Ten rozdział skupia się na temperaturze powietrza, czyli temperaturze powietrza obserwowanej na wysokości 1,2 m (4 stóp) nad powierzchnią ziemi. Temperatura powietrza warunkuje wiele aspektów ludzkiego życia, od odzieży, którą nosimy, po koszty paliwa, które płacimy. Temperatura powietrza i jej cykle wpływają również na dobór roślin i zwierząt, które tworzą krajobraz biologiczny danego regionu. A temperatura powietrza, wraz z opadami, jest kluczowym wyznacznikiem klimatu, który zbadamy dokładniej w Rozdziale 7.

Pięć ważnych czynników wpływa na temperaturę powietrza:

1. Szerokość geograficzna. Dzienne i roczne cykle nasłonecznienia zmieniają się systematycznie wraz z szerokością geograficzną, powodując, że temperatury powietrza i cykle temperatury powietrza również się zmieniają. Roczne nasłonecznienie zmniejsza się w kierunku biegunów, więc mniej energii jest dostępne do ogrzewania powietrza. Ale ponieważ sezonowy cykl nasłonecznienia staje się silniejszy wraz z szerokością geograficzną, wysokie szerokości geograficzne doświadczają znacznie większego zakresu temperatur powietrza w ciągu roku.
2. Typ powierzchni. Temperatury powietrza w miastach są na ogół wyższe niż na obszarach wiejskich. Miejskie materiały powierzchniowe – asfalt, gonty dachowe, kamień, cegła – zatrzymują niewiele wody w porównaniu z wilgotnymi powierzchniami gleby na obszarach wiejskich i w lasach, więc chłodzenie przez parowanie jest niewielkie. Materiały miejskie są również ciemniejsze i pochłaniają większą część energii słonecznej niż powierzchnie pokryte roślinnością. To samo dotyczy obszarów o jałowych lub skalistych powierzchniach glebowych, takich jak te na pustyniach.
3. Położenie nadmorskie lub wewnętrzne. Lokalizacje w pobliżu oceanu doświadczają węższego zakresu temperatur powietrza niż lokalizacje we wnętrzach kontynentów. Ponieważ woda ogrzewa się i chłodzi wolniej niż ląd, temperatury powietrza nad wodą są mniej ekstremalne niż temperatury nad lądem. Kiedy powietrze przepływa z wody na ląd, lokalizacja przybrzeżna będzie odczuwać wpływ sąsiadującej wody.
4. Wysokość. Temperatura spada wraz z wysokością. Na dużych wysokościach, jest mniej atmosfery nad powierzchnią, a gazy cieplarniane zapewniają mniej skuteczny koc izolacyjny. Więcej ciepła powierzchniowego jest tracone do przestrzeni. Na wysokich szczytach śnieg gromadzi się i pozostaje dłużej. Zmniejszony efekt cieplarniany powoduje również większe dobowe wahania temperatury.
5. Cyrkulacje atmosferyczne i oceaniczne. Lokalne temperatury mogą gwałtownie wzrosnąć lub spaść, gdy powietrze z jednego regionu jest przynoszone do innego. Temperatury regionów przybrzeżnych mogą być pod wpływem ciepłych lub zimnych prądów przybrzeżnych. (Będziemy badać ten czynnik bardziej szczegółowo w rozdziale 5.)

TEMPERATURA POWIERZCHNI

Temperatura jest znanym pojęciem. Jest to miara poziomu energii kinetycznej atomów w substancji, niezależnie od tego, czy jest to gaz, ciecz, czy ciało stałe. Kiedy substancja otrzymuje strumień energii promienistej, takiej jak światło słoneczne, jej temperatura wzrasta. Analogicznie, jeśli substancja traci energię, jej temperatura spada. Ten przepływ energii przemieszcza się do i z substancji stałej lub ciekłej na jej powierzchni – na przykład, bardzo cienka warstwa powierzchniowa gleby, która faktycznie pochłania słoneczne promieniowanie krótkofalowe i wypromieniowuje promieniowanie długofalowe w przestrzeń kosmiczną.

Temperatura powierzchni jest określona przez równowagę pomiędzy różnymi strumieniami energii, które przemieszczają się po niej. Promieniowanie netto – równowaga między przychodzącym promieniowaniem krótkofalowym a wychodzącym promieniowaniem długofalowym – wytwarza przepływ energii promienistej, która może ogrzewać lub chłodzić powierzchnię. W ciągu dnia, przychodzące promieniowanie słoneczne zazwyczaj przewyższa wychodzące promieniowanie długofalowe, więc bilans promieniowania netto jest dodatni i powierzchnia nagrzewa się. Energia przepływa przez powierzchnię do chłodniejszej gleby znajdującej się poniżej. W nocy bilans promieniowania netto jest ujemny, a gleba traci energię, ponieważ temperatura powierzchni spada, a powierzchnia wypromieniowuje energię fal długich w przestrzeń kosmiczną.

Energia może również przemieszczać się do lub z powierzchni w inny sposób. Przewodzenie opisuje przepływ ciepła jawnego z cieplejszej substancji do zimniejszej poprzez bezpośredni kontakt. Kiedy w ciągu dnia ciepło wpływa do gleby z jej ciepłej powierzchni, przepływa przez przewodzenie. W nocy ciepło jest odprowadzane z powrotem do zimniejszej powierzchni gleby. Ważna jest również wymiana ciepła utajonego. Gdy woda paruje na powierzchni, odbiera ciepło zgromadzone w procesie zmiany stanu skupienia z cieczy na parę, chłodząc w ten sposób powierzchnię. Kiedy woda skrapla się na powierzchni, ciepło utajone jest uwalniane, ogrzewając powierzchnię.

Inną formą przekazywania energii jest konwekcja, w której ciepło jest rozprowadzane w płynie poprzez mieszanie. Jeśli powierzchnia jest w kontakcie z płynem, takim jak powierzchnia gleby z powietrzem powyżej, prądy płynące w górę i w dół mogą działać w celu ogrzania lub ochłodzenia powierzchni.

TEMPERATURA POWIERZCHNI

W przeciwieństwie do temperatury powierzchni jest temperatura powietrza, która jest mierzona na standardowej wysokości 1,2 m (4,0 stóp) nad powierzchnią ziemi. Temperatura powietrza może być całkiem inna niż temperatura powierzchni. Kiedy idziemy przez parking w pogodny letni dzień, zauważymy, że chodnik jest o wiele gorętszy niż powietrze przy górnej części naszego ciała. Ogólnie rzecz biorąc, temperatury powietrza nad powierzchnią odzwierciedlają te same tendencje co temperatury powierzchni ziemi, ale temperatury gruntu są prawdopodobnie bardziej ekstremalne.

W Stanach Zjednoczonych, temperatura jest nadal powszechnie mierzona i raportowana przy użyciu skali Fahrenheita. W tej książce, używamy skali temperatury Celsjusza, która jest międzynarodowym standardem. W skali Celsjusza, punkt zamarzania wody wynosi 0°C, a punkt wrzenia 100°C. Wzory konwersji między tymi dwiema skalami są podane na rysunku 3.4.

Pomiary temperatury powietrza są wykonywane rutynowo na stacjach meteorologicznych. Chociaż niektóre stacje pogodowe podają temperatury co godzinę, większość podaje tylko najwyższą i najniższą temperaturę zarejestrowaną w okresie 24 godzin. Są to najważniejsze wartości w obserwacji długoterminowych trendów w temperaturze.

Pomiary temperatury są zgłaszane do agencji rządowych odpowiedzialnych za prognozowanie pogody, takich jak U.S. Weather Service lub Meteorological Service of Canada. Agencje te zazwyczaj udostępniają dzienne, miesięczne i roczne statystyki temperatury dla każdej stacji, wykorzystując dzienne maksimum, minimum i średnią temperaturę. Średnia temperatura dzienna jest definiowana jako średnia maksymalnych i minimalnych wartości dziennych. Średnia miesięczna temperatura jest średnią średnich dziennych temperatur w miesiącu. Statystyki te, wraz z innymi, takimi jak dobowe opady, są wykorzystywane do opisu klimatu stacji i jej otoczenia.

TEMPERATURY BLISKO GRUNTU

Temperatury gleby, powierzchni i powietrza w odległości kilku metrów od gruntu zmieniają się w ciągu dnia (Rysunek 3.6). Dobowa zmienność temperatury jest największa tuż nad powierzchnią. Temperatura powietrza na standardowej wysokości jest znacznie mniej zmienna. W glebie cykl dobowy staje się stopniowo mniej wyraźny wraz z głębokością, aż do punktu, w którym dobowe wahania temperatury na powierzchni nie powodują żadnych zmian.

KONTRASTY ŚRODOWISKOWE: URBAN AND RURAL TEMPERATURES

W upalny dzień środowiska wiejskie będą odczuwane jako chłodniejsze niż środowiska miejskie. Na obszarach wiejskich, woda jest pobierana przez korzenie roślin i przemieszcza się do liści w procesie zwanym transpiracją. Woda ta paruje, chłodząc powierzchnie liści, które z kolei chłodzą pobliskie powietrze. Powierzchnie gleby są wilgotne, ponieważ woda wsiąka w glebę podczas ulewnych deszczy. Jest ona podciągana do góry i wyparowuje, gdy światło słoneczne ogrzewa powierzchnię, co ponownie powoduje chłodzenie. Łączny efekt transpiracji i parowania nazywamy ewapotranspiracją.

Istnieją inne powody, dla których powierzchnie miejskie są gorętsze niż wiejskie. Wiele powierzchni miejskich jest ciemnych i raczej absorbuje niż odbija energię słoneczną. W rzeczywistości, nawierzchnia asfaltowa pochłania ponad dwa razy więcej energii słonecznej niż roślinność. Deszcz spływa z dachów, chodników i ulic do systemów kanalizacji burzowej. Ponieważ powierzchnie miejskie są suche, parowanie, które przyczynia się do obniżenia temperatury, jest niewielkie. Innym ważnym czynnikiem jest ciepło odpadowe. W lecie temperatury powietrza w mieście są podnoszone przez klimatyzację, która wypompowuje ciepło z budynków i uwalnia je do powietrza.

W zimie ciepło z budynków i konstrukcji jest odprowadzane bezpośrednio do środowiska miejskiego.

MIEJSKA WYSPA CIEPŁA

W wyniku tych efektów temperatury powietrza w centralnym regionie miasta są zazwyczaj o kilka stopni cieplejsze niż na otaczających je przedmieściach i terenach wiejskich, jak pokazano na rysunku 3.8. Szkic profilu temperatury na obszarze miejskim późnym popołudniem pokazuje ten efekt. Obszar centralny nazywamy miejską wyspą ciepła, ponieważ ma on znacznie podwyższoną temperaturę. Tak duża ilość ciepła jest magazynowana w gruncie w ciągu dnia, że wyspa ciepła pozostaje cieplejsza niż jej otoczenie również w nocy. Obraz w podczerwieni centralnej dzielnicy biznesowej Atlanty w nocy demonstruje efekt wyspy ciepła.

Efekt miejskiej wyspy ciepła ma ważne konsekwencje ekonomiczne. Wyższe temperatury wymagają więcej klimatyzacji i więcej energii elektrycznej w lecie. Paliwa kopalne spalane w celu wytworzenia tej energii przyczyniają się do emisji CO2 i zanieczyszczeń do powietrza. Podwyższone temperatury mogą prowadzić do powstawania smogu, który jest niezdrowy i szkodliwy dla materiałów. Aby zmniejszyć te efekty, wiele miast sadzi więcej roślinności i używa bardziej refleksyjnych powierzchni, takich jak beton lub jasne materiały dachowe, aby odbijać energię słoneczną z powrotem do przestrzeni.

Efekt wyspy ciepła niekoniecznie odnosi się do miast w klimacie pustynnym. Na pustyni, ewapotranspiracja nawadnianej roślinności miasta może w rzeczywistości utrzymać miasto chłodniejsze niż otaczający je jałowy region.

ŚRODOWISKA WYSOKOGÓRSKIE

Widzieliśmy, że powierzchnia ziemi wpływa na temperaturę powietrza bezpośrednio nad nią. Ale co się dzieje, gdy podróżujesz na wyższe wysokości? Na przykład, gdy wspinasz się wyżej na górę, może brakować ci tchu i możesz zauważyć, że łatwiej ulegasz poparzeniom słonecznym. W miarę wspinaczki odczuwasz również spadek temperatury. Jeśli rozbijesz obóz, zauważysz, że temperatura w nocy jest niższa niż można by się spodziewać, nawet biorąc pod uwagę, że temperatury są ogólnie chłodniejsze, im dalej w górę idziesz.

Co powoduje te efekty? Na dużych wysokościach jest znacznie mniej powietrza nad tobą, więc ciśnienie powietrza jest niskie. Staje się trudniej złapać oddech po prostu z powodu zmniejszonego ciśnienia tlenu w płucach. Mniejsza ilość cząsteczek rozpraszających i pochłaniających światło słoneczne sprawia, że promienie słoneczne są silniejsze. Jest mniej dwutlenku węgla i pary wodnej, a więc efekt cieplarniany jest zredukowany. Przy mniejszym ociepleniu, temperatury w nocy będą miały tendencję do obniżania się. W dalszej części tego rozdziału zobaczymy, jak ten wzór spadku temperatury powietrza rozciąga się wysoko w atmosferze.

Rysunek 3.10 przedstawia wykresy temperatury dla pięciu stacji położonych na różnych wysokościach w paśmie górskim Andów w Peru. Średnie temperatury wyraźnie spadają wraz z wysokością, od 16°C (61°F) na poziomie morza do 1°C (30°F) na wysokości 4380 m (14 370 stóp). Zakres między temperaturą maksymalną i minimalną również zwiększa się wraz z wysokością, z wyjątkiem Qosqo. Temperatury w tym dużym mieście nie spadają tak nisko, jak można by się spodziewać, z powodu miejskiej wyspy ciepła.

INWERSJA TEMPERATURY

Jak dotąd, temperatury powietrza wydają się spadać wraz z wysokością. Ale czy zawsze jest to prawdą? Pomyśl o tym, co dzieje się w czystą, spokojną noc. Powierzchnia ziemi wypromieniowuje energię długofalową w kierunku nieba, a promieniowanie netto staje się ujemne. Powierzchnia ulega ochłodzeniu. Oznacza to, że powietrze w pobliżu powierzchni również się ochładza, jak pokazano na rysunku 3.6. Jeśli powierzchnia pozostaje zimna, warstwa chłodniejszego powietrza nad ziemią tworzy się pod warstwą cieplejszego powietrza, jak pokazano na rysunku 3.11. Jest to inwersja temperatury.

W inwersji temperatury temperatura powietrza przy ziemi może spaść poniżej punktu zamarzania. Takie warunki temperaturowe nazywane są mrozem zabijającym – nawet jeśli nie tworzą się rzeczywiste przymrozki – ze względu na ich wpływ na wrażliwe rośliny w okresie wegetacji.

Hodowcy drzew owocowych lub innych upraw stosują kilka metod w celu rozbicia inwersji. Duże wentylatory mogą być używane do mieszania chłodnego powietrza na powierzchni z cieplejszym powietrzem powyżej, a grzejniki olejowe są czasami używane do ogrzania powierzchniowej warstwy powietrza.

WSKAŹNIKI TEMPERATURY

Temperatura może być również używana z innymi danymi pogodowymi i klimatycznymi do tworzenia indeksów temperatury – wskaźników wpływu temperatury na warunki środowiskowe i ludzkie. Dwa z bardziej znanych indeksów to indeks chłodu wiatru i indeks ciepła.

Indeks chłodu wiatru jest używany do określenia, jak zimne temperatury czujemy, w oparciu nie tylko o rzeczywistą temperaturę, ale także prędkość wiatru. Powietrze jest w rzeczywistości bardzo dobrym izolatorem, więc kiedy powietrze jest nieruchome, temperatura naszej skóry może być bardzo różna od temperatury otoczenia. Jednakże, gdy powietrze przemieszcza się po naszej skórze, usuwa ciepło jawne i utajone i odprowadza je od naszego ciała. W lecie proces ten zapewnia nam chłód, ponieważ pot jest odparowywany, obniżając temperaturę skóry. Zimą natomiast usuwa ciepło niezbędne do utrzymania ciepła w organizmie, przez co ochładza skórę i sprawia, że czujemy się znacznie zimniej niż w rzeczywistości.

Wskaźnik ziębnięcia, stosowany w Stanach Zjednoczonych i mierzony w °F, może bardzo różnić się od rzeczywistej temperatury (rysunek 3.12). Na przykład, rzeczywista temperatura 30°F (?1°C) i prędkość wiatru 30 mi/h (13,45 m/s) dają wskaźnik ziębnięcia wiatru 15°F (?26°C).

Wskaźnik ciepła podaje, jak gorąco czujemy na podstawie rzeczywistej temperatury i wilgotności względnej. Wilgotność względna jest wilgotnością podawaną w większości raportów pogodowych i wskazuje, ile pary wodnej znajduje się w atmosferze jako procent maksymalnej możliwej ilości. Niska wilgotność względna wskazuje na stosunkowo suche warunki atmosferyczne, podczas gdy wysoka wilgotność względna wskazuje na stosunkowo wilgotne warunki atmosferyczne.

Dlaczego wilgotność względna wpływa na to, jak gorąca jest temperatura? Jednym ze sposobów, w jaki nasze ciała usuwają nadmiar ciepła, jest odparowywanie potu z naszej skóry. To parowanie usuwa ciepło utajone, które chłodzi nasze ciało. Jednak gdy wilgotność względna jest wysoka, parowanie jest mniejsze, ponieważ otaczająca atmosfera jest już stosunkowo wilgotna, a efekt chłodzenia jest zmniejszony.

Wskaźnik ciepła jest podawany w °F i, podobnie jak chłód wiatru, może się bardzo różnić od rzeczywistej temperatury (rysunek 3.13). Na przykład, jeśli rzeczywista temperatura wynosi 90°F (32°C), a wilgotność względna 90 procent, wskaźnik ciepła wskazuje, że temperatura będzie odczuwalna jako 122°F (50°C) – różnica 32°F (18°C)!

.