Как зависит температура воздуха от высоты над уровнем моря

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

Атмосферная температура — Atmospheric temperature

Атмосферная температура — это мера температуры на разных уровнях атмосферы Земли . Это зависит от многих факторов, в том числе от солнечной радиации , влажности и высоты над уровнем моря . При обсуждении температуры приземного воздуха следует отметить , что годовой диапазон температур атмосферы в любом географическом месте во многом зависит от типа биома , измеренного по климатической классификации Кеппена.

Содержание

Температура в зависимости от высоты

Температура сильно колеблется на разных высотах относительно поверхности Земли , и это изменение температуры характеризует четыре слоя, которые существуют в атмосфере. Эти слои включают: тропосферы , Стратосфера , мезосфере и термосфере .

Тропосфера — самый нижний из четырех слоев, простирающийся от поверхности Земли примерно до 11 км (7 миль) в атмосферу, где расположена тропопауза (граница между стратосферой тропосферы). Ширина тропосферы может варьироваться в зависимости от широты, например, тропосфера толще в тропиках (около 16 км или 10 миль), потому что тропики, как правило, теплее, и тоньше на полюсах (около 8 км или 5 миль), потому что полюса холоднее. Температура в атмосфере снижается с высотой в среднем на 6,5 ° C / км. Поскольку тропосфера испытывает самые высокие температуры ближе к поверхности Земли, происходит сильное вертикальное движение тепла и водяного пара, вызывающее турбулентность. Эта турбулентность в сочетании с наличием водяного пара является причиной того, что в тропосфере возникает погода.

За тропопаузой следует стратосфера. Этот слой простирается от тропопаузы до стратопаузы, которая расположена на высоте около 50 км (31 миль). Температура остается постоянной с высотой от тропопаузы до высоты 20 км (12,5 миль), после чего она начинает увеличиваться с высотой. Это явление называется инверсией, и именно из-за этой инверсии стратосфера не характеризуется как турбулентная. Стратосфера получает тепло от солнца и озонового слоя, который поглощает ультрафиолетовое излучение.

Следующий слой, называемый мезосферой, простирается от стратопаузы до мезопаузы и находится на высоте 85 км (53 мили). Температуры в мезоспере снижаются с высотой и фактически являются самыми холодными в атмосфере Земли. Это снижение температуры может быть связано с уменьшением радиации, получаемой от Солнца, после того, как большая часть ее уже поглощена термосферой.

Четвертый слой атмосферы известен как термосфера, которая простирается от мезопаузы до «верха» атмосферы столкновений. Некоторые из самых высоких температур могут быть обнаружены в термосфере из-за приема сильного ионизирующего излучения на уровне радиационного пояса Ван Аллена .

Диапазон температур

Изменение температуры от дневного максимума до прохладной ночи называется суточным колебанием температуры . Температурные диапазоны также могут быть основаны на периодах в месяц или год.

Размер диапазона температур приземной атмосферы зависит от нескольких факторов, таких как:

• Средняя температура
• Средняя влажность
• Режим ветров (интенсивность, продолжительность, вариация, температура и др.)
• Близость к крупным органам воды , такие , как море

На рисунке внизу слева показан пример ежемесячных температур, зарегистрированных в одном из таких мест, городе Кампинас , штат Сан-Паулу , Бразилия , который находится примерно в 60 км к северу от линии Козерога ( 22 градуса широты ). Средняя годовая температура составляет 22,4 градуса по Цельсию, от среднего минимума 12,2 градуса до максимума 29,9 градуса. Средний температурный диапазон — 11,4 градуса. Изменчивость в течение года невелика (стандартное отклонение 2,31 для максимального среднемесячного значения и 4,11 для минимального). На графике нетрудно увидеть еще одно типичное явление температурных диапазонов — их увеличение зимой (снижение средней температуры воздуха).

В Кампинасе, например, дневная температура в июле (самый прохладный месяц в году) может варьироваться от 10 до 24 градусов по Цельсию (диапазон от 14), а в январе — от 20 до 30 градусов по Цельсию (диапазон из 10).

Влияние широты, тропического климата, постоянного слабого ветра и расположения на берегу моря показывает меньшие диапазоны средних температур, меньшие колебания температуры и более высокие средние температуры (второй график, сделанный для того же периода, что и Кампинас, в Аракажу , столице штат Сержипи , также в Бразилии, на широте 10 градусов, ближе к экватору ). Средняя максимальная годовая температура составляет 28,7 градуса Цельсия, а средняя минимальная — 21,9 градуса. Средний температурный диапазон составляет всего 5,7 градуса. Колебания температуры в течение года в Аракажу очень невысоки (стандартное отклонение 1,93 для максимальной температуры и 2,72 для минимальной температуры).

Значимость

Местоположение, которое сочетает в себе среднюю температуру 19 градусов Цельсия, среднюю влажность 60% и диапазон температур около 10 градусов Цельсия вокруг средней температуры (годовой перепад температуры), считается идеальным с точки зрения комфорта для человека. Большинство мест с этими характеристиками расположены на переходном этапе между умеренным и тропическим климатом, примерно в тропиках , особенно в Южном полушарии ( тропик Козерога ).

Повышенная минимальная температура

Минимальная температура в спокойные ясные ночи наблюдается не на земле, а на высоте нескольких десятков сантиметров над землей. Самый низкий температурный слой называется слоем Рамдаса в честь Л.А. Рамдаса , который впервые сообщил об этом явлении в 1932 году на основе наблюдений на экранах разной высоты в шести метеорологических центрах по всей Индии. Явление объясняется взаимодействием эффектов теплового излучения с атмосферными аэрозолями и конвекционным переносом вблизи земли.

Глобальная температура

Концепция глобальной температуры обычно используется в климатологии и обозначает среднюю температуру Земли, основанную на наземных, приповерхностных или тропосферных измерениях. Эти записи и измерения температуры обычно получают с помощью спутниковых или наземных инструментальных измерений температуры , а затем обычно компилируют с использованием базы данных или компьютерной модели . Долгосрочные глобальные температуры в палеоклимате определяются с использованием косвенных данных .

Источник

Определение температуры воздуха в зависимости от высоты

Определение температуры воздуха в зависимости от высоты

Известно, что на высоте 750 метров над уровнем моря температура составляет +22 о С. Определите температуру воздуха на высоте:

а) 3500 метров над уровнем моря

б) 250 метров над уровнем моря

Нам известно, что при изменении высоты на 1000 метров (1 км) температура воздуха изменяется на 6 о С. Причём, при увеличении высоты температура воздуха понижается, а при уменьшении — повышается.

а) 1. Определим разницу высот: 3500 м -750 м = 2750 м = 2,75 км

2. Определим разницу температур воздуха: 2,75 км × 6 о С = 16,5 о С

3. Определим температуру воздуха на высоте 3500 м: 22 о С — 16,5 о С = 5,5 о С

Ответ: на высоте 3500 м температура воздуха составляет 5,5 о С.

б) 1. Определим разницу высот: 750 м -250 м = 500 м = 0,5 км

2. Определим разницу температур воздуха: 0,5 км × 6 о С = 3 о С

3. Определим температуру воздуха на высоте 250 м: 22 о С + 3 о С = 25 о С

Ответ: на высоте 250 м температура воздуха составляет 25 о С.

2. Определение атмосферного давления в зависимости от высоты

Известно, что на высоте 2205 метров над уровнем моря атмосферное давление составляет 550 мм ртутного столба. Определите атмосферное давление на высоте:

а) 3255 метров над уровнем моря

б) 0 метров над уровнем моря

Нам известно, что при изменении высоты на 10,5 метров атмосферное давление изменяется на 1 мм рт. ст. Причём, при увеличении высоты атмосферное давление понижается, а при уменьшении — повышается.

а) 1. Определим разницу высот: 3255 м — 2205 м = 1050 м

2. Определим разницу атмосферного давления: 1050 м : 10,5 м = 100 мм рт.ст.

3. Определим атмосферное давление на высоте 3255 м: 550 мм рт.ст. — 100 мм рт.ст. = 450 мм рт.ст.

Ответ: на высоте 3255 м атмосферное давление составляет 450 мм ртутного столба..

б) 1. Определим разницу высот: 2205 м — 0 м = 2205 м

2. Определим разницу атмосферного давления: 2205 м : 10,5 м = 210 мм рт. ст.

3. Определим атмосферное давление на высоте 0 м: 550 мм рт.ст. + 210 мм рт. ст. = 760 мм рт. ст.

Ответ: на высоте 0 м атмосферное давление составляет 760 мм ртутного столба.

Источник

Атмосфера земли и физические свойства воздуха.

Привет, друзья!

Эта тема должна была появится на сайте одной из первых. Ведь самолеты и вертолеты – атмосферные летательные аппараты. Атмосфера Земли – их, так сказать, среда обитания :-). А физические свойства воздуха как раз и определяют качество этого обитания :-). То есть это одна из основ. И об основе всегда пишут вначале. Но сообразил я об этом только сейчас. Однако лучше, как известно, поздно, чем никогда… Коснемся этого вопроса, в дебри и ненужные сложности однако не залезая :-).

Итак… Атмосфера Земли. Это газовая оболочка нашей голубой планеты. Такое название всем известно. А почему голубая? Просто потому, что «голубая» ( а также синяя и фиолетовая ) составляющая солнечного света (спектра) наиболее хорошо рассеивается в атмосфере, окрашивая ее тем самым в голубовато-синеватые, иногда с оттенком фиолетового тона (в солнечный день, конечно :-)).

Состав атмосферы Земли.

Состав атмосферы достаточно широк. Перечислять в тексте все составляющие не буду, для этого есть хорошая иллюстрация.Состав всех этих газов практически постоянен, за исключением углекислого газа ( СО₂ ). Кроме того в атмосфере обязательно содержится вода в виде паров, взвеси капель или кристаллов льда. Количество воды непостоянно и зависит от температуры и, в меньшей степени, от давления воздуха. Кроме того атмосфера Земли (особенно нынешняя) содержит и определенное количество я бы сказал «всякой гадости» :-). Это SO _{2 ,} NH _{3 ,} CO , HCl , NO , кроме того есть там пары ртути Hg . Правда все это находится там в небольших количествах, слава богу :-).

Атмосферу Земли принято делить на несколько следующих друг за другом по высоте над поверхностью зон.

Первая, самая близкая к земле — это тропосфера . Это самый нижний и, так сказать, основной слой для жизнедеятельности разного вида. В нем содержится 80% массы всего атмосферного воздуха (хотя по объему она составляет всего около 1% всей атмосферы) и около 90% всей атмосферной воды. Основная масса всех ветров, облаков, дождей и снегов 🙂 — оттуда. Тропосфера простирается до высот порядка 18 км в тропических широтах и до 10 км в полярных. Температура воздуха в ней падает с подъемом на высоту примерно 0,65º на каждые 100 м.

Зона вторая – стратосфера . Надо сказать, что между тропосферой и стратосферой выделяют еще одну узкую зону – тропопаузу . В ней прекращается падение температуры с высотой. Тропопауза имеет среднюю толщину 1,5- 2 км, но границы ее нечетки и тропосфера часто перекрывает стратосферу.

Так вот стратосфера имеет высоту в среднем от 12 км до 50 км. Температура в ней до 25 км остается неизменной (порядка -57ºС), затем где-то до 40 км повышается примерно до 0ºС и далее до 50 км остается неизменной. Стратосфера – относительно спокойная часть атмосферы земли. Неблагоприятные погодные условия в ней практически отсутствуют. Именно в стратосфере располагается знаменитый озоновый слой на высотах от 15-20 км до 55-60 км.

Далее следует небольшой пограничный слой стратопауза , температура в которой сохраняется около 0ºС, и затем следующая зона мезосфера. Она простирается до высот 80-90 км, и в ней температура падает примерно до 80ºС. В мезосфере обычно становятся видны мелкие метеоры, которые начинают в ней светиться и там же сгорают.

Следующий узкий промежуток – мезопауза и за ней зона термосфера . Ее высота – до 700-800 км. Здесь температура опять начинает повышаться и на высотах порядка 300 км может достигать величин порядка 1200ºС. Далее она остается постоянной. Внутри термосферы до высоты около 400 км расположена ионосфера. Здесь воздух сильно ионизирован из-за воздействия солнечной радиации и обладает большой электропроводностью.

Следующая и, вобщем-то, последняя зона – экзосфера . Это так называемая зона рассеяния . Здесь в основном присутствует очень сильно разреженный водород и гелий (с преобладанием водорода). На высотах порядка 3000 км экзосфера переходит в ближнекосмический вакуум.

Вот примерно где-то так. Почему примерно? Потому что слои эти достаточно условны. Возможны различные изменения высоты, состава газов, воды, величины температуры, ионизации и так далее. Кроме того существует еще немало терминов, определяющих строение и состояние атмосферы земли.

Например гомосфера и гетеросфера . В первой атмосферные газы хорошо перемешаны, и их состав достаточно однороден. Вторая расположена выше первой и такого перемешивания там уже практически нет. Газы в ней разделяет гравитация. Граница между этими слоями расположена на высоте 120 км, и называется она турбопауза .

С терминами пожалуй покончим, но обязательно еще добавлю, что условно принято считать, что граница атмосферы расположена на высоте 100 км над уровнем моря. Эта граница называется Линия Кармана .

Добавлю еще две картинки для иллюстрации строения атмосферы. Первая, правда, на немецком, но зато полная и достаточно легка в понимании :-). Ее можно увеличить и хорошо рассмотреть. Вторая показывает изменение температуры атмосферы с высотой.

Строение атмосферы Земли.

Изменение температуры воздуха с высотой.

Современные пилотируемые орбитальные космические аппараты летают на высотах около 300-400 км . Однако это уже не авиация, хотя область, конечно, в определенном смысле близкородственная, и мы о ней еще непременно поговорим :-).

Зона авиации – это тропосфера. Современные атмосферные летательные аппараты могут летать и в нижних слоях стратосферы. Например практический потолок МИГ-25РБ – 23000 м .

Полет в стратосфере.

И именно физические свойства воздуха тропосферы определяют каким будет полет, насколько будет эффективна система управления самолета, как будет влиять на него турбулентность в атмосфере, как будут работать двигатели.

Первое основное свойство – это температура воздуха . В газодинамике она может определяться по шкале Цельсия либо по шкале Кельвина .

Температура t₁ на заданной высоте Н по шкале Цельсия определяется:

t₁ = t — 6,5Н , где t – температура воздуха у земли.

Температура по шкале Кельвина называется абсолютной температурой , ноль по этой шкале – это абсолютный ноль. При абсолютном нуле прекращается тепловое движение молекул. Абсолютный ноль по шкале Кельвина соответствует -273º по шкале Цельсия.

Соответственно температура Т на высоте Н по шкале Кельвина определяется:

T = 273K + t — 6,5H

Давление воздуха . Атмосферное давление измеряется в Паскалях (Н/м 2 ), в старой системе измерения в атмосферах (атм.). Существует еще такое понятие как барометрическое давление. Это давление, измеренное в миллиметрах ртутного столба при помощи ртутного барометра. Барометрическое давление (давление на уровне моря) равное 760 мм рт. ст. называется стандартным. В физике 1 атм. как раз и равна 760 мм рт.ст.

Плотность воздуха . В аэродинамике чаще всего пользуются таким понятием, как массовая плотность воздуха. Это масса воздуха в 1 м 3 объема. Плотность воздуха с высотой меняется, воздух становится более разреженным.

Влажность воздуха . Показывает количество воды, находящееся в воздухе. Существует понятие « относительная влажность ». Это отношение массы водяного пара к максимально возможной при данной температуре. Понятие 0%, то есть когда воздух совершенно сухой может существовать вобщем-то только в лаборатории. С другой стороны 100%-ная влажность вполне реальна. Это означает, что воздух впитал в себя всю воду, которую мог впитать. Что-то типа абсолютно «полной губки». Высокая относительная влажность снижает плотность воздуха, а малая, соответственно повышает.

В связи с тем, что полеты самолетов происходят при разных атмосферных условиях, то и их полетные и аэродинамические параметры на одном режиме полета могут быть различными. Поэтому для правильной оценки этих параметров введена Международная стандартная атмосфера (МСА) . Она показывает изменение состояния воздуха с подъемом на высоту.

За основные приняты параметры состояния воздуха при нулевой влажности:

давление P = 760 мм рт. ст. (101,3 кПА);

температура t = +15°C (288 К);

массовая плотность ρ = 1,225 kg/m 3 ;

Для МСА принято (как уже было сказано выше :-)), что температура падает в тропосфере на 0,65º на каждые 100 метров высоты.

Стандартная атмосфера (пример до 10000 м).

Таблицы МСА используются при градуировании пилотажно-навигационных приборов, а также для штурманских и инженерных расчетов.

Физические свойства воздуха включают в себя также такие понятия как инертность, вязкость и сжимаемость.

Инертность — свойство воздуха, характеризующее его способность сопротивляться изменению состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Мерой инертности является массовая плотность воздуха. Чем она выше, тем выше инертность и сила сопротивления среды при движении в ней самолета.

Вязкость . Определяет сопротивление трения об воздух при движении самолета.

Сжимаемость определяет изменение плотности воздуха при изменении давления. На малых скоростях движения летательного аппарата (до 450 км/ч) изменения давления при обтекании его воздушным потоком не происходит, но при больших скоростях начинает проявляться эффект сжимаемости. Особенно сказывается его влияние на сверхзвуке. Это отдельная область аэродинамики и тема для отдельной статьи :-).

Ну вот кажется пока все… Пора закончить это слегка нудноватое перечисление, без которого однако не обойтись :-). Атмосфера Земли, ее параметры, физические свойства воздуха также важны для летательного аппарата, как и параметры самого аппарата, и о них нельзя было не упомянуть.

Пока, до следующих встреч и более интересных тем 🙂 …

P.S. На сладкое предлагаю посмотреть ролик снятый из кабины спарки МИГ-25ПУ при его полете в стратосферу. Снимал, видимо, турист, у которого есть деньги для таких полетов :-). Снято в основном все через лобовое стекло. Обратите внимание на цвет неба…

Источник