Температура повітря: зміна з висотою й амплітуда

Ти вже знаєш, що тропосфера — нижній шар атмосфери завтовшки приблизно 8–18 км — містить майже всю водяну пару й саме в ній формується погода. А чи замислювався ти, чому на вершині високої гори, навіть під екватором, лежить сніг? Відповідь криється в тому, як повітря отримує тепло.

Сонячні промені проходять крізь повітря майже не нагріваючи його — повітря прозоре для короткохвильової сонячної радіації. Спершу промені нагрівають земну поверхню (суходіл чи воду), а вже від неї тепло передається приземному шару повітря шляхом теплопровідності, конвекції й випромінювання. Отже, джерело тепла для повітря — це земна поверхня. Що вище ти піднімаєшся, то далі від цього джерела, тому повітря стає холоднішим.

Крім того, повітря, піднімаючись угору, потрапляє в зону нижчого тиску й розширюється. Під час розширення воно витрачає внутрішню енергію на виконання роботи, тому його температура знижується. Цей процес називають адіабатичним охолодженням.

Правило 6 °C на кілометр

У тропосфері температура повітря знижується в середньому на 6 °C на кожен кілометр підйому. Це еквівалентно 0,6 °C на кожні 100 метрів. Саме тому на вершинах гір заввишки понад 5000 м, навіть розташованих біля екватора (наприклад, гора Кіліманджаро в Африці), цілий рік лежать сніг і лід.

Важливо: це середній показник для тропосфери. У реальності швидкість зниження температури (вертикальний градієнт) може трохи відрізнятися залежно від вологості повітря, але в задачах НМТ завжди використовують значення 6 °C/км, якщо в умові не вказано інше.

Виняток: температурна інверсія

Чи буває так, що з висотою стає тепліше? Так, це явище називають температурною інверсією. Воно виникає в тихі ясні ночі або взимку в улоговинах: земна поверхня швидко вихолоджується, і холодне повітря, як важче, застоюється внизу, а вище розташоване тепліше повітря. Інверсія часто спостерігається в містах узимку, коли в долині накопичується холодне повітря, а на схилах тепліше. Однак у задачах НМТ правило 6 °C/км застосовують завжди, якщо умова не дає іншого значення.

Усі задачі на зміну температури з висотою розв'язують за однією простою формулою. Головне — правильно визначити, яку величину тобі потрібно знайти, і не забути перевести метри в кілометри.

Основна формула

Позначимо: $t_{\text{вершини}}$ — температура на вершині, $t_{\text{підніжжя}}$ — температура біля підніжжя, $h$ — відносна висота (різниця між висотою вершини й підніжжя) у кілометрах.

Формула для прямої задачі:

$$t_{\text{вершини}}=t_{\text{підніжжя}}-6\cdot h$$

Приклад: біля підніжжя гори температура $+24{}^{\circ }\text{C}$, а вершина на 3500 м вища за підніжжя. Яка температура на вершині?

Розв'язання: $h=3500\text{м}=3,5\text{км}$. Тоді $t_{\text{вершини}}=24-6\cdot 3,5=24-21=+3{}^{\circ }\text{C}$.

Обернені задачі

Іноді в умові дано температуру на вершині й біля підніжжя, а треба знайти відносну висоту. Формула:

$$h=\frac{t_{\text{підніжжя}}-t_{\text{вершини}}}{6}$$

Результат отримуєш у кілометрах. Щоб перевести в метри, помнож на 1000.

Приклад: біля підніжжя $+18{}^{\circ }\text{C}$, на вершині $-3{}^{\circ }\text{C}$. Яка відносна висота гори?

Розв'язання: різниця температур $18-(-3)=21{}^{\circ }\text{C}$. Тоді $h=21:6=3,5\text{км}=3500\text{м}$.

Ще один тип оберненої задачі: дано температуру на вершині й відносну висоту, треба знайти температуру біля підніжжя:

$$t_{\text{підніжжя}}=t_{\text{вершини}}+6\cdot h$$

Приклад: на вершині $-5{}^{\circ }\text{C}$, відносна висота 2 км. Яка температура біля підніжжя? $t_{\text{підніжжя}}=-5+6\cdot 2=-5+12=+7{}^{\circ }\text{C}$.

Увага: відносна, а не абсолютна висота

Найпоширеніша помилка — підставити у формулу абсолютну висоту вершини замість різниці висот. Запам'ятай: у формулу входить саме відносна висота — на скільки метрів (кілометрів) вершина вища за підніжжя.

Приклад: підніжжя гори розташоване на висоті 500 м над рівнем моря, вершина — на висоті 2900 м. Температура біля підніжжя $+15{}^{\circ }\text{C}$. Яка температура на вершині?

Розв'язання: відносна висота $h=2900-500=2400\text{м}=2,4\text{км}$. Зниження температури: $6\cdot 2,4=14,4{}^{\circ }\text{C}$. Температура на вершині: $15-14,4=+0,6{}^{\circ }\text{C}$.

Дії з від'ємними числами

У задачах часто трапляються від'ємні температури. Будь уважним зі знаками:

• $+5-12=-7$ (плюс п'ять мінус дванадцять дорівнює мінус сім)

• $-3-6\cdot 2=-3-12=-15$

• $+8-(-2)=8+2=10$ (віднімання від'ємного числа дає додавання)

Пам'ятай: коли обчислюєш різницю температур для амплітуди чи висоти, завжди віднімай меншу температуру від більшої з урахуванням знаків.

Температура повітря не залишається сталою ні протягом доби, ні протягом року. Її закономірні зміни називають добовим і річним ходом. Розуміння цих циклів допомагає пояснити, чому вдень тепліше, ніж уночі, а влітку — ніж узимку.

Добовий хід температури

Протягом доби температура змінюється через обертання Землі навколо своєї осі. Сонце сходить, піднімається до найвищої точки (полудень), а потім опускається до заходу. Здавалося б, найтепліше має бути опівдні, коли Сонце найвище. Однак насправді максимум температури спостерігають близько 14–15 години.

Чому так? Земна поверхня нагрівається від сонячних променів поступово. Навіть після полудня, коли Сонце вже починає опускатися, поверхня продовжує отримувати більше тепла, ніж втрачає, і продовжує нагріватися. Максимум настає тоді, коли кількість отриманого тепла зрівнюється з кількістю відданого — це відбувається через 2–3 години після полудня.

Мінімум температури буває перед сходом Сонця. Протягом ночі поверхня безперервно випромінює тепло в космос, а сонячного нагрівання немає. Найхолодніше стає в момент, коли втрати тепла найбільші, — саме перед тим, як Сонце з'явиться над обрієм.

Середня добова температура

Щоб охарактеризувати температуру за цілу добу, обчислюють середню добову температуру. Це середнє арифметичне кількох вимірювань протягом доби. Зазвичай використовують чотири строкові терміни: о 1-й, 7-й, 13-й і 19-й годинах.

Формула:

$$\bar{t}=\frac{t_1+t_2+t_3+t_4}{4}$$

Приклад: за добу виміряли температури $-4{}^{\circ }\text{C}$, $-2{}^{\circ }\text{C}$, $+5{}^{\circ }\text{C}$ і $+1{}^{\circ }\text{C}$. Середня добова температура:

$$\bar{t}=\frac{-4+(-2)+5+1}{4}=\frac{0}{4}=0{}^{\circ }\text{C}$$

Так само обчислюють середню місячну температуру (як середнє арифметичне середніх добових за місяць) і середню річну (як середнє арифметичне середніх місячних).

Амплітуда температури

Амплітуда температури — це різниця між найвищою й найнижчою температурою за певний період (добу, місяць, рік). Обчислюють її за формулою:

$$A=t_{\text{макс}}-t_{\text{мін}}$$

Важливо: віднімання виконують з урахуванням знаків. Якщо найвища температура $+6{}^{\circ }\text{C}$, а найнижча $-9{}^{\circ }\text{C}$, то амплітуда:

$$A=6-(-9)=6+9=15{}^{\circ }\text{C}$$

Добова амплітуда — різниця між максимальною й мінімальною температурою за добу. Річна амплітуда — різниця між середніми температурами найтеплішого й найхолоднішого місяців року.

Річний хід температури

Річний хід температури визначається зміною кута падіння сонячних променів протягом року через нахил земної осі. Що вище Сонце над обрієм, то більше тепла отримує одиниця поверхні, і навпаки.

У Північній півкулі на суходолі найтепліше в липні, а найхолодніше в січні. У Південній півкулі — навпаки: найтепліше в січні, найхолодніше в липні. Над океаном максимум і мінімум зміщені приблизно на місяць через повільніше нагрівання й охолодження води.

Амплітуда температури — не випадкова величина. Вона залежить від кількох чинників, і розуміння цих залежностей допомагає передбачати клімат різних регіонів.

Вплив океану: чому на узбережжі амплітуда менша

Вода має значно більшу теплоємність, ніж суходіл. Це означає, що для нагрівання води на 1 °C потрібно набагато більше енергії, ніж для нагрівання такої ж маси ґрунту. Відповідно, вода й охолоджується повільніше. Тому океан діє як гігантський акумулятор тепла: узимку він віддає тепло повітрю, а влітку забирає його, згладжуючи коливання температури.

З віддаленням від океану (у напрямку вглиб материка) річна амплітуда зростає. На узбережжях вона становить 10–15 °C, а в центральних частинах материків може сягати 40–60 °C. Наприклад, у Якутську (Сибір) річна амплітуда становить близько 60 °C: середня температура січня там $-40{}^{\circ }\text{C}$, а липня $+19{}^{\circ }\text{C}$.

Екваторіальний і пустельний режими

Біля екватора річна амплітуда дуже мала — лише 1–3 °C, тому що Сонце там цілий рік стоїть високо, а день майже дорівнює ночі. Цікаво, що в екваторіальних районах добова амплітуда часто більша за річну: вдень спекотно, а вночі температура помітно падає.

У пустелях добова амплітуда сягає 20–30 °C. Причина — сухе повітря й безхмарне небо. Удень сонячні промені безперешкодно нагрівають пісок, а вночі тепло швидко випромінюється в космос, бо хмари не затримують його. Хмари, навпаки, зменшують добову амплітуду: удень вони відбивають частину сонячних променів, а вночі не дають теплу швидко йти вгору.

Ізотерми: лінії однакових температур

Ізотерми — це лінії на кліматичній карті, що з'єднують точки з однаковою температурою повітря. Найчастіше на картах показують ізотерми середньої температури січня, липня або року.

Як читати ізотерми? Якщо ізотерма вигинається догори (у бік полюса), це означає, що в цьому місці тепліше, ніж навколо. Якщо вигинається донизу (у бік екватора) — холодніше. Наприклад, біля західних узбереж материків у помірних широтах ізотерми січня вигинаються догори під впливом теплих течій (Північноатлантична течія біля Європи). Над суходолом узимку ізотерми вигинаються до екватора, показуючи, що там холодніше, ніж над океаном на тій самій широті.

За ізотермами визначають межі теплових поясів Землі (жаркий, помірні, холодні). Це буде окрема тема, але вже зараз запам'ятай: середньорічна ізотерма $+20{}^{\circ }\text{C}$ окреслює межу жаркого поясу, а ізотерма $+10{}^{\circ }\text{C}$ найтеплішого місяця — межу між помірним і холодним поясами.

Розгляньмо чотири типові задачі, які можуть трапитися на НМТ. Кожна з них ілюструє одну з ключових навичок: пряме обчислення температури на висоті, обернену задачу на висоту, визначення амплітуди й уважність до абсолютної висоти.

Приклад 1. Пряма задача: температура на вершині

Умова: біля підніжжя гори температура повітря становить $+24{}^{\circ }\text{C}$. Вершина гори на 3500 м вища за підніжжя. Яка температура на вершині?

Розв'язання:

1. Переводимо метри в кілометри: $3500\text{м}=3,5\text{км}$.

2. Обчислюємо зниження температури: $6\cdot 3,5=21{}^{\circ }\text{C}$.

3. Віднімаємо від температури біля підніжжя: $24-21=3{}^{\circ }\text{C}$.

Відповідь: $+3{}^{\circ }\text{C}$.

Приклад 2. Увага: абсолютна висота

Умова: підніжжя гори розташоване на висоті 800 м над рівнем моря. Температура біля підніжжя $+20{}^{\circ }\text{C}$. Вершина має абсолютну висоту 3300 м. Яка температура на вершині?

Розв'язання:

1. Визначаємо відносну висоту: $3300-800=2500\text{м}$.

2. Переводимо в кілометри: $2500\text{м}=2,5\text{км}$.

3. Зниження температури: $6\cdot 2,5=15{}^{\circ }\text{C}$.

4. Температура на вершині: $20-15=5{}^{\circ }\text{C}$.

Відповідь: $+5{}^{\circ }\text{C}$.

Чому інші варіанти неправильні?

• $+0,2{}^{\circ }\text{C}$ — отримали б, якби взяли абсолютну висоту вершини (3300 м = 3,3 км) замість відносної: $20-6\cdot 3,3=20-19,8=0,2$.

• $-5{}^{\circ }\text{C}$ — помилка знака: відняли зайве або переплутали додавання з відніманням.

• $+35{}^{\circ }\text{C}$ — додали замість віднімати: $20+6\cdot 2,5=35$.

Приклад 3. Обернена задача: відносна висота

Умова: на вершині гори температура $-7{}^{\circ }\text{C}$, біля підніжжя $+11{}^{\circ }\text{C}$. Яка відносна висота гори в метрах?

Розв'язання:

1. Обчислюємо різницю температур: $11-(-7)=11+7=18{}^{\circ }\text{C}$.

2. Ділимо на 6: $18:6=3\text{км}$.

3. Переводимо в метри: $3\text{км}=3000\text{м}$.

Відповідь: 3000 м.

Приклад 4. Добова амплітуда

Умова: за добу о 1, 7, 13 і 19 годині виміряли температури: $-5{}^{\circ }\text{C}$, $-1{}^{\circ }\text{C}$, $+6{}^{\circ }\text{C}$ і $+2{}^{\circ }\text{C}$. Яка добова амплітуда температури?

Розв'язання:

1. Знаходимо найвищу температуру: $+6{}^{\circ }\text{C}$.

2. Знаходимо найнижчу температуру: $-5{}^{\circ }\text{C}$.

3. Обчислюємо амплітуду: $6-(-5)=6+5=11{}^{\circ }\text{C}$.

Відповідь: 11 °C.

Чому інші варіанти неправильні?

• 1 °C — відняли без урахування знака: $6-5=1$, але $-5$ — це мінус п'ять, а не п'ять.

• 7 °C — узяли не той мінімум: $-1$ замість $-5$.

• 0,5 °C — обчислили середню добову температуру замість амплітуди: $(-5+(-1)+6+2):4=0,5$.

У цих задачах потрібні не лише формули, а й уміння уважно читати умову. Ось типові пастки.

• Беруть абсолютну висоту вершини замість різниці висот. Якщо в умові дано висоту підніжжя (наприклад, 500 м) і вершини (2900 м), відносна висота — це їхня різниця (2400 м), а не 2900 м. Завжди спочатку віднімай висоту підніжжя від висоти вершини.

• Додають 6 °C на кожен кілометр підйому замість віднімати. Піднімаєшся вгору — температура знижується. Єдина ситуація, коли ти додаєш, — це обернена задача, де треба знайти температуру біля підніжжя за температурою на вершині.

• Не переводять метри в кілометри. Найчастіша помилка: множать 3500 на 6 (отримують 21 000 °C — абсурд) або 3,5 на 0,6 (отримують 2,1 °C замість 21 °C). Пам'ятай: правило — 6 °C на 1 км, а не на 100 м. Метри завжди діли на 1000.

• Рахують амплітуду без урахування знаків. Якщо найвища температура $+6{}^{\circ }\text{C}$, а найнижча $-9{}^{\circ }\text{C}$, деякі учні віднімають $6-9$ і отримують $-3$ або просто $9-6=3$. Правильно: $6-(-9)=15{}^{\circ }\text{C}$.

• Вважають найтеплішим часом доби полудень (12:00), а найхолоднішим — північ (00:00). Насправді максимум — близько 14–15 год, мінімум — перед сходом Сонця.

• Плутають середню добову температуру з амплітудою. Середня — це сума всіх вимірювань, поділена на їхню кількість. Амплітуда — це різниця між найвищим і найнижчим значенням. Це різні величини, і їх обчислюють по-різному.

Тема «Температура повітря: зміна з висотою й амплітуда» входить до пункту 1.5 програми НМТ з географії: «Добовий і річний хід температури, графіки, зміна температури з висотою». Від тебе вимагають уміння розв'язувати задачі на зміну температури з висотою.

Формати завдань

Завдання 1–20 — це завдання з вибором однієї правильної відповіді з чотирьох (А–Г). Кожне таке завдання оцінюють в 1 бал. У темах про температуру дистрактори (неправильні варіанти) часто побудовані на типових помилках: узято абсолютну висоту замість відносної, переплутано знак, не переведено метри в кілометри.

Завдання 21–24 — це завдання з короткою письмовою відповіддю (число). Їх оцінюють у 0 або 2 бали. У демоваріанті 2026 року всі чотири такі завдання були за топографічною картою, але числові розрахунки температури можуть трапитися в будь-якому форматі. Кінцеву відповідь записують за правилами, вказаними в інструкції до завдання.

Стратегія розв'язання

• Уважно прочитай умову: чи дано абсолютні висоти чи відносну?

• На чернетці запиши відносну висоту в кілометрах.

• Помнож її на 6 — отримаєш величину зниження температури.

• Якщо треба знайти температуру на вершині — відніми це число від температури біля підніжжя. Якщо треба знайти температуру біля підніжжя — додай.

• Для амплітуди: знайди максимум і мінімум, відніми з урахуванням знаків.

• Розв'язання на чернетці не перевіряють — важлива лише відповідь у бланку.

• У тропосфері температура знижується на 6 °C на кожен кілометр підйому (0,6 °C на 100 м).

• У формулу $t_{\text{вершини}}=t_{\text{підніжжя}}-6\cdot h$ підставляють відносну висоту в кілометрах, а не абсолютну.

• Відносна висота $h=(t_{\text{підніжжя}}-t_{\text{вершини}}):6$ (результат у км).

• Амплітуда температури = найвища температура − найнижча температура з урахуванням знаків.

• Максимум добової температури — близько 14–15 год, мінімум — перед сходом Сонця.

• Що далі від океану, то більша річна амплітуда температури.

• Середня добова температура — середнє арифметичне вимірювань за добу.

• Ізотерми — лінії однакових температур на карті; за ними визначають теплові пояси.