АТМОСФЕРА

ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА

Ыясним прежде всего, что такое температура. Из фи­зики мы знаем, что температура — это величина, характеризующая тепловое состояние тела. Качествен­ной мерой температуры является наше ощущение тепла; количественным измерителем, правда, в некоторой сте­пени произвольным, может служить любой термометр. От чего же зависит температура? Как известно, все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц вещества — атомов и молекул. Эти частицы никогда не находятся в покое. Характер их дви­жения различен у твердых, жидких и газообразных тел. От скорости движения атомов и молекул и зависит тем­пература тела.

В газах частицы не связаны друг с другом; они но­сятся в самых различных направлениях и на «каждом шагу» сталкиваются друг с другом, меняют свое направ­ление, разлетаются, снова сталкиваются. Скорости дви­жения у отдельных частиц газа могут несколько отли­чаться, но каждой температуре газа соответствует ка­кая-то определенная средняя скорость движения его частиц. Чем больше средняя скорость движения частиц, тем выше температура газа[6]).

Таким образом, можно считать, что температура газа является непосредственной мерой средней скорости дви­жения его молекул.

Все сказанное выше позволяет объяснить и возмож­ность возникновения очень высоких температур. Повы­шая температуру газа, мы повышаем скорость движения его частиц, а поскольку пределы повышения скорости очень велики, то и температура может увеличиваться до очень больших значений.

С другой стороны, при охлаждении газа можно до­стичь такой температуры, при которой скорость тепло­вого движения молекул упадет до нуля. Это наступает при температуре в 273,23 градуса ниже обычного нуля.

Обычно для измерения температуры служит неслож­ный прибор — термометр. Это — стеклянная трубка с не­большим расширением на конце, наполненная ртутью или подкрашенным спиртом. При нагревании жидкость в трубке расширяется и поднимается вверх по трубке. Если трубку наложить на шкалу (линейку с делениями), то можно, измерять температуру в градусах. Темпера­туру тающего льда условились принимать за нуль гра­дусов, а температуру кипящей воды— за 100 градусов. Шкала, рассчитанная таким образом (разделенная на 100 делений от 0 до 100), называется шкалой Цельсия.

Основным источником тепла на Земле служит Солнце. Подсчитано, что на каждый квадратный метр земной поверхности ежеминутно падает в среднем 14—18 боль­ших калорий[7]) тепла.

Количество тепла, получаемого Землей от Солнца, поистине грандиозно. За одни сутки поверхность зем­
ного шара получает от Солнца больше тепла, чем могло бы дать все топливо, сожженное человечеством за 1000 лет (при нынешнем годовом расходе).

Солнечная энергия является источником всей жизни на Земле. В той или иной форме мы постоянно исполь­зуем энергию Солнца. Например, энергия каменного угля — это, по существу, солнечная энергия. Ведь уголь — это залежи похороненных в земных пластах древних растений, росших на Земле миллионы лет назад. А растения могут жить и развиваться только под луча­ми Солнца [8]).

Энергия, излучаемая Солнцем в мировое простран­ство, огромна. Но на Землю, находящуюся от Солнца на расстоянии около 150 миллионов километров, падает лишь незначительная часть этой энергии. Установлено, что количество лучистой энергии в калориях, приходящее в одну минуту на один квадратный сантиметр поверх­ности, расположенной перпендикулярно солнечным лу­чам на границе атмосферы, равно 1,97 калории. Эта ве­личина носит название солнечной постоянной.

Что же происходит на Земле с энергией, излучаемой Солнцем? Как при этом нагревается земная атмосфера? Длительными наблюдениями и исследованиями уста­новлено, что поступающее на Землю тепло солнечных лучей распределяется на несколько тепловых потоков. 42% тепла отражается от Земли и уходит назад, в ми­ровое пространство, в виде отраженных солнечных лу­чей. Из них 38% отражается атмосферой и 4% земной поверхностью. Остальные 58% поглощаются: 14%—ат­мосферой и 44%—почвой. Все полученное тепло почва отдает обратно, причем 5,6% тратится на нагревание воздуха, а 18,4%—на испарение влаги. В результате атмосфера, кроме 14% тепла, которые она поглотила в виде прямых солнечных лучей, получает еще 5,6% за счет нагревания от земной поверхности и 18,4% за счет превращения в жидкость испарившейся воды (т. е. за счет выделения скрытой теплоты при конденсации водяного пара).

Всем известно, что температура воздуха у поверхно­сти земли не остается постоянной. Она колеблется как
в течение суток, так й в течение года. Чем это объясняется?

Наша планета, Земля, обращается вокруг Солнца. Один полный оборот она совершает за один год. При этом в различное время года разные места земного шара освещаются солнечными лучами неодинаково. Полгода к Солнцу наклонено северное полушарие Земли (рис.4); в это время оно получает больше тепла, чем южное, и в

Северном полушарии стоит лето, а в южном — зима. В следующие полгода (рис. 5) к Солнцу наклонено юж­ное полушарие, которое теперь получает больше тепла, чем северное, и в этот период в северном полушарии стоит зима, а в южном — лето.

Земля шарообразна. Поэтому количество тепла, по­ступающее от Солнца, различно для разных мест на зем­ном шаре. В зоне экватора солнечные лучи падают на земную поверхность почти отвесно. Ближе к полюсам они падают под меньшим углом, как бы скользя по по­верхности земли (рис. 6). Ясно, что одно и то же количе­ство солнечных лучей распределяется по большей поверх­ности, падая под углом, чем при отвесном падении. Этим и объясняется жаркий климат в экваториальных областях Земли и холодный — в полярных.

Земной шар вращается вокруг своей оси. В течение суток одно и то же место на зем, ном шаре находится в разных положениях относительно Солнца. В полдень

Солнце стоит у нас почти над головой, утром и вечером лежит у самого горизонта, а ночью уходит под горизонт.

Утром и вечером солнечным лучам приходится прохо­дить гораздо больший путь в атмосфере, чем в полдень. Подсчитано, что длина пути солнечных лучей сквозь атмосферу, при восходе и заходе Солнца в 35 раз длин­нее, чем днем, когда Солнце стоит прямо над головой.

Так как часть энергии Солнца поглощается земной атмосферой, понятно, что утром и вечером будет холод­нее, чем в полдень.

На температуру воздуха в разных местах земного шара влияет и то обстоятельство, что поглощение тепла земной поверхностью зависит от ее характера. Неровная поверхность нагревается сильнее, чем гладкая. Суша на­гревается скорее, чем вода, и быстрее охлаждается. Вспаханное поле нагревается сильнее, чем покрытый травой луг, песок нагревается сильнее, чем почва, покры­тая кустарником.

Кроме того, температура воздуха в разных местах земного шара в большой степени определяется приносом тепла морскими и воздушными течениями. Так, извест­ное теплое морское течение Гольфстрим, выходящее из Мексиканского залива с температурой воды выше + 28 градусов, приносит в северные моря такой запас тепла, что, например, Баренцево море летом очищается от льда до Шпицбергена. Благодаря этому течению кли­мат северо-западной Европы гораздо теплее, чем в лю­бом другом месте земного шара под теми же широтами. Так, у берегов Норвегии на острове Скомвэр средняя температура воздуха в январе равна + 1,1 градуса. В то же время в СССР в Усть-Цильме на реке Печоре, на той же широте, средняя температура января равна — 18 градусов.

Воздушные течения, постоянно существующие в ат­мосфере, также сильно влияют на температуру воздуха. В отдельных случаях проникающие с севера далеко на юг массы холодного воздуха из Арктики резко понижают температуру в центральных и южных областях Европей­ской части Советского Союза. Например, в январе 1950 года холодный воздух, распространившийся из Арктики, понизил температуру воздуха в Ростове до 32 и в Сочи до 16 градусов мороза. Иногда зимой в Евро­пейской части СССР наступает, наоборот, резкое потепле­ние; оно вызывается притоком теплых масс воздуха из района Средиземного моря.

В результате всего этого температура воздуха на зем­ном шаре распределяется не строго по широтам.

Что касается пределов, которых может достигать температура воздуха, то их еще нельзя считать точно установленными. Так, до недавного времени «ролюсом холода» считали город Верхоянск в Якутской АССР, где была зарегистрирована температура в —68 градусов (по Цельсию). Однако в дальнейшем было обнаружено, что втой же Якутской АССР в поселке Оймякон наблю­дались температуры до —70—71 градуса. А теперь на­блюдениями советских метеорологов на станции «Во­сток» в Антарктиде отмечено понижение температуры в августе 1959 года до 87 градусов мороза. Наиболее высо­кая температура, +58 градусов, наблюдалась в Африке, близ города Триполи (Ливан) и в Южном Иране. Тем­пература воздуха +56 градусов отмечалась в Долине Смерти (США, штат Калифорния).

Отметим в связи с этим одну очень распространен­ную ошибку. Вы часто слышите, а может быть, и гово­рите сами: «сегодня на солнце температура такая-то». Однако измерять температуру «на солнце», т. е. поме­щать термометр прямо под солнечные лучи, нельзя. В этом случае термометр будет нагреваться сам и покажет температуру не воздуха, а ртути и стекла термометра.

Это можно легко проверить. Поставьте под солнечные лучи разные термометры, и они покажут вам разную тем­пературу, характерную для сорта стекла, из которого сделаны трубки термометра, и величины каждого тер­мометра.

Поэтому температуру воздуха всегда измеряют в тени.

Измерения температуры воздуха на разных высотах [9]) показали, что на каждые 100 метров подъема температу­ра понижается в среднем на 0,6 градуса. Однако эта зако­номерность не распространяется на всю толщу атмосфе­ры. В умеренных широтах непрерывное понижение тем­пературы воздуха с высотой наблюдается только пример­но до 11 —12 километров. На экваторе эта высота возрастает до 15—18, а на полюсах понижается до 8—9. Выше этих границ температура воздуха становится почти постоянной до высоты 35 километров — здесь держится мороз в 55 градусов. Дальше температура воздуха начинает повышаться и к 50 километрам дости­гает приблизительно + 70 градусов. Эта температура сохраняется до высоты около 65 километров, после чего снова падает. Затем следует новое повышение темпера­туры, и на высоте 120 километров она может достигать + 100 градусов.

Чем все это объясняется?

Повышение температуры на высотах между 35— 50 километрами объясняется присутствием в этом слое озона; он, как мы уже говорили, поглощает ультрафио­летовое излучение Солнца, которое и вызывает увели­чение температуры в этом слое. Следующее повышение температуры —- в слое между 90 и 120 километрами,— как предполагают, объясняется так называемой иони­зацией воздуха, о которой мы будем говорить ниже.

Повышение температуры воздуха на высоте 40— 50 километров было подтверждено исследованиями со­ветского ученого проф. В. И. Виткевича. Он изучал рас­пространение звука при взрыве артиллерийских скла­дов близ Москвы в 1920 году. Проверив слышимость взрыва в различных пунктах вокруг Москвы, он обнару­жил, что взрывы были слышны в двух зонах — одна радиусом в 60 километров вокруг Москвы, а другая на­чиная со 160 километров от Москвы. Между ними нахо­дилась зона молчания, в которой звуки взрывов совсем не были слышны. Было установлено, что звуковые коле­бания, возникавшие при взрывах под Москвой, отража­лись от слоя атмосферы, расположенного на высоте 40— 50 километров, описывали дугу и возвращались на зем­лю (рис. 7).

Из теории распространения звука известно, что та­кое отражение звука в атмосфере может возникнуть лишь при одном условии: слой атмосферы, отразивший звук, должен быть более нагрет, чем нижние слои. Его температура должна быть примерно +40--------------------------- 1-50 гра­дусов.

Существование в атмосфере Слоев, в которых сохра­няется одна и та же температура воздуха (значительно ниже 0 градусов), объясняется так называемым лучи­стым равновесием.

Вот что это такое. Мы уже знаем, что воздух полу­чает от земной поверхности тепло и излучает его во все стороны. Если какой-либо объем воздуха поглощает тепла больше, чем излучает, то воздух нагревается, если меньше — охлаждается. Но если излучаемая и погло­щаемая энергия оказываются равными, то температура в данном объеме воздуха становится устойчивой, или, как

Принято называть, равновесной. Этим и объясняется сохранение постоянной температуры по высоте в неко-

Торых слоях атмосферы. Такие слои называются слоями изотермии («изос» — равный, «терме» — теплота) s