СмартПульс
- держите руку на пульсе высоких технологий!
Новости, статьи, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций
СмартПульс
- держите руку на пульсе высоких технологий!
Новости, статьи, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций
Главная - Проект Гео (Интересные места, путешествия, походы, экскурсии, климат, погода) - Вертикальный парадокс: открытие новой причины падения температуры с высотой
В статье приведено собственное исследование о неучтённом, но, возможно, главном факторе, почему с высотой воздух становится холоднее.
Причины, почему с повышением высоты атмосфера становится холоднее, известны нам из школьных курсов физики и географии.
Основные причины - таковы:
1. Сама атмосфера - почти прозрачна, и от солнечных лучей не нагревается; нагревается только поверхность Земли, а затем уже нагретая поверхность передаёт тепло нижним слоям атмосферы и далее на высоту через теплопроводность и конвекцию (восходящие потоки тёплого воздуха);
2. Уменьшение с высотой содержания водяного пара, хорошо удерживающего тепло (особенно - при конденсации в облака). Кстати, этот пункт уже имеет некоторое отношение к данному исследованию.
Снижение температуры с высотой и потеря тепла инфракрасным излучением с
поверхности (схема). Кликнуть для увеличения, откроется в новом окне
Эта теория смущала тем, что по ней получалось, что приземный слой воздуха всегда должен быть тёплым, какова бы ни была высота земной поверхности над уровнем моря (например, на плоскогорьях).
Более того, на плоскогорьях должно быть даже чуть теплее, поскольку солнечное излучение меньше поглощается в толще атмосферы и лучше нагревает поверхность.
Понятно, что это не касается вершин гор: они имеют небольшую площадь, и при этом хорошо обдуваются ветрами остывшего на большой высоте воздуха, в результате чего остаются холодными, несмотря на хороший приток солнечной энергии.
Но в реальности тёплого воздуха в приземном слое на плоскогорьях не наблюдается: на плоскогорьях почти так же холодно, как и просто на отрытом воздухе на этой же высоте.
На огромных реально существующих плоскогорьях (например, в Тибете и в Андах) очень холодно. Куда же уходит тепло, поступающее на эти поверхности от Солнца?!
Оглавление
2.
Примерный расчёт влияния парникового эффекта на вертикальное распределение
температур в атмосфере
4. Если бы не
было парникового эффекта...
5. Влияние
парниковых газов на локальный климат
Чтобы ответить на вопрос, куда девается тепло с поверхности Земли, вспомним азбучную истину: тепловой баланс Земли определяется только приходом тепла из космоса и его излучением в космос. Другого внешнего теплообмена у Земли как планеты нет!
При этом под приходом тепла на Землю понимается его получение от Солнца - остальными источниками можно пренебречь. А вот излучение тепла идёт во все стороны.
Итак, почему же у поверхностей, поднятых над уровнем моря, температура воздуха понижается с ростом высоты?!
Ответ - простой, хотя и неожиданный: тепло усиленно излучается в космос, потому что объём парниковых газов, находящийся над этими поверхностями, меньше, чем над поверхностями, находящимися ниже (например, на уровне моря).
Работа парникового эффекта описывается следующей схемой (все цифры - усреднённые по всей поверхности Земли и по всему году):
Замечание к этой схеме: хотя парниковые газы на схеме изображены в виде некоего слоя, реально они распределены по всей толще атмосферы. Это будет важно для дальнейшего рассмотрения темы.
Если описать парниковый эффект упрощённо, то он работает примерно так: основная энергия солнечного света сосредоточена в видимом свете и легко проходит через атмосферу; а основное излучение от поверхности Земли идёт в инфракрасном диапазоне и задерживается парниковыми газами.
Парниковые газы приблизительно равномерно распределены в атмосфере (за исключением, возможно, водяного пара - об этом позже), и, чем больше высота точки наблюдения над уровнем моря, тем меньше над ней парниковых газов.
В результате поглощения инфракрасного излучения парниковыми газами они нагреваются и, с точки зрения наземного наблюдателя, небо над наблюдателем имеет не температуру космического холода (-270 градусов), а значительно теплее (хотя и всё равно ниже нуля).
Это подтверждается реальными наблюдениями неба с помощью тепловизора.
На следующем изображении - вид на небо через тепловизор с небольшим захватом линии горизонта (в углу расположена миниатюра этого же ракурса с камеры в обычном свете):
Снимок сделан тепловизором UNI-T UTi260M (обзор). Кстати, метеорологи до сих пор пользуются "общегражданскими" тепловизорами; метеорологических тепловизоров не существует. Может, пора освоить их выпуск с привязкой к специфике наблюдений; подобно медицинским тепловизорам?!
Дата и время съёмки - около полудня 12 июня 2026 г., место съёмки - московский парк Лосиный Остров; на открытой местности рядом с лесным массивом. Температура воздуха в этот момент составляла +27 градусов, но макушки деревьев прогрелись на солнце до 30.7 градусов.
Минимальная "температура неба" составила минус 6.6 градусов. Хотя "температура неба" - это весьма условный термин. Тепловизор "видит" тепловой поток со всех высот атмосферы, и данная величина представляет собой усреднённое значение виртуальной "крыши неба".
Если исходить из предположения, что в средних широтах температура снижается на 5.5 градусов на километр, получаем, что эквивалентная высота этой "крыши неба" составляет 6.1 км.
Между прочим, высота, на которой атмосферное давление составляет 0.5 от приземного, равна 5.7 км. То есть, тепловизор "увидел" эту эквивалентную "крышу неба" как раз примерно на середине атмосферы (когда массы воздуха снизу и сверху этого уровня примерно равны), что довольно логично.
Ещё интересная деталь на снимке - облака вдалеке,
которые на снимке выглядят "тёплыми". На самом деле облака не нагрелись, а
отражают тепловое излучение от Земли и Солнца, что и наблюдает тепловизор.
Благодаря этому эффекту облака на снимках тепловизора всегда выглядят "тёплыми".
Можно попытаться оценить вклад этого фактора в цифрах.
Величина нагрева приземного слоя воздуха из-за парникового эффекта - очень высока. По разным источникам, она оценивается от 30 (ссылка) до 38 градусов (ссылка). Далее возьмём за основу среднее значение - 34 градуса.
В приземном слое атмосферы толщиной 1 км содержится примерно 1/10 часть её массы (расчёт приводить не буду, чтобы не занудствовать). Соответственно, можно принять, что и доля парниковых газов такая же.
При подъёме на высоту 1 км объём парниковых газов над географической точкой снижается на 10%, и, соответственно, по этой причине из-за уменьшения парникового эффекта температура снижается на 3.4 градуса.
Такое снижение, по существу, является основным вкладом в общее снижение температуры с высотой, которое составляет от 6 градусов на километр для тропических широт и до 4 градусов на километр для полярных широт (если исключить случаи температурной инверсии).
А что было бы, если бы парниковых газов в атмосфере не было бы?!
Понижение температуры с высотой всё равно существовало бы; при этом оно было бы более медленным, но начиналось бы с более низкой температуры. Благодаря этим эффектам на высотах, близким к условной границе атмосферы, температура осталась бы примерно такой же, как есть сейчас.
Ограничения
Все приведённые выше соображения и расчёты относятся только к тропосфере. В более высоких слоях атмосферы есть участки со значительным повышением температуры, но из-за крайней разреженности атмосферы на этих высотах они существенного влияния на приповерхностную температуру Земли не оказывают.
С учетом больших высот график зависимости температуры от высоты имеет такой вид:
Далее сравним качественно (без цифр) картину
распределения температуры по высоте "по-старому" (без учёта парникового эффекта)
и с учётом парникового эффекта.
Сначала посмотрим, как должно выглядеть распределение температур в атмосфере по высоте по "классической" теории - без учёта парникового эффекта. Для наглядности приведён участок поверхности на уровне моря с приподнятым обширным плоским участком (плоскогорье):
По классической теории (без учёта парникового эффекта) на приподнятых поверхностях Земли тепловой баланс такой же, как и на низких поверхностях: баланс как по приходу тепла, так и по его излучению, одинаков.
Если же учесть уменьшение парникового эффекта на высоте, то картина получается другой: баланс по приходу тепла на приподнятой поверхности не меняется, а потери тепла из-за его излучения увеличиваются. В результате температура поверхности снижается - она становится почти такой же, как и на окружающем открытом воздухе:
И именно такое распределение температур
соответствует реальному.
Если бы в атмосфере Земли совсем не было бы парниковых газов, то картина была бы очень печальной.
Средняя температура Земли снизалась бы на 34 градуса и составила бы минус 19 градусов (по разным источникам - от -17 до -20 градусов)! И, что интересно, даже в самых жарких, экваториальных областях, температура круглый год была бы ниже нуля. Климат на экваторе примерно соответствовал бы наиболее "тёплым" антарктическим научным станциям.
Интересно, что существует теория, согласно которой Земля в течение какого-то периода была полностью заморожена ("Земля-снежок", Википедия).
Окончательно данная гипотеза не доказана, но, с
точки зрения влияния парниковых газов на климат, их исчезновение в результате
природных процессов, действительно, вполне могло
привести к такому результату.
В материале выше предполагалось, что парниковые газы вследствие перемешивания атмосферы распределены равномерно. Но, один важнейших парниковых газов, водяной пар, может быть распределён неравномерно!
На Земле имеются места, где влажность воздуха ниже, и где выше среднего по Земле значения. Естественно, что влажность выше в местностях вблизи моря, а ниже - в пустынях.
Там, где влажность ниже, меньше препятствий для достижения солнечным излучением Земли, но одновременно и меньше препятствий для излучения тепла Землёй.
В результате в более сухих местностях получаются более высокие контрасты между дневной и ночной температурами. Конкретно в цифрах разница между дневной и ночной температурами составляет следующие значения (данные приведены для июля месяца по данным сайта pogodaiklimat.ru):
Санкт-Петербург - 8.0 градусов;
Москва - 9.9 градусов;
Якутск - 12.7 градусов;
Самарканд - 15.0 градусов.
Последний пункт (Самарканд), помимо сухого климата летом, отличается и приподнятостью над уровнем моря (высота 725 м), что дополнительно усиливает контраст между дневной и ночной температурами.
Приведённые данные - усреднённые; в ясные
солнечные дни и безоблачные ночи контраст в Якутске и Самарканде может достигать
20 градусов и выше. Например, 3 июля 2026 г. в Якутске дневной максимум составил 29.1
градусов, а ночной минимум 9.1 градусов.
Авторы "классической" теории снижения температуры с высотой (а это многие поколения метеорологов и физиков) были близки к обоснованию влияния парникового эффекта на вертикальное распределение температуры в атмосфере, но не сделали двух решающих обобщений.
Они справедливо указали на влияние водяного пара, но не сделали после этого двух шагов: не указали, что водяной пар - парниковый газ, и что он - не единственный парниковый газ.
Теперь данная теория обрела окончательную стройность и логичность.
За сим всем спасибо за внимание!
Ваш Доктор, радиоинженер и техноблогер
Обратите внимание - нет рекламы!
Дзен-канал проекта Гео -
здесь
Весь проект Гео
Ваш Доктор.
04 июля 2026 г.
Вступайте в группу
SmartPuls.Ru
Контакте!
Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.
Комментарии вКонтакте:
Доктора!
(Администрация сайта - контакты и информация)
Группа
SmartPuls.Ru
Контакте
- анонсы обзоров, актуальные события и мысли о них