Przyczyny zróżnicowania temperatury powietrza w różnych częściach świata

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.

R1J36MgrKxVGv

Diagram kołowy w formie obręczy. Wewnątrz diagramu białe koło i napis skład powietrza. Największa część obręczy, około trzy czwarte, ma kolor jasnozielony. To azot - siedemdziesiąt osiem i osiem setnych procenta. Około jednej piątej zajmuje tlen, oznaczony kolorem fioletowym - dwadzieścia i dziewięćdziesiąt pięć setnych procenta. Pomarańczowym kolorem oznaczony argon - dziewięćdziesiąt trzy setne procenta; żółtym - dwutlenek węgla - trzy setne procenta; czarnym - neon, hel, krypton, wodór, ksenon, ozon - jedna setna procenta.

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 – troposferątroposferatroposferą (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).

Redukcja zawartości tlenu w powietrzu atmosferycznym w procesie spalania

Obserwacja 1

Wykazanie możliwości radykalnej zmiany składu powietrza atmosferycznego.

Przy obserwacji używa się otwartego ognia, więc konieczny jest nadzór osoby dorosłej.

Co będzie potrzebne

• świeczka,

• słoik,

• zapalniczka.

Instrukcja

1. Zapal świeczkę. Nakryj ją słoikiem odwróconym dnem do góry.

2. 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.

Podsumowanie

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.

R1XzEIL1aPi3M

Galeria mediów. Pierwsza grafika przedstawia chłopca trzymającego w lewym ręku niezapaloną świeczkę. Chłopiec ubrany jest w niebieską bluzę. Obok jego głowy znajduje się chmurka, a w niej tekst: "Redukcja zawartości tlenu w powietrzu atmosferycznym".

Raka2LHv6mtw4

Na kolejnej grafice ręka chłopca trzymająca zapaloną zapalniczkę. Chłopiec zbliża rękę z zapalniczką do świeczki. Świeczka stoi w świeczniku na stole. W górnej części grafiki chmurka z tekstem: "Ustaw świeczkę w bezpiecznym miejscu i zapal ją".

RhADjMBHwQMui

Na kolejnej grafice słoik trzymany palcami otworem do dołu. Słoik jest nakładany na palącą się świeczkę. W górnej części grafiki chmurka z tekstem: "Płonącą świeczkę nakryj słoikiem odwróconym do góry dnem".

R1Nh3nwEPHi6y

Na kolejnej grafice słoik nałożony na palącą się świeczkę. Świeczka pali się dobrze. W górnej części grafiki chmurka z tekstem: "Na początku obserwacji świeca - pomimo nakrycia słoikiem - płonie bez zmian".

RijSckwiV59gV

Na kolejnej grafice słoik nałożony na palącą się świeczkę. Świeczka pali się słabo, rozchodzi się też dym w słoiku. W górnej części grafiki chmurka z tekstem: "Zwróć uwagę, że wraz z przygasaniem świecy w słoiku pojawia się coraz więcej dymu".

R7AcG2bbDRyRj

Na kolejnej grafice słoik nałożony na świeczkę. Świeczka zgasła, rozchodzi się dym w słoiku. W tle głowa chłopca. Chłopiec przygląda się słoikowi. Obok głowy chłopca chmurka z tekstem: "Pod koniec obserwacji świeca gaśnie".

R1Ap1w74gyK2D

Na ostatniej grafice znajduje się głowa chłopca i odchodzący od niej dymek. W dymku napis: "W wyniku różnych procesów skład powietrza atmosferycznego w zamkniętej przestrzeni może się radykalnie zmienić. W powyższej obserwacji tlen znajdujący się w słoiku został zużyty podczas spalania, a powstały inne produkty tego procesu."

Wyjaśnij, dlaczego świeca przestała się palić.

Polecenie 2

Na podstawie dostępnej wiedzy opisz, jak będzie zachowywał się płomień świecy, która zostanie przykryta słoikiem.

RGcegYWMPMa03

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 tropopauzatropopauzatropopauza ze stałą temperaturą, a ponad nią rozciągająca się do wysokości ok. 50 km stratosferastratosferastratosfera, w której temperatura powietrza rośnie aż do osiągnięcia 0°C. W stratosferze znajduje się ozonosferaozonosferaozonosfera – 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 stratopauziestratopauzastratopauzie, temperatura jest stała.
Kolejna warstwa to mezosferamezosferamezosfera sięgająca do ok. 80 km, w której temperatura nieustannie spada aż do -70°C, a nawet -100°C. Powyżej mezopauzymezopauzamezopauzy znajduje się warstwa nazywana termosferątermosferatermosferą z temperaturą rosnącą aż do 1000°C, a  na wysokości 500‑600 km nawet do 1500°C. Powyżej jej górnej granicy – termopauzytermopauzatermopauzy – znajduje się egzosferaegzosferaegzosfera, 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 (hektopaskalihektopaskalhektopaskali) na poziomie morza przez 200 hPa na granicy z tropopauzą, 1 hPa na granicy stratopauzy aż do 0,000 001 hPa w egzosferze.

R1BXgaF2Gbttr

Ilustracja przedstawia przekrój pionowy przez warstwy atmosfery. Odcieniami koloru granatowego, od najjaśniejszego najniżej do najciemniejszego najwyżej, przedstawiono pięć warstw: troposferę, stratosferę, mezosferę, termosferę i egzosferę. Z lewej strony ilustracji opisano wysokości w kilometrach. Troposfera - kolor żółty do dwunastu kilometrów. Stratosfera - kolor zielony do pięćdziesięciu kilometrów (w jej górnej części warstwa ozonosfery). Mezosfera - kolor fioletowy do osiemdziesięciu kilometrów. Termosfera - kolor granatowy do pięciuset kilometrów. Egzosfera - kolor różowy do powyżej pięciuset kilometrów. Warstwy oddzielone są liniami. Za pomocą czerwonej linii zaznaczono przebieg temperatury w poszczególnych warstwach. Pod ilustracją opisano wartości temperatury w stopniach Celsjusza od minus dwustu stopni Celsjusza do tysiąca stopni Celsjusza. W troposferze temperatura spada od zera stopni Celsjusza w dolnej warstwie do minus pięćdziesięciu stopni Celsjusza w warstwie górnej. W stratosferze temperatura wzrasta od minus pięćdziesięciu stopni Celsjusza w dolnej warstwie do zera stopni Celsjusza w warstwie górnej. W mezosferze temperatura spada od zera stopni Celsjusza w dolnej warstwie do minus stu stopni Celsjusza w warstwie górnej. W termosferze temperatura wzrasta od minus stu stopni Celsjusza w dolnej warstwie do tysiąca stopni Celsjusza w warstwie górnej. W egzosferze temperatura spada od tysiąca stopni Celsjusza w dolnej warstwie do minus dwustu stopni Celsjusza w warstwie górnej. W każdej warstwie umieszczono obiekty lub zjawiska charakterystyczne dla danej warstwy i wysokości. W troposferze jest to samolot oraz kończący się nieco niżej szczyt Mount Everest. W stratosferze – balon pogodowy. W mezosferze – meteory. W termosferze – zorze. W termosferze poziomą linią zaznaczono umowną granicę kosmosu na wysokości stu kilometrów. Na linii i nieco powyżej zaznaczono na zielono zorzę polarną, a powyżej niej narysowano prom kosmiczny.

R1V3tMQ4gBxm2

Na zdjęciu okrągły, metalowy barometr. Podziałka na białym tle w zakresie od dziewięciuset osiemdziesięciu do tysiąca pięćdziesięciu hektopaskali z zaznaczonymi kreskami co jeden hektopaskal. Jednostki opisane co dziesięć hektopaskali. Obok skali znajdują się piktogramy znaków używanych na mapach pogodowych. Przy ciśnieniu dziewięćset dziewięćdziesiąt hektopaskali znajduje się piktogram chmury, z której pada deszcz. Przy ciśnieniu tysiąc dziesięć hektopaskali znajduje się piktogram słońca częściowo zakrytego chmurą. Przy ciśnieniu tysiąc trzydzieści hektopaskali znajduje się piktogram słońca. Po środku dwie cienkie wskazówki, z których dłuższa wskazuje na tysiąc szesnaście hektopaskali, a krótsza na tysiąc czterdzieści dwa hektopaskale. W dolnej części tarczy zapis jednostki pomiarowej - hektopaskal. Poniżej nazwa: barometr.

RyHg5Gs48VfVs

Na zdjęciu prostokątny metalowy przyrząd w formie żółtego pudełka. Na przedniej ścianie wyłącznik, przełączniki i pokrętło. Na froncie, na srebrnym polu opisy: slow, med, fast. Obok opis pokrętła z zerem pomiędzy dwoma trójkątami prostokątnymi. Obok napis mbar - milibar. W prawym rogu: on, off, bat większe od siedem. W okienku na wyświetlaczu liczba dziewięćset piętnaście. W górnej części urządzenia na srebrnym polu opis zasięgu barometru: Range - zasięg od zera do tysiąca trzystu milibarów. Powyżej dwie cyfry: zero i jeden.

Rg0ezb2RU20mq

Na zdjęciu domowa stacja pogodowa w kształcie prostokąta. Czarno‑srebrna ramka, duży wyświetlacz, na którym znajdują się różne dane. Na wyświetlaczu piktogram używany na mapach pogodowych, różne liczby. Informacje na ekranie, które zapisane są w języku angielskim to: godzina, data, siła wiatru, prawdopodobieństwo opadów, ciśnienie atmosferyczne, temperatura wewnątrz i na zewnątrz oraz wilgotność powietrza. Po prawej stronie przyciski do ustawienia stacji pogodowej.

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.

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 termicznąinwersja termicznainwersją 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 powietrzaamplituda temperatury – różnica pomiędzy największą i najmniejszą jej wartością zmierzona w danym okresie. Przykładowo jedne z największych amplitud dobowychamplituda dobowa temperatury powietrzaamplitud 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 rocznychamplituda roczna temperatury powietrzaamplitud 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).

Rh56m1fDq25Sl

Na zdjęciu termometr zaokienny w formie długiej, szklanej rurki. Składa się z ze zbiornika z czerwoną cieczą, który jest połączony z cienką szklaną rurką. Umieszczona wzdłuż niej skala umożliwia odczyt temperatury. Im wyższa temperatura, tym wyższy słupek czerwonej cieczy w termometrze. Temperatury poniżej zera stopni oznaczone są kolorem niebieskim od zera do minus pięćdziesięciu stopni Celsjusza. Temperatury powyżej zera stopni oznaczone kolorem czerwonym od zera do pięćdziesięciu stopni Celsjusza.

RjWrQFDlgg7RB

Na zdjęciu termometr bimetaliczny w formie okrągłego przyrządu. Termometr ma metalową ramkę. Tło tarczy białe. Po środku są dwie czarne wskazówki, z których pierwsza wskazuje wartości w górnej części tarczy, a druga w dolnej. Dwie odrębne podziałki dla każdej wskazówki. Górna połowa skali oznaczona na czerwono w zakresie od zera do stu dwudziestu stopni Celsjusza. Dolna połowa skali oznaczona na niebiesko w zakresie od zera do sześciu dziesiątych megapaskala. W tle rury owinięte folią termiczną.

R500h9xztmAFE

Na zdjęciu prostokątny termometr cyfrowy w białej ramce. Czarny wyświetlacz podaje różne dane: za pomocą piktogramów w postaci chmurek i słońca przedstawiono stopień zachmurzenia, poniżej podano godzinę, datę, temperaturę i wilgotność powietrza. W dolnej części znajduje się kilka opisanych przycisków: mode - tryb , adjust - regulacja, set - konfiguracja , snooze - drzemka.

Ciekawostka

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.

R1Obm4k5tuicQ

Na pierwszym planie zdjęcie przedstawia rozległą dolinę pozbawioną roślinności. Dolinę otaczają rozległe i niewysokie góry. W tle kolejne wyższe pasma górskie. Bezchmurne niebo.

RkIDtAfJ5yoxw

Na zdjęciu rozległa dolina wypełniona białym osadem. Dolinę otaczają rozległe i wysokie pasma górskie. Na pierwszym planie kępy traw. W tle niebo pokryte gęstymi chmurami.

Rp7JHTbKM7SI2

Na zdjęciu okrągły przyrząd z białą tarczą, podziałką od minus sześćdziesięciu do stu czterdziestu stopni Fahrenheita i czerwoną wskazówką. To termometr. Wskazówka wskazuje wartość sto dwadzieścia stopni Fahrenheita. W tle z lewej strony zabudowania. Z prawej strony krzewy.

Ważne!

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.

RBXGT38iN4cqE

Zdjęcie przedstawia klatkę meteorologiczną. To skrzynka ze spadzistym w tył daszkiem. Ściany i drzwiczki ażurowe. Skrzynka na wysokich, dwumetrowych nogach. Do skrzynki można się dostać po schodkach. Schodki mają 4 stopnie. Wszystko pomalowane białą farbą. W tle zielony trawnik.

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.

Praca domowa

Wyjaśnij, dlaczego klatki meteorologiczne muszą być przewiewne, drewniane i białe.

Rylczmp8xUHQQ

(Uzupełnij).

Pokaż podpowiedź#15537cwhite

Pokaż podpowiedź

Jest to związane z tym, aby pomiary były jak najbardziej dokładne.

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.

RhmaOpERWCNRL

Papier milimetrowy w kolorze niebieskim, z liniami co jeden milimetr. Na papierze narysowano podkład do wykresu. Z lewej strony oś pionowa. Co jeden stopień oznaczono temperaturę w stopniach Celsjusza od minus cztery do plus osiemnaście stopni. Na osi poziomej narysowanej na wysokości zera stopni Celsjusza oznaczono liczbami rzymskimi poszczególne miesiące od stycznia do grudnia.

R1IyEXL6sTOct

Załącznik z dokumentem pdf do pobrania.

Załącznik z dokumentem pdf do pobrania. Pobierz załącznik

Pokaż podpowiedź#15537cwhite

Pokaż podpowiedź

Nanieś na wykres wartości średnich temperatur powietrza dla każdego miesiąca, a następnie połącz je linią ciągłą.

Opisz na podstawie dostępnej wiedzy i własnych obserwacji jakie są średnie miesięczne temperatury w miejscu, w którym mieszkasz.

RdryIgVxrF22y

(Uzupełnij).

Słownik

inwersja termiczna

inwersja termiczna

zjawisko meteorologiczne zachodzące w dolnej warstwie atmosfery, polegające, odwrotnie niż w zazwyczaj spotykanych warunkach, na wzroście temperatury wraz z wysokością

R10MLHYxmR4RV

Zdjęcie krajobrazu. Na pierwszym planie błotnista ziemia. Z prawej strony droga i trawa. W tle teren górzysty. W centralnej części dom, z komina unosi się dym, do pewnej wysokości pionowo. Potem dym rozchodzi się w poziomie. Dym zatrzymywany jest przez cieplejsze powietrze w postaci poziomej chmury pary wodnej, wyjątkowo zalegające powyżej chłodniejszego powietrza.

Ćwiczenia