Лекція 5 Тема : Тепловий режим атмосфери та атмосферна циркуляція повітряних мас
План Переделать лекцию
Температура та її основні показники
Розподіл земної поверхні в залежності від головних показників температури
Атмосферна циркуляція повітряних мас
Повітря, наче скло, пропускає сонячні промені до поверхні Землі і при цьому не нагрівається. Доторкнися до віконного скла сонячного дня і переконаєшся, що воно холодне, а підвіконня — тепле. Повітря у тропосфері нагрівається від земної поверхні, нагрітої Сонцем. Тому чим далі (вище) від Землі, тим воно холодніше. Сонячні промені нагрівають Землю нерівномірно. Чим вище Сонце над горизонтом, тим вона тепліше. Отже, нагрівання повітря залежить від кута падіння сонячних променів. А кут падіння — від широти місцевості та від часу доби. Між екватором і тропіками кут падіння променів найбільший (до 90°), біля полюсів — найменший. Тому у Північній півкулі кут падіння сонячних променів найбільший 22 червня (у Києві він становить 63° 12'), найменший — 22 грудня (у Києві — 16° 2')від того влітку завжди тепліше, а взимку - холодніше. Кількісний показник прогрівання поверхні Землі прийнято називати температурою.
Температура є характеристикою теплового стану будь-якої речовини, вона характеризує енергію, з якої рухаються молекули цієї речовини. Під температурою також розуміють міру відхилення теплового стану тіла від теплової рівноваги криги, що тане при атмосферному тискові 760мм рт ст. Діапазон температур на Землі складає від-60°С біля полюсів до+60°С пустелях. Від температури залежать такі фізичні властивості речовин, як об'єм, агрегатний стан, електропровідність, випромінювальна здатність. Температура - одна з важливих умов існування життя на Землі, бо зумовлює протікання багатьох біохімічних реакцій, визначає екологічні ніши існування тварин і рослин. При низьких температурах уповільнюють процеси обміну, знижується активність організмів; при високих температурах порушується робота ферментів. Температура характеризує стан речовини незалежно від її маси та хімічного складу, тому її називаю і параметром стану.
Температурні умови атмосфери визначають сонячна радіація і постійній теплообмін з поверхнею Землі. Безпосередньо сонячним промінням атмосфера нагрівається мало. Основним її нагрівачем і охолоджувачем є підстилаюча поверхня. Температура повітря розподіляється нерівномірно просторі й часі, тому що залежить від інтенсивності сонячної радіації ті земних факторів. Температури, які залежать від сонячної радіації називаються солярними. Дійсні температури повітря визначають характером підстилаючої поверхні та міжширотним теплообміном атмосфери, тому вони відмінні від солярних.
Добовий та річний хід температури повітря до висоти 2км, у загальних рисах нагадує хід температури підстилаючої поверхні. На висоті 2м добовий максимум настає о 14-15 год, мінімум - після сходу Сонця. Амплітуда добових коливань температури зменшується від екватора до полюсів відповідно до зміни співвідношення тривалості дня і ночі. На добові амплітуди впливають також рельєф, водна поверхня, рослинність тощо. Річний хід температури залежить від географічної широти. За часом настання найбільших і найменших її значень та величиною амплітуди коливання виділяють чотири типи річного ходу температури.
Екваторіальний тип має два максимуми (в дні рівнодення) і два мінімуми (в дні сонцестояння). Амплітуда над океаном 1°С, над сушею до 10°С. Температура увесь рік позитивна.
Тропічний тип має один максимум (після літнього сонцестояння) і один мінімум (після зимового сонцестояння). Амплітуда над океаном - біля 5°С, над сушею - до 20°С. Температура увесь рік позитивна.
Помірний тип також має один максимум і один мінімум, що відповідають дням сонцестояння, як і в тропічному типі, але чітко розмежовуються чотири сезони. Амплітуда із збільшенням широти та віддаленістю від океану в глибину суші. В холодну пору року температура від'ємна
Полярний тип має дуже холодну і тривалу зиму та коротке холодне літо, амплітуда
коливання температур 25°С більше а над сушею досягає 65°С. Температура більшу частину року від'ємна.
Розподіл температури повітря на земній кулі або якійсь території можна зобразити допомогою карти ізотерм. Ізотерми - лінії однакового значення температури на даний момент, чи певний проміжок часу (рік, місяць). При побудові ізотерм температуру приводять до рівня моря, приймаючи, що з висотою вона падає на 0,6°С на кожні 100м. Якщо на карті світу відмітити на кожному меридіані найвищі температури і з'єднати їх, то можна одержати термічний екватор.
На основі карт ізотерм на земній кулі виділяють сім теплових поясів:
жаркий пояс розташований між річними ізотермами +20°С північної і +20 південної півкулі;
два помірних пояси, які обмежені з боку екватора ізотермою +20°С, а збоку полюсів +10°С найтеплішого місяця;
два холодних пояси, що знаходяться між ізотермами +10°С і 0°С найтеплішого місяця;
два пояси вічного морозу, що займають простір навколо полюсів обмежені ізотермою 0°С найтеплішого місяця.
Температурні пояси с основою кліматичних поясів.
Підстилаюча поверхня (грунт, вода, крига, сніг тощо), яка взаємодіє з атмосферою, називається діяльною. Її температура визначається тепловим балансом. Найвища (максимальна) температура сухої без рослин поверхні і ясну погоду настає після 13-ої години, а найнижча (мінімальна) - перед сходом Сонця. Різниця між максимальною і мінімальною температурою називається амплітудою коливання температури. Добові коливання залежать від географічної широти, пори року, теплових властивостей поверхні і її кольору, крутості та експозиції схилів, а також від рослинності. Найбільш коливання характерні для сухого ґрунту, найменші - для вологого покритого рослинами. Річні коливання - також залежать від географічно широти. Річні амплітуди в низьких широтах малі, у помірних та високих широтах - великі (до 30° на суші). На річні коливання температури значна впливає сніговий покрив. Максимальна температура у північній півкуле спостерігається у липні, мінімальна - у січні.
Ми вже з'ясували, що загалом розподіл температури повітря на поверхні Землі залежить від кута падіння сонячних променів і визначається зниженням температури у тропосфері від екватора до полюсів. Проте кут падіння сонячних променів може бути різним залежно від рельєфу, а температура — ще й від висоти місцевості над рівнем моря. Приміром, навіть в одній місцевості, на одній широті, температури можуть різнитися між собою. Так, у жаркому тепловому поясі, у горах (особливо на висоті понад 4-5 км) температури значно нижчі, ніж на рівнинах.
На кліматичних картах для зображення розподілу температури використовують ізолінії - ізотерми, які сполучають точки земної поверхні з однаковою середньою місячною температурою або середньою річною. Ізотерми наносять на карту двома кольорами: найхолоднішого місяця — січня — чорним, найтеплішого — липня — червоним.
На різних широтах температури повітря неоднакові. Вони змінюються за порами року, коли Земля підставляє Сонцю то Північну (червень — серпень), то Південну (грудень — лютий) півкулі.
У червні — серпні сонячні промені більше освітлюють Північну півкулю. Там панує літо. На паралелі 23° 30' пн. ш. 22 червня найвищі температури, бо кут падіння сонячних променів тут у цей день дорівнює 90°. Паралель 23° 30'називають Північним тропіком, а 22 червня — днем літнього сонцестояння. Цієї доби в Північній півкулі найдовший день (у Києві — 16 год 30 хв) і найкоротша ніч.
На північ від паралелі 66° 30' пн. ш. Сонце взагалі не заходить за горизонт, хоча кут падіння сонячних променів невеликий. Тут полярний день. Цю паралель назвали Північним полярним колом. На північ від неї тривалість полярної ночі зростає, зокрема в районі полюса — до півроку. У цю пору року в Південній півкулі зима. На південь від паралелі 66° 30' пд. ш. (Південного полярного кола) Сонце не з'являється над горизонтом. Там полярна н і ч.
Минає півроку. Земля робить навколо Сонця півоберта. Тепер його промені освітлюють більше Південну півкулю. В грудні — лютому там літо. 22 грудня — день літнього сонцестояння, тобто найдовший день. На південь від Полярного кола — полярний день. Цього дня найжаркіше на паралелі 23° 30' пд. ш. — Південному тропіку, де Сонце стоїть у зеніті. У Північній півкулі в цей час — день зимового сонцестояння і найдовша ніч (у Києві — 15 год 40 хв), а за Полярним колом — полярна ніч.
У проміжку між зимовим і літнім сонцестояннями, а саме 21 березня, Земля займає таке положення щодо Сонця, коли сонячні промені однаково освітлюють Північну і Південну півкулі. Повсюдно на земній кулі, крім полюсів, тривалість дня і ночі однакова. 21 березня називають днем весняного рівнодення. Подібне положення Землі щодо Сонця буває і між літнім та зимовим сонцестояннями — 23 вересня (день осіннього рівнодення). Отже, лінії тропіків на карті й глобусі показують широти, в межах яких Сонце двічі на рік буває в зеніті, і середні річні температури найвищі на поверхні Землі.
Полярні кола обмежують території, де тривають полярний день і полярна ніч, а середні температури — найнижчі на поверхні Землі.
Поширення тепла в ґрунті залежить від його теплопровідності (здатності проводити тепло) та значення об'ємної теплоємності. Під останньою розуміють ту кількість тепла, яка потрібна для нагрівання 1см3 ґрунту на 10С При однаковій кількості тепла, сильніше нагрівається та поверхня, у якої об'ємна теплоємність більша. Наприклад, вода, маючи велику теплоємність малу теплопровідність, повільно нагрівається і повільно віддає тепло Максимальна температура у водоймах настає о 15-16год, мінімальна - через 2-Згод після сходу Сонця. Річний максимум у північній півкулі настає і серпні, мінімум - у лютому.
Поширення теплоти вглиб гранту відбувається за законами Фур'є. За цими законами добові максимуми і мінімуми на кожні 10см глибини запізнюється на 3 години, а річні - на кожен метр глибини - на 20-30 днів. При послідовному нагріванні шарів, кожен шар поглинає певну кількість тепла, тому амплітуда добових коливань температури на кожні 15см глибини зменшується у два рази. Шар, у якому коливання температури припиняються, називають шаром постійної температури. Добові коливання припиняються на глибині 1 м, річні у низьких широтах - на глибині 5м, середніх - І9-20м, у високих - 25м.
Неоднорідний розподіл тиску, зумовлений неоднорідним розподілом мас повітря,викликає загальну циркуляцію атмосфери - великомасштабні повітряні течії. Вони бувають різних розмірів і різних термінів існування. Їх можна порівняти з материками та океанами, вони розповсюджуються на відстань 300-500км, тривалість їх існування 5-6 діб. Повітряні течії місцевого масштабу існують 1-5 діб, переміщуються зі швидкістю 50км/год і зумовлюють погоду на певній території. Характерні повітряні течії зумовлені розподілом тиску і спостерігаються до висоти 1.5км Якщо Земля не оберталася, то її загальна циркуляція мала би вигляд наступним чином ( схема 1).
Повітря на екваторі нагрівалося, розширювалося витіснялось повітрям полярних областей. Повітря почало би рухатися від до полюсів, утворюючи постійну область низького тиску біля екватору. Однак, обертання Землі викликає відхилення потоків повітря в різні боки у різних півкулях, що створює дві зони високого тиску, які зумовлюють рух циркуляцію повітряних мас.
Якщо дати фізичний опис атмосферної циркуляції, то можна сказати, що нижні шари повітря в різних районах землі набувають різни властивостей, до того ж мінливих у часі. Над океаном повітря вологе, над пустелею сухе та запилене, над полярними районами - сухе, холодне прозоре.