Саморазвитие 

Распределение солнечного света и тепла. Распределение тепла на земле К внутренним оболочкам Земли относятся

Видеоурок 2: Атмосфера строение, значение, изучение

Лекция: Атмосфера. Состав, строение, циркуляция. Распределение тепла и влаги на Земле. Погода и климат


Атмосфера


Атмосферу можно назвать всепроникающей оболочкой. Её газообразное состояние позволяет заполнить микроскопические отверстия в почве, вода растворена в воде, животные, растения и человек не могут существовать без воздуха.

Условная мощность оболочки 1500 км. Верхние её границы растворяются в космосе и четко не обозначены. Давление атмосферы на уровне моря при 0 ° С равно 760 мм. рт. ст. Газовая оболочка на 78% состоит их азота, 21% - кислород, 1% других газов (озон, гелий, водяной пар, углекислый газ). Плотность воздушной оболочки изменяется с поднятием в высоту: чем выше, тем воздух разреженнее. Вот почему у альпинистов может быть кислородное голодание. У самой поверхности земли наибольшая плотность.

Состав, строение, циркуляция

В оболочке выделяют слои:


Тропосфера , толщиной 8-20 км. Причем у полюсов толщина тропосферы меньше, чем на экваторе. В этом небольшом слое сконцентрировано около 80% всей массы воздуха. Тропосфера имеет свойство нагреваться от поверхности земли, поэтому у самой земли её температура выше. С поднятием вверх на 1 км. температура воздушной оболочки уменьшается на 6°С. В тропосфере происходит активное передвижение воздушных масс в вертикальном и горизонтальном направлении. Именно эта оболочка является «фабрикой» погоды. В ней формируются циклоны и антициклоны, дуют западные и восточные ветры. В ней сосредоточены все водяные пары, которые конденсируются и проливаются дожем или снегом. Этот слой атмосферы содержит примеси: дым, пепел, пыль, копоть, все, чем мы дышим. Пограничный со стратосферой слой называется тропопауза. Здесь снижение температуры заканчивается.


Примерные границы стратосферы 11-55 км. До 25 км. Происходят незначительные изменения температуры, а выше она начинается подниматься от -56°С до 0°С на высоте 40 км. Ещё километров 15 температура не меняется, этот слой назвали стратопаузой. Стратосфера в своем составе содержит озон (О3), защитный барьер для Земли. Благодаря наличию озонового слоя на поверхность земли не проникают губительные лучи ультрафиолета. Последнее время антропогенная деятельность привела к разрушению этого слоя и образованию «озоновых дыр». Ученые утверждают, что причиной возникновения «дыр», является повышенная концентрация свободных радикалов и фреона. Под влиянием солнечных излучений происходит разрушение молекул газов, этот процесс сопровождается свечением (северное сияние).


От 50-55 км. начинается следующий слой – мезосфера , которая поднимается до80-90 км. В этом слое температура понижается, на высоте 80 км равна -90°С. В тропосфере температура опять поднимается до нескольких сот градусов. Термосфера простирается вверх до 800 км. Верхние границы экзосферы не определяются, так как газ рассеивается и частично уходит в космическое пространство.


Тепло и влага


Распределение солнечного тепла на планете зависит от широты места. Экватор и тропики получают большее количество солнечной энергии, так как угол падения солнечных лучей около 90°. Чем ближе к полюсам, угол падения лучей уменьшается, соответственно количество тепла тоже уменьшается. Солнечные лучи, проходя через воздушную оболочку, не нагревают её. Лишь попадая на землю, солнечное тепло поглощается поверхностью земли, а потом от подстилающей поверхности нагревается воздух. Тоже происходит и в океане, за исключением того, что вода нагревается медленнее, чем земля, и медленнее остывает. Поэтому близость морей и океанов оказывает влияние на формирование климата. Летом морской воздух приносит нам прохладу и осадки, зимой потепление, так как поверхность океана еще не растратила свое тепло, накопленное за лето, а земная поверхность быстро остыла. Морские воздушные массы формируются над поверхностью воды, следовательно, они насыщены водяными парами. Двигаясь над сушей, воздушные массы теряют влагу, принося осадки. Континентальные воздушные массы, формируются над поверхностью земли, как правило, они сухие. Наличие континентальных воздушных масс летом приносит жаркую погоду, зимой – ясную морозную.


Погода и климат

Погода – состояние тропосферы в данном месте за определенный промежуток времени.

Климат – многолетний режим погоды, характерный для данной местности.

Погода может меняться в течение суток. Климат – характеристика более постоянная. Каждой физико-географической области характерен определенный тип климата. Климат формируется в результате взаимодействия и взаимовлияния нескольких факторов: широта места, господствующие воздушные массы, рельеф подстилающей поверхности, наличие подводных течений, наличие или отсутствие водных объектов.


На земной поверхности существуют пояса низкого и высокого атмосферного давления. Экваториальный и умеренный пояса низкого давления, на полюсах и в тропиках давление высокое. Воздушные массы перемещаются из области высокого давления в область низкого. Но так как наша Земля вращается, эти направления отклоняются, в северном полушарии вправо, в южном – влево. Из тропического пояса на экватор дуют пассаты, из тропического пояса в умеренный дуют западные ветры, из полюсов в умеренный пояс дуют полярные восточные ветры. Но в каждом поясе участки суши чередуются с акваториями. В зависимости от того, над суше или над океаном сформировалась воздушная масса, она может принести проливные дожди или ясную солнечную поверхность. На количество влаги в воздушных массах влияет рельеф подстилающей поверхности. Над равнинными территориями насыщенные влагой воздушные массы проходят без препятствий. Но если на пути встречаются горы, тяжелый влажный воздух не может переместиться через горы, и вынужден терять часть, а то и всю влагу на склоне гор. Восточное побережье Африки имеет гористую поверхность (Драконовы горы). Воздушные массы, формирующиеся над Индийским океаном, насыщены влагой, но всю воду теряют на побережье, вглубь материка приходит жаркий сухой ветер. Вот почему большая часть южной Африки занята пустынями.

За какое время Земля совершает один оборот вокруг Солнца? Почему сменяются времена года?

1. Зависимость количества света и тепла, поступающих на Землю, от высоты Солнца над горизонтом и длительности времени падения. Вспомните из раздела «Земля - планета Солнечной системы», как вращается Земля вокруг Солнца в течение года. Вы знаете, что в связи с наклонностью земной оси по отношению к плоскости орбиты угол падения солнечных лучей на поверхность Земли в течение года изменяется.

Результаты наблюдений, проведенных с помощью гномона на школьном дворе, показывают, что чем Солнце выше над горизонтом, тем больше угол падения солнечных лучей и продолжительность времени их падения. В связи с этим изменяется и количество солнечного тепла. Если солнечные лучи падают наклонно, то поверхность Земли нагревается меньше. Это ясно видно из-за малого количества солнечного тепла утром и вечером. Если же солнечные лучи падают отвесно, то Земля нагревается больше. Это можно заметить по количеству тепла в полдень.

Теперь познакомимся с различными явлениями, связанными с вращением Земли вокруг Солнца.

2. Летнее солнцестояние. На Северном полушарии самый длинный день - 22 июня (рис. 65.1). После этого день прекращает удлиняться и постепенно укорачивается. Поэтому 22 июня называют летним солнцестоянием. В этот день место падения солнечных лучей прямо над головой соответствует параллели 23,5° северной широты. В северной полярной области от широты 66,5° к полюсу в течение суток Солнце не заходит, устанавливается полярный день. В южном полушарии, наоборот, от широты 66,5° к полюсу Солнце не всходит, устанавливается полярная ночь. Длительность полярного дня и полярной ночи составляет от одних суток на полярном круге до половины года к полюсам.

Рис. 65. Месторасположение земного шара в дни летнего и зимнего солнцестояния.

3. Осеннее равноденствие. При дальнейшем вращении Земли по орбите, северное полушарие постепенно отворачивается от Солнца, день укорачивается, в течение суток зона солнцестояния уменьшается. В южном полушарии, наоборот, день удлиняется.

Сокращается область, где не заходит Солнце. 23 сентября полуденное Солнце на экваторе находится прямо над головой, в северном и южном полушариях солнечное тепло и свет распределяется одинаково, на всей планете день и ночь уравниваются. Это называется осенним равноденствием. Теперь на Северном полюсе заканчивается полярный день, начинается полярная ночь. Далее до середины зимы область полярной ночи в северном полушарии постепенно расширяется до 66,5° северной широты.

4. Зимнее солнцестояние. 23 сентября на Южном полюсе заканчивается полярная ночь, начинается полярный день. Это будет длиться до 22 декабря. В этот день прекращается удлинение дня для южного полушария и укорачивание дня для северного полушария. Это - зимнее солнцестояние (рис. 65.2).

22 декабря Земля приходит в состояние, противоположное 22 июня. Луч Солнца вдоль параллели 23,5° ю.ш. падает отвесно, к югу от 66,5° ю.ш. приполярной области, наоборот, Солнце не заходит.

Параллель 66,5° северной и южной широт, ограничивающая со стороны полюса распространение полярного дня и полярной ночи, называют полярным кругом.

5. Весеннее равноденствие. Далее в северном полушарии день удлиняется, в южном - укорачивается. 21 марта на всей планете день и ночь опять уравниваются. В полдень на экваторе лучи Солнца падают отвесно. На Северном полюсе начинается полярный день, на Южном полюсе - полярная ночь.

6. Тепловые пояса. Мы заметили, что область, в которой полуденное Солнце находится в зените в северном и южном полушариях, доходит до широты 23,5°. Параллели этой широты называют Северный тропик и Южный тропик.
Полярный день и полярная ночь начинаются с Северного и Южного полярных кругов. Они проходят по 66°33"с.ш. и 66()33"ю.ш. Эти линии разделяют пояса, отличающиеся по освещению солнечными лучами и количеству поступающего тепла (рис. 66).

Рис. 66. Тепловые пояса земного шара

На земном шаре выделяются пять тепловых поясов: один жаркий, два умеренных и два холодных.
Пространство земной поверхности между Северным и Южным тропиками относят к жаркому поясу. На этот пояс в течение года больше всего падает солнечный свет, поэтому и тепла много. Весь год дни жаркие, никогда не холодает и не выпадает снег.
От Северного тропика до северного полярного круга расположен северный умеренный пояс, от Южного тропика к Южному полярному кругу - южный умеренный пояс.
Умеренные пояса по продолжительности дня и распределению тепла находятся между жарким и холодным поясами в промежуточном положении. В них четко выражены четыре времени года. Летом день длинный, солнечные лучи падают прямо, поэтому лето жаркое. Зимой Солнце над горизонтом стоит не очень высоко, и солнечные лучи падают косо, кроме того, продолжительность дня небольшая, поэтому бывает холодно и морозно.
В каждом полушарии от полярного круга к полюсам располагаются северные и южные холодные пояса. Зимой несколько месяцев (на полюсах до 6 месяцев) не бывает солнечного света. Даже летом Солнце располагается низко над горизонтом и с малой продолжительностью дня, так что поверхность Земли не успевает нагреться. Поэтому зима сильно холодная, даже летом снег и лед на поверхности Земли не успевают растаять.

1. Используя теллурий (астрономический прибор для демонстрации движения Земли и планет вокруг Солнца и суточного вращения Земли вокруг своей оси) или глобус с лампой, понаблюдайте, как распределяются солнечные лучи во время зимнего и летнего солнцестояния, весеннего и осеннего равноденствия?

2. Определите по глобусу, в каком тепловом поясе расположен Казахстан?

3. В тетради нарисуйте схему тепловых поясов. Отметьте полюса, полярные круги, Северный и Южный тропики, экватор и надпишите их широты.

4*. Если бы ось Земли по отношению к плоскости орбиты составляла угол 60°, то по каким широтам проходили бы границы полярных кругов и тропиков?

Температура поверхности Земли отражает прогрев воздуха в какой-либо конкретной области нашей планеты.

Как правило, для ее измерения используют специальные приборы - термометры, расположенные в небольших будках. Температура воздуха измеряется минимум на высоте 2 метров от земли.

Средняя температура поверхности Земли

Под средней температурой поверхности Земли подразумевают количество градусов не в каком-либо конкретном месте, а усредненную цифру со всех точек нашего Земного шара. Например, если в Москве температура воздуха составляет 30 градусов, а в Санкт-Петербурге 20, то средняя температура в области этих двух городов будет составлять 25 градусов.

(Снимок со спутника температуры поверхности Земли в месяце январе со шкалой значений по Кельвину )

При расчете средней температуры Земли берут показания не с конкретного региона, а со всех областей Земного шара. На данный момент средняя температура Земли составляет +12 градусов по Цельсию.

Минимум и максимум

Самая низкая температура была зафиксирована в 2010 году в Антарктиде. Рекорд составил -93 градуса по Цельсию. Самой жаркой точкой на планете является пустыня Деште-Лут, расположившаяся в Иране, где рекордная температура составила + 70 градусов.

(Средняя температура за июль )

Антарктида исконно считается самым холодным местом на Земле. За право именоваться самым теплым материком постоянно соревнуются Африка и Северная Америка. Однако все остальные материки расположились тоже не так далеко, отставая от лидеров всего на несколько градусов.

Распределение тепла и света на Земле

Основную часть тепла наша планета получает благодаря звезде по имени Солнце. Несмотря на довольно внушительное расстояние, разделяющее нас, доходящего количества излучения более чем достаточно для жителей Земли.

(Средняя температура за январь распределенная по поверхности Земли )

Как известно, Земля постоянно вращается вокруг Солнца, которое освещает лишь одну часть нашей планеты. Отсюда и происходит неравномерное распределение тепла по планете. Земля имеет эллипсоидную форму, вследствие чего лучи Солнца падают на разные участки Земли под разными углами. От этого и происходит дисбаланс по распределению тепла на планете.

Еще одним немаловажным фактором, влияющим на распределение тепла, является наклон земной оси, по которой планета и делает полный оборот вокруг Солнца. Этот наклон равен 66, 5 градусам, поэтому наша планета постоянно обращена северной частью в сторону Полярной звезды.

Именно благодаря этому наклону мы имеем сезонные и временные изменения, а именно количество света и тепла днем или ночью то растет, то убывает, а лето сменяется осенью.

Если бы тепловой режим географической оболочки определялся только распределением солнечной радиации без переноса ее атмосферой и гидросферой, то на экваторе температура воздуха была бы 39 0 С, а на полюсе -44 0 С. Уже на широте 50 0 с.ш. и ю.ш. начиналась бы зона вечного мороза. Однако действительная температура на экваторе составляет около 26 0 С, а на северном полюсе -20 0 С.

До широт 30 0 солярные температуры выше фактических, т.е. в этой части земного шара образуется избыток солнечно тепла. В средних, а тем более в полярных широтах фактические температуры выше солярных, т.е. эти пояса Земли получают дополнительное к солнечному тепло. Оно поступает из низких широт с океаническими (водными) и тропосферными воздушными массами в процессе их планетарной циркуляции.

Таким образом, распределение солнечного тепла, как и его усвоение, происходит не в одной системе - атмосфере, а в системе более высокого структурного уровня - атмосфере и гидросфере.

Анализ распределения тепла в гидросфере и атмосфере позволяет сделать следующие обобщающие выводы:

  • 1. Южное полушарие холоднее северного, так как туда меньше поступает адвективного тепла из жаркого пояса.
  • 2. Солнечное тепло расходуется главным образом над океанами на испарение воды. Вместе с паром оно перераспределяется как между зонами, так и внутри каждой зоны, между материками и океанами.
  • 3. Из тропических широт тепло с пассатной циркуляцией и тропическими течениями поступает в экваториальные. Тропики теряют до 60 ккал/см 2 в год, а на экваторе приход тепла от конденсации составляет 100 и более кал/см 2 в год.
  • 4. Северный умеренный пояс от теплых океанских течений, идущих из экваториальных широт (Гольфстрим, Куровиво), получает на океанах до 20 и более ккал/см 2 в год.
  • 5. Западным переносом с океанов тепло переносится на материки, где умеренный климат формируется не до широты 50 0 , а намного севернее полярного круга.
  • 6. В южном полушарии тропическое тепло получают только Аргентина и Чили; в Южном океане циркулируют холодные воды Антарктического течения.

В январе огромная область положительных температурных аномалий находится в Северной Атлантике. Она простирается от тропика до 85 0 с.ш. и от Гренландии до линии Ямал-Черное море. Максимального превышения фактические температуры над среднеширотной достигают в Норвежском море (до 26 0 С). Британские острова и Норвегия теплее на 16 0 С, Франция и Балтийское море - на 12 0 С.

В Восточной Сибири в январе образуется столь же большая и ярко выраженная область отрицательных температурных аномалий с центром в Северо-Восточной Сибири. Здесь аномалия достигает -24 0 С.

В северной части Тихого океана также находится область положительных аномалий (до 13 0 С), а в Канаде - отрицательных (до -15 0 С).

Распределение тепла на земной поверхности на географических картах при помощи изотерм. Существуют карты изотерм года и каждого месяца. Эти карты достаточно объективно иллюстрируют тепловой режим той или иной местности.

Тепло на земной поверхности распределено зонально-регионально:

  • 1. Средняя многолетняя самая высокая температура (27 0 С) наблюдается не на экваторе, а на 10 0 с.ш. Эта наиболее теплая параллель называется термическим экватором.
  • 2. В июле термический экватор смещается на северный тропик. Средняя температура на этой параллели равна 28,2 0 С, а в самых жарких районах (Сахара, Калифорния, Тар) она достигает 36 0 С.
  • 3. В январе термический экватор сдвигается в южное полушарие, но не так значительно, как в июле в северное. Самой теплой параллелью (26,7 0 С) в среднем оказывается 5 0 ю.ш., но самые жаркие районы находятся еще южнее, т.е. на материках Африки и Австралии (30 0 С и 32 0 С).
  • 4. Температурный градиент направлен к полюсам, т.е. температура к полюсам понижается, причем в южном полушарии значительнее, чем в Северном. Разница между экватором и Северным полюсом составляет 27 0 С зимой 67 0 С, а между экватором и Южным полюсом летом 40 0 С, зимой 74 0 С.
  • 5. Падение температуры от экватора к полюсам неравномерное. В тропических широтах оно происходит очень медленно: на 1 0 широты летом 0,06-0,09 0 С, зимой 0,2-0,3 0 С. Вся тропическая зона в температурном отношении оказывается весьма однородной.
  • 6. В северном умеренном поясе ход январских изотерм очень сложен. Анализ изотерм выявляет следующие закономерности:
    • - в Атлантическом и Тихом океанах значительна адвекция тепла, связанная с циркуляцией атмосферы и гидросферы;
    • - примыкающая к океанам суша - Западная Европа и Северо-Западная Америка - имеют высокую температуру (на побережье Норвегии 0 0 С);
    • - огромный массив суши Азии сильно выхоложен, на нем замкнутые изотермы очерчивают очень холодную область в Восточной Сибири, до - 48 0 С.
    • - изотермы в Евразии идут не с Запада на Восток, а с северо-запада на юго-восток, показывая, что температуры падают в направлении от океана вглубь материка; через Новосибирск проходит та же изотерма, что и по Новой Земле (-18 0 С). На Аральском море также холодно, как и на Шпицбергене (-14 0 С). Подобная картина, но несколько в ослабленном виде, наблюдается и в Северной Америке;
  • 7. Июльские изотермы идут достаточно прямолинейно, т.к. температура на суше определяется солнечной инсоляцией, а перенос тепла по океану (Гольфстрим) летом на температуру суши заметно не влияет, ибо она нагрета Солнцем. В тропических широтах заметно влияние холодных океанских течений, идущих вдоль западных берегов материков (Калифорнийское, Перуанское, Канарское и др.), которые охлаждают прилегающую к ним сушу и вызывают отклонение изотерм в сторону экватора.
  • 8. В распределении тепла по земному шару отчетливо выражены следующие две закономерности: 1) зональность, обязанная фигуре Земли; 2) секторность, обусловленная особенностями усвоения солнечного тепла океанами и материками.
  • 9. Средняя температура воздуха на уровне 2 м для всей Земли составляет около 14 0 С, январская 12 0 С, июльская 16 0 С. Южное полушарие в годовом выводе холоднее северного. Средняя температура воздуха в северном полушарии составляет 15,2 0 С, в южном - 13,3 0 С. Средняя температура воздуха для всей Земли совпадает приблизительно с температурой, наблюдающейся около 40 0 с.ш. (14 0 С).

Если бы тепловой режим географической оболочки определялся только распределением солнечной радиации без переноса ее атмо- и гидросферой, то на экваторе температура воздуха была бы 39° С, а на полюсе -44° С. Уже на широте 50° начиналась бы зона вечного мороза. Действительная температура на экваторе 26°, а на северном полюсе -20° С.

Как видно из данных таблицы, до широт 30° солярные температуры выше фактических, т. е. в этой части земного шара образуется избыток солнечного тепла. В средних, а тем более в полярных широтах фактические температуры выше солярных, т. е. эти пояса Земли получают дополнительное к солнечному тепло. Оно поступает из низких широт с океанскими (водными) и тропосферными воздушными массами в процессе их планетарной циркуляции.

Сравнив разности между солярными и фактическими температурами воздуха с картами радиационного баланса Земля - атмосфера, убедимся в их сходстве. Это еще раз подтверждает роль перераспределения тепла в формировании климатов. Карта объясняет, почему южное полушарие холоднее северного: туда меньше поступает адвективного тепла из жаркого пояса.

Распределение солнечного тепла, как и его усвоение, происходит не в одной системе - атмосфере, а в системе более высокого структурного уровня - атмо- и гидросфере.

  1. Расходуется солнечное тепло главным образом над океанами на испарение воды: на экваторе 3350, под тропиками 5010, в умеренных поясах 1774 МДж/м 2 (80, 120 и 40 ккал/см 2) в год. Вместе с паром оно перераспределяется как между зонами, так и внутри каждой зоны между океанами и материками.
  2. Из тропических широт тепло с пассатной циркуляцией и тропическими течениями поступает в экваториальные. Тропики теряют 2510 МДж/м 2 (60 ккал/см 2) в год, а на экваторе приход тепла от конденсации равен 4190 МДж/м 2 (100 и более ккал/см 2) в год. Следовательно, хотя в экваториальном поясе суммарной радиации меньше тропической, тепла он получает больше: вся энергия, затраченная на испарение воды в тропических поясах, идет к экватору и, как увидим ниже, вызывает здесь мощные восходящие токи воздуха.
  3. Северный умеренный пояс от теплых океанских течений, идущих из экваториальных широт,- Гольфстрима и Куросио получает на океанах до 837 МДж/м 2 (20 и более ккал/см 2) в год.
  4. Западным переносом с океанов это тепло переносится на материки, где умеренный климат формируется не до широты 50°, а много севернее полярного круга.
  5. Североатлантическое течение и атмосферная циркуляция значительно утепляют Арктику.
  6. В южном полушарии тропическое тепло получают только Аргентина и Чили; в Южном океане циркулируют холодные воды Антарктического течения.