Atmosfera - obieg ciepła

Słońce - źródłem energii
Promieniowanie słoneczne(głównie krótkofalowe) jest prakty-cznie jedynym źródłem energii docierającym przez atmosf. do powierzchni Ziemi. Wprawdzie ciepło dostarczane jest także przez Ziemię (przemiany termojądrowe, ciepło pochodzące z wnęt. Ziemi), lecz w niewielkich ilościach.
Do głównych czynników wpływających na przebieg procesów modyfikujących zachodzących w atmosferze należą: kąt padania promieni słonecznych, długość dnia, zawartość pary wodnej oraz aerozoli, przezroczystość atmosfery. Także cechy powierzchni Ziemi, takie jak ekspozycja i nachylenie stoków, pokrycie terenu, szorstkość i barwa podłoża, wpływają na dawkę pochłoniętego promieniowania.
Ziemia wraz z atmosferą otrzymuje ciepło w wyniku pochłaniania promieniowania słonecznego i jednocześnie w wyniku wypromieniowania - oddaje ciepło. Dlatego Ziemia znajduje się w stanie równowagi cieplnej, co oznacza, że dopływ krótkofalowego promieniowania pochodzącego od Słońca jest równoważony przez emisję długofalowego promie-niowania Ziemi. Do powierzchni Ziemi promieniowanie dociera w dwojaki sposób, jako promieniowanie bezpośrednie albo jako promieniowanie rozproszone. Suma tych dwóch rodzajów promieniowania nosi nazwę promieniowania całkowitego. Część promieniow. ulega odbiciu przez powierz-chnię Ziemi. O ilości odbitego promieniowania decyduje rodzaj powierzchni. Stosunek ilości promieniowania odbitego do ilości promieniowania padającego określany jest jako albedo.
Promieniowanie słoneczne pochłaniane przez powierzchnię Ziemi doprowadza do jej nagrzania, wskutek czego Ziemia staje się wtórnym źródłem promieniowania. Znaczna część promieniowania długofalowego Ziemi pochłaniana jest przez parę wodną i CO2 występujące w atmosf. Dolne warstwy atmosf, zatrzymując znaczną część promieniowania długo-falowego, chronią Ziemię przed nadmierną utratą ciepła. Znaczenie i rozmiary tego zjawiska można dobrze zaobserwo-wać, porównując spadek temp. powietrza w noc pochmurną i bezchmurną. W pierwszym przypadku znaczna część promie-niowania długofalowego powróci do powierzchni Ziemi w postaci promieniowania zwrotnego atmosfery i w konsekwe-ncji, spadek temp. powietrza będzie nieznaczny. W drugim przypadku większa część promieniowania długofalowego Ziemi nie zostanie pochłonięta i przedostanie się do wyższych warstw atmosfery. Dlatego spadek temp. powietrza będzie o wiele większy.

Wymiana ciepła w atmosferze
Pomiędzy podłożem a atmosferą odbywa się stała wymiana ciepła. Przyczyniają się do niej przemiany fazowe wody (parowanie, skraplanie), a także turbulencja i konwekcja oraz wspomniane powyżej promieniowanie. Temp. powietrza zależy, więc od dostawy promieniowania słonecznego, czyli podlega zmianom w cyklu rocznym i dobowym. Innym czynnikiem wpływającym na temperaturę powietrza jest występo-wanie przemian adiabatycznych, czyli zachodzących bez wymiany ciepła z otoczeniem. Jednym z bardziej efektywnych sposobów wymiany ciepła jest turbulencja - polega na chaotycznym przemieszczaniu się cząsteczek powietrza, wskutek czego następuje szybkie przenoszenie ciepła między warstwami, zawsze w kierunku od warstw cieplejszych do chłodniejszych. Jest to proces, który prowadzi do łagodzenia kontrastów termicznych w przebiegu dobowym. Ciepło może być przenoszone na duże wysokości (nawet do górnej granicy troposfery) wyniku ruchów wznoszących, czyli prądów konwekcyjnych. Ciepłe powietrze cechuje się mniejszą gęstością od powietrza otaczającego, dlatego unosi się do góry. Widocznym przejawem tych ruchów są silnie rozbudowane w pionie chmury kłębiaste. Ten sposób wymiany ciepła między ziemią a atmosferą jest najbardziej wydajny.
Temp. powietrza danego miejsca może zmieniać się także pod wpływem napływającego powietrza o innej temp. Tego rodzaju zmiany noszą nazwę adwekcyjnych. W wyniku dostarczenia ciepła do Ziemi dochodzi do parowania wody z jej powierzchni. Podczas skraplania pary wodnej następuje oddanie ciepła atmosf.. Rzadko występuje sytua-cja, że skroplenie następuje w tym samym miejscu, z którego pochodzi para wodna-jest to rozprowadzanie ciepła.

Przemiany adiabatyczne
Zmiany temp. mogą być spowodowane sprężaniem i rozprężaniem powietrza. Procesy te zachodzą podczas pionowych ruchów powietrza (podczas wznoszenia danej objętości powietrza następuje spadek ciśnienia - rozprężanie, a podczas opadania następuje wzrost ciśnienia - sprężanie). Zmiany temp. powietrza wywołane procesami adiabatycznymi uzależnione są od zawartości pary wodnej. Wielkość zmian temp. zachodzących w powietrzu suchym jest duża (gradient suchoadiabatyczny). Jeżeli powietrze nasycone jest parą wodną, to zmiany temp. zachodzą wolniej (gradient wilgotno-adiabatyczny). Powietrze unosząc się, ochładza się i następuje kondensacja pary wodnej. Podczas tego procesu zostaje uwolnione ciepło kondensacji, które pozostaje w tej objęci powietrza, przez co przyczynia się do ograniczenia spadku temp. Nie zawsze występuje taka sytuacja, że wraz ze wzrostem wys nad poziomem morza następuje spadek temp. Czasami temp. zamiast spadać, wzrasta. Wówczas pionowy rozkład temp. jest odwrócony w stosunku do normalnego - dlatego nazywany jest układem inwersyjnym. Warstwa powietrza, w której obserwujemy to zjawisko, nosi nazwę warstwy inwersyjnej. Inwersyjny układ temp. uniemożliwia rozwój prądów konwekcyjnych, hamuje, więc pionową wymianę pary wodnej i ciepła.