Ez a fejezet a levegő hőmérsékletére összpontosít – vagyis a levegő hőmérsékletére, amelyet a talajfelszín felett 1,2 méterrel mérünk. A levegő hőmérséklete az emberi élet számos aspektusát meghatározza, a ruházatunktól kezdve az általunk viselt ruházaton át az üzemanyagköltségekig. A léghőmérséklet és a léghőmérsékleti ciklusok a régió biológiai tájképét alkotó növények és állatok kiválasztásában is szerepet játszanak. A levegő hőmérséklete pedig a csapadékkal együtt az éghajlat egyik legfontosabb meghatározója, amelyet a 7. fejezetben részletesebben is megvizsgálunk.

Öt fontos tényező befolyásolja a levegő hőmérsékletét:

1. Földrajzi szélesség. A napsugárzás napi és éves ciklusai szisztematikusan változnak a földrajzi szélességgel, ami a levegő hőmérsékletének és a levegő hőmérsékleti ciklusainak változását is okozza. Az éves besugárzás a sarkok felé csökken, így kevesebb energia áll rendelkezésre a levegő felmelegítéséhez. Mivel azonban a napfény évszakos ciklusa a földrajzi szélességgel erősödik, a magas szélességeken a levegő hőmérséklete az év során sokkal nagyobb mértékben változik.
2. Felszíntípus. A városi levegő hőmérséklete általában magasabb, mint a vidéki hőmérséklet. A városi felszíni anyagok – aszfalt, tetőzsindely, kő, tégla – a vidéki területek és erdők nedves talajfelszínéhez képest kevés vizet tárolnak, így a párolgás révén kevés a hűtés. A városi anyagok sötétebbek is, és a Nap energiájának nagyobb részét nyelik el, mint a növényzettel borított felületek. Ugyanez igaz a kopár vagy sziklás talajfelületű területekre is, mint például a sivatagokéra.
3. Tengerparti vagy belső fekvés. Az óceánhoz közeli helyeken a levegő hőmérséklete szűkebb tartományban változik, mint a kontinensek belsejében. Mivel a víz lassabban melegszik és hűl, mint a szárazföld, a víz feletti levegő hőmérséklete kevésbé szélsőséges, mint a szárazföld feletti hőmérséklet. Amikor a levegő a vízből a szárazföldre áramlik, a part menti hely a szomszédos víz hatását érzi.
4. Magasság. A hőmérséklet a tengerszint feletti magassággal csökken. Nagy tengerszint feletti magasságban kevesebb légkör van a felszín felett, és az üvegházhatású gázok kevésbé hatékony szigetelő takarót képeznek. Több felszíni hő vész el a világűrbe. A magas hegycsúcsokon a hó felhalmozódik és hosszabb ideig megmarad. Az üvegházhatás csökkenése nagyobb napi hőmérséklet-ingadozást is eredményez.
5. Légköri és óceáni áramlások. A helyi hőmérséklet gyorsan emelkedhet vagy csökkenhet, amikor az egyik régióból levegő érkezik a másikba. A tengerparti régiók hőmérsékletét a meleg vagy hideg tengerparti áramlatok befolyásolhatják. (Ezt a tényezőt az 5. fejezetben részletesebben megvizsgáljuk.)

FÖLDHŐSZINTES HŐSZINT

A hőmérséklet ismerős fogalom. Egy anyagban lévő atomok mozgási energiájának mértékegysége, legyen az gáz, folyadék vagy szilárd anyag. Amikor egy anyagot sugárzó energiaáramlás ér, például napfény, a hőmérséklete megemelkedik. Hasonlóképpen, ha egy anyag energiát veszít, a hőmérséklete csökken. Ez az energiaáramlás a szilárd vagy folyékony anyag felületén mozog befelé és kifelé – például a talaj nagyon vékony felszíni rétege, amely ténylegesen elnyeli a nap rövidhullámú sugárzását, és kisugározza a hosszúhullámú sugárzást a világűrbe.

A felület hőmérsékletét a rajta áthaladó különböző energiaáramlások egyensúlya határozza meg. A nettó sugárzás – a beérkező rövidhullámú sugárzás és a kimenő hosszúhullámú sugárzás közötti egyensúly – olyan sugárzási energiaáramlást eredményez, amely felmelegíthet vagy lehűthet egy felületet. Napközben a beérkező napsugárzás általában meghaladja a kimenő hosszúhullámú sugárzást, így a nettó sugárzási egyenleg pozitív, és a felszín felmelegszik. Az energia a felszínen keresztül az alatta lévő hűvösebb talajba áramlik. Éjszaka a nettó sugárzás negatív, és a talaj energiát veszít, mivel a felszín hőmérséklete csökken, és a felszín hosszúhullámú energiát sugároz a világűrbe.

A felszínre vagy onnan más módon is áramolhat energia. A vezetés az érzékelhető hő áramlását írja le egy melegebb anyagból egy hidegebb anyagba közvetlen érintkezés útján. Amikor a meleg felszínről napközben hő áramlik a talajba, az vezetéssel történik. Éjszaka a hő visszavezetődik a hidegebb talajfelületre. A látens hőátadás is fontos. Amikor a víz elpárolog a felszínen, a folyadékból gőzzé válás állapotváltozása során tárolt hőt elvonja, és így lehűti a felszínt. Amikor a víz a felszínen lecsapódik, a látens hő felszabadul, felmelegítve a felszínt.

Az energiaátadás másik formája a konvekció, amikor a hő keveredéssel oszlik el a folyadékban. Ha a felület érintkezik egy folyadékkal, például egy talajfelszín, amely fölött levegő van, a felfelé és lefelé áramló áramlatok hatására a felület felmelegszik vagy lehűl.

Léghőmérséklet

A felszíni hőmérséklettel szemben áll a levegő hőmérséklete, amelyet a talajfelszín felett 1,2 m-es szabványos magasságban mérnek. A levegő hőmérséklete meglehetősen eltérhet a felszíni hőmérséklettől. Ha egy tiszta nyári napon végigsétál egy parkolóban, észreveheti, hogy a járda sokkal melegebb, mint a levegő a teste felső részével szemben. Általában a felszín feletti léghőmérséklet ugyanazokat a tendenciákat tükrözi, mint a talajfelszíni hőmérséklet, de a talajhőmérséklet valószínűleg szélsőségesebb.

Az Egyesült Államokban a hőmérsékletet még mindig széles körben a Fahrenheit-skála alapján mérik és jelentik. Ebben a könyvben a Celsius hőmérsékleti skálát használjuk, amely a nemzetközi szabvány. A Celsius-skálán a víz fagyáspontja 0°C, forráspontja pedig 100°C. A két skála közötti átváltási képleteket a 3.4. ábra tartalmazza.

A léghőmérsékletet rutinszerűen mérik az időjárási állomásokon. Bár egyes meteorológiai állomások óránként jelentik a hőmérsékletet, a legtöbb csak a 24 órás időszak alatt mért legmagasabb és legalacsonyabb hőmérsékletet jelenti. Ezek a legfontosabb értékek a hőmérséklet hosszú távú tendenciáinak megfigyelése szempontjából.

A hőmérsékletméréseket jelentik az időjárás-előrejelzéssel megbízott kormányzati szerveknek, például az amerikai meteorológiai szolgálatnak vagy a kanadai meteorológiai szolgálatnak. Ezek az ügynökségek általában napi, havi és éves hőmérsékleti statisztikákat tesznek elérhetővé az egyes állomásokra vonatkozóan a napi maximum, minimum és átlaghőmérséklet felhasználásával. A napi középhőmérsékletet a napi maximum és minimum értékek átlagaként határozzák meg. A havi középhőmérséklet az egy hónapban mért napi középhőmérsékletek átlaga. Ezeket a statisztikákat, más adatokkal, például a napi csapadékkal együtt, az állomás és a környező terület éghajlatának leírására használják.

FÖLDKÖZÖSSÉGI HŐSZINTEK

A talaj, a felszín és a levegő hőmérséklete a talajtól néhány méteren belül a nap folyamán változik (3.6. ábra). A napi hőmérséklet-változás közvetlenül a felszín felett a legnagyobb. A levegő hőmérséklete a normál magasságban sokkal kevésbé változó. A talajban a napi ciklus a mélységgel fokozatosan csökken, mígnem elérjük azt a pontot, amikor a felszínen a napi hőmérséklet-változás egyáltalán nem okoz változást.

KÖRNYEZETI KONTRÁTUSOK: Városi és vidéki hőmérsékletek

Egy forró napon a vidéki környezetet hűvösebbnek érezzük, mint a városi környezetet. A vidéki területeken a vizet a növények gyökerei veszik fel, és a transzspirációnak nevezett folyamat során jutnak el a levelekhez. Ez a víz elpárolog, lehűtve a levélfelületeket, amelyek viszont lehűtik a közeli levegőt. A talajfelületek nedvesek, mert az esőzések során víz szivárog a talajba. Ez felfelé áramlik, és elpárolog, amikor a napfény felmelegíti a felszínt, ami szintén hűtést eredményez. A transzspiráció és a párolgás együttes hatását párolgásnak nevezzük.

A városi felületek más okokból is melegebbek, mint a vidéki felületek. Sok városi felület sötét, és inkább elnyeli, mint visszaveri a napenergiát. Valójában az aszfaltburkolat több mint kétszer annyi napenergiát nyel el, mint a növényzet. Az eső a tetőkről, járdákról és utcákról a csapadékcsatorna-rendszerekbe folyik. Mivel a városi felületek szárazak, kevés párolgás segít csökkenteni a hőmérsékletet. Egy másik fontos tényező a hulladékhő. Nyáron a városi levegő hőmérsékletét a légkondicionáló berendezések emelik, amelyek az épületekből hőt szivattyúznak ki, és azt a levegőbe engedik.

Télen az épületek és építmények hője közvetlenül a városi környezetbe kerül.

A VÁROSI HŐSZIGET

Ezek a hatások eredményeként a város központi régiójában a levegő hőmérséklete általában több fokkal melegebb, mint a környező külvárosokban és vidéken, amint azt a 3.8. ábra mutatja. Egy városi terület késő délutáni hőmérsékleti profiljának vázlata mutatja ezt a hatást. A központi területet városi hőszigetnek nevezzük, mivel itt jelentősen megemelkedett a hőmérséklet. A talajban a nappali órákban olyan nagy mennyiségű hő tárolódik, hogy a hősziget éjszaka is melegebb marad, mint a környezete. Atlanta központi üzleti negyedének éjszakai termikus infravörös képe jól szemlélteti a hőszigethatást.

A városi hőszigethatásnak fontos gazdasági következményei vannak. A magasabb hőmérséklet több légkondicionálót és több elektromos áramot igényel nyáron. Az ennek az áramnak a megtermeléséhez elégetett fosszilis tüzelőanyag CO2-t és légszennyező anyagokat juttat a levegőbe. A megnövekedett hőmérséklet szmogképződéshez vezethet, ami egészségtelen és káros az anyagokra nézve. E hatások csökkentése érdekében sok városban több növényzetet ültetnek, és több fényvisszaverő felületet használnak, például betont vagy fényes tetőfedő anyagokat, hogy a napenergiát visszaverjék a világűrbe.

A hőszigethatás nem feltétlenül a sivatagi éghajlatú városokra vonatkozik. A sivatagban a város öntözött növényzetének párolgása valójában hűvösebbé teheti a várost, mint a környező kopár területet.

NAGYSZINTŰ KÖRNYEZETEK

Láttuk, hogy a talajfelszín befolyásolja a közvetlenül felette lévő levegő hőmérsékletét. De mi történik, ha magasabbra utazunk? Például, ahogy magasabbra mászunk egy hegyen, légszomjassá válhatunk, és észrevehetjük, hogy könnyebben leégünk a napon. Azt is érzed, hogy a hőmérséklet csökken, ahogy emelkedsz. Ha táborozol, azt fogod tapasztalni, hogy az éjszakai hőmérséklet alacsonyabb lesz, mint amire számítanál, még akkor is, ha figyelembe vesszük, hogy a hőmérséklet általában hűvösebb, minél feljebb mész.

Mi okozza ezeket a hatásokat? Nagy magasságban lényegesen kevesebb levegő van feletted, ezért alacsony a légnyomás. Egyszerűen a tüdőben lévő csökkent oxigénnyomás miatt nehezebb lesz levegőt venni. És mivel kevesebb molekula szórja és nyeli el a napfényt, a napsugarakat erősebbnek érezzük. Kevesebb a szén-dioxid és a vízgőz, így csökken az üvegházhatás. A kisebb felmelegedés miatt a hőmérséklet éjszaka még alacsonyabbra fog csökkenni. A fejezet későbbi részében látni fogjuk, hogy a csökkenő léghőmérsékletnek ez a mintázata hogyan terjed ki magasan a légkörben.

A 3.10. ábra a perui Andok hegységben található öt, különböző magasságban lévő állomás hőmérsékleti grafikonjait mutatja. Az átlaghőmérséklet egyértelműen csökken a magassággal, a tengerszinten mért 16°C (61°F) értéktől 4380 m (14,370 ft) magasságban mért ?1°C (30°F) értékig. A legmagasabb és a legalacsonyabb hőmérséklet közötti tartomány szintén növekszik a tengerszint feletti magassággal, kivéve Qosqo esetében. Ebben a nagyvárosban a városi hősziget miatt a hőmérsékletek nem süllyednek olyan mélyre, mint ahogyan azt várnánk.

TEMPERATÚRAVERZIÓ

Egyelőre úgy tűnik, hogy a levegő hőmérséklete a magassággal csökken. De vajon ez mindig így van? Gondoljunk bele, mi történik egy tiszta, nyugodt éjszakán. A talajfelszín hosszúhullámú energiát sugároz az ég felé, és a nettó sugárzás negatívvá válik. A felszín lehűl. Ez azt jelenti, hogy a felszínhez közeli levegő is lehűl, ahogy azt a 3.6. ábrán láttuk. Ha a felszín hideg marad, akkor a talaj felett a melegebb levegő rétege alatt egy hidegebb levegőből álló réteg képződik, ahogyan azt a 3.11. ábra mutatja. Ez a hőmérséklet-inverzió.

A hőmérséklet-inverzióban a talajközeli levegő hőmérséklete a fagypont alá csökkenhet. Ezt a hőmérsékleti állapotot gyilkos fagynak nevezik – még akkor is, ha tényleges fagy nem alakul ki -, mert a vegetációs időszakban az érzékeny növényekre gyakorolt hatása miatt.

A gyümölcsfákat vagy más növényeket termesztők többféle módszert alkalmaznak az inverzió feloldására. Nagy ventilátorokat használhatnak a felszíni hűvös levegő és a felette lévő melegebb levegő összekeverésére, és néha olajégető fűtőberendezéseket használnak a felszíni légréteg felmelegítésére.

TEMPERATÚRA-INDIKÁTOROK

A hőmérsékletet más időjárási és éghajlati adatokkal együtt hőmérsékletindexek – a hőmérsékletnek a környezeti és emberi körülményekre gyakorolt hatását jelző mutatók – előállítására is fel lehet használni. Az ismertebb indexek közül kettő a szélhűlési index és a hőindex.

A szélhűlési indexet annak meghatározására használják, hogy mennyire érezzük hidegnek a hőmérsékletet, nemcsak a tényleges hőmérséklet, hanem a szélsebesség alapján is. A levegő valójában nagyon jó szigetelő, így amikor a levegő mozdulatlan, a bőrünk hőmérséklete nagyon eltérő lehet a környező környezet hőmérsékletétől. Ahogy azonban a levegő mozog a bőrünkön, érzékelhető és látens hőt vesz el, és elszállítja azt a testünkből. Nyáron ez a folyamat hűvösen tart minket, mivel az izzadság elpárolog, csökkentve bőrünk hőmérsékletét. Télen a testünk melegen tartásához szükséges hőt távolítja el, ezáltal lehűti a bőrünket, és a tényleges mért hőmérsékletnél sokkal hidegebbnek érezzük a körülményeket.

A szélhűlési index, amelyet az Egyesült Államokban használnak és °F-ban mérnek, nagyon eltérhet a tényleges hőmérséklettől (3.12. ábra). Például egy 30°F (?1°C) tényleges hőmérséklet és egy 30 mi/óra (13,45 m/s) szélsebesség 15°F (?26°C) szélhűvösséget eredményez.

A hőindex a tényleges hőmérséklet és a relatív páratartalom alapján jelzi, hogy mennyire érezzük melegnek magunkat. A relatív páratartalom a legtöbb időjárás-jelentésben megadott páratartalom, és azt mutatja meg, hogy mennyi vízgőz van a légkörben a maximálisan lehetséges mennyiség százalékában. Az alacsony relatív páratartalom viszonylag száraz légköri viszonyokat, míg a magas relatív páratartalom viszonylag nedves légköri viszonyokat jelez.

Miért befolyásolja a relatív páratartalom, hogy mennyire érezzük melegnek a hőmérsékletet? Testünk a felesleges hő eltávolításának egyik módja a bőrünkről történő izzadságpárolgás. Ez a párolgás eltávolítja a látens hőt, ami hűti a testünket. Ha azonban a relatív páratartalom magas, kevesebb párolgás történik, mert a környező légkör már viszonylag nedves, és a hűtőhatás csökken.

A hőindexet °F-ban adják meg, és a szélhűléshez hasonlóan ez is nagyon eltérhet a tényleges hőmérséklettől (3.13. ábra). Például, ha a tényleges hőmérséklet 32 °C (90°F) és a relatív páratartalom 90 százalék, a hőindex azt mutatja, hogy a hőmérséklet 50 °C (122°F) – ez 18 °C (32°F) különbség!