слое воды и переходит в тепло, а частично отражается.
Величина отражения солнечной радиации земной поверхностью зависит от характера этой поверхности
Отношение количества отраженной радиации к общему количеству радиации, падающей на данную поверхность, называется альбедо поверхности. Это отношение выражается в процентах.
А = Rk /Q * 100%,
где А – альбедо, Rk- отраженная радиация, Q – суммарная радиация

Альбедо поверхности почвы
меняется в пределах 10— 30%;
у влажного чернозема оно снижается до 5%,
у сухого светлого песка может повышаться до 40%.
С возрастанием влажности почвы альбедо снижается.

Альбедо растительного покрова
леса, луга, поля — заключается в пределах 10—25%.

Альбедо поверхности свежевыпавшего снега
составляет 80—90%,
давно лежащего снега — около 50% и ниже.

Альбедо гладкой водной поверхности
для прямой радиации меняется от нескольких процентов при высоком Солнце до 70% при низком;
оно зависит также от волнения.
Для рассеянной радиации альбедо водных поверхностей равно 5—10%.
В среднем альбедо поверхности Мирового океана составляет 5—20%.

Альбедо верхней поверхности облаков
— от нескольких процентов до 70—80% в зависимо­сти от типа и мощности облачного покрова — в среднем 50—60%.

Планетарное альбедо Земли
Отношение уходящей в космос отраженной и рассеянной солнечной радиации к общему количеству солнечной радиации, поступающей к атмосфере, носит название планетарного альбедо Земли, или альбедо Земли.
В целом планетарное альбедо Земли оценивается в 30%. Основную часть планетарного альбедо Земли составляет отражение солнечной радиации облаками.

ИЗЛУЧЕНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Верхние слои почвы и воды, снежный покров и растительность сами излучают радиацию; ее чаще называют собственным излучением земной поверхности
Чем выше температура излучающего тела, тем короче длина волн испускаемых им лучей.
Так как, температура земной поверхности не превышает нескольких градусов, ее излучение длинноволновое, невидимое

ВСТРЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Атмосфера нагревается, поглощая как солнечную радиацию (15%), так и собственное излучение земной поверхности
Тепло от земной поверхности она получает:
1) путем теплопроводности,
при конденсации водяного пара, испарившегося с земной поверхности.
Нагретая атмосфера излучает сама. Большая часть (70%) атмосферной радиации приходит к земной поверхности, остальная часть уходит в мировое пространство
Атмосферную радиацию, приходящую к земной поверхности, называют встречным излучением Еа

Земная поверхность поглощает встречное излучение почти целиком (на 95—99%). Таким образом, встречное излучение является для земной поверхности важным источником тепла в дополнение к поглощенной солнечной радиации. Встречное излучение возрастает с увеличением облачности, поскольку облака сами сильно излучают.
Уменьшение встречного излучения с высотой объясняется уменьшением содержания водяного пара.

ЭФФЕКТИВНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Разность между собственным излучением земной поверхности и встречным излучением атмосферы называют эффективным излучением
В среднем земная поверхность в средних широтах теряет через эффективное излучение примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощенной радиации.

РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС
Разность между поглощенной радиацией и эффективным излучением называют радиационным балансом земной поверхности.
Радиационный баланс (остаточная радиация) Земли складывается из баланса поверхности и атмосферы
Rб= Q - Еэф- Rk
где Rб – радиационный баланс (остаточная радиация), Q - суммарная радиация (приходная часть баланса), Еэф(эффективное излучение) и Rk(отраженная радиация) – расходная часть баланса

ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИАЦИОННОГО БАЛАНСА
Радиационный баланс земной поверхности за год положительный повсюду на Земле, кроме ледяных плато Гренландии и Антарктиды.
На океанах радиационный баланс больше, чем на суше в тех же широтах. Это объясняется тем, что радиация в океанах поглощается большим слоем, чем на суше, а эффективное излучение не такое большое вследствие более низкой температуры морской поверхности, чем поверхности суши.

Существенные отклонения от зонального распределения имеются в пустынях, где баланс ниже вследствие большого эффективного излучения в сухом и малооблачном воздухе.
Баланс понижен также, но в меньшей мере, в районах с муссонным климатом, где в теплое время года облачность увеличивается, а поглощенная радиация уменьшается по сравнению с другими районами под той же широтой.

Температура воздуха
Распределение температуры воздуха в атмосфере и непрерывные изменения этого распределения называют тепловым режимом атмосферы. Он определяется теплообменом между атмосферным воздухом и окружающей средой.

Теплообмен между земной поверхностью и воздухом осуществляется:
1) радиационным путем, т. е. при собственном излучении из воздуха и при поглощении воздухом радиации Солнца, земной поверхности и других атмосферных слоев;
2) путем теплопроводности — молекулярной между воздухом и земной поверхностью и турбулентной внутри атмосферы;
3) результате испарения и последующей конденсации или кристаллизации водяного пара.
Кроме того, изменения температуры воздуха могут происходить независимо от теплообмена, адиабатически.

Адиабатический процесс
– процесс изменения температуры воздуха при его вертикальном движении без теплообмена с окружающей средой.
Поднимающийся воздух адиабатически охлаждается а опускающийся - адиабатически нагревается.
При адиабатическом подъеме сухого и ненасыщенного влажного воздуха температура на каждые 100 м подъема падает почти на один градус, а при адиабатическом опускании на 100 м температура растет на то же значение – эта величина называется сухоадиабатическим градиентом.

Падение температуры в насыщенном воздухе при подъеме его на единицу высоты (100 м) называют влажноадиабатическим градиентом

Между адиабатическим подъемом сухого и влажного ненасыщенного воздуха имеется принципиальное различие:
адиабатический подъем сухого воздуха ведет только к падению температуры в нем. Если же поднимается влажный ненасыщенный воздух, то вместе с адиабатическим понижением температуры содержащийся в воздухе водяной пар постепенно приближается к состоянию насыщения.
на какой-то высоте температура понизится настолько, что водяной пар достигнет насыщения. Высота, на которой достигается насыщение, называется уровнем конденсации.
При дальнейшем подъеме влажный насыщенный воздух охлаждается иначе, чем ненасыщенный, т. е. уже не по сухоадиабатическому закону. В нем происходит конденсация избыточного количества водяного пара, вследствие чего выделяется в значительных количествах теплота парообразования, или теплота конденсации. Выделение этой теплоты идет на совершение части работы расширения поднимающегося воздуха. Тем самым оно замедляет понижение температуры при подъеме. Температура падает тем медленнее, чем больше влагосодержание воздуха в состоянии насыщения.

При опускании насыщенного воздуха процесс изменения температуры происходит по-разному в зависимости от того, остались ли в воздухе продукты конденсации (капли и кристаллы) или они уже целиком выпали из воздуха в виде осадков:
А) Если в воздухе нет продуктов конденсации, то как только он начнет опускаться и начнет расти температура, воздух становится ненасыщенным. Следовательно, изменение температуры пойдет по сухоадиабатическому закону, т. е. воздух, опускаясь, будет нагреваться на 1°С/100 м.
Б) Если в воздухе сохранились продукты конденсации (капельки и кристаллы), образовавшиеся при подъеме, то при опускании и нагревании воздуха они будут постепенно испаряться. При этом часть внутренней энергии опускающегося воздуха затрачивается на испарение капелек и кристаллов, поэтому температура повышается меньше, чем при сухоадиабатическом опускании.

Изменение температуры воздуха
Решающее значение для теплового режима атмосферы имеет теплообмен с земной поверхностью путем –теплопроводности (молекулярная и турбулентная)

Молекулярная теплопроводность
Обмен тепла тонкой пленки воздуха, непосредственно соприкасающегося с земной поверхностью.

Турбулентная теплопроводность
более эффективная передача тепла.
Перемешивание воздуха в процессе турбулентности способствует очень быстрой передаче тепла из одних слоев атмосферы в другие.
Турбулентная теплопроводность увеличивает и передачу тепла от земной поверхности в воздух или обратно.

Охлаждение воздуха от земной поверхности путем турбулентности
на место охладившегося воздуха непрерывно переносится более теплый воздух из вышележащих слоев. Этот процесс поддерживает разность температур между воздухом и поверхностью и, следовательно, процесс передачи тепла от воздуха к поверхности.
Потеря тепла земной поверхностью оказывается больше, чем она была бы в отсутствие турбулентности.

Для высоких слоев атмосферы теплообмен с земной поверхностью имеет меньшее значение. Решающая роль в тепловом режиме в высоких слоях переходит к излучению из воздуха и поглощению радиации Солнца и атмосферных слоев, лежащих выше и ниже рассматриваемого слоя.
В высоких слоях атмосферы возрастает и значение адиабатических изменений температуры при восходящих и нисходящих движениях воздуха.

Различают индивидуальные и локальные (местные) изменения температуры.
Индивидуальными называют изменения температуры, происходящие в определенном количестве воздуха, сохраняющего свою целостность в процессе движения.
Эти изменения происходят вследствие указанных выше процессов. Они характеризуют изменения теплового состояния данного определенного количества воздуха.

Локальными называют изменения температуры в некоторой точке внутри атмосферы с зафиксированными географическими координатами и с неизменной высотой над уровнем моря.

Изменения температуры, связанные с адвекцией — с притоком в данное место новых воздушных масс из других частей земного шара, называют адвективными. Если в данное место притекает воздух с более высокой температурой, говорят об адвекции тепла; если с более низкой — об адвекции холода.

Локальное изменение температуры в зафиксированной географической точке зависит от индивидуальных изменений состояния воздуха и от адвекции воздуха иной температуры.

Метеорологические приборы (термометры и термографы), неподвижно помещенные в том или ином месте, регистрируют именно локальные изменения температуры воздуха.
Термометр на воздушном шаре, летящем по ветру и, следовательно, остающемся в одной и той же массе воздуха, показывает индивидуальное изменение температуры в этой массе.

ИНВЕРСИИ ТЕМПЕРАТУРЫ
Инверсии температуры в тропосфере — почти повседневное явление
Инверсию температуры можно характеризовать:
1) высотой нижней границы, т. е. высотой, с которой начинается повышение температуры,
2) толщиной слоя, в котором наблюдается повышение температуры с высотой
3) разностью температур на верхней и нижней границах инверсионного слоя — скачком температуры.
По высоте все тропосферные инверсии можно разделить на:
А) инверсии приземные
Б) инверсии в свободной атмосфере.

Приземная инверсия
начинается от самой подстилающей поверхности (почвы, снега или льда). Над открытой водой такие инверсии наблюдаются редко и не так значительны.
У подстилающей поверхности температура самая низкая, с высотой она растет, причем этот рост может распространяться на слой в несколько десятков и даже сотен метров. Затем инверсия сменяется нормальным падением температуры с высотой.

Возникают вследствие ночного радиационного охлаждения подстилающей поверхности. Такие инверсии называют радиационными.
Мощность инверсионного слоя зависит от:
1) длительности выхолаживания
2) степени турбулентности, передающей охлаждение вверх.
Для образования приземных инверсий особенно благоприятны ясные ночи со слабым ветром. Такие условия погоды характерны для антициклонов и весной и осенью могут привести к ночным заморозкам.

С восходом Солнца приземная инверсия радиационного типа разрушается, так как ночное охлаждение почвы сменяется прогреванием. В холодное время года приземная инверсия может существовать по нескольку суток подряд, ослабевая днем и усиливаясь от ночи к ночи. Приземные радиационные инверсии длительно существуют также зимой над льдами Арктики и Антарктиды, во время круглосуточной ночи.
Рельеф местности может усиливать инверсию. Так, охлаждение воздуха в ясную погоду особенно велико в котловинах, откуда выхоложенный воздух не находит выхода.

Инверсия в свободной атмосфере
наблюдается в некотором слое воздуха, лежащем на той или иной высоте над земной поверхностью.
Основание инверсии может находиться на любом уровне в тропосфере, однако наиболее часты инверсии в пределах, нижних 2 км.
Толщина инверсионного слоя также может быть самой различной — от немногих десятков до многих сотен метров.
Скачок температуры на инверсии, т. е. разность температур на верхней и нижней границах инверсионного слоя, может колебаться от 1°С и меньше до 10—150 С и больше.

СУТОЧНЫЙ ХОД ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА У ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
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.

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.
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.

Суточная амплитуда температуры воздуха меняется также:
А) по сезонам,
Б) по широте, а также
Г) 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.

В степях и пустынях средняя суточная амплитуда 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, чем в глубине суши.
На выпуклых формах рельефа местности (на вершинах и на склонах гор и холмов) суточная амплитуда температуры воздуха меньше, чем на равнинной местности, а в вогнутых формах рельефа (в долинах, оврагах и лощинах) — больше (закон Воейкова).

ГОДОВАЯ АМПЛИТУДА ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА

Годовой ход температуры воздуха — изменение cреднемесячной температуры в течение года.
Годовая амплитуда пемпературы воздуха — разница между максимальной и минимальной среднемесячными температурами.

Выделяют четыре типа годового хода температуры;
в каждом типе два подтипа — морской и континентальный, характеризующиеся различной годовой амплитудой температуры

В экваториальном типе
годового хода температуры наблюдается два небольших максимума и два небольших минимума.
Максимумы наступают после дней равноденствия, когда Солнце в зените над экватором.
В морском подтипе годовая амплитуда температуры воздуха составляет 1 — 2°, в континентальном 4 — 6°. Температура весь год положительная.

В тропическом типе
годового хода температуры выделяется один максимум после дня летнего солнцестояния и один минимум — после дня зимнего солнцестояния в Северном полушарии. В морском подтипе годовая амплитуда температур равна 5°, в континентальном 10 — 20°.

В умеренном типе
годового хода температуры наблюдается один максимум после дня летнего солнцестояния и один минимум после дня зимнего солнцестояния в Северном полушарии, зимой температуры отрицательные.
Над океаном годовая амплитуда температуры составляет 10°—15°, над сушей увеличивается по мере уда­ления от океана: на побережье — 10°, в центре материка — до 60°