Jak przebiega proces wymiany ciepła między Ziemią, a atmosferą?

Ciepło dociera do powierzchni Ziemi dzięki promieniowaniu. Jest ono dla nas niewidzialne, ale jego działanie z łatwością odczuwa każdy z nas. Słońce, a dokładnie jego promieniowanie, jest zdecydowanie dominującym źródłem ciepła na Ziemi. Zaledwie 0,005% ciepła pochodzi z wnętrza Ziemi, natomiast reszta jest pochodzenia słonecznego.

Czym jest ciepło? Ciepło to inaczej proces przekazywania energii w chaotycznym ruchu cząsteczek. Do ziemskiej atmosfery ciepło dociera przez promieniowanie, czyli zjawisko wysyłania fal elektromagnetycznych z jednego ciała do drugiego. Jak wcześniej wspomnieliśmy, głównym emitentem promieniowania jest Słońce, które w głównej mierze decyduje o klimacie panującym na Ziemi.

Występują dwa typy promieniowania całkowitego (nasłonecznienia):
– promieniowanie bezpośrednie: jest ono niezatrzymywane przez atmosferę,
– promieniowanie rozproszone: odbite od chmur i zanieczyszczeń obecnych w ziemskiej atmosferze.

Za wzrost temperatury powietrza w troposferze odpowiedzialne jest promieniowanie długofalowe, które odbijane jest przez powierzchnię ziemi. Bezpośrednie promieniowanie słoneczne przecina atmosferę bez wyraźnej zmiany temperatury. Wniosek jest taki, że głównym czynnikiem wpływającym na temperaturę najniższej warstwy atmosfery (troposfery) jest temperatura podłoża, która z kolei uzależniona jest od kąta padania promieni słonecznych. Innymi słowy: im wyżej usytuowane jest słońce na horyzoncie, tym silniej nagrzewa ono powierzchnię Ziemi, a w konsekwencji powietrza w troposferze.

Kolejnymi czynnikami wpływającymi na szybkość wymiany ciepła między ziemią a atmosferą są:
– ułożenie rzeźby terenu oraz ekspozycja stoków: południowe stoki nagrzewają się zdecydowanie mocniej niż stoki z ekspozycją na północ,
– rodzaj podłoża: lądy nagrzewają się szybko oraz silnie, jednak szybko oddają swoją energię do atmosfery; z kolei woda nagrzewa się wolniej, a tym samym dłużej magazynuje swoje ciepło.
– barwa podłoża: podłoża o jasnej barwie nagrzewają się słabiej z racji właściwości odbijających promienie słoneczne docierające do powierzchni.

Ziemska powierzchnia absorbuje duże ilości promieniowania słonecznego, które następnie odbija w postaci energii cieplnej. Rozchodzenie się ciepła w atmosferze jest zjawiskiem nieodwracalnym o samorzutnym charakterze wyrównywania różnic ciepła.

Istnieje kilka typów wymiany ciepła między powierzchnią Ziemi a atmosferą:
– wymiana poprzez turbulencję: jest to proces bezwładnego, nieuporządkowanego przemieszczania się cząstek powietrza. Jest to jeden z najbardziej efektywnych  sposobów na wymianę ciepła, gdyż w wyniku turbulencji przenoszone są całe masy powietrza, krążące od sfer ciepłych do chłodniejszych.
– wymiana poprzez konwekcję: pionowy ruch powietrza, czyli opadanie chłodnego oraz unoszenie się ciepłego powietrza.
– wymiana poprzez adwekcję: jest to poziome przemieszczanie się powietrza o zróżnicowanej temperaturze. Proces ten można zauważyć przy okazji ruchu mas powietrza znad morza w kierunku lądu.