Фізичні фактори клімату

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.

• ← Зміни клімату за тисячу років
• Сніговий покрив та клімат →