Тропосфера и явления, в ней происходящие


Мы привыкли считать, что источником тепла на Земле являются солнечные лучи. Правильно ли при этом говорить о передаче тепла в воздух от поверхности Земли? И почему при подъеме вверх, то есть при «приближении» к Солнцу, становится не теплее, а холоднее?

Попадающие на поверхность земного шара солнечные лучи прежде всего проходят сквозь атмосферу. Казалось бы, что при этом сильнее всего должна нагреваться сама атмосфера, а потому, чем выше мы поднимемся в горы или на самолете, тем теплее должно было бы становиться. Каждый альпинист и летчик скажет, что это не так. Только в некоторых случаях зимой над сушей, чаще всего в Сибири, на высоте бывает действительно теплее, чем внизу. Во всех других случаях и местах с подъемом температура обычно понижается.

Происходит это оттого, что несомая солнечными лучами тепловая энергия сосредоточена главным образом в коротковолновой части спектра. Земная же атмосфера почти совсем прозрачна для идущих от Солнца коротковолновых лучей. Большую часть из них она пропускает до земной поверхности. Стало быть, сам воздух очень слабо нагревается прямыми солнечными лучами, но ими нагревается поверхность Земли.

Тропосфера

Тропосфера — ближайший к поверхности Земли слой атмосферы.. Над разными частями земного шара его толщина неодинакова: над полюсом она невелика — всего около 7-9 километров, над экватором доходит до 15-17 километров. В тропосфере сосредоточено 9/10 всей массы атмосферы. Здесь находится почти весь содержащийся в атмосфере водяной пар, образуются мощные облака и выпадают осадки, здесь разыгрываются все другие явления погоды. Характерной особенностью тропосферы является понижение температуры воздуха с высотой.

То, что почти вся масса атмосферы содержится в тропосфере, имеет очень большое значение, так как при небольшой толщине этого слоя на нем сильно сказываются воздействия от земной поверхности — передача от нее тепла, поступление влаги и примесей (пыль, морская соль, споры растений и пр.).

Нагретая земная поверхность испускает невидимые глазом тепловые (длинноволновые) лучи. По отношению к ним земная атмосфера ведет себя иначе. Для них она почти совсем не прозрачна. Почти все излучаемое Землей тепло улавливается атмосферой и идет на ее нагревание. Следовательно, хотя воздух действительно нагревается Солнцем, происходит это не прямо, а через посредство земной поверхности. Поэтому при подъеме и удалении от Земли — от нагревающей воздух «печки» — становится холоднее. Впрочем, это явление наблюдается в основном в тропосфере. Как мы увидим дальше, стратосфера нагревается несколько иначе.

Температура межпланетного пространства, в котором Земля вращается вокруг Солнца, близка к —273 градусам по Цельсию. Это самая низкая из возможных температур, так называемый абсолютный нуль. Температура воздуха вблизи поверхности Земли в среднем для всего земного шара близка к +16 градусам, то есть на 289 градусов выше. Этим мы обязаны земной атмосфере. Стекло парниковых рам также легко пропускает видимые прямые солнечные лучи, но задерживает тепловые лучи от нагретой почвы парников. В результате под стеклом в парнике и оранжерее становится значительно теплее, чем в окружающем воздухе. Из-за этого сходства утепляющее Землю свойство атмосферы называют «оранжерейным эффектом».

Исследования показали, что задерживает и поглощает тепловое излучение не сам воздух, а находящиеся в нем водяной пар и углекислота. Вспомним, что в ясную ночь обычно бывает холоднее, чем в пасмурную, а осенью и весной часто настолько, что наступают заморозки. Облака, задерживая излучение с поверхности Земли, предохраняют ее от сильного охлаждения. В общем водяного пара и углекислоты в атмосфере столько, что они могут поглотить около 80 процентов всего тепла, излучаемого поверхностью Земли.

Нагреваемый путем поглощения и рассеивания солнечных лучей воздух также излучает тепло по всем направлениям: к соседним участкам воздушной оболочки, в мировое пространство и к поверхности Земли. Это «встречное» (по отношению к излучению от поверхности Земли) излучение атмосферы несколько ослабляет охлаждение земной поверхности, которое происходит непрерывно и днем, и ночью, и летом, и зимой. Но летом и днем Солнце стоит выше над горизонтом, и приток лучистого тепла от него к земной поверхности во много раз превосходит его потерю. Поэтому поверхность Земли нагревается. Ночью же, когда притока лучистой энергии от Солнца совсем нет, а его потеря путем излучения непрерывно продолжается, земная поверхность заметно выхолаживается.

Степень поглощения земной поверхностью приходящего от Солнца тепла, а следовательно и степень ее нагревания, зависят также от характера самой поверхности (неровная или гладкая), окраски (чернозем, песок, зеленая трава, снежный покров), ее свойств (рыхлая или плотная, сухая или влажная). От этого же зависит и степень излучения тепла земной поверхностью в воздух. Если мы примем все количество тепла, приходящего от Солнца, за 100 процентов и подсчитаем, сколько непосредственно идет на нагревание поверхности Земли, то увидим, что ею поглощается только 58 процентов, остальные 42 процента отражаются земной поверхностью, атмосферой и облаками и почти бесследно теряются для Земли.

Падающее на поверхность Земли с солнечными лучами тепло не остается только на поверхности и не полностью расходуется на нагревание воздуха. Оно проникает также в глубь почвы или в глубь воды океанов и морей. По мере поднятия Солнца после восхода над горизонтом все сильнее нагревается верхний слой почвы. Он оказывается много теплее лежащих под ним слоев. Тепло лишь постепенно передается в глубину. Поэтому нагревание нижних слоев запаздывает по сравнению с верхними. Только через 18 часов тепло проникает вглубь на несколько десятков сантиметров. После захода Солнца охлаждение почвы идет тем же порядком — сверху вниз. Однако за короткую летнюю ночь большое количество проникшего за день в глубину почвы тепла не успевает излучиться в воздух. Ото дня ко дню его запасы увеличиваются и почва сильно прогревается. Зимой расход тепла превышает приход, и почва промерзает. Наиболее высокие температуры, на глубине 1 метр, наступают на 20 дней позже, чем на поверхности почвы, а на глубине 7,5 метра — на 148 дней позже. При этом, конечно, происходит не только запаздывание, но и ослабление приходящего тепла. С глубиной температура становится более постоянной, разница между самой высокой и самой низкой температурой уменьшается. Наблюдения в разных местах земного шара показали, что ниже 20 метров температура в земной коре уже не меняется и обусловливается только внутренним теплом земного шара.

Вода океанов и морей нагревается иначе, чем твердая почва. Нагреваемые Солнцем верхние слои моря становятся легче и не опускаются в глубину. Так как вода очень плохо пропускает длинноволновое излучение (мы знаем, что в атмосфере оно поглощается именно водяным паром), то и передача тепла вниз, от верхних к более глубоким слоям, и, следовательно, их нагревание, происходят очень медленно. И все же вода прогревается значительно быстрее, чем почва, и на большую глубину. Чтобы понять это, вспомним, что вода очень подвижна. Даже легкий ветер образует на ее поверхности волны, перемешивающие довольно толстые слои. При этом тепло проникает вниз, и это. происходит в тысячи раз быстрее непосредственной передачи тепла путем соприкосновения нагретых слоев с более холодными.

Мы убедились, что хотя Солнце и посылает на любой участок земной поверхности одинаковое количество тепла, в атмосферу в разных районах попадает разное его количество. Море и суша, даже различные их участки, по-разному воспринимают солнечное тепло, по-разному нагреваются, по-разному же нагревают отдельные части воздуха. Это имеет решающее значение для всех явлений, происходящих в атмосфере.

Но для проникновения тепловых воздействий от поверхности Земли в толщину земной атмосферы нужно определенное время. Времени было бы достаточно, если бы воздух долго оставался неподвижным над одними и теми же участками Земли. При движении воздух должен перемешиваться, следовательно свойства, приобретенные им над разнородными участками, не могут в нем сохраняться длительное время.

Воздух действительно непрестанно находится в движении. Но перемешивается он вовсе не так легко. Легче всего перемешивание происходит снизу вверх. Однако это бывает лишь тогда, когда воздух сильно нагревается снизу. Теплый воздух легче холодного, поэтому нагретые нижние его слои стремятся подняться, «всплыть» вверх. Более холодные слои воздуха опускаются, нагреваются и сами устремляются вверх. Все такие движения вверх и вниз и перемешивают воздух.

Нечто похожее происходит в кастрюле с водой, поставленной на плиту. Вода нагревается снизу, от огня. Нагретые ее нижние слои поднимаются вверх и замещаются верхними холодными. Вся вода при этом перемешивается, и постепенно все ее части оказываются нагретыми почти одинаково.

Но можно указать другие примеры, когда перемешивание и в направлении снизу вверх происходит очень слабо и медленно. Поставим на лед высокий кувшин с водой или опустим в него кусок льда. Если мы будем осторожны и постараемся не взболтать воду, то через некоторое время даже на ощупь убедимся, что охладился только самый низ кувшина. В верхней его части вода почти совсем не остыла.

С подобным явлением мы встречаемся и в природе. В тихую ясную летнюю ночь спустимся с вершины холма в узкую долину. Мы почувствуем, что внизу прохладнее, чем на холме. Если же мы захотим проверить свои ощущения и измерим температуру воздуха на холме и в долине, то убедимся, что наверху действительно значительно теплее. Холодный воздух тяжелее теплого, поэтому более холодные приземные слои не поднимаются вверх и воздух почти не перемешивается.

Если перемешивание в направлении снизу вверх бывает так затруднено, то в боковых направлениях оно происходит еще слабее. Практически в ряде случаев его совершенно нет. Таким образом и делается возможным возникновение и существование в течение некоторого времени обособленных, обладающих несхожими свойствами частей земной атмосферы.

Допустим, что в течение нескольких суток воздух находился над сильно нагревающейся днем сушей. При этом он сильно прогревался снизу, а значит и перемешивался. С сухой почвы в воздух попало много пыли, он замутился, далекие предметы стали плохо видимыми. В конце концов эта часть земной атмосферы приобретет определенные свойства, зависящие от свойств той части поверхности Земли, над которой она временно замедлила свое движение.

Воздух, находившийся над морем, наоборот, окажется менее прогретым, более чистым (без пыли) и влажным.

Такие большие части земной атмосферы, которые отличаются друг от друга своими свойствами, называются воздушными массами.

Что же произойдет, когда такая воздушная масса начнет двигаться быстрее? Из-за этого разнородные воздействия тех новых участков земной поверхности, над которыми воздушная масса будет быстро течь, не успеют существенно изменить ее в большой толще. Поэтому она будет медленно изменять свою температуру, влажность, видимость и принесет их в места, расположенные довольно далеко от района, откуда она начала свое быстрое движение.

Это связано с очень важными последствиями. Допустим, что летом над нами проходит воздушная масса, которая перед этим долго находилась над сушей. Она сильно прогрета и запылена, поэтому несет с собой сухую и жаркую погоду, плохую видимость далеких предметов. Когда эта воздушная масса уйдет и на ее место придет новая, с моря, то погода переменится на прохладную, появятся кучевые или кучево-дождевые облака, видимость значительно улучшится.

Когда одна воздушная масса сменяется другой, всегда происходит перемена погоды.