ТЕМА № 4.  Тепловий режим атмосфери, його зміни та значення для біосфери Землі.

ТЕМПЕРАТУРА ПОВІТРЯ

            Температура повітря є однією з головних метеорологічних величин. Всі явища та процеси, що відбуваються в органічному та неорганічному світі, безпосередньо пов'язані з термічними умовами навколишнього середовища. Крім того, температура повітря визначає характер і режим погоди. Всі ми інтуїтивно відчуваємо, що таке температура. Рукою можна грубо відрізнити холодне від гарячого, однак ми знаємо, що при цьому неважко припуститись і помилки.
Всім відомий дослід, коли одну руку опускають в холодну, а іншу - в гарячу воду. Якщо через деякий час опустити одночасно обидві руки в посудину з теплою водою, то рука, що була до цього у гарячій воді, відчує холод, а рука, що була до цього у холодній воді - відчує жар. Цей дослід показує, що наші надійні відчуття можуть бути помилковими. Тому бажано мати такий спосіб вимірювання температури, який не залежав би від наших відчуттів і від нашого настрою. Якщо хворі відчувають жар, то це характеризує їх самопочуття. Коли лікарі зрозуміли це, вони спробували при обстеженні пацієнтів якось вимірювати їх температуру. При цьому використовувались скляні трубки, заповнені до якогось рівня водою, ртуттю, вином або ж підфарбованою рідиною. При цьому лікарі вважали, що чим вище піднімається рідина у трубці, тим вище температура. Оскільки на термометрах не було однакових шкал, лікар порівнював температуру хворого із своєю власною, яка мала постійну позначку у нижній частині шкали. Історики науки розповідають, що Галілео Галілей (1564-1642 рр.) виготовлені ним термометри теж наповнював вином. Один з таких приладів він якось надіслав своєму другу - вченому в Англію. Додав і записку, в якій повідомляв про призначення термометра. Але чи то в дорозі записка загубилася, чи то адресат не зрозумів її змісту … Бо через деякий час Галілей одержав таку відповідь: "Вино було справді чудове. Будь ласка, надішліть мені ще один такий прилад". Німецький фізик Даніель Габріель Фаренгейт (D. G. Fahrenheit, 1686 - 1736), який працював у Великій Британії та Нідерландах, у якості двох фіксованих точок вибрав рівні, один з яких відповідав температурі тіла його дружини (якби ми використовували зараз його термометр, він показав би 100° F), а другий, 0° F, відповідав найнижчому рівню, до якого опускався ртутний стовпчик в одну із зим у Північній Ірландії. Можливо, що Фаренгейт хотів уникнути від’ємних температур, вважаючи, що Північна Ірландія у середині зими є найбільш холодним місцем на земній кулі. Свій перший спиртовий термометр він виготовив у 1709 році, а ртутний - у 1714 році. Відстань між цими двома точками він розділив на 100 рівних частин, кожну з яких він назвав градусом (сучасна назва - 1° F). Так у 1714 р. з'явилась шкала, названа його ім'ям.

За допомогою такого термометра, що показував 212° F і 32° F при кипінні та замерзанні води, йому вдалося встановити, що різні рідини киплять при різних, але “фіксованих ступенях (лат. - градус) теплоти”. Андерс Цельсій (A. Celsius 1701 - 1744) запропонував використовувати два стани речовини для визначення двох точок на шкалі термометра. В якості нульової відмітки він узяв рівень ртуті, що відповідає температурі такого льоду, що тане. Через позначку 100 він помітив рівень, що відповідає температурі води, яка кипить. Поділивши цей інтервал на 100 рівних частин, Цельсій отримав стоградусну шкалу, яка й досі називається його ім’ям.

         Щоб перейти від шкали Цельсія до шкали Фаренгейта і навпаки, слід врахувати, що ділення на шкалі Фаренгейта йдуть частіше, ніж по шкалі Цельсія (5/9 ° С = 1° F) і що 0° С відповідає 32° F. Тоді 5/9 (t° F - 32)=t° С.
Шкала Цельсія не менш довільна, ніж шкала Фаренгейта, однак у науковій роботі нею користуються частіше. Повітря, як і будь-яке тіло, завжди має температуру, відмінну від абсолютного нуля. Температура повітря в кожній точці атмосфери безупинно змінюється; у різних місцях Землі в той самий час вона також різна. Біля земної поверхні температура повітря варіює в досить широких межах: крайні її значення, що спостерігалися дотепер, трохи нижче значення 60 °С (у тропічних пустелях, наприклад, 58 °С в Аль-Азізі, поблизу Тріполі (Лівія) 15.09. 1922 р.) і біля -90°С (на материку Антарктиди, -88,3 °С на ст. "Восток" 24.08.1960 р.).

        З висотою температура повітря змінюється в різних шарах і в різних випадках по-різному. У середньому вона спочатку знижується до висоти 10-15 км, потім зростає до 50-60 км, потім знову падає і т.д.

         Температура повітря, а також землі і води в системі СІ виражається в градусах міжнародної температурної шкали, або шкали Цельсія (°С), загальноприйнятої у фізичних вимірах. Нуль цієї шкали припадає на температуру, при якій тане лід, а 100 °С - на температуру кипіння води (те й інше при тиску 1013 гПа).

         Поряд із шкалою Цельсія широко поширена (особливо в теоретичній фізиці) абсолютна шкала температури (шкала Кельвіна). Нуль цієї шкали відповідає повному припиненню теплового руху молекул, тобто найнижчій можливій температурі. По шкалі Цельсія це буде -273,15 °С (на практиці за абсолютний нуль нерідко приймається -273 °С). Одиниця абсолютної шкали, називана Кельвіном (К), дорівнює одиниці шкали Цельсія: 1 К = 1°С. По абсолютній шкалі температура може бути тільки додатною, тобто вище абсолютного нуля.

          У формулах температура по абсолютній шкалі позначається через Т, а температура по Цельсію - через t. Для переходу від температури по Цельсію до температури по абсолютній шкалі існує відома формула:

                             Т = t + 273,15

          Ряд співвідношень дозволяють визначити також перехід від температури, визначеної у градусах по шкалі Цельсія або Кельвіна, до температури, визначеної у градусах по шкалі Фаренгейта, Реомюра, Ренкіна, які застосовувалися чи застосовуються в ряді країн світу.

АДІАБАТИЧНІ ПРОЦЕСИ В АТМОСФЕРІ

            Дуже важливу роль в атмосферних процесах грає та обставина, що температура повітря може змінюватися і часто дійсно змінюється адіабатично, тобто без теплообміну з навколишнім середовищем (із навколишньою атмосферою, земною поверхнею і світовим простором). Строго адіабатичних процесів в атмосфері не буває: ніяка маса повітря не може бути цілком ізольована від теплового впливу навколишнього середовища. Однак якщо атмосферний процес протікає досить швидко і теплообмін за цей час малий, то зміну стану можна з достатнім наближенням вважати адіабатичним.
            Якщо деяка маса повітря в атмосфері адіабатично розширюється, то тиск у ній падає, а разом із ним падає і температура. Навпаки, при адіабатичному стисканні маси повітря тиск і температура в ній зростають. Ці зміни температури, не зв'язані з теплообміном, відбуваються внаслідок перетворення внутрішньої енергії газу (енергії положення і руху молекул) у роботу або роботи у внутрішню енергію. При розширенні маси повітря робиться робота проти зовнішніх сил тиску, так називана робота розширення, на якій затрачається внутрішня енергія повітря. Але внутрішня енергія газу пропорційна його абсолютній температурі, тому температура повітря при розширенні падає. Навпроти, при стисканні маси повітря робиться робота стискання. Внутрішня енергія розглянутої маси повітря внаслідок цього зростає, тобто швидкість молекулярних рухів збільшується. Отже, зростає і температура повітря.

Сухоадіабатичні зміни температури

       Закон, за яким відбуваються адіабатичні зміни стану в ідеальному газі, із достатньою точністю може бути застосований до сухого повітря, а також до ненасиченого вологого повітря. Цей сухоадіабатичний закон виражається рівнянням сухоадіабатичного процесу, або так званим рівнянням Пуассона.

Сухоадіабатичні зміни температури при
вертикальних рухах

         В атмосфері розширення повітря і зв'язане з ним падіння тиску і температури відбуваються найбільшою мірою при висхідному русі повітря. Такий підйом повітря може відбуватися різними способами: у вигляді висхідних струмів конвекції; над поверхнею фронту - при русі великих шарів повітряної маси нагору по положистому клину іншої, більш холодної повітряної маси; при підйомі повітря по гірському схилу. Аналогічним способом стискання повітря, що супроводжується підвищенням тиску і температури, відбувається при опусканні, при низхідному русі повітря. Звідси важливий висновок: повітря, що піднімається, адіабатично вихолоджується, а те, що опускається -адіабатично нагрівається.

          Неважко підрахувати, на скільки метрів повинне піднятися або опуститися повітря, щоб температура в ньому понизилася або підвищилася на один градус.
Відомо, що при адіабатичному підйомі сухого або ненасиченого повітря температура на кожні 100 м підйому падає майже на один градус, а при адіабатичному опусканні на 100 м температура зростає на це ж значення. Цей розмір називається сухоадіабатичним градіентом.

Вологоадіабатичні зміни температури

         З адіабатичним підніманням вологого ненасиченого повітря пов'язана така важлива зміна, як наближення його до стану насичення. Температура повітря при його підйомі знижується, тому на якійсь висоті досягається насичення. Ця висота називається рівнем конденсації. При подальшому підйомі вологе насичене повітря прохолоджується інакше, ніж ненасичене. У ньому відбувається конденсація і виділяється в значних кількостях теплота паротворення, або теплота конденсації (2,501х106 Дж/кг). Виділення цієї теплоти сповільнює зниження температури повітря при підйомі. Тому в насиченому повітрі, що піднімається, температура падає вже не сухоадіабатично, а по вологоадіабатичному закону. Вона падає тим повільніше, чим більше вологоутримання повітря в стані насичення (що у свою чергу залежить від температури і тиску). На кожні 100 м підйому насичене повітря при тиску 1000 гПа і температурі 0°С прохолоджується на 0,66°С, при температурі 20 °С - на 0,44 °С і при температурі -20 °С - на 0,88°С. При більш низькому тиску спад температури відповідно менше.
Спад температури в насиченому повітрі при підйомі його на одиницю висоти (100м) називають вологоадіабатичним градіентом. При дуже низьких температурах, що спостерігаються при підйомі у високі шари атмосфери, водяної пари в ньому залишається мало і виділення теплоти конденсації тому також мало. Спад температури при підйомі в такому повітрі наближається до падіння в сухому повітрі. Інакше кажучи, вологоадіабатичний градіент при низьких температурах наближається до сухоадіабатичного.

        При опусканні насиченого повітря процес може відбуватися по-різному в залежності від того, чи містить повітря продукти конденсації (краплі і кристали) або вони вже цілком випали з повітря у вигляді опадів. Якщо в повітрі немає продуктів конденсації, то повітря, як тільки температура в ньому почне при опусканні зростати, відразу стане ненасиченим. Тому повітря, опускаючись, буде нагріватися сухоадіабатично, тобто на 1 °С/100 м. Якщо ж у повітрі є краплі і кристали, то вони при опусканні і нагріванні повітря будуть поступово випаровуватися. При цьому частина тепла повітряної маси перейде в теплоту паротворення, і тому підвищення температури при опусканні сповільниться. У результаті повітря буде залишитися насиченим доти, поки всі продукти конденсації не перейдуть у газоподібний стан. А температура в ньому буде в цей час підвищуватися вологоадіабатично: не на 1 °С/100 м, а на менше значення - саме на таке, на яке понизилася б температура у висхідному насиченому повітрі при тих же значеннях температури і тиску.

Псевдоадіабатичний процес

Уявимо собі, що вологе ненасичене повітря спершу піднімається. Його температура при цьому падає спочатку сухоадіабатично, потім, після того як було досягнуто рівня конденсації, вологоадіабатично. Припустимо також, що вся вода, що виділяється при конденсації, відразу ж випадає з повітря у вигляді опадів. Допустимо потім, що, досягнувши деякої висоти, повітря починає опускатися. Тому що продуктів конденсації в ньому немає, воно буде при цьому нагріватися сухоадіабатично. Легко розрахувати, що на колишній рівень повітря прийде з температурою більш високою, ніж та, що була в ньому спочатку. У розглянутій масі повітря відбувся необоротний процес. Хоча вона повернулася на колишній рівень, під колишній тиск, вона не повернулася у вихідний стан: її кінцева температура виявилася вище, чим початкова. Такий процес називається псевдоадіабатичним.

 Потенційна температура

          Нехай на якійсь висоті в атмосфері є повітря з тиском р і температурою Т. Якби це повітря сухоадіабатично опустилося на рівень, де існує тиск р_о, те температура його теж змінилася б. Назвемо цю температуру, що повітря одержало б при тиску 1000 гПа, його потенційною температурою. Фактичну температуру повітря, на відміну від потенційної, будемо називати просто температурою. Очевидно, що потенційна температура дорівнює температурі повітря при тиску 1000 гПа.

         Потенційну температуру можна з достатнім наближенням визначити, якщо відомо, на якій висоті повітря знаходиться. Нехай, наприклад, ця висота дорівнює 3000 м. Припустимо, що на рівні моря тиск дорівнює 1000 гПа (у середньому воно близько до цього значення). Тоді потенційна температура, тобто температура, із яким воно прийшло б на рівень моря, дорівнює його початковій температурі + 30 °С, тому що на кожні 100 м спуску температура повітря повинна зростати на один градус. За допомогою потенційної температури можна порівнювати тепловий стан мас повітря, що знаходяться на різних висотах над рівнем моря, тобто при різних тисках. Вираховуючи потенційну температуру цих мас, ми ніби опускаємо їх на один рівень.  При зміні стану повітря за сухоадіабатичним законом потенційна температура повітря не змінюється.

        Нехай, наприклад, повітря з температурою 10°С знаходиться на висоті 3000 м. Його потенційна температура, відповідно до сказаного вище, буде біля 40 °С. Припустимо тепер, що повітря спочатку адіабатично піднялося з рівня 3000 м на рівень 3200 м. При цьому його температура понизиться на 2 °С і стане 8°С. Але якщо тепер адіабатично опустити повітря на рівень моря, те воно нагріється вже на 32 °С і, отже, прийде на рівень моря з тієї ж температурою 40°С, що і є його потенційною температурою.
Тільки коли починається конденсація і виділяється теплота конденсації, потенційна температура зростає.

ВЕРТИКАЛЬНИЙ РОЗПОДІЛ ТЕМПЕРАТУРИ ПОВІТРЯ

          Як вже було зазначено, адіабатичні процеси визначають зміни температури у визначеній масі повітря, що адіабатично піднімається або опускається. Ні в якому разі не варто змішувати ці індивідуальні зміни з вертикальним розподілом температури в атмосфері. Температура в атмосферному стовпі може розподілятися по висоті різним способом. Цей розподіл не підпорядкований ніякій простій закономірності, і крива, що зображує цей розподіл у більш-менш товстому шарі атмосфери, у загальному випадку є складною кривою. Уявлення про розподіл температури з висотою дає вертикальний градієнт температури, тобто зміна температури в атмосфері на одиницю висоти, звичайно на  100 м.

       Вертикальний градієнт температури може змінюватися в досить широких межах. У нижніх 10 км у помірних широтах і в нижніх 15 км у тропіках він у середньому дорівнює 0,6°С/100 м. У нижніх сотнях метрів над нагрітою підстилаючою поверхнею він може перевищувати 1 °С/100 м, а в тонкому приземному шарі над перегрітою землею може бути в багато разів більше. Бувають і такі випадки, коли температура повітря з висотою не падає, а зростає. Такий розподіл температури називають інверсією температури. Інверсії особливо часті по ночах у приземному шарі, але зустрічаються на різних висотах і у вільній атмосфері. Якщо температура в повітряному шарі не змінюється з висотою, тобто вертикальний градіент її дорівнює нулю, то такий стан шару називають изотермією. Вище 10-15 км і до висоти біля 50 км вертикальний розподіл температури навіть у середньому є ізотермічним або інверсійним.

              Якщо температура повітря з висотою змінюється, то змінюється також і потенційна температура. Тільки у випадку, коли температура падає з висотою на 1°С/100 м, потенційна температура залишається з висотою незмінною. Це пояснюють найпростіші міркування. При зазначеному градіенті температури з якого б рівня не була опущена повітряна частка на рівень моря, вона, адіабатично нагрівшись, одержить на рівні моря ту саму температуру. Таким чином, виходить, що потенційна температура на всіх рівнях однакова.

           У випадку, коли вертикальний градіент температури менше 1 °С/100 м, що є типовим розподілом, потенційна температура з висотою зростає. І тільки в тих випадках, коли вертикальний градіент температури більше 1 °С/100 м, потенційна температура з висотою зменшується.
У ізотермічному шарі потенційна температура зростає з висотою на 1 °С на 100 м. Ще швидше зростає вона в шарі інверсії, тобто при явищі збільшення температури повітря з висотою.