Чем больше высота, тем холоднее
Мы живем на дне воздушного океана, окутывающего Землю, а наши перемещения в толще этого незримого океана минимальны. Мы буквально прижаты к самой поверхности, редко поднимаемся на высоты более нескольких десятков метров. А подъемы на сотни метров и километры (при полетах на самолетах, походах в горы или прыжках с парашютом) случаются очень редко. Однако в эти моменты мы можем понять, что с ростом высоты атмосфера нашей планеты изменяется— она становится более холодной и разреженной.
Это подтверждает устоявшееся мнение о том, что с набором высоты становится все холоднее. Доказательством тому служит и информация о температуре воздуха за бортом во время полета на самолете. Все это так — с ростом высоты температура равномерно падает, достигая отрицательных величин. Но так происходит только до определенного момента, после которого атмосферу начинает буквально «лихорадить».
Земная атмосфера условно разделена на несколько слоев, обладающих различными физическими и химическими свойствами. В каждом из этих слоев наблюдается своя динамика изменения температур, и в этом есть немало удивительного.
Как объяснить рост температуры в стратосфере? В этом слое происходят довольно сложные явления, однако нагрев обеспечивается благодаря взаимодействию ультрафиолетового излучения с молекулами элементов, слагающих воздух, — в основном азота и кислорода. Ведь именно в стратосфере находится озоновый слой, как раз и образующийся из кислорода под воздействием жесткого ультрафиолета.
Термосфера, лежащая над мезосферой, получила свое название как раз из-за господствующих в ней высоких температур. На высотах в 250-300 км она становится по-настоящему горячей — до + 1700 °С!
Здесь необходимо сделать одно очень важное замечание. О температуре в привычном нам понимании этого слова можно говорить лишь до высот порядка 100 км. Дело в том, что с ростом высоты плотность атмосферы резко падает — более 80 % массы атмосферного воздуха сосредоточено в тропосфере. А на высотах в 120-150 км (то есть фактически в атмосфере!) уже летают искусственные спутники и космические корабли. Известно, что температура газов определяется скоростями составляющих их молекул, вот и получается, что на больших высотах, где воздух крайне разрежен, молекулы и атомы движутся с большими скоростями, эквивалентными температурам от +400 до +2000 °С и более. Но этих молекул так мало, что они практически не в состоянии сколько-либо заметно поднять температуру летающих в термосфере, а также в экзосфере (следующем слое, располагающемся на высотах от 800 до 2000-3500 км) космических аппаратов.
Итак, с ростом высоты температура сначала падает, потом растет, потом снова падает и снова растет. Поэтому, с физической точки зрения, нельзя говорить о постоянном похолодании с набором высоты. Однако из-за резкого снижения плотности воздуха с высотой эти температурные колебания практически сглаживаются: ни сильнейший мороз на отметке в 85 км, ни 2000-градусная жара на высоте в 250 км практически не ощущается спутниками и людьми в скафандрах. Температуры тел на таких высотах уже в значительной степени зависят от солнечного нагрева, а не от степени теплоты атмосферы.
Как меняется температура с высотой? Сейчас разберемся…
Дело в том, что иногда при увеличении высоты температура не уменьшается, а, наоборот, увеличивается. Это явление называется температурной инверсией. Оно часто происходит ясными безветренными ночами, когда поверхность Земли интенсивно излучает тепло и охлаждается, заодно охлаждая и приземный слой воздуха. Днем инверсия обычно исчезает, однако зимой в умеренных и полярных широтах приземный слой холодного воздуха может не успеть прогреться за короткий световой день, в результате чего инверсия сохраняется в течение нескольких суток.
Инверсию можно наглядно видеть, наблюдая за дымом из трубы. Обычно в безветренную погоду дым поднимается вертикально (так как он, хотя и остывает в процессе подъема, всегда остается теплее, а значит, легче окружающего воздуха, температура которого тоже уменьшается с высотой) и постепенно рассеивается. В случае же инверсии дым, поднимаясь через приземный слой холодного воздуха, охлаждается до такой степени,что становится холоднее, а следовательно, и тяжелее, вышележащего слоя. В результате дым перестает подниматься и начинает распространяться горизонтально. Если же в одном месте много источников дыма и прочих выбросов – например, дело происходит в городе, в котором много заводов и автомобилей, – то все загрязняющие вещества накапливаются в приземном холодном слое, что создает серьезные проблемы с качеством воздуха. Такая ситуация часто складывается, например, в Красноярске, где это явление даже имеет особое название – «черное небо».
Впрочем, основное правило всё же таково: чем выше мы находимся, тем холоднее вокруг. И тут можно решить, что при подъеме в горы климат будет меняться так же, как если бы мы двигались к полюсам (в нашем полушарии – в сторону севера). Однако, если бы мы действительно шли от экватора к полюсу, климат обретал бы всё более выраженную сезонность – чем дальше на север тем больше становится разница между летом и зимой. В горах же, хоть и холодает с высотой, но колебания температур как бы повторяют те, что царят у подножия гор. К примеру, в Экваториальных Андах на высоте 2,5-3 км круглый год стоит температура +13- +15 °С, примерно как в Москве во второй половине мая. Наверное, тебе покажется, что жить без зимы и без лета немного скучновато, но, согласись, что такой климат лучше, чем вечные +26…+28 °С у подножия. (Конечно, для пляжа это идеальная погода, но ведь и в школу тоже ходить придется!) Возможно, именно поэтому столицы Колумбии и Эквадора – стран, в которых расположены Экваториальные Анды, – и находятся в поясе «вечной весны».
А что же на других планетах? Космонавт, решивший заняться там альпинизмом, увидит всё ту же картину – чем выше в горы, тем холоднее. Правда, например на Марсе температура уменьшается в среднем на 2,5 °С на каждый километр высоты, то есть не так сильно, как у нас на Земле. Это объясняется тем, что марсианская атмосфера менее прозрачна, в ней всегда много пыли, поэтому солнечное тепло лучше прогревает газовую оболочку Марса. Однако для штурма высочайшей горы Марса, Олимпа, придется утеплиться: ее высота – 26 км, а значит, на вершине должно быть на 65 °С холоднее, чем внизу.
Становится холоднее при движении вверх и на Венере. Если у поверхности там царит просто адская жара – около +470 °С, то на высоте 50-55 км температура опускается до вполне комфортных +20 °С. Кстати, и атмосферное давление на этой высоте почти равно земному. Может быть, в будущем можно устроить там города, висящие на огромных дирижаблях? Но есть маленькая проблема: атмосфера Венеры почти полностью состоит из углекислого газа, и там бывает дождливо, при этом из туч льется не вода, а… концентрированная серная кислота.
IT News
Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm
Почему на вершинах гор холоднее?
Давление воздуха на вершине горы Фудзи (высота — 3782 м) составляет 2/3 от атмосферного давления над уровнем моря.
В низменностях атмосфера имеет большую плотность. На возвышенностях она более разрежена, и давление воздуха здесь ниже. Поднимающийся вверх воздух, нагретый излучением от поверхности, увеличивается в объеме и охлаждается при попадании его в область низкого атмосферного давления — этот процесс известен как адиабатное охлаждение.
Обычно воздух охлаждается примерно на 10 °С с каждыми 1000 м высоты. На вершине горы высотой 2000 м воздух примерно на 20 °С холоднее, чем над уровнем моря. Когда в восходящий поток воздуха попадают облака, то степень его охлаждения будет на половину меньше, чем у безоблачной воздушной массы. В среднем для всей тропосферы температура уменьшается примерно на 7 °С с каждыми 1000 м высоты.
Выше — значит холоднее
Солнечное излучение проходит через атмосферу, нагревая поверхность Земли. Затем инфракрасное излучение от поверхности нагревает нижний слой атмосферы. Как показано на рисунке, слой С нагревается теплом с поверхности, а затем излучает свое тепло как вверх, так и вниз. Следующий за ним слой В нагревается теплом, выделяемым слоем С. В свою очередь слой В выделяет тепло, нагревая атмосферу над собой и под собой.
Но при этом часть тепла теряется, и верхние слои получают лишь малую его часть. Так как на большой высоте атмосфера более разрежена, то поднимающийся воздух охлаждается и увеличивается в объеме (так называемое адиабатное охлаждение).
В течение дня температура на равнине колеблется сильнее, чем на вершине горы. В январе температура на равнине изменяется в среднем на 10 °С. При подъеме в гору амплитуда колебаний температуры падает до 6 °С. На вершине горы температура изменяется только на 1 °С.
Направление нагревания
График на рисунке справа показывает изменения температуры от поверхности до высоты примерно 50 км. На верхней границе тропосферы, которая называется тропопаузой (примерно в 12 км над уровнем поверхности), температура начинает расти. В стратосферу дополнительное тепло привносит озоновый слой. Он поглощает вредное ультрафиолетовое излучение солнца, и энергия ультрафиолетовых лучей при этом нагревает стратосферу.
Почему чем выше в горы, тем холоднее?
Вообще странно, конечно, согласитесь. Ведь чем выше, тем ближе к светилу. И все мы из курса физики знаем, что теплый воздух поднимается вверх от земли и расположен гораздо выше холодного. Но как только вы идете в поход по горам, понимаете: здесь что-то не так. Чем ближе к вершине, тем холоднее.
Дело в том, что температура воздуха в горах зависит совершенно от других причин. Ближе к земле – теплее не от воздуха, а от самой земли. Сейчас попытаемся объяснить.
Сам по себе воздух нагревается очень плохо, не зависимо от того, где он находится: выше от земли или ближе к ней. Говоря языком физики, теплопроводность воздуха – низкая. То есть луч солнца идет сверху, сквозь воздух и…практически ничего с ним не делает. Воздух не нагревается. А вот земля или вода (если луч падает на водоем) как раз принимает этот луч, вбирает в себя, достаточно быстро нагревается сама и… отдает тепло вверх, воздуху.
Так что: где теперь, по-вашему, должно быть теплее? То-то же. Около пятнадцати километров прогревает собой нагретая солнцем земля, отдавая энергию воздуху. Вот и получается: чем дальше, выше от поверхности планеты, тем воздух холоднее.
А в горах-то воздух и вовсе разреженный. А разреженный воздух, как мы знаем, передает еще меньше тепла, такое уж у него свойство благодаря пониженной плотности. Ведь что такое плотность? Количество молекул на единицу объема. Чем молекул меньше, тем меньше их участвует в процессе передачи тепла.
Исследователи подсчитали, как же именно понижается температура воздуха при удалении от поверхности земли: через каждый километр вверх – минус шесть градусов по Цельсию.
Вы можете посмотреть комментарии или написать свой.
Познавательный сайт Узнайка Ком — сайт и интересный и полезный.
Познавательный журнал поможет провести время с интересом и пользой и просто расскажет о сложном
Почему в горах холодно?
Температура в горах несколько отличается от того, что можно ожидать, следуя обычной человеческой логике. Ведь тепло идет от солнца, а чем выше в горы – тем солнце ближе, не так ли? Да и всем известно, что горячий воздух поднимается вверх. Так почему же в горах холоднее, чем внизу?
Средняя температура вершины горы Эверест в июле – минус 19°C.
Солнце, безусловно, очень горячее. Но свою энергию на Землю оно передает не в виде тепла, а в виде солнечного излучения. Большая часть этого излучения проходит сквозь верхние и нижние слои атмосферы и поглощается землей и водой на поверхности планеты. И лишь затем происходит излучение в виде тепловой энергия.
Вот это тепло, идущее от земли, и разогревает атмосферу примерно на 15 километров вверх. Эта часть атмосферы называется тропосферой.
Но воздух – не лучший проводник тепла. Так что чем дальше от поверхности Земли – тем холоднее. Так что даже когда разогретый воздух поднимается вверх – он довольно быстро теряет температуру.
В среднем считается, что тропосфера становится холоднее на 6 градусов Цельсия на каждые 1000 метров подъема.
Но как же быть с тем, что горы тоже собирают излучение и выделяют тепло в атмосферу?
Конечно, если вершина горы будет собирать солнечное излучение, то она сможет немного обогреть окружающий воздух. Но покройте вершину горы снегом и большая часть излучения просто отразится.
Днем в горах самыми теплыми местами должны быть большие открытые плато, где достаточно большое пространство свободно для поглощения излучения и выделения тепла. Но рассеиваться это тепло будет довольно быстро, так что ночью все равно наступит холод.