§ 30. Тропосфера: температурний режим, тиск, вітри, вологість, опади

1. ТЕМПЕРАТУРНИЙ РЕЖИМ У ТРОПОСФЕРІ. Тропосфера — найнижчий, найбільш вивчений шар атмосфери Землі, найбільш щільний та рухомий, де формуються й протікають майже всі погодні процеси. Тропосфера становить майже 75% маси атмосфери, де міститься 99% загальної маси водяної пари та аерозолей. Висота тропосфери становить близько 18 км у тропіках, 17 км — у середніх і 6 км — у полярних широтах взимку (мал. 1).

Основною характеристикою тропосфери є зниження температури з висотою в середньому на 6,5°/км. Наслідком цього є вертикальні й горизонтальні переміщення повітря, що призводять до утворення хмар, опадів, туманів, електричних і світлових явищ.

Тропосфера складається з трьох шарів. На рух повітря в нижньому шарі (шарі тертя) впливає земна поверхня. А погода в ньому впливає на зліт і посадку літаків. Через тертя об земну поверхню повітря тут змінює свій напрямок і швидкість, викликаючи турбулентність атмосфери (див. таблицю).

СЕРЕДНЯ ТЕМПЕРАТУРА ПОВІТРЯ В ПІВНІЧНІЙ ПІВКУЛІ

Паралель

Температура в січні, °С

Температура в липні, °С

На нагрівання повітря в тропосфері впливають й азональні чинники: океанічні течії, висота території над рівнем моря, крутість схилів і види ґрунтів та рослинність.

• 1) Проаналізуйте дані таблиці та зробіть висновки, урахувавши вплив азональних чинників на нагрівання атмосфери.
• 2) Пригадайте, які метеорологічні прилади використовують для вимірювань в атмосфері. Якими з них вимірюють атмосферний тиск?

Мал. 1. Структура атмосфери.

2. ЗМІНА АТМОСФЕРНОГО ТИСКУ В ТРОПОСФЕРІ. Атмосферний тиск обумовлює вага повітря. На кожен метр земної поверхні тисне стовп повітря від рівня моря до верхніх шарів атмосфери із силою 10 033 кг. Зменшення повітря в цьому стовпі призводить до зменшення тиску. Атмосферний тиск вимірюється в міліметрах ртутного стовпчика, мілібарах (1 мбар = 0,75 мм рт. ст.), гектопаскалях (1 мм рт. ст. = 1 гПа) за допомогою барометрів (ртутний та анероїд). Тиск повітря на рівні моря на широті 45° і за температури 0°С вважаться нормальним атмосферним тиском — 760 мм рт. ст.

Тиск повітря на нашій планеті може змінюватися в широких межах. Якщо тиск повітря вище 760 мм рт. ст., то він вважається підвищеним, менший — зниженим. Розподіл атмосферного тиску на земній поверхні має яскраво виражений зональний характер через нерівномірне її нагрівання (мал. 2).

Зробіть доповнення до мал. 2, використовуючи знання про силу Коріоліса.

Мал. 2. Пояси атмосферного тиску на Землі.

Мал. 3. Розподіл тиску й вітру на земній кулі в січні.

Із висотою повітря стає більш розрідженим і відповідно знижується атмосферний тиск у тропосфері (у середньому на 1 мм на кожні 10,5 м підйому).

Протягом доби атмосферний тиск двічі підвищується (вранці та ввечері) і двічі знижується (після полудня й після півночі), що пов’язано зі зміною температури й переміщенням повітря. Максимальний тиск на материках спостерігається взимку, а мінімальний — влітку.

Поясніть, із чим це пов’язано.

У помірних широтах Північної півкулі взимку атмосферний тиск над материками дуже підвищується, тому пояс низького тиску тут переривається. Він зберігається у вигляді замкнутих областей зниженого тиску — Ісландського та Алеутського мінімумів над океанами. Над материками утворюються зимові максимуми (мал. 3).

СЛОВНИК

Ізобари — лінії на кліматичній карті, які з’єднують точки з однаковим атмосферним тиском.

Isobar — lines that connect points on the climatic map with the same atmospheric pressure.

На кліматичній карті світу знайдіть та назвіть території, що перебувають під дією впливу цих мінімумів. Які максимуми формуються в помірних широтах?

Влітку пояс зниженого атмосферного тиску тут відновлюється. Із центром у тропічних широтах над Азією формується величезна область зниженого атмосферного тиску — Азіатський мінімум.

Пригадайте, які вітри виникають у цій частині материка та під її впливом.

Чим ближче ізобари розташовані одне до одного, тим швидше змінюється тут атмосферний тиск. Величина зміни атмосферного тиску на одиницю відстані (100 км) називається баричним градієнтом.

Різне нагрівання Сонцем півкуль Землі залежно від пори року обумовлює переміщення поясів атмосферного тиску: влітку — на північ, взимку — на південь.

3. ВІТРИ, ВОЛОГІСТЬ, АТМОСФЕРНІ ОПАДИ. Під впливом теплих і холодних течій повітря у тропосфері відбувається формування антициклонів і циклонів (мал. 4).

Мал. 4. а) Проходження атмосферного фронту; б) барична система в тропосфері (Північна півкуля).

Відповідно до визначень понять «циклон» та «антициклон» установіть їх зображення на мал. 4. Поясніть особливості погоди, що обумовлені їх проходженням територією України взимку і влітку.

Тропосфера безпосередньо впливає на погоду й кліматичні особливості різних регіонів світу. Тут відбувається перехід від однієї стадії опадів до іншої, водяна пара, що вже міститься в атмосфері, регулює процеси конденсації, випаровування, горизонтального переміщення повітря. Із конденсату формуються хмари, випадають опади.

СЛОВНИК

Циклон — атмосферний вихор із низьким тиском у центрі, що в Північній півкулі рухається проти ходу годинникової стрілки, у Південній півкулі — за ходом годинникової стрілки, а в нижньому шарі відхиляється до центру. Природно утворюється завдяки дії сили Коріоліса.

Cyclone is a low pressure atmospheric vortex in the center that moves counterclockwise in the northern hemisphere, clockwise in the southern hemispher and deviates to the center in the lower layer. Naturally appears according to the action of the Coriolis force.

Антициклон — замкнена область підвищеного атмосферного тиску з максимальним тиском у центрі, вітер у якій циркулює за ходом годинникової стрілки в Північній півкулі та проти ходу годинникової стрілки — у Південній. Влітку низхідний рух повітря в антициклоні обумовлює жарку та суху погоду, взимку — морозну та ясну.

Anticyclone is a closed region of high atmospheric pressure with maximum pressure in the center, the wind in which circular clockwise in the northern hemisphere and counter-clockwise in the southern. In summer, the downward movement of air in the anticyclone causes hot and dry weather, in the winter it is frosty and clear.

Пригадайте види опадів. Для яких сезонів вони характерні та яким є їхнє значення?

У 1892 р. капітан Каміло Карріро на конгресі Географічного товариства в Лімі (Перу) вперше повідомив, що перуанські моряки назвали теплу течію, найбільш помітну в дні католицького Різдва, Ель-Ніньйо («Немовля Христос»). У 1893 р. Чарльз Тодд припустив, що посухи в Індії та Австралії відбуваються одночасно. У 1895 р. повідомляли про зв’язок теплої північної течії біля узбережжя й повеней у Перу. У 1923 р. Гілберт Томас Вокер уперше дослідив явище коливання температури поверхневого шару води екваторіальної частини Тихого океану, увів в обіг поняття: Південна осциляція, Ель-Ніньйо і Ла-Нінья («дитина», «дівчинка»). Тривалий час явище вважали регіональним, а наприкінці XX ст. визначили зв’язок «Ель- Ніньйо» із кліматом планети.

Останнє явище — Ла-Нінья — тривало з початку листопада 2017 до лютого 2018 р. Середньомісячні температури на сході тропічної частини поверхні Тихого океану були нижчими за середнє значення від 0,5 до 1,1 °С протягом 1981—2010 рр. Основні показники атмосфери демонстрували закономірності Ла-Нінья: посилення опадів у західній частині Тихого океану; зменшення опадів поблизу лінії зміни дат; сильні пасати в західній тропічній частині; тиск на рівні моря вищий, ніж зазвичай у східній, і нижчий, ніж зазвичай у західній частині океану.

ВИСНОВКИ

• Тропосфера — найнижчий, найбільш вивчений, найбільш щільний та рухомий шар атмосфери Землі.
• На нагрівання повітря в тропосфері впливають азональні чинники: океанічні течії, висота території над рівнем моря, стрімкість схилів та види ґрунтів і рослинності.
• Збільшення розрідження повітря з підйомом угору знижує атмосферний тиск у тропосфері (у середньому 1 мм на кожні 10,5 м підйому).
• Тропосфера, де формуються та протікають майже всі погодні умови, безпосередньо впливає на погоду й кліматичні особливості різних регіонів світу.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

• 1. Доведіть значення подальшого вивчення тропосфери для складання прогнозів погоди.
• 2. Обґрунтуйте причини випадання опадів у межах проходження атмосферних фронтів.
• 3. Спрогнозуйте зміни погоди під час проходження холодного й теплого атмосферних фронтів, циклону, антициклону. Оцініть, наскільки важливими є ці знання для повсякденного життя.
• 4. Проаналізуйте ресурсні властивості атмосфери.

§ 29. Як нагрівається атмосферне повітря

Сонячні промені в атмосфері. Ви знаєте, що джерелами енергії всіх процесів, які відбуваються на поверхні Землі, є Сонце та надра нашої планети. Сонце — головне джерело. До верхньої межі атмосфери доходить майже одна двохмільярдна частка енергії, що випромінюється Сонцем. Однак навіть така мала частка сонячної енергії повністю не досягає поверхні Землі.

Частина сонячних променів поглинається, розсіюється в тропосфері й відбивається назад у космічний простір, а частина доходить до Землі й поглинається нею, витрачається на її нагрівання.

Нагрівання атмосферного повітря. Температура нижніх шарів атмосферного повітря залежить від температури поверхні, над якою воно перебуває. Сонячне проміння, проходячи крізь прозоре повітря, майже не нагріває його, навпаки, через хмари й уміст домішок воно розсіюється, утрачаючи частину енергії. Натомість, як ми вже зазначали, нагрівається земна поверхня, і вже від неї прогрівається повітря.

Температура нагрівання поверхні залежить від кута падіння сонячних променів.

На нашій планеті поверхня нагрівається за такою самою схемою. Уранці й увечері Сонце освітлює земну поверхню під гострим кутом, і тому сонячні промені ніби ковзають по земній поверхні, майже не нагріваючи її. У полудень кут падіння сонячних променів збільшується, і поверхня прогрівається сильніше. Крім того, сонячні промені в атмосфері вранці й увечері через малий кут падіння долають у 35 разів довшу відстань, ніж у полудень, що зумовлює їх розсіювання й поглинання атмосферою.

Отже, протягом доби температура значно змінюється. Найнижча температура спостерігається вранці перед сходом Сонця, а найвища — після полудня.

Кут падіння сонячних променів залежить і від географічної широти місцевості. Найсильніше прогрівається територія на екваторі, оскільки кут падіння сонячних променів протягом року наближається до 90°, а до полюсів він зменшується, тому ці райони є найхолоднішими.

Колір і склад земної поверхні (учені називають її підстилаючою поверхнею) теж значною мірою виливають на її нагрівання. Темна поверхня нагрівається швидше, а світла — повільніше, бо світлі кольори відбивають частину сонячного проміння, не поглинаючи теплової енергії, яку воно несе (мал. 75).

Мал. 75. Залежність нагрівання підстилаючої поверхні від кута падіння сонячних променів

Рельєф місцевості також впливає на температуру повітря, оскільки південні схили гір краще прогріваються, ніж північні.

Водна поверхня нагрівається повільніше, ніж щільний ґрунт, але повільніше й охолоджується. Крім того, на температуру впливають вітри, переміщення повітряних мас, прозорість атмосфери, хмарність, опади, висота над рівнем моря, наявність водойм тощо. Через це розподіл тепла на земній поверхні дуже нерівномірний навіть на близько розташованих одна від одної ділянках.

Через те, що атмосфера нагрівається в основному за рахунок енергії, поглиненої підстилаючою поверхнею, температура повітря знижується з підняттям угору. У тропосфері вона знижується в середньому на 6° при збільшенні висоти на 1 км.

Розподіл тепла на поверхні Землі. Як вам уже відомо, кількість сонячної енергії, що потрапляє на земну поверхню, залежить від кута падіння сонячних променів. Наша планета, здійснюючи оберт довкола Сонця протягом року, почергово повертається до нього то Південною, то Північною півкулею. Це пояснюється тим, що земна вісь нахилена під кутом 66° 33′ до своєї орбіти й сонячні промені по-різному освітлюють різні ділянки Землі. Найбільш освітленою в літній період (червень-серпень) є Північна півкуля, а в зимовий (грудень-лютий) — Південна. На кліматичній карті місця з однаковою температурою з’єднують лінії — ізотерми. їх наносять на карту двома кольорами: найхолоднішого місяця — січня — чорним, а найтеплішого — липня — червоним.

Тропіки та полярні кола. 22 червня Сонце перебуває в зеніті над паралеллю 23° 30′ пн. ш. Ця паралель дістала назву Північний тропік. У Північній півкулі в цей час спостерігається найдовший день, який називається днем літнього сонцестояння. На північ від паралелі 66° 33′ улітку панує полярний день, тобто Сонце взагалі не заходить за горизонт від 40 діб біля полярного кола до 189 діб — на полюсі.

Паралель 66° 33’ пн. ш. отримала назву Північне полярне коло. У цей час на південь від паралелі 66° 33′ пд. ш., тобто за Південним полярним колом, спостерігається полярна ніч.

Після дня літнього сонцестояння Сонце продовжує рух на орбіті. День зменшується. Нарешті настає 23 вересня, коли тривалість дня й ночі однакова. Цей день називають днем осіннього рівнодення. Сонце перебуває в зеніті над екватором. У Північній півкулі — осінь, у Південній — весна.

• Опишіть самостійно рух Землі навколо Сонця та його наслідки, починаючи з дня зимового сонцестояння.

Теплові пояси. Теплові пояси — смуги з певними температурами повітря, які різняться між собою кількістю тепла, що надходить від Сонця. їх межі визначають лінії тропіків і полярних кіл. Ми з’ясували, що Сонце може перебувати протягом року в зеніті, на території, обмеженій Північним і Південним тропіками. Ця територія найкраще прогрівається й тому дістала назву жаркий тепловий пояс. Річні амплітуди температур тут невеликі, а на екваторі майже взагалі не відбувається зміна пір року.

Території між тропіками та полярними колами в Південній і Північній півкулях називаються південним і північним помірними тепловими поясами. Тут спостерігається чітка зміна нір року, і залежно від них змінюється тривалість дня й ночі. Різниці між літніми та зимовими температурами досягають десятків градусів. Улітку Сонце стоїть високо над горизонтом, але кут падіння сонячних променів не досягає 90°.

Між полюсами й полярними колами визначають північний і південний холодні пояси. У межах цих поясів холодно навіть улітку, а взимку лютують великі морози та вітри. Випадає мало опадів. Річні амплітуди коливань температур порівняно невеликі. Відбувається зміна полярних дня та ночі.

Отже, визначають п’ять теплових поясів: один жаркий, два помірних і два холодних (мал. 76).

Для чого вимірюють температуру повітря. Температуру повітря вимірюють термометром (мал. 77), який розміщують на метеорологічних станціях у спеціальних будівлях, захищених від прямих сонячних променів. Тут проводять спостереження за температурою повітря не менше як тричі на добу. Щоб порівняти температуру різних діб, визначають середньодобову температуру. Вона є середнім арифметичним числом показників температури протягом доби. Так само вираховують середньомісячну та середньорічну температури. На основі спостережень за температурою складають графіки температур (мал. 78).

Мал. 76. Розподіл сонячного тепла на Землі

Мал. 77. Термометр

Мал. 78: а) графік ходу добових температур; б) графік ходу річних температур

Різниця між найвищими й найнижчими показниками температур протягом певного періоду часу називається амплітудою коливань температур. Визначають добову, місячну та річну амплітуди.

Добова амплітуда температур на Землі неоднакова. Великі добові коливання температури в тропіках пояснюються значною прозорістю атмосфери. На полюсах у полярний день температура впродовж доби майже не змінюється. Сонце знаходиться на небосхилі протягом доби. Незначною є також амплітуда над океанами та на екваторі.

Спостереження за температурою повітря має велике значення для дослідження змін клімату. На кліматичній карті позначається інформація про температурний режим території (ізотерма) та максимальні й мінімальні температури в окремих місцях.

Практична робота 5

Розв’язування задач на зміну температури повітря й атмосферного тиску з висотою, вологості

1. Визначте температуру повітря на вершині г. Говерла, якщо біля її підніжжя (абсолютна висота 800 м) вона становить 18 °С.

2. Визначте приблизну висоту гори, якщо біля її підніжжя температура повітря становила +16 °С, а на вершині 8 °С. Як називаються такі гори (низькі, середні, високі)? Наведіть приклади й позначте їх на контурній карті.

Практична робота 6

Складання графіка зміни температури повітря, діаграм хмарності й опадів, рози вітрів, їх аналіз

Побудуйте графік зміни температури повітря за місяць, використовуючи дані календаря погоди (за вибором).

ПОВТОРИМО ГОЛОВНЕ

• Температура нагрівання поверхні Землі залежить від кута падіння сонячних променів.
• Тропіки — це паралелі 23° 30′ північної та південної широт, над якими раз на рік Сонце перебуває в зеніті.
• Полярні кола — це паралелі 66° 33′ північної та південної широт, за якими відбуваються явища полярного дня та полярної ночі.
• Теплові пояси — смуги з певними температурами повітря, які різняться між собою кількістю тепла, що надходить від Сонця, межі яких визначають лінії тропіків і помірних кіл.
• Тропіки та полярні кола є межами теплових поясів Землі — жаркого, двох помірних і двох холодних.
• На основі спостережень за температурою складають графік ходу температур за добу, місяць, рік.
• Різниця між найвищими й найнижчими показниками температур протягом певного періоду часу називається амплітудою коливань температур.
• Ізотерми — лінії на карті, що з’єднують місця з однаковою температурою.

Ключові терміни і поняття

Середньомісячна й середньорічна температури, амплітуда коливань, ізотерми.

Запитання та завдання

• 1. Від чого залежить нагрівання поверхні Землі?
• 2. Поясніть, від чого залежить температура атмосферного повітря Землі.
• 3. Що таке середньодобова, середньомісячна, середньорічна температури? Як їх визначають?
• 4. Що таке амплітуда коливань температур?
• 5. З якою метою проводять спостереження за температурою?
• 6. Що називають підстилаючою поверхнею? Як властивості підстилаючої поверхні впливають на нагрівання атмосферного повітря?
• 7. Поясніть, чому температура повітря знижується з висотою.
• 8. Що називають тропіками? За якою ознакою їх визначають?
• 9. Що таке полярні кола? Які явища відбуваються за полярними колами?
• 10. Сонце перебуває в зеніті над Південним тропіком. Яка пора року в цей час у Північній півкулі, а яка — у Південній?

Установіть за картами атласу, у яких теплових поясах розміщені острови Гренландія й Мадагаскар.

Проведіть дослід. Спрямуйте промінь ліхтарика на рівну поверхню під прямим кутом. Зверніть увагу на освітлену ділянку, а потім змініть кут падіння світла й зауважте, у якому випадку поверхня освітлюється краще. Ви побачите, що чим більше кут падіння променя ліхтарика наближається до 90°, тим сильніше освітлюватиметься ділянка; чим гостріший кут падіння променя, тим більша площа освітлення й розмитіша світлова пляма.

СКАРБНИЧКА ДОСЛІДНИКА

На кордоні між тропосферою та стратосферою температура змінюється від -83 до -53 °С.

У нижній частині стратосфери зменшення температури повітря з висотою припиняється, і вона залишається приблизно постійною, а вище 25 км температура починає знову зростати, досягаючи максимального значення близько 0 °C на кордоні стратосфери та мезосфери (приблизно 55 км).

Найнижча температура на Землі — -89,2 °C (Антарктида). Найвища температура на Землі — +58 °C (м. Триполі (Лівія, Африка)).