Температура воздуха с высотой изменяется по сложным законам, которые зависят от множества факторов: от географического положения, времени года, сезона, типа местности, а также от атмосферы и процессов, происходящих в ней. Однако есть общие закономерности, которые можно выделить.
1. Общее правило: снижение температуры с высотой
Согласно общему правилу, температура воздуха с высотой в нижних слоях атмосферы (до 10–15 км) обычно понижается. Это явление называется термическим градиентом. Средний термический градиент составляет около 6,5°C на каждый километр подъема (это называется средним вертикальным градиентом температуры или градусом влажности). Это означает, что на высоте 1 км температура будет примерно на 6,5°C ниже, чем на уровне моря.
Однако следует отметить, что этот градиент может варьироваться в зависимости от множества факторов.
2. Влияние влажности
Температурный градиент воздуха зависит от содержания воды в атмосфере. Влажный воздух обладает меньшей теплоемкостью, и его охлаждение происходит медленнее, чем у сухого воздуха. Для сухого воздуха средний градиент температуры составляет 9,8°C/км, а для влажного воздуха он меньше, примерно 6°C/км. Это происходит потому, что при подъеме влажного воздуха происходит конденсация водяного пара, что выделяет скрытую теплоту (теплоту конденсации), тем самым замедляя охлаждение.
3. Локальные и временные особенности
Несмотря на наличие общих закономерностей, температура воздуха с высотой может изменяться по-разному в разных ситуациях:
Тепловая инверсия — это явление, при котором температура воздуха с высотой не понижается, а наоборот, повышается. Это бывает в условиях антициклонов, когда холодный воздух у земли блокируется более теплым воздухом сверху. Такая инверсия может длиться несколько дней и приводит к тому, что в нижних слоях атмосферы собирается загрязненный воздух.
Конвекция — в теплую погоду с поверхности земли воздух прогревается, становится легче и поднимается вверх, охлаждаясь по мере высоты. Это также приводит к изменениям температуры, однако конвекционные потоки могут локально увеличивать температуру на определенных высотах.
4. Фазовые изменения (облака и осадки)
При подъеме воздушных масс также могут происходить фазовые изменения воды (от конденсации до замерзания). Когда воздух поднимается в более холодные слои атмосферы, водяной пар может конденсироваться в облака, и это также будет сказываться на температурном градиенте, так как выделяется теплотой скрытого теплоты. Это явление особенно сильно в облаках, где происходит много конденсации. В облаках температура воздуха может быть выше, чем в окружающем воздухе из-за выделяющейся энергии.
5. Стратосфера и мезосфера
После первых 10-15 км атмосфера перестает вести себя так, как на уровне земли. В стратосфере (от 15 до 50 км) температура воздуха начинает повышаться с высотой. Это связано с поглощением ультрафиолетового излучения солнца озоновым слоем, что приводит к его нагреву.
В мезосфере (50-85 км) температура снова начинает понижаться. На высоте около 80 км температура может достигать -90°C.
6. Причины снижения температуры с высотой
Нагрев атмосферы происходит за счет тепла, которое земля излучает в виде инфракрасных волн. Воздух у поверхности Земли, будучи хорошим проводником, нагревается непосредственно от земли, а с высотой этот процесс ослабевает. Существуют также другие факторы, такие как:
Прогрев атмосферы солнечным излучением — солнечные лучи нагревают в первую очередь поверхность Земли, а не атмосферу. В свою очередь, воздух у земли нагревается, а верхние слои — менее эффективно.
Конвективные потоки — горячий воздух у земли поднимается, расширяется, и его температура падает по мере подъема.
Излучение в космос — высокие слои атмосферы теряют тепло быстрее, чем нижние, потому что они не обогреваются Землей.
7. Сезонные колебания и влияние времени суток
Температурные изменения с высотой также зависят от времени суток и сезона. Например, ночью на высоте температура может упасть гораздо быстрее, чем днем, из-за того, что солнечное излучение отсутствует, и воздушные массы охлаждаются. Также в летний сезон температура в нижних слоях атмосферы обычно выше, чем зимой.
8. Географические особенности
В высокогорных районах (например, в Гималаях или Анд) термический градиент может быть более выраженным. В таких местах температура часто снижена в силу того, что воздух на высоте более разрежен и плохо удерживает тепло. В горных районах также часто возникает дневной и ночной эффект: днем воздух на склонах гор прогревается и поднимается, а ночью охлаждается и опускается, создавая значительные колебания температуры на небольших высотах.
Заключение
Таким образом, температура воздуха с высотой зависит от множества факторов, включая влажность, тип атмосферы, время суток, сезон и географическое положение. В общем, температура с высотой снижается на 6,5°C на каждый километр подъема, но этот процесс может меняться в зависимости от ситуации, включая явления инверсии, конвекции и фазовых изменений.
