Метеорология и климатология (рус.)

Выше было указано, как меняется температура в опреде­ленной массе воздуха, которая адиабатически поднимается или опускается. Ни в коем случае не следует смешивать эти инди­видуальные изменения с вертикальным распределением темпе­ратуры в атмосфере.

Температура в атмосферном столбе может распределяться по высоте различным образом. Это распределение не подчинено никакой простой закономерности, и кривая, представляющая это распределение в более или менее толстом слое атмосферы, не является простой геометрической кривой. В некоторых случаях ее можно только приближенно приравнять такой кривой. Пред­ставление о распределении температуры с высотой дает вертикальный градиент температуры –dT/dz, т. е. изменение темпера­туры в атмосфере на единицу высоты, обычно на 100 м. Так как перед производной ставится знак минус, то в обычном слу­чае падения температуры с высотой, т. е. при отрицательном dТ и положительном dz, градиент имеет положительную вели­чину.

Температура воздуха меняется 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 часов температура почвы, как мы знаем, на­чинает понижаться. В 14—15 часов она уравнивается с темпе­ратурой воздуха; с этого времени при дальнейшем падении тем­пературы почвы 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 часов.

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.

Понятие температуры воздуха нуждается в некоторых пояснениях. В первую очередь речь идет о температуре воздуха у земной поверхности. Под этим понимается температура, изме­ренная в метеорологической будке, причем 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 и более высоких. На судах термометры также мо­гут помещаться на других уровнях.

Будка нужна для того, чтобы защитить термометр от прямой солнечной радиации, а также от эффективного излучения зем­ной поверхности и окружающих предметов (зданий, деревьев). Только в этом случае может произойти выравнивание температуры самого измерительного прибора — термометра — с тем­пературой окружающего воздуха. Термометр, открытый для солнечной радиации, будет нагреваться сильнее, чем окружаю­щий воздух, и температуру, которую он будет показывать, нельзя отождествлять с температурой воздуха. Понятие о тем­пературе «на солнце» не относится к истинной температуре воз­духа и не имеет метеорологического значения.

Выше было сказано об особенностях рас­пространения тепла в водоеме в сравнении с почвой. Основное отличие заключается в том, что тепло в воде распространяется преимущественно путем турбулентности. Поэтому и нагревание, и охлаждение распространяется в водоемах на более толстый слой, чем в почве, и вдобавок обладающий большей теплоемкостью, чем почва. Вследствие этого изменения температуры на поверхности воды очень малы (рис.). Амплитуда их — порядка десятых долей градуса: около 0,1—0,2° в умеренных широтах, около 0,5° в тропиках. В южных морях СССР суточная ампли­туда температуры больше: 1—2°; на поверхности больших озер в умеренных широтах еще больше: 2—5°. Суточные колебания температуры воды на поверхности океана имеют максимум около 15—16 часов и минимум через 2—3 часа после восхода солнца.

Измерение температуры на поверхности почвы является методически трудной задачей, особенно при пользовании жид­костными термометрами. Результаты измерений сильно зависят от условий установки термометра, не вполне отражают действи­тельные температурные условия на поверхности почвы и недо­статочно сравнимы. Лучшие результаты можно получить с по­мощью электрических термометров.

Температура на поверхности почвы имеет суточный ход. Ми­нимум ее наблюдается примерно через полчаса после восхода солнца. К этому времени радиационный баланс поверхности почвы становится равным нулю — отдача тепла из верхнею слоя почвы эффективным излучением уравновешивается возросшим притоком суммарной радиации. Нерадиационный же обмен тепла в это время незначителен.

Затем температура на поверхности почвы растет до 13— 14 часов, когда достигает максимума в суточном ходе. После этого начинается падение температуры. Радиационный баланс в послеполуденные часы, правда, остается положительным; однако отдача тепла в дневные часы из верхнего слоя почвы в атмосферу происходит не только путем эффективного излуче­ния, но и путем возросшей теплопроводности, а также при уве­личившемся испарении воды. Продолжается и передача тепла в глубь почвы. Поэтому температура на поверхности почвы и падает с 13—14 часов до утреннего минимума.

Существуют резкие различия в нагревании и тепловых особенностях поверхностных слоев почвы и верхних слоев водных бассейнов. В почве тепло распространяется по вертикали путем молекулярной теплопроводности, а в легкоподвижной воде — также путем турбулентного перемешивания водных слоев, намного более эффективного. Турбулентность в водоемах обусловлена, прежде всего, волнением и течениями. Но в ночное время суток и в холодное время года к этого рода турбулент­ности присоединяется еще и термическая конвекция: охлажден­ная на поверхности вода опускается вниз вследствие возросшей плотности и замещается более теплой водой из нижних слоев. В океанах и морях некоторую роль в перемешивании слоев ив связанной с ним передаче тепла играет также и испарение. При значительном испарении с поверхности моря верхний слой воды становится более соленым и плотным, вследствие чего вода опускается с поверхности в глубину. Кроме того, радиация глубже проникает в воду в сравнении с почвой. Наконец, тепло­емкость воды велика в сравнении с почвой, и одно и то же коли­чество тепла нагревает массу воды до меньшей температуры, чем такую же массу почвы.

Распределение температуры воздуха в атмосфере и его непрерывные изменения называют тепловым режимом атмо­сферы. Этот тепловой режим атмосферы, являющийся важней­шей стороной климата, определяется, прежде всего, теплообменом между атмосферным воздухом и окружающей средой. Под окру­жающей средой при этом понимают космическое пространство, соседние массы или слои воздуха и особенно земную поверх­ность.

Мы уже знаем, что теплообмен осуществляется, во-первых, радиационным путем, т. е. при собственном излечении из воздуха и при поглощении воздухом радиации Солнца, земной поверхно­сти и других атмосферных слоев. Во-вторых, он осуществляется путем теплопроводности — молекулярной между воздухом и зем­ной поверхностью и турбулентной внутри атмосферы. В-третьих, передача тепла между земной поверхностью и воздухом может происходить в результате испарения и последующей конденса­ции или кристаллизации водяного пара.