Зміст
Здавалося б, чим ближче до Сонця — тим тепліше. Але в горах холодно, а на борту літака за вікном −50°C, хоча до Сонця звідти набагато ближче, ніж із рівнини. Причина в тому, що атмосфера нагрівається не від Сонця напряму, а від земної поверхні. І це пояснює, чому температура повітря з висотою поводиться по-різному в різних шарах атмосфери.
У цій статті розберемо, як саме змінюється температура з висотою, що таке вертикальний градієнт температури, і чому стратосфера — єдиний шар, де з підйомом стає теплішим.
Чому температура повітря залежить від висоти
Сонячне проміння практично не нагріває саме повітря. Воно проходить крізь атмосферу і нагріває земну поверхню. Вже від неї тепло передається нижнім шарам повітря — конвекцією, кондукцією і тепловим випромінюванням.
Звідси логічна закономірність: чим далі від земної поверхні — тим менше тепла отримує повітря, тим холодніше. Саме тому у тропосфері — нижньому шарі атмосфери — температура з висотою знижується.
“Чим ближче до земної поверхні — тим тепліше, чим далі від неї — тим холодніше. Повітря тропосфери, пропускаючи крізь себе сонячне проміння, майже не нагрівається — нагрівається від земної поверхні.”
Але це правило не діє у всіх шарах атмосфери однаково. Вище тропосфери з’являються інші механізми нагріву — і температура починає поводитися інакше.
Що таке вертикальний градієнт температури
Вертикальний градієнт температури (ВГТ) — це зміна температури повітря на 100 метрів висоти. Він показує, наскільки холоднішим або теплішим стає повітря при підйомі на кожні 100 м.
Середнє значення ВГТ у тропосфері: −0,65°C на 100 м, або −6,5°C на кілометр.
Формула для розрахунку температури на заданій висоті:
T(h) = T₀ − 0,0065 × h
де T₀ — температура на поверхні (°C), h — висота в метрах.
Приклад: якщо на рівні моря +20°C, то на висоті 3000 м (наприклад, у горах Карпат):
T = 20 − 0,0065 × 3000 = 20 − 19,5 = +0,5°C
Саме тому навіть влітку на гірських вершинах може лежати сніг: температура там значно нижча, ніж у долині.
Таблиця температури з висотою в тропосфері
| Висота (м) | Температура при T₀=+15°C | Температура при T₀=+30°C |
|---|---|---|
| 0 | +15°C | +30°C |
| 500 | +11,8°C | +26,8°C |
| 1000 | +8,5°C | +23,5°C |
| 2000 | +2,0°C | +17,0°C |
| 3000 | −4,5°C | +10,5°C |
| 5000 | −17,5°C | −2,5°C |
| 8000 | −37°C | −22°C |
| 10000 | −50°C | −35°C |
| 12000 | −63°C | −48°C |
Значення наближені — реальна температура залежить від погодних умов, пори року і географічної широти.
Шари атмосфери і їхня температура
Атмосфера Землі поділяється на кілька шарів — і в кожному з них температура поводиться по-своєму. Саме за характером зміни температури з висотою вчені і виділяють ці шари.
Тропосфера: від поверхні до 10–18 км
Тропосфера — нижній і найщільніший шар. У ній зосереджено близько 80% усієї маси атмосферного повітря і майже вся водяна пара. Тут формується погода, утворюються хмари і випадають опади.
Товщина тропосфери залежить від широти:
- над полюсами — 8–10 км;
- у помірних широтах — 10–12 км;
- над екватором — 16–18 км.
Температура в тропосфері знижується з висотою зі швидкістю 0,65°C на 100 м. На верхній межі тропосфери — тропопаузі — температура сягає −50°C до −90°C залежно від широти і сезону.
Цікавий факт: на екваторі тропопауза холодніша, ніж на полюсах. Над екватором вона розташована вище і там значно холодніше — до −90°C. Над полюсами — лише −50°C. Це пояснюється більш інтенсивним підйомом повітря над теплим екватором.
Тропопауза: перехідний шар
Тропопауза — тонкий перехідний шар між тропосферою і стратосферою. Тут температура перестає знижуватись і якийсь час залишається постійною.
Товщина тропопаузи — від кількох сотень метрів до 1–2 кілометрів. Вона діє як своєрідна «кришка», яка запобігає підйому теплого вологого повітря з тропосфери вище.
Стратосфера: від 12 до 50–55 км
Стратосфера — єдиний шар, де температура з висотою спочатку не змінюється, а потім починає зростати. На висоті 25 км вона починає підвищуватися зі швидкістю близько 2,8°C на кілометр і досягає до +0°C — +5°C на верхній межі (стратопаузі) на висоті 50 км.
“Основною ознакою стратосфери є підвищення температури повітря — вона досягає на верхній межі стабільних значень від −30 до +20°C залежно від широти та сезону.”
Причина потепління — озон. У стратосфері на висоті 20–25 км розташований озоновий шар. Озон поглинає ультрафіолетове випромінювання Сонця і при цьому виділяє тепло. Чим вище в стратосфері — тим більше ультрафіолету поглинається, тим вища температура.
Мезосфера: від 50–55 до 85–95 км
Над стратопаузою температура знову починає падати. У мезосфері вона знижується зі швидкістю близько 3,5°C на кілометр і досягає −85°C до −90°C на верхній межі — мезопаузі.
Мезопауза — найхолодніша точка атмосфери. Незважаючи на те, що вона значно ближче до Сонця, ніж поверхня Землі, температура там нижча, ніж де-небудь ще в атмосфері.
Термосфера: від 85 до 400–800 км
У термосфері температура різко зростає з висотою — від −90°C на нижній межі до 500–2000°C на верхній. Такий широкий діапазон пояснюється тим, що рівень температури залежить від сонячної активності.
Але ці «2000 градусів» не відповідають звичному уявленню про жар. Температура в термосфері вимірює середню кінетичну енергію окремих молекул, яких там дуже мало. Теплоємність цього шару надзвичайно низька — якщо туди помістити термометр, він покаже зовсім не 2000°C. Насправді він охолонув би, а не нагрівся.
Повна таблиця температури по шарах атмосфери
| Шар | Висота | Температура | Тренд |
|---|---|---|---|
| Тропосфера | 0–12 км | від +15°C до −55°C | Знижується |
| Тропопауза | 12–15 км | близько −55°C | Стабільна |
| Стратосфера | 15–50 км | від −55°C до +5°C | Зростає |
| Стратопауза | 50–55 км | близько 0°C | Максимум |
| Мезосфера | 55–85 км | від 0°C до −90°C | Знижується |
| Мезопауза | 85 км | близько −90°C | Мінімум |
| Термосфера | 85–800 км | від −90°C до 2000°C | Різко зростає |
Від чого ще залежить температура повітря
Висота — найважливіший, але не єдиний чинник. На температуру повітря впливають і інші фактори.
- Географічна широта. Біля екватора поверхня отримує більше сонячної енергії. Середня температура біля поверхні +27°C на екваторі проти −30°C на полюсах.
- Пора року і час доби. Вдень земна поверхня нагрівається, вночі — охолоджується. Влітку нагрівання інтенсивніше, ніж взимку.
- Характер підстильної поверхні. Вода нагрівається повільніше, ніж суша, і повільніше охолоджується. Тому клімат біля моря м’якший, ніж у глибині континенту.
- Хмарність і вологість. Хмари відбивають сонячне випромінювання вдень і затримують теплове випромінювання Землі вночі. Це зменшує добові перепади температури.
Окремо варто відзначити явище температурної інверсії — коли температура з висотою не знижується, а навпаки зростає. Це нормальне явище в стратосфері, але воно може виникати і в нижній тропосфері при певних погодних умовах. Інверсія в приземному шарі блокує перемішування повітря і може призводити до накопичення забруднень над містом.
“Вертикальний градієнт температури — основний параметр для розуміння стабільності атмосфери. При від’ємному градієнті (температура зростає з висотою) атмосфера стабільна, конвекція пригнічена. При позитивному — нестабільна, розвиваються потужні висхідні потоки і грози.”
Температура повітря з висотою — це не просто навчальна тема. Вона пояснює, чому гори холодні, чому літаки летять у стратосфері (там спокійно і без турбулентності), і чому людина в скафандрі не «зварюється» у термосфері, незважаючи на тисячу градусів. Розуміння вертикальної будови атмосфери — ключ до метеорології, авіації і кліматології одночасно.
