Атмосферата и топлинният баланс — урок по география

1. Състав и строеж на атмосферата

Атмосферата е въздушната обвивка на Земята. Сухият въздух е смес главно от азот (около 78%), кислород (около 21%) и аргон (около 0,9%). Въглеродният диоксид е само около 0,04%, а – от почти нула над пустините до около 4% над тропическите морета. Тези малки добавки обаче имат огромна роля: именно те задържат топлината.

Въздухът става все по-рядък нагоре: налягането намалява приблизително наполовина на всеки 5,5 km. По това как се мени температурата с височината атмосферата се дели на слоеве.

Слой	Височина	Температура нагоре	Особености
Тропосфера	до 8 km над полюсите, до 16–18 km над екватора	спада с около 6,5 °C на km	около ¾ от масата на въздуха и почти всички водни пари; облаци, валежи, времето
Стратосфера	до около 50 km	отначало постоянна, после расте до около 0 °C	озоновият слой (около 15–35 km); летят реактивни самолети в долната ѝ част
Мезосфера	до около 85 km	спада до около −90 °C – най-студеното място в атмосферата	изгарят метеорите („падащите звезди“)
Термосфера	над около 85 km	расте до стотици и над 1000 °C	много рядък въздух; полярни сияния, Международната космическа станция (около 400 km)

Границата между тропосферата и стратосферата се нарича тропопауза. Тя е по-високо над , защото там силно нагретият въздух се издига най-високо. поглъща по-голямата част от ултравиолетовата светлина на Слънцето – затова стратосферата се затопля нагоре и затова той пази живота на сушата. Как се образува и как го разрушават, е обяснено в урока Химия на околната среда.

2. Слънчевата радиация и ъгълът на лъчите

На горната граница на атмосферата 1 m², поставен перпендикулярно на лъчите, получава около 1361 W – това е $S$ . Земята обаче прихваща светлината с напречното си сечение $\pi R^2$ , а повърхността ѝ е $4\pi R^2$ . Затова средно на 1 m² от горната граница на атмосферата се падат $S/4 \approx 340\ \mathrm{W/m^2}$ .

Колко енергия получава конкретно място, зависи най-вече от височината на Слънцето $h$ над хоризонта. Сноп лъчи с напречно сечение 1 m² при ниско Слънце се разлива върху $1/\sin h$ квадратни метра земя. Освен това лъчите минават през по-дебел слой въздух – приблизително $1/\sin h$ пъти по-дебел, – който разсейва и поглъща част от светлината.

Т

Енергия според ъгъла на лъчите

Върху 1 m² хоризонтална повърхност над атмосферата пада

I = S \sin h

. По пладне височината на Слънцето е

h = 90^\circ - |\varphi - \delta|

, където

\varphi

е географската ширина, а

\delta

– деклинацията на Слънцето (от

+23{,}44^\circ

на 21 юни до

-23{,}44^\circ

на 21 декември).

Защо се мени и така се раждат сезоните, е обяснено в урока Движение на Земята. Тук ни интересува резултатът: колко енергия получава всяка ширина. В лабораторията избери дата, ширина и час.

φ, °43час12

φ – географска ширина (южната е с минус); час – местно слънчево време.

h по пладне70,4°над атмосферата1282 W/m²на земята (ясно)≈ 939 W/m²средно за денонощието499 W/m²

Слънцето е високо: снопът пада почти отвесно и грее най-силно.

Мощността на земята е за пряката радиация при чисто небе (приблизително). Сивите криви – останалите дати.

Пример

Колко пъти повече енергия получава по пладне 1 m² хоризонтална повърхност в София (φ = 42,7°) на 21 юни, отколкото на 21 декември (над атмосферата)?

21 юни: $h = 90^\circ - |42{,}7^\circ - 23{,}44^\circ| = 70{,}7^\circ$ , $\sin h \approx 0{,}944$ .
21 декември: $h = 90^\circ - |42{,}7^\circ + 23{,}44^\circ| = 23{,}9^\circ$ , $\sin h \approx 0{,}405$ .
Отношение: $0{,}944 / 0{,}405 \approx 2{,}3$ пъти. На земята разликата е още по-голяма, защото зимните лъчи минават през 2,5 пъти по-дебел слой въздух. А зимният ден е и много по-кратък.

Изненада от графиката: около 21 юни най-много енергия за денонощие получава Северният полюс – Слънцето е ниско, но не залязва 24 часа. Въпреки това там е студено: снегът и ледът отразяват по-голямата част от светлината, а много топлина отива за им.

3. Албедо и парников ефект

Не цялата светлина, която стига до Земята, я нагрява. Частта, която се отразява обратно, се нарича $\alpha$ . Средното албедо на Земята е около 0,30 – най-много отразяват облаците, снегът и ледът.

Повърхност	Албедо
пресен сняг	0,80–0,90
стар, мокър сняг; лед	0,40–0,70
облаци (дебели)	0,60–0,90
пясък в пустиня	0,30–0,40
трева, ниви	0,15–0,25
гора	0,08–0,18
море (високо Слънце)	около 0,06
Земята средно	около 0,30

Всяко нагрято тяло излъчва – толкова повече, колкото е по-топло: $\sigma T^4$ от квадратен метър (, виж урока Светлина и спектри). Слънцето (около 5800 K) излъчва най-силно във видимата светлина, а Земята (около 288 K) – в далечната инфрачервена област, около 10 μm. Затова казваме, че Слънцето изпраща късовълново лъчение, а Земята връща дълговълново.

Т

Равновесна температура

Ако планетата излъчва точно толкова, колкото поглъща:

\sigma T_e^4 = \dfrac{(1-\alpha) S}{4}

, откъдето

T_e = \sqrt[4]{\dfrac{(1-\alpha) S}{4\sigma}}

. За Земята (

\alpha = 0{,}3

,

S = 1361\ \mathrm{W/m^2}

,

\sigma = 5{,}67 \cdot 10^{-8}\ \mathrm{W/(m^2 K^4)}

)

T_e \approx 255\ \mathrm{K} \approx -18\ ^\circ\mathrm{C}

.

Средната температура на повърхността обаче е около +15 °C – с около 33 °C по-висока. Разликата е . Водните пари, въглеродният диоксид, метанът и другите пропускат почти всичката видима светлина, но поглъщат голяма част от инфрачервеното излъчване на повърхността. Нагрятата атмосфера излъчва във всички посоки – и нагоре, и обратно надолу. Повърхността получава и слънчева светлина, и насрещното излъчване на атмосферата, затова се затопля, докато не започне да излъчва достатъчно, за да се изравни балансът.

Т

Модел с един слой атмосфера

Ако атмосферата поглъща част

\varepsilon

от излъчването на повърхността, равновесната температура на повърхността е

T_s = T_e \sqrt[4]{\dfrac{2}{2 - \varepsilon}}

. При

\varepsilon = 0

T_s = T_e

, а при

\varepsilon = 1

T_s = \sqrt[4]{2}\, T_e \approx 1{,}19\, T_e

.

Потоците са в W/m², средно за цялата Земя. Жълто – слънчева светлина, червено – топлинно излъчване на повърхността, виолетово – излъчване на атмосферата.

α0,3ε0,78

α – албедо (каква част от светлината се отразява); ε – каква част от топлинното излъчване на повърхността поглъща атмосферата.

погълнати238 W/m²без атмосфера-18,6 °Cповърхност14,9 °Cпарников ефект+33,5 °C

Атмосферата връща част от топлината обратно към повърхността и тя се затопля, докато излъчи толкова, колкото поглъща.

Опростен модел: цялата светлина се поглъща от повърхността, атмосферата е един слой, без облаци, вятър и изпарение.

По-точните измервания дават приблизително такава картина (средно за Земята): от 340 W/m² около 100 се отразяват (главно от облаците), около 80 поглъща атмосферата и около 160 – повърхността. Повърхността излъчва около 400 W/m², а атмосферата връща към нея около 340 W/m². Освен с излъчване повърхността губи топлина и чрез на водата и чрез нагряване на въздуха, който се издига. Как се сравнява Земята с Венера и Марс, виж в урока Планети от земен тип, а защо парниковият ефект се засилва – в урока Изменението на климата.

4. Излишък и недостиг: топлината пътува към полюсите

Разликата между погълнатата слънчева енергия и излъченото топлинно лъчение е радиационният баланс. За Земята като цяло той е почти нула – иначе тя бързо би се стопляла или изстивала. По ширините обаче не е: между екватора и около 35–40° ширина се поглъща повече, отколкото се излъчва (излишък), а по-близо до полюсите – по-малко (недостиг).

О

Радиационен баланс

B = (1 - \alpha) Q - E

, където

Q

е падащата слънчева радиация, а

E

– нетното топлинно излъчване. В тропиците

B > 0

, в полярните области

B < 0

.

Ако нямаше пренос, щяха да се нагряват безкрайно, а полюсите – да изстиват. Излишъкът се пренася към полюсите от ветровете и от океанските течения – как точно, ще видиш в урока Налягане, ветрове и циркулация. Атмосферата и океанът работят като огромна топлинна машина, задвижвана от разликата в нагряването.

5. Суша и вода. Денонощен и годишен ход на температурата

Сушата и морето се нагряват много различно. Водата има около пет пъти по-голям специфичен от сухата почва, прозрачна е и светлината прониква на метри дълбочина, вълните разбъркват топлината в слой от десетки метри, а изпарението отнема още енергия. Сушата нагрява само тънък повърхностен слой. Затова денем и лятото сушата е по-топла, нощем и зимата – по-студена от морето. Тази разлика задвижва бризите и .

О

Амплитуда на температурата

A = t_{\max} - t_{\min}

– разликата между най-високата и най-ниската температура за денонощието (денонощна амплитуда) или между най-топлия и най-студения месец (годишна амплитуда).

През денонощието най-топло е обикновено около 14–15 часа – не по пладне, защото земята продължава да получава повече енергия, отколкото губи, и след пладне. Най-студено е малко преди или около изгрева. По същата причина на сушата в северното полукълбо най-топъл е юли, а най-студен – януари; над морето всичко закъснява с около месец.

Пример

Торсхавн на Фарьорските острови и Якутск в Сибир са на сходни ширини (около 62°). В Торсхавн средната температура е около +4 °C през януари и около +11 °C през юли, в Якутск – около −39 °C и +19 °C. Сравни годишните амплитуди.

Торсхавн: $A \approx 11 - 4 = 7\ ^\circ\mathrm{C}$ – островът е заобиколен от океан, затоплян от Северноатлантическото течение.
Якутск: $A \approx 19 - (-39) = 58\ ^\circ\mathrm{C}$ – дълбоко във вътрешността на най-големия континент.
Ширината е еднаква, но разстоянието от океана променя амплитудата осем пъти. Повече за това в урока „Климатите на Земята“.

6. Температурата с височината и инверсиите

Тропосферата се нагрява отдолу – от повърхността. Затова в нея средно на всеки километър нагоре е с около 6,5 °C по-студено. Това е вертикалният температурен градиент $\Gamma$ . Издигащият се въздух се разширява и изстива дори без да отдава топлина – това е адиабатното охлаждане (виж урока Термодинамика). Как то ражда облаците, ще видиш в урока Водата във въздуха.

Т

Температура на височина z

T(z) \approx T_0 - \Gamma\,(z - z_0)

, като средно

\Gamma \approx 6{,}5\ ^\circ\mathrm{C/km}

(

0{,}65\ ^\circ\mathrm{C}

на 100 m). Действителният градиент се мени с времето – денем над нагрятата земя е по-голям, нощем по-малък.

Понякога температурата расте нагоре – това е температурна инверсия. В ясна и тиха зимна нощ земята бързо изстива чрез излъчване и охлажда най-долния въздух. Студеният въздух е по-тежък и се стича в – Софийската, Пловдивската, Кюстендилската. Отгоре остава по-топъл въздух като капак: нищо не се издига, а димът от комините и прахът от колите остават долу. Затова в такива дни в котловините има и , докато по планините грее слънце.

T₀, °C12Γ6,5инв., m0ΔT, °C0

T₀ – температурата в София (550 m); Γ – с колко °C спада температурата на всеки km; инв. – дебелина на инверсионния слой; ΔT – с колко се затопля въздухът в него нагоре.

Мусала − София-15,4 °C0 °C на2400 m

В тропосферата въздухът се нагрява отдолу – от повърхността, затова нагоре става по-студено.

Пример

Зимна сутрин: в София е −6 °C, а 400 m по-нагоре, на горната граница на инверсията, е +2 °C. Над нея температурата спада с 6,5 °C на km. Колко е на Черни връх (2290 m, т.е. 1740 m над София)?

Над инверсията остават $1740 - 400 = 1340\ \mathrm{m}$ .
$T \approx 2 - 6{,}5 \cdot 1{,}34 \approx 2 - 8{,}7 = -6{,}7\ ^\circ\mathrm{C}$
На Черни връх е почти толкова студено, колкото в града, макар че е с 1,7 km по-високо – а по средата, на около 950 m, е най-топло.

7. Тренажор

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

\varphi = 26^\circ\ \text{с.ш.},\ \delta = 0^\circ\ (\text{равноденствие})

Колко градуса е височината на Слънцето по пладне?

8. Слънцето и топлината около нас

0 / 4

🥾 Към Мусала

В София (550 m) е 25 °C. Каква температура да очаква туристът на връх Мусала (2925 m), ако температурата спада с 6,5 °C на km?

☀️ Слънчев панел на покрива

Пряката слънчева радиация е 900 W/m², измерена перпендикулярно на лъчите, а Слънцето е на 30° над хоризонта. Колко W дава панел с площ 2 m² и КПД 20%, ако лежи хоризонтално? А ако е наклонен перпендикулярно на лъчите?

❄️ Мръсният сняг се топи по-бързо

Върху снежна поляна падат 600 W/m². Колко W/m² поглъща пресният сняг (албедо 0,85)? А стар, напрашен сняг с албедо 0,5?

🌈 Светлина навън, топлина навън

По закона на Вин тяло с температура T излъчва най-силно при λ = 2898/T μm. При каква дължина на вълната излъчва най-силно Слънцето (5800 K)? А земната повърхност (288 K)?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

9. ⚠️ Чести грешки

Лятото и зимата

✗ Лято е, когато Земята е най-близо до Слънцето.

✓ Земята е най-близо до Слънцето в началото на януари. Сезоните идват от наклона на оста – от ъгъла на лъчите и дължината на деня.

Нагоре е по-близо до Слънцето

✗ В планината трябва да е по-топло, защото е по-близо до Слънцето.

✓ Няколко km са нищо спрямо 150 милиона km. Въздухът се нагрява отдолу, от земята, затова нагоре е по-студено.

Въздухът и Слънцето

✗ Слънчевите лъчи нагряват въздуха, през който минават.

✓ Въздухът поглъща малко от видимата светлина; нагрява го главно земната повърхност.

Парниковият ефект

✗ Парниковият ефект е вреден и трябва да изчезне.

✓ Без него Земята би била около −18 °C. Проблем е неговото засилване от човека.

Най-топлият час

✗ Най-топло е по пладне, когато Слънцето е най-високо.

✓ Най-топло е около 14–15 ч – земята продължава да трупа топлина и след пладне.

Инверсията

✗ Нагоре винаги е по-студено.

✓ При инверсия нагоре е по-топло – често в зимни нощи в котловините.

10. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

В кой слой на атмосферата се образуват почти всички облаци и валежи?

Избери отговор (или натисни 1–4)

11. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

12. Обобщение

✓ Въздухът е около 78% азот и 21% кислород; парниковите газове са малко, но задържат топлината
✓ Слоеве: тропосфера (времето, температурата спада), стратосфера (озоновият слой, температурата расте), мезосфера, термосфера
✓ Средно на 1 m² над атмосферата падат $S/4 \approx 340\ \mathrm{W/m^2}$ ; при ниско Слънце $I = S\sin h$ е по-малко, а пътят през въздуха е по-дълъг
✓ Албедото на Земята е около 0,3; без парников ефект тя би била около −18 °C вместо +15 °C
✓ Радиационният баланс е положителен в тропиците и отрицателен към полюсите – ветровете и теченията пренасят топлината
✓ Водата се нагрява и изстива бавно – морските места имат малки амплитуди, континенталните – големи
✓ В тропосферата температурата спада с около 6,5 °C на km; при инверсия нагоре е по-топло и замърсяването остава долу

💡 Интересен факт

В термосферата температурата на газа може да надхвърли 1000 °C, а астронавтите на Международната космическа станция не изгарят. Температурата показва колко бързо се движат молекулите, но там те са толкова малко, че почти не удрят предметите. Термометър на сянка в термосферата би показал силен студ – той би излъчвал топлина много по-бързо, отколкото рядкият газ може да му предаде.