Атмосфера и климат

Сайт об атмосфере, климате и метеорологии

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.

Ледниковые периоды

Самые коренные изменения климата Земли были связаны с установлением на ней ледниковых периодов. Для объяснения причин оледенения, оказывавшего очень большое влияние на все процессы на земной поверхности, предложено много гипотез. Одна из самых правдоподобных гипотез основана на колебаниях циркуляции океанических вод и их воздействия на атмосферу.

В настоящее время на Земле льдом покрыта площадь примерно 15 миллионов квадратных километров. Это составляет около 10% поверхности суши. По сравнению с тем, что было в ледниковые периоды, это очень немного. Но это много больше, чем в межледниковые периоды.

То, что современное оледенение Земли сравнительно невелико, по крайней мере в северном полушарии, связано с интенсивным обменом вод между относительно теплым Атлантическим океаном и холодным Северным Ледовитым океаном. Этот обмен ведет к некоторому нагреванию Арктики и делает ее оледенение сравнительно небольшим. Кроме того, этот обмен вызывает увеличение содержания водяного пара в воздухе Арктики и в конечном счете увеличение количества осадков.

Предполагается также, что этот обмен вод постепенно понижает уровень Мирового океана, так как часть вод „скована" льдами. Когда уровень Мирового океана понижается, то узкий подводный горный хребет между Норвегией и Гренландией сильно тормозит циркуляцию вод между атлантическим и арктическим бассейнами И задерживает поступление теплых вод в северные моря.

В связи с этим температура в Арктике понижается и Ледяной покров распространяется к югу. Когда температура опускается ниже 0°С, циркуляция вод прекращается и северные моря папностыо покрываются льдом. Начинается новый ледниковый период.

Однако когда лед покрывает северные моря, то одновременно Начинается и его разрушение. Дело в том, что ледяной покров прерывает процесс испарения, а тем самым уменьшает и выпадение осадков. Тогда лед начинает быстрее таять снизу, чем нарастать сверху, и поступление воды в океан увеличива-

ется. Уровень океана повышается и возобновляется циркуляция вод между Атлантикой и северными морями. Количество льда уменьшается и цикл заканчивается. Но через некоторое время он может начаться снова и вызвать новое оледенение.

Описанный цикл требует коренного изменения характера циркуляции океанических вод. Тем не менее имеются свидетельства в пользу того, что такой цикл в прошлом действительно происходил. Во время последнего ледникового периода уровень Мирового океана был на 100 м ниже, а средняя температура была на 4—8°С ниже, чем теперь. Коренное изменение характера циркуляции океанических вод между более холодным и более теплым водоемом сопровождалось развитием области пониженного атмосферного давления, располагавшейся там, где теперь леж1ит полярная область повышенного давления.

Все гипотезы, изложенные выше, а также здесь не упомянутые, содержат ряд неясностей. Это следует хотя бы из того, что для объяснения ледниковых периодов предложено свыше 40 различных гипотез. Но во всех этих гипотезах признается, что имели место коренные изменения характера циркуляции океана и атмосферы на Земле.

Метеорологические наблюдения

Цель метеорологических наблюдений, а также и самой метеорологии состоит в познании явлений погоды и их изменений, а затем в прогнозе будущей погоды по данным о предшествовавших явлениях. Первый шаг к пониманию огромной массы явлений и процессов, определяющих погоду, состоит в обнаружении и последующем картировании различных атмосферных возмущений. Для того чтобы следить за тем, как изменяется погода, метеорологи используют в настоящее время ряд различных приборов, а также численных моделей.

Кратковременные явления можно обнаружить на картах, которые указывают на крупномасштабные процессы, действующие в данный момент на той или иной территории. На синоптическую карту, называемую также картой погоды, наносят множество отдельных данных, получаемых из многих источников.

В современных методах прогноза погоды не уделяется внимания ежедневным мелким ее изменениям. Получаемые исходные данные используются для статистического анализа тех многочисленных причин, которые совместно вызывают изменение погоды. Задачей метеорологии не является открытие каких-либо новых фундаментальных законов, как это обстоит, например, в физике. Развитие метеорологии скорее зависит от глубины познания физиками основных законов окружающей природы, используемых затем метеорологами для понимания последующего развития атмосферных процессов. Это в свою очередь поможет лучше представить, каким образом погода влияет на различные виды человеческой деятельности.