4.7. Нагрівання та охолодження повітря

Температура повітря є однією з основних метеорологічних величин. Усі природні явища і процеси, характер господарської діяльності людини безпосередньо визначаються термічними умовами навколишнього середовища.

Термічний режим атмосфери формується під впливом основних кліматоутворювальних чинників, які в конкретних географічних умовах виявляються по-різному.

Тепловий стан атмосфери значною мірою визначається теплообміном усередині самої атмосфери, а також з навколишнім середовищем, тобто з підстильною поверхнею та космічним простором.

Теплообмін в атмосфері може здійснюватися різними шляхами. Розглянемо найважливіші з них.

В атмосфері молекулярна теплопровідність помітну роль відіграє тільки у дуже тонкому її шарі безпосередньо над підстильною поверхнею за безпосереднього контакту з теплою або холодною поверхнею землі. За межами цього шару молекулярну теплопровідність можна не брати до уваги, оскільки повітря – поганий провідник тепла. Саме ця властивість знайшла широке використання при виготовленні віконних рам з подвійними шибками.

Найбільшу роль у теплообміні атмосфери відіграють турбулентність і конвекція. Турбулентний теплообмін здійснюється шляхом невпорядкованого, хаотичного перемішування різних об’ємів повітря. При термічній або вільній конвекції, яка виникає в результаті нагрівання підстильної поверхні, відбувається впорядковане перенесення об’ємів повітря у вертикальному напрямку. При цьому порції прогрітого, а тому і легшого повітря піднімаються угору, а на їх місце згори опускається важче і холодніше повітря, яке поступово прогрівається, завдяки чому описаний процес повторюється знову і знову.

Окрім термічної конвекції, в атмосфері поблизу земної поверхні можуть виникати й вертикальні рухи при обтіканні перешкод. Це так звана вимушена або динамічна конвекція, яка залежить від шорсткості поверхні і швидкості вітру. Нерідко обидва типи конвекції існують одночасно. У цьому випадку кажуть про мішану конвекцію.

Певну роль у теплообміні між підстильною поверхнею і прилеглими до неї шарами повітря, а також між окремими шарами повітря відіграє довгохвильове випромінювання. Оскільки в нижніх шарах атмосфери міститься велика кількість водяної пари, вуглекислого газу ґрунтового або промислового походження, аерозолів та інших домішок, то під впливом інфрачервоного випромінювання ці шари помітно нагріваються.

Сонячна радіація у нагріванні повітря, за винятком верхніх шарів атмосфери, має порівняно невелике значення. Тим не менше, під впливом інтегрального потоку радіації шар повітря у проміжку між 50 і 1 000 м удень нагрівається зі швидкістю від 0,04 до 0,3°C/год. Уночі ж спостерігається радіаційне вихолоджування зі швидкістю від 0,03 до 0,36°C/год. Зміни температури, спричинені радіаційними потоками тепла у безпосередній близькості від земної поверхні можуть перевищувати вказані вище цифри на порядок (В.С. Антонов, 2004).

Температура поверхневого шару ґрунту або води, а також прилеглого до них шару повітря може змінюватися унаслідок випаровування вологи з діяльної поверхні, або конденсації (сублімації) водяної пари на діяльній поверхні а в атмосфері.

Температура повітря може змінюватися і внаслідок адіабатичних процесів, тобто без обміну теплом між ним і навколишнім середовищем. Внутрішня енергія, а з нею й температура повітря при таких процесах змінюються за рахунок роботи стискання або розширення. Іншими словами, такі процеси реалізуються при зміні атмосферного тиску всередині відповідного об’єму повітря. При стисканні внутрішня енергія повітря зростає, завдяки чому його температура підвищується. При розширенні відбуваються протилежні процеси: внутрішня енергія і температура повітря зменшуються.

Усі розглянуті вище зміни температури, незалежно від причин, які їх зумовили, є індивідуальними, оскільки стосуються конкретного об’єму повітря.

Температура у певній фіксованій точці простору може змінитися і в результаті адвекції тепла або холоду, тобто унаслідок надходження у дану місцевість великих об’ємів повітря з відповідними тепловими властивостями.

У загальному випадку локальні зміни температури є алгебраїчною сумою індивідуальних змін та величини адвективних змін.