Почему поднимаясь в верхние слои атмосферы воздух охлаждается кратко

Обновлено: 19.05.2024

Да, такая странная вещь случается в природе: охлаждение от нагревания. Это парадоксальное выражение принадлежит известному английскому метеорологу Н. Шоу.

Положим, что под влиянием каких-либо причин некоторая масса воздуха нагрелась и стала, следовательно, легче окружающего. Она начнет подниматься вверх; но в верхних слоях атмосферы давление меньше, поэтому наш воздух будет там расширяться. На работу расширения ему понадобится теплота; за отсутствием притока тепла снаружи, она будет взята воздухом из себя, и он охладится. Охлаждение, следовательно, является здесь прямым следствием нагревания. Физика доказывает, что, поднимаясь вверх в свободной атмосфере, воздух охлаждается на 1° на каждые 100 м, — если он сухой. Если же он содержит водяные пары, то, едва его температура дойдет до точки росы, часть паров начнет выделяться в жидком виде; при этом выделится скрытая теплота, и охлаждение воздуха окажется поэтому несколько меньше, чем для сухого. Предположим, что в этом случае охлаждение составляет 0,8° на 100 м. Если и в окружающем воздухе температура падает в такой же мере, то наша масса, поднимаясь, везде будет иметь ту же температуру, что окружающий воздух; но если в соседнем воздухе температура падает быстрее, — например, на 0,9° на 100 м, — то наша воздушная масса и после поднятия окажется все еще теплее окружающего воздуха и, стало быть, будет продолжать вытесняться выше.

Таким путем нарастают, постепенно выделяясь из охлаждающегося воздуха, большие массы воды в виде мельчайших капелек, которые и образуют то, что мы называем кучевыми облаками. Чем быстрее падение температуры с высотой в свободной атмосфере, тем более мощного развития достигают эти облака. Весьма быстрое падение температуры с высотой бывает в атмосфере в жаркие летние дни, когда земная поверхность и прилегающие слои особенно сильно нагреваются солнцем, а верхние — сравнительно холодны.

Водяной пар легче воздуха, а потому влажный воздух легче сухого и особенно легко вытесняется вверх.

Толщина таких грозовых облаков доходит иногда до 10 км; но и при высоте в 5—6 км вершина их лежит в таких высоких слоях, где температура уже ниже 0°; и потому над ней образуются уже легкие облака в виде вуали, состоящие из мелких кристалликов льда.

Да ещё разряжение, да дальше от поверхности земли которая нагревается снаружи от солнца и изнутри от ядра - мантии

Каждая молекула при движении ВВЕРХ затрачивает энергию (совершая работу ПРОТИВ силы тяжести) - также, как, например, брошенный вверх камень.
И скорость КАЖДОЙ молекулы (а, следовательно, и СРЕДНЯЯ скорость всех молекул) уменьшается.
А средняя скорость (энергия. если точнее) - и есть температура!

Атмосфера и погода

Всем известно, что в бане или в сауне самое жаркое место находится прямо под потолком. Горячий воздух уходит вверх в силу своей разряженности, наименьшей плотности, а более плотный холодный воздух опускается вниз за счет собственной тяжести. Но почему же в планетарных масштабах это не так?

Если теплый воздух поднимается вверх, в горах, да и вообще на больших высотах, должны быть вечные тропики, а вместо жары там наблюдается пониженная температура. На самом деле, подобное явление вовсе не является аномалией, оно вполне объяснимо. Достаточно прислушаться к мнениям ученых, чтобы все стало понятным.

Как прогревается планета?

Расход солнечной энергии, поступающей на Землю

Задаваясь вопросом, как же осуществляется прогрев нашей планеты, многие люди уверенно ответят, что тепло идет от Солнца. Это верно, но стоит понимать, что солнечные лучи падают на поверхность Земли, прогревая ее. Прогреть воздух сам по себе они не могут, слишком мала его плотность и теплопроводность. Нагревается именно поверхность Земли, которая затем отдает тепло воздуху, который передает его в космическое пространство. Утере тепла из атмосферы препятствуют парниковые газы, создающие условия, в которых повышенная температура удерживается близ поверхности планеты. Однако чем выше, тем парниковых газов меньше, и температуры падают.

Температура воздуха и нагрев поверхности

Холодный воздух сверху не может просто вытеснить своей массой теплый – внизу давление выше, потому и плотность воздуха тоже выше, чем в верхних разряженных слоях. Впрочем, движение холодного воздуха вниз и теплого вверх все же наблюдаются – так появляются ветра. Процесс актуален для тех масс воздуха, которые холоднее основных в рамках своего слоя. Воздух в горах может быть холоднее окрестного из-за ледяных шапок, и он может падать вниз – именно так, к примеру, зарождаются цикличные ветры с гор, наподобие бора.

Как формируется температура в горах?

Таким образом, вопрос с поднимающимся вверх теплым воздухом понятен – в рамках земного шара он остается возле земной поверхности. Близость верхних слоев атмосферы к Солнцу тоже не играет никакой роли. Если рассматривать ситуацию с высокогорьями, здесь свою роль играют совершенно другие факторы.

Изменение давления и температура с высотой

Поглощая солнечное тепло, земная поверхность передает его в воздух, прогревая его до 15 км в высоту. Но прогрев не равномерен – чем ближе к поверхности, тем теплее, и чем дальше от нее, тем холоднее. Воздух имеет низкую теплопроводность и охлаждается быстро, а с ростом высоты он становится еще и разряженным, что еще сильнее снижает теплопроводность. На практике на каждый километр высоты приходится снижение температуры примерно на 6 градусов, и это актуально как для альпинистов, поднимающихся в годы, так и для воздухоплавателей, пилотов.

Однако на этом моменте многие люди наверняка возразят: почему с ростом высоты температура в горах падает, если Солнце все равно обеспечивает нагрев участков земной поверхности близ присутствующих атмосферных масс?

Сами горы тоже прогреваются светилом, получают от него тепло и транслируют его в воздух. В целом, это верное высказывание, однако стоит помнить о разряженности воздуха, который сложнее прогреть на высоте, и о том, что горные участки имеют не такую уж значительную площадь, зато остаются открытыми всем ветрам.

Падение лучей на горные хребты происходит под углом, что обеспечивает минимальный прогрев, а не отвесно, как на ровной суше – последний вариант более эффективен. А еще горы находятся обычно под снеговыми шапками, а снег обладает способностью отражать солнечные лучи, минимизируя прогрев.

Таким образом, в горах бывает холоднее в силу разряженности воздуха, неэффективного прогрева поверхностей, по ряду других причин. Теплый воздух должен идти вверх, и потому вверху должно быть теплее, чем внизу, однако в рамках атмосферы всей планеты эта закономерность срабатывает не всегда.

Почему на высоте холодно – интересное видео

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Теплопроводность

1. Почему глубокий рыхлый снег предохраняет хлеба на полях от вымерзания?

В толстом слое рыхлого снега между снежинками много воздуха, а воздух плохо проводит тепло, то есть он имеет низкую теплопроводность.
Поэтому зимний холод снаружи плохо проходит к поверхности земли , тепло под снегом сохраняется, и хлеба не промерзают.

2. Чем объяснить большую разницу между теплопроводностью сосновых опилок и сосновых досок (это справедливо и для других пород деревьев)?

В куче опилок расстояния между опилками большие и заполнены воздухом, а воздух имеет плохую теплопроводность.
Волокна же в доске расположены близко друг к другу, и такого количества воздуха внутри доски нет.
Поэтому теплопроводность опилок значительно меньше, чем у доски (для сосны в 3,7 раза).

3. Почему вода не замерзает под толстым слоем льда?

Лёд обладает плохой теплопроводностью. Поэтому наружный зимний холод плохо проникает через слой льда, и вода подо льдом не замерзает.

Сама шуба не является источником тепла.
Однако воздух, находящийся между ворсинками меха имеет плохую теплопроводность и не пропускает ни наружный холод к телу человека, ни тепло от человека через шубу наружу.
Итак, шуба лишь сохраняет тепло тела, но не греет его.

5. Ножницы и карандаш, лежащие на столе, имеют одинаковую температуру. Почему на ощупь ножницы кажутся холоднее?

Что значит, руке холодно или тепло?
Когда рука соприкасается с окружающей средой (например, воздухом) или предметом, всегда начинается теплообмен между ними, т.е. выравнивание температур.
Если воздух или предмет холоднее руки, он отбирает у нее тепло, и рука ощущает холод.
Если воздух или предмет теплее руки, он сообщает руке тепло, и рука ощущает тепло.

Температура тела человека равна 36,6 °С, а воздуха обычно ниже.
Берем в одну руку металлические ножницы, в другую - деревянный карандаш.
Свойство металлов - быстро нагреваться (или остывать), а дерево нагревается (и остывает) медленнее.
То есть теплопроводность у металлов высокая, а у дерева низкая.

При соприкосновении с рукой металл начинает быстро забирать тепло от руки и распространять его по всему своему объему.
Рука при этом чувствует холод.
Лишь через какой-то промежуток времени металл прогреется целиком до температуры человеческого тела, и рука перестанет ощущать холод.
С деревом все по-другому.
При соприкосновении с рукой дерево тоже начинает отбирать тепло у руки, но температуры руки и поверхностного слоя дерева в месте соприкосновения быстро выравниваются, и рука не чувствует холода.
Внутренние же слои дерева еще долго остаются холодными, так как теплопроводность дерева низкая.
В результате, руке кажется, что карандаш теплее ножниц.

Конвекция

1. Почему подвал - самое холодное место в доме??

Подвал – это самое холодное место в доме, потому что он находится в доме в самом низу.
Ведь благодаря конвекции теплый воздух всегда стремится подняться вверх.

2. Правильно ли, что форточки всегда размещают в самом верху окна, а батареи отопления у пола?

3. Как же зимой охлаждается воздух в комнате при открытой форточке?

Проветривание комнаты происходит благодаря конвекции.
Например, зимой при открытой вверху форточке теплый воздух через верхнюю часть форточки выходит из комнаты и на улице поднимается вверх.
Х олодный воздух с улицы через нижнюю часть форточки проходит в комнату и опускается к полу вниз.

Излучение. Виды теплопередачи

1. Каким образом летом нагревается воздух в здании? Какие виды теплопередачи при этом присутствуют?

а) Воздух в помещении нагревается благодаря прогреву стен.
В данном случае надо говорить о теплопроводности материала стен.
Излучение невозможно, т.к. стены не прозрачны, кроме того, в твердых телах и конвекция тоже невозможна, т.к. длля конвекции необходимы потоки газа или жидкости.

б) Воздух нагревается через оконные стекла, которые пропускают солнечную энергию.
Здесь основным способом теплопередачи является излучение.
В незначительной степени передача солнечной энергии происходит за счет теплопроводности стекла.
Конвекция невозможна, т.к. стекло твердое тело.

в) Летом воздух в помещении с открытыми окнами прогревается в основном потоками теплого воздуха через окна.
Этот способ теплопередачи называется конвекцией.
Возможна передача части энергии излучением.
Передача энергии за счет теплопроводности воздуха ничтожна, т.к. теплопроводность воздуха очень плохая.

2. Приведите примеры, когда тела с темной поверхностью нагреваются излучением сильнее, чем тела со светлой поверхностью.

Например:
Человеку в жару прохладней в светлой одежде, а жарче в темной.
Грязный снег весной тает быстрее, чем чистый.
Цвет обшивки самолетов делают светло серебристым, чтобы лучше происходило отражение солнечной энергии и самолет меньше нагревался солнцем.

3. Каким способом передается энергия от Солнца к Земле?

Передача солнечной энергии способом теплопроводности или конвекции невозможна, т.к. для этого нужно вещество, а в космосе вакуум.
Солнечная Энергия передается от Солнца к Земле только излучением.

Примеры теплопередачи в природе и технике

1. Для чего делают высокими заводские трубы?

Заводским трубам придают обычно большую высоту, исходя из двух целей:
1) управление тягой печей и экономия топлива;
2) отведение продуктов горения в верхние слои атмосферы.

Продукты горения даже в очень малых долях вредны и ядовиты.
Но, дым, выйдя из высокой трубы еще нагретым, поднимается еще выше, проходит через верхние слои воздуха, перемешивается с ними и становится допустимой смесью.

Главной же причиной в необходимости высоких труб является получение сильной тяги в печах, чтобы сгорание топлива было полным. Известно, что для горения необходим кислород.
Обычно вес воздуха, поступающий в печь для горения, превосходит вес топлива примерно в 1,5 раза.
Теплота, получаемая при горении, определяется воздухом не менее, чем топливом. Количество тепла, получаемое при сжигании топлива, возрастает с количеством подводимого воздуха.
А количество подводимого воздуха зависит от тяги в трубе.
Тяга же в трубе во многом зависит от ее высоты. В дымовых трубах скорость движения газов зависит от разности давлений (или от разностей веса этих газов, или плотности холодного и нагретого воздуха).
Дымовая труба действует как насос, у ее основания внутреннее давление менее, чем наружное или атмосферное.
Чем выше труба над топкой, тем больше разница давления наружного воздуха и воздуха в топке и трубе, тем большую тягу обеспечивает труба.

2. Почему зимой тяга в печных трубах больше, чем летом?

3. Почему в металлических печных трубах тяга меньше, чем в кирпичных трубах той же высоты?

Высокая теплопроводность металла способствует быстрому охлаждению газов, проходящих через трубу, их плотность увеличивается и разница в давлениях в трубе и вне ее уменьшается, что и вызывает ухудшение тяги в трубе.
Кирпич же имеет маленькую теплопроводность, поэтому в кирпичной трубе воздух дольше остается теплым, и тяга лучше, чем в металлической трубе.

4. Обшивка космического корабля нагревается от трения о воздух, а также солнечным излучением.
Какая из причин нагревания приобретает большее значение при увеличении высоты полета? при уменьшении высоты?

На большей высоте полета разреженность атмосферы приводит к уменьшению трения воздуха об обшивку космического корабля.
Здесь основной причиной нагревания обшивки становится солнечное излучение.

При уменьшении высоты полета плотность воздуха увеличивается, и трение его об обшивку увеличивается.
Здесь более плотный воздух сильнее рассеивает солнечные лучи.
С уменьшении высоты полета большее значение приобретает нагрев обшивки за счет трения о воздух.

5. Один из способов поддержания определенной температуры в космическом корабле или спутнике заключается в том, что оболочку спутника делают двойной и ее внутреннюю полость заполняют газом (например, азотом). Этот газ при помощи вентилятора заставляют двигаться около тепловыделяющих приборов и переносить энергию к оболочке. Почему приходится пользоваться вынужденной, а не свободной конвекцией?

Естественная конвекция, т.е. перемешивание слоев воздуха, происходит при неравномерном нагревании воздуха и действии на него силы тяжести.
Вблизи поверхности Земли менее нагретые слои воздуха имеют большую плотность и под действием силы тяжести опускаются вниз.
Более нагретые слои воздуха имеют меньшую плотность и под действием силы Архимеда поднимаются вверх.
В кабине корабля тяготения нет, и естественной конвекции также не возникает.

Читайте также: