9.7. Зміна температури повітря з висотою у вільній атмосфері

При поділі земної атмосфери по вертикалі на шари залежно від взаємодії з підстильною поверхнею, виділяють два шари: 1) граничний шар, товщина якого в середньому становить 1-1,5 км; 2) вільна атмосфера, що простягається від верхньої границі граничного шару до верхньої границі атмосфери. Відомо також, що за характером розподілу по висоті температури повітря в земній атмосфері виділяють тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу та екзосферу. При цьому найбільш вивченими є тропосфера та стратосфера. Розглянемо характер розподілу температури повітря в цих шарах.

За значеннями вертикальних градієнтів температури тропосферу вище граничного шару можна розділити на три шари: 1) середня тропосфера, що знаходиться на висотах від 1,5 до 5 - 6 км, де вертикальний температурний градієнт у середньому становить 0,5 - 0,6°С/100 м; 2) верхня тропосфера, що простягається від 6 до 9км, у якій градієнт дорівнює 0,65 - 0,75°С/100 м; 3) тропопауза, висота розміщення якої, залежно від термічних властивостей тропосфери, відмічається на рівнях 8 - 18 км.

У тропопаузі відбувається різке зменшення вертикального градієнта температури до 0,5 - 0,2°С/100 м і менше, аж до ізотермії або слабкої інверсії.

Над полярними областями тропопауза розташована на висотах 8 - 9 км, із зменшенням широти вона повільно підвищується, і на широті 50° розміщується на висотах 10 - 11 км, а в тропічній зоні її висота становить 16 - 18 км.

Температура тропопаузи найнижча в екваторіальній зоні, де вона становить у середньому -70, -80°С, а в окремих випадках знижується нижче -90°С. Низька температура тропопаузи в екваторіальних і тропічних районах зумовлена тим, що у зв'язку із сильними конвективними рухами в тропосфері цих областей зниження температури поширюється до більших висот і рівень розміщення тропопаузи перевищує рівень її розміщення в полярних областях на 8 - 10 км.

У помірних широтах температура тропопаузи в середньому біля -55°С, а в полярних широтах влітку її температура ще вища, а взимку така ж низька, як і в тропічних широтах.

Вище від тропопаузи знаходиться стратосфера. Середній вертикальний розподіл температури в стратосфері такий. У тропічній зоні (до 30-35 широти) над дуже холодною тропопаузою температура починає дуже швидко зростати на 2,5 - 2,9°С/км, а інколи на 3,8°С/км. У полярній області температура над порівняно теплою тропопаузою або повільно знижується з висотою, або майже постійна до висоти 26 - 28 км, а потім зростає до стратопаузи, де відмічається найвища температура. Стратопауза в тропічній зоні розташована на висотах 48 - 49 км і піднімається зі збільшенням широти особливо помітно, починаючи з 55 - 65° широти. Висота її в полярних районах досягає 54 - 56 км. Температура стратопаузи в тропічних широтах становить біля 0 - 5 °С, а в полярних змінюється від -3°С взимку до +22°С і вище влітку.

У мезосфері температура знову помітно знижується з висотою, досягаючи в мезопаузі до -80°С, -100°С і нижче.

Термосфера шар атмосфери над мезопаузою, у якому температура помітно зростає з висотою і досягає на висотах більше 300 км, у досить потужному шарі термопаузи приблизно постійних по висоті значень температур. На даний час прийнято вважати, що в середньому температура термопаузи становить 1235°С.

Чим же пояснюється вказаний вище вертикальний розподіл температури повітря?

У тропосфері, вище граничного шару, вертикальний розподіл температури не є тільки результатом променистої рівноваги, тобто такої рівноваги, при якій радіаційний приток тепла в повітрі та віддача тепла випромінюванням рівні. Оскільки в тропосфері повітря знаходиться в стані постійного перемішування, то в результаті такого процесу встановлюється розподіл температури, при якому вертикальні градієнти температури в атмосферному стовпі знаходяться між сухоадіабатичним (1 °С/100 м) та волого-адіабатичним (0,2 - 0,4°С/100 м). При цьому вертикальні градієнти температури в нижній частині тропосфери будуть менші, ніж при променистій рівновазі, а у верхній частині тропосфери більші.

У стратосфері водяної пари дуже мало, вона не відіграє там активної ролі в поглинанні та випромінюванні радіації. Разом з тим і вертикальне перемішування тут менш інтенсивне, ніж у тропосфері. Розподіл по висотах температури в стратосфері визначається підвищеним вмістом озону в ній, який сильно поглинає ультракоротку радіацію. Тому на висотах 48 - 56 км, де відмічається найбільший вміст озону й розміщена стратопауза, відмічається найвища температура в стратосфері.

Щодо досить високих температур термосфери, то цим вони зобов'язані як короткохвильовій, так і довгохвильовій радіації Сонця, процесам дисоціації молекул газів, що тут знаходяться, поглинанню енергії космічних та сонячних часток, що проникають в атмосферу, спалахуванню метеорів та інших причин.

На завершення розглянемо питання про порушення нормального ходу температури з висотою.

Показано, що в тропосфері відбувається зниження температури з висотою, що є нормою для даного шару. Однак досить часто в тропосфері спостерігаються такі шари повітря, у яких температура повітря з висотою не знижується, а зростає. Такий хід температури називають інверсією температури. Шари інверсії температури досить тонкі порівняно з усією товщею тропосфери, але в той же час вони відіграють важливу роль у фізико-хімічних процесах, що протікають у тропосфері.

Вище нами були розглянуті приземні інверсії, які, залежно від умов утворення, поділяють на: 1) нічні; 2) зимові; 3) адвективні. Інверсії у вільній атмосфері на відміну від приземних інверсій зобов'язані своїм походженням не стільки радіаційним процесам, скільки процесам нерівномірного розподілу по висотах вертикальних рухів повітря (динамічна інверсія та інверсія стискання й осідання) та термічній розшарованості атмосфери (фронтальні інверсії).

Інверсії характеризують такими параметрами: 1) висотою нижньої границі (Н_i); 2) потужністю інверсії, тобто товщею її шару (∆Н_i); 3) інтенсивністю інверсії, інакше кажучи, загальним приростом температури в її шарі (∆Т_i).

Оскільки шари інверсії мають абсолютно стійку стратифікацію, яка зашкоджує розвиткові конвекції, то їх називають затримуючими шарами атмосфери. Під інверсією утворюються шари туманів, хмар, підвищеної концентрації пилу, часточок диму та інших атмосферних домішок. В шарі ж інверсії повітря, зазвичай, сухе, турбулентність і вертикальні рухи послаблені або майже зникають. У ньому можуть виникати особливі явища рефракції світла та сприятливі умови для дальнього поширення радіохвиль і звуку.