Почему на горах холоднее, если они ближе к Солнцу
Наш мир настолько многогранен, что порой некоторые явления, на первый взгляд, кажутся удивительными. Но как часто бывает, физика приходит на помощь и объясняет необычные эффекты. К примеру, почему в горах холоднее, хотя они ближе к Солнцу? К тому же многим известно, что теплый воздух стремится вверх. Попробуем разобрать данное явление.
Воздух — плохой проводник
Расстояние от Земли до Солнца составляет 150 миллионов километров. А сам высокая гора земли — Эверест — достигает высоты 8.8 километров. Действительно, разница не настолько большая, чтобы был какой-то прирост температуры по сравнению с поверхностью Земли. Но почему же в горах хотя бы не также, как в тропиках?
Первостепенная причина холода на высоте — это особенность излучения Солнца. Большая часть этого потока проходит через атмосферу, а в результате поглощается землей и водой. И уже после этого идет выделение тепла. В результате этого земля греет окружающее пространство. Но воздух является не самым хорошим проводником, из-за чего температура довольно быстро спадает с увеличением высоты.
Также небольшое воздействие на температуру на высоких горах оказывает цвет ландшафта. Например, солнечные батареи специально делают черного цвета, чтобы они поглощали как можно больше солнечной энергии. Горы же, напротив, обычно покрыты белым снегом, который отлично отражает солнечные лучи и не дает накапливаться теплу.
Если у подножия Эвереста градусник покажет около 30 градусов Цельсия, то на его вершине это уже -24 градусов Цельсия. Примерно считается, что температура падает на 1 градус каждые 100 метров высоты. Нагрев пространства происходит до 12-15 км, после чего начинается тропопауза — небольшой участок между тропосферой и стратосферой. Тропопауза получила свое название по причине того, что с изменением высоты, температура практически не меняется в данном участке пространства. Стоит заметить, что тропопауза характерна для всех планет с атмосферой. При этом она располагается всегда одинакова, на высоте, где давление составляет 1/10 от давления на поверхности Земли.
Давление газа
Также холод в горах можно объяснить через уравнение Менделеева-Клапейрона . В нем явно выражена зависимость между давлением, объемом и температурой газа. Итак, мы поднимаемся высоко в горы, как меняются эти параметры ? Логично, что давление уменьшается, а, следовательно, газ расширяется.
При увеличении объема он совершает некоторую работу и в результате теряет энергию. В то же время температура газа должна упасть. Это объясняется тем, что энергия определяется как средняя энергия частиц. В итоге получаем крайне холодный воздух, который на границе тропосферы может охладиться до -55 градусов.
В горах было чуть теплее, если бы их поверхность была более темная. Из-за снежных шапок происходит почти полное отражение солнечного излучения. Справедливости ради стоит отметить, что даже небольшое увеличение температуры нивелировалась бы с приходом ночи.
Парниковые газы
Также холод в горах часто связывают с парниковыми газами , образующими некую «шапку», которая мешает уходить теплу. Это такие вещества, как водяной пар, метан, углекислый газ и некоторые другие. Их концентрация падает с ростом высоты, из-за чего температура уменьшается. Почему же тогда холодные потоки не уходят вниз?
Дело опять в давлении, которое заметно выше на поверхности Земли. При его увеличении растет еще и плотность воздуха. Таким образом, холодные потоки сверху не могут «протолкнуть» более плотные массы снизу.
Газы, мешающие уходу тепла, образуют так называемый парниковый эффект. Наиболее наглядно он представлен на Венере. Там плотность атмосферы настолько большая, что температура на поверхности планеты даже больше, чем на Меркурии, который находится ближе к Солнцу.
Источник
§ 29. Температура воздуха (учебник)
§ 29. Температура воздуха
1. Вспомните, что является источником света и тепла на Земли.
2. Какая существует зависимость между высотой Солнца над горизонтом и количеством тепла, поступающего на земную поверхность.
Нагрев воздуха. Воздуха атмосферы пропускает солнечные лучи к земной поверхности. Однако именно оно лучами не нагревается. Нагревается Солнцем земная поверхность. А потом от нее нагревается воздух. Поэтому, ч м дальше от земной поверхности, тем становится холоднее. Вот почему за бортом самолета температура воздуха очень низкая. На верхней границе тропосферы она опускается до -56 0 С.
Установлено, что на каждый километр высоты температура воздуха понижается в среднем на 6 0 С. Высоко в горах земная поверхность получает больше солнечного тепла, чем у подножия. Однако с высотой тепло быстрее излучается. Поэтому при подъеме в горы температура воздуха в целом снижается. Вот почему на вершинах высоких гор лежат снег и лед.
Измерение температуры воздуха. Каждый знает, что температуру воздуха измеряют с помощью термометра. Однако стоит помнить, что неправильно установлен термометр, например на солнце, покажет не температуру воздуха, а на сколько градусов нагрелся сам прибор.
На метеорологических станциях для получения точных температур воздуха термометр помещают в специальной будке. Ее стенки решетчатые. Это позволяет воздуху свободно проникать в нее, вместе решетки защищают термометр от попадания солнечных лучей. Будку устанавливают на высоте 2 м от земли. Показатели термометра записывают каждые 3 часа.
Рекордно высокая температура воздуха в Земле 58 0 С была зарегистрирована в г. Триполи на севере Африки. Самая низкая температура -89,2 0 С зафиксирована на научной станции » Восток ” в Антарктиде. В Украине самая высокая температура 40 0 С наблюдалась в г. Купянске (Харьковская область), самая низкая — -43 0 С в Украинских Карпатах.
Суточный ход температуры. Солнечные лучи в течение суток нагревают Землю неравномерно. Очевидно, что в полдень, когда Солнце стоит высоко над горизонтом, земная поверхность нагревается сильнее. Однако высокие температуры воздуха наблюдаются не в 12-й, а в 14-15 ч. Это объясняется тем, что на передачу тепла от земной поверхности воздуху нужно время. После полудня, несмотря на то, что Солнце уже опускается к горизонту, воздух продолжает получать тепло еще в течение двух часов от нагретой поверхности. Затем поверхность постепенно охлаждается и соответственно снижается температура воздуха. Низкие температуры встают перед восходом Солнца. Правда, в отдельные дни такой суточный ход температур может иметь значительные отступления.
Следовательно, причиной изменений температуры в течение суток является изменение освещенности поверхности вследствие вращения Земли вокруг своей оси.
Зависимость температуры воздуха от высоты Солнца над горизонтом. Чтобы понять, как температура воздуха зависит от высоты Солнца над горизонтом, воспользуйтесь результатами наблюдений по длине полуденной тени, которую бросает гномон. В сентябре тень была одной длины. В октябре она стала длиннее, в ноябре — еще длиннее, в 20-х числах декабря — наибольшей. С конца декабря тень снова укорачивается. Следовательно, изменение длины тени гномона свидетельствует, что в течение года Солнце в полдень над горизонтом бывает на разной высоте. Чем короче тень, тем выше Солнце над горизонтом и больший угол падения на земную поверхность его лучей. Чем больше угол падения солнечных лучей, тем больше тепла получает земная поверхность и соответственно выше температура воздуха. Тогда наступает лето. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем меньший угол падения лучей, тем меньше тепла получает земная поверхность и низшие температуры. Тогда наступает зима.
Время, когда Солнце в полдень занимает самое высокое положение на небосводе Северного полушария, приходится на июнь. Низкое положение Солнца на небосводе Северного полушария — в декабре.
Годовой ход температур. В течение года земная поверхность нагревается неравномерно. Поэтому изменяется и температура воздуха. Годовой ход температуры определяют средние месячные температуры воздуха. По ним можно установить, какой месяц был самым теплым и какой — самым холодным. Наблюдения за температурой воздуха в течение года показывают, что в Украине, как и во всех странах Северной полушария, самая высокая средняя месячная температура бывает в июле, А самая низкая в январе.
Летом в полдень Солнце занимает наивысшее положение над горизонтом. В этот период — самые длинные дни, поверхность нагревается длительное время, поэтому и температуры воздуха высокие. Зимой — наоборот.
Средние температуры. Проводя наблюдения за изменениями температуры воздуха в течение суток, месяца или года, отмечают наивысшую (максимальную) и низкую (минимальную) температуру. Но чтобы сравнить температуры различных суток, месяцев или лет, определяют среднюю суточную, месячную или годовую температуру. Вычисляют их как среднеарифметическое число.
Например, среднее суточную температуру получают от деления суммы температур на число измерений в течение суток. Если во время наблюдения были и положительные, и отрицательные температуры, то вычисляют отдельно сумму положительных и отрицательных температур. Затем от большей суммы вычитают меньшую, а разницу делят на количество измерений. У полученного числа ставят знак делимого.
Среднюю годовую температуру находят как сумму средних месячных температур, разделенных на число месяцев года.
Более наглядное представление об изменении температуры воздуха дают графики суточного, месячного и годового хода температуры воздуха (рис.).
Амплитуда колебания температуры воздуха. Разница между наивысшей и самой низкой температурами воздуха называется амплитудой колебаний температур (А). Различают суточную, месячную, годовую амплитуды.
Например, если самая высокая температура воздуха в течение суток составляла 17 0 С, а самая низкая — 8 0 С, то амплитуда колебаний равняться 9 0 С (17 0 – 8 0 = 9 0 ). На суточные амплитуды колебаний температур влияет характер земной поверхности (ее называют подстилающей). Например, над океанами амплитуда составляет лишь 1-2 0 С, над степями — 15-20 0 С, а в пустынях достигает 30 0 С. При облачной погоде суточные амплитуды уменьшаются. В Украине наибольшие суточные колебания температуры бывают весной и летом при ясной погоде (7-10 0 С).
Годовые амплитуды колебания температуры воздуха зависят главным образом от широты места: они меньше у экватора (1 0 С), значительно больше в средних широтах (28 0 С на широте Киева). На одной и той же широте, чем дальше от океана, тем выше годовая амплитуда.
Вопросы и задачи
1. Температура воздуха у земной поверхности составляет 17 0 С. Определите температуру за бортом самолета, летящего на высоте 10 км.
2. Расскажите, как изменяется температура воздуха в течение суток.
3. Почему высшая суточная температура воздуха не совпадает с самым высоким — полуденным — положением Солнца над горизонтом?
4. Как нужно одеться при восхождении на г. Говерлу, если температура воздуха у ее подножия 15 0 С. Какой будет температура на вершине? При расчетах помните о различии относительной и абсолютной высоты.
5. Как изменяется температура воздуха в течение года?
6. Почему температура воздуха зависит от высоты Солнца над горизонтом?
7. От чего зависит годовая амплитуда колебания температуры?
Источник
Как меняется температура с высотой? Сейчас разберемся…
Наш полет проходит на высоте 10 000 метров, температура за бортом -50 °С.» – подобную фразу, переданную пилотом по громкой связи, слышал каждый, кто летал на самолете. И в голове сразу рождается мысль: надо же, еще 20 минут назад, на аэродроме, было вполне тепло, а тут такая холодрыга. Мы удивляемся, хотя прекрасно знаем, что с увеличением высоты температура воздуха уменьшается. Метеорологи даже рассчитали величину этого уменьшения – в среднем она составляет 6,5 °С на километр высоты. И объяснение тут довольно простое: солнечные лучи нагревают воздух очень слабо – основное тепло он получает от поверхности Земли. Правда, бывают и исключения.
Для начала следует сказать, что температура уменьшается с высотой не во всей толще атмосферы, а только в нижней ее части, которая называется тропосферой. Выше же, примерно до высоты 25 км, температура всегда держится у отметки около -55 °С.
Это может показаться странным, если вспомнить, что у поверхности земли во многих местах может быть куда холоднее – в якутском селе Оймякон температура опускалась до -68 °С а на полярной станции «Восток» в Антарктиде – и вовсе до – 89 °С.
Дело в том, что иногда при увеличении высоты температура не уменьшается, а, наоборот, увеличивается. Это явление называется температурной инверсией. Оно часто происходит ясными безветренными ночами, когда поверхность Земли интенсивно излучает тепло и охлаждается, заодно охлаждая и приземный слой воздуха. Днем инверсия обычно исчезает, однако зимой в умеренных и полярных широтах приземный слой холодного воздуха может не успеть прогреться за короткий световой день, в результате чего инверсия сохраняется в течение нескольких суток.
Очень сильные и устойчивые инверсии возникают в горных котловинах Восточной Сибири, где без облачная тихая погода может стоять месяцами – в результате температура в котловине может быть на 15-20 °С ниже, чем в нескольких сотнях метрах выше по склону. Но самые мощные инверсии образуются над ледниковым щитом Антарктиды полярной ночью, когда воздух над снежным покровом постоянно выхолаживается в течение почти полугода. Так, на той же полярной станции «Восток» одно из наблюдений показало, что на уровне снега столбик термометра опустился до -70 °С а всего в 350 м выше температура была равной -37 °С.
Инверсию можно наглядно видеть, наблюдая за дымом из трубы. Обычно в безветренную погоду дым поднимается вертикально (так как он, хотя и остывает в процессе подъема, всегда остается теплее, а значит, легче окружающего воздуха, температура которого тоже уменьшается с высотой) и постепенно рассеивается. В случае же инверсии дым, поднимаясь через приземный слой холодного воздуха, охлаждается до такой степени,что становится холоднее, а следовательно, и тяжелее, вышележащего слоя. В результате дым перестает подниматься и начинает распространяться горизонтально. Если же в одном месте много источников дыма и прочих выбросов – например, дело происходит в городе, в котором много заводов и автомобилей, – то все загрязняющие вещества накапливаются в приземном холодном слое, что создает серьезные проблемы с качеством воздуха. Такая ситуация часто складывается, например, в Красноярске, где это явление даже имеет особое название – «черное небо».
ВВЕРХ И НА СЕВЕР
Впрочем, основное правило всё же таково: чем выше мы находимся, тем холоднее вокруг. И тут можно решить, что при подъеме в горы климат будет меняться так же, как если бы мы двигались к полюсам (в нашем полушарии – в сторону севера). Однако, если бы мы действительно шли от экватора к полюсу, климат обретал бы всё более выраженную сезонность – чем дальше на север тем больше становится разница между летом и зимой. В горах же, хоть и холодает с высотой, но колебания температур как бы повторяют те, что царят у подножия гор. К примеру, в Экваториальных Андах на высоте 2,5-3 км круглый год стоит температура +13- +15 °С, примерно как в Москве во второй половине мая. Наверное, тебе покажется, что жить без зимы и без лета немного скучновато, но, согласись, что такой климат лучше, чем вечные +26…+28 °С у подножия. (Конечно, для пляжа это идеальная погода, но ведь и в школу тоже ходить придется!) Возможно, именно поэтому столицы Колумбии и Эквадора – стран, в которых расположены Экваториальные Анды, – и находятся в поясе «вечной весны».
А что же на других планетах? Космонавт, решивший заняться там альпинизмом, увидит всё ту же картину – чем выше в горы, тем холоднее. Правда, например на Марсе температура уменьшается в среднем на 2,5 °С на каждый километр высоты, то есть не так сильно, как у нас на Земле. Это объясняется тем, что марсианская атмосфера менее прозрачна, в ней всегда много пыли, поэтому солнечное тепло лучше прогревает газовую оболочку Марса. Однако для штурма высочайшей горы Марса, Олимпа, придется утеплиться: ее высота – 26 км, а значит, на вершине должно быть на 65 °С холоднее, чем внизу.
Становится холоднее при движении вверх и на Венере. Если у поверхности там царит просто адская жара – около +470 °С, то на высоте 50-55 км температура опускается до вполне комфортных +20 °С. Кстати, и атмосферное давление на этой высоте почти равно земному. Может быть, в будущем можно устроить там города, висящие на огромных дирижаблях? Но есть маленькая проблема: атмосфера Венеры почти полностью состоит из углекислого газа, и там бывает дождливо, при этом из туч льется не вода, а… концентрированная серная кислота.
Источник