§ 41. Тепло в атмосфере (2)

Угол, образуемый направлением падающего на земную поверхность луча Солнца и плоскостью горизонта (или касательной плоскостью к поверхности геоида в данной точке), являющийся определяющим фактором интенсивности нагрева земной поверхности и атмосферы.

• 1. Суточный ход угла — угол непрерывно меняется в течение суток: он минимален на рассвете и на закате, когда лучи скользят по касательной к горизонту, и достигает суточного максимума в истинный солнечный полдень, когда Солнце поднимается на наивысшую для данного дня высоту над горизонтом.
• 2. Закон концентрации солнечной энергии — чем меньше угол падения лучей, тем шире распределяется пучок солнечной радиации по земной поверхности и тем меньше световой и тепловой энергии приходится на каждую единицу площади; при отвесном угле падения (90°) энергия предельно концентрируется на минимальной площади, вызывая максимальный прогрев.
• 3. Влияние на суточный максимум температур — максимальный нагрев земной поверхности происходит в солнечный полдень, однако наивысшая температура воздуха в течение суток отмечается с задержкой примерно на два часа (в 14:00), так как атмосферный воздух нагревается не напрямую проходящими солнечными лучами, а от тепла, излучаемого прогретой поверхностью суши и океана.
• 4. Широтное распределение инсоляции — угол падения лучей закономерно убывает от экватора к полюсам; полуденный угол падения солнечных лучей в любой точке Земли равен разности: 90° минус разность между географической широтой местности и широтой параллели, над которой Солнце в этот день находится в зените.

Непрерывное обращение планеты Земля вокруг Солнца по замкнутой эллиптической орбите со средней орбитальной скоростью около 30 км/с, полный оборот по которой совершается за 365 суток 5 часов 48 минут 46 секунд (один астрономический год).

• 1. Причина сезонной ритмики — благодаря движению Земли по орбите при постоянном сохранении пространственного наклона земной оси к плоскости орбиты происходит периодическая смена времён года на большей части земного шара: в течение одной половины года лучше освещается и нагревается Северное полушарие, а в течение второй половины — Южное полушарие.
• 2. Ключевые астрономические вехи года — в дни равноденствий (21 марта и 23 сентября) день равен ночи на всей планете, а полуденное Солнце находится в зените над экватором; в день летнего солнцестояния (21–22 июня) Северное полушарие максимально обращено к Солнцу (максимальная высота Солнца и самый длинный день — наступает лето), а в день зимнего солнцестояния (21–22 декабря) получает минимум света и тепла (наступает зима).
• 3. Формирование тепловых поясов — орбитальное движение определяет зональное поступление солнечного тепла на земную поверхность на протяжении года, формируя пять планетарных поясов освещённости и тепла: жаркий (тропический), два умеренных и два холодных (полярных).

Постоянное геометрическое отклонение воображаемой оси суточного вращения Земли от перпендикуляра к плоскости её околосолнечной орбиты (плоскости эклиптики) на угол 23,5° (при этом угол между земной осью и плоскостью орбиты неизменно составляет 66,5°).

• 1. Неизменная ориентация в мировом пространстве — во время годичного движения Земли по околосолнечной орбите её ось вращения перемещается строго параллельно самой себе, а северный конец оси непрерывно направлен в одну точку звёздного неба — на Полярную звезду в созвездии Малой Медведицы.
• 2. Неравномерность нагрева полушарий — наклон оси вращения служит фундаментальной причиной того, что угол падения солнечных лучей и продолжительность светового дня на всех географических широтах закономерно меняются на протяжении года (за исключением экваториальных широт, где эти изменения минимальны).
• 3. Астрономические границы освещённости — угол наклона в 23,5° задаёт точные географические координаты тропиков (Северного и Южного на широтах 23,5°), ограничивающих зону зенитального стояния Солнца, и полярных кругов (на широтах 66,5°), за пределами которых возникают явления полярного дня и полярной ночи.

Суточные колебания температуры воздуха между утром, полуднем и вечером определяются изменением положения Солнца над горизонтом и угла падения его лучей:

• Изменение высоты Солнца: утром при восходе и вечером перед закатом Солнце располагается низко над горизонтом, поэтому угол падения солнечных лучей на земную поверхность минимален; в истинный солнечный полдень Солнце достигает наивысшей точки своей траектории, и угол падения лучей становится максимальным;
• Концентрация тепловой энергии: при малом угле падения утром и вечером одинаковый по ширине пучок солнечных лучей падает наклонно и скользит по поверхности, распределяя своё тепло по обширной площади земной поверхности, отдавая каждой единице площади минимум энергии; в полдень лучи падают более отвесно, и то же количество тепла концентрируется на значительно меньшей площади, вызывая её интенсивный прогрев;
• Потери энергии в атмосфере: утренние и вечерние наклонные лучи пронизывают многократно более мощный слой атмосферы, претерпевая сильное рассеяние и поглощение облаками, парами воды и пылевыми аэрозолями; в полдень лучи проходят сквозь толщу атмосферы по кратчайшему пути с минимальными потерями;
• Двухчасовая задержка прогрева воздуха: атмосфера прозрачна для солнечных лучей и нагревается не прямо ими, а снизу — тепловым длинноволновым излучением от прогретой поверхности суши и водоёмов. Максимальный прогрев поверхности наступает в полдень, а наивысшая температура приземного воздуха достигается примерно через два часа после полудня (в 14:00).

Колоссальный контраст между вечным теплом тропиков и постоянным холодом полярных широт обусловлен шарообразной формой Земли и распределением угла падения солнечных лучей по широтам:

• Высота стояния Солнца в тропиках: благодаря выпуклой сферической форме Земли полуденное Солнце в приэкваториальных и тропических широтах круглый год поднимается очень высоко над горизонтом, а на экваторе и между тропиками дважды в год оказывается в зените, падая строго отвесно под углом 90°. Солнечные лучи буквально «упираются» в тропические широты, передавая максимальное количество тепла на каждый квадратный метр поверхности;
• Скользящее падение лучей на полюсах: в околополюсных широтах поверхность Земли сильно изгибается относительно направления солнечных лучей. Лучи здесь скользят по касательной под острыми углами (даже в разгар лета в полдень высота Солнца на полюсе не превышает 23,5°). Солнечная энергия распределяется по огромной территории, практически не обеспечивая теплового эффекта;
• Отражающая способность снега и льда (альбедо): полярные ледяные шапки и снежные покровы отражают обратно в космос до 80–90% поступающего солнечного излучения, в то время как тёмная растительность тропиков и воды экваториальных морей поглощают до 90–95% тепла;
• Сезонный режим инсоляции: в тропиках день круглый год длится около 12 часов, тепло поступает непрерывно; на полюсах же полгода длится сплошная полярная ночь, во время которой приток солнечной радиации полностью равен нулю и происходит глубокое выхолаживание территории.

Утром и вечером воздух существенно холоднее, чем днём, по следующим фундаментальным причинам:

• Изменение угла падения солнечных лучей: утром и вечером Солнце стоит низко над горизонтом, угол падения лучей мал, и поток солнечного тепла рассеивается по обширной площади поверхности Земли, слабо её нагревая. В полдень угол падения лучей максимален, поток тепла падает отвесно и максимально сфокусирован;
• Механизм передачи тепла атмосфере: воздух нагревается не непосредственно проходящими солнечными лучами, а от подстилающей земной поверхности. На прогрев грунта и последующую передачу тепла воздуху требуется время, поэтому пик суточной температуры воздуха регистрируется лишь через два часа после полудня;
• Ночное охлаждение: за время ночи поверхность суши непрерывно излучает тепло в космическое пространство и к утру сильно охлаждается, поэтому ранние утренние лучи тратят энергию только на то, чтобы компенсировать ночные теплопотери и начать прогрев грунта.

Температурные различия между тропиками и полюсами определяются зависимостью высоты Солнца от географической широты:

• Закон широтной зональности: чем ближе территория к экватору (в тропическом поясе), тем выше поднимается Солнце над горизонтом и тем больше угол падения солнечных лучей на поверхность Земли. В тропиках лучи падают отвесно или под углами, близкими к 90°, обеспечивая колоссальный приток тепла на единицу площади;
• Полярное рассеивание тепла: у полюсов поверхность планеты сильно отклонена от направления падения солнечных лучей, лучи скользят вдоль поверхности под малыми углами и рассеиваются по огромной территории;
• Прохождение через атмосферу: в полярных районах наклонные солнечные лучи пронизывают в разы больший слой атмосферного воздуха, испытывая интенсивное ослабление и отражение;
• Отсутствие зимы: в тропическом поясе световой день стабилен круглый год, а угол падения лучей всегда высок, что исключает возникновение холодного сезона.

Ответ на данный комплексный вопрос состоит из двух частей:

• Основная причина того, что зимние температуры гораздо ниже летних:

Фундаментальная причина — наклон земной оси вращения (на 23,5°) при орбитальном движении Земли вокруг Солнца. В зимний период полушарие наклонено в сторону от Солнца, вследствие чего:

• полуденная высота Солнца над горизонтом и угол падения солнечных лучей становятся минимальными за год, лучи скользят по поверхности и отдают ничтожно мало тепла;
• продолжительность светового дня резко сокращается (ночи становятся длинными, а дни короткими), поэтому поверхность Земли за короткий день не успевает прогреться и непрерывно остывает в течение долгой ночи;
• Причины того, почему разница дневных и ночных температур (суточная амплитуда) летом гораздо больше, чем зимой:
• Летом Солнце поднимается высоко над горизонтом, угол падения лучей велик, а световой день длится от 15 до 18 часов и более. Сухая почва и приземный воздух под прямыми лучами раскаляются до высоких температур (+25...+35 °C). Ночью же приток тепла прекращается, и при ясном небе происходит быстрое тепловое излучение с падением температуры на 15–20 °C (большая суточная амплитуда);
• Зимой Солнце стоит предельно низко, угол падения лучей ничтожно мал, световой день длится всего несколько часов, а снежный покров отражает до 85% солнечного света. В итоге днём поверхность суши практически не прогревается выше ночных отрицательных значений, и температура в течение суток держится на стабильно морозном уровне (суточная амплитуда температур сглажена и составляет всего 2–5 °C).

Связь географической широты местности и высоты Солнца над горизонтом выражает главный закон зонального распределения тепла на планете:

• Обратная зависимость: чем больше географическая широта пункта (то есть чем дальше местность расположена от экватора и ближе к полюсам), тем ниже стоит полуденное Солнце над горизонтом и тем меньше угол падения солнечных лучей на поверхность Земли;
• Полярные крайности: на экваторе (широта 0°) в дни равноденствий полуденное Солнце находится точно в зените под углом 90°, обеспечивая максимальную концентрацию тепла; на географических полюсах (широта 90°) в эти же дни Солнце находится на линии горизонта (высота 0°), а в период полярного лета поднимается максимум до 23,5°;
• Формула расчёта угла: в дни весеннего и осеннего равноденствий высота Солнца в полдень в любой точке Земли строго равна: 90° минус географическая широта местности. В день летнего солнцестояния к полученному значению прибавляется угол наклона земной оси 23,5°, а в день зимнего солнцестояния — вычитается 23,5°.

Песок пляжа будет нагреваться сильнее всего в солнечный полдень (и в первые часы после него, с 12:00 до 14:00).

Объяснение физических причин:

• Максимальный угол падения лучей: в астрономический полдень Солнце занимает наивысшее положение над горизонтом, поэтому угол падения солнечных лучей на песчаный пляж максимален (в летние дни в наших широтах он достигает 55–60°, а на юге — свыше 70°). Поток солнечной радиации предельно сфокусирован и отдаёт максимум тепловой энергии на единицу площади;
• Низкая теплоёмкость и слабая теплопроводность песка: сухой кварцевый песок состоит из мелких минеральных крупинок, разделённых воздухом. Воздух между песчинками служит теплоизолятором, не пропуская тепло в глубину. В результате вся колоссальная энергия полуденных лучей поглощается тончайшим верхним слоем песка, нагревая его до раскалённого состояния (до +50...+60 °C);
• Состояние пляжа вечером: к вечеру Солнце опускается к горизонту, угол падения лучей становится пологим, их энергия рассеивается по большой площади и сильно поглощается толщей атмосферы. Лишённый интенсивного притока лучей песок быстро остывает, отдавая тепло окружающему воздуху путём конвекции и теплового излучения, поэтому к вечеру песок пляжа становится прохладным.