Вертикальний розподіл температури повітря

Як вже було зазначено, адіабатичні процеси визначають зміни температури у визначеній масі повітря, що адіабатично піднімається або опускається. Ні в якому разі не варто змішувати ці індивідуальні зміни з вертикальним розподілом температури в атмосфері. Температура в атмосферному стовпі може розподілятися по висоті різним способом. Цей розподіл не підпорядкований ніякій простій закономірності, і крива, що зображує цей розподіл у більш-менш товстому шарі атмосфери, у загальному випадку є складною кривою. Уявлення про розподіл температури з висотою дає вертикальний градієнт температури, тобто, зміна температури в атмосфері на одиницю висоти, звичайно на 100 м.

Вертикальний градієнт температури може змінюватися в досить широких межах. У нижніх 10 км у помірних широтах і в нижніх 15 км у тропіках він у середньому дорівнює 0,6°С/100 м. У нижніх сотнях метрів над нагрітою підстилаючою поверхнею він може перевищувати 1 °С/100 м, а в тонкому приземному шарі над перегрітою землею може бути в багато разів більше. Бувають і такі випадки, коли температура повітря з висотою не падає, а зростає. Такий розподіл температури називають інверсією температури. Інверсії особливо часті по ночах у приземному шарі, але зустрічаються на різних висотах і у вільній атмосфері. Якщо температура в повітряному шарі не змінюється з висотою, тобто вертикальний градіент її дорівнює нулю, то такий стан шару називають изотермією. Вище 10-15 км і до висоти біля 50 км вертикальний розподіл температури навіть у середньому є ізотермічним або інверсійним.

Якщо температура повітря з висотою змінюється, то змінюється також і потенційна температура. Тільки у випадку, коли температура падає з висотою на 1°С/100 м, потенційна температура залишається з висотою незмінною. Це пояснюють найпростіші міркування. При зазначеному градіенті температури з якого б рівня не була опущена повітряна частка на рівень моря, вона, адіабатично нагрівшись, одержить на рівні моря ту саму температуру. Таким чином, виходить, що потенційна температура на всіх рівнях однакова.

У випадку, коли вертикальний градіент температури менше 1 °С/100 м, що є типовим розподілом, потенційна температура з висотою зростає. І тільки в тих випадках, коли вертикальний градіент температури більше 1 °С/100 м, потенційна температура з висотою зменшується. У ізотермічному шарі потенційна температура зростає з висотою на 1 °С на 100 м. Ще швидше зростає вона в шарі інверсії, тобто при явищі збільшення температури повітря з висотою.

Тропосфера

Атмосфера складається з декількох концентричних шарів, що відрізняються один від іншого температурними та іншими умовами. Нижня частина атмосфери, до висоти 10-15 км, у якій зосереджено 4/5 усієї маси атмосферного повітря, зветься тропосферою. Для неї характерний спад температури з висотою в середньому на 0,65 °C/100 м (в окремих випадках розподіл температури по вертикалі варіює в широких межах). У тропосфері міститься майже уся водяна пара атмосфери і виникають майже всі хмари. Сильно розвинена тут і турбулентність, особливо поблизу земної поверхні, а також у так називаних струменевих течіях у верхній частині тропосфери. Висота, до якої простягається тропосфера, над кожною точкою Землі змінюється день у день. Крім того, навіть у середньому вона різна під різними широтами й у різні сезони року. У середньорічному виразі тропосфера поширюється над полюсами до висоти біля 9 км, над помірними широтами до 10-12 км і над екватором до 15-17 км. Середня річна температура повітря в земної поверхні біля 26°С на екваторі і біля -23 °С на Північному полюсі. На верхній межі тропосфери над екватором середня температура біля -70 °С, над Північним полюсом зимою біля -65 °С, а влітку біля -45 °С. Тиск повітря на верхній межі тропосфери відповідно її висоті в 5-8 разів менше, ніж у земної поверхні. Отже, основна маса атмосферного повітря знаходиться саме в тропосфері. Процеси, що відбуваються в тропосфері, мають безпосереднє і вирішальне значення для погоди і клімату біля земної поверхні.

Самий нижній тонкий шар тропосфери, товщиною 50-100 м, що безпосередньо примикає до земної поверхні, носить назву приземного шару.