Распределение тепла в тропосфере


Как же распределяется тепло в воздушной массе, нагреваемой или охлаждаемой от земной поверхности?

Мы уже знаем, что с высотой температура в тропосфере понижается. Это объясняется тем, что мы, поднимаясь от поверхности Земли, удаляемся от источника тепла, нагревающего воздушную оболочку Земли. Есть еще одна причина вертикального понижения температуры воздуха. Она заключается в уменьшении атмосферного давления с высотой. Поднимающийся воздух расширяется, на осуществление этой работы расходуется тепловая энергия, содержащаяся в самом поднимающемся объеме воздуха, почему его температура и понижается.

Из своего опыта мы знаем случаи понижения и повышения температуры воздуха при его расширении или сжатии. Накачивая воздух в велосипедные или автомобильные шины, мы ощущаем нагревание насоса и шин. При быстром истечении сильно сжатого воздуха кран, через который он выпускается, сильно охлаждается.

Величина падения температуры обычно подсчитывается для разности высот в 100 метров. Она имеет очень большое значение для развития всех явлений в атмосфере. При падении температуры на 0,5-0,7 градуса на 100 метров перемешивание воздуха снизу вверх происходит слабо. Воздушная масса называется устойчивой. При падении температуры на каждые 100 метров больше чем на 1 градус перемешивание снизу вверх происходит сильно. Воздушная масса называется неустойчивой.

Допустим, что воздушная масса на некоторое время замедлила свое движение и задержалась над теплой сушей. Перед этим температура с высотой в ней падала, скажем, на 0,5 градуса на каждые 100 метров, следовательно, эта воздушная масса была устойчивой.

Ежедневное прогревание почвы, а от нее воздуха, распространяясь вверх постепенно изменило температуру воздуха внизу и величину ее уменьшения с высотой. Температура у поверхности Земли вместо +10 градусов стала, допустим, +15 градусов. Температуру +10 градусов в это же время мы найдем уже на большей, чем раньше, высоте, так как воздушная масса прогревается, и это значение температуры как бы передвинулось вверх. Еще через некоторое время температура внизу увеличится до +20 градусов и, наконец, до +25 градусов. Температуру +15 и +10 градусов в то же время мы найдем на еще больших высотах. Следовательно, перепад температуры на каждые 100 метров стал больше и во всем прогретом слое величина падения температуры с высотой возросла. Особенно сильно оно будет внизу. Здесь понижение температуры на каждые 100 метров высоты часто превышает 1 градус. В прогретом слое воздушная масса стала неустойчивой. Когда после этого воздушная масса вновь начинает быстро двигаться, новые свойства новых участков земной поверхности на которую воздушная масса попадает, не успевают проникнуть во всю ее толщу, и она только постепенно изменяет их; если воздушная масса на этом своем пути охлаждается, то устойчивость она приобретает не сразу.

Двигаясь на север, текущая с юга воздушная масса оказывается во все более холодном окружении. Она всюду будет теплее, чем подстилающая поверхность и тот воздух, который находился здесь ранее. Приход такой воздушной массы принесет в каждый район повышение температуры Подобная воздушная масса называется теплой.

В противоположном случае, когда воздушная масса движется с севера на юг — в более теплые районы, она всюду окажется холоднее, чем окружающий воздух и подстилающая земная поверхность. Ее приход всюду будет приносить похолодание. Такая воздушная масса называется холодной.

Но мы помним, что в первом случае воздушная масса, охлаждаясь снизу, приобретает все большую устойчивость и в новые места приходит в виде устойчивой воздушной массы, а во втором — прогреваясь снизу, она становится все более неустойчивой. Стало быть, теплая^ воздушная масса обычно бывает устойчивой, а холодная — неустойчивой.

Так как все такие воздействия на воздушные массы идут снизу, от земной поверхности, то нижние слои атмосферы зачастую отражают даже непродолжительные и слабые воздействия, не сказывающиеся на изменении воздушной массы в целом. Ее основные свойства температура, влажность, прозрачность и т. п. — лучше выражены и более постоянны на большей высоте. Этим и объясняется уже упоминавшееся ранее стремление ведущее начало от М. В. Ломоносова и так усиленно пропагандировавшееся Д. И. Менделеевым, производить измерения основных метеорологических элементов в свободной атмосфере. Сейчас такие наблюдения производятся во многих пунктах и их результаты широко используются в метеорологии.

Когда холодная и теплая воздушные массы сближаются, между ними образуется узкая переходная зона, так называемый фронт. Фронт всегда располагается таким образом, что холодный воздух лежит клином под теплым. Текущий бок о бок с холодным теплый воздух вместе с тем поднимается на холодный. Холодный же воздух стремится из-за большой плотности опуститься и растекается под теплым. Поднимающийся вверх теплый воздух расширяется и в связи с этим охлаждается. Этим вызывается одно из самых основных явлении погоды — образование облаков и выпадение из них дождя или снега. Подробно об этом мы расскажем несколько позже. Сейчас же отметим, что с фронтами связано развитие циклонов — огромных вихрей в атмосфере, вращающихся в нашем полушарии против часовой стрелки и обычно приносящих неустойчивую и ненастную погоду, а также антициклонов — таких же вихрей, но с противоположным циклоническому вращением и с более устойчивой и сухой погодой.

Таким образом, мы видим, что погода обусловливается холодными и теплыми воздушными массами, их перемещением и взаимодействием, их «борьбой» между собой.