Казалось бы, все знают, что такое температура воздуха. Однако нередко показания термометров различны. Поэтому рассказ о тепловом режиме атмосферы начнем с точной формулировки. Температура воздуха — это температура, показываемая термометром в условиях его полного контакта с атмосферным воздухом. При метеорологических наблюдениях за температуру воздуха принимается температура, измеренная термометром, установленным на высоте 2 м над поверхностью почвы, вдали от жилья, защищенном от действия прямой солнечной радиации и хорошо вентилируемом. Эта температура может быть другой в более низких частях приземного слоя. Так, например, в жаркие летние дни случается, что температура воздуха на высоте 2 м на 10° и более ниже, чем у самой земли, где слабы ветер и перемешивание. Существенно различаются температуры на высоте 2 м и в более высоких слоях воздуха, порядка 30 м и более.

Тепловой режим атмосферы — это характер распределения и изменения температур в атмосфере. Он определяется теплообменом с окружающей средой — деятельной поверхностью Земли и космическим пространством. Солнечное тепло поглощается в основном верхними слоями, в целом же атмосфера поглощает его слабо, а в отдельных слоях — незначительно. Нижние слои получают, тепло главным образом от деятельной поверхности, которая нагревается в дневные часы, становится теплее воздуха и отдает ему свое тепло, ночью наоборот — деятельная поверхность теряет тепло излучением, становится холоднее, и тогда уже воздух отдает свое тепло почве.

Большое влияние на нагревание атмосферы оказывает поверхность, к которой она непосредственно прилегает. При этом влияние суши и водной поверхности неодинаково. Суша возвращает воздуху большую часть полученного ею лучистого тепла — 35–50 %, в то время как вода большую часть тепла отдает нижележащим глубинным слоям. На нагревание воздуха уходит немного тепла, так как оно в значительной степени затрачивается еще и на испарение воды. Отсюда следует, что в периоды нагревания суши воздух над ней теплее, чем над водными пространствами. В теплое время года океаны, моря и крупные озера накапливают в толще вод огромные запасы тепла и отдают его воздуху в зимнее время. Вот почему зимой воздух над водными поверхностями теплее, чем над сушей. Но и сама поверхность суши неоднородна, она состоит из лесов, болот, степей и т. д., и отдача тепла, следовательно, неодинакова. Над снежным покровом температура воздуха понижается.

Температура изменяется в течение суток. Минимальная температура воздуха на высоте 2 м бывает перед восходом солнца. Как только солнце появляется над горизонтом и начинает подниматься, в течение 2–3 часов температура растет быстро, затем медленнее и, наконец, в 14–15 часов наступает максимум. Затем начинается процесс понижения температуры — вначале медленный, а затем все более быстрый. Над океанами и морями максимум температуры воздуха наступает на 2–3 часа раньше, чем над материками. Представление о суточном ходе температуры получают осреднением данных наблюдений за многолетний период. Вторжение теплых или холодных воздушных масс искажают этот осредненный ход — холодная воздушная масса понижает температуру, а теплая масса, пришедшая ночью, может ее повысить.

Изменение температуры в пределах суток (амплитуда) зависит от ряда причин: географической широты места, времени года, характера деятельной поверхности, облачности, рельефа местности и высоты над уровнем моря. Наибольшая суточная амплитуда колебаний температуры воздуха наблюдается в субтропиках и убывает к высоким широтам. В тропических областях она примерно 12°, в умеренном — 8–9°, у Полярного круга — 3–4°, в Заполярье — 1–2 °C.

В зависимости от времени года наибольшие амплитуды в умеренных широтах бывают зимой, а наименьшие — летом. В полярную ночь почти нет суточного хода температуры. В Заполярье наибольшие амплитуды (5–6°) отмечаются весной и осенью. В тропиках наблюдаются наибольшие амплитуды суточных температур, мало зависящие от времени года. Например, в пустынях тропических широт в течение всего года амплитуды равны 20–22°.

Над водной поверхностью амплитуда суточного хода меньше, чем над сушей — порядка 2–3°. Чем дальше от моря, тем амплитуда больше — до 20–22°. В степях и пустынях в пределах одних суток они могут достигать 30°.

Рельеф местности сильно влияет на суточный ход температуры. Такие формы рельефа, как котловины, долины, ложбины, больше соприкасаются с воздухом — днем он здесь застаивается, а ночью, охлаждаясь, стекает на дно. Поэтому увеличивается дневной нагрев и ночное охлаждение воздуха внутри вогнутых форм, а значит, и разница дневных и ночных температур. В то же время рельеф выпуклых форм — гор, холмов, возвышенностей — имеет меньшую поверхность соприкосновения с воздухом. Амплитуда суточного хода температуры здесь меньше. Чем выше место над уровнем моря, тем быстрее уменьшается амплитуда суточного хода температуры воздуха.

Рассмотрим теперь годовой ход температуры, который определяется в первую очередь годовым ходом температуры деятельной поверхности. Разницу между среднемесячными температурами самого холодного и теплого месяца называют амплитудой годового хода. В северном полушарии на материках это — июль и январь. По отношению к этим месяцам на океанах и их побережьях экстремальные температуры несколько запаздывают — максимум наступает в августе, а минимум — в феврале-марте. Амплитуды годового хода температуры гораздо больше над сушей, чем над поверхностью воды. Очень большое значение имеет также географическая широта места — наименьшая годовая амплитуда наблюдается в экваториальной зоне, а наибольшая — в полярных широтах. Велика роль и высоты места над уровнем моря. Чем выше точка, тем меньше амплитуда колебаний. Погодные условия — туман, дождь и, в первую очередь, облачность — оказывают заметное влияние на годовой ход температуры. Когда в зимнее время нет облачности, средняя температура самого холодного месяца становится холоднее среднего. В различных географических шпротах различен и годовой ход температуры.

По многолетним наблюдениям могут быть выявлены определенные типы годового хода температуры, представляющие собой правильные периодические колебания. Это — экваториальный, тропический, тип умеренного пояса и полярный. Каждому из них соответствуют в среднем определенные условия продолжительности зимы и лета, время и величина максимальных и минимальных температур. Но в отдельные годы эта общая картина нарушается из-за вторжения различных воздушных масс. Так, частые вторжения морских воздушных масс на сушу приводят к уменьшению амплитуд, а холодных континентальных масс воздуха на побережье океанов и морей — к увеличению. В весеннее время при вторжении масс воздуха из Арктики происходят значительные похолодания, возвраты холодов. Например, 12–16 мая 1954 г. в Ленинграде температура воздуха была от —1° до 6°. Волна холода вторгалась 15 мая 1912 г. в Якутию и понизила там температуру до —10°. Осенью при поступлении теплых масс воздуха из тропиков в умеренные широты наблюдаются возвраты тепла — «бабье лето».

Чтобы представить себе распределение температуры на больших территориях, вычерчивают карты изотерм — линий равных значений температуры в данный момент пли в среднем за определенный промежуток времени (сутки, месяц, сезон и т. д.). Уже говорилось, что температура воздуха в среднем убывает с высотой. Поэтому, чтобы наблюдения, произведенные в разных пунктах, были сравнимы между собой, измеренную температуру приводят к уровню моря, исходя из того, что в тропосфере на каждые 100 м высоты она понижается в — среднем на 0,6°. Изотермы могут проводиться на картах с интервалами в 1, 2, 4, 5 и 10°. Распределение температуры в разное время года отражают прежде всего среднемесячные карты наиболее теплого месяца (июля) и наиболее холодного (января). Казалось бы, эти изотермы должны повторять широтные круги. Однако январские изотермы не совпадают с ними, имеют различные изгибы, особенно отчетливые в северном полушарии в районах границы суши и моря, где велико различие температур воздуха. В южном полушарии с огромной поверхностью океанов изотермы приближаются к широтному направлению.