Изменение температуры воздуха с высотой

Задание 1. Определите, какую температуру будет иметь воздушная масса, не насыщенная водяным паром и поднимающаяся адиабатически на высоте 500, 1000, 1500 м, если у поверхности земли её температура была 15є.

Температура изменяется на 1° при подъеме массы воздуха на каждые 100 м. Эта величина называется сухоадиабатическим градиентом температуры. При подъеме насыщенного водяным паром воздуха скорость его охлаждения несколько уменьшается, так как при этом происходит конденсация водяного пара, при которой выделяется скрытая теплота парообразования (600 кал на 1 г сконденсированной воды), идущая на нагревание этого поднимающегося воздуха. Адиабатический процесс, происходящий внутри поднимающегося насыщенного воздуха, называется влажноадиабатическим. Величина понижения (повышения) температуры на каждые 100 м в поднимающейся влажной насыщенной массе воздуха называется влажноадиабатическим градиентом температуры г в , а график изменения температуры с высотой в подобном процессе носит название влажной адиабаты. В отличие от сухоадиабатического градиента г а влажноадиабатический градиент г в - величина переменная, зависящая от температуры и давления, и лежит в пределах от 0,3° до 0,9° на 100 м высоты (в среднем 0,6° на 100 м.). Чем больше конденсируется влаги при подъеме воздуха, тем меньше величина влажноадиабатического градиента; с уменьшением количества влаги его величина приближается к сухоадиабатическому градиенту.

Вертикальный градиент температуры на высоте 500 метров должен быть = 12 є. Вертикальный градиент температуры на высоте 1000 метров должен быть = 9 є. Вертикальный градиент температуры на высоте 1500 метров должен быть = 6 є. Но, как только воздух начнет подниматься, он будет становиться холоднее окружающего, причем с высотой разница температур увеличивается.

Но холодный воздух, как более тяжелый, стремится опуститься, т.е. занять первоначальное положение. Поскольку воздух ненасыщенный, то при его подъеме температура должна понижаться на 1°С на 100 м.

Поэтому, температура воздушной массы на высоте 500 метров будет = 10°С. Поэтому, температура воздушной массы на высоте 1000 метров будет = 5°С. Поэтому, температура воздушной массы на высоте 1500 метров будет = 0°С.

Определение высоты уровней конденсации и сублимации

Задание 1. Определите высоту уровня конденсации и сублимации поднимающегося адиабатически воздуха, не насыщенного водяным паром, если известны его температура (Т) и упругость водяного пара (е); Т = 18є, е = 13,6 гПа.

Температура поднимающегося воздуха, не насыщенного водяным паром, изменяется каждые 100 метров на 1є. Вначале - по кривой зависимости максимальной упругости паров от температуры воздуха необходимо найти точку росы (ф). Затем определить разницу между температурой воздуха и точкой росы (Т - ф). Умножив эту величину на 100 м, найдите величину уровня конденсации. Для определения уровня сублимации надо найти разницу температур от точки росы до температуры сублимации и помножить эту разницу на 200 м.

Уровень конденсации - уровень, до которого нужно подняться, чтобы содержащийся в воздухе водяной пар при адиабатическом подъёме достиг состояния насыщения (или 100 % относительной влажности). Высота, на которой водяной пар в поднимающемся воздухе становится насыщенным можно найти по формуле: , где T - температура воздуха; ф - точка росы.

ф = 2,064 (по таблице)

18 є - 2,064 = 15,936 є х 122 = 1994м высота насыщения водяного пара.

Сублимация наступает при температуре - 10є.

2,064 - (-10) = 12,064 х 200 = 2413м уровень сублимации.

Задание 2 (Б). Воздух, имеющий температуру 12єС и относительную влажность 80%, переваливает через горы высотой 1500 м. На какой высоте начнется образование облаков? Каковы температура и относительная влажность воздуха на вершине хребта и за хребтом?

Если известна относительная влажность воздуха r, то высоту уровня конденсации можно определить по формуле Ипполитова: h=22 (100-r) h = 22 (100-80) = 440м начало образования слоистых облаков.

Процесс образования облака начинается с того, что некоторая масса достаточно влажного воздуха поднимается вверх. По мере подъема будет происходить расширение воздуха. Это расширение можно считать адиабатным, так как воздух поднимается быстро, и при достаточно большом его объеме теплообмен между рассматриваемым воздухом и окружающей средой за время подъема попросту не успевает произойти.

При адиабатном расширении газа его температура понижается. Значит, поднимающийся вверх влажный воздух будет охлаждаться. Когда температура охлаждающегося воздуха понизится до точки росы, станет возможным процесс конденсации пара, содержащегося в воздухе. При наличии в атмосфере достаточного количества ядер конденсации этот процесс начинается. Если ядер конденсации в атмосфере мало, конденсация начинается не при температуре, равной точке росы, а при более низких температурах.

Достигнув высоты 440м, поднимающийся влажный воздух охладится, начнется конденсация водяных паров. Высота 440м нижняя граница формирующегося облака. Продолжающий поступать снизу воздух проходит сквозь эту границу, и процесс конденсации паров будет происходить выше указанной границы - облако начнет развиваться в высоту. Вертикальное развитие облака прекратится тогда, когда воздух перестанет подниматься; при этом сформируется верхняя граница облака.

Температура на вершине хребта +3 єС и относительная влажность воздуха 100%.

местное время сухоадиабатический градиент

В тропосфере температура воздуха с высотой понижается, как отмечалось, в среднем на 0,6 "С на каждые 100 м высоты. Одна­ко в приземном слое распределение температуры может быть различным: она может и уменьшаться, и увеличиваться, и оста­ваться постоянной. Представление о распределении температу­ры с высотой дает вертикальный градиент температуры (ВГТ):

ВГТ = (/„ - / B )/(ZB -

где /н - /в - разность температур на нижнем и верхнем уровнях, °С; ZB - ZH- раз­ность высот, м. Обычно ВГТ рассчитывают на 100 м высоты.

В приземном слое атмосферы ВГТ может в 1000 раз превы­шать средний для тропосфер

Значение ВГТ в приземном слое зависит от погодных условий (в ясную погоду он больше, чем в пасмурную), времени года (ле­том больше, чем зимой) и времени суток (днем больше, чем но­чью). Ветер уменьшает ВГТ, поскольку при перемешивании воз­духа его температура на разных высотах выравнивается. Над влажной почвой резко снижается ВГТ в приземном слое, а над оголенной почвой (паровое поле) ВГТ больше, чем над густым по­севом или лугом. Это обусловлено различиями в температурном режиме этих поверхностей (см. гл. 3).

В результате определенного сочетания этих факторов ВГТ вблизи поверхности в пересчете на 100 м высоты может состав­лять более 100 °С/100 м. В таких случаях и возникает тепловая конвекция.

Изменение температуры воздуха с высотой определяет знак ВГТ: если ВГТ > 0, то температура уменьшается с удалением от деятельной поверхности, что обычно бывает днем и летом (рис. 4.4); если ВГТ = 0, то температура с высотой не меняется; если ВГТ < 0, то температура увеличивается с высотой и такое рас­пределение температуры называют инверсией.

В зависимости от условий образования инверсий в призем­ном слое атмосферы их подразделяют на радиационные и адвек­тивные.

1. Радиационные инверсии возникают при радиационном выхолаживании земной поверхности. Такие инверсии в теплый период года образуются ночью, а зимой наблюдаются также и днем. Поэтому радиационные инверсии подразделяют на ноч­ные (летние) и зимние.

Ночные инверсии устанавливаются при ясной тихой погоде после перехода радиационного баланса через 0 за 1,0...1,5 ч до захода Солнца. В течение ночи они усиливаются и перед восхо­дом Солнца достигают наибольшей мощности. После восхода Солнца деятельная поверхность и воздух прогреваются, что раз­рушает инверсию. Высота слоя инверсии чаще всего составляет несколько десятков метров, но при определенных условиях (на­пример, в замкнутых долинах, окруженных значительными воз­вышениями) может достигать 200 м и более. Этому способствует сток охлажденного воздуха со склонов в долину. Облачность ос­лабляет инверсию, а ветер скоростью более 2,5...3,0 м/с разру­шает ее. Под пологом густого травостоя, посева, а также леса ле­том инверсии наблюдаются и днем.

Ночные радиационные инверсии весной и осенью, а местами и летом могут вызывать снижение температуры поверхности по­чвы и воздуха до отрицательных значений (заморозки), что вы­зывает повреждение многих культурных растений.

Зимние инверсии возникают в ясную тихую погоду в условиях короткого дня, когда охлаждение деятельной поверхности не­прерывно увеличивается с каждым днем; они могут сохраняться несколько недель, немного ослабевая днем и снова усиливаясь ночью.

Особенно усиливаются радиационные инверсии при резко неоднородном рельефе местности. Охлаждающийся воздух сте­кает в низины и котловины, где ослабленное турбулентное пере­мешивание способствует его дальнейшему охлаждению. Радиационные инверсии, связанные с особенностями рельефа мест­ности, принято называть орографическими.

2. Адвективные инверсии образуются при адвекции (переме­щении) теплого воздуха на холодную подстилающую поверх­ность, которая охлаждает прилегающие к ней слои надвигающе­гося воздуха. К этим инверсиям относят также и снежные ин­версии. Они возникают при адвекции воздуха, имеющего темпе­ратуру выше О "С, на поверхность, покрытую снегом. Понижение температуры в самом нижнем слое в этом случае связано с затратами тепла на таяние снега.

ПОКАЗАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА В ДАННОЙ МЕСТНОСТИ И ПОТРЕБНОСТИ РАСТЕНИЙ В ТЕПЛЕ

При оценке температурного режима большой территории или отдельного пункта применяют характеристики температуры за год или за отдельные периоды (вегетационный период, сезон, месяц, декада и сутки). Основные из этих показателей следую­щие.

Средняя суточная температура - среднее арифметическое из температур, измеренных во все сроки наблюдений. На метеоро­логических станциях Российской Федерации температуру возду­ха измеряют восемь раз в сутки. Суммируя результаты этих из­мерений и деля сумму на 8, получают среднюю суточную темпе­ратуру воздуха.

Средняя месячная температура - среднее арифметическое из средних суточных температур за все сутки месяца.

Средняя годовая температура - это среднее арифметическое из средних суточных (или средних месячных) температур за весь год.

Средняя кодовая температура воздуха дает лишь общее пред­ставление о количестве тепла, она не характеризует годовой ход температуры. Так, средняя годовая температура на юге Ирлан­дии и в степях Калмыкии , расположенных на одной широте, близка (9°С). Но в Ирландии средняя температура января составляет 5...8 "С, и всю зиму здесь зеленеют луга, а в степях Калмыкии средняя температура января -5...-8 °С. Летом же в Ирландии прохладно: 14°С, а средняя температура июля в Калмыкии - 23...26 °С.

Поэтому для более полной характеристики годового хода тем­пературы в данном месте используют данные о средней темпе­ратуре самого холодного (январь) и самого теплого (июль) меся­цев.

Однако все осредненные характеристики не дают точного представления о суточном и годовом ходе температуры, т. е. как раз об условиях, особенно важных для сельскохозяйственного производства. Дополнением к средним температурам являются максимальные и минимальные температуры, амплитуда. Напри­мер, зная минимальную температуру в зимние месяцы, можно судить об условиях перезимовки озимых культур и плодово-ягодных насаждений. Данные о максимальной температуре по­казывают зимой частоту оттепелей и их интенсивность, а ле­том - число жарких дней, когда возможно повреждение зерна в период налива и т. д.

В экстремальных температурах выделяют: абсолютный макси­мум (минимум) - самая высокая (низкая) температура за весь пе­риод наблюдений; средний из абсолютных максимумов (миниму­мов) - среднее арифметическое из абсолютных экстремумов; средний максимум (минимум) - среднее арифметическое из всех экстремальных температур, например, за месяц, сезон, год. При этом их можно рассчитать как за многолетний период наблюде­ний, так и за фактический месяц, год и т. д.

Амплитуда суточного и годового хода температуры характери­зует степень континентальное™ климата: чем больше амплиту­да, тем климат континентальнее.

Характеристикой температурного режима в данной местнос­ти за определенный период служат также суммы среднесуточных температур выше или ниже определенного предела. Например, в климатических справочниках и атласах приводят суммы темпе­ратур выше 0, 5, 10 и 15 °С, а также ниже -5 и -10 "С.

Наглядное представление о географическом распределении показателей температурного режима дают карты, на которых проведены изотермы - линии равных значений температуры или сумм температур (рис. 4.7). Карты, например, сумм тем­ператур используют для обоснования размещения посевов (по­садок) различных по требованиям к теплу культурных расте­ний.

Для уточнения термических условий, необходимых расте­ниям, используют также суммы дневных и ночных темпера­тур, так как среднесуточная температура и ее суммы нивели­руют термические различия в суточном ходе температуры воз­духа.

Изучение термического режима раздельно для дня и ночи имеет глубокое физиологическое значение. Известно, что все процессы, происходящие в растительном и животном мире, подвержены природным ритмам, определяемым внешними ус­ловиями, т. е. подчинены закону так называемых «биологичес­ких» часов. Например, по данным (1964), для опти­мальных условий роста тропических растений разница между дневными и ночными температурами должна составлять 3...5°С, для растений умеренного пояса -5...7, а для растений пустынь - 8 °С и более. Изучение дневных и ночных температур приобретает особый смысл для повышения продуктивности сельскохозяйственных растений, которая определяется соотно­шением двух процессов - ассимиляции и дыхания, происходя­щих в качественно разные для растений светлые и темные часы суток.

В средних дневных и ночных температурах и их суммах кос­венно учитывается широтная изменчивость длины дня и ночи, а также изменение континентальности климата и влияние различ­ных форм рельефа на температурный режим.

Суммы среднесуточных температур воздуха, близкие для пары метеостанций, размещенных примерно на одной широте, но значительно различающиеся по долготе, т. е. находящиеся в различных условиях континентальности климата, приведены в таблице 4.1.

В более континентальных восточных районах суммы дневных температур на 200...500 °С больше, а суммы ночных температур на 300°С меньше, чем в западных и особенно морских районах, что объясняет давно известный факт - ускорение раз­вития сельскохозяйственных культур в условиях резко конти­нентального климата.

Потребность растений в тепле выражают суммами активных и эффективных температур. В сельскохозяйственной метеороло­гии активная температура - это среднесуточная температура воздуха (или почвы) выше биологического минимума развития культуры. Эффективная температура - это среднесуточная тем­пература воздуха (или почвы), уменьшенная на значение биоло­гического минимум.

Растения развиваются только в том случае, если среднесуточ­ная температура превышает их биологический минимум, кото­рый составляет, например, для яровой пшеницы 5 °С, для куку­рузы - 10, для хлопчатника - 13 °С (для южных сортов хлопчат­ника - 15 °С). Суммы активных и эффективных температур ус­тановлены как для отдельных межфазных периодов, так и для всего периода вегетации многих сортов и гибридов основных сельскохозяйственных культур (табл. 11.1).

Через суммы активных и эффективных температур выражают и потребность в тепле пойкилотермных (холоднокровных) орга­низмов как за онтогенетический период, так и за ве. сь биологи­ческий цикл.

При расчете сумм среднесуточных температур, характеризую­щих потребность растений и пойкилотермных организмов в тепле, необходимо вводить поправку на балластные температуры, не"ускоряющие рост и развитие, т. е. учитывать и верхний тем­пературный уровень для культур и организмов. Для большинства растений и вредителей умеренной зоны это будет среднесуточ­ная температура, превышающая 20...25 "С.

Вопрос 1. От чего зависит распределение тепла по поверхности Земли?

Распределение температуры воздуха над поверхностью Земли зависит от следующих четырех основных факторов: 1) широты, 2) высоты поверхности суши, 3) типа поверхности, в особенности от расположения суши и моря, 4) переноса тепла ветрами и течениями.

Вопрос 2. В каких единицах измеряется температура?

В метеорологии и в быту в качестве единицы измерения температуры используется шкала Цельсия или градусы Цельсия.

Вопрос 3. Как называется прибор для измерения температуры?

Термометр - прибор для измерения температуры воздуха.

Вопрос 4. Как изменяется температура воздуха в течение суток, в течение года?

Изменение температуры зависит от вращения Земли вокруг оси и соответственно от изменения количества солнечного тепла. Поэтому температура воздуха повышается или понижается в зависимости от расположения Солнца на небе. Изменение температуры воздуха в течение года зависит от положения Земли на орбите при вращении вокруг Солнца. Летом земная поверхность хорошо нагревается из-за прямого падения солнечных лучей.

Вопрос 5. При каких условиях в конкретной точке на поверхности Земли температура воздуха будет оставаться всегда постоянной?

Если Земля не будет вращаться вокруг солнца и своей оси и не будет переноса воздуха ветрами.

Вопрос 6. По какой закономерности меняется температура воздуха с высотой?

При подъёме над поверхностью Земли температура воздуха в тропосфере понижается на 6 С на каждом километре подъёма.

Вопрос 7. Какая существует связь между температурой воздуха и географической широтой места?

Количество света и тепла, получаемое земной поверхностью, постепенно убывает в направлении от экватора к полюсам из-за изменения угла падения солнечных лучей.

Вопрос 8. Как и почему меняется температура воздуха в течение суток?

Солнце встаёт на востоке, поднимается всё выше и выше, а затем начинает опускаться, пока не зайдёт за горизонт до следующего утра. Суточное вращение Земли приводит к тому, что угол падения солнечных лучей на поверхность Земли меняется. А значит, меняется и уровень нагрева этой поверхности. В свою очередь, и воздух, который нагревается от поверхности Земли, получает в течение дня разное количество тепла. А ночью количество тепла, получаемое атмосферой, ещё меньше. Вот в чём причина суточной изменчивости. В течение суток температура воздуха повышается с рассвета до двух часов дня, а потом начинает понижаться и достигает минимума за час до рассвета.

Вопрос 9. Что такое амплитуда температур?

Разность самой высокой и самой низкой температуры воздуха за какой-либо промежуток времени называется амплитудой температур.

Вопрос 11. Почему самая высокая температура наблюдается в 14 ч, а самая низкая - в «предрассветный час»?

Потому что в 14 часов Солнце максимально нагревает землю, а в предрассветный час Солнце еще не взошло, а за ночь температура все время опускалась.

Вопрос 12. Всегда ли можно ограничиться знаниями только о средних значениях температуры?

Нет, так как в определенных ситуациях необходимо знать точную температуру.

Вопрос 13. Для каких широт и почему характерны самые низкие средние значения температуры воздуха?

Для полярных широт, поскольку солнечные лучи доходят до поверхности под наименьшим углом.

Вопрос 14. Для каких широт и почему характерны самые высокие средние значения температуры воздуха?

Самые высокие средние значения температуры воздуха характерны для тропиков и экватора, так как там самый большой угол падения солнечных лучей.

Вопрос 15. Почему температура воздуха с высотой уменьшается?

Потому, что воздух прогревается от поверхности Земли, когда она имеет плюсовую температуру и получается чем выше воздушный слой, тем меньше он прогревается.

Вопрос 16. Как вы думаете, какой месяц года отличается минимальными средними температурами воздуха в Северном полушарии? В Южном полушарии?

Январь в среднем, самый холодный месяц года на большей части Северного полушария Земли, и самый теплый месяц года на большей части Южного полушария. Июнь в среднем, самый холодный месяц года на большей части Южного полушария.

Вопрос 17. На какой из перечисленных параллелей высота полуденного солнца будет наибольшей: 20° с. ш., 50° ю. ш., 80 с. ш.?

Вопрос 18. Определите температуру воздуха на высоте 3 км, если у поверхности Земли она составляет +24 °С?

tн=24-6,5*3=4,5 ºС

Вопрос 19. Рассчитайте среднее значение температуры по данным, представленным в таблице.

(5+0+3+4+7+10+5) : 6 = 4,86; (-3 + -1) : 2 = -2; 4,86 - 2 = 2,86

Ответ: средняя температура = 2,86 градусов.

Вопрос 20. Используя приведённые в задании 2 табличные данные, определите амплитуду температур за указанный период.

Амплитуда температур за указанный период составит 13 градусов.

Ежеминутно Солнце обрушивает на нашу планету гигантское количество света и тепла. Почему же температура воздуха не всегда и не везде одинакова?

Как нагревается воздух?

Солнечные лучи проходят через воздух атмосферы, почти не нагревая его. Основное тепло воздух получает от нагретой солнечными лучами земной поверхности. Поэтому температура воздуха в тропосфере понижается на 0,6 °С при подъёме на каждые 100 метров высоты.

Земная поверхность и воздух над ней нагреваются солнцем неравномерно. Это зависит от угла падения солнечных лучей. Чем больше угол падения солнечных лучей, тем выше температура воздуха. Поэтому над полюсами воздух холоднее, чем . Перепады температур на Земле очень велики: от +58,1 °С в до -89,2 °С в .

Нагрев поверхности, а значит, и температура воздуха над ней зависят также от способности поверхности поглощать тепло и отражать солнечные лучи.

Изменение температуры воздуха

Температура воздуха на одной и той же широте не постоянна. Она изменяется в течение суток и по сезонам года вслед за изменением угла падения солнечных лучей. Суточные изменения наиболее отчётливы при ясной, безоблачной . Сезонные различия наиболее значительны в освещённости.

Годовой ход температуры воздуха характеризуется средними месячными температурами. В странах Северного полушария самая высокая среднемесячная температура обычно бывает в июле, самая низкая - в январе.

В горах температура воздуха падает с высотой. Поэтому, чем выше горы, тем температура на вершинах ниже.

Температура изменяется также и в течение суток. На любой широте при ясной погоде летом самая высокая температура бывает в 14 часов, а самая низкая - перед восходом солнца. Разница между самыми высокими (максимальными) и самыми низкими (минимальными) температурами за какой-либо отрезок времени называется амплитудой температур. Обычно определяют суточную и годовую амплитуду.

На картах точки с равными температурами соединяют линиями - изотермами. Как правило, показывают изотермы средних температур января и июля.

Парниковый эффект

Наблюдения показали, что начиная с 1860 года средняя температура у поверхности Земли поднялась на 0,6 °С и продолжает повышаться. Потепление связывают с явлением под названием парниковый эффект. Его главный виновник - углекислый газ, который накапливается в атмосфере в результате сжигания топлива. Он плохо пропускает тепло от нагретой земной поверхности в атмосферу, поэтому в приземных слоях тропосферы повышается температура. Если содержание углекислого газа в атмосфере будет расти и дальше, Землю ожидает очень сильное потепление.

Практический материал для урока географии в 6 классе - УМК: О.А. Климанова, В.В. Климанов, Э.В. Ким. Для рассмотрения предлагаются задачи по теме «Температура воздуха».

Решение географических задач способствует активному усвоению курса географии, формирует общеучебные и специальные географические навыки.

Цели:

Развитие умений высчитывать температуру воздуха на разных высотах, вычислять высоту;

Развитие способностей анализировать, делать выводы.

Как изменяется температура с высотой?

При изменении высоты на 1000 метров (1 км) температура воздуха изменяется на 6°С (при увеличении высоты температура воздуха понижается, а при уменьшении - повышается).

Географические задачи:

1.На вершине горы температура -5 градусов высота горы 4500 м. Определите температуру у подножия горы?

Решение:

На каждый километр вверх температура воздуха понижается на 6 градусов, то есть, если высота горы 4500 или 4,5 км получается, что:

1) 4,5 х 6 = 27 градусов. Это значит, что на 27 градусов понизилась температура, а если на вершине - 5 градусов, то у подножия горы будет:

2) - 5 + 27 = 22 градуса у подножия горы

Ответ: 22 градуса у подножия горы

2.Определите температуру воздуха на вершине горы 3 км, если у подножия горы она составила + 12 градусов.

Решение:

Если через 1 км температура понижается на 6 градусов, следовательно

Ответ: - 6 градусов на вершине горы

3. На какую высоту поднялся самолет, если за его бортом температура -30°С, а у поверхности Земли +12°С?

Решение:

2) 42: 6 = 7 км

Ответ: самолёт поднялся на высоту 7 км

4. Какова температура воздуха на вершине Памире, если в июле у подножия она составляет +36°С? Высота Памира 6 км.

Решение:

Ответ: 0 градусов на вершине горы

5. Определите температуру воздуха за бортом самолета, если температура воздуха у поверхности земли равна 31 градус, а высота полета - 5 км?

Решение:

Ответ : 1 градус температура за бортом самолета