1.2. Температура воздуха

У земной поверхности крайние значения температуры воздуха составляют от +60° в тропических пустынях и –90° на материке Антарктиды. В любой точке Земли температура изменяется во времени, причем различия ее величины по сезонам года увеличиваются в направлении от экватора к полюсам. С высотою температура воздуха в среднем сначала понижается до высоты 10 – 15 км, затем растет до 50 – 60 км, потом снова падает и т.д. (рис. 1.5).

Температура в большинстве стран выражается в градусах международной температурной шкалы, или шкалы Цельсия (°С). При давлении 760 мм рт. ст. нуль этой шкалы приходится на температуру, при которой тает лед, а +100° – на температуру кипения воды.

В США и во многих странах Содружества наций до сих пор употребляется шкала Фаренгейта (F). В этой шкале интервал между точками таяния льда и кипения воды разделен на 180°, причем точке таяния льда соответствует значение +32° F, а точке кипения +212°F.

Для перевода температур по Фаренгейту в температуры по Цельсию можно воспользоваться формулой:

t°C = 5/9 (t°F-32) (1.17)

В теоретической метеорологии применяется абсолютная шкала температуры (шкала Кельвина, К). Нуль этой шкалы отвечает полному прекращению теплового движения молекул (– 273°С). Величина градуса абсолютной шкалы равна величине градуса шкалы Цельсия. Поэтому нуль шкалы Цельсия соответствует + 273° К.

Перевод температур по Кельвину в температуры по Цельсию выполняется по формуле:

t°C= Т (K) – 273 (1.18)

Распределение температуры с высотой характеризует вертикальный градиент температуры  = – ( T/0.01· z), т. е. изменение температуры в атмосфере на 100 м высоты. Так как перед скобкой ставится знак минус, то в типичном случае, когда температура в тропосфере с высотой падает, градиент имеет положительную величину (>0).

Вертикальный градиент температуры в тропосфере (нижняя часть земной атмосферы) может меняться в широких пределах. В среднем температура уменьшается с ростом высоты на 0,6°/100 м. В нижних сотнях метров над нагретой подстилающей поверхностью эта величина может достигать –1^o/100 м, или несколько больше. В тонком приземном слое над перегретой почвой градиент температуры может быть во много раз больше.

Бывают и такие случаи, когда температура воздуха с высотой не падает, а растет. Такое явление называют температурной инверсией, а вертикальный градиент температуры будет при этом отрицательным (<0). Инверсии особенно часты по ночам в приземном слое воздуха.

Если температура в некотором слое не меняется с высотой (=0), то такое состояние называют изотермией.

Средняя глобальная температура на поверхности Земли равна примерно 15°С (298°К).

1.3. Строение атмосферы

С учетом особенностей изменения температуры и других характеристик с высотой, в атмосфере выделено несколько слоев (рис. 1.5).

В самой нижней части атмосферы – тропосфере, где наблюдается интенсивное перемешивание воздуха, температура убывает с увеличением высоты (в среднем от 15^оС у земной поверхности до –50 ^оС у верхней границы), причём уменьшение температуры по вертикали составляет в среднем 6° на 1 км. Высота тропосферы изменяется от 8 – 10 км в полярных широтах, 10 – 12 км в умеренных, 16 – 18 км у экватора. В связи с тем, что плотность воздуха быстро убывает с высотой, в тропосфере сосредоточено около 80 % всей массы атмосферы.

Над тропосферой расположен переходный слой – тропопауза толщиной 1 – 2 км, характеризующийся изотермией. Выше располагается стратосфера (рис. 1.5).

В нижней части стратосферы уменьшение температуры с высотой прекращается. Температура остаётся приблизительно постоянной до высоты 25 км (нижняя стратосфера); выше температура начинает возрастать – область инверсии (верхняя стратосфера). Температура достигает максимума ≈ –3 ^оС на уровне стратопаузы, расположенной на высоте около 55 км.

Рис. 1.5. Изменение характеристик атмосферы с высотой

Слой атмосферы, находящийся на высотах от 55 до 80 км, где вновь происходит понижение температуры с высотой, получил название мезосферы. Над ней находится переходный слой – мезопауза, выше которой располагается термосфера, где температура, увеличиваясь с высотой, достигает очень больших значений (свыше 700 ^оС). Ещё выше (на высотах ≈ 1000 км и более) находится экзосфера, в которой происходит диссипация (dissipatio от лат. рассеивание) атмосферы вследствие улетучивания составляющих её газов в космическое пространство.

Все структурные параметры атмосферы, такие как температура, давление, плотность, обладают значительной пространственно-временной изменчивостью. Поэтому приведенные данные отражают лишь среднее состояние атмосферы.

Слоистая структура атмосферы имеет и много других разнообразных проявлений. Так, неоднороден по высоте химический состав.

Если на высотах до 90 км, где существует интенсивное перемешивание воздуха, относительный состав постоянных компонент атмосферы остаётся практически неизменным, то выше 90 км под влиянием диссоциации молекул атмосферных газов ультрафиолетовым излучением Солнца происходит сильное изменение химического состава атмосферы с высотой, о чем будет сказано в следующем разделе.

Типичные черты этой части атмосферы – слои озона и собственное свечение атмосферы. Сложная слоистая структура характерна для атмосферного аэрозоля – взвешенных в атмосфере твёрдых частиц земного и космического происхождения. Наиболее часто встречаются аэрозольные слои под тропопаузой и на высоте около 20 км.