Ми звикли вважати, що джерелом тепла на Землі є сонячні промені. Чи правильно при цьому говорити про передачу тепла в повітря від поверхні Землі? І чому при підйомі вгору, тобто при «наближення» до Сонця, стає тепліше, а холодніше?
Потрапляють на поверхню земної кулі сонячні промені перш за все проходять крізь атмосферу. Здавалося б, що при цьому найсильніше повинна нагріватися сама атмосфера, а тому, чим вище ми піднімемося в гори або на літаку, тим тепліше повинно було б ставати. Кожен альпініст і льотчик скаже, що це не так. Тільки в деяких випадках взимку над сушею, найчастіше в Сибіру, на висоті буває дійсно тепліше, ніж внизу. У всіх інших випадках і місцях з підйомом температура зазвичай знижується.
Відбувається це через те, що несомую сонячними променями теплова енергія зосереджена головним чином в короткохвильової частини спектра. Земна ж атмосфера майже зовсім прозора для йдуть від Сонця короткохвильових променів. Більшу частину з них вона пропускає до земної поверхні. Стало бути, саме повітря дуже слабо нагрівається прямими сонячними променями, але ними нагрівається поверхню Землі.
ТРОПОСФЕРА
Тропосфера - найближчий до поверхні Землі шар атмосфери. Над різними частинами земної кулі його товщина неоднакова: над полюсом вона невелика - всього близько 7-9 кілометрів, над екватором доходить до 15-17 кілометрів. У тропосфері зосереджено 9/10 усієї маси атмосфери. Тут знаходиться майже весь міститься в атмосфері водяна пара, утворюються потужні хмари і випадають опади, тут розігруються всі інші явища погоди. Характерною особливістю тропосфери є зниження температури повітря з висотою.
Те, що майже вся маса атмосфери міститься в тропосфері, має дуже велике значення, так як при невеликій товщині цього шару на ньому сильно позначаються впливу від земної поверхні - передача від неї тепла, надходження вологи і домішок (пил, морська сіль, спори рослин і пр.).
Нагріта земна поверхня випромінює невидимі оком теплові (довгохвильові) промені. По відношенню до них земна атмосфера поводиться інакше. Для них вона майже зовсім не прозора. Майже всі випромінюється Землею тепло вловлюється атмосферою і йде на її нагрівання. Отже, хоча повітря дійсно нагрівається Сонцем, відбувається це не прямо, а за посередництвом земної поверхні. Тому при підйомі і видаленні від Землі - від нагріваючої повітря «грубки» - стає холодніше. Втім, це явище спостерігається в основному в тропосфері. Як ми побачимо далі, стратосфера нагрівається трохи інакше.
Температура міжпланетного простору, в якому Земля обертається навколо Сонця, близька до -273 градусів за Цельсієм. Це найнижча з можливих температур, так званий абсолютний нуль. Температура повітря поблизу поверхні Землі в середньому для всієї земної кулі близька до +16 градусів, тобто на 289 градусів вище. Цим ми зобов'язані земній атмосфері. Скло парникових рам також легко пропускає видимі прямі сонячні промені, але затримує теплові промені від нагрітої грунту парників. В результаті під склом в парнику і оранжереї стає значно тепліше, ніж в навколишньому повітрі. Через це подібності утеплювати Землю властивість атмосфери називають «оранжерейним ефектом».
Дослідження показали, що затримує і поглинає теплове випромінювання не сам повітря, а що знаходяться в ньому водяна пара і вуглекислота. Згадаймо, що в ясну ніч зазвичай буває холодніше, ніж в похмуру, а восени і навесні часто настільки, що настають заморозки. Хмари, затримуючи випромінювання з поверхні Землі, оберігають її від сильного охолодження. Загалом водяної пари і вуглекислоти в атмосфері стільки, що вони можуть поглинути близько 80 відсотків всього тепла, що випромінюється поверхнею Землі.
Нагрівається шляхом поглинання і розсіювання сонячних променів повітря також випромінює тепло в усіх напрямках: до сусідніх ділянок повітряної оболонки, в світовий простір і до поверхні Землі. Це «зустрічну» (по відношенню до випромінювання від поверхні Землі) випромінювання атмосфери кілька послаблює охолодження земної поверхні, яке відбувається безперервно і вдень, і вночі, і влітку, і взимку. Але влітку і вдень Сонце стоїть вище над горизонтом, і приплив променистого тепла від нього до земної поверхні у багато разів перевершує його втрату. Тому поверхня Землі нагрівається. Вночі ж, коли припливу променистої енергії від Сонця зовсім немає, а його втрата шляхом випромінювання безперервно триває, земна поверхня помітно вихолоджується.
Ступінь поглинання земною поверхнею приходить від Сонця тепла, а отже і ступінь її нагрівання, залежать також від характеру самої поверхні (нерівна або гладка), забарвлення (чорнозем, пісок, зелена трава, сніговий покрив), її властивостей (пухка або щільна, суха або волога). Від цього ж залежить і ступінь випромінювання тепла земною поверхнею в повітря. Якщо ми приймемо всі кількість тепла, що приходить від Сонця, за 100 відсотків і підрахуємо, скільки безпосередньо йде на нагрівання поверхні Землі, то побачимо, що нею поглинається тільки 58 відсотків, решта 42 відсотки відображаються земною поверхнею, атмосферою і хмарами і майже безслідно губляться для землі.
Падіння на поверхню Землі з сонячним промінням тепло не залишається тільки на поверхні і не повністю витрачається на нагрівання повітря. Воно проникає також в глиб грунту або в глиб води океанів і морів. У міру підняття Сонця після сходу над горизонтом все сильніше нагрівається верхній шар грунту. Він виявляється багато тепліше лежать під ним шарів. Тепло лише поступово передається в глибину. Тому нагрівання нижніх шарів запізнюється в порівнянні з верхніми. Тільки через 18 годин тепло проникає вглиб на кілька десятків сантиметрів. Після заходу Сонця охолодження грунту йде тим же порядком - зверху вниз. Однак за коротку літню ніч велика кількість проник за день в глибину грунту тепла не встигає випромінюючи в повітря. День від дня його запаси збільшуються і грунт сильно прогрівається. Взимку витрата тепла перевищує прихід, і грунт промерзає. Найбільш високі температури, на глибині 1 метр, наступають на 20 днів пізніше, ніж на поверхні грунту, а на глибині 7,5 метра - на 148 днів пізніше. При цьому, звичайно, відбувається не тільки запізнювання, а й ослаблення приходить тепла. З глибиною температура стає більш постійною, різниця між найвищою і найнижчою температурою зменшується. Спостереження в різних місцях земної кулі показали, що нижче 20 метрів температура в земній корі вже не змінюється і обумовлюється лише внутрішнім теплом земної кулі.
Вода океанів і морів нагрівається інакше, ніж твердий грунт. Нагріваються Сонцем верхні шари моря стають легше і не опускаються в глибину. Так як вода дуже погано пропускає довгохвильове випромінювання (ми знаємо, що в атмосфері воно поглинається саме водяною парою), то і передача тепла вниз, від верхніх до більш глибоких шарів, і, отже, їх нагрівання, відбуваються дуже повільно. І все ж вода прогрівається значно швидше, ніж грунт, і на велику глибину. Щоб зрозуміти це, згадаємо, що вода дуже рухлива. Навіть легкий вітер утворює на її поверхні хвилі, перемішують досить товсті шари. При цьому тепло проникає вниз, і це. відбувається в тисячі разів швидше безпосередньої передачі тепла шляхом дотику нагрітих шарів з більш холодними.
Ми переконалися, що хоча Сонце і посилає на будь-яку ділянку земної поверхні однакову кількість тепла, в атмосферу в різних районах потрапляє різний його кількість. Море і суша, навіть різні їх ділянки, по-різному сприймають сонячне тепло, по-різному нагріваються, по-різному ж нагрівають окремі частини повітря. Це має вирішальне значення для всіх явищ, що відбуваються в атмосфері.
Але для проникнення теплових впливів від поверхні Землі в товщину земної атмосфери потрібен певний час. Часу було б достатньо, якби повітря довго залишався нерухомим над одними і тими ж ділянками Землі. При русі повітря повинен перемішуватися, отже властивості, придбані ним над різнорідними ділянками, не можуть в ньому зберігатися тривалий час.
Повітря дійсно невпинно перебуває в русі. Але перемішується він зовсім не так легко. Найлегше перемішування відбувається знизу вгору. Однак це буває лише тоді, коли повітря сильно нагрівається знизу. Тепле повітря легше холодного, тому нагріті нижні його верстви прагнуть піднятися, «спливти» вгору. Більш холодні шари повітря опускаються, нагріваються і самі спрямовуються вгору. Всі такі руху вгору і вниз і перемішують повітря.
Щось схоже відбувається в каструлі з водою, поставленої на плиту. Вода нагрівається знизу, від вогню. Нагріті її нижні шари піднімаються вгору і заміщаються верхніми холодними. Вся вода при цьому перемішується, і поступово все її частини виявляються нагрітими майже однаково.
Але можна вказати інші приклади, коли перемішування і в напрямку знизу вгору відбувається дуже слабо і повільно. Поставимо на лід високий глечик з водою або опустимо в нього шматок льоду. Якщо ми будемо обережні і постараємося не бовтати воду, то через деякий час навіть на дотик переконаємося, що охолов тільки самий низ глечика. У верхній його частині вода майже зовсім не охолола.
З подібним явищем ми зустрічаємося і в природі. У тиху ясну літню ніч спустимося з вершини пагорба в вузьку долину. Ми відчуємо, що внизу прохолодніше, ніж на пагорбі. Якщо ж ми захочемо перевірити свої відчуття і виміряємо температуру повітря на пагорбі і в долині, то переконаємося, що нагорі справді значно тепліше. Холодне повітря важче теплого, тому більш холодні приземні шари не піднімаються вгору і повітря майже не перемішується.
Якщо перемішування в напрямку знизу вгору буває так складно, то в бічних напрямках воно відбувається значно слабшими. Практично в ряді випадків його абсолютно немає. Таким чином і уможливлюється виникнення і існування протягом деякого часу відокремлених, що володіють несхожими властивостями частин земної атмосфери.
Припустимо, що протягом декількох діб повітря знаходився над сильно нагрівається вдень сушею. При цьому він сильно прогрівався знизу, а значить і перемішувався. З сухого ґрунту в повітря потрапило багато пилу, він замутив, далекі предмети стали погано видимими. Зрештою ця частина земної атмосфери придбає певні властивості, що залежать від властивостей тієї частини поверхні Землі, над якою вона тимчасово сповільнила свій рух.
Повітря, що знаходився над морем, навпаки, виявиться менш прогрітим, чистішим (без пилу) і вологим.
Такі великі частини земної атмосфери, які відрізняються один від одного своїми властивостями, називаються повітряними масами.
Що ж станеться, коли така повітряна маса почне рухатися швидше? Через це різнорідні впливу тих нових ділянок земної поверхні, над якими повітряна маса швидко текти, не встигнуть істотно змінити її у великій товщі. Тому вона буде повільно змінювати свою температуру, вологість, видимість і принесе їх в місця, розташовані досить далеко від району, звідки вона почала своє швидке рух.
Це пов'язано з дуже важливими наслідками. Припустимо, що влітку над нами проходить повітряна маса, яка перед цим довго перебувала над сушею. Вона сильно прогріта і запилені, тому несе з собою суху і жарку погоду, погану видимість далеких предметів. Коли ця повітряна маса піде і на її місце прийде нова, з моря, то погода зміниться на прохолодну, з'являться купчасті або купчасто-дощові хмари, видимість значно покращиться.
Коли одна повітряна маса змінюється іншою, завжди відбувається зміна погоди.