На первый взгляд, может показаться странным, что воздух у поверхности Земли теплее, чем на высоте, особенно если мы не учитываем другие факторы. Чтобы понять это явление, нужно рассмотреть несколько ключевых аспектов, которые объясняют, почему температура воздуха уменьшается с высотой. Это связано с физическими процессами, такими как теплопередача, влияние солнечного излучения, а также механизмы, определяющие вертикальное распределение температуры в атмосфере.
1. Нагрев поверхности Земли
Земля получает энергию от Солнца в виде солнечного излучения. Это излучение поглощается земной поверхностью (морями, сушей, растительностью), а затем преобразуется в тепло, которое выделяется в атмосферу. Таким образом, температура у поверхности Земли в первую очередь зависит от того, сколько энергии поглощает поверхность и сколько тепла излучает обратно в атмосферу.
Прямое солнечное излучение нагревает поверхность Земли. Почва, вода, здания и другие объекты на поверхности поглощают солнечную энергию и начинают излучать тепло в виде инфракрасных волн.
Воздух, находящийся в непосредственном контакте с Землей, нагревается за счет теплопередачи (кондукции). Тепло, передаваемое от поверхности, нагревает слой воздуха, который соприкасается с ней. Но воздух сам по себе не обладает хорошей теплоёмкостью, и процесс кондукции происходит медленно.
2. Образование тепловых градиентов в атмосфере
После того как воздух у поверхности Земли нагревается, он становится менее плотным и начинает подниматься вверх, потому что теплый воздух легче холодного (он имеет меньшую плотность). Однако, по мере того как воздух поднимается, он теряет часть своей теплотворной энергии, потому что с высотой давление в атмосфере уменьшается, а температура воздуха понижается. Этот процесс описывается температурным градиентом.
Температурный градиент в атмосфере — это изменение температуры с высотой. Обычно температура снижается с высотой на 6,5°C на каждый километр (если речь идет о стандартной атмосфере, или «поздней» атмосфере), хотя этот градиент может изменяться в зависимости от времени суток, времени года и других факторов.
Это связано с тем, что с увеличением высоты количество молекул воздуха уменьшается, а значит, и способность поглощать и удерживать тепло снижается. Воздух, который поднимается с поверхности, теряет тепло из-за расширения, так как давление становится меньше с высотой.
3. Роль радиационного охлаждения и конвекции
На уровне поверхности Земли, помимо кондукции, важным процессом является конвекция — вертикальное перемешивание воздуха, которое способствует передаче тепла от теплых нижних слоев атмосферы к более холодным верхним. Это явление связано с тем, что воздух, нагретый у земли, поднимется вверх, охлаждается, а затем опускается, создавая циркуляцию.
Радиационное охлаждение происходит в том числе ночью, когда поверхность Земли продолжает терять тепло в космос через инфракрасное излучение, но солнечное излучение уже не поступает. В это время температура поверхности снижается, и температура воздуха у земли тоже может уменьшаться.
4. Тепловое излучение и инверсия температуры
Еще одним важным процессом является тепловое излучение, которое осуществляется всеми объектами, включая атмосферу. Земля излучает теплоту в космос в виде инфракрасного излучения. В верхних слоях атмосферы, где меньше водяного пара и других веществ, поглощающих инфракрасные лучи, тепло теряется гораздо быстрее.
В некоторых случаях, например, в ночное время, может происходить температурная инверсия, когда температура воздуха с высотой не снижается, а наоборот, повышается. Это происходит, когда на поверхности земли сильно остывает воздух, а выше слой воздуха остается более теплым. Инверсия — это довольно редкое явление, но оно может наблюдаться, например, в ясные зимние ночи, когда холодный воздух скапливается в низинах.
5. Тропосфера и высота
На высоте около 10–15 километров находится тропопауза — слой атмосферы, где температура перестает уменьшаться с высотой и становится почти постоянной, а за ним начинается более холодная стратосфера. Тропосфера — это слой, в котором происходят основные атмосферные явления: облака, осадки, ветер и т.д.
В тропосфере температура снижается с высотой примерно на 6,5°C на каждый километр. Это происходит по той причине, что чем выше мы поднимаемся, тем меньше молекул воздуха, и тем сложнее сохранять теплоту.
6. Влияние влажности
Еще один важный аспект — это влажность воздуха. Влажный воздух (с большим содержанием водяного пара) обладает большей теплоемкостью, чем сухой, и поэтому может удерживать больше тепла. Таким образом, в районах с высокой влажностью температура у поверхности может быть выше, чем в районах с низкой влажностью.
Кроме того, водяной пар играет важную роль в образовании облаков и осадков, что может временно изменять температурные градиенты и поведение атмосферы.
Итог
Таким образом, основная причина, почему воздух у поверхности Земли теплее, чем на высоте, заключается в том, что поверхность Земли поглощает солнечную энергию, нагревает воздух вблизи себя, и этот воздух, поднимаясь, теряет тепло из-за уменьшения давления и расширения. С каждым километром подъема температура воздуха снижается, что связано с уменьшением плотности атмосферы и снижением ее способности удерживать тепло.
