Атмосфера и климат

Сайт об атмосфере, климате и метеорологии

Суточные данные

Ежедневно метеорологи получают большое число данных и используют их при описании особых свойств каждого района. Вычислив амплитуду суточного хода температуры воздуха, строят затем общую крупномасштабную характеристику данного района.

Суточные максимумы и минимумы температуры в разных районах сравнивают между собой.

По записям и карте особых метеорологических явлений находят их повторяемость. Отмечают наибольшую интенсивность разных штормов, максимумы и минимумы температуры и давления при этих штормах. Записывают время выпадения осадков и их количество. Отмечают также периоды выпадения самых обильных осадков, случаи их выпадения на протяжении нескольких дней подряд, виды осадков.

Ежедневные данные о погоде состоят из сведений о форме облаков, высоте их нижней границы, о дальности видимости, о скорости и направлении ветра в определенное время суток и т. д., а также о времени, необходимом для развития той или иной формы облаков или для изменения их внешнего вида, о продолжительности всех отмечаемых явлений. Находят средние перемещения воздуха за каждый час и соответствующие изменения давления.

Использование климатических данных

Из всего изложенного видно, что климатологи опираются на большое количество весьма разнообразных исходных данных о метеорологических характеристиках различных районов. Таким образом, анализ, выполняемый ими, представляет собой не просто беглый просмотр нескольких средних значений, а наоборот, широкое обобщение всех данных. Оказалось, что иногда климат отдельного района существенно отличается от климата соседних районов.

Климатологи в соответствии с тем или иным методом классификации выделяют различные климатические области Земли.

Одним из главных критериев классификации климатов служит повторяемость определенных метеорологических величин, с помощью которой с точностью, .какую допускает современное состояние науки, выявляют внутренние взаимосвязи между разными климатами. Синоптическая климатология, как следует из ее названия, стремится объединить данные для каждого рассматриваемого района в единую картину.

Естественно, что при огромном объеме исходных данных выявить какие-либо соотношения между климатами можно, только сопоставляя и обобщая эти данные. Обработка на ЭВМ исходных данных, характеризующих последовательное развитие метеорологических явлений в течение Длительных периодов времени, позволяет легче выявить значение разных групп этих данных.

Важным критерием при выделении климатических областей является преобладание тех или иных воздушных масс, действующих в данной области. Поскольку каждую воздушную массу прослеживают все метеорологические станции данного района, то легко выявить свойства воздушных масс и повторяемость их перемещения. Продолжительность пребывания той или иной воздушной массы в данном районе также характеризует степень воздействия этой массы на погоду района.

Причины различия климатов

Климаты разных районов различаются по многим причинам. Большая часть крупных изменений климата от района к району происходит из-за одного или нескольких сочетаний таких причин. Одна из них — различие широты места. Другими причинами могут быть разница в высоте над уровнем моря, режим ветра, рельеф местности. Многие различия погодных условий, связанные с различием широты места, выше уже рассматривались.

Легко видеть, что средняя температура воздуха на земном шаре должна уменьшаться в направлении от экватора к полюсам. Однако под влиянием многих второстепенных факторов, которые не столь очевидны, это происходит отнюдь не равномерно. В первую очередь сказывается влияние океанов и суши, лежащих на пути движущихся воздушных масс. Кроме того, в изменении свойств воздуха с широтой играют роль и некоторые „причуды" общей циркуляции атмосферы.

Количество осадков тоже изменяется с изменениями широты места.

Больше осадков выпадает вблизи экватора, а в направлении к полюсам количество их уменьшается, причем неравномерно. На суше, в частности, количество осадков уменьшается еще и в направлении от побережий, омываемых теплыми морскими течениями, в глубь континентов.

Изменяют климат от одной области к другой и вторичные факторы, которые, приводя к трансформации воздушных масс, в основном и создают различные климатические области Земли. Рассмотрим коротко действие трех из указанных выше причин, начав с влияния континентов.

Влияние океанов

В прибрежных районах многие метеорологические величины изменяются значительно слабее, чем на тех же широтах в глубине континентов. Основным фактором, влияющим как на суточный, так и на годовой ход этих величин, в таких районах оказывается их близость к морю и к районам сильных морских течений. Амплитуды изменений температуры воздуха в прибрежных районах значительно меньше, чем в близких к ним районах суши, находящихся даже на небольшом расстоянии от побережья.

Близость таких крупных водоемов, как океаны, влияет и на начало разных времен года. На побережьях континентов „сдвиг" фактических моментов начала разных сезонов по сравнению с ожидаемым может быть значительным.

Следует еще сказать, что районы побережья лежат в промежутке между областями с настоящим континентальным климатом и областями с настоящим морским климатом. Климат таких промежуточных районов изменяется, в частности, под влиянием близлежащих морских течений, на него влияют и ветры, преобладающие на данном побережье. Западные берега континентов, лежащие в поясе преобладающего западного переноса, в большей мере подвержены влиянию океана, тогда как восточные берега той же зоны — влиянию переноса воздуха с континента. В районах же, лежащих в поясе пассатов, существует обратное положение: здесь более морским климатом обладают не западные, а восточные берега континентов. Даже подпадая под воздействие континентальных ветров, эти побережья все равно сохраняют более умеренный климат, чем глубинные районы континента, не испытывающие воздействия морских воздушных масс.

Влияние рельефа местности

Высота местности над уровнем моря и ее рельеф сильно меняют свойства проходящего над ней воздуха. Так, например, горные цепи нередко оказываются границей между двумя разными климатическими областями, расположенными на одном континенте. Воздушные массы, вынужденные переваливать через горы, коренным образом меняют свои свойства. Температура воздуха, адиабатически расширяющегося, быстро понижается с высотой, поэтому на наветренных склонах горных хребтов выпадают обильные осадки. Если же воздух, переваливая через горы, начинает спускаться, влажность его сильно уменьшается, в результате чего на подветренной стороне многих хребтов возникает дождевая тень и образуются пустыни.

В разреженном горном воздухе наблюдается самый большой приход солнечной радиации. Поэтому днем температура воздуха в горах быстро возрастает, а ночью столь же быстро происходит радиационное выхолаживание. В связи с этим на горных склонах, и особенно на высоких плоскогорьях, над которыми воздух довольно устойчив и почти не перемешивается, в отличие от соседних равнинных районов, отмечаются большие амплитуды изменения температуры воздуха.

Изменения климата

Хотя при рассмотрении довольно длительных периодов климаты на Земле представляются неизменными, все же есть много доказательств того, что в прошлом они изменялись. Иногда изменения были незначительными и кратковременными, иногда же имели фундаментальный характер, в частности оказывали громадное влияние на разные виды животных, населявших Землю.

Наши сведения об изменениях климата получены в результате интенсивного изучения факторов, которые влияли на климат в последние десятилетия. За сравнительно небольшие отрезки времени климат меняется незначительно, т. е. мало отклоняется от средних характеристик за эти отрезки. Но- если анализировать данные об ископаемых, можно заметить, что в прошлом климат  Земли был подвержен и небольшим, и весьма значительным изменениям. По данным о жизни растительного покрова, в истории Земли периоды обильных осадков чередовались с относительно засушливыми периодами. Периоды эти продолжались по нескольку тысяч лет.

Имеются свидетельства того, что примерно за 3000 лет до н. э. средняя температура на Земле была приблизительно на 5°С выше, чем в настоящее время. Океаны тогда получали много воды за счет таяния морских льдов, и уровень моря был на 2 м выше современного.

Около 500-х годов до н. э. имел место малый ледниковый период, в течение которого ледники были обширнее, чем теперь. Затем они начали отступать и отступали вплоть до XVII в. Затем они вновь начали надвигаться — возник новый малый ледниковый период, продолжавшийся до конца XIX в. С этого времени уровень моря поднимается со скоростью 6 см в 1000 лет. Геологические и биологические данные говорят о многократных кратковременных колебаниях такого же типа.

Для объяснения причин этих колебаний климата нашей планеты было предложено множество гипотез. Все они до некоторой степени согласуются между собой, так как пытаются объяснить основные изменения климата физическими особенностями развития Земли. Но все они имеют крупные недостатки, и ни одна не дает вполне удовлетворительного объяснения изменений климата.

Кратковременные колебания климата

Для того чтобы выявить, какие изменения претерпевал климат Земли в течение сравнительно коротких отрезков времени, исследуют метеорологические данные, и в первую очередь данные наблюдений за температурой воздуха и осадками. При этом предполагается получить статистические подтверждения изменений климата Земли.

Выявляя периодические колебания в средних значениях метеорологических величин, можно видеть, что в различных частях планеты они действительно несколько изменялись в течение десятилетий и столетий.

Сопоставление таких данных указывает на существование периодов с избытком или дефицитом тех или иных метеорологических условий (тепла, влаги и т. п.).

Например, на территории США в течение нескольких последних столетий несколько раз избыточно влажные периоды сменялись засушливыми. На американском западе периоды обильных дождей чередовались с засухами.

Длительные колебания климата

В отличие от кратковременных циклов, выявить которые в изменениях климата затруднительно, длительные циклы обнаруживаются во многих явлениях. Богатую информацию об истории климата дают годичные кольца старых деревьев. Такие же сведения приносит изучение отложений на дне озер — отложения имеют слоистую структуру.

Изучая ископаемые растения и животных, можно узнать о чередовании периодов гибели и возрождения больших групп живых организмов. Это же подтверждает и изучение современных видов животных на данной территории. Изучение болот и образцов древней почвы также подтверждает колебания климата в прошлом. Хотя теперь и трудно восстановить прежние средние значения метеорологических величин, все же имеется много доказательств их изменения.

Климат зависит от многих условий — широты места, высоты над уровнем моря, преобладающего ветра, особенностей рельефа и т. д. По положению суши и водоемов, которое с развитием Земли менялось, тоже можно судить, как изменялся климат района — от морского до континентального или наоборот.

Как ни трудно было все это выявить, климатологи все же построили общую схему, описывающую основные изменения климата Земли за весь период ее развития. Сведения об изменениях климата за несколько последних тысячелетий в разных районах Земли хорошо согласуются между собой.

Влияние Солнца

Некоторые ученые считают что климат Земли изменился в результате процессов, происходящих на Солнце и приводящих к колебаниям количества излучаемого Солнцем тепла. Процессы эти испытывают медленные циклические колебания. Согласно взглядам этих ученных, тяжелые элементы, которые выделяются при распаде ядер атомов на Солнце, постепенно собираются к центру Солнца. Накопление тяжелых элементов в центре приводит к периодическому сжатию и расширению внешних оболочек Солнца. Периодическое же изменение размеров Солнца влияет на количество излучаемой им энергии и соответственно на приход солнечной радиации к Земле.

Хотя эта гипотеза отнюдь еще не доказана, но на Солнце действительно происходят некоторые циклические процессы, характеризующиеся небольшими колебаниями. Так, количество солнечных пятен, которое некоторыми астрономами считается показателем колебаний солнечного излучения, изменяется с периодом 11 лет. Этот цикл довольно регулярно повторяется, но в настоящее время еще остается необъясненным.

Некоторые астрономы пытались найти связь между ядерными реакциями, происходящими на Солнце, и колебаниями температуры на Земле. В прошлом средняя температура для всей Земли составляла 22°С. В настоящее время она равна примерно 13°С. В холодные периоды она опускалась до 6°С. Некоторые исследователи полагают, что столь значительные колебания температуры Земли могли быть Следствием лишь очень больших изменений излучения энергии Солнцем. Однако имеющиеся сейчас данные не подтверждают наличия таких больших колебаний в поступлении солнечной радиации на Землю. Это делает упомянутые взгляды не вполне убедительными.

В инфракрасной части спектра значительное количество солнечной энергии поглощается углекислым газом, поэтому колебания в его содержании также могут влиять на климат. Количество же углекислого газа в атмосфере по разным причинам может увеличиваться. Некоторое количество его выделяется при фотосинтетической деятельности растений, даже несмотря на то, что обмен веществ в них в целом ведет к быстрому потреблению углекислого газа. Выделяют углекислый газ и вулканы во время извержений. Океаны содержат значительное количество углекислого газа в растворенном виде. Много углекислого газа в качестве побочного продукта обмена веществ выделяют животные. Наконец, за последние 100 лет огромное количество углекислого газа поступило в атмосферу в результате промышленной деятельности человека.

При вулканических извержениях в атмосферу выбрасывается также большое количество вулканической пыли, которая оказывает влияние на приход солнечной радиации на земную поверхность, снижая его в периоды очень активной вулканичеакой деятельности почти на 20%.

Влияние рельефа

В некоторых исследованиях обращается внимание на то, что соотношение между площадью суши и океана на земной поверхности непрерывно изменяется. Периодические подъемы и опускания суши перераспределяют сушу и океан на поверхности Земли и тем самым меняют количество поглощаемой и излучаемой лучистой энергии. Это в свою очередь может изменять общую циркуляцию атмосферы, а также морские течения, т. е. как раз те факторы, сочетание которых определяет положение различных климатических областей Земли.