Температура воздуха в атмосфере не является постоянной величиной и изменяется как по высоте, так и во времени. Основным параметром, характеризующим вертикальный профиль температуры, является градиент температуры — изменение температуры с высотой. В тропосфере температура, как правило, убывает с высотой со средним значением около 6,5 °C/км. Однако этот градиент может варьироваться в зависимости от влажности, турбулентности, облачности и других факторов.
На основе наблюдений и теоретических моделей атмосфера условно делится на несколько слоёв по характеру изменения температуры:
Ключевым фактором в формировании температурного профиля является радиационный баланс и характер теплообмена между слоями.
Суточные изменения температуры обусловлены вращением Земли и зависят от баланса приходящей и уходящей радиации. Минимальная температура, как правило, наблюдается перед восходом Солнца, а максимальная — во второй половине дня, когда приток солнечной радиации всё ещё превышает потери тепла за счёт излучения.
Суточная амплитуда зависит от:
Сезонные колебания температуры определяются наклоном земной оси и изменением длины светового дня в течение года. Наибольшие сезонные колебания наблюдаются в средних и высоких широтах континентальных районов, где мала теплоёмкость подстилающей поверхности и слабое влияние океанов.
Широтное распределение температуры обусловлено неравномерным поступлением солнечной радиации. В экваториальных областях наблюдаются минимальные годовые амплитуды, но максимальные годовые суммы радиации. В полярных районах, наоборот, низкие температуры и высокая амплитуда в течение года.
Континентальность климата играет ключевую роль. Вблизи океанов и морей температурные колебания сглажены за счёт высокой теплоёмкости воды. В глубине континентов — резкие перепады.
Горизонтальные градиенты температуры наблюдаются в связи с океаническими течениями (например, Гольфстрим обогревает Европу), рельефом местности, особенностями циркуляции атмосферы.
Инверсия — это состояние, при котором температура увеличивается с высотой, нарушая обычный (адиабатический) градиент. Она может быть:
Инверсии играют важную роль в атмосфере, ограничивая вертикальные движения воздуха, способствуя накоплению загрязнений и влияя на облачность.
Температурное распределение в атмосфере определяет её устойчивость. Если фактический температурный градиент превышает адиабатический, то воздух становится неустойчивым, и вертикальные движения усиливаются. В условиях устойчивой стратификации (например, при инверсии) конвекция подавляется.
Классификация устойчивости:
Устойчивость атмосферы критически важна для прогнозирования облаков, осадков, гроз, турбулентности и других погодных явлений.
Облачность оказывает существенное влияние на температуру воздуха. Днём облака уменьшают количество солнечной радиации, поступающей на поверхность, снижая дневные температуры. Ночью они, напротив, уменьшают потери тепла путём отражения длинноволнового излучения обратно к поверхности, что уменьшает ночное охлаждение.
Влажность воздуха влияет на теплоёмкость атмосферы. Водяной пар, как парниковый газ, активно поглощает и излучает тепловое излучение. Влажный воздух медленнее прогревается и медленнее остывает, сглаживая суточные и сезонные амплитуды температуры.
Температура воздуха у поверхности Земли определяется турбулентным теплообменом, который зависит от:
Обмен тепла может быть:
Интенсивность теплообмена определяет температуру приземного слоя воздуха и участвует в формировании микроклимата.
Глобальное потепление, вызванное увеличением концентрации парниковых газов, существенно изменяет температурный режим атмосферы. Повышение средней глобальной температуры оказывает влияние на частоту экстремальных температур, перераспределение осадков, циркуляционные системы атмосферы и устойчивость климатических зон.
Кроме того, на локальном уровне температура воздуха изменяется из-за:
Изменения температурного режима атмосферы становятся важным фактором климатических и метеорологических исследований, требующих детального наблюдения и моделирования.