Географическая оболочка

Поглощение солнечных лучей  воздухом дает не более 0,1⁰С тепла нижнему километровому слою тропосферы. Непосредственно от Солнца атмосфера получает не более 1/3 тепла, а 2/3 она усваивает от земной поверхности и, прежде всего, от гидросферы, которая передает ей тепло через водяной пар, испарившийся с поверхности водной оболочки.

Солнечный лучи, прошедшие через газовую оболочку планеты, в большинстве мест земной поверхности встречают воду: на океанах, в водоемах и болотах суши, во влажной почве и в листве растений. Тепловая энергия солнечной радиации расходуется прежде всего на испарение. Количество тепла, затрачиваемое на единицу испаряющейся воды, называется скрытой теплотой парообразования. При конденсации пара теплота парообразования поступает в воздух и нагревает его.

Усвоение солнечного тепла водоемами  отличается от нагревания суши. Теплоемкость воды примерно в 2 раза больше, чем почвы.  При одинаковом количестве тепла вода нагревается вдвое слабее, чем почвы. При охлаждении соотношение обратное. Если на теплую океанскую поверхность проникает холодная воздушная масса, то тепло проникает в слой до 5 км. Прогревание тропосферы обязано скрытой теплоте парообразования.

Турбулентное перемешивание воздуха (беспорядочное, неравномерное, хаотическое) создает конвекционные токи, интенсивность  и направление которых зависят  от характера местности и общепланетарной  циркуляции воздушных масс.

Понятие об адиабатическом процессе. Важная роль в тепловом режиме воздуха принадлежит адиабатическому процессу.

Понятие об адиабатическом процессе. Важнейшая роль в тепловом режиме атмосферы принадлежит адиабатическому  процессу. Адиабатическое нагревание и охлаждение воздуха происходит в одной массе, без обмена теплом с другими средами.

При опускании воздуха из верхних  или средних слоев тропосферы или по склонам гор он из разряженных  слоев поступает в более плотные, молекулы газа сближаются, их соударения усиливаются и кинетическая энергия движения молекул воздуха переходит в тепловую. Воздух нагревается, не получая тепло ни от других воздушных масс, ни от земной поверхности. Адиабатическое нагревание происходит, например, в тропическом поясе, над пустынями и над океанами в этих же широтах. Адиабатическое нагревание воздуха сопровождается его иссушением (что является главной причиной образования пустынь в тропическом поясе).

В восходящих токах воздух адиабатически  охлаждается. Из плотной нижней тропосферы он поднимается в разряженную среднюю и верхнюю.  При этом плотность его уменьшается, молекулы одна от другой удаляются, сталкиваются реже, тепловая энергия, полученная воздухом от нагретой поверхности, переходит в кинетическую, тратится на механическую работу на расширение газа. Этим объясняется охлаждение воздуха при поднятии.

Сухой воздух адиабатически охлаждается  на 1⁰С на 100 м подъема, это – адиабатический процесс. Однако природный воздух содержит водяной пар, при конденсации которого выделяется тепло. Поэтому фактически температура падает на 0,6⁰С на 100 м (или на 6⁰С на 1 км высоты). Это влажно-адиабатический процесс.

При опускании и сухой и влажный  воздух нагреваются одинаково, поскольку  при этом конденсации влаги не происходит и скрытая теплота парообразования не выделяется.

Наиболее отчетливо типичные черты  теплового режима суши проявляются  в пустынях: большая доля солнечной  радиации отражается от светлой их поверхности, тепло не расходуется  на испарение, и идет на нагревание сухих горных пород. От них днем воздух нагревается до высоких температур. В сухом воздухе тепло не задерживается и беспрепятственно излучается в верхнюю атмосферу и межпланетное пространство. Пустыни для атмосферы в планетарном масштабе также служат окнами охлаждения.

10.1.1 Инверсия температуры

В самом общем смысле инверсия – это нарушение привычного хода вещей или порядка.  Инверсия температуры – это повышение температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы вместо обычного понижения.

Известно, что плавное убывание температур с высотой следует считать только общим свойством тропосферы. Очень часто наблюдается такая стратификация воздуха, при которой в направлении вверх температура или не понижается, или даже повышается. Возрастание температуры с высотой над земной поверхностью называется его инверсией.

По мощности слоя воздуха, в котором  наблюдается повышение температуры, различают а) инверсии приземные, захватывающие несколько метров, и б) инверсии свободной атмосферы, простирающиеся до трех километров.

Приращение температуры (или величина инверсии) может достигать 10⁰ С и более. При этом атмосфера оказывается как бы расслоенной: одна масса воздуха от другой массы отделяется слоем инверсии.

По происхождению приземные  инверсии разделяются на радиационные, адвективные, орографические и снежные.

Радиационные инверсии возникают летом при тихой и безоблачной погоде. После захода Солнца поверхность, а от нее и нижние слои воздуха охлаждаются, а лежащие выше еще сохраняют дневной запас тепла. Мощность таких инверсий колеблется от 10 до 300 м в зависимости от погоды. Радиационные инверсии бывают над ледяными поверхностями в любое время года при потере ими тепла лучеиспусканием.

Орографические инверсии формируются в пересеченной местности при безветренной погоде, когда холодный воздух стекает вниз, а на холмах и склонах гор удерживается более теплый воздух.

Адвективные инверсии бывают при движении теплого воздуха в холодную местность. Причем нижние слои воздуха охлаждаются от соприкосновения с холодной поверхностью, а верхние на время остаются теплыми.

Снежные (весенние) инверсии наблюдаются ранней весной над снежными поверхностями. Они вызываются затратой воздухом большого количества тепла на таяние снега.

В свободной атмосфере наиболее распространены антициклональные инверсии сжатия и циклонические фронтальные инверсии.

Антициклональные  инверсии сжатия образуются в антициклонах зимой и наблюдаются на высоте 1-2 км. Температура опускающегося воздуха в средней тропосфере повышается, но близ земной поверхности, где начинается горизонтальное растекание воздуха, она повышается. Это явление наблюдается на огромных территориях Арктики, Антарктики, Восточной Сибири и т.д.

Циклонические фронтальные  инверсии образуются в циклонах вследствие натекания теплого воздуха на холодный.

10.1.2 Показатели теплового режима воздуха

Основными показателями температуры  воздуха являются следующие:

1. Средняя температура суток.

2. Среднесуточная температура по месяцам.

3. Средняя температура каждого месяца.

4. Средняя многолетняя температура месяца. Все средние многолетние данные выводятся за длительный период (не менее 35 лет). Чаще всего пользуются данными января и июля. Самые высокие многолетние месячные температуры наблюдаются в Сахаре (до + 36,5⁰ С) и в Долине Смерти (до +39⁰ С). Самые низкие температуры фиксируются на станции Восток в Антарктиде (до – 70⁰ С).

5. Средняя температура каждого года.

6. Средняя многолетняя температура года. Самая высокая среднегодовая температура зафиксирована на метеостанции Даллол в Эфиопии и составила +34,4 ⁰С. На юге Сахары многие пункты имеют среднегодовую температуру +29-30⁰ С. Самая низкая среднегодовая температура зарегистрирована на плато Стейшн и составила – 56,6⁰ С.

7. Абсолютные минимумы и максимумы температуры за любой срок наблюдений – сутки, месяц, год, ряд лет. Абсолютный минимум для всей земной  поверхности был отмечен на станции Восток в Антарктиде в августе 1960 г и составил – 88,3⁰ С, для северного полушария – в Оймяконе в феврале 1933 года ( -67,7⁰С).

Самая высокая для всей Земли  температура наблюдалась в сентябре 1922 года в Эль-Азии в Ливии (+57,8 ⁰С). Второй рекорд жары  +56,7 ⁰С был зарегистрирован в Долине Смерти. На третьем месте по данному показателю находится пустыня Тар (+53 ⁰С). В море самая высокая температура воды +35,6⁰С отмечена в Персидском заливе. Озерная вода больше всего нагревается в Каспийском море (до +37,2⁰С).

10.1.3  Распределение тепла по земной поверхности

Если бы тепловой режим географической оболочки определялся только распределением солнечной радиации без переноса ее атмосферой и гидросферой, то на экваторе температура воздуха была бы 39⁰ С, а на полюсе -44⁰С. Уже на широте 50⁰ с.ш. и ю.ш. начиналась бы зона вечного мороза. Однако действительная температура на экваторе составляет  около 26⁰С, а на северном полюсе -20⁰С.

До широт 30 ⁰ солярные температуры выше фактических,  т.е. в этой части земного шара образуется избыток солнечно тепла. В средних, а тем более в полярных широтах фактические температуры выше солярных, т.е. эти пояса Земли получают дополнительное к солнечному тепло. Оно поступает из низких широт с океаническими (водными) и тропосферными воздушными массами в процессе их планетарной циркуляции.

Таким образом, распределение солнечного тепла, как и его усвоение, происходит не в одной системе – атмосфере, а в системе более высокого структурного уровня – атмосфере и гидросфере.

Анализ распределения тепла  в гидросфере и атмосфере позволяет  сделать следующие обобщающие выводы:

1. Южное полушарие холоднее северного, так как туда меньше поступает адвективного тепла из жаркого пояса.

2. Солнечное тепло расходуется главным образом над океанами на испарение воды. Вместе с паром оно перераспределяется как между зонами, так и внутри каждой зоны, между материками и океанами.

3. Из тропических широт тепло с пассатной циркуляцией и тропическими течениями поступает в экваториальные. Тропики теряют до 60 ккал/см² в год, а на экваторе приход тепла от конденсации составляет 100 и более кал/см² в год.

4. Северный умеренный пояс от теплых океанских течений, идущих из экваториальных широт (Гольфстрим, Куровиво), получает на океанах до 20 и более ккал/см² в год.

5. Западным переносом с океанов тепло переносится на материки, где умеренный климат формируется не до широты 50⁰, а намного севернее полярного круга.

6. В южном полушарии тропическое тепло получают только Аргентина и Чили; в Южном океане циркулируют холодные воды Антарктического течения.

В январе огромная область положительных  температурных аномалий находится  в Северной Атлантике. Она простирается от тропика до 85 ⁰ с.ш. и от Гренландии до линии Ямал-Черное море. Максимального превышения фактические температуры над среднеширотной достигают в Норвежском море (до 26⁰ С). Британские острова и Норвегия теплее на 16⁰С, Франция и Балтийское море – на 12⁰С.

В Восточной Сибири в январе образуется столь же большая и ярко выраженная область отрицательных температурных аномалий с центром в Северо-Восточной Сибири. Здесь аномалия достигает -24 ⁰С.

В северной части Тихого океана также  находится область положительных  аномалий (до 13⁰С), а в Канаде – отрицательных (до -15⁰С).

Распределение тепла на земной поверхности  на географических картах при помощи изотерм. Существуют карты изотерм  года и каждого месяца. Эти карты  достаточно объективно иллюстрируют тепловой режим той или иной местности.

Тепло на земной поверхности распределено зонально-регионально:

1. Средняя многолетняя самая высокая температура (27⁰ С) наблюдается не на экваторе, а на 10⁰ с.ш.  Эта наиболее теплая параллель называется термическим экватором.

2. В июле термический экватор смещается на северный тропик. Средняя температура на этой параллели равна 28,2 ⁰С, а в самых жарких районах (Сахара, Калифорния, Тар) она достигает 36⁰С.

3. В январе термический экватор сдвигается в южное полушарие, но не так значительно, как в июле в северное. Самой теплой параллелью (26,7⁰С) в среднем оказывается 5⁰ ю.ш., но самые жаркие районы находятся еще южнее, т.е. на материках Африки и Австралии (30⁰С и 32⁰ С).

4. Температурный градиент направлен к полюсам, т.е. температура к полюсам понижается, причем в южном полушарии значительнее, чем в Северном. Разница между экватором и Северным полюсом составляет 27⁰ С зимой 67⁰С, а между экватором и Южным полюсом летом 40 ⁰ С, зимой 74 ⁰ С.

5. Падение температуры от экватора к полюсам неравномерное. В тропических широтах оно происходит очень медленно: на 1⁰ широты летом 0,06 – 0,09⁰ С, зимой 0,2 – 0,3 ⁰С. Вся тропическая зона в температурном отношении оказывается весьма однородной.

6. В северном умеренном поясе ход январских изотерм очень сложен. Анализ изотерм выявляет следующие закономерности:

- в Атлантическом и Тихом  океанах значительна адвекция  тепла, связанная с циркуляцией  атмосферы и гидросферы;

- примыкающая к океанам суша  – Западная Европа и Северо-Западная  Америка – имеют высокую температуру (на побережье Норвегии 0⁰С);

- огромный массив суши Азии  сильно выхоложен, на нем замкнутые  изотермы очерчивают очень холодную  область в Восточной Сибири, до  – 48⁰ С.

- изотермы в Евразии идут  не с Запада на Восток, а  с северо-запада на юго-восток, показывая, что температуры падают в направлении от океана вглубь материка; через Новосибирск проходит та же изотерма, что и по Новой Земле (-18⁰С). На Аральском море также холодно, как и на Шпицбергене (-14⁰С). Подобная картина, но несколько в ослабленном виде, наблюдается и в Северной Америке;