Большая часть атмосферной радиации (70 %) приходит к земной поверхности, ее называют встречным излучением. Земная поверхность поглощает встречное излучение атмосферы почти целиком (на 90–99 %), и оно является важным источником тепла в дополнение к поглощаемой солнечной радиации. Встречное излучение возрастает с увеличением облачности. Наибольшее встречное излучение у экватора, где атмосфера наиболее нагрета и богата водяным паром. К полярным широтам оно убывает примерно вдвое.
Встречное излучение всегда меньше земного. Поэтому ночью при отсутствии солнечной радиации земная поверхность теряет тепло за счет разности между собственным и встречным излучением. Эту разность называют эффективное излучение. Разность между поглощенной радиацией и эффективным излучением называется радиационным балансом земной поверхности. Радиационный баланс переходит от отрицательных значений к положительным примерно через час после восхода Солнца и вновь к отрицательным значениям примерно за час до захода Солнца.
Большая часть солнечной энергии поглощается не атмосферой, а земной поверхностью. Вследствие молекулярной теплопроводности воздух, непосредственно соприкасающийся с подстилающей поверхностью, обменивается с ней теплом. Разнообразие рельефа местности создает неодинаковые условия нагревания. Распределение поверхностной температуры океана также весьма неоднородно и характеризуется многочисленными языками и вкраплениями теплой и холодной воды. Соприкасающийся с термически неоднородной поверхностью воздух оказывается нагретым неодинаково. В результате более теплые объемы, как менее плотные, начинаются подниматься вверх, а соседние, менее нагретые, опускаются вниз. Такое перемещение воздуха за счет различий плотности носит турбулентный характер и происходит тем интенсивнее, чем больше вертикальный градиент температуры.
Турбулентность, вызываемая температурными условиями, называется термической турбулентностью или конвекцией.
Динамическая турбулентность, обусловленная различными скоростями ветра в смежных слоях воздуха, и термическая турбулентность приводят к сильному перемешиванию воздуха, особенно в вертикальном направлении, а следовательно, к передаче тепла. Турбулентная теплопроводность в тысячи, в десятки тысяч раз больше молекулярной.
При больших значениях вертикального изменения температуры (около 1 градуса на 100 м и более) в атмосфере возникают мощные восходящие движения воздуха в виде потоков или струй со скоростью от нескольких метров в секунду до 20 и более метров в секунду. Одновременно происходят и нисходящие движения воздуха, менее интенсивные, но захватывающие большие площади. Такая термическая турбулентность называется упорядоченной конвекцией. Над сушей упорядоченная конвекция наблюдается в дневные часы при интенсивном прогреве подстилающей поверхности. Над морем конвективные условия являются преобладающими, так как обычно поверхность воды теплее воздуха.
Большое влияние на термический режим атмосферы оказывают фазовые превращения воды (конденсация водяного пара, испарение капель и кристаллов воды и пр.), а также адвекция – перенос воздуха воздушными течениями большого масштаба по горизонтали.
Тепловой баланс для системы Земля – атмосфера рассчитывается в средних значениях за большие промежутки времени по всей поверхности планеты. В соответствии с законом сохранения энергии он должен быть равен нулю.
Из 100 % солнечной радиации, поступающей в атмосферу, 70 приходится на прямую радиацию, из которых 23 отражается от облаков, 20 поглощается воздухом, 27 падает на земную поверхность, причем поглощается ею 25 и отражается от нее 2 %. На рассеянную радиацию приходится 30 %, из которых 8 уходит в мировое пространство и 22 доходит до земной поверхности (20 % поглощается и 2 % уходит в мировое пространство). Таким образом, с верхней границы атмосферы в мировое пространство уходит 23+8+4=35 % радиации. Эту величину – 35 % – называют альбедо Земли.
Атмосфера излучает 157 % энергии, из которых 102 направлены к земной поверхности, а 55 % уходит в мировое пространство.
Земная поверхность путем собственного длинноволнового излучения теряет 117 %, из которых 10 уходит в мировое пространство, а 107 % поглощается атмосферой. Кроме того, 23 % тепла расходуется на испарение воды и 7 % теряется при теплообмене с атмосферой. Иначе говоря, как на верхней границе атмосферы, так и в самой атмосфере и на земной поверхности существует равенство притока и отдачи тепла.[137]
Вместе с тем температура воздуха может изменяться не только под влиянием рассмотренных факторов (потоки лучистой энергии, теплопроводность, конвекции и пр.), но и в результате изменения атмосферного давления. Давление с высотой уменьшается, поэтому объем поднимающегося более теплого воздуха расширяется. Если расширение воздуха идет без притока энергии извне, то единственным источником, из которого может черпаться энергия, является внутренняя энергия самого расширяющегося воздуха. Так как внутренняя энергия газа пропорциональна его температуре, то уменьшение энергии ведет к понижению температуры.
Охлаждение воздуха при расширении и нагревание при сжатии, происходящее без притока и отдачи тепла, называют адиабатическим охлаждением или адиабатическим нагреванием. Строго адиабатических процессов в атмосфере не может быть, так как никакая масса воздуха не может быть совсем изолирована от теплового влияния окружающей среды. Однако если атмосферный процесс протекает достаточно быстро или поднимается (опускается) достаточно большой объем воздуха, то теплообмен мал и изменение состояния с достаточным приближением можно считать диабатическим. Вблизи земной поверхности процессы большей частью неадиабатичны, так как воздух получает или отдает тепло подстилающей поверхности. В свободной атмосфере процессы в основном адиабатичны, поскольку воздух удален от земной поверхности, являющейся основным источником тепла.
Как показывают вычисления, температура воздуха изменяется примерно на один градус при подъеме или опускании массы воздуха на каждые 100 м. Эта величина называется сухоадиабатическим градиентом температуры. Адиабатический процесс, происходящий внутри поднимающегося (опускающегося) насыщенного воздуха, называется влажноадиабатическим. Величина понижения (повышения) температуры на каждые 100 м поднимающейся (опускающейся) влажной насыщенной массы воздуха называется влажноадиабатическим градиентом температуры. Его величина колеблется от 3 до 9 десятых градуса на 100 м высоты.
Существенным фактором, влияющим на условия мореплавания, является распределение температуры в атмосфере. Поскольку температура воды обычно выше температуры воздуха, над морем вблизи водной поверхности почти всегда существует тонкий слой воздуха, характеризующийся сверхадиабатическим градиентом температуры (больше 1 градуса на 100 м высоты). Толщина этого слоя увеличивается с ростом разности температур. Так, при скорости ветра 6 м/сек и разности температур на поверхности моря и на уровне 5 м над морем, равной 0,5 градуса, толщина этого слоя 6 м, а при разности температур 2 градуса – около 20 м. Этот слой характеризуется интенсивной термической турбулентностью.
При определенных условиях над сушей и морем возникают слои инверсии, которые имеют большое значение для хода различных атмосферных процессов. Температурные инверсии являются задерживающими слоями, гасящими вертикальное движение воздуха. Они играют большую роль в процессах распространения электромагнитных и звуковых волн в атмосфере.
Температурные инверсии могут развиваться в приземном слое атмосферы (приземные инверсии) и в свободной атмосфере. Над океанами инверсионные условия в приводном слое встречаются значительно реже, чем над сушей. В свободной атмосфере инверсии встречаются одинаково часто как над сушей, так и над морем.
Радиационные инверсии в нижнем слое воздуха наблюдаются в основном на суше и над морскими районами, сплошь покрытыми льдами. Эти инверсии возникают в результате охлаждения подстилающей поверхности за счет длинноволнового излучения. Особенно сильные приземные инверсии возникают при ясном небе и слабом ветре. Вместе с охлаждением земной поверхности происходит понижение температуры и в прилегающем к ней слое воздуха. Подобные условия встречаются летом только в ночное время, а зимой они могут сохраняться и днем. Мощность суточных инверсий колеблется от 5–10 м до сотен метров. Зимние инверсии по высоте достигают 2–3 км. Радиационные инверсии часто сопровождаются туманами, носящими название радиационных.
Адвективные инверсии образуются как над сушей, так и над морем, когда теплая воздушная масса перемещается на холодную подстилающую поверхность. По своей интенсивности эти инверсии уступают радиационным, и их мощность редко достигает нескольких сотен метров. Характерным примером таких инверсий являются инверсии, образующиеся при перемещении теплого воздуха на холодное течение (например, Лабрадорское, Ойя-Сио) или с открытых морских районов на районы, покрытые льдом (у границы льдов). Часто эти инверсии сопровождаются адвективными туманами.
