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日志

气温随想

热度 1已有 637 次阅读2016-4-7 07:47 |个人分类:地理学科|系统分类:地理学科| 辐射量, 臭氧层, 温度计, 学生会, 紫外线

    我们常说,一天当中,14点左右气温最高。

但有学生会说:感觉还是正午的时候热一些。

气温,是空气的温度。通常所测气温,是近地面的气温。由于大气的热量是可以累积的,其变化取决于热量收支差额变化,正午是一天当中热量收入最多的时候,但是气温在14点才打到最高。

学生感觉中午还热一些,他们感受到的“瞬间太阳辐射量”,而非是太阳的直接辐射在身上所输送的热量,换言之,是因为他们觉得“太阳很晒”,并非气温。气象站的温度计是放置在百叶箱当中的,避免太阳的直接照射,测出来的才是真正的气温。假如置身于林荫,感觉12点就不如14点那么热了。另外的原因是,太阳并非大气的直接热源,地面才是——所以热量由地面传递到大气,有一个滞后时间差。

地面是大气的直接热源——那么一个很自然的推论是,海拔越高,离平均地面越远,气温也就越低。除了平流层中因为有臭氧层吸收紫外线导致逆温外,其余海拔上应该遵循这个规律。

然而令人惊讶的是,事实并非如此。高层大气的气温变化很复杂:先是随海拔升高而降低,然后随海拔升高而升高。原因在哪里?

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让我们回到温度的原初定义。温度是粒子平均动能的体现。我们刚开始分析气温时的思路是:每种大气成分都有它对应的辐射吸收频谱。由于太阳辐射以可见光为主,而大气对于可见光几乎是透明的,因此太阳辐射没能成为大气的直接热源;而地面辐射作为红外辐射,能被大气中的二氧化碳和水汽强烈吸收,因此地面辐射成为大气的直接热源。

但是,在某一高度,由于太阳辐射过于强烈,能将空气分子强烈离解。臭氧就是一个氧原子被离解成原子后,一个氧原子与另一个氧气分子结合形成的。在大气最顶层(散逸层),离解更强烈,粒子基本呈电离的原子态。这时候,吸收太阳辐射的,就不再限于某一空气成分,而是全员参与了。因此,海拔越高,气温也就越高。

但是我们知道,海拔高到一定程度,就是宇宙空间了。而宇宙空间的温度却是接近绝对零度的。这又怎么解释这幅气温变化图呢?

还是回到温度定义:温度是粒子平均动能,因此是单个粒子的动能以及粒子的密度的函数。在大气顶层,单个粒子可能会被激发出极高的动能,但是由于粒子极度稀薄,接近真空,皮之不存,毛之焉附,“气”都快没了,“气温”这个词又怎能名正言顺使用了呢?所以气温垂直分布图上的曲线末端是用虚线来表示的。

一艘宇宙飞船,向阳的一面“热”得要命,是因为太阳辐射强烈,但此时宇宙空间的温度(与“气温”无关)却是接近绝对零度,因此,宇宙飞船的背阳面是冷得要命的。

我们通常用“地面是大气的直接热源”来解释青藏高原气温低,其原理是:

1、  青藏高原空气稀薄,空气粒子密度小,因此动能密度也小;

2、  大气稀薄、多晴朗天气,大气逆辐射弱,对地面的红外热辐射返还量少;

然而,这里有一个困惑:高原面本身也是地面,也是热源,也可以为空气提供热量啊。青藏高原有强烈的太阳辐射,即便有大量的地面辐射因大气稀薄而倾泻向太空,鲜有返回,但是在达到平衡的状态下,仍然应该有一个比较高的温度才对啊(想象宇宙空间的飞船向阳的一面在达到辐射平衡的状态吧)。退一步说,即便高原地区气温不高,地温也应该不低才是。因此,凭以上两点,恐怕是难以充分解释高原的低温的。

必定有其他机制制约着青藏高原的热量收支。根据之前的推论,由于有高原面的供热,高原面的温度高于同高度的自由大气。因此,青藏高原和周围同高度的自由大气存在热量交换。高原面除基底外其他面都和自由大气接触,接触面大,热量交换更充分。高地形与周边地方的热量交换形式,有山谷风、高原季风等。青藏高原的壁障作用导致西风的绕流,不知道是否也会加剧热量逸散。另外,虽说大气对于太阳辐射基本是透明的,但是低海拔地区的厚层大气对太阳辐射的散射和吸收还是较多的,也是可观的。考虑到大气垂直直减率(γ)一般小于干绝热直减率(γd),即便高原季风从低海拔地区吹到高原面,也难以带来热量收入。

以上是个人随便想想,可能并不准确。

发表评论 评论 (1 个评论)

回复 叶片水滴 2016-4-7 13:27
好仔细的思考

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