7 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Здесь речь пойдет о факторах, связанных со свойства­ми самой планеты, т. е. размерах, массе, строении, процес­сах в ее недрах, свойствах поверхности, скорости враще­ния вокруг оси, гравитационном и магнитном полях, внут­ренних источниках тепла, составе атмосферы в процессе ее эволюции.

Масса — главная характеристика планеты. Массой и размерами прежде всего определяется гравитационное поле. Именно оно характеризует способность планеты удерживать газовую оболочку и в некоторой мере влиять на газовый состав атмосферы. Чем больше масса плане­ты, тем легче ей удерживать газовую оболочку. Чем мень­ше масса планеты, тем труднее удержать атмосферу, осо­бенно легкие газы. Так, например, Земля и Луна находят­ся примерно на одном расстоянии от Солнца, но на Луне нет атмосферы, а на Земле есть.

На гравитационное поле также воздействует угловая скорость вращения Земли, которая создает центробежные силы и несколько уменьшает гравитационное поле. Эта поправка зависит от широты. На полюсе она равна нулю, у экватора достигает максимума порядка 0,35%. В связи с этим ускорение силы тяжести равно 9,83 см/с2 у по­люсов и 9,78 см/с2 у экватора.

Если бы Земля имела большую массу, то ее атмосфера (при той же массе) была бы более тонкая и более плот­ная, что существенно отразилось бы на характере проте­кающих процессов и климате.

Угловая скорость вращения Земли оказывает решаю­щее влияние на циркуляцию атмосферы и океана. Благо­даря неравномерному нагреву экваториальных и поляр­ных районов происходит расширение и поднятие атмо­сферы в низких широтах. За счет этого создается перепад давления и возникает меридиональная циркуляция, на­правленная к полюсам. Как только начинается движение, отклоняющая сила вращения Земли отклоняет поток впра­во в северном и влево в южном полушариях. В результате устанавливается преобладающая зональная циркуляция атмосферы, направленная с запада на восток. Этим в ос­новном и определяется зональность климата, скорость распределения длинных и ультрадлинных волн, формиро­вание струйных течений с инерционно-сдвиговыми (раз­рывными) волнами, пассатная циркуляция, циркуляция Мирового океана и др.

Расчеты показывают, что в далеком прошлом скорость вращения Земли была больше, а зональность климата ярче выражена, чем сейчас. Зафиксированы и более короткопериодные изменения скорости вращения Земли с периодами в несколько месяцев. Одни ученые объясняют это влиянием циркуляции атмосферы, другие относят за счет внешних сил.

Рост скорости вращения Земли должен увеличивать зональность климата, т. е. контрасты температуры между высокими и низкими широтами. Однако при этом усили­вается интенсивность и волновых процессов, которые способствуют выравниванию междуширотных контрастов. Эффект выравнивания междуширотных контрастов на Земле, где имеются океаны, и, например, на Марсе, где подстилающая поверхность практически однородна, не одинаков. В результате зональность циркуляции на Мар­се выражена более четко, чем на Земле.

Наличие континентов и океанов на Земле, обладающих различными тепловыми свойствами, приводит к резким различиям климата вдоль одной и той же широтной зоны, чего не было бы при отсутствии океанов.

Если осреднить температуры для каждой широты и месяца, а затем построить карты, на которых нанесены изоаномалы температуры воздуха, т. е. отклонения сред­ней температуры данного месяца в данной точке от сред­ней температуры этого месяца на соответствующей широ­те, картина получается весьма пестрая. Такой метод анализа впервые был предложен и проведен академиком В. В. Шулейкиным. Так, для января в районе Северной Атлантики будет зафиксирована изоаномала 24°, а в райо­не Верхоянска —20° С. Над Тихим океаном проходит изо­аномала 12°, а над Северной Америкой —14°С. Это озна­чает, что средние температуры января на одной и той же широте в Северной Атлантике и Верхоянске различаются на 44° С. Такие контрасты определяют существенно раз­личный климат морских акваторий и континентов, погра­ничных зон и др. Они накладывают отпечаток и на общую циркуляцию атмосферы, в частности определяют муссонную. В результате если бы на Марсе, например, увеличе­ние скорости вращения за счет каких-то внешних причин привело бы к увеличению интенсивности зональной цир­куляции, ослаблению междуширотного обмена и четко выраженной междуширотной контрастности климата, то на Земле при наличии океанов картина была бы совер­шенно иная. Увеличение зональности привело бы к по­теплению зимой климата у западных побережий конти­нентов и похолоданию его у восточных, летом эффект был бы обратный.

Таким образом, вращение Земли и характер подстила­ющей поверхности относятся к числу важнейших геофизи­ческих климатообразующих факторов.

Внутреннее, или геотермальное, тепло Земли является следствием того, что температура в земной толще возра­стает со средней скоростью примерно 30° С/км. Теплооб­мен в недрах Земли осуществляется в основном на молекулярном уровне при среднем коэффициенте теплопровод­ности 0,005 кал/см•°С. В результате от Земли в океан или атмосферу поступает поток тепла, который составляет око­ло 10-4 кал/мин, или 6-10-2 Вт/м2. В то же время турбу­лентные потоки тепла над океаном на 3—3,5 порядка боль­ше. Даже над ледяной поверхностью турбулентные потоки тепла в 2 раза больше этой величины. Если же сопоставить эти потоки с горизонтальными потоками тепла в системе атмосферной и океанической циркуляции, достигающих соответственно 70—100 и 5,3 Вт/м2, то можно заключить, что потоки геотермального тепла оказывают пренебрежи­мо малое влияние на глобальный климат. Для Земли в це­лом роль этого фактора могла, по-видимому, быть замет­ной в историческом прошлом и должна приниматься во внимание при оценке длительных в геологическом масшта­бе времени изменений климата. Роль магнитного поля Земли в формировании климата пока еще недостаточно исследована, тем не менее некоторые аспекты проблемы заслуживают внимания.

В работах советского геофизика Н. Д. Медведева, че­хословацкого геофизика В. Буха и др. показано, что маг­нитные и геомагнитные полюса смещаются. В конце по­следнего ледникового периода, 12—15 тыс. лет назад, се­верный геомагнитный полюс располагался на востоке Се­верного Ледовитого океана, сейчас находится на северо-западе Гренландии (как считает Н. Д. Медведев, проис­ходит перемещение в сторону экватора и южного магнит­ного полюса). Около 200 г. до н. э. полюс находился зна­чительно ближе к Европе, чем на рубеже эпох и позже, около 300 г. н. э., когда он передвинулся на север Аляски. Затем он снова приблизился к Европе (между 600 и1000 г. н.э.). Около 1600 г. он передвинулся в Баренцево море, а между 1650 и 1850 гг. удалился к Гренландии.

Некоторые гипотезы указывают на то, что положение геомагнитных полюсов регулирует механизмы влияния солнечной активности на атмосферу и активность постоян­ных центров действия атмосферы, в частности Исланд­ского минимума. Так, в период солнечной активности сол­нечные корпускулы более интенсивно вторгаются в область геомагнитных полюсов вдоль силовых линий. Их кинети­ческая энергия трансформируется в тепловую энергию, что приводит к нагреванию верхней атмосферы. Кроме того, нагреву верхней атмосферы способствует генерация в ав­раальном овале (зона полярных сияний) над геомагнитным полюсом электрических вихревых токов, что вызы­вает дополнительный нагрев атмосферы на высотах 20— 30 км и выше в пределах геомагнитного полюса. В ре­зультате эти слои разогреваются, происходит подъем атмосферы, а затем отток воздуха и углубление распола­гающегося в этом районе Исландского минимума. Далее вступают в действие внутриатмосферныециркуляцион­ные факторы, а именно: увеличение интенсивности цик­лонической деятельности и как следствие потепление в Европе.

В соответствии с подобной концепцией в те периоды, когда геомагнитный полюс был ближе к Европе, климат ее, особенно в холодные периоды, был теплее за счет по­ступления па континент морских воздушных масс. В то время, когда полюс был в восточной части Северного Ле­довитого океана, на Европу двигались холодные аркти­ческие воздушные массы.

При оценке совокупного воздействия геофизических факторов на климат историю Земли следует рассматривать как историю одной из планет Солнечной системы. Для по­нимания длительной эволюции климата Земли важно изу­чить источники внутренней энергии Земли и вулканизм. К главным источникам тепла, по данным А. С.Монина, следует относить потенциальную энергию планеты, кото­рая высвобождается в результате увеличения концентра­ции массы планеты к центру тяжести, и энергию расхода долгоживущих изотопов U, Th и К. За всю историю Зем­ли эти источники выделили соответственно 1,6•1038 и 0,9•1038 эрг тепла. Потери энергии за счет теплоотдачи составляют около 0,5•1038 эрг (1028 эрг/год). Таким обра­зом, внутри планеты накопилось порядка 2•1038 эрг тепла, которое шло на разогрев и частичное плавление ее недр. В глубинах Земли, в ее мантии происходят в связи с этим сложные конвективные процессы, следствием которых яв­ляется вулканическая деятельность и так называемый дрейф континентов.

Если нанести на карту положение всех вулканов, то они удивительно кучно располагаются в определенных поясах — подвижных зонах, разделяющихлитосферные плиты. Последние практически не сейсмичны. Основная же масса действующих вулканов находится в подвижных зонах: Евроазиатской, Индо-Австралийской, Тихоокеан­ской, Американской, Антарктической и Африканской.

В геологическом прошлом положение литосферных плит, а следовательно, океанов и материков существенно отличалось от нынешнего. По-видимому, 15—20 млн. лет назад континенты расположились так, как теперь. С дви­жением континентов и вулканической деятельностью глав­ным образом связана эволюция земной коры, океана, ат­мосферы и в целом климата нашей планеты.

За всю историю Земли извержения дали около (2,85-4,7)•1025 г вулканических продуктов (что соот­ветствует массе земной коры толщиной порядка 33 км). В них содержалось около 2,5•1023 г газов, что примерно в 50 раз больше массы современной атмосферы и в 2 ра­за—массы океана. Около 70—80% этого количества, т.е. около 1,8•1029 г, составляет водяной пар. Остальные газы — H2S, SO2, НС1, HF, HBr, H, Аr и др. Большая часть обра­зовавшейся вследствие извержения атмосферы конденси­ровалась, сформировав в конце концов массу гидросфе­ры — океан. Масса океана в его современных границах составляет 1,37•1023 г. Таким образом, атмосфера и океан с самого начала были продуктом вулканической деятель­ности.

В дальнейшем в процессе сложной геохимической эво­люции из азотосодержащих компонентов и воды под дей­ствием солнечной радиации образовалась нынешняя азотно-кислородная атмосфера, включающая, кроме того, ма­лые примеси в виде углекислого газа, водяного пара, озона и других компонентов, определяющих тепловой ре­жим атмосферы. Эволюция атмосферы и океана продол­жается и поныне. В этой связи вулканизм и теперь явля­ется одним из решающих геофизических факторов форми­рования климата.

В настоящее время высказывается мнепие, что пере­распределение массы атмосферы вследствие ее общей цир­куляции может само способствовать вулканизму. Если об­ласти высокого и низкого давления расположатся так, что их граница придется на подвижные зоны, произойдет бла­гоприятное для сейсмичности перераспределение массы атмосферы. Перепаду давления в 20 мб, что вполне реаль­но, только в двух районах площадью по 107 км2 будет соответствовать перепад массы атмосферы в 2•1015 т, что создаст значительные дополнительные силы напряжения в земной коре.

Вулканическая деятельность способствует поступлению в атмосферу не только газовых компонентов, но и аэрозоля, который существенно влияет на условия прохождения и поглощения ультрафиолетовой и инфракрасной радиа­ции, а следовательно, и на климат.

Совокупное воздействие астрономических и геофизиче­ских факторов стимулирует внутриатмосферные процессы и в первую очередь циркуляционные механизмы, к анали­зу которых мы перейдем ниже. Но прежде заглянем в бли­жайшее будущее.

По-видимому, на климат в обозримом историческом прошлом главным образом влияли аэрозоль и малые га­зовые компоненты, включая СО2, их воздействие будет решающим и в будущем.

В настоящее время годовое поступление в атмосферу аэрозоля достигло уже порядка 2 млн. т, из которых бо­лее половины приходится на естественный аэрозоль, в основном вулканического происхождения. Аэрозоль об­ладает двумя главными климатическими эффектами. Прежде всего он поглощает солнечную радиацию, нагре­вая воздух на высотах, и уменьшает поступление сол­нечной радиации к поверхности Земли. Кроме того, мел­кодисперсный аэрозоль рассеивает коротковолновую солнечную радиацию, что равносильно увеличению отражательной способности атмосферы, и способствует ее охлаждению. По этой причине сказать однозначно, что аэрозоль приводит к потеплению или похолоданию клима­та, нельзя. Все зависит от свойств аэрозоля.

Связь уменьшения солнечной радиации с вулканиче­ской деятельностью была установлена давно. Так, напри­мер, в Павловске, вблизи Ленинграда, в 1912—1913 гг. коэффициент прозрачности атмосферы упал с 0,74—0,75 до 0,57—0,68. Это было связано с извержением вулкана Катмай на Аляске в 1912 г. Такая же картина была за­регистрирована при извержении вулкана Агунг в 1963 г, и др.

Ряд ученых влиянием вулканического аэрозоля объ­ясняют похолодания климата и даже целых ледниковых эпох, например в четвертичном периоде. Английский климатолог Лэмб построил ход индекса вулканической активности с 1500 г. по наше время. В XV— XVI и в на­чале XIX в., т. е. в период малого ледникового периода, согласно этому индексу действительно наблюдалась по­вышенная вулканическая деятельность.

С 1912 до начала 40-х годов сильных вулканических извержений не происходило, и атмосфера в это время была более прозрачной. В 1900—1940 гг., т.е. в период роста температуры, увеличивалась в среднем и прямая солнечная радиация. Ее отклонение от средних значений достигло к началу 40-х годов около 2%. Одновременно с падением температуры уменьшилась и прямая солнечная радиация. Следовательно, можно считать, что при потеп­лении атмосфера была более прозрачной, а количество до­ходившей до Земли радиации больше. Однако это еще не доказательство того, что потепление климата было вызва­но прозрачностью атмосферы.

В попытке объяснить климатический тренд нынешне­го столетия только вулканической деятельностью мы стал­киваемся с противоречием. Так, с 1883 по 1912 г. наблю­далась серия вулканических извержений. После каждого из них в течение нескольких месяцев и даже одного-двух лет понижался уровень приходящей солнечной радиации. В ряде случаев изменялась температура. Средняя темпе­ратура в конце XIX — начале XX в. была низкой. Однако именно в это время, в период вулканической деятельности, а не после него, началось повышение температуры, до­стигшее максимума в 30—40-е годы. Наступившее вслед за этим похолодание климата отмечено задолго до оче­редных извержений в конце 40-х— начале 50-х годов, быв­ших к тому же слабыми. После извержения вулкана Агунг (1963 г.) в конце 60-х годов произошло не похолодание, а некоторое потепление климата.

Признавая, таким образом, исключительно важную роль вулканического аэрозоля в формировании климата, тем не менее объяснять изменения климата в прошлом лишь влиянием этого фактора было бы неверно.

Следующий климатообразующий фактор — естествен­ный цикл СО2 и некоторых малых компонентов, обладаю­щих тепличным эффектом (водяной пар, хлорные соеди­нения и др.). В настоящее время в атмосфере Земли содержится 0,033% СО2, что соответствует примерно 2350—2570 млрд. т, а в океане в 50 раз больше. Между ат­мосферой и океаном, атмосферой и биосферой непрерывно происходит обмен СО2. В современную эпоху на фотосин­тез растений расходуется из атмосферы около 100 млрд. т СО2 в год и столько же примерно его выделяется в ат­мосферу в процессе дыхания живых организмов. Поступ­ление СО2 из недр Земли за счет вулканизма составляет, по-видимому, в среднем немногим более 0,1 млрд. т/год, что на 1,5—2 порядка меньше антропогенного поступления С02 в атмосферу. В самой литосфере содержится око­ло 2•108 млрд. т углерода, основная часть которого связана в карбонатных породах.

Скорость обмена СО2 в естественном цикле составляет в системе атмосфера—земная биосфера около 20 лет, а в системе земная биосфера—атмосфера около 20—40 лет. Соответственно в системе атмосфера—океан и океан-атмосфера полный период обмена около 5 лет.

Характерной особенностью обмена СО2 между океаном и атмосферой является зависимость этого обмена от тем­пературы воды. В результате в высоких широтах поток СО2 направлен из атмосферы в океан, а в низких — из океа­на в атмосферу. По различным оценкам изменение темпе­ратуры в деятельном слое океана толщиной 50 м на 1°С вызывает изменение концентрации СО2 в атмосфере на 0,4% или даже больше.

В истории Земли были периоды, когда содержание СО2 было существенно больше, чем теперь. Так, по некоторым данным, около 250 млн. лет назад концентрация СО2 со­ставляла 7,5%, в фанерозое (570 млн. лет назад) — не бо­лее 0,3%. Предполагают, что около 1 млн. лет назад в от­дельный период концентрация СО2 была в 2 раза выше современной. Что касается нынешней эпохи, то большин­ство исследователей сходятся в том, что сейчас содержа­ние СО2 в атмосфере невелико.

Такова в общих чертах роль геофизических факторов естественного происхождения в формировании климата.