Материал: Климатическая система Земли

Климатическая система Земли

Климатическая система Земли

ВСТУП

Что означает слово климат?

Слово климат, по-видимому, происходит от одного из двух или от обоих близких по звучанию греческих слов - клинейн и клима, означающих наклонять и район, или зона. По мнению одних ученых, древние греки считали, что климат определяется широтой места, то есть углом, под которым солнечные лучи обогревают данную местность, отсюда и возник этот термин; по мнению других, они просто понимали, что тот или иной климат присущ только определенному месту, то есть району или зоне. Современные же ученые рассматривают климат как понятие комплексное, целую совокупность состояний всей системы океан - суша - атмосфера на протяжении нескольких десятилетий.

. Чем определяется разнообразие климатов на Земле?

Климат является одной из физико-географических характеристик местности, и, таким образом, он определяется прежде всего географическим положением последней, то есть широтой, распределением суши и моря, характером суши. В формировании климата любой местности большую роль играет ее высота над уровнем моря, а климата морских побережий и островных стран - течения в океане.

2. Насколько велика энергия, заключенная в атмосферных процессах?

Согласно Е. П. Борисенкову, внутренняя энергия всей атмосферы оценивается цифрой 8,6 1023 Дж, потенциальная - 3,6 1023 Дж, а кинетическая - на два порядка меньше: 1021 Дж, то есть составляет менее 1% потенциальной энергии. При этом кинетическая энергия атмосферы в южном полушарии почти в два раза больше, чем в северном. Это связано с тем, что контрасты температуры между Южным полюсом и экватором значительно резче, чем между Северным полюсом и экватором.

Первопричиной же развития атмосферных движений является превышение количества поглощаемой атмосферой солнечной радиации над количеством излучаемой ею радиации, то есть постоянное нарушение состояния лучистого, а с ним и механического равновесия. Для Земли же в целом в среднем за год поглощаемая солнечная радиация равна излучаемой радиации. Одна треть усваиваемого Землей солнечного тепла расходуется на испарение и только 1,6% - превращается в кинетическую энергию, расходуется на движение воздуха. Следовательно, система атмосфера - земная поверхность может рассматриваться как тепловая машина с очень небольшим коэффициентом полезного действия... Кинетическая энергия на единицу массы атмосферы равна 140 Дж/кг, чему соответствует средняя скорость атмосферных движений около 17 м/с. Типичное время генерации кинетической энергии атмосферы, а также ее вырождения под действием вязкости - примерно 5 105 с, то есть около одной недели. Это срок, равный средней продолжительности жизни циклона, или продолжительности так называемого естественного синоптического периода, на который считается возможным составлять краткосрочные прогнозы погоды при благоприятных условиях развития атмосферных процессов и достаточной полноте информации о них.

3. От чего зависит климат

Климат - это та же погода, усредненная за десятки лет. Когда говорят, что климат влажный, то это отнюдь не значит, что каждый день наблюдается влажная погода. Просто за десять - двадцать лет в данной местности преобладали влажные погоды.

Ясно, что климат, как и погода, поддаются измерению. Измеряют атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, направление и скорость ветра, облачность, видимость, осадки (количество и вид), туманы и метели, грозы и другие явления, продолжительность солнечного сияния, температуру почвы, высоту и состояние снежного покрова и многое другое - составляющие части климата или метеорологические элементы.

Климат Земли определяется элементами окружающей среды глобального или климатического масштаба. Это океан, атмосфера, суша, солнечное излучение, снежноледниковый покров. Но не только элементы окружающей среды влияют на климат. Климат, в свою очередь, тоже влияет на эти элементы. Если первую связь считать прямой, то вторая является обратной.

Из сказанного выше ясно, что в данном смысле мы имеем дело со сложной системой, которая состоит из многих элементов, связанных между собой. Поэтому специалисты в наше время говорят все чаще о "климатической системе" Земли. А раз "система", то она должна обязательно подчиняться всем законам, которые определяют развитие, состояние, режим жизни систем. Если систему вывести из состояния равновесия, то понадобится определенное (но не любое) время, за которое система или вернется в прежнее состояние, или в ней установится новое состояние. Что именно произойдет при возмущении климатической системы, зависит как от характера и интенсивности возмущения, так и от того состояния, в котором в момент воздействия находилась климатическая система. Климатическая система включает в себя атмосферу, гидросферу (океан и воды суши), сушу (континенты), криосферу (снег, лед и районы многолетней мерзлоты), а также биосферу. Ведущий советский климатолог академик А.С. Монин всю свою жизнь настаивал на том, что эта система является замкнутой. Другими словами, он настаивал на том, что на климатическую систему не оказывают влияния факторы, которые находятся вне системы. Это прежде всего Солнце и его энергия. Абсурдность этого утверждения очевидна, но от позиции ведущего в стране ученого зависит (особенно сильно зависело в советское время) формирование программ и исследований других ученых и институтов. Зарубежные ученые показали, что погода и климат на Земле тесно связаны с изменением солнечной активности, с выбросом из Солнца заряженных частиц различных энергий, с направлением межпланетного магнитного поля к Солнцу или от него. Такие же результаты описаны нами в книге "Космос и погода", выпущенной в свет издательством "Наука" в 1986 г.

Центральным элементом климатической системы является атмосфера. Через нее человек воспринимает изменение других элементов. Атмосфера есть в любой точке Земли, она глобальна. Другие элементы в той или иной мере локальны. Океан занимает 70,8% поверхности Земли. Суше остается 29,2%. Ледники занимают чуть больше 3% поверхности Земли. Если сюда добавить морские льды и снежный покров, то получится 11%. Биосфера распространена в глобальных масштабах.

Атмосферный газ является всепроникающим. Он находится в состоянии непрерывного обмена с другими элементами климатической системы. Составляющие атмосферного газа растворяются в гидросфере. Из гидросферы они также поступают в воздух, проникают в поры и трещины литосферы. И в свою очередь атмосфера наполняется выбросами вулканических газов и их слабыми потоками из литосферы. В ледниковых покровах также сохраняются атмосферные газы. При таянии льдов в виде пузырьков они освобождаются и поступают обратно в атмосферу. Атмосфера обменивается газами с биосферой в процессе дыхания. Атмосфера как элемент климатической системы является самой подвижной из всех других элементов.

Надо ли говорить о том, как важна гидросфера, прежде всего Мировой океан, для образования климата? Тепло, масса и энергия движения передаются от атмосферы водам Мирового океана и наоборот. Они соприкасаются друг с другом на 2/3 поверхности Земли. Влагооборот образуется за счет того, что с поверхности океана в атмосферу испаряется значительное количество воды. Поверхностные течения в океане формируются атмосферными ветрами, которые переносят большое количество тепла. Океан является гигантским аккумулятором тепла. Масса океанической воды в 258 раз больше массы атмосферного газа. Для того, чтобы повысить температуру атмосферного газа на 1 °C, океанической воде надо отдать то же количество тепловой энергии, в результате которого температура воды уменьшится всего на одну тысячную долю градуса. Такие изменения температуры даже трудно измерить.

К сожалению, Мировой океан изучен слабо. Только недавно обнаружены очень важные особенности циркуляции воды в океане. Так, были обнаружены океанические вихри, подобные циклонам и антициклонам в атмосфере. Диаметр этих вихреобразных кольцевых структур достигает 100 километров. Свойства воды в пределах этих вихрей сильно отличаются от свойств воды окружающей их. Обнаружены также поверхностные океанические движения воды. Установлено, что и на больших глубинах вода находится в движении. Таким образом, гидросфера является очень подвижной средой, хотя по сравнению с атмосферным газом скорость движения здесь в десять-сто раз меньше. Средняя скорость океанических движений составляет несколько сантиметров в секунду, тогда как скорость ветра достигает нескольких (а то и десятков) метров в секунду. В верхних слоях атмосферы эти скорости достигают сотен метров в секунду.

Снег и лед (криосфера) также очень важны для формирования климата. Покрывая земную поверхность, они сильно увеличивают отражательную способность Земли. В результате до 90% приходящей от Солнца тепловой энергии этим зеркалом отражается обратно в космос. Усвояемость солнечной энергии участками Земли, которые покрыты снегом и льдами, значительно ниже, чем обнаженных.

Основная масса льда сосредоточена в Антарктиде. Там находится 90% всего льда, который имеется на планете. Но в данном случае главную роль играет не масса льда, а площадь поверхности Земли, на который он рассредоточен. А наибольшую площадь на Земле занимают морские льды и сезонный снежный покров. Морской лед Северного Ледовитого океана сохраняется летом на площади около 8 млн. квадратных километров. Зимой эта площадь увеличивается более чем в два раза. Она в два раза превышает площадь Австралии. Морской лед зимой вокруг Антарктиды покрывает еще большую площадь (почти 20 км2). Летом площадь, занятая там льдами, в 10 раз меньше.

Сушу можно считать пассивным элементом климатической системы. Она за короткие промежутки времени меняется мало. Ее изменяют процессы почвообразования, выветривания, эрозии, опустынивания. За десятки и сотни миллионов лет происходит дрейф континентов, что совершенно меняет лик Земли. И не только лик. Меняются все компоненты климатической системы. Скорость дрейфа континентов составляет несколько сантиметров в год.

Биосфера является весьма активным компонентом климатической системы. Действует она на изменения климата по-разному. Так, в периоды вегетации растительного покрова, смены растительных сообществ, расширения и сокращения площади, занятой растительностью, увеличения или уменьшения биомассы ее влияния на изменения климата проявляются по-разному, они проявляются в разных масштабах времени.

Если климатическую систему сравнить с живым организмом, то можно сказать, что роль крови в нем выполняет вода. Она находится в любых фазовых состояниях (пар, жидкость, снег, лед). Вода является переносчиком массы и энергии в климатической системе. Климатическая система, по мнению специалистов, является в большинстве случаев системой саморегулирующейся. Это значит, что многие внешние и внутренние изменения (возмущения) гасятся, затухают.

Самым подвижным компонентом климатической системы является атмосфера. Без неё Земля превратилась бы в безжизненную пустыню, подобную поверхности Луны. Без атмосферы не было бы ни мира звуков, ни озёр, ни рек, а голубое небо, которым мы наслаждаемся, стало бы мрачным, чёрным. Отдаваемое земной поверхностью тепло беспрепятственно уходило бы в космос, если бы не было примесей: водяного пара, углекислого газа и других. Эти примеси задерживают уходящее с Земли тепло, в результате чего происходит нагрев поверхности и нижних слоёв воздуха, возникает явление парникового эффекта. Благодаря ему средняя температура поверхности Земли поднялась на 38 оС и в настоящий момент составляет +15 оС.

В ней происходят слабые и сильные движения воздуха, а также конвекция. В ней формируются циклоны и антициклоны, зарождаются торнадо и ураганы. В атмосфере дуют устойчивые и неустойчивые ветры, возникают атмосферные волны и с огромной скоростью несутся струйные течения. Атмосфера является наименее инерционным компонентом климатической системы. Она влияет на изменение погоды за секунды, недели, месяцы и годы.

Очень подвижны воды Мирового океана. Поверхностные морские течения тесно связаны с движениями атмосферного газа. В Мировом океане имеются и другие системы течений - придонные, приливно-отливные. Происходят также погружения и подъемы глубинных вод. Эти движения вод называют апвелингом. Одна десятая площади поверхности океана занята этими движениями. На поверхности раздела вод с разной плотностью возникают внутренние волны.

Наибольшее значение для жизни, а также процессов, происходящих на Земле, имеет нижний слой атмосферы - тропосфера, в которой находится 9/10 всей массы воздуха. В тропосфере образуются облака, дождь, снег, град, ветер. Поэтому тропосферу называют "фабрикой погоды". Процессы, происходящие в ней часто становятся причиной страшных стихийных бедствий-засух, наводнений, ураганов и других явлений, в результате которых гибнут люди, животные и растения.

Но климат любой местности зависит прежде всего от количества солнечного тепла, поступающего на земную поверхность. Это количество определяется полуденной высотой Солнца над горизонтом-географической широтой. Чем ближе к экватору, тем больше угол падения солнечных лучей, а значит, сильнее нагревается земная поверхность и выше температура приземного слоя атмосферы. Поэтому близ экватора годовая температура равна +25-26 oС, а на севере Евразии и Северной Америки средняя годовая температура равна +10 oС, а местами значительно ниже. Наиболее низкие температуры в полярных поясах.

На поверхности Земли выделяют три пояса с преобладанием низкого и четыре пояса с преобладанием высокого давления. Пояса атмосферного давления образуются в результате неравномерного распределения солнечного тепла на земной поверхности, а также влияния отклоняющей силы вращения Земли вокруг оси. В поясах высокого давления преобладают нисходящие воздушные потоки. Холодный воздух, опускаясь, содержит мало влаги. При этом он сжимается и нагревается, благодаря чему удаляется от состояния насыщения, становится суше. Поэтому в областях повышенного давления над тропиками и у полюсов осадков выпадает мало. Распределение осадков зависит также и от географической широты. Чем меньше количество солнечного тепла, тем меньше осадков. В умеренных широтах преобладают западные ветра.

Вследствии неравномерного распределения солнечного тепла и атмосферных осадков на земной поверхности, климаты Земли очень разнообразны. Известный учёный Б.П. Алисов выделил на Земле 13 Климатических поясов, которые отличаются друг от друга температурными условиями и воздушными массами.

Рис. 2 Атмосферные пояса

Основные климатические пояса соответствуют распространению четырёх типов воздушных масс. В области экватора находится экваториальный климатический пояс. Здесь преобладают экваториальный воздух и пониженное атмосферное давление.

В тропических поясах господствуют тропический воздух, высокое давление, нисходящее движение воздуха

В умеренных поясах преобладают умеренный воздух и западные ветры. Здесь значительно холоднее, чем в тропических поясах.

Переходные пояса находятся между остальными поясами. Приставка "суб" в переводе с латинского означает "под". Субэкваториальный пояс-подэкваториальный пояс и т.д. В переходных поясах воздушные массы меняются с сезоном. Они приходят сюда из соседних поясов

. Океан и колебания климата

Для обыкновенного человека понятие неизменного климата связано с непрерывным чередованием времен года: весна сменяет зиму, затем наступает лето, вслед за которым приходит осень, и, наконец, вновь возвращается зима. И так из года в год. При этом новая зима, как, впрочем, и все другие времена года, ничем не отличается от предыдущих. Для такого развития событий, казалось бы, есть все предпосылки. Ведь само слово климат происходит от греческого klima, что значит наклон земной поверхности к солнечным лучам. Оно отражает неизменное движение Земли по орбите вокруг Солнца, в ходе которого наша планета поворачивается к Солнцу то одним, то другим своим боком (полюсом), что, собственно, и является причиной годовой цикличности всех процессов на Земле. Известно, что приходящая к Земле солнечная энергия неравномерно распределена по земному шару. Более того, поглощаемая Землей приходящая коротковолновая солнечная радиация в отдельной точке не компенсируется уходящей длинноволновой радиацией, хотя при этом интегральный тепловой баланс планеты остается нулевым. Следовательно, избыточная тепловая энергия, получаемая в тропиках, должна переноситься в высокоширотные районы и тем самым обеспечивать стабильный тепловой режим на планете. Из всех возможных кандидатов на роль транспортных средств только два могут действительно эффективно осуществить эту операцию: океан и атмосфера. Итак, Земля вращается вокруг Солнца по постоянной орбите и с постоянным наклоном оси собственного вращения. Океан и атмосфера перераспределяют приходящую от Солнца энергию между широтами, компенсируя зональную неравномерность ее прихода на верхнюю границу атмосферы.