Przyczyny zróżnicowania temperatury powietrza w różnych częściach świata
Atmosfera jest powłoką ziemską, która najszybciej i najsilniej wpływa na nasze życie. Bez jedzenia możemy wytrzymać kilka tygodni, bez wody – kilka dni, a bez tlenu zawartego w powietrzu zaledwie kilka minut. Zbyt wysokie i zbyt niskie temperatury powietrza także są dla nas zabójcze.
jakie jest miejsce atmosfery w stosunku do litosfery, hydrosfery, biosfery i pedosfery;
że atmosfera ziemska jest częścią Ziemi i porusza się razem z nią.
wymieniać gazy, z jakich składa się powietrze atmosferyczne;
omawiać tendencje zmian składu powietrza atmosferycznego;
wyszczególnać warstwy, z jakich zbudowana jest atmosfera;
wyjaśniać, co jest przyczyną zróżnicowania temperatury powietrza;
wyjaśniać, jak należy dokonywać pomiaru ciśnienia atmosferycznego i temperatury powietrza.
termometr,
barometr.
1. Jakie są najważniejsze składniki powietrza atmosferycznego?
Atmosfera to mieszanina gazów i różnorodnych dodatków otaczająca wodną i skalną powierzchnię Ziemi powłoką o grubości 1,5‑2 tys. km. Skład suchego powietrza atmosferycznego jest dość stały, choć wiemy, że w przeszłości był inny. Obecnie prawdopodobnie zwiększa się zawartość dwutlenku węgla, metanu i innych gazów w atmosferze, a do niedawna lokalnie zmniejszała się ilość ozonu. Ponadto w krótkim czasie w niewielkiej przestrzeni możliwe są znaczne wahania udziału dwutlenku węgla i rozmaitych zanieczyszczeń.
Skład suchego powietrza atmosferycznego w dolnych warstwach atmosfery przedstawia zamieszczony poniżej diagram.
Powietrze atmosferyczne prawie nigdy nie jest całkowicie suche. W zależności od miejsca, wysokości nad poziomem morza, ciśnienia atmosferycznego i temperatury może w nim występować para wodna lub woda w postaci ciekłej i stałej (lodu). Niemal całkowita ilość wody atmosferycznej występuje w dolnej części atmosfery, do wysokości 10 km, i jej zawartość szybko spada wraz z wysokością. Zawartość pary wodnej jest zmienna i przy powierzchni waha się od niemal 0% (przeciętnie 0,5 % w strefach polarnych) nawet do ok. 4% (w strefie równikowej). Ludzie mają kontakt prawie wyłącznie z najniższą warstwą atmosfery – troposferątroposferą (poza osobami latającymi bardzo wysoko samolotami i rakietami kosmicznymi). To w niej zachodzi większość zjawisk atmosferycznych oraz cyrkulacja atmosferyczna wody (ważny etap obiegu wody w przyrodzie).
Podaj kilka przykładów zjawisk naturalnych albo przejawów działalności człowieka, które wpływają na miejscowy wzrost zawartości dwutlenku węgla w powietrzu.
Wykazanie możliwości radykalnej zmiany składu powietrza atmosferycznego.
Przy obserwacji używa się otwartego ognia, więc konieczny jest nadzór osoby dorosłej.
świeczka,
słoik,
zapalniczka.
Zapal świeczkę. Nakryj ją słoikiem odwróconym dnem do góry.
Obserwuj płomień świecy. Zwróć uwagę na trzy etapy doświadczenia. W pierwszym etapie świeca, pomimo nakrycia słoikiem, płonie bez zmian. W drugim przygasa i pojawia się więcej dymu. W trzecim – gaśnie.
Świeczka tak długo się paliła, jak długo w słoiku był obecny tlen; gdy tlenu zabrakło, świeczka zgasła. W wyniku niektórych procesów, np. spalania, jak to miało miejsce podczas naszej obserwacji, skład powietrza atmosferycznego w zamkniętej przestrzeni może się radykalnie zmienić. Większość tlenu znajdującego się w słoiku weszła w reakcję chemiczną i uległa przemianie w dwutlenek węgla oraz tlenek węgla.
Wyjaśnij, dlaczego świeca przestała się palić.
Spróbuj zapalić świecę ponownie, ale nie przykrywaj jej już słoikiem. Wyciągnij wnioski z doświadczenia.
Wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza obniża się ciśnienie atmosferyczne i rozrzedza powietrze, co może powodować kłopoty z oddychaniem w bardzo wysokich górach. Skład procentowy powietrza jest tu jednak ciągle niemal dokładnie taki sam jak na poziomie morza. To obniżone ciśnienie atmosferyczne powoduje, że wdychamy mniej powietrza, a więc i mniej tlenu.
W szczególnych warunkach istnieje możliwość zmian składu chemicznego powietrza, co jest niebezpieczne dla życia ludzi i zwierząt. Zagrożenie takie stwarzają chociażby silniki spalinowe działające w pomieszczeniach (np. silnik samochodu w zamkniętym garażu), niesprawne piece i kotły stosowane do ogrzewania pomieszczeń albo wody (np. piece węglowe z niesprawnym systemem kominowym albo łazienkowe kotły gazowe używane w pomieszczeniach bez sprawnej wentylacji).
2. Z jakich warstw zbudowana jest atmosfera?
W atmosferze ziemskiej wyróżniamy 5 warstw głównych charakteryzujących się określonymi cechami i 4 warstwy przejściowe nazywane pauzami. Granice między nimi są umowne i zmieniają się w zależności od szerokości geograficznej, ukształtowania terenu i pory roku.
Najbliżej powierzchni Ziemi znajduje się troposfera. Jej grubość wynosi od 7 km (zimą) do 10 km (latem) nad biegunami i 15‑18 km nad równikiem. Główną cechą pozwalającą wyznaczyć granicę troposfery jest spadek temperatury powietrza wraz ze wzrostem wysokości o ok. 0,6°C na 100 m. W górnej warstwie troposfery temperatura osiąga wartość -55°C (nad obszarami podbiegunowymi) do -70°C (nad obszarami równikowymi). Nad tą warstwą leży cienka tropopauzatropopauza ze stałą temperaturą, a ponad nią rozciągająca się do wysokości ok. 50 km stratosferastratosfera, w której temperatura powietrza rośnie aż do osiągnięcia 0°C. W stratosferze znajduje się ozonosferaozonosfera – warstwa o podwyższonej zawartości ozonu (tlenu w postaci trójatomowych cząsteczek), który najwyższe stężenie osiąga na wysokości 25‑30 km. Pełni ona bardzo ważną rolę – chroni Ziemię przed zabójczym dla organizmów żywych promieniowaniem ultrafioletowym emitowanym przez Słońce. W górnej granicy stratosfery, kilkukilometrowej grubości stratopauziestratopauzie, temperatura jest stała.
Kolejna warstwa to mezosferamezosfera sięgająca do ok. 80 km, w której temperatura nieustannie spada aż do -70°C, a nawet -100°C. Powyżej mezopauzymezopauzy znajduje się warstwa nazywana termosferątermosferą z temperaturą rosnącą aż do 1000°C, a na wysokości 500‑600 km nawet do 1500°C. Powyżej jej górnej granicy – termopauzytermopauzy – znajduje się egzosferaegzosfera, w której temperatura powietrza o bardzo małej gęstości zaczyna spadać aż do -273°C w przestrzeni kosmicznej. Górna granica egzosfery jest trudna do ustalenia.
Wraz ze wzrostem wysokości obniża się ciśnienie atmosferyczne. Od ok. 1000 hPa (hektopaskalihektopaskali) na poziomie morza przez 200 hPa na granicy z tropopauzą, 1 hPa na granicy stratopauzy aż do 0,000 001 hPa w egzosferze.
Zastanów się i wyjaśnij przyczynę, dla której grubość warstw atmosfery nad biegunami jest mniejsza niż nad równikiem.
Przypomnij sobie, dlaczego promień Ziemi łączący jej środek z biegunem jest krótszy niż promień biegnący od środka Ziemi do równika oraz na jakich szerokościach geograficznych obszary Ziemi są bardziej, a na których mniej nagrzewane.
Ćwiczenie umiejętności dokonywania pomiaru ciśnienia powietrza atmosferycznego.
Poznanie wielkości ciśnienia atmosferycznego przy powierzchni ziemi.
Uświadomienie zmienności ciśnienia w dolnych warstwach troposfery.
barometr.
Odczytaj wskazania barometru, podając właściwą jednostkę ciśnienia.
Odczytaj skrajne możliwe wskazania barometru, które zapewne przekraczają zakres ciśnienia atmosferycznego występującego w Polsce przy powierzchni ziemi.
Określenie granic atmosfery jest trudne. Od dołu ogranicza ją powierzchnia lądów i oceanów. Powietrze atmosferyczne występuje także w jaskiniach, nawet w tych bardzo głębokich, oraz w glebie.
Trudno również określić górną granicę atmosfery. Powyżej 1 tys. km powietrze jest już bardzo rozrzedzone i płynnie przechodzi w próżnię. Za górną granicę atmosfery przyjmuje się zwykle 1,5 tys. km albo 2 tys. km powyżej poziomu lądów i oceanów, ale niektórzy badacze wymieniają nawet 10 tys. km.
Ciśnienie atmosferyczne można mierzyć zarówno w pomieszczeniach, jak i na zewnątrz, ponieważ tylko nieliczne pomieszczenia (np. balony okrywające korty tenisowe) są na tyle szczelne, że można w nich wytworzyć ciśnienie inne od naturalnego ciśnienia atmosferycznego występującego nad danym obszarem w tej samej chwili.
3. Od czego zależy temperatura powietrza?
Temperatura powietrza zmienia się w kolejnych warstwach atmosfery w bardzo szerokim zakresie. Nas jednak najbardziej interesuje temperatura panująca w dolnych warstwach troposfery, przy powierzchni Ziemi, oraz jej zmienność w ciągu doby i roku. Zależy ona od tak wielu czynników, że trudno jest przewidzieć jej wartości i wahnięcia. Prognozowaniem pogody, w tym również temperatury powietrza, zajmuje się synoptyka będąca działem meteorologii.
Czynniki wpływające na zmiany temperatur | Strefy, okresy, pory | Obserwowane temperatury |
Położenie geograficzne | strefa międzyzwrotnikowa | wysokie |
strefy umiarkowane | średnie | |
strefy podbiegunowe | niskie | |
Wysokość nad poziomem morza | niziny i wyżyny | wyższe |
góry | niższe | |
Obszar geograficzny | wnętrza kontynentów latem | wyższe |
wnętrza kontynentów zimą | niższe | |
wybrzeża latem | niższe | |
wybrzeża zimą | wyższe | |
Pora roku | lato | wyższe |
zima | niższe | |
Pory w ciągu doby | dzień | wyższe |
noc | niższe |
Wraz z wysokością temperatura powietrza spada zazwyczaj o 0,6°C na każde 100 m, ale w przypadku powietrza całkowicie suchego spadek ten wynosi nawet 1°C na 100 m. Na niektórych obszarach zdarzają się wyjątki i wtedy w dolinach bywa chłodniej niż na szczytach. Takie zjawisko nazywa się inwersją termicznąinwersją termiczną. Wpływ na temperaturę powietrza mają także: zachmurzenie, pokrywa roślinna lub jej brak, kierunek nachylenia terenu, prądy morskie, a nawet działalność człowieka. Dopiero połączenie tych wszystkich składowych uzmysławia, jak trudno przewidzieć temperaturę nad danym obszarem i jak bardzo jest ona zmienna zarówno w czasie, jak i w przestrzeni.
Zmienność termiczną powietrza na danym obszarze charakteryzuje amplituda temperaturyamplituda temperatury – różnica pomiędzy największą i najmniejszą jej wartością zmierzona w danym okresie. Przykładowo jedne z największych amplitud dobowychamplitud dobowych, czyli różnic pomiędzy maksymalną i minimalną temperaturą zmierzoną w ciągu doby, występują na pustyniach w okolicach zwrotników. W dzień powietrze silnie się nagrzewa, a w nocy temperatura może spaść nawet poniżej 0°C. Amplitudy dobowe sięgają kilkudziesięciu stopni Celsjusza. Natomiast jedne z największych amplitud rocznychamplitud rocznych – różnic pomiędzy średnią miesięczną temperaturą miesiąca najcieplejszego a średnią temperaturą miesiąca najchłodniejszego – występują w wyższych szerokościach i w oddaleniu od wybrzeży morskich i oceanicznych. Przykładem może być syberyjski Ojmiakon, gdzie roczna amplituda osiągnęła wartość 104°C (-71°C – średnia temperatura stycznia, 33°C – średnia temperatura lipca).
Oblicz, o ile różni się temperatura wilgotnego powietrza nad Morskim Okiem – największym jeziorem polskich Tatr, leżącym na wysokości 1395 m n.p.m. – a Rysami – najwyższym w Polsce wierzchołkiem Tatr o wysokości 2499 m n.p.m. Dla uproszczenia obliczeń możesz zaokrąglić podane wysokości do pełnych setek metrów.
Na podstawie przykładowych wskazań średniej miesięcznej temperatury powietrza w pewnym miejscu Polski oblicz średnią roczną temperaturę. Oblicz także roczną amplitudę średnich miesięcznych wartości temperatury w tym miejscu.
MIESIĄC | POMIAR TEMPERATURY |
Styczeń | -3,3 |
Luty | -2,1 |
Marzec | 1,9 |
Kwiecień | 7,7 |
Maj | 13,5 |
Czerwiec | 16,7 |
Lipiec | 18,0 |
Sierpień | 17,3 |
Wrzesień | 13,1 |
Październik | 8,2 |
Listopad | 3,2 |
Grudzień | -1,0 |
Ćwiczenie umiejętności dokonywania pomiaru temperatury powietrza atmosferycznego.
Poznanie wysokości temperatury powietrza na poziomie 2 m nad gruntem.
Uświadomienie istnienia zmienności temperatury powietrza w dolnych warstwach troposfery.
termometr zaokienny.
Termometr umieść w cieniu, w przewiewnym miejscu, na wysokości 2 m nad poziomem gruntu.
Odczytaj wskazania termometru, podając właściwą jednostkę temperatury powietrza.
Odczytaj skrajne możliwe wskazania termometru, które zapewne przekraczają zakres temperatury powietrza atmosferycznego występującego w Polsce.
Trudno jest dokładnie wskazać miejsca na Ziemi, gdzie występuje najwyższa i najniższa temperatura powietrza, gdyż znamy tylko wyniki pomiarów ze stacji meteorologicznych. Najwyższe zmierzone temperatury to: +56,7°C w Dolinie Śmierci w Kalifornii albo, podawane w wątpliwość, +58°C w libijskiej oazie Al‑Azizija. Natomiast najniższa zmierzona temperatura to -89,2°C w stacji Wostok na Antarktydzie. Pomiary robione z satelitów wskazują jednak wyniki przekraczające nawet +70°C oraz -93°C, ale w miejscach, gdzie nie ma stacji meteorologicznych, przez co warunki pomiaru są nieporównywalne.
Wskazania temperatury przez termometr mogą się różnić, niekiedy nawet dość znacznie. Zależy to od tego, czy termometr jest wystawiony na działanie promieni słonecznych, czy pozostaje w cieniu, czy jest zawieszony nad powierzchnią gruntu, czy na pewnej wysokości. Różnice wskazań mogą wynikać też z działania samego przyrządu. Dlatego umówiono się, aby na całym świecie mierzyć temperaturę powietrza na tej samej wysokości i w tych samych warunkach. Służy do tego klatka meteorologiczna ustawiona na wysokości 2 m nad powierzchnią ziemi. Zbudowana jest z przewiewnych, wykonanych z drewna i pomalowanych na biało ścianek. Jej drzwiczki znajdują się zawsze od strony północnej.
Podsumowanie
Powietrze atmosferyczne składa się w przybliżeniu z 78% azotu, 21% tlenu, niespełna 1% argonu i dziesiątków innych składników.
Większość składników powietrza występuje w stałych proporcjach, tylko zawartość pary wodnej i dwutlenku węgla oraz niektórych zanieczyszczeń zmienia się dosyć wyraźnie w czasie i przestrzeni.
Atmosfera zbudowana jest z 5 głównych warstw: troposfery, stratosfery, mezosfery, termosfery i egzosfery oraz 4 warstw przejściowych: tropopauzy, stratopauzy, mezopauzy i termopauzy.
Temperatura powietrza zmienia się w zależności od warstwy atmosfery: w troposferze maleje, w stratosferze wzrasta, w mezosferze maleje, w termosferze bardzo wzrasta, a w egzosferze silnie maleje.
Temperatura powietrza przy powierzchni ziemi zależna jest od wielu różnych czynników przyrodniczych oraz od działalności człowieka.
Wyjaśnij, dlaczego klatki meteorologiczne muszą być przewiewne, drewniane i białe.
Na podstawie zamieszczonych w tekście średnich miesięcznych wartości temperatury powietrza wykonaj wykres liniowy ilustrujący temperaturę powietrza w kolejnych miesiącach roku. Wykorzystaj zamieszczony poniżej podkład do wykresu.
Zapoznaj się z następującymi hasłami ze słowniczka:
amplituda temperatury powietrzaamplituda temperatury powietrza
amplituda dobowa temperatury powietrzaamplituda dobowa temperatury powietrza
amplituda roczna temperatury powietrzaamplituda roczna temperatury powietrza
egzosferaegzosfera
hektopaskalhektopaskal
inwersja termicznainwersja termiczna
mezopauzamezopauza
mezosferamezosfera
ozonosferaozonosfera
stratopauzastratopauza
stratosferastratosfera
termopauzatermopauza
termosferatermosfera
tropopauzatropopauza
troposferatroposfera
Zajrzyj do zagadnień pokrewnych:
Jak powstaje wiatr?Jak powstaje wiatr?
Opady i osady atmosferyczneOpady i osady atmosferyczne
Czynniki klimatotwórczeCzynniki klimatotwórcze
Strefy klimatyczne świataStrefy klimatyczne świata
Słowniczek
różnica między maksymalną i minimalną wartością rozpatrywanych temperatur w danym okresie
różnica między najwyższą i najniższą temperaturą zmierzoną w ciągu danej doby
różnica pomiędzy średnią miesięczną temperaturą miesiąca najcieplejszego a średnią miesięczną temperaturą miesiąca najchłodniejszego
najbardziej zewnętrzna warstwa atmosfery Ziemi; dolna granica egzosfery rozpoczyna się powyżej 500–600 km, natomiast jej zewnętrzna, górna granica to 1,5–2 tys. km, a dla niektórych nawet ok. 10 tys. km
w skrócie hPa; to jednostka ciśnienia równa 100 paskalom; hektopaskal jest zazwyczaj używany przy podawaniu ciśnienia atmosferycznego, ponieważ równa się jednostce ciśnienia stosowanej w przeszłości, czyli milibarowi
zjawisko meteorologiczne zachodzące w dolnej warstwie atmosfery, polegające, odwrotnie niż w zazwyczaj spotykanych warunkach, na wzroście temperatury wraz z wysokością
cienka warstwa atmosfery ziemskiej na wysokości 80‑90 km, oddzielająca mezosferę od leżącej wyżej termosfery; w mezopauzie temperatura powietrza wynosi ok. -100°C, a ciśnienie ok. 0,1 hPa
warstwa atmosfery ziemskiej zalegająca między stratosferą a termosferą na wysokości ok. 50‑80 km, a nawet 85 km, w której temperatura powietrza maleje wraz ze wzrostem wysokości od ok. 0°C do ok. -70°C, a nawet -100°C; ciśnienie powietrza w mezosferze spada do ok. 1 hPa
warstwa nasilonej koncentracji ozonu (tlenu składającego się z trójatomowych cząsteczek) w stratosferze; występuje na wysokości ok. 15‑50 km nad Ziemią, a jej główna warstwa rozpościera się od 25 km do 30 km nad poziomem morza; ozonosfera ochrania organizmy żyjące na Ziemi przed bardzo szkodliwym, słonecznym promieniowaniem ultrafioletowym
cienka warstwa przejściowa pomiędzy stratosferą i mezosferą o temperaturze ok. 0°C; znajduje się na wysokości ok. 50 km nad powierzchnią Ziemi
warstwa atmosfery zaczynająca się od wysokości ok. 10‑20 km nad powierzchnią Ziemi, a kończąca na ok. 45‑55 km; temperatura powietrza w stratosferze powoli rośnie do ok. 0°C, a w niektórych miejscach w ciągu lata wzrasta nawet do 15°C
warstwa atmosfery ziemskiej pomiędzy termosferą a egzosferą, w której zatrzymuje się wzrost temperatury
warstwa atmosfery ziemskiej zaczynająca się na wysokości ok. 85 km nad powierzchnią Ziemi i sięgająca do ok. 600 km; w termosferze temperatura wzrasta wraz z wysokością do 1000°C, a nawet ponad 1500°C
warstwa atmosfery ziemskiej o grubości ok. 1‑2 km, znajdująca się między troposferą a stratosferą; jej położenie zależy od pory roku, gdyż latem wraz ze wzrostem grubości troposfery wznosi się wyżej; temperatura powietrza w tropopauzie jest stała, ale zależna od szerokości geograficznej; przeciętnie wynosi -55°C
najbliższa Ziemi i najcieńsza warstwa atmosfery; wraz ze wzrostem wysokości następuje spadek temperatury, przeciętnie o 0,6°C na 100 m, osiągając od -45°C do -70°C lub nawet -80°C w zależności od pory roku i szerokości geograficznej; górna granica troposfery nad biegunami sięga od 7 km zimą do 10 km latem, a nad równikiem od 15 km do 18 km
Zadania
Odpowiedni udział procentowy przyporządkuj do najważniejszych gazów występujących w atmosferze ziemskiej.
tlen, argon, dwutlenek węgla, azot
0,03-0,04% | |
niemal 1% | |
ponad 78% | |
poniżej 21% |
Oceń prawdziwość stwierdzeń dotyczących składu atmosfery.
Prawda | Fałsz | |
Wodór nie występuje w atmosferze ziemskiej. | □ | □ |
Zawartość pary wodnej w atmosferze jest bardzo zmienna. | □ | □ |
Działalność człowieka ma wpływ na ilość dwutlenku węgla w atmosferze. | □ | □ |
Azot występuje wyłącznie w troposferze. | □ | □ |
Nazwy warstw atmosfery i opisy występujących w nich zmian temperatury uporządkuj we właściwej kolejności, licząc od powierzchni Ziemi.
mezosfera, troposfera, stratosfera, egzosfera, termosfera
wzrost od ok. -55°C do około 0°C | |
spadek od 0°C do -70°C (albo nawet -100°C) | |
wzrost od -100°C do 1500°C | |
spadek od zmiennej temperatury przy powierzchni Ziemi do -55°C | |
spadek do -273°C |