Турбулентное перемешивание воздуха создает конвекционные токи, интенсивность и направление которых зависят от характера местности и общепланетарной циркуляции воздушных масс.
Так как для воздуха основной источник тепла — земная поверхность, то с высотой температура понижается, максимумы и минимумы в суточном ходе наступают позднее, чем на почве. Высота наблюдения температуры воздуха для характеристики погоды и климата единая для всех стран — 2 м от почвы. Для решения специальных задач, например агрометеорологических, температура измеряется и на других высотах.
Часто температура в данной местности зависит от адвекции (притока со стороны) воздуха.
Охлаждение воздуха, как и нагревание, происходит разными путями. Непосредственная потеря тепла теплоизлучением (или выхолаживание воздуха) наблюдается в Арктике и Антарктиде, в пустынях по ночам, в умеренных странах зимой при безоблачном небе и в ясные ночи летом. Особое значение для выхолаживания воздуха имеет снежный покров ледовых зон Арктики и Антарктики и зимний снеговой покров материков в средних широтах. Защищая почву от охлаждения, снежный покров в то же время отражает больше 90% солнечной радиации, и над ним происходит сильное радиационное выхолаживание воздуха.
Вечные снега и льды, занимающие 16 млн. км2, или 11% площади суши, служат для тропосферы окнами потери тепла.
Наиболее важная роль в тепловом режиме воздуха принадлежит адиабатическому процессу. Как показывает само название (греч. adiabatos — непроходимый), адиабатическое нагревание и охлаждение воздуха происходит в одной массе, без обмена теплом с другими средами.
При опускании воздуха из верхних или средних слоев тропосферы или по склонам гор он из разреженных слоев поступает в более плотные, молекулы газа сближаются, их соударения усиливаются и кинетическая энергия движения молекул воздуха переходит в тепловую. Воздух нагревается, не получая тепло ни от других воздушных масс, ни от земной поверхности. Адиабатическое нагревание происходит, например, в тропическом поясе, над пустынями и над океанами в этих же широтах. Позднее мы увидим, что адиабатическое нагревание воздуха сопровождается его иссушением (главная причина образования пустынь тропических поясов).
В восходящих токах воздух адиабатически охлаждается. Из плотной нижней тропосферы он поднимается в разреженную среднюю и верхнюю. При этом плотность его уменьшается, молекулы одна от другой удаляются, сталкиваются реже, тепловая энергия, полученная воздухом от нагретой земли, переходит в кинетическую, тратится на механическую работу на расширение газа. Этим объясняется охлаждение воздуха при поднятии.
Сухой воздух адиабатически охлаждается на 1°С на 100 м подъема; это — сухоадиабатический процесс. Однако природный воздух всегда содержит водяной пар, при конденсации которого выделяется тепло. Поэтому фактически температура падает на 0,6° на 100 м (или на 6° на 1 км высоты). Это — влажноадиабатический процесс.
При опускании и сухой и влажный воздух нагревается одинаково, поскольку при этом конденсации влаги не происходит и скрытая теплота парообразования не выделяется.
Наиболее отчетливо типичные черты теплового режима суши проявляются в пустынях: большая доля солнечной радиации отражается от светлой их поверхности, тепло не расходуется на испарение, и идет на нагревание сухих горных пород. От них днем воздух нагревается до высоких температур. В сухом воздухе тепло не задерживается и беспрепятственно излучается в верхнюю атмосферу и межпланетное пространство. Пустыни для атмосферы в планетарном масштабе также служат окнами охлаждения.
Тепловой режим материковых площадей с влажным климатом включает и турбулентный теплообмен, и нагревание скрытой теплотой парообразования. Нагревание воздуха от поверхности Земли турбулентным теплообменом значительно только в Австралии и Африке, где много пустынь. На материках с влажным климатом — Европе и обеих Америках — большая доля тепла идет на испарение. В Азии, где пустыни занимают большую площадь, солнечное тепло примерно поровну расходуется на испарение и на турбулентный теплообмен.
