Temperatura na Ziemi

Temperatura na Ziemi jest zróżnicowana, a wpływ na to mają liczne czynniki. Najważniejszym źródłem energii na Ziemi jest promieniowanie Słońca, ale to specyfika ziemskiej atmosfery powoduje, że na naszej planecie jest tak ciepło.

Spis tematów (kliknij, aby przejść do wyboru tematów)

Atmosfera

II Temperatura na Ziemi

1. Bilans energetyczny Ziemi

Mierzenie temperatury na Ziemi nie może być oderwane od źródła jej pochodzenia. Zasadniczo Ziemię ogrzewają dwa źródła: Słońce (emitowane przez nie promieniowanie) oraz energie pochodząca z wnętrza Ziemi. Na powierzchni odczuwamy w znacznie większym stopniu efekt oddziaływania Słońca. Jednak to dzięki ziemskiej atmosferze średnia temperatura na Ziemi wynosi około 15°C.

Uproszczony bilans energetyczny Ziemi

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ea/Sun_climate_polish3.svg/1280px-Sun_climate_polish3.svg.png

Do zewnętrznych granic ziemskiej atmosfery dociera około 342 watów enegii na każdy metr kwadratowy. Jednak do samej powierzchni Ziemi dociera już tylko około 58% tej energii, a pochłonięte przez Ziemię zostaje zaledwie 49%. Resztę: odbijają pyły w atmosferze (23%), odbija powierzchnia Ziemi (9%), albo pochłania atmosfera (16%) i chmury (3%). Promieniowanie docierające ze Słońca do Ziemi nazywamy krótkofalowym. Mała długość fali powoduje, że jednak większość tego promieniowania jest w stanie przedostać się przez atmosferę do powierzchni Ziemi.

Tymczasem Ziemia oddaje ciepło w postaci promieniowania długofalowego zwanego też cieplnym. Nie jest ono widoczne dla nas gołym okiem, ponieważ jest ono w spektrum podczerwieni. Wyższa długość fali powoduje, że atmosfera staje się znacznie mniej przepuszczalna dla tego promieniowania (atmosfera jest więc selektywnie przepuszczalna dla promieniowania). Zostaje ono pochłonięte przez atmosferę i skierowane ponownie w kierunku Ziemi. W ten sposób dochodzi do efektu cieplarnianego, którego wpływ na Ziemię jest pozytywny. Gdyby nie to zjawisko, średnia temperatura Ziemi wynosiłaby od -18°C do -27°C, co czyniłoby ją niezdatną do zamieszkania.

Za zatrzymanie promieniowania długofalowego odpowiadają różne gazy, najsilniej para wodna, a ponadto między innymi dwutlenek węgla, ozon i metan. Nadmierny wzrost emisji CO2 do atmosfery (ale też metanu i ozonu w troposferze, gdzie jest szkodliwy – w przeciwieństwie do ozonu stratosferycznego), prowadzi do procesu zwanego globalnym ociepleniem, czyli wzrostu temperatury średniej Ziemi. To bardzo niekorzystne zjawisko przyczynia się do suszy i większej liczby ekstremalnych zjawisk klimatycznych.

Z rozpraszaniem fal słonecznych w atmosferze wiąże się także zjawisko koloru nieba. W ciągu dnia, gdy Słońce góruje wysoko, droga jaką ma do przebycia promieniowanie w atmosferze jest stosunkowo krótka, więc atmosfera najlepiej rozprasza promieniowanie w zakresie niskiej długości fali – odpowiadające kolorowi niebieskiemu. Dlatego „niebo jest niebieskie”. Jednak wieczorami o zachodzie lub o poranku – o wschodzie Słońca, gdy fala słoneczna ma do przebycia grubszą atmosferę, atmosfera lepiej rozprasza promieniowanie na długości odpowiadającej barwom czerwieni i pomarańczy.

2. Pomiary temperatury powietrza

Temperatura różni się w zależności od ekspozycji na rodzaj promieniowania. Cieplej jest, jeżeli powierzchnia Ziemi poddana jest promieniowaniu bezpośredniemu. Taka sytuacja występuje przy bezchmurnej pogodzie, gdy promienia Słońca bez przeszkód docierają do powierzchni Ziemi. Inaczej jest gdy niebo jest zachmurzone – i chmury przesłaniają Słońce. Do Ziemi dociera wtedy promieniowanie rozproszone, a temperatura jest wyraźnie niższa.

W pomiarach temperatury wyróżnia się:

temperaturę aktualną (chwilową) – występującą dokładnie w momencie wykonania pomiaru w danym miejscu.
średnią temperaturę dla wybranego okresu – najczęściej dobową (na podstawie całodniowego pomiaru), miesięczną (na podstawie średnich temperatur dla wszystkich dni miesiąca), roczną (na podstawie średniej temperatury dla wszystkich miesięcy roku) oraz średnią z wielolecia (średnia temperatura dla danego okresu na podstawie wieloletnich obserwacji – to pozwala obiektywnie ocenić klimat miejsca).

Średnia temperatura Ziemi wynosi obecnie (według najnowszych pomiarów) około 14,9°C – w przybliżeniu 15 stopni Celsjusza. Jest ona zróżnicowana – w zależności od miejsca. Najwyższą średnią temperaturą cechują się okolice zwrotników – stale bezchmurne i silnie nasłonecznione. Może tam dochodzić do nawet 30°C średniej rocznej temperatury. Bardzo ciepłe są też okolice równika (ponad 20°C), ale ze względu na znaczące opady – chłodniejsze od zwrotników, mimo teoretycznie korzystniejszego położenia. Średnią temperaturę na poziomie kilku-kilkunastu stopni mają strefy umiarkowane. Najzimniejsze są z kolei obszary okołobiegunowe – nawet poniżej -10°C.

Średnie roczne temperatury powietrza na Ziemi

Źródło: https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/R1C8rM1k7HxeB/4/960/27T30prVKEQWGXxp0jvHXGI4NrtFHkp6.png

3. Czynniki kształtujące temperaturę na Ziemi

Szerokość geograficzna – Najważniejszy i podstawowy czynnik, który determinuje w największym stopniu temperaturę danego miejsca. Ze względu na ruch obiegowy i obrotowy Ziemi, do różnych obszarów dostarczana jest różna ilość energii Słonecznej. Jej ilość zależy właśnie od szerokości geograficznej. Im położenie bliższe równikowi, tym wyższy kąt padania promieni słonecznych i większa dostawa ciepła, a przez to – wyższe temperatury powietrza. Wynika to z faktu, że wiązka światła padająca pod wyższym kątem ma mniejszą powierzchnię do ogrzania.

Porównanie obszaru, jaki musi oświetlić ta sama wiązka promieni pod różnymi kątami

Źródło: Opracowanie własne – Krzysztof Grabias.

Prądy morskie – w praktyce drugi najistotniejszy czynnik kształtujący temperaturę powietrza w skali globalnej. To właśnie prądy morskie (w największym stopniu) powodują, że izotermy na mapach nie pokrywają się z równoleżnikami, ale są powyginane. Ciepłe prądy morskie istotnie podnoszą temperaturę obszaru na który oddziaływają, z kolei zimne – obniżają ją. Np. obszary Europy są ogrzane przez prąd Północnoatlantycki, a leżące na tej samej szerokości geograficznej obszary Kanady – ochłodzone przez prąd Labradorski. Mimo jednakowej odległości od równika, północna Europa jest znacznie cieplejsza od Kanady.

Porównanie klimatogramów miejsc o tej samej szerokości geograficznej – inny prąd morski

Źródło: Opracowanie własne.

Odległość od mórz i oceanów – ten czynnik wpływa nie tylko na samą wysokość temperatury, ale przede wszystkim na jej amplitudę. Obszary nadmorskie mają temperatury mniej skrajne, lata są mniej gorące, a zimy łagodniejsze. Tymczasem obszary w głębi lądu potrafią bić rekordy termiczne – zarówno zimna jak i ciepła. Wynika to z mniejszej prędkości nagrzewania się zbiorników wodnych, ale też dłuższego zatrzymania przez nie ciepła.

Klimatogram Jakucka na Syberii – różnica między zimą i latem to nawet 60 stopni!

Źródło: https://images.climate-data.org/location/1806/climate-graph.png?ezimgfmt=ng:webp/ngcb1

Wysokość nad poziomem morza – wraz ze wzrostem wysokości spada temperatura powietrza. Ma to znaczenie lokalne i dotyczy przede wszystkim obszarów wysokogórskich. Średni spadek temperatury wraz z wysokością w przeciętnym powietrzu wynosi 0,6°C / 100 metrów wysokości. Nosi to nazwę gradientu wilgotnoadiabatycznego. Jednak czasami zdarzają się sytuację, gdy mamy do czynienia z całkowicie suchym powietrzem. Wtedy zmiana temperatury wynosi 1°C/100 m. Nosi to nazwę gradientu suchoadiabatycznego. Innym zjawiskiem, które może wystąpić w górach jest inwersja temperatury. To skrajny przypadek, gdy na obszarach położonych wyżej jest cieplej niż na tych położonych niżej. Takie szczególne zjawisko może być powodowane na kilka sposobów. Często można je zaobserwować w wyniku pojawiania się wiatru dolinnego i wiatru górskiego. Zmiana temperatury wraz z wysokością prowadzi do ciekawych zjawisk. Np. położony w strefie międzyzwrotnikowej najwyższy szczyt Afryki – Kilimandżaro (a dokładniej Kibo), jest ośnieżony, choć u jego podnóży żyją słonie i żyrafy.

Kilimandżaro jest ośnieżone, a u podnóży średnia temperatura wynosi ponad 30 stopni

Źródło: http://www.national-geographic.pl/media/cache/default_view/uploads/media/default/0008/59/2e4d3e4d283376be1ebc5907c60f327f043d6864.jpeg

Ponieważ Kilimandżaro znajduje się na wysokości 5895 m.n.p.m., a teren pod wzniesieniem – 100 m.n.p.m., różnica wysokości wynosi 5795 m. Można dzięki temu obliczyć, o ile zimniej jest na szczycie niż pod wzniesieniem:

0,6°C – 100 m
? – 5795 m
? = 34,8°C

Wiedząc, że w regionie Kilimandżaro w Tanzanii średnia roczna temperatura wynosi 30,5°C, widzimy że w masywie Kilimandżaro stale panuje temperatura około -4,3°C.

Cyrkulacja atmosferyczna – ma zarówno globalny jak i lokalny wpływ na temperaturę. Na pewnych obszarach Ziemi, cyrkulacja zachodzi w stały, powtarzalny sposób, co przyczynia się min. do wysuszenia i ogrzania zwrotników. Z kolei w niektórych obszarach nagłe napływy frontów atmosferycznych mogą drastycznie zmieniać chwilową temperaturę.
Ekspozycja stoków (rzeźba terenu) – ma znaczenie lokalne, jeżeli teren nie jest płaski to posiada ekspozycję, czyli „wystawienie” stoku w stronę północną lub południową. W zależności od półkuli na której znajduje się badany punkt, jedna ze stron stoku dostanie zawsze większą energię słoneczną, np. na półkuli północnej lepsze są stoki południowe, ponieważ Słońce zawsze świeci z południa.
Charakter podłoża – czynnik o wybitnie lokalnym znaczeniu. Rodzaj powierzchni i co ważniejsze – jej kolor, wpływają na wielkość odbicia promieniowania słonecznego. Albedo nazywamy stosunek promieniowania odbitego do padającego. Im wyższe albedo, tym mniej pochłoniętego ciepła. Najwięcej ciepła pochłaniają powierzchnie o ciemnych kolorach, z kolei jasne – odbijają najwięcej światła. Min. dlatego asfalt jest zawsze gorętszy niż trawnik. Albedo wybranych powierzchni:

– Świeży śnieg (biały) – 80 do 95%
– Lód morski – 50 do 70%
– Piasek pustyni – 40%
– Zielona trawa – 25%
– Las liściasty – 15%
– Las iglasty – 10%
– Woda morska – 6%
– Asfalt – 4%

Zurbanizowanie – ostatni z silnie lokalnych czynników wpływających na temperaturę. Obszary miast o sztucznym ogrzewaniu, ciemnych nawierzchniach i dużym skupieniu ludzi są zdecydowanie cieplejsze niż obszary wsi.

4. Ekstrema temperatury

Temperatura Ziemi jest zróżnicowana w zależności od pory roku. Najcieplejszym miesiącem dla półkuli północnej jest lipiec, a najchłodniejszym – styczeń. Mamy wtedy do czynienia z ekstremami termicznymi – skrajnie wysokimi lub niski temperaturami, znacznie odbiegającymi od średniej dla danego miejsca.

Średnie temperatury powietrza w lipcu

Źródło: https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/R1RScMAFM0cv1/4/960/1gMgvveqYGBNiUVx4AF2B3D5Kjajfrl2.png

To właśnie w lipcu odnotowano najbardziej skrajne temperatury w historii Ziemi. 10.07.1913 odnotowano najwyższą na świecie temperaturę: 56,7°C w Dolinie Śmierci w stanie Kalifornia w USA. Z kolei 21.07.1983 r. na rosyjskiej stacji Wostok na Antarktydzie odnotowano najniższą temperaturę na Ziemi: -89,2°C.

Średnie temperatury powietrza w styczniu

Źródło: https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/R1MwHNSpvQ7fQ/4/960/h5SqrFBewq6dNF0Z3sPrjKzm3P8wdHWr.png

Rekordy stycznia nie są wiele „gorsze” od tych z lipca. W Oodnadatta (Australia) odnotowano najwyższą temperaturę półkuli południowej: 50,7°C. Z kolei we wsi Tomtor (Rosja) odnotowano najniższą temperaturę na półkuli północnej: -72,2°C, a zarazem najniższą temperaturę w miejscu stale zamieszkanym przez człowieka.

5. Amplituda temperatury

Amplituda temperatury to różnica między maksymalną i minimalną temperaturą. Amplitudę można mierzyć w dowolnych odcinkach czasu, jednak najczęściej mierzy się amplitudę dobową oraz roczną.

Amplituda dobowa będzie zróżnicowana w zależności od pogody – w bezchmurne dni będzie zdecydowanie cieplej niż w pochmurne. Nocą nastąpi też wypromieniowanie ciepła z podłoża i noce w bezchmurne dni są chłodniejsze niż w pochmurne. Z tego powodu także amplituda jest wyższa w bezchmurne dni niż w pochmurne. W cyklu dobowym najcieplejszym momentem dnia jest okres około 2 godzin po górowaniu Słońca (przyjmując, że Słońce góruje o 12:00 jest to godzina 14:00 – 15:00). Z kolei najchłodniej jest około 3:00 w nocy.

Najwyższe dobowe amplitudy temperatury mają obszary gorących pustyń. Podłoże nie zatrzymuje ciepła, a bezchmurna pogoda sprzyja jego wypromieniowaniu w nocy. Z kolei w ciągu dnia piasek nagrzewa się bardzo silnie. W ciągu dnia temperatury powietrza mogą przekraczać 50°C, a w nocy mogą być nawet ujemne – dobowa amplituda może wynosić nawet 60°C.

Średnia roczna amplituda temperatury powietrza

Źródło: https://static.epodreczniki.pl/portal/f/res-minimized/R1KueUnhrZkcR/7/960/1Gw79Xa6EHEST5BP80eVm5dI7ahVEDGB.png

Średnia roczna amplituda temperatury powietrza to różnica między temperaturą średnią najchłodniejszego i najcieplejszego miesiąca. Najwyższe różnice na Ziemi spotkamy na obszarach położonych w głębi lądu, z dala od łagodzących klimat mórz i oceanów. Wschodnia Syberia cechuje się roczną amplitudą przekraczającą nawet 60°C. Duża jest też amplituda Kanady, Grenlandii czy Antarktydy. Najniższą, prawie zerową amplitudę odnotujemy z kolei w okolicach równika, gdzie dostawa energii jest niemal jednakowa każdego dnia.