Нагревание атмосферы

Нагревание атмосферы происходит в результате действия солнечного излучения (солнечной радиации). Солнечная радиация представляет собой совокупность двух типов излучения: корпускулярного и электромагнитного. Корпускулярное излучение (корпускулярная радиация) представляет собой движущийся от Солнца с большой скоростью поток элементарных частиц, главным образом, протонов[33], которые почти полностью улавливаются в верхних слоях атмосферы магнитным полем Земли (магнитосферой). Электромагнитная солнечная радиация (лучистая радиация) представляет собой электромагнитные волны различной длины, проникающие в атмосферу Земли со скоростью 300 км/с. В зависимости от длины электромагнитных волн различают три диапазона излучения: ультрафиолетовое, видимое (свет) и инфракрасное излучение. Почти половина энергии электромагнитного излучения Солнца лежит в области видимого излучения. Ультрафиолетовое излучение почти полностью поглощается озоновым слоем стратосферы. Поглощение озоновым слоем солнечной ультрафиолетовой радиации является основным фактором нагревания воздушной массы в стратосфере. Инфракрасное (длинноволновое) излучение Солнца поглощается в тропосфере и стратосфере, в основном, парами воды и углекислым газом. Для видимого излучения атмосфера является прозрачной.

Но не все излучение, для которого атмосфера прозрачна, непосредственно достигает земной поверхности, часть ее рассеивается в атмосфере водяным паром, аэрозольными частицами, облаками. Эта часть солнечного излучения называется рассеянной радиацией, та же часть, которая непосредственно падает на земную поверхность, носит название прямой радиации. Часть рассеянной радиации поступает к земной поверхности. Прямая и рассеянная радиация вместе поступающие на поверхность Земли составляют солнечную суммарную радиацию. Таким образом, на земную поверхность в виде прямой и рассеянной радиации попадает примерно лишь 48% солнечной лучистой энергии, поступающей на внешнюю границу атмосферы. В каждом конкретном месте Земного шара количество суммарной радиации зависит от угла падения солнечных лучей (широты места), продолжительности дня, прозрачности атмосферы и облачности. Количество суммарной радиации уменьшается от экватора к полюсам, т.е. подчиняется зональной закономерности.

Суммарная радиация частично поглощается земной поверхностью, а частично отражается от нее. Поэтому в ней выделяют отраженную и поглощенную радиацию. Величина отраженной радиации зависит от отражательной способности земной поверхности и называется альбедо. Альбедо – это отношение количества отраженной радиации от земной поверхности к солнечной суммарной радиации, падающей на эту поверхность. Выражается альбедо в процентах. Так, например, альбедо поверхности, покрытой свежевыпавшим снегом, достигает 90%, а альбедо только что вспаханной поверхности – не более 10%.

Поглощенная солнечная радиация, превращаясь в теплоту, нагревает поверхность Земли. Нагретая земная поверхность в свою очередь излучает тепло обратно в атмосферу в виде инфракрасного (длинноволнового) излучения, получившего название излучаемой радиации, земного излучения или земной радиации. Но тепловое излучение Земли не улетучивается бесследно в космическое пространство, а задерживается углекислым газом и парами воды в тропосфере, согревая воздушную массу и земную поверхность. Это явление сравнивают с процессом нагревания, происходящим в парниках. Поэтому данное атмосферное явление получило название парниковый (тепличный) эффект. Парниковый эффект атмосферы не позволяет за ночь сильно остывать поверхности Земли. При его отсутствии температура большей части земной поверхности опускалась бы за ночь даже летом намного ниже 0°С.

Сумма прихода и расхода радиации составляет радиационный баланс. Радиационный баланс может рассчитываться отдельно для атмосферы, для земной поверхности и для системы атмосфера – земная поверхность. Он может быть положительным и отрицательным. Радиационный баланс земной поверхности складывается из суммы поглощенной и излучаемой радиации. При положительном радиационном балансе (росте приходной части) температура поверхности повышается (как, например, днем или летом), при отрицательном (росте расходной части) – температура поверхности понижается (ночью, зимой). Радиационный баланс входит составной частью в соответствующий тепловой баланс, представляющий собой частный случай закона сохранения энергии.

Температура воздуха. Нагревание воздуха происходит, в основном, за счет излучаемой (земной) радиации. В целом атмосфера Земли получает в 3 раза больше тепла от нагретой Солнцем земной поверхности, чем непосредственно от солнечного излучения. Средняя температура приземного слоя воздуха для Земли в целом составляет около +15°С. Максимально низкие температуры зарегистрированы в Антарктиде (–89°С) и на северо-востоке России в Оймяконе (–71°С). Наиболее высокие температуры воздуха фиксируются в тропических пустынях, максимальные (около +58°С) отмечены в Мексике и на севере Африке в Ливии. Поскольку поступление солнечной лучистой энергии к поверхности Земли зависит от угла падения солнечных лучей, следовательно, ее нагревание и излучение изменяется соответственно широте, убывая от экватора к полюсам, т.е. изменение температуры воздуха подчиняется общей зональной закономерности. Кроме этого, наблюдается закономерное изменение суточной температуры (день, ночь) и годовой (зима, лето). Разность самой высокой и самой низкой температуры в течение суток называется суточной амплитудой температур, а разность самой высокой и самой низкой температуры в течение года – годовой амплитудой температур. В том и другом случае на величину амплитуды температуры влияет близость моря. Наиболее высокие амплитуды наблюдаются внутри континентов, а наиболее низкие – на побережье.

Если мы нанесем на глобус или карту точки с одинаковыми средними температурами, полученными за определенный промежуток времени (например, год, месяц), и соединим их линиями, то получим изотермы. Изотерма – это линия одинаковой температуры за определенный промежуток времени. Соответственно зональной закономерности изотермы должны были бы совпадать с параллелями, но этого не происходит из-за влияния на распределение температуры таких факторов, как распределение суши и воды, альбедо поверхности, циркуляция воздуха в атмосфере, наличие теплых и холодных течений в Мировом океане. Поэтому изотермы имеют извилистый характер.

В соответствии с изотермами на Земле выделяют тепловые пояса. Следует отличать тепловые пояса от поясов освещенности. Границами поясов освещенности служат параллели (тропики и полярные круги), а границами тепловых поясов являются изотермы. Выделяют 7 тепловых поясов: один жаркий пояс, приуроченный к экваториальным широтам и ограниченный среднегодовыми изотермами +20°С в северном и южном полушариях; два умеренных пояса (по одному в каждом полушарии) между среднегодовыми изотермами +20°С и среднемесячными изотермами +10°С самого теплого месяца (июля для северного полушария и января для южного полушария); два холодных пояса между среднемесячными изотермами наиболее теплого месяца +10°С и 0°С; два морозных пояса около полюсов, оконтуриваемых среднемесячной изотермой 0°С самого теплого месяца, где среднемесячные температуры в течение всего года не поднимаются выше 0°С.

Вопросы для самоконтроля.

1. За счет чего происходит нагревание атмосферы?
2. Какие типы солнечного излучения Вы знаете?
3. Что улавливается магнитным полем Земли?
4. На какие диапазоны делится электромагнитная солнечная радиация?
5. Что такое рассеянная радиация?
6. Что такое прямая радиация?
7. Что такое солнечная суммарная радиация?
8. Что такое отраженная радиация?
9. Что такое поглощенная радиация?
10. Что такое альбедо?
11. Что такое излучаемая радиация (земная радиация) и в каком виде она представлена?
12. Что собой представляет парниковый эффект?
13. Какую роль на Земле играет парниковый эффект?
14. Что такое радиационный баланс? Какой он бывает?
15. Из чего складывается радиационный баланс?
16. Какова средняя температура приземного слоя воздуха на Земле?
17. Где на Земле и какие максимальные отрицательные и положительные температуры зарегистрированы?
18. Что такое суточная амплитуда температур и годовая амплитуда температур?
19. Что такое изотерма?
20. Сколько тепловых поясов выделяют на Земле?
21. Что служит границами тепловых поясов?
22. Назовите тепловые пояса и дайте краткую характеристику каждому тепловому поясу.