Obieg ciepła. Temperatura powietrza

Cele:
Uczeń:

- potrafi uzasadnić, że Ziemia jest w stanie równowagi cieplnej;
- wymienia czynniki mające wpływ na rozkład temperatury;
- rozumie znaczenie pojęcia albedo;
- klasyfikuje podstawowe rodzaje ruchów powietrza;
- potrafi wyjaśnić różnicę między suchoadiabatycznym i wilgotnoadiabatycznym gradientem temperatury;
- podaje przykłady, kiedy może dojść do inwersji temperatury;
- oblicza amplitudę temperatury powietrza, średnią dobową, miesięczną i roczną temperaturę powietrza i redukuje wartość temperatury do poziomu morza;
- przelicza wartości temperatur między poszczególnymi skalami: Celsjusza, Kelvina i Fahrenheita.

Treści przedstawiane na lekcji:
Atmosfera chroni przed nadmierną ilością promieniowania słonecznego, ale mimo to, znaczna jego część dociera do powierzchni Ziemi. Jest to promieniowanie krótkofalowe. Z uwagi na kąt padania promieni słonecznych, zmieniający się w zależności od szerokości geograficznej, Ziemia otrzymuje zróżnicowaną dawkę ciepła. Im wyższa szerokość geograficzna, tym chłodniej. Dlatego miejsca w bezpośrednim sąsiedztwie biegunów są bardzo nieprzyjazne dla człowieka, który nie osiedla się tam z uwagi na barierę termiczną i świetlną.
Oprócz szerokości geograficznej, na rozkład temperatury mają wpływ inne czynniki:
- rozmieszczenie lądów i oceanów;
- prądy morskie;
- wysokość nad poziomem morza;
- rzeźba terenu (ekspozycja);
- szata roślinna;
- barwa terenu;
- działalność człowieka.
Nagrzewanie Ziemi zwłaszcza w niższych szerokościach geograficznych, powoduje pochłanianie części ciepła, które następnie jest oddawane dolnym warstwom atmosfery jako promieniowanie długofalowe.
Nie wszystko ciepło jest pochłaniane, gdyż część ulega odbiciu. Stosunek promieniowania odbitego do całkowitego promieniowania docierającego do powierzchni Ziemi jest nazywany albedem. Albedo jest wyższe, kiedy więcej promieniowania zostanie odbite. Wyższe promieniowanie jest związane z jasnymi i gładkimi powierzchniami. Ciemniejsza i bardziej chropowata powierzchnia przyjmuje więcej ciepła.
Jeśli jest duże zachmurzenie, potęguje się efekt cieplarniany i ciepło pozostaje przy powierzchni. Jeśli jest bezchmurne niebo, następuje wypromieniowanie i ucieczka w przestrzeń kosmiczną.
Chmury sprawiają też, że do Ziemi, oprócz promieniowania bezpośredniego dociera promieniowanie rozproszone.
Najważniejsze jest jednak, że Ziemia znajduje się w stanie równowagi cieplnej, czyli ilość energii dostarczonej przez Słońce równoważy się z ilością energii wyemitowanej przez Ziemię.
Wymiana ciepła jest związana z ruchem powietrza. Może on być:
- nieuporządkowany, wtedy nazywa się turbulencją;
- pionowy, wtedy nazywa się konwekcją;
- poziomy, wtedy nazywa się adwekcją.
W odniesieniu o czynników mających wpływ na rozkład temperatury na Ziemi, nie bierze się tylko pod uwagę szerokości geograficznej. W troposferze jest na ogół chłodniej w miarę wzrostu wysokości. Zmiana temperatury wraz z wysokością jest nazywana pionowym gradientem temperatury. Gradient może być wilgotnoadiabatyczny i wynosi średnio 0,6⁰C na 100 metrów lub suchoadiabatyczny i wtedy wynosi ok. 1⁰C na 100 metrów. Jeśli powietrze opada to staje się suche i nie zachodzi w nim skraplanie, ani parowanie kropelek wody. Wtedy wzrost temperatury w miarę spadku wysokości jest szybszy. Jeśli powietrze unosi się do góry to może dojść do nasycenia parą wodną, i wtedy w miarę wzrostu wysokości dochodzi do skroplenia pary wodnej i spadek temperatury będzie wolniejszy.
Czasami jednak występuje zjawisko inwersji temperatury. Dochodzi do niej na skutek napływu cieplejszych mas powietrza na wychłodzoną powierzchnię i wtedy jest to inwersja adwekcyjna, lub kiedy chłodne powietrze spływa do dna doliny i wypiera do góry cieplejsze. Wtedy jest to inwersja orograficzna.
Temperatura zmienia się też w ciągu dnia. Różnica między najwyższą i najniższą temperaturą w badanym okresie jest jej amplitudą. Średnią temperaturę określa się, jako średnią arytmetyczną wszystkich podanych wartości.
Największe różnice temperatury w ciągu doby zdarzają się w obszarze klimatu zwrotnikowego, gdzie w ciągu dnia Słońce nagrzewa szybko powierzchnię Ziemi, a nocą ciepło szybko jest wypromieniowane w związku z brakiem zachmurzenia. Nad zwrotnikami występują stałe wyże baryczne, sprzyjające takim zmianom temperatury.
Łatwo się domyślić, że tam jest największe prawdopodobieństwo wystąpienia najwyższej temperatury. Dotychczas najwyższą temperaturę odnotowano właśnie w Libii na Saharze (57,8⁰C), natomiast najniższą na Antarktydzie, w rosyjskiej stacji Wostok (-65⁰C).
Aby móc porównywać wartości temperatur różnych miejsc, czasami redukuje się ją do poziomu 0 m.n.p.m.
Należy wtedy obliczyć różnicę wysokości między miejscem pomiaru, a poziomem morza, a następnie ułożyć odpowiednią proporcję, przyjmując, że na każde 100 m temperatura będzie wzrastać o 0,6⁰C.
Temperaturę powietrza mierzy się wykorzystując różne skale: Celsjusza, Fahrenheita i Kelvina. Aby otrzymać wartość temperatury w innej skali, należy skorzystać ze wzorów:
- temperatura w stopniach Fahrenheita na temperaturę w stopniach Celsjusza: x⁰C=(9/5x⁰+32⁰)F;
- temperatura w stopniach Celsjusza na temperaturę w stopniach Fahrenheita: x⁰F=5/9(x⁰-32⁰)C;
- temperatura w stopniach Kelvina na temperaturę w stopniach Celsjusza: t⁰C=T⁰K-273⁰;
- temperatura w stopniach Celsjusza na temperaturę w stopniach Kelvina: T⁰K=t⁰C+273⁰;

Zadania i polecenia:
Minimum:
1. Omów bilans cieplny Ziemi i atmosfery.
2. Wyjaśnij, w jaki sposób może dojść do inwersji termicznej.
3. Wymień czynniki mające wpływ na rozkład temperatury na Ziemi.
4. Wyjaśnij różnicę między turbulencją, konwekcją, a adwekcją.
5. Kiedy albedo jest większe:
a) w lecie, gdy boisko jest pokryte asfaltem,
b) w zimie, gdy boisko jest zasypane śniegiem?
Na lepszą ocenę:
1. Zredukuj do poziomu morza temperaturę pomierzoną w Twoim mieście i porównaj ją z temperaturą miast nadmorskich.
2. Jeśli w miejscu Twojego zamieszkania jest temperatura 10⁰C, to jakiej należy się spodziewać na Giewoncie, zakładając wilgotnoadiabatyczny spadek temperatury?
3. Przelicz temperaturę odczytaną w Twojej miejscowości w stopniach Celsjusza, na temperaturę w stopniach Kelvina i Fahrenheita.
4. Oblicz amplitudę temperatury powietrza na podstawie podanych wskazań temperatury.
 

Zapis lekcji:
1. Bilans cieplny Ziemi i atmosfery.
2. Czynniki wpływające na rozkład temperatury na Ziemi.
3. Albedo.
4. Rodzaje ruchów powietrza.
5. Pionowy gradient temperatury.
6. Inwersja temperatury.
7. Obliczenia związane z pomiarem temperatury na Ziemi.
8. Rodzaje skal przyjętych do pomiaru temperatury.