Линию, соединяющую точки наибольших средних температур (годовой или определенные месяцы) на земной поверхности, называют термическим экватором. Есть и другое определение термического экватора; «параллель с наиболее высокой средней температурой воздуха (годовой или месячной)». Термический экватор охватывает широкую зону, в которой средние годовые температуры 25–26,5°. В июле в южном полушарии зима и изотермы близки к параллелям. Чем ближе к Антарктиде, тем становится заметно холоднее. На побережье сурового Антарктического материка в июле в среднем —15… —35°, в центре Восточной Антарктиды до —70°. Бывают дни, когда температура здесь падает ниже —80°. На станции Восток (78° ю. ш.) наблюдалась самая низкая температура на Земле (—88,3 °C). Это — полюс холода пашей планеты.
Максимальные температуры почти всюду запаздывают по сравнению с датой летнего солнцестояния. Это запаздывание меньше в континентальном климате и больше в морском. Минимальные температуры запаздывают еще больше по отношению к зимнему солнцестоянию. Вблизи экватора в горах амплитуда хода температуры мала. Так, например, в Эквадоре в Кито (0°14′ ю. ш.) на высоте 2810 м температура сентября (здесь это самый теплый месяц) равна 13,2°, а самого холодного (марта) 12,9°. Чем дальше от экватора, тем быстрее возрастает амплитуда годового хода температуры воздуха. В Москве она составляет 29°, а Верхоянске 64°. Область муссонов в Южной Азии имеет своеобразный ход температуры — зима и весна сухие и безоблачные, температура быстро растет и в апреле достигает в среднем 30°, а местами более 35°. В конце апреля в Бирму и в начале июня в Индию приходит с моря летний муссон с облаками, дождями и похолоданием. В сентябре, с окончанием муссона, начинается постепенное повышение температуры. Эта особенность присуща именно данному району.
Непериодические, иногда очень быстрые и резкие колебания температуры вызывает прохождение циклонов и фронтов. Например, в Ленинграде температура под их влиянием может понижаться зимой до —36° и повышаться летом до 33°, в Якутске колебания бывают соответственно —64° и 38°. Непериодические изменения температуры происходят постоянно, как большие, так и малые, и это естественное состояние атмосферы.
В приземном слое атмосферы (до 2 м) температура воздуха определяется главным: образом поверхностью, и чем ближе к ней в летнее время, тем воздух теплее. Ночью же, когда земля охлаждается быстрее, приземный воздух холоднее, чем в более высоких слоях. Таким образом, летом поток тепла направлен вверх, особенно в ясные дни. Зимой в слое 200–300 м поток тепла направлен вниз. На высотах порядка 17 км в тропических широтах температура воздуха очень низкая (—80°). По обе стороны от тропического пояса в слое 8—11 км температура относительно выше, до —60… —65°. Это — температура воздуха в тропопаузе, она может сильно изменяться от дня ко дню и по высоте.
Изучение температуры в высоких слоях атмосферы в последние десятилетия производится с помощью искусственных спутников Земли и космических кораблей. До начала 1950-х годов температуру воздуха на высоте больше 30–40 км определяли косвенными методами. Оказалось, что результаты обоих методов между собой согласуются. Небольшое повышение температуры с высотой существует до 50 км. Летом здесь около 0°, а зимой — 20… —30°. Выше температура быстро убывает и на высоте 80 км (на верхней границе мезосферы) составляет —75…—90°. Здесь отсутствует озон, поглощающий солнечную радиацию. Далее вверх температура вновь повышается — вначале быстро, а между высотами 200–300 км медленнее. Выше 400 км температура непрерывно увеличивается с высотой. Наблюдения со спутников показали, что на больших высотах существует большой суточный ход температуры — на высоте 800 км днем 2000°, ночью 1000°. Это явление сейчас исследуется. Предполагают, что разогревание осуществляется благодаря ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению Солнца.
За многолетние периоды Земля в целом, и в том числе ее атмосфера, не испытывают систематического разогревания или выхолаживания от притока тепла, и средние температуры почти не изменяются. Солнечное тепло поглощается и отдается — баланс в среднем равен нулю. В последние годы произведены большие исследования теплового баланса, позволяющие судить о режиме солнечной радиации и ее преобразованиях на поверхности Земли и в атмосфере. В частности, удалось установить, что в Арктике благодаря отражательной способности льдов при большой радиации очень мала поглощаемая часть. Не будь ледяного покрова, среднегодовая температура воздуха была бы здесь на 20° выше.
Давление воздуха
Одна из наиболее существенных характеристик атмосферы — давление. Когда атмосфера спокойна, оно равно весу вертикального столба воздуха с единичным сечением, простирающегося до верхних слоев атмосферы. Когда воздух движется, то при восходящих потоках давление немного меньше, а при нисходящих — немного больше, но разница эта невелика. Физическая единица давления — давление ртутного столба высотой 760 мм на широте 45° над уровнем моря при температуре воздуха 0°. Такой столб давит с силой 1033,3 Г/см2.
В синоптической практике для определения давления обычно используются миллибары (мб). Это — доли бара, которым в метеорологии называют давление, равное 106 дин/см2. Значение давления в миллиметрах ртутного столба также употребляется часто. Для перевода из одной системы в другую существуют специальные таблицы. В Международной системе единиц (СИ) атмосферное давление определяется как гектопаскаль (гПа). 1 гПа = 102 Па = 1 мб.
Атмосферное давление очень изменчиво. Оно зависит от высоты столба воздуха, плотности и ускорения силы тяжести, в свою очередь изменяющейся в зависимости от географической широты и высоты над уровнем моря. Поскольку вес ртути и воздуха представляет собой силу тяжести, действующую на них, как и на всякое тело на Земле, надо учитывать, что сила тяжести увеличивается от экватора к полюсам и уменьшается с высотой. Плотностью воздуха называется масса единицы его объема. Плотность влажного и сухого воздуха мало различается, и только при высокой температуре и большой влажности разница в плотности сухого и влажного воздуха заметна.
Под наиболее сильным давлением, естественно, находятся нижние силы воздуха. С увеличением высоты вместе с давлением убывает и плотность воздуха, которая зависит также и от его температуры, причем влияние температуры и давления на плотность противоположны.
С высотой давление изменяется всегда, а температура в нижних 10–15 км уменьшается только в среднем. При понижении температуры плотность увеличивается, следовательно, с высотой плотность воздуха уменьшается медленнее, чем давление. Плотность в отдельных случаях увеличивается с высотой или не меняется вовсе. Плотность воздуха обычно непосредственно не измеряют, а вычисляют по уравнениям на основе измеренных температуры и давления.
Сведения о плотности еще совсем недавно получали косвенно из наблюдений за полярными сияниями, метеорами, распространением радиоволн. С появлением искусственных спутников Земли плотность воздуха начали определять по их торможению. Используются также наблюдения за расплыванием искусственных облаков из паров натрия, которые создаются метеорологическими ракетами. В Европе плотность воздуха у поверхности Земли равна 1,258 кг/м3, на высоте 5 км — 0,735, на высоте 20 км — 0,087, на высоте 40 км — 0,004 кг/м3. Чем короче столб воздуха, т. е. выше место, тем давление меньше. Но уменьшение плотности воздуха с высотой вносит свои коррективы, и поэтому закон изменения давления по вертикали сложнее. Уравнение, выражающее закон изменения давления с высотой в покоящейся атмосфере, называется основным уравнением статики. Из него следует, что с увеличением высоты изменение давления отрицательное и при подъеме на одну и ту же высоту падение давления тем больше, чем больше плотность воздуха и ускорение силы тяжести. Основная роль здесь, однако, принадлежит изменениям плотности воздуха. Значит, чем выше, тем меньше падает давление при подъеме на одну и ту же высоту. В теплом воздухе давление уменьшается меньше, чем в холодном — на одной и той же высоте в теплой воздушной массе давление выше, чем в холодной.
Уравнение статики не дает возможности решать постоянно возникающие практические задачи в реальных условиях движущейся атмосферы. Поэтому основное уравнение решают при различных упрощающих предположениях, соответствующих фактическим реальным условиям, выдвигая ряд частных предположений. Из основного уравнения статики можно получить значение вертикального градиента давления, представляющего собой изменение давления при перемещении на единицу высоты, т. е. убывание давления на единицу расстояния по вертикали (мб/100 м). Вместо вертикального градиента часто пользуются обратной ему величиной — барической ступенью в метрах на миллибар (изредка еще встречается устаревший синоним термина «градиент давления» — барометрический градиент).
