Выясним прежде всего, что такое температура. Из физики мы знаем, что температура — это величина, характеризующая тепловое состояние тела. Качественной мерой температуры является наше ощущение тепла; количественным измерителем, правда, в некоторой степени произвольным, может служить любой термометр. От чего же зависит температура? Как известно, все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц вещества — атомов и молекул. Эти частицы никогда не находятся в покое. Характер их движения различен у твердых, жидких и газообразных тел. От скорости движения атомов и молекул и зависит температура тела.
В газах частицы не связаны друг с другом; ом носятся в самых различных направлениях и на «каждом шагу» сталкиваются друг с другом, меняют свое направление, разлетаются, снова сталкиваются. Скорости движения у отдельных частиц газа могут несколько отличаться, но каждой температуре газа соответствует какая-то определенная средняя скорость движения его частиц. Чем больше средняя скорость движения частиц, тем выше температура газа.
Таким образом, можно считать, что температура газа является непосредственной мерой средней скорости движения его молекул.
Все сказанное выше позволяет объяснить и возможность возникновения очень высоких температур. Повышая температуру газа, мы повышаем скорость движения его частиц, а поскольку пределы повышения скорости очень велики, то и температура может увеличиваться до очень больших значений.
С другой стороны, при охлаждении газа можно достичь такой температуры, при которой скорость теплового движения молекул упадет до нуля. Это наступает при температуре в 273,23 градуса ниже обычного нуля.
Обычно для измерения температуры служит несложный прибор — термометр. Это — стеклянная трубка с небольшим расширением на конце, наполненная ртутью или подкрашенным спиртом. При нагревании жидкость в трубке расширяется и поднимается вверх по трубке. Если трубку наложить на шкалу (линейку с делениями), то можно, измерять температуру в градусах. Температуру тающего льда условились принимать за нуль градусов, а температуру кипящей воды— за 100 градусов. Шкала, рассчитанная таким образом (разделенная на 100 делений от 0 до 100), называется шкалой Цельсия.
Основным источником тепла на Земле служит Солнце. Подсчитано, что на каждый квадратный метр земной поверхности ежеминутно падает в среднем 14—18 больших калорий тепла.
Количество тепла, получаемого Землей от Солнца, поистине грандиозно. За одни сутки поверхность земного шара получает от Солнца больше тепла, чем могло бы дать все топливо, сожженное человечеством за 1000 лет (при нынешнем годовом расходе).
Солнечная энергия является источником всей жизни на Земле. В той или иной форме мы постоянно используем энергию Солнца. Например, энергия каменного угля — это, по существу, солнечная энергия. Ведь уголь — это залежи похороненных в земных пластах древних растений, росших на Земле миллионы лет назад. А растения могут жить и развиваться только под лучами Солнца.
Энергия, излучаемая Солнцем в мировое пространство, огромна. Но на Землю, находящуюся от Солнца на расстоянии около 150 миллионов километров, падает лишь незначительная часть этой энергии. Установлено, что количество лучистой энергии в калориях, приходящее в одну минуту на один квадратный сантиметр поверхности, расположенной перпендикулярно солнечным лучам на границе атмосферы, равно 1,97 калории. Эта величина носит название солнечной постоянной.
Что же происходит на Земле с энергией, излучаемой Солнцем? Как при этом нагревается земная атмосфера? Длительными наблюдениями и исследованиями установлено, что поступающее на Землю тепло солнечных лучей распределяется на несколько тепловых потоков. 42% тепла отражается от Земли и уходит назад, в мировое пространство, в виде отраженных солнечных лучей. Из них 38% отражается атмосферой и 4% земной поверхностью. Остальные 58% поглощаются: 14%—атмосферой и 44%—почвой. Все полученное тепло почва отдает обратно, причем 5,6% тратится на нагревание воздуха, а 18,4%—на испарение влаги. В результате атмосфера, кроме 14% тепла, которые она поглотила в виде прямых солнечных лучей, получает еще 5,6% за счет нагревания от земной поверхности и 18,4% за счет превращения в жидкость испарившейся воды (т. е. за счет выделения скрытой теплоты при конденсации водяного пара).
Всем известно, что температура воздуха у поверхности земли не остается постоянной. Она колеблется как в течение суток, так и в течение года. Чем это объясняется?
Наша планета, Земля, обращается вокруг Солнца. Один полный оборот она совершает за один год. При этом в различное время года разные места земного шара освещаются солнечными лучами неодинаково. Полгода к Солнцу наклонено северное полушарие Земли; в это время оно получает больше тепла, чем южное, и в северном полушарии стоит лето, а в южном — зима. В следующие полгода к Солнцу наклонено южное полушарие, которое теперь получает больше тепла, чем северное, и в этот период в северном полушарии стоит зима, а в южном — лето.
Земля шарообразна. Поэтому количество тепла, поступающее от Солнца, различно для разных мест на земном шаре. В зоне экватора солнечные лучи падают на земную поверхность почти отвесно. Ближе к полюсам они падают под меньшим углом, как бы скользя по поверхности земли. Ясно, что одно и то же количество солнечных лучей распределяется по большей поверхности, падая под углом, чем при отвесном падении. Этим и объясняется жаркий климат в экваториальных областях Земли и холодный — в полярных.
Земной шар вращается вокруг своей оси. В течение суток одно и то же место на земном шаре находится в разных положениях относительно Солнца. В полдень Солнце стоит у нас почти над головой, утром и вечером лежит у самого горизонта, а ночью уходит под горизонт.
Утром и вечером солнечным лучам приходится проходить гораздо больший путь в атмосфере, чем в полдень. Подсчитано, что длина пути солнечных лучей сквозь атмосферу при восходе и заходе Солнца в 35 раз длиннее, чем днем, когда Солнце стоит прямо над головой.
Так как часть энергии Солнца поглощается земной атмосферой, понятно, что утром и вечером будет холоднее, чем в полдень.
На температуру воздуха в разных местах земного шара влияет и то обстоятельство, что поглощение тепла земной поверхностью зависит от ее характера. Неровная поверхность нагревается сильнее, чем гладкая. Суша нагревается скорее, чем вода, и быстрее охлаждается. Вспаханное поле нагревается сильнее, чем покрытый травой луг, песок нагревается сильнее, чем почва, покрытая кустарником.
Кроме того, температура воздуха в разных местах земного шара в большой степени определяется приносом тепла морскими и воздушными течениями. Так, известное теплое морское течение Гольфстрим, выходящее из Мексиканского залива с температурой воды выше +28 градусов, приносит в северные моря такой запас тепла, что, например, Баренцево море летом очищается от льда до Шпицбергена. Благодаря этому течению климат северо-западной Европы гораздо теплее, чем в любом другом месте земного шара под теми же широтами. Так, у берегов Норвегии на острове Скомвэр средняя температура воздуха в январе равна +1,1 градуса. В то же время в СССР в Усть-Цильме на реке Печоре, на той же широте, средняя температура января равна —18 градусов.
Воздушные течения, постоянно существующие в атмосфере, также сильно влияют на температуру воздуха. В отдельных случаях проникающие с севера далеко на юг массы холодного воздуха из Арктики резко понижают температуру в центральных и южных областях Европейской части Советского Союза. Например, в январе 1950 года холодный воздух, распространившийся из Арктики, понизил температуру воздуха в Ростове до 32 и в Сочи до 16 градусов мороза. Иногда зимой в Европейской части СССР наступает, наоборот, резкое потепление; оно вызывается притоком теплых масс воздуха из района Средиземного моря.
В результате всего этого температура воздуха на земном шаре распределяется не строго по широтам.
Что касается пределов, которых может достигать температура воздуха, то их еще нельзя считать точно установленными. Так, до недавнего времени «полюсом холода» считали город Верхоянск в Якутской АССР, где была зарегистрирована температура в —68 градусов (по Цельсию). Однако в дальнейшем было обнаружено, что в той же Якутской АССР в поселке Оймякон наблюдались температуры до —70—71 градуса. А теперь наблюдениями советских метеорологов на станции «Восток» в Антарктиде отмечено понижение температуры в августе 1959 года до 87 градусов мороза. Наиболее высокая температура, +58 градусов, наблюдалась в Африке, близ города Триполи (Ливан) и в Южном Иране. Температура воздуха +56 градусов отмечалась в Долине Смерти (США, штат Калифорния).
Отметим в связи с этим одну очень распространенную ошибку. Вы часто слышите, а может быть, и говорите сами: «сегодня на солнце температура такая-то». Однако измерять температуру «на солнце», т. е. помещать термометр прямо под солнечные лучи, нельзя. В этом случае термометр будет нагреваться сам и покажет температуру не воздуха, а ртути и стекла термометра.
Это можно легко проверить. Поставьте под солнечные лучи разные термометры, и они покажут вам разную температуру, характерную для сорта стекла, из которого сделаны трубки термометра, и величины каждого термометра.
Поэтому температуру воздуха всегда измеряют в тени.
Измерения температуры воздуха на разных высотах показали, что на каждые 100 метров подъема температура понижается в среднем на 0,6 градуса. Однако эта закономерность не распространяется на всю толщу атмосферы. В умеренных широтах непрерывное понижение температуры воздуха с высотой наблюдается только примерно до 11 —12 километров. На экваторе эта высота возрастает до 15—18, а на полюсах понижается до 8—9. Выше этих границ температура воздуха становится почти постоянной до высоты 35 километров — здесь держится мороз в 55 градусов. Дальше температура воздуха начинает повышаться и к 50 километрам достигает приблизительно +70 градусов. Эта температура сохраняется до высоты около 65 километров, после чего снова падает. Затем следует новое повышение температуры, и на высоте 120 километров она может достигать +100 градусов.
Чем все это объясняется?
Повышение температуры на высотах между 35— 50 километрами объясняется присутствием в этом слое озона; он, как мы уже говорили, поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, которое и вызывает увеличение температуры в этом слое. Следующее повышение температуры —- в слое между 90 и 120 километрами,— как предполагают, объясняется так называемой ионизацией воздуха, о которой мы будем говорить ниже.
Повышение температуры воздуха на высоте 40— 50 километров было подтверждено исследованиями советского ученого проф. В. И. Виткевича. Он изучал распространение звука при взрыве артиллерийских складов близ Москвы в 1920 году. Проверив слышимость взрыва в различных пунктах вокруг Москвы, он обнаружил, что взрывы были слышны в двух зонах — одна радиусом в 60 километров вокруг Москвы, а другая начиная со 160 километров от Москвы. Между ними находилась зона молчания, в которой звуки взрывов совсем не были слышны. Было установлено, что звуковые колебания, возникавшие при взрывах под Москвой, отражались от слоя атмосферы, расположенного на высоте 40— 50 километров, описывали дугу и возвращались на землю.
Из теории распространения звука известно, что такое отражение звука в атмосфере может возникнуть лишь при одном условии: слой атмосферы, отразивший звук, должен быть более нагрет, чем нижние слои. Его температура должна быть примерно +40+50 градусов.
Существование в атмосфере слоев, в которых сохраняется одна и та же температура воздуха (значительно ниже 0 градусов), объясняется так называемым лучистым равновесием.
Вот что это такое. Мы уже знаем, что воздух получает от земной поверхности тепло и излучает его во все стороны. Если какой-либо объем воздуха поглощает тепла больше, чем излучает, то воздух нагревается, если меньше — охлаждается. Но если излучаемая и поглощаемая энергия оказываются равными, то температура в данном объеме воздуха становится устойчивой, или, как принято называть, равновесной. Этим и объясняется сохранение постоянной температуры по высоте в некоторых слоях атмосферы. Такие слои называются слоями изотермии («изос» — равный, «терме» — теплота)
