От чего зависит распределение температур воздуха. Изменение температуры воздуха

Вопрос 1. От чего зависит распределение тепла по поверхности Земли?

Распределение температуры воздуха над поверхностью Земли зависит от следующих четырех основных факторов: 1) широты, 2) высоты поверхности суши, 3) типа поверхности, в особенности от расположения суши и моря, 4) переноса тепла ветрами и течениями.

Вопрос 2. В каких единицах измеряется температура?

В метеорологии и в быту в качестве единицы измерения температуры используется шкала Цельсия или градусы Цельсия.

Вопрос 3. Как называется прибор для измерения температуры?

Термометр - прибор для измерения температуры воздуха.

Вопрос 4. Как изменяется температура воздуха в течение суток, в течение года?

Изменение температуры зависит от вращения Земли вокруг оси и соответственно от изменения количества солнечного тепла. Поэтому температура воздуха повышается или понижается в зависимости от расположения Солнца на небе. Изменение температуры воздуха в течение года зависит от положения Земли на орбите при вращении вокруг Солнца. Летом земная поверхность хорошо нагревается из-за прямого падения солнечных лучей.

Вопрос 5. При каких условиях в конкретной точке на поверхности Земли температура воздуха будет оставаться всегда постоянной?

Если Земля не будет вращаться вокруг солнца и своей оси и не будет переноса воздуха ветрами.

Вопрос 6. По какой закономерности меняется температура воздуха с высотой?

При подъёме над поверхностью Земли температура воздуха в тропосфере понижается на 6 С на каждом километре подъёма.

Вопрос 7. Какая существует связь между температурой воздуха и географической широтой места?

Количество света и тепла, получаемое земной поверхностью, постепенно убывает в направлении от экватора к полюсам из-за изменения угла падения солнечных лучей.

Вопрос 8. Как и почему меняется температура воздуха в течение суток?

Солнце встаёт на востоке, поднимается всё выше и выше, а затем начинает опускаться, пока не зайдёт за горизонт до следующего утра. Суточное вращение Земли приводит к тому, что угол падения солнечных лучей на поверхность Земли меняется. А значит, меняется и уровень нагрева этой поверхности. В свою очередь, и воздух, который нагревается от поверхности Земли, получает в течение дня разное количество тепла. А ночью количество тепла, получаемое атмосферой, ещё меньше. Вот в чём причина суточной изменчивости. В течение суток температура воздуха повышается с рассвета до двух часов дня, а потом начинает понижаться и достигает минимума за час до рассвета.

Вопрос 9. Что такое амплитуда температур?

Разность самой высокой и самой низкой температуры воздуха за какой-либо промежуток времени называется амплитудой температур.

Вопрос 11. Почему самая высокая температура наблюдается в 14 ч, а самая низкая - в «предрассветный час»?

Потому что в 14 часов Солнце максимально нагревает землю, а в предрассветный час Солнце еще не взошло, а за ночь температура все время опускалась.

Вопрос 12. Всегда ли можно ограничиться знаниями только о средних значениях температуры?

Нет, так как в определенных ситуациях необходимо знать точную температуру.

Вопрос 13. Для каких широт и почему характерны самые низкие средние значения температуры воздуха?

Для полярных широт, поскольку солнечные лучи доходят до поверхности под наименьшим углом.

Вопрос 14. Для каких широт и почему характерны самые высокие средние значения температуры воздуха?

Самые высокие средние значения температуры воздуха характерны для тропиков и экватора, так как там самый большой угол падения солнечных лучей.

Вопрос 15. Почему температура воздуха с высотой уменьшается?

Потому, что воздух прогревается от поверхности Земли, когда она имеет плюсовую температуру и получается чем выше воздушный слой, тем меньше он прогревается.

Вопрос 16. Как вы думаете, какой месяц года отличается минимальными средними температурами воздуха в Северном полушарии? В Южном полушарии?

Январь в среднем, самый холодный месяц года на большей части Северного полушария Земли, и самый теплый месяц года на большей части Южного полушария. Июнь в среднем, самый холодный месяц года на большей части Южного полушария.

Вопрос 17. На какой из перечисленных параллелей высота полуденного солнца будет наибольшей: 20° с. ш., 50° ю. ш., 80 с. ш.?

Вопрос 18. Определите температуру воздуха на высоте 3 км, если у поверхности Земли она составляет +24 °С?

tн=24-6,5*3=4,5 ºС

Вопрос 19. Рассчитайте среднее значение температуры по данным, представленным в таблице.

(5+0+3+4+7+10+5) : 6 = 4,86; (-3 + -1) : 2 = -2; 4,86 - 2 = 2,86

Ответ: средняя температура = 2,86 градусов.

Вопрос 20. Используя приведённые в задании 2 табличные данные, определите амплитуду температур за указанный период.

Амплитуда температур за указанный период составит 13 градусов.

Наша планета имеет шарообразную форму, поэтому солнечные лучи падают на земную поверхность под разными углами и нагревают её неравномерно. На экваторе, где солнечные лучи падают отвесно, поверхность Земли нагревается сильнее. Чем ближе к полюсам, тем меньше угол падения солнечных лучей и тем слабее нагревается поверхность. В полярных областях лучи как будто скользят по планете и почти не нагревают её. К тому же, проходя в атмосфере длинный путь, солнечные лучи сильно рассеиваются и приносят на Землю меньше тепла. Приземный слой воздуха нагревается от подстилающей поверхности, следовательно, температура воздуха уменьшается от экватора к полюсам.

Известно, что земная ось наклонена к плоскости орбиты, по которой Земля вращается вокруг Солнца, поэтому Северное и Южное полушария нагреваются неравномерно в зависимости от времён года, что тоже влияет на температуру воздуха. В любой точке Земли температура воздуха изменяется в течение суток и в течение года. Она зависит от того, как высоко стоит Солнце над горизонтом, и от продолжительности дня. В течение суток самая высокая температура наблюдается в 14-15 часов, а самая низкая - вскоре после восхода Солнца.

Изменение температуры от экватора к полюсам зависит не только от географической широты мес- «а та, но и от планетарного переноса тепла из низких широт в высокие, от распределения на поверхности планеты материков и океанов, которые по-разному нагреваются Солнцем и по-разному отдают тепло, а также от положения горных хребтов и океанических течений. Например, Северное полушарие теплее Южного, потому что в южной полярной области находится крупный материк Антарктида, покрытый ледяным панцирем.

На картах температуру воздуха над земной поверхностью показывают с помощью изотерм - линий, соединяющих точки с одинаковой температурой. Изотермы близки к параллелям только там, где пересекают океаны, и сильно изгибаются над материками. На основе карт изотерм на планете выделяют тепловые пояса. Жаркий пояс расположен в экваториальных широтах между среднегодовыми изотермами +20 °С. Умеренные пояса находятся к северу и югу от жаркого и ограничены изотермами + 10 °С. Два холодных пояса лежат между изотермами + 10 °С и 0 °С, а у Северного и Южного полюсов находятся пояса мороза.

С высотой температура воздуха убывает в среднем на 6 °С при подъёме на 1 км.

Осенью и весной нередко случаются заморозки - понижение температуры воздуха ночью ниже 0 °С, в то время как среднесуточные температуры держатся выше нуля. Заморозки чаще всего происходят в ясные тихие ночи, когда на данную территорию поступают достаточно холодные воздушные массы, например, из Арктики. При заморозках воздух значительно охлаждается у земной поверхности, над холодным слоем воздуха оказывается тёплый, и происходит температурная инверсия - повышение температуры с высотой. Она часто наблюдается в полярных областях, где в ночные часы земная поверхность сильно охлаждается.

1 . Нагревание воздуха. Из курса «Человек и мир» вы знаете, что чем выше Солнце над горизонтом, тем больше нагревается зем­ная поверхность, а от нее - и воздух. Атмосфера пропускает солнечные лучи к земной поверхности, но не согревается ими. (Вспомните, какие предметы в вашей комнате становятся теплее от солнечных лучей, а какие нет?).

Солнечные лучи, падая на земную поверхность, нагревают ее, а затем от воды и суши нагревается воздух тропосферы. Сле­довательно, чем ближе к земной поверхности, тем воздух теп­лее, чем дальше от нее, тем воздух холоднее. Поэтому темпе­ратура воздуха в тропосфере с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м подъема (рис. 9).

Количество солнечного тепла, получаемое тем или иным участком земной поверхности, зависит в первую очередь от угла падения солнечных лучей и про­должительности освещения. Чем больше эти величины, тем больше солнечного тепла получает земная поверхность.

Угол падения лучей и продолжи­тельность освещения определяются географической широтой. Чем бли­же к экватору, тем больше угол па­дения солнечных лучей, тем сильнее нагревается земная поверхность и выше температура приземного слоя воздуха. И наоборот, с удалением от экватора угол падения солнечных лучей и нагрев земной поверхности уменьшаются, а температура возду­ха понижается (рис. 10).

На одной и той же широте угол падения лучей в течение года изменяется: летом он больше, зимой меньше (рис. 11). Соответственно изменяется и продолжительность освещения: летом она больше чем зимой (рис.12). Поэтому нагревание земной поверхности изменяется по сезонам года.

Нагревание земной поверхности солнечными лучами зависит и от многих других факторов. Поверхность Земли представлена сушей и водой, условия нагревания которых различны. Вода медленнее нагревается, больше поглощает солнечного тепла и медленнее остывает по сравнению с сушей (рис. 13). В свою очередь, поверхность суши также неоднородна. Ее нагревание зависит от рельефа, горных пород, почв, растительности, снежного покрова, ледников. Поэтому температурные условия на земной поверхности весьма разнообразны.

2. Измерение температуры воз­духа. Температура воздуха измеря­ется обычно ртутными термометра­ми. В странах с холодными зимами применяются спиртовые термометры, так как при температуре -39 °С ртуть замерзает. Для измерения темпера­туры воздуха термометр помещают в метеорологическую будку (рис. 13), воздух в которую проникает свободно. Будку делают из дерева и окрашивают в белый цвет, чтобы она максимально отражала солнечные лучи и меньше нагревалась. Дверца будки ориентирована на север. Буд­ка устанавливается на высоте 2 м от поверхности почвы, и эта норма яв­ляется единой для всех стран. (Почему температуру воздуха измеряют на одинаковой высоте?)

В метеорологической будке находятся срочный термометр (для наблюдения температуры в срок наблюдения), а также максимальный и минимальный. Они показывают самую высокую и самую низкую температуру между сроками наблюдений.

Для непрерывной регистрации изменений температуры воздуха применяются самопишущие приборы - термографы.

Данные, полученные при наблю­дениях, обрабатываются. На их основе вычисляются средние температуры каждых суток, месяца, года и средние многолетние температуры, а также амплитуды температур . Амплитуда температуры – это разность самой высокой и самой низкой температурой в течение суток и года. Различают суточную и годовую амплитуду температур. Суточная амплитуда - это разность между наибольшим и наименьшим значениями температур воздуха в течение суток. Годовая амплитуда – это разность между среднемесячными температурами самого теплого и самого холодного месяцев года.

Определяются также наибольшие (макси­мальные) и наименьшие (минимальные) тем­пературы за любой период времени.

3. Изменение температур. Температура воздуха изменяется в течение суток и года в связи с изменениями нагревания земной поверхности солнечными лучами (рис. 14, 15). Минимальное значение температуры воздуха у земной поверхности в суточном ходе наблюдается вскоре после восхода Солнца, а максимальное - в 14-15 ч. В течение суток на изменение температуры влияют облачность, поступление воздуха с другой температурой. На суше в Северном полушарии самые высокие температуры на­блюдаются в июле, а самые низкие - в январе. (Почему?) Над поверхнос­тью вод Мирового океана - на один месяц позднее (соответствен­но в августе и феврале). (Почему?)

Температуры воздуха на поверхности Земли изменя­ются от низких широт к высоким (рис. 16). Они понижаются от экватора к по­люсам. В этом направлении уменьшается угол падения солнечных лучей, и земная поверхность нагревается слабее.

? Проверь себя

Наша планета имеет шарообразную форму, поэтому солнечные лучи падают на земную поверхность под разными углами и нагревают её неравномерно. На экваторе, где солнечные лучи падают отвесно, поверхность Земли нагревается сильнее. Чем ближе к полюсам, тем
меньше угол падения солнечных лучей и тем слабее нагревается поверхность.

В полярных областях лучи как будто скользят по планете и почти не нагревают её. К тому же, проходя в атмосфере длинный путь, солнечные лучи сильно рассеиваются и приносят на Землю меньше тепла - прим.. Приземный слой воздуха нагревается от подстилающей поверхности, следовательно, температура воздуха уменьшается от экватора к полюсам.

Известно, что земная ось наклонена к плоскости орбиты, по которой Земля вращается вокруг Солнца, поэтому Северное и Южное полушария нагреваются неравномерно в зависимости от времён года, что тоже влияет на температуру воздуха.

В любой точке Земли температура воздуха изменяется в течение суток и в течение года. Она зависит от того, как высоко стоит Солнце над горизонтом, и от продолжительности дня - прим.. В течение суток самая высокая температура наблюдается в 14-15 часов, а самая низкая - вскоре после восхода Солнца.

Изменение температуры от экватора к полюсам зависит не только от географической широты места, но и от планетарного переноса тепла из низких широт в высокие, от распределения на поверхности планеты материков и океанов, которые поразному нагреваются Солнцем и по-разному отдают тепло, а также от положения горных хребтов и океанических течений. Например, Северное полушарие теплее Южного, потому что в южной полярной области находится крупный материк Антарктида, покрытый ледяным панцирем.

На картах температуру воздуха над земной поверхностью показывают с помощью изотерм - линий, соединяющих точки с одинаковой температурой. Изотермы близки к параллелям только там, где пересекают океаны, и сильно изгибаются над материками.

На основе карт изотерм на планете выделяют тепловые пояса. Жаркий пояс расположен в экваториальных широтах между среднегодовыми изотермами +20 °С. Умеренные пояса находятся к северу и югу от жаркого и ограничены изотермами + 10 °С. Два холодных пояса лежат между изотермами + 10 °С и 0 °С, а у Северного и Южного полюсов находятся пояса мороза.

С высотой температура воздуха убывает в среднем на 6 °С при подъёме на 1 км.

Осенью и весной нередко случаются заморозки - понижение температуры воздуха ночью ниже 0 °С, в то время как среднесуточные температуры держатся выше нуля. Заморозки чаще всего происходят в ясные тихие ночи, когда на данную территорию поступают достаточно холодные воздушные массы, например, из Арктики - прим.. При заморозках воздух значительно охлаждается у земной поверхности, над холодным слоем воздуха оказывается тёплый, и происходит температурная инверсия - повышение температуры с высотой. Она часто наблюдается в полярных областях, где в ночные часы земная поверхность сильно охлаждается.

Лучи Солнца, как уже говорилось, проходя через атмосферу, испытывают некоторые изменения и часть тепла отдают атмосфере. Но это тепло, распределенное по всей толще атмосферы, дает очень небольшой эффект в смысле нагревания. На температурные условия нижних слоев атмосферы основное влияние оказывает температура земной поверхности. От нагретой поверхности суши и воды нагреваются нижние слои атмосферы, от охлажденной поверхности охлаждаются. Таким образом, основным источником нагревания и охлаждения нижних слоев атмосферы является именно земная поверхность. Однако термин «земная поверхность» в данном случае (т. е. при рассмотрении процессов, совершающихся в атмосфере) иногда удобнее заменять термином подстилающая поверхность. С термином земная поверхность мы чаще всего связываем представление о форме поверхности с учетом суши и моря, тогда как термин подстилающая поверхность обозначает земную поверхность со всеми присущими ей свойствами, важными для атмосферы (формой, характером пород, цветом, температурой, влажностью, растительным покровом и т. д.).

Отмеченные нами обстоятельства заставляют нас в первую очередь остановить свое внимание на температурных условиях земной поверхности, или, точнее, подстилающей поверхности.

Баланс тепла на подстилающей поверхности. Температура подстилающей поверхности определяется соотношением прихода и расхода тепла. Приходо-расходный баланс тепла на земной поверхности в дневное время складывается из следующих величин: приход - тепло, поступающее от прямой и рассеянной солнечной радиации; расход - а) отражение от земной поверхности части солнечной радиации, б) на испарение, в) земное излучение, г) отдача тепла прилегающим слоям воздуха, д) передача тепла в глубь почвы.

В ночное время слагающие приходо-расходного баланса тепла на подстилающей поверхности меняются. Ночью отсутствует солнечная радиация; тепло может поступать от воздуха (если его температура окажется выше температуры земной поверхности) и от нижних слоев почвы. Вместо испарения на поверхности почвы может быть конденсация водяных паров; выделяемое при этом тепло поглощается земной поверхностью.

Если баланс тепла положительный (приход тепла больше расхода), то температура подстилающей поверхности повышается; если же баланс отрицательный (приход меньше расхода), то температура понижается.

Условия нагревания поверхности суши и поверхности воды весьма различны. Остановимся сначала на условиях нагревания суши.

Нагревание суши. Поверхность суши не однородна. В одних местах обширные просторы степей, лугов и пашен, в других - леса и болота, втретьих - почти лишенные растительного покрова пустыни. Понятно, что условия нагревания земной поверхности в каждом из приведенных нами случаев далеко не одинаковы. Проще всего они будут там, где земная поверхность не покрыта растительностью. На этих простейших случаях мы в первую очередь и остановимся.

Для измерения температуры поверхностного слоя почвы применяется обычный ртутный термометр. Термометр кладется на незатененном месте, но так, чтобы нижняя половина резервуара с ртутью находилась в толще грунта. Если почва покрыта травой, то траву необходимо подстричь (иначе исследуемый участок почвы будет затененным). Однако нужно сказать, что этот способ нельзя считать совершенно точным. Для получения более точных данных употребляют электротермометры.

Измерение температуры почвы на глубине 20-40 см производят почвенными ртутными термометрами. Для измерения же более глубоких слоев (от 0,1 ж до 3, а иногда и более метров) употребляются так называемые вытяжные термометры. Это по сути дела те же ртутные термометры, но только вложенные в эбонитовую трубку, которая зарывается в землю на требуемую глубину (рис. 34).

В дневные часы, особенно летом, поверхность почвы сильно нагревается, а за ночь сильно охлаждается. Обычно максимум температуры бывает около 13 час, а минимум - перед восходом Солнца. Разность между наибольшей и наименьшей температурами называют амплитудой суточных колебаний. В летнее время амплитуда значительно больше, чем в зимнее. Так, например, для Тбилиси в июле она достигает 30°, а в январе 10°. В годовом ходе температуры на поверхности почвы максимум обычно наблюдается в июле, а минимум в январе. От верхнего нагретого слоя почвы тепло частью передается воздуху, частью слоям, расположенным глубже. Ночью - процесс обратный. Глубина, на которую проникает суточное колебание температуры, зависит от теплопроводности почвы. Но в общем она невелика и колеблется приблизительно от 70 до 100 см. При этом суточная амплитуда с глубиной очень быстро уменьшается. Так, если на поверхности почвы суточная амплитуда равна 16°, то на глубине 12 см она уже только 8°, на глубине 24 см - 4°, а на глубине 48 см -1°. Из сказанного ясно, что поглощаемое почвой тепло накапливается главным образом в ее верхнем слое, толщина которого измеряется сантиметрами. Но этот верхний слой почвы как раз и является тем главным источником тепла, от которого зависит температура

примыкающего к почве слоя воздуха.

Значительно глубже проникают годовые колебания. В умеренных широтах, где годовая амплитуда особенно велика, колебания температуры затухают на глубине 20-30 м.

Передача температур внутрь Земли происходит довольно медленно. В среднем на каждый метр глубины колебания температуры запаздывают на 20-30 суток. Таким образом, самые высокие температуры, которые на поверхности Земли наблюдаются в июле, на глубине 5 м окажутся в декабре или январе, а самые низкие в июле.

Влияние растительного и снежного покрова. Растительный покров затеняет земную поверхность и тем самым уменьшает приток тепла к почве. В ночное время, наоборот, растительный покров предохраняет почву от лучеиспускания. Кроме того, растительный покров испаряет воду, на что тоже расходуется часть лучистой энергии Солнца. В результате почвы, покрытые растительностью, днем нагреваются меньше. Особенно это заметно в лесу, где летом почва значительно холоднее, чем в поле.

Еще большее влияние оказывает снежный покров, который благодаря малой теплопроводности защищает почву от чрезмерного зимнего охлаждения. Из наблюдений, производимых в Лесном (близ Ленинграда), оказалось, что почва, лишенная снежного покрова, в феврале в среднем на 7° холоднее, чем почва, покрытая снегом (данные выведены на основании 15-летних наблюдений). В отдельные годы зимой разность температуры доходила до 20-30°. Из тех же наблюдений оказалось, что почвы, лишенные снежного покрова, промерзли до 1,35 м глубины, тогда как под снежным покровом промерзание не глубже 40 см.

Промерзание почв и вечная мерзлота . Вопрос о глубине промерзания почв имеет большое практическое значение. Достаточно вспомнить постройку водопроводов, водохранилищ и других подобных сооружений. В средней полосе Европейской части СССР глубина промерзания колеблется в пределах от 1 до 1,5 м, в южных районах - от 40 до 50 см. В Восточной Сибири, где зимы холоднее и снежный покров очень мал, глубина промерзания доходит до нескольких метров. При этих условиях за летний период грунт успевает оттаять только с поверхности, а глубже остается постоянно мерзлый горизонт, известный под названием вечной мерзлоты. Площадь, где встречается вечная мерзлота, огромна. В СССР (главным образом в Сибири) она занимает свыше 9 млн. км 2 . Нагревание водной поверхности. Теплоемкость воды в два раза больше теплоемкости пород, слагающих сушу. Это значит, что при одних и тех же условиях, за определенный период времени, поверхность суши успеет нагреться вдвое больше, нежели поверхность воды. Кроме того, вода при нагревании испаряется, на что затрачивается также немалое

количество тепловой энергии. И, наконец, необходимо отметить еще одну очень важную причину, замедляющую нагревание: это перемешивание верхних слоев воды благодаря волнению и конвекционным токам (до глубины 100 и даже 200 м).

Из всего сказанного ясно, что поверхность воды нагревается значительно медленнее, чем поверхность суши. В результате суточная и годовая амплитуды температуры поверхности моря во много раз меньше суточной и годовой амплитуды поверхности суши.

Однако благодаря большей теплоемкости и более глубокому прогреванию водная поверхность накапливает тепла гораздо больше, чем поверхность суши. В результате средняя температура поверхности океанов согласно вычислениям превосходит среднюю температуру воздуха всего земного шара на 3°. Из всего сказанного ясно, что условия нагревания воздуха над поверхностью моря в значительной степени отличаются от условий суши. Коротко эти различия можно охарактеризовать так:

1) в областях с большой суточной амплитудой (тропическая зона) ночью температура моря выше, чем температура суши, аднем явление обратное;

2) в областях с большой годовой амплитудой (умеренная и полярная зона) поверхность моря осенью и зимой теплее, а летом и весной холоднее, чем поверхность суши;

3) поверхность моря получает тепла меньше, чем поверхность суши, но удерживает его дольше и расходует равномернее. В результате поверхность моря в среднем теплее поверхности суши.

Методы и приборы для измерения температуры воздуха. Температура воздуха измеряется обычно при помощи ртутных термометров. В холодных странах, где температура воздуха опускается ниже точки замерзания ртути (ртуть замерзает при - 39°), применяются спиртовые термометры.

При измерении температуры воздуха необходимо термометры помещать в защите, чтобы оградить их от прямого действия солнечной радиации и от земного излучения. У нас в СССР для этих целей используется психрометрическая (жалюзная) деревянная будка (рис. 35), которая устанавливается на высоте 2 м от поверхности почвы. Все четыре стенки этой будки сделаны из двойного ряда наклонных планок в виде жалюзи, крыша двойная, дно состоит из трех досок, расположенных на разной высоте. Такое устройство психрометрической будки обеспечивает защиту термометров от попадания на них прямой солнечной радиации и вместе с тем позволяет воздуху свободно проникать в нее. Для уменьшения нагревания будки она окрашивается в белый цвет. Дверцы будки открываются на север, чтобы при отсчетах на термометры не падали солнечные лучи.

В метеорологии известны различные по устройству и назначению термометры. Из них наиболее распространенными являются: психрометрический термометр, термометр-пращ, максимальный и минимальный термометры.

Психрометрический термометр является основным, принятым в настоящее время для определения температуры воздуха в срочные часы наблюдения. Это ртутный термометр (рис. 36) со вставной шкалой, цена деления которой 0°,2. При определении температуры воздуха психрометрическим термометром его устанавливают в вертикальном положении. В районах с низкими температурами воздуха, кроме ртутного психрометрического термометра, применяют при температурах ниже 20° аналогичный спиртовой термометр.

В экспедиционных условиях для определения температуры воздуха применяют термометр-пращ (рис. 37). Этот прибор представляет собой небольшой ртутный термометр со шкалой палочного типа; деления на шкале нанесены через 0°,5. ОК верхнему концу термометра привязывается шнурок, при помощи которого во время измерения температуры термометр быстро вращают над головой, чтобы ртутный резервуар его приходил в соприкосновение с большими массами воздуха и меньше сам нагревался от солнечной радиации. После вращения термометра-праща в течение 1-2 мин. производят отсчет температуры, при этом нужно прибор располагать в тени, чтобы на него не попадала прямая солнечная радиация.

служит для определения наивысшей температуры, наблюдавшейся за какой-либо истекший промежуток времени. В отличие от обычных ртутных термометров у максимального термометра (рис. 38) в дно ртутного резервуара впаян стеклянный штифтик, верхний конец которого немного входит в капиллярный сосуд, сильно сужая его отверстие. При поднятии температуры воздуха ртуть в резервуаре расширяется и устремляется в капиллярный сосуд. Его суженное отверстие при этом не является большим препятствием. Столбик ртути в капиллярном сосуде будет подниматься, пока повышается температура воздуха. Когда же температура начнет понижаться, ртуть в резервуаре станет сжиматься и оторвется от столбика ртути в капиллярном сосуде из-за наличия стеклянного штифтика. После каждого отсчета термометр встряхивают, как это делают и с медицинским термометром. При наблюдениях максимальный термометр кладется горизонтально, так как капилляр этого термометра сравнительно широк и ртуть в нем пои наклонном положении может перемещаться вне зависимости от температуры. Цена деления шкалы максимального термометра 0°,5.

Для определения наименьшей температуры за определенный период времени применяется минимальный термометр (рис. 39). Минимальный термометр - спиртовой. Шкала его разделена на 0°,5. При измерениях минимальный термометр, так же как и максимальный, устанавливается в горизонтальном положении. В капиллярном сосуде минимального термометра внутри спирта помещен маленький штифтик из темного стекла и с утолщенными концами. При понижении температуры столбик спирта укорачивается и поверхностная пленка спирта будет перемещать штифтик

тик к резервуару. Если затем начнется повышение температуры, то столбик спирта будет удлиняться, а штифтик останется на месте, фиксируя минимальную температуру.

Для непрерывной регистрации изменения температуры воздуха в течение суток пользуются самопишущими приборами - термографами.

В настоящее время в метеорологии применяют два вида термографов: биметаллические и манометрические. Наибольшим распространением пользуются термометры с биметаллическим приемником.

Биметаллический термограф (рис. 40) имеет в качестве приемника температуры биметаллическую (двойную) пластинку. Эта пластинка состоит из двух тонких спаянных между собой разнородных металлических пластиночек, обладающих различным температурным коэффициентом расширения. Один конец биметаллической пластинки закреплен в приборе неподвижно, другой свободный. При изменении температуры воздуха металлические пластиночки будут по-разному деформироваться и в связи с этим свободный конец биметаллической пластинки будет изгибаться в ту или другую сторону. А эти движения биметаллической пластинки посредством системы рычагов передаются стрелке, к которой прикреплено перо. Перо, перемещаясь вверх и вниз, чертит кривую линию хода изменения температуры на бумажной ленте, навернутой на барабан, вращающийся вокруг оси при помощи часового механизма.

У манометрических термографов приемником температуры служит изогнутая латунная трубка, заполненная жидкостью или газом. В остальном они аналогичны биметаллическим термографам. При повышении температуры объем жидкости (газа) увеличивается, при понижении уменьшается. Изменение объема жидкости (газа) деформирует стенки трубки, а это в свою очередь через систему рычагов передается стрелке с пером.

Вертикальное распределение температур в атмосфере. Нагревание атмосферы, как мы уже говорили, совершается двумя основными путями. Первый - это непосредственное поглощение солнечного и земного излучения, второй - передача тепла от нагретой земной поверхности. Первый путь достаточно освещался в главе о солнечной радиации. Остановимся на втором пути.

Передача тепла от земной поверхности в верхние слои атмосферы осуществляется тремя путями: молекулярной теплопроводностью, тепловой конвекцией и при помощи турбулентного перемешивания воздуха. Молекулярная теплопроводность воздуха очень мала, поэтому этот способ нагревания атмосферы не играет большой роли. Наибольшее значение в этом отношении имеет тепловая конвекция и турбулентность в атмосфере.

Нижние слои воздуха, нагреваясь, расширяются, уменьшают свою плотность и поднимаются вверх. Возникающие вертикальные (конвекционные) токи переносят тепло в верхние слои атмосферы. Однако этот перенос (конвекция) совершается не просто. Поднимающийся теплый воздух, вступая в условия меньшего атмосферного давления, расширяется. Процесс расширения связан с затратой энергии, в результате чего воздух охлаждается. Из физики известно, что температура восходящей массы воздуха при подъеме на каждые 100 м понижается приблизительно на 1°.

Однако приведенный нами вывод относится только к сухому или влажному, но ненасыщенному воздуху. Насыщенный же воздух при охлаждении конденсирует водяные пары; при этом происходит выделение тепла (скрытой теплоты парообразования), и это тепло повышает температуру воздуха. В результате при поднятии насыщенного влагой воздуха на каждые 100 м температура понижается не на 1°, а приблизительно на 0°,6.

При опускании воздуха происходит процесс обратный. Здесь на каждые 100 м опускания температура воздуха повышается на 1°. Степень влажности воздуха в данном случае роли не играет, потому что при повышении температуры воздух удаляется от насыщения.

Если принять во внимание, что влажность воздуха подвержена сильным колебаниям, то вся сложность условий нагревания нижних слоев атмосферы становится очевидной. В общем же, как уже в своем месте говорилось, в тропосфере наблюдается постепенное понижение температуры воздуха с высотой. И у верхней границы тропосферы температура воздуха ниже на 60-65° по сравнению с температурой воздуха у поверхности Земли.

Суточный ход амплитуды температуры воздуха с высотой убывает довольно быстро. Суточная амплитуда на высоте 2000 м выражается лишь десятыми долями градуса. Что же касается годовых колебаний, то они гораздо больше. Наблюдения показали, что они убывают до высоты 3 км. Выше 3 км наблюдается нарастание, которое увеличивается до 7-8 км высоты, а потом снова убывает приблизительно до 15 км.

Температурная инверсия. Бывают случаи когда нижние приземные слои воздуха могут оказаться холоднее выше лежащих. Это явление носит название температурной инверсии ; резко температурная инверсия выражается там, где в холодные периоды стоит безветренная погода. В странах с продолжительной холодной зимой температурная инверсия составляет зимой обычное явление. Особенно ярко она выражена в Восточной Сибири, где благодаря господствующему высокому давлению и безветрию температура переохлажденного воздуха на дне долин бывает исключительно низка. В качестве примера можно указать на Верхоянскую или Оймяконскую впадины, где температура воздуха снижается до -60 и даже -70°, тогда как на склонах окружающих гор она значительно выше.

Происхождение температурных инверсий бывает различное. Они могут образовываться в результате стекания охлажденного воздуха со склонов гор в замкнутые котловины, вследствие сильного излучения земной поверхности (радиационная инверсия), при адвекции теплого воздуха, обычно ранней весной, над снежным покровом (снежная инверсия), при наступлении холодных масс воздуха на теплые (фронтовая инверсия), благодаря турбулентному перемешиванию воздуха (инверсия турбулентности), при адиабатическом опускании масс воздуха, имеющих устойчивую стратификацию (инверсия сжатия).

Заморозки. В переходные сезоны года весной и осенью, когда температура воздуха бывает выше 0°, нередко в утренние часы наблюдаются на поверхности почвы заморозки. По своему происхождению заморозки подразделяют на два типа: радиационные и адвективные.

Радиационные заморозки образуются в результате выхолаживания в ночное время подстилающей поверхности вследствие земного излучения или по причине стекания со склонов возвышенностей в понижения холодного воздуха с температурой ниже 0°. Возникновению радиационных заморозков способствует отсутствие облаков в ночное время, малая влажность воздуха и безветренная погода.

Адвективные заморозки возникают в результате вторжения на ту или иную территорию холодных воздушных масс (арктических или континентальных полярных масс). В этих случаях заморозки носят более устойчивый характер и охватывают значительные площади.

Заморозки, в особенности поздневесенние, часто приносят огромный вред сельскому хозяйству, так как нередко низкие температуры, наблюдаемые во время заморозков, губят сельскохозяйственные растения. Поскольку основной причиной заморозков является охлаждение подстилающей поверхности земным излучением, то борьба с ними идет по линии искусственного уменьшения излучения земной поверхности. Уменьшить величину такого излучения можно путем задымления (при сжигании соломы, навоза, хвои и другого горючего материала), искусственного увлажнения воздуха и создания тумана. Для защиты ценных сельскохозяйственных культур от заморозков иногда применяют непосредственный обогрев растений различными способами или строят навесы из полотна, соломенных и камышовых матов и других материалов; подобные навесы уменьшают охлаждение земной поверхности и препятствуют возникновению заморозков.

Суточный ход температуры воздуха. Ночью поверхность Земли все время излучает тепло и постепенно охлаждается. Вместе с земной поверхностью охлаждается и нижний слой воздуха. Зимой момент наибольшего охлаждения обыкновенно бывает незадолго до восхода Солнца. При восходе Солнца лучи падают на земную поверхность под очень острыми углами и почти ее не нагревают, тем более что Земля продолжает излучать тепло в мировое пространство. По мере того как Солнце поднимается все выше и выше, угол падения лучей увеличивается, и приход солнечного тепла становится больше расхода тепла, излучаемого Землей. С этого момента температура поверхности Земли, а потом и температура воздуха начинает повышаться. И чем выше поднимается Солнце, тем круче падают лучи и выше поднимается температура земной поверхности и воздуха.

После полудня приток тепла от Солнца начинает уменьшаться, но температура воздуха продолжает подниматься, потому что убыль солнечной радиации восполняется излучением тепла с земной поверхности. Однако долго так продолжаться не может, и наступает момент, когда земное излучение уже не может покрывать убыли солнечного излучения. Этот момент в наших широтах зимой наступает около двух, а летом около трех часов пополудни. После этого момента начинается постепенное падение температуры, вплоть до восхода Солнца в следующее утро. Этот суточный ход температуры очень хорошо виден на схеме (рис. 41).

В различных поясах земного шара суточный ход температур воздуха весьма различен. На море, как уже говорилось, суточная амплитуда очень небольшая. В пустынных странах, где почвы не покрыты растительностью, днем поверхность Земли нагревается до 60-80°, а ночью охлаждается до 0°, суточные амплитуды достигают 60 и более градусов.

Годовой ход температур воздуха. Наибольшее количество солнечного тепла земная поверхность в северном полушарии получает в конце июня. В июле солнечная радиация уменьшается, но эта убыль восполняется все еще достаточно сильной солнечной радиацией и излучением сильно нагретой земной поверхности. В результате температура воздуха в июле оказывается выше, чем в июне. На морском берегу и на островах наибольшие температуры воздуха наблюдаются не в июле, а в августе. Это объясняется

тем, что водная поверхность дольше нагревается и медленнее расходует свое тепло. Приблизительно то же происходит и в зимние месяцы. Наименьшее количество солнечного тепла земная поверхность получает в конце декабря, а самые низкие температуры воздуха наблюдаются в январе, когда увеличивающийся приход солнечного тепла еще не может покрыть расхода тепла, являющегося результатом земного излучения. Таким образом, самым теплым месяцем для суши является июль, а самым холодным январь.

Годовой ход температуры воздуха для различных частей земного шара весьма различен (рис. 42). Прежде всего он, конечно, определяется широтой места. В зависимости от широты выделяют четыре основных типа годового хода температуры.

1. Экваториальный тип. Он отличается очень малой амплитудой. Для внутренних частей материков она около 7°, для побережий около 3°, на океанах 1°. Наиболее теплые периоды совпадают с зенитным положением Солнца на экваторе (во время весеннего и осеннего равноденствия), а холодные сезоны - в периоды летнего и зимнего солнцестояния. Таким образом, в течение года здесь сменяются два теплых и два холодных периода, разница между которыми очень небольшая.

2. Тропический тип. Наивысшее положение Солнца наблюдается в период летнего солнцестояния, наинизшее в период зимнего солнцестояния. В результате в течение года - один период максимальных температур и один период минимальных. Амплитуда также невелика: на побережье - около 5-6°, а внутри материка - около 20°.

3. Тип умеренного пояса. Здесь наивысшие температуры в июле и минимальные в январе (в южном полушарии обратно). Кроме этих двух крайних периодов лета и зимы, выделяются еще два переходных периода: весна и осень. Годовые амплитуды очень большие: в прибрежных странах 8°, внутри континентов до 40°.

4. Полярный тип. Он характеризуется очень продолжительной зимой и коротким летом. Внутри континентов в зимнее время устанавливаются большие холода. Амплитуда у побережья около 20-25°, внутри же континента более 60°. В качестве примера исключительно больших зимних холодов и годовых амплитуд можно привести Верхоянск, где зафиксирован абсолютный минимум температур воздуха -69°,8 и где средняя температура января -51°, а июля -+-.15°; абсолютный максимум доходит до +33°,7.

Приглядываясь к температурным условиям каждого из приведенных здесь типов годового хода температуры, мы прежде всего должны отметить бросающееся в глаза различие между температурами морских побережий и внутренних частей континентов. Это различие уже давно заставило выделить два типа климатов: морской и континентальный. В пределах одной и той же широты суша летом теплее, а зимой холоднее, чем море. Так, например, у берегов Бретани температура января 8°, в южной Германии на той же широте 0°, а в Нижнем Поволжье -8°. Еще больше различия в тех случаях, когда мы сравниваем температуры океанических станций со станциями материков. Так, на Фарерских островах (ст. Грохавы) самый холодный месяц (март) имеет среднюю температуру +3°, а самый теплый (июль) +11°. В Якутске, расположенном на тех же широтах, средняя температура января - 43°, а средняя температура июля +19°.

Изотермы. Различные условия нагревания в связи с широтой места и влиянием моря создают весьма сложную картину распределения температур по земной поверхности. Чтобы представить себе это расположение на географической карте, места с одинаковыми температурами соединяют линиями, известными под названием изотерм. Ввиду того что высота станций над уровнем моря различна, а высота оказывает значительное влияние на температуры, принято величины температур, полученных на метеостанциях, приводить к уровню моря. На карты наносят обычно изотермы средних месячных и средних годовых температур.

Январские и июльские изотермы. Наиболее яркую и наиболее характерную картину распределения температур дают карты январских и июльских изотерм (рис. 43, 44).

Рассмотрим сначала карту январских изотерм. Здесь прежде всего бросается в глаза согревающее влияние Атлантического океана, и, в частности, теплого течения Гольфстрим на Европу, а также охлаждающее влияние широких площадей суши в умеренных и полярных странах северного полушария. Особенно велико это влияние в Азии, где замкнутые изотермы в - 40,- 44 и - 48° окружают полюс холода. Бросается в глаза сравнительно малое отклонение изотерм от направления параллелей в умеренно-холодной зоне южного полушария, что является следствием преобладания там обширных водных площадей. На карте июльских изотерм резко выявляется более высокая температура материков по сравнению с океанами на тех же широтах.

Годовые изотермы и тепловые пояса Земли. Чтобы получить представление о распределении тепла по земной поверхности в среднем за целый год, пользуются картами годовых изотерм (рис. 45). По этим картам видно, что самые теплые места не совпадают с экватором.

Математической границей между жарким и умеренным поясом являются тропики. Действительная же граница, которую обычно проводят по годовой изотерме в 20°, заметно не совпадает с тропиками. На суше она чаше всего перемещается в сторону полюсов, а в океанах, особенно под влиянием холодных течений, в сторону экватора.

Гораздо труднее провести границу между холодными и умеренными поясами. Для этого лучше всего подходит не годовая, а июльская изотерма в 10°. Севернее этой границы лесная растительность не заходит. На суше всюду господствует тундра. Эта граница с полярным кругом не совпадает. По-видимому, также не совпадают с математическими полюсами самые холодные пункты земного шара. Те же карты годовых изотерм дают нам возможность заметить, что северное полушарие во всех широтах несколько теплее южного и что западные берега материков в средних и высоких широтах значительно теплее восточных.

Изаномалы. Прослеживая по карте ход январских и июльских изотерм, легко можно заметить, что температурные условия на одних и тех же широтах земного шара различны. При этом одни пункты имеют меньшую температуру, чем средняя температура для данной параллели, а другие, наоборот, большую. Отклонение температуры воздуха какого-либо пункта от средней температуры параллели, на которой этот пункт расположен, носит название температурной аномалии.

Аномалии могут быть положительными и отрицательными в зависимости от того, больше или меньше температура данного пункта по сравнению с средней температурой параллели. Если температура пункта выше средней температуры для данной параллели, то аномалия считается положительной,

при обратном соотношении температур аномалия отрицательная.

Линии на карте, соединяющие места земной поверхности с одинаковыми величинами температурных аномалий, называются изаномалами температуры (рис. 46 и 47). Из карты изаномал января видно, что в этот месяц материки Азия и Северная Америка имеют температуру воздуха ниже средней январской температуры для этих широт. Атлантический и

Тихий океаны, а также Европа, наоборот, имеют положительную температурную аномалию. Такое распределение температурных аномалий объясняется тем, что зимой суша охлаждается быстрее, чем водные пространства.

В июле положительная аномалия наблюдается на материках. Над океанами же северного полушария в это время отрицательная температурная аномалия.