Чем выше тем теплее

6 августа 2019 0 Автор

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.

Самая низкая часть атмосферы, прилегающая непосред­ственно к поверхности Земли, называется тропосферой. Именно в ней происходит основная масса погодных явлений и в ней же могут летать пассажирские самолеты. Высота тропосферы не вез­де одинакова: у полюсов она достигает 9-10 км, а у экватора — до 18 км. Интересной особенностью данного слоя является его температурный режим — каждые последующие 100 метров вы­соты холоднее предыдущих примерно на 0,65 °С. Это приводит к тому, что у «потолка» тропосферы наблюдается мороз от -50 до -56 °С.

Тропосфера венчается так называемой тропопаузой — слоем воздуха толщиной от сотен метров до 2-3 км. В этом слое темпе­ратура практически перестает падать, однако над экватором она может достигать -70 °С. Как видно, до этого момента становится все холоднее и холоднее, а что же дальше?

А дальше все изменяется. Над тропосферой расположена стратосфера, ее нижние слои всегда остаются такими же холод­ными, как и верхняя часть тропопаузы. Однако с подъемом вы­соты температура начинает расти! До высоты в 25 км этот рост незначителен — стратосфера здесь прогревается всего до -56 °С. А далее происходит резкий скачок повышения температуры и на высоте в 40 км становится совсем тепло — около 0 °С. Такой температура остается на протяжении и последующих 15 км — до границы стратопаузы, очерчивающей собой переход от страто­сферы к следующему слою.

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.

С высоты около 50 км начинается мезосфера — слой атмо­сферы, в котором температура сначала повышается (до высоты около 60 км), а потом падает, достигая к 90 км значений вплоть до -90 °С. Подъем температуры связан с тем, что в нижней части мезосферы еще идут реакции образования озона.

На высотах в 80-90 км расположена так называемая мезопауза — переходной слой от мезосферы к термосфере. Именно в мезопаузе наблюдается самая низкая температура в земной ат­мосфере — вплоть до -225 °С! После этого момента температура с увеличением высоты только поднимается.

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!

Читайте также:  Стоит ли покупать ниву бронто

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.

Познавательный журнал поможет провести время с интересом и пользой и просто расскажет о сложном

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.

Так что если у подножия Эвереста температура воздуха 30°C, то чуть выше его вершины она будет -24°С.

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.

  • ЖАНРЫ 359
  • АВТОРЫ 252 435
  • КНИГИ 575 246
  • СЕРИИ 21 275
  • ПОЛЬЗОВАТЕЛИ 526 512
Читайте также:  Шевроле авео или киа спектра

Где воздух легче — в горах или в долинах?

Когда поднимаешься высоко в горы, то сразу чувствуешь, что воздух там другой — он разрежен. Молекулам там просторнее, они больше отдалены друг от друга — как пышные пончики, лежащие сверху. На большой высоте воздух так разрежен, что альпинисты и летчики вынуждены пользоваться кислородными масками.

Иногда в небе можно увидеть воздушный шар. Он наполнен гелием — газом, который легче воздуха. Когда такой шар поднимается с земли, он проходит сквозь плотный воздух, всплывает, словно пробка в наполненном водой сосуде. Однако воздушный шар не может подниматься все время, так как на высоте в несколько километров воздух становится столь же разреженным и легким, как и тот газ, которым наполнена оболочка шара, и вес гелия уравнивается с весом окружающего воздуха.

Воздушные шары и дирижабли наполнены газом, который легче воздуха, например, гелием, водородом или просто нагретым воздухом. Чем выше поднимается шар, тем разреженнее окружающая атмосфера. Он прекращает подъем, переставая быть легче окружающего его воздуха.

Почему в горах холоднее, чем в долине?

Когда взбираешься на высокие горы, чувствуешь что становится холоднее. Есть вершины, где круглый год сохраняется снежная шапка. Это происходит оттого, что чем выше, тем воздух менее плотен. Вблизи поверхности земли молекулы воздуха как бы спрессованы. Они находятся в постоянном движении, сталкиваются, трутся друг о друга и нагреваются: как известно, трение вызывает тепло. Мы чувствуем, например, что кожа, которая тоже состоит из молекул, становится теплее, если крепко потереть ладони.

Что такое тропосфера?

Воздух, являющийся столь важной причиной образования погоды, окружает нашу планету сравнительно тонким слоем. Вся воздушная оболочка Земли называется атмосферой, но при этом она делится на несколько различных по толщине ярусов.

За погоду на нашей планете отвечает только нижний слой атмосферы — тропосфера. Ее средняя высота всего 11 километров (на экваторе она достигает 17 километров, над полюсами — от 7 до 8 километров), в то время как толщина всей воздушной шубы планеты доходит до 1000 километров. Если представить себе Землю как шар диаметром полтора метра, то вся пелена атмосферы будет составлять не более 10 сантиметров, а тропосферы соответственно — едва 1 миллиметр.

Изменчивые погодообразующие процессы, такие, как формирование облаков и выпадение осадков, происходят в нижнем ярусе атмосферы-в тропосфере. Ее высота составляет от 8 до 17 км.

Теплые дни — прохладные ночи

Почему бывает тепло и холодно?

Зимой мы надеваем теплые вещи, обычно темных цветов.

Летом наша одежда легче и, как правило, светлых тонов. Почему? Найти этому объяснение поможет простой опыт. Если положить на солнцепеке два бумажных листа — белый и черный, то через несколько минут черный станет ощутимо теплее белого. Оказывается, темные предметы лучше поглощают солнечное тепло, чем светлые. Поэтому в одежде темного цвета теплее, а в светлой прохладнее.

Если снова положить черный лист бумаги под лучи солнца и через две, пять, наконец, через десять минут пощупать его, то мы почувствуем, что он нагревается все сильнее. Чем лист светлее, тем дольше остается он прохладным.

Белый лист бумаги отражает солнечные лучи, черный поглощает их и потому скорее нагревается.

Нагрев можно измерить еще точнее, если воспользоваться двумя бумажными стаканчиками и двумя термометрами. Один из стаканчиков окрасим в черный цвет, другой пусть останется белым. Затем оба наполним водой и примерно на час оставим на солнце. Через некоторое время столбик ртути термометра в черном стаканчике поднимется выше, чем в белом.

Читайте также:  Как сделать съемную тонировку самому

Чем светлее предмет, тем медленнее солнце нагревает его. Это подтверждает опыт: вода в черном стаканчике будет теплее, чем в белам.

То же самое происходит и с землей. Солнце в течение дня освещает ее и нагревает сушу и море. При этом темные поверхности, например вспаханное поле, поглощают больше тепла, чем светлые, к примеру снежный покров, отражающий солнечные лучи. Чем дольше солнце освещает землю, тем больше она нагревается; ночью, когда солнце заходит, земля постепенно остывает.

Теплее значит легче

Теплый воздух поднимается вверх

Если в безветренную погоду развести костер, то видно, как дым от него поднимается вертикально вверх. Нагретый огнем воздух легче, чем холодный, окружающий его. Вот дым и устремляется вверх, как наполненный гелием воздушный шар.

Теплый воздух расширяется

Когда воздух нагревается, происходит еще кое — что. Его молекулы начинают двигаться быстрее; чем сильнее и чаще они при этом сталкиваются, тем больше удаляются друг от друга и занимают все больший объем. В этом нетрудно убедиться. Измерьте ниткой воздушный шарик и оставьте его на несколько минут под горячими лучами солнца. Спустя некоторое время вновь измерьте шарик, и вы увидите, что он раздулся. Воздух в шаре сохранил свой вес, но занимает теперь больший объем. Таким образом, нагретый воздух не только поднимается вверх, но и расширяется.

Движется ли холодный воздух?

Когда отопительные батареи нагреваются, то и нагретый ими воздух поднимается вверх. Если открыть форточку, то холодный воздух как бы вольется в комнату. Но вскоре и он нагреется и начнет подниматься вверх. Когда теплый и холодный потоки встречаются, возникает циркуляция воздуха.

Это легко проверить, прикрепив над батареями тонкие полоски бумаги. Вы убедитесь, что при циркуляции воздуха они устремятся вверх.

Когда теплый воздух поднимается вверх, его замещает холодный, устремляющийся следом за ним. Опыт с полосками бумаги делает этот процесс наглядным.

Как возникают ветры

Равномерно ли нагревается Земля?

Движение воздуха в комнате возникает тогда, когда температура в помещении не везде одинакова. В природе ветры возникают по той же причине.

Солнечные лучи в течение дня пронизывают воздушную оболочку Земли. Часть из них достигает поверхности — они нагревают почву, камни и скалы, воду морей и океанов. А те отдают это тепло окружающему воздуху, и воздушная оболочка — атмосфера — нагревается. Из опытов, о которых мы рассказывали на предыдущих страницах, уже известно, что за одно и то же время сильнее нагреваются темные предметы. Они как бы больше впитывают тепло. Точно так же неравномерно нагреваются вода и суша, отражающая меньше солнечных лучей.

Где воздух перемещается быстрее?

Светлые поверхности на Земле поглощают меньше тепла, чем темные. Асфальт, например, темный, поэтому заасфальтированная улица раскаляется собой. А так как горячий воздух поднимается вверх, с затененных мест, скажем из леса, на городские улицы начинают перемещаться более прохладные воздушные потоки. На своем пути холодный воздух подхватывает сухую листву, обрывки бумаги и другой мусор, кружит и увлекает за собой. Возникают маленькие вихри. Примерно таким же путем образуются и большие тропические вихри — ураганы и смерчи. Чем больше разница температур, тем быстрее движутся воздушные массы, тем сильнее ветер.