Климат Земли. Факторы, влияющие на климат

Вы иногда задумывались, почему одна область мира это сплошные пески, а другая покрыта зелеными лугами или тропическим лесом? Почему существуют лесные чащи и пустыни, и почему существуют разные формы жизни в каждой области? Ответ один — климат.

Климат — это характерное состояние атмосферы у земной поверхности в определенной местности. Это многолетний режим погоды в данном районе (по крайней мере, не менее 30 лет). Он включает в себя общую картину погодных условий, сезонов и экстремальных погодных условий в регионе, таких как ураганы, засухи или дождливые периоды. Двумя наиболее важными факторами, определяющими климат местности, являются температура воздуха и количество осадков.

Температура воздуха зависит прежде всего от Солнца. Она подвержена многим влияниям, в том числе влиянию атмосферы, океанов, суши, и изменяется ими, но изменение солнечного излучения является наиболее важным фактором, влияющим на климат. Поэтому, его рассмотрим в первую очередь.

Солнечное излучение

Распределение тепловой энергии от Солнца

Термоядерный синтез глубоко внутри Солнца высвобождает огромное количество энергии, которая медленно передается на солнечную поверхность и излучается в космос. Небольшая часть этой энергии попадает на Землю. Площадь земной поверхности в 1 м², перпендикулярная лучам Солнца в верхней части атмосферы Земли, получает около 1365 Вт солнечной энергии. (Это количество сравнимо с потребляемой мощностью типичного электрического нагревателя).

Из-за небольшой эллиптичности орбиты Земли вокруг Солнца количество солнечной энергии, перехваченное Землей, неуклонно увеличивается или падает на 3,4% в течение года, достигая максимума 3 января, когда Земля ближе всего к Солнцу. Хотя около 30% этой энергии рассеивается обратно в космос, оставшегося количества достаточно для обеспечения движения атмосферных ветров и океанических течений и для поддержания почти всей биосферной активности.

Солнечные лучи падают на экватор под прямым углом. Наиболее сильное излучение достигает атмосферы между 23° северной широты и 23° южной широты. Температуры в этих областях, как правило, самые большие на земле.

Чем ближе к полюсам Земли, тем под меньшим углом падают лучи на поверхность и, следовательно, излучение Солнца минимально.

Таким образом, изменение высоты Солнца является одним из основных факторов, объясняющих зависимость климата от широты. Другим основным фактором является продолжительность дневного освещения. Для широт выше 66,5° с.ш. и ю.ш. длина дня колеблется от нуля (зимнее солнцестояние) до 24 часов (летнее солнцестояние), тогда как экватор имеет постоянный 12-часовой световой день в течение всего года. Таким образом, сезонный диапазон температур уменьшается от высоких широт до тропиков, где он становится меньше суточного диапазона температур.

Влияние атмосферы на климат

Из той части энергии излучения Солнца, которая достигает верхней части атмосферы, в среднем 46% поглощается земной поверхностью, но это значение значительно варьируется от места к месту, в зависимости от облачности, характера земной поверхности и высоты. Если существует постоянный облачный покров, который существует в некоторых экваториальных регионах, большая часть падающего солнечного излучения рассеивается обратно в космос и очень мало поглощается поверхностью Земли.

Поверхность воды имеет низкую отражательную способность (4–10%), за исключением тех случаев, когда Солнце низко над горизонтом, и является наиболее эффективным поглотителем. С другой стороны, снежные поверхности, имеют высокую отражательную способность (40–80%) и являются плохими поглотителями. Высокогорные пустынные районы постоянно поглощают солнечное излучение выше среднего из-за того, что толщина атмосферы над ними более тонкая.

Из 341 Вт/м² солнечного излучения, попадающего на Землю, примерно 30% (102 Вт/м²) сразу же отражается от поверхности Земли (23 Вт/м²) и облаков (79 Вт/м²), а 239 Вт/м² в сумме поглощается атмосферой (78 Вт/м²) и поверхностью Земли (161 Вт/м²). Поглощение в атмосфере обусловлено, в основном, облаками и аэрозолями на малых высотах, а также озоном (O₃) в стратосфере.

Поглощение солнечной радиации озоном защищает земную поверхность от вредного ультрафиолетового излучения, согревает стратосферу, создавая максимальные температуры от -15 °C до +10 °C на высоте 50 км. Поглощение атмосферой излучения происходит, в основном, в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, поэтому более 90% видимой части солнечного спектра с длинами волн от 0,4 до 0,7 мкм в безоблачный день достигает земной поверхности. Видимый свет, однако, в разной степени рассеивается аэрозолями и облаками, молекулами воздуха и частицами пыли.

Голубое небо и красные закаты в действительности объясняются преимущественным рассеянием коротких (синих) длин волн молекулами воздуха и мелкими частицами пыли. Микрокапли воды достаточно эффективно рассеивают видимые длины волн (из-за этого облака обычно кажутся белыми), поэтому отражающая способность облаков солнечного излучения обычно составляет около 50% и может достигать 80% для больших облаков. Полученная поверхностью Земли солнечная энергия систематически возвращается в космос в виде теплового излучения в инфракрасной части спектра. Длина излучаемых волн в основном составляет от 5 до 100 мкм, и эти волны по другому взаимодействует с атмосферой по сравнению с более короткими длинами волн солнечного излучения.

Излучение, испускаемое земной поверхностью, мало проходит через атмосферу. Большая часть его поглощается облаками, углекислым газом и водяным паром, а затем переизлучается во всех направлениях.

Таким образом, атмосфера действует как экран над поверхностью Земли, препятствуя потере тепла в космос. Экранирующий эффект наиболее выражен при наличии низких облаков и наиболее слаб при чистом небе, в котором содержится мало водяного пара. Без этого эффекта средняя температура поверхности (15 °C) была бы примерно на 30 °C холоднее. И наоборот, поскольку атмосферная концентрация углекислого газа, метана, хлорфторуглерода и других поглощающих газов продолжает увеличиваться, во многом благодаря деятельности человека, температура поверхности будет повышаться из-за способности таких газов улавливать инфракрасное излучение.

Точная величина этого повышения температуры, однако, остается неопределенной из-за непредсказуемых изменений в других компонентах атмосферы, особенно в облачном покрове.

Ярко выраженным примером такого эффекта (обычно называют парниковый эффект) — является эффект, создаваемый плотной атмосферой планеты Венера, приводящий к температуре ее поверхности около 475 °C. Такая высокая температура существует несмотря на то, что высокая отражательная способность венерианских облаков заставляет планету поглощать меньше солнечного излучения, чем Земля.

Колебания температуры атмосферы

Глобальные колебания средних приземных температур воздуха в значительной степени обусловлены широтой, континентальностью, океанскими течениями и преобладающими ветрами.

Влияние широты на среднюю температуру сильно проявляется в средних и высоких широтах в каждом полушарии. Это связано, главным образом, с быстрым уменьшением поступающей солнечной энергии, а также, частично, с более высокой отражательной способностью поверхности в высоких широтах, связанной со снежными и ледяными покровами и низким положением Солнца над горизонтом. Напротив, над широкой областью тропического океана изменения температур небольшие.

Континентальность является мерой различия между континентальным и морским климатом и, в основном, является результатом того, что над сушей диапазон изменения температур гораздо больше, чем над водой. Это различие является следствием гораздо меньшей эффективной теплоемкости поверхности суши, а также в целом меньшей скорости испарения. Нагрев и охлаждение поверхности земли происходит в тонком слое, глубина которого определяется способностью земли проводить тепло. Наибольшие изменения температуры происходят в сухих песчаных почвах, поскольку они являются плохими проводниками с очень малой эффективной теплоемкостью и не содержат влаги для испарения.

Безусловно, наибольшая эффективная теплоемкость приходится на водные поверхности, что обусловлено как перемешиванием воды вблизи поверхности, так и проникновением солнечного излучения, которое распределяет тепло на глубину нескольких метров. Таким образом, температура океана меняется медленно.

Суточный диапазон температур обычно увеличивается с удалением от моря и в направлении тех мест, где солнечное излучение является самым сильным — в сухом тропическом климате и на высокогорных плато (из-за уменьшенной толщины атмосферы, которую будут проходить солнечные лучи).

Самая высокая зарегистрированная температура воздуха

Континент или регион	Место, м (с возвышением *)	Температура, °C
Африка	Кебили, Тунис (38,1 м)	55
Антарктида	Станция Ванда 77° 32′ ю.ш. 161° 40′ в.д. (15 м)	15
Азия	Тират Зеви, Израиль (–220 м)	54
Австралия	Однадатта, Южная Австралия (112 м)	50,7
Европа	Афины, Греция (236 м)	48
Северная Америка	Долина Смерти (Ранчо Гренландия), Калифорния, США (–54 м)	56,7
Южная Америка	Ривадавия, Аргентина (668 м)	48,9
Океания	Тугуэгарао, Лусон, Филиппины (62 м)	42,2

Самая низкая зарегистрированная температура воздуха

Континент или регион	Место, м (с возвышением *)	Температура, °C
Африка	Ифран, Марокко (1.635 м)	-23,9
Антарктида	Восток 77° 32’ю.ш. 106° 40′ в.д. (3.420 м)	-89,2
Азия	Верхоянск, Россия (107 м) Оймякон, Россия (800 м)	-67,8
Австралия	Перевал Шарлотт, Новый Южный Уэльс (1.755 м)	-23
Европа	Усть-Щугер, Россия (85 м)	-58,1
Северная Америка	Снэг, Юкон, Канада (646 м)	-63
Южная Америка	Сармьенто, Аргентина (268 м)	-32,8
* Выше или ниже уровня моря. Источник данных: Всемирная Метеорологическая Организация (ВМО)

Изменение температуры с высотой в атмосфере

Существует два основных уровня, где атмосфера нагревается, а именно: на поверхности Земли и наверху озонового слоя (на высоте около 50 км) в стратосфере. Температура воздуха уменьшается с высотой. Скорость уменьшения составляет около 1 °C на 100 метров для сухого воздуха и 0,5 °C на 100 метров для насыщенного влагой воздуха.

Из-за этого температура воздуха, наблюдаемая на холмах и в горах, как правило, ниже, чем на низменности, за исключением случаев с обширными плоскогорьями, имеющими повышенную поверхность нагрева.

Циркуляция вод Мирового океана, течения и взаимодействие Мирового океана с атмосферой

Циркуляция вод Мирового океана является ключевым фактором в распределении температуры воздуха. Океанские течения, которые имеют в своем составе северную или южную составляющую, например, теплый Гольфстрим в Северной Атлантике или холодное Перуанское течение (течение Гумбольта) у Южной Америки эффективно способствуют обмену теплом между низкими и высокими широтами. В тропических широтах океан обеспечивает треть или более переноса тепла к полюсу; на широте 50° с. ш. доля океана составляет около одной седьмой. В отдельных секторах, где расположены течения, эти показатели, конечно, намного больше вышеприведенных цифр, представляющих собой средние значения в масштабах полушария.

Наглядным примером влияния теплого течения является Гольфстрим в январе, который вызывает сильный температурный градиент  с востока на запад по всему восточному краю Североамериканского континента.

Температурный градиент — это физическая величина, которая описывает, в каком направлении и с какой скоростью температура изменяется наиболее быстро вокруг определенного места. Градиент температуры — это размерная величина, выраженная в единицах градусов на единицу длины. Единица СИ — Кельвин на метр.

Относительно теплые воды Гольфстрима влияют на температуру воздуха по всей Атлантике, а преобладающие западные ветры распространяют теплый воздух вглубь северной Европы.

В результате январские температуры например, в Тромсё, Норвегия (69° 40′ с.ш.), в среднем на 24 °C выше среднего значения для этой широты. Гольфстрим оказывает согревающее действие и в июле, но это не так заметно из-за влияния континентальности.

Океан, особенно в тех областях, где его поверхность теплая, также поставляет влагу в атмосферу. В процессе конденсации водяного пара в атмосфере освобождается большое количество скрытого тепла. Это часто происходит в высоких широтах и ​​в районах, удаленных от океана, от тех мест, где первоначально была поглощена влага.

Изменения в положении  вблизи Большой Ньюфаундлендской банки (Grand Banks of Newfoundland) так влияют на энергоснабжение атмосферы и состояние погодных условий этого региона, что они вызывают изменение погоды над Британскими островами и Северной Европой.

Изменения в положении границ течения Куросио (также называемого Японским течением) в его северной части и в экваториальной части Тихого Океана, похоже, оказывает влияние в аналогичном масштабе. Действительно, благодаря своему влиянию на ширину течения эти океанические аномалии оказывают влияние на циркуляцию атмосферы, которая распространяется на все части северного полушария.

Колебания температуры поверхностного слоя воды в экваториальной части Тихого океана, которые повторяются с интервалами от трех до восьми лет, могут иногда вызывать серьезные климатические изменения. Одна из таких аномалий известна как Эль-Ниньо (по-испански El Niño «малыш» (подразумевается Иисус Христос); его так назвали перуанские рыбаки, заметившие его наступление во время рождественского сезона).

Во время Эль-Ниньо теплые поверхностные воды текут в восточном направлении в экваториальном Тихом океане, по крайней мере, частично реагируя на ослабление экваториальных восточных ветров, и заменяют собой обычно холодные восходящие поверхностные воды у берегов Перу и Эквадора, что связано с распространением на север холодного течения Перу. Изменение температуры морской поверхности превращает прибрежный климат из засушливого во влажный. Это также влияет на атмосферную циркуляцию в обоих полушариях и связано с изменениями осадков в регионах Северной Америки, Африки и западной части Тихого океана.

Поскольку центральная часть Тихого океана нагревается во время Эль-Ниньо, атмосферная конвекция (КОНВЕКЦИЯ в атмосфере — вертикальные перемещения воздуха, обусловленные разностью температур и, соответственно плотностей, различных слоёв воздуха,) которая обычно происходит над западным теплым бассейном, перемещается в центральную часть Тихого океана. Эта передача тепла из океана в атмосферу вызывает необычайные осадки в обычно сухом восточном экваториальном Тихом океане. Затем теплый воздух начинает течь с запада, питая эту конвекцию и еще больше ослабляя потоки ветра с востока на запад.

Краткосрочные колебания температуры часто происходят в связи с местными именениями погоды. Например, быстрое прохождение холодного фронта в средней широте может за несколько минут понизить температуру на 10 °C и, если за этим последует устойчивое движение масс холодного воздуха, то и на все 50 °С за 24 часа, с опасными для жизни последствиями для неосторожных.

Это приводит к дальнейшему потеплению, поскольку эта петля обратной связи усиливает явление и обеспечивает сохранение глубокой атмосферной конвекции и характера осадков в центральной экваториальной части Тихого океана. Эль-Ниньо в конечном итоге заканчивается, когда изменения в океане вызывают отрицательные обратные связи, которые обращают вспять динамику, создающую эффекты Эль-Ниньо.

Повышение температуры до 40 °C в течение нескольких часов также возможно с подветренной стороны основных горных хребтов, когда воздух, нагретый за счет выделения скрытого тепла на наветренной стороне хребта, вынужден быстро опускаться с другой стороны (такой ветер по-разному называют Чинук, Foehn, или Санта Ана). Однако изменения такого рода связаны с более широким спектром метеорологических процессов, чем обсуждалось в данной статье.

---