Фізичні фактори клімату
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.
For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.
Основу формирования климата на Земле составляет энергия Солнца. Как мы уже видели, изменение ее распределения по сезонам года приводит к годичному (сезонному) и квазидвухлетнему в резонанс к годичному циклам погод, т. е. к климату в его начальном понимании. Колебания годовых величин поступления солнечной энергии, заметные в геологическом масштабе времени, незначительны в масштабах столетий и десятилетий и не могут объяснить вековые колебания климата. Влияние других внешних факторов — солнечных (электронные потоки и магнитные излучения, отражающиеся в числе пятен на Солнце) или лунных (приливные силы, колеблющиеся с периодом в 1800 лет из-за колебаний расстояния до Луны) не объяснено физически и не доказано статистически. Однажды выявленные статистические связи устанавливались и менялись затем на обратные, циклы оказывались неустойчивыми во времени. Да и термически в такой многокомпонентной, со сложными и разнообразными связями системе, как климатическая, трудно предположить периодическую реакцию на слабые периодические внешние воздействия.
Гораздо более ощутимыми выглядят изменения условий усвоения или отражения и излучения солнечной энергии Землей. Эти условия определяются характером подстилающей поверхности и составом атмосферы, особенно содержанием в ней двуокиси углерода СО2. Этот газ поступает в атмосферу из земных недр при гниении (окислении) и сгорании органических остатков, при сгорании топлива, при дыхании растений, выделяется из океана и других природных вод при повышении их температуры. Он поглощается растениями при фотосинтезе, природными водами, в том числе океаном при понижении температуры, при химических реакциях в самой атмосфере. Двуокись углерода хорошо пропускает к Земле коротковолновую солнечную радиацию и поглощает излучаемую Землей длинноволновую (тепловую) радиацию. Возникает так называемый парниковый эффект. На простых и сложных моделях показано, что удвоение количества СО2 в атмосфере приведет к повышению средней температуры воздуха на 2—3°С. Это очень большая величина, превышающая исторически известные колебания климата.
Однако суждения о значительном влиянии двуокиси углерода на рост глобальной температуры воздуха отличаются излишней категоричностью. Даже в сложных моделях оценки влияния СО2 не учитывается рост испарения с поверхности океана с последующим нарастанием облачности, уменьшающей поступление солнечной радиации, что сдерживает, если не прекращает, рост температуры воздуха. С другой стороны, увеличение водяных паров в атмосфере увеличивает парниковый эффект, что требует специального моделирования и расчетов. Климатическая система обладает и другими отрицательными обратными связями, обеспечивающими ее устойчивость. Например, наблюдаемое более сильное потепление в полярных районах по сравнению с тропиками должно привести к ослаблению зональной циркуляции, что вызывает некоторое похолодание. Учет таких связей может снизить ожидаемый эффект от роста СО2 или даже изменить его знак. Анализ фактических колебаний температуры воздуха показал, что повышению средней температуры до некоторых пределов соответствует сильный ее рост в Западной Арктике, повышение там осадков, их уменьшение в зерновой зоне СССР, малые изменения температуры на юге нашей страны.
Аналогично двуокиси углерода влияют на атмосферу так называемые малые газовые примеси. Их суммарный эффект приблизительно равен эффекту СО2. Расчеты И. Л. Кароля по радиационной (без учета циркуляции) модели показывают, что удвоение содержания СО2 повысило бы температуру атмосферы на 2,5°, закиси азота (N2O) на 0,7°, метана (СН4) на 0,4°, водяного пара (Н2О) на 0,3°, хлорфторуглеводородных соединений — фреонов (CFCl3, CF2CI2 и др.) на 0,8° и т. д. Почти две трети поступления метана дает биосфера, в том числе половину — сельскохозяйственные, в основном рисовые поля, животноводство, сгорание топлива. Природные источники — это болота, термитники, выделяющие огромное количество метана. Источники N2O находятся в основном в природной биосфере, антропогенный источник не превышает 20%. Расходуются метан и закись азота На химические реакции в атмосфере и в океане. Окиси азота (NO и NO2) образуются на 95% за счет наземных естественных и антропогенных источников, на 3—4% за счет химических процессов в атмосфере и на 1—2% за счет выбросов реактивных двигателей авиации и спутников. Основной источник фреонов — химическая промышленность. Природные источники содержат главным образом СCl4. Хлоруглеводородные соединения расходуются главным образом в атмосферных химических реакциях.
Важнейший фактор формирования климата атмосферы — взвешенные в ней частицы — жидкие и твердые аэрозоли. Они могут быть разделены на четыре основные группы: сернистые (NH(SO4) и H2SO4 — вулканического и промышленного происхождения),
морские (соединения морских солей), минеральные (пыль с земной поверхности) и углеводородные (в основном сажа) промышленного происхождения. Сернистый и морской аэрозоли в основном рассеивают солнечное тепло и понижают температуру атмосферы, минеральный рассеивает и поглощает тепло, сажевый главным образом интенсивно поглощает. Рассеяние тепла аэрозолями приводит к уходу его в космос и охлаждению всей системы «Земля — атмосфера». Поглощение нагревает слои атмосферы, богатые аэрозолем, но уменьшает поступление тепла к земной поверхности. В целом аэрозоли и вообще запыление атмосферы понижают температуру земной поверхности.
Аэрозоли распространены в стратосфере и тропосфере. Характерный срок их жизни в тропосфере — неделя, обычно они накапливаются в нижних слоях, хотя во время пыльных бурь поднимаются и в среднюю тропосферу. В стратосфере аэрозоли держатся годами. Радиоактивная пыль от термоядерных взрывов в атмосфере лишь на второй год переносилась в южное полушарие и оседала в снегах Антарктиды.
Следующий фактор формирования климата — свойства подстилающей поверхности, т. е. распределение суши, океанов и снежно-ледяных покровов, рельеф и природные зоны суши, температура океанов. За последние столетия и даже тысячелетия распределение океанов и суши, а также рельеф суши практически не менялись. Поэтому, хотя перечисленные факторы чрезвычайно важны для формирования климата и вызывают основные особенности циркуляции атмосферы и распределения давления, ветра, осадков и температур на континентах, мы их здесь рассматривать не будем. Переменными являются температуры и течения в океане, распространение снега и льда, положение и свойства природных зон.
Океаны занимают более двух третей поверхности Земли, обладают массой, в 400 раз большей массы атмосферы, и соответственно гораздо большей тепловой инерцией, еще усиливаемой большой теплоемкостью воды. Они поглощают почти все падающее на них солнечное тепло (их альбедо, т. е. отношение отражения к поступлению тепла, равно лишь 8%). Основной расход тепла приходится на радиационное излучение (51%) и испарение (440 тыс. км3 воды, на что тратится 42% солнечного тепла). Прямой теплообмен с воздухом имеет меняющееся направление. В среднем океан нагревает воздух, но результирующий расход тепла составляет лишь 7% прихода и лишь 1/6 от затрат тепла на испарение. Однако, по-видимому, именно этот прямой и скрытый (через тепло испарения) теплообмен океана с воздухом объясняет основные колебания погоды и климата, реализуемые через колебания циркуляции атмосферы.
Благодаря большой инерционности океана создаются условия для собственных колебаний в системе «океан — атмосфера» без всяких внешних изменений. Случайно возникшая аномалия в морских течениях, например флуктуация струи Гольфстрима, вызывает изменение нагрева атмосферы, что, в свою очередь, отражается в температуре воды и со сдвигом во времени вновь отразится в условиях атмосферы. Яркий пример — связь «южной осцилляции», т. е. колебаний давления с периодом три года между районами острова Пасхи и Индонезией с ответной реакцией океана — нагонов воды от Соломоновых островов к берегам Южной Америки (течение Эль Ниньо). Аномально большой размах этих колебаний (усиление «Эль Ниньо») вызывает резкие аномалии погоды в Америке, а возможно, и на всей Земле. Подобные же прямые и обратные связи со сдвигом в полтора-два года обнаружены и между аномалиями в атмосфере и в океане на севере Атлантики.
Академик Г. И. Марчук показал (рис. 2), что аномалии погоды на Русской равнине при сдвиге в полмесяца находятся под наибольшим влиянием условий в районе Исландии, где тепло переходит из океана в атмосферу, чему способствуют сильные ветры, волны и большой контраст температур воды и воздуха. При сдвиге на полгода и год наибольшую связь с аномалиями на Русской равнине имеют аномалии в районе Мексиканского залива и Карибского моря, т. е. там, где зарождается Гольфстрим и формируются его свойства. Области океана, где процессы взаимодействия океана и атмосферы особенно активны, Г. И. Марчук назвал энергоактивными зонами. Аналогичные энергоактивные зоны, процессы в которых определяют колебания погоды в Америке, существуют в Тихом океане. В энергоактивных зонах организованы сейчас крупные экспедиции с участием многих научных судов. Советская программа этих исследований называется «Разрезы», американская в Тихом океане — «ТОГА».

Изолинии равной интенсивности влияния поля температуры Земли на аномалию температуры воздуха на Русской равнине
Есть все основания считать, что подобные же связи аномалий в океане и атмосфере существуют и на временных интервалах с характерным временем в сотню лет. Реконструированные по измерениям температуры воды с английских парусников XVIII в. поля температур и давления в Атлантике во время «малого ледникового периода» заставляют предполагать ослабление в то время направленной к Европе ветви Гольфстрима, раздвоение исландского минимума давления со смещением его на запад и общим ослаблением, одновременное ослабление азорского максимума. Одна из причин — быстрое углубление циклонов уже у берегов Америки, где было больше, чем сейчас, снега и резче контраст с океаном. При этом преобладал меридиональный тип циркуляции атмосферы. Так условия на суше усиливали аномалии в море. Можно полагать, что именно аномалии климата в районе Кубы, связанные с изменениями силы осцилляции течения Эль Ниньо, несут информацию о будущих аномалиях в нашей стране. Подобным образом возникают глобальные цепочки колебаний в климатической системе.
Особое значение имеют снежный покров, ледяной покров моря и оледенение суши. Все три играют роль усилителя в колебаниях климатической системы. Понижение температуры воздуха ведет к распространению льдов и снегов, повышающих альбедо поверхности в несколько раз, что вызывает дальнейшее похолодание. Противоположная, но также положительная обратная связь возникает при повышении температуры. Однако разные нивально-гляциальные системы усиливают колебания разного периода. Сезонный снежный покров — усилитель в системе межгодовых колебаний, покровные ледники обладают колоссальной инерцией в силу медленного распространения в них тепла, больших его затрат на таяние, медленного по сравнению с атмосферой и океаном движения. Поэтому они, воздействуя на климат своей формой, альбедо и захватом тепла из воздуха, создают собственные колебания в климатической системе с периодами в тысячи или даже десятки тысяч лет, приводящие к ледниковым периодам. Усилителем же вековых и внутривековых колебаний климатической системы служит ледяной покров арктических морей. Именно поэтому анализ наблюдений вековых колебаний свидетельствует, что небольшой их средней амплитуде соответствует в 5—10 раз большая их амплитуда в Западной Арктике, в районе Шпицбергена, находящемся в зоне с меняющимся распространением морских льдов.
Наконец, существенную роль в изменениях климата могут сыграть изменения на поверхности суши. Особенно важна отражательная способность поверхности, а разные природные зоны обладают неодинаковым альбедо:
сухой снег на ледниках0,80 и более
тающий снег на ледниках 0,60
лед на ледниках 0,30
песчаная пустыня 0,35
каменная пустыня 0,30
лиственный лес С,23
хвойный лес 0,14
степь 0,16
обнаженная пашня 0,10
культурная растительность 0,16
тундра 0,15
Приведенные цифры показывают, что замена леса на гарь или черную пашню, а также орошение пустыни приведут к нагреву земли, большему усвоению солнечного тепла, а замена леса на культурную растительность — к повышению альбедо и охлаждению.
Различные типы поверхности суши по-разному испаряют влагу и неодинаково распределяют теплопередачу от суши к воздуху скрытым теплом испарения и прямой теплоотдачей. Если на поверхности океана турбулентный прямой нагрев воздуха в 6 раз меньше, чем теплоотдача в скрытом виде через атмосферу, то для суши это соотношение увеличивается приблизительно до одной второй. На испарение расходуется две трети и на прямую теплоотдачу одна треть радиационного тепла. В таблице сравниваются доли некоторых типов поверхности в площади суши и в типах теплоотдачи от нее.
Тропические леса выступают в роли энергоактивной зоны, выделяющей в атмосферу влагу и скрытое тепло испарения. Пустыни, в особенности тропические, также играют роль энергоактивной зоны, выделяющей явное тепло, которое нагревает приземный слой атмосферы. Ледники представляют собой энергоактивные зоны, поглощающие тепло. В остальных зонах доля в теплообмене близка к их доле в поверхности суши. Роль энергоактивных зон суши соизмерима с ролью энергоактивных зон океана.
Итак, среди всех факторов, формирующих климат, наиболее подвержены изменениям малые примеси газов, пыли и аэрозолей в атмосфере, температура океана как следствие колебаний его течений, типы поверхности суши и среди них в основном типы растительного покрова, а также распространение снега и льда. В качестве примера влияния на климат особенностей поверхности суши остановимся подробнее на климатической роли снежного покрова.