Климат

Для того чтобы понять механизмы, которые формируют климат Земли, необходимо изучать взаимодействие компонентов в исключительно сложной системе, включающей не только сравнительно хорошо известное поведение атмосферы, но и менее известное поведение Мирового океана и ледяных массивов в сочетании с изменениями, происходящими на поверхности Земли и в атмосфере. Таким образом, дальнейшее внедрение физических методов исследования в климатологию показало тесную связь климатологии с другими отраслями географической науки.

Метеорологическая станция на леднике Федченко на Памире

Еще в 50-х годах Б. П. Алисов писал, что разработка физических методов климатологического анализа - неотложная задача климатологии, от разрешения которой зависят ее развитие как науки и практическое значение в народном хозяйстве. Под физическим анализом в климатологии он понимал исследования конкретных (неосредненных процессов), протекающих в атмосфере. Климатология немыслима без слияния с географией. Климатические характеристики, не увязанные с общей физико-географической обстановкой, теряют конкретный смысл и практическое значение. Вне географии климатология превращается в абстрактную науку.

Наука о климате - климатология. Место климатологии как отрасли географии утверждено еще трудами крупнейшего русского ученого А. И. Воейкова (1842-1916). Он показал, что только с географических позиций становится ясной физическая сущность климатологических процессов и явлений и что только на географической основе возможно строгое научное обоснование важнейших положений климата.

Климатология, будучи тесно связана с физической наукой об атмосфере - метеорологией, в то же время является географической наукой. Это и понятно: ведь климат - один из компонентов географической оболочки и понимание климатических явлений возможно только при учете географических факторов, взаимно связанных с климатом. Предмет климатологии в более узком смысле - видоизмененные под влиянием земной поверхности количественные характеристики метеорологических явлений.

Простор

Один из ведущих советских климатологов - Б. П. Алисов (1891-1972) считал, что развитие каждой из наук заставляет время от времени пересматривать взаимные связи между климатологией и метеорологией и между климатологией и географией. Это необходимо для расширения их контактов на более высоком уровне. В начале нашего столетия связь между климатологией и географией была значительно проще. В то время климатология была не столько физической, сколько статистической, что привело к выделению ее из более общей науки об атмосфере - метеорологии. Двадцатые годы XX столетия стали началом решительного проникновения физики в климатологию. Позже устанавливаются основные зависимости климата от прихода-расхода радиации, региональных особенностей циркуляции атмосферы и подстилающей поверхности; приводится в стройную систему разнообразный материал метеорологических наблюдений; расширяются экспедиционные исследования, особенно на океанах; ведутся работы по физическим основам теории климата, изменениям климата и т. д.

На современном уровне развития науки климат Земли представляют сложной системой, включающей в себя помимо атмосферы океан и поверхность суши, морские и континентальные льды, растительность, между которыми происходит обмен теплом, влагой и др.

Исследовательское судно

Современная климатология - обширная наука, базирующаяся, с одной стороны, на изучении физических основ многолетнего хода климатообразующих процессов, а с другой - на всесторонних географических исследованиях: геоботанических, почвенных, геоморфологических и др.

К международным научным программам относится программа исследования глобальных атмосферных процессов (ПИГАГТ). В рамках ПИГАП в Атлантическом океане была проведена международная экспедиция по подпрограмме Атлантического тропического эксперимента (АТЭП), а также региональные подпрограммы по исследованию полярных районов (ПОЛЭКС) и муссонных областей в тропиках (МОНЭКС). В 1979 г. был проведен первый глобальный эксперимент (ПГЭП). В организации и проведении международных экспедиций принимали участие СССР, ГДР, США, Великобритания, Франция и другие страны.

Хотя климат - составляющая географического ландшафта, основные его черты создаются не столько местными условиями, сколько крупными процессами планетарного значения: облучением земной поверхности солнцем, тепло- и влагообменом атмосферы с поверхностью материков и океанов, циркуляцией атмосферы и вод океана. Климат - понятие глобальное по своей природе. Так что глобальный климат не есть сумма локальных (местных) климатов, а, наоборот, локальные климаты суть проявление единого глобального процесса.

Мир нередко узнает о тех или иных стихийных бедствиях, постигших отдельные районы земного шара. Такие стихийные бедствия, как наводнения, засухи, суховеи, обильные снегопады, ветры ураганной силы, - аномалии погоды, которые нарушают наблюдающийся средний многолетний режим погоды, т. е. климат. Климат - многолетний режим атмосферных условий, характерный для каждого данного места Земли в силу его географического положения. Для характеристики климата следует учитывать режим погоды за много лет, а не в отдельные годы. Значительные отклонения температуры воздуха, количества осадков и других показателей климата от обычных наблюдаемых еще не свидетельствуют о тенденции к изменению климата. В то же время климат испытывает колебания от одного периода к другому, причем этот период может исчисляться как десятками, сотнями, так и миллиардами лет.

Климат - самый изменчивый компонент в природе. Однако изменчивость климата и его возможные колебания до сих пор точно непредсказуемы. А так как климатическими условиями определяются многие природные процессы, планирование развития сельского хозяйства, гидроэнергетики и другие задачи, имеющие народнохозяйственное значение, то вопросам климатообразования и тенденциям колебания и изменения климата как в глобальном, так и в местном масштабе уделяется очень большое внимание метеорологами и климатологами всего мира.

Атмосферные процессы на Земле взаимосвязаны, и климат каждой отдельной территории не существует самостоятельно. Поэтому для получения обширной метеорологической информации по большим районам земного шара создаются международные научные программы, по которым проводятся исследования.

Суммарная радиация - это совокупность прямой и рассеянной солнечной радиации. Прямая радиация - это солнечная радиация, доходящая до места наблюдения в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от солнечного диска. Рассеянная радиация - это солнечная радиация, претерпевшая в атмосфере рассеивание и поступающая на земную поверхность со всего небесного свода.

Схема среднего теплового баланса Земли (в относительных единицах)

Восьмым конгрессом Всемирной метеорологической организации (ВМО) в 1979 г. одобрена Всемирная программа климатических исследований (ВПКИ). Главные цели программы состоят в том, чтобы определить, в какой мере можно предсказать изменение климата и какое влияние оказывает деятельность человека на климат. Для этого необходимо совершенствовать наши познания в области формирования климата.

В формировании климата принимают участие те же физические процессы, которые создают погоду. Важнейший из этих процессов - поступление тепла, основной источник которого - Солнце.

Солнечные лучи сильно поглощаются в атмосфере, особенно в нижней ее части - тропосфере. Достигает поверхности Земли и ею поглощается до 47 % общего количества радиации, а 25 % задерживается атмосферой.

Годовые величины поступающей на земную поверхность суммарной солнечной радиации изменяются от значений менее 2514 МДж/кв. м в высоких широтах до 10 056 МДж/кв. м в тропических. Распределение суммарной солнечной радиации имеет в основном зональный характер, так как количество достигающей земной поверхности радиации зависит от угла падения лучей, т. е. от широты места.

Зональный характер распределения солнечной радиации на Земле и соотношение между прямой и рассеянной радиацией нарушаются неравномерным распределением облачности.

Земля не только получает солнечное тепло, но и отдает его отражением и излучением. Количество отраженной солнечной радиации зависит от свойств поверхности: свежевыпавший снег отражает 70 - 85 %, загрязненный или влажный - 40 - 45 %; при отсутствии снежного покрова больше всего отражают солнечный свет пустыни.

Здесь отражение изменяется в широких пределах в зависимости от цвета почвы (30 - 50 %). Так как отражательная способность воды мала (6 - 10 %), отражение влажной почвы меньше, чем такой же сухой. Сплошной растительный покров отражает от 10 до 20 - 25 % солнечной радиации.

При отсутствии атмосферы средняя температура земной поверхности была бы -23°, в действительности она +15°.

Атмосферный аэрозоль - взвешенные в атмосфере твердые и жидкие коллоидные частички, по размерам превышающие молекулярные. В основном это пыль земного и космического происхождения, морская соль, дымы лесных пожаров, вулканических извержений и т. п., а также индустриального происхождения и продукты конденсации - водяные капли и ледяные кристаллы.

Схема общей циркуляции атмосферы, представленная в вертикальном разрезе от полярных областей до экватора

Из-за того что температура земной поверхности в среднем выше температуры атмосферы, земное излучение всегда больше атмосферного. Разность между излучением земли и встречным излучением атмосферы называется эффективным излучением. Разность между поглощенной солнечной радиацией и эффективным излучением называется радиационным балансом земной поверхности. Годовые значения радиационного баланса для различных районов земного шара сильно отличаются и изменяются от значений меньших -210 МДж/кв. м в год в Антарктиде и близких к нулю в центральных районах Арктики до 3771-3980 МДж/кв. м в год в тропических широтах. Над океаном в связи с большей долей поглощенной радиации на тех же широтах радиационный баланс выше.

Оставшаяся после отражения радиация поглощается поверхностью. Поверхность земли, нагреваясь, сама становится источником излучения. Значительная часть излучения земной поверхности поглощается атмосферой. При отсутствии облаков поглощение определяется присутствием в воздухе водяного пара, углекислого газа и атмосферного аэрозоля. Нагретая таким образом атмосфера посылает к земной поверхности встречное излучение, которое компенсирует потерю тепла земной поверхностью и создает парниковый эффект.

Существенное значение в энергетическом балансе земной поверхности имеет затрата тепла на испарение. Кроме того, испарение влияет на тепловое состояние испаряющей поверхности. С увеличением тепла, затрачиваемого на испарение, температура поверхности понижается.

Несмотря на значительный приход тепла в низких широтах по сравнению с более высокими широтами (северными - в северном полушарии и южными -в южном), постоянного перегрева в низких широтах и постоянного охлаждения в высоких не происходит, так как кроме вертикального обмена теплом между земной поверхностью и атмосферой происходит горизонтальный перенос.

Ветры и морские течения, возникающие в результате неравномерного нагревания в атмосфере и в океане, переносят тепло из областей, где оно в изобилии, в области, где его недостаточно.

Много тепла в атмосфере и океане переносится также крупными вихрями. Вихри в атмосфере помимо тепла переносят и влагу.

В результате рожденных в атмосфере над земным шаром мощных воздушных течений возникает общая циркуляция атмосферы.

Основная причина общей циркуляции атмосферы - неодинаковое количество солнечной радиации на разных широтах на суше и на море, причем механизм ее усложняется под влиянием трения и вращения Земли. В приэкваториальных широтах (0 - 10° с. ш. и ю. ш.) в результате переноса влаги пассатами образуются мощные кучево-дождевые облака, возникают сильные грозы, выпадает много осадков.

Тропический циклон - это грандиозный атмосферный вихрь с низким давлением в центре (до 900 - 950 гПа). Воздух в нем вращается против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой -в южном. В диаметре они имеют размеры 200-250 км. Скорости ветра в циклонах могут достигать 30-60 м/сек, а иногда доходят до 100 м/сек.

Вертикальная структура тропического циклона

Типичный тропический циклон, снятый с космической станции 'Салют-4' с высоты 350 км

Схематическое представление компонентов объединенной климатической системы 'атмосфера - океан - поверхность льда и суша - биомасса'

Б. П. Алисов (1891-1972)

Широко известна классификация климатов Б. П. Алисова, построенная на генетических принципах. На основании этих принципов тип климата рассматривается как результат условий общей циркуляции атмосферы. При этом важно, что общая циркуляция заметно меняет границы климатических зон, которые первично связаны с радиационными условиями, и создает внутризональное расчленение на климатические области. Выделение климатических зон произведено по средним (климатологическим) положениям главных фронтов тропосферы в экстремальные сезоны года и, следовательно, по круглогодичному или сезонному преобладанию воздушных масс.

Около 30° широты в обоих полушариях располагается зона повышенного давления. К северу и югу от нее в разных полушариях в умеренных широтах климатические условия определяются в основном движущимися с запада на восток атмосферными вихрями: циклонами и антициклонами (циклон - область пониженного давления, антициклон - область повышенного давления). Несмотря на то что направление ветра у поверхности Земли может меняться, во всей толще тропосферы в умеренных широтах преобладают западные ветры. В северном полушарии западный перенос часто нарушается влиянием больших пространств суши, в южном эта циркуляция более устойчива. Ветры здесь сохраняют западное направление и дуют с постоянной силой.

В полярных широтах температура в приземном слое воздуха понижена, это вызывает опускание воздуха в нижней тропосфере и повышение атмосферного давления. На всем земном шаре благодаря перемещению циклонов и антициклонов возникает меридиональный воздухообмен.

В процессе перемещения циклонов и антициклонов происходит перенос воздушных масс как единого целого в одном из макротечений общей циркуляции атмосферы. Свойство воздушной массы определяется формированием ее над однородной подстилающей поверхностью и в однородных радиационных условиях. При выходе из очага формирования, перемещаясь в другие районы Земли, воздушная масса постепенно меняет свои свойства (температуру, влажность). Различают воздушные массы четырех широтных зон: арктический или антарктический воздух, полярный (или умеренный), тропический и экваториальный воздух. И в каждом из этих типов - океанический и континентальный, так как радиационные условия над океаном и континентом на одной и той же широте неодинаковы. Если воздушная масса приходит на относительно холодную поверхность, то для данного географического района ее называют теплой; если на относительно теплую - холодной воздушной массой. Поверхность раздела между двумя воздушными массами образует атмосферный фронт.

С взаимодействием солнечной радиации, общей циркуляции атмосферы и характера подстилающей поверхности связаны распределение на земном шаре температуры и влажности воздуха, осадков, направление и скорость ветра, другие показатели климата.

Обилие тепла и влаги - главная причина богатства растений тропических широт

В поясе субэкваториальных муссонов мы находим все четыре основных типа климата.

Муссонный климат как бы составлен из двух климатических самостоятельных режимов. Весна - самое жаркое, засушливое и неблагоприятное время года. Солнце весной достигает зенита и нещадно палит. Температура воздуха часто превышает 30-35°. Весенние засухи в муссонном климате особенно опасны для сельского хозяйства в годы, когда влажный экваториальный муссон запаздывает. В предгорьях и на склонах гор, обращенных к экваториальному муссону, увеличивается облачность, осадки резко возрастают и могут достигать, по-видимому, предельного для Земли количества (11 - 12 тыс. мм). В отдельные годы может выпасть до 20 тыс. мм.

В каждом широтном климатическом поясе различают четыре основных типа климата: материковый, океанический, западных и восточных берегов. В экваториальных широтах по сравнению с более высокими широтами материковый тип климата мало отличается от океанического. Приход солнечной радиации здесь равномерен в течение всего года.

Обилие света, тепла и влаги в тропиках создает здесь условия для развития богатой лесной растительности. Самый характерный тип ландшафта - влажные вечнозеленые леса.

В океаническом экваториальном климате в отличие от материкового дожди и грозы чаще проходят ночью. Это и понятно, поскольку ночью здесь температура водной поверхности выше температуры приземного слоя воздуха.

Климат в поясе субэкваториальных муссонов формируется под действием сезонного смещения ВЗК. Смена зимнего и летнего воздушных течений составляет своеобразие сезонных изменений. Летом в южном или северном полушарии в связи с изменением в распределении атмосферного давления экваториальный муссон распространяется в тропические широты. Возрастает влажность воздуха, уменьшается суточная амплитуда температуры, начинают выпадать обильные дожди. Во время зимнего муссона преобладает тропический воздух, влажность воздуха уменьшается, возрастает суточная амплитуда температуры, снижается количество осадков.

Воздушные массы тропического пояса содержат меньше водяного пара, чем экваториальные. Объясняется это небольшим испарением на материках, а на океанах - устойчивой стратификацией* пассатов (пассатной инверсией**).

*(Стратификация - распределение температуры воздуха в атмосфере с высотой. )

**(Инверсия температуры - повышение температуры воздуха с высотой в атмосфере вместо наблюдаемого падения. )

Поэтому облачность в тропическом поясе меньше, чем в экваториальном. До 7542 - 10056 МДж/кв. м в год возрастает суммарная солнечная радиация. Однако от того, что здесь велико отражение от поверхности пустынь, наблюдается большая сухость воздуха, радиационный баланс на материках составляет только 30 % от поступающей солнечной радиации. Радиационный баланс поверхности океанов почти в 2 раза больше.

Климатические пояса и области

Температура воздуха в тропиках также мало различается по сезонам: средняя месячная температура воздуха - плюс 24 - 28°. Суточные амплитуды температур не превышают 10 - 15°. Влажность воздуха на низменностях очень велика. Относительная влажность в течение всего года держится выше 70 %, количество осадков (до 2 тыс. мм в год) превышает испарение, и на равнинах, где сток незначителен, создается избыточное увлажнение. По склонам гор количество осадков резко увеличивается - до 7 - 10 тыс. мм в год.

Пассаты - приземные потоки относительно холодного воздуха, непрерывно текущего к экватору. В северном полушарии они имеют северо-восточное направление, в южном - юго-восточное. Пассаты обоих полушарий сходятся у экватора, образуя так называемую внутритропическую зону конвергенции (ВЗК). В этой зоне ветер ослабевает, конвекция усиливается, увеличивается облачность и усиливается грозовая деятельность.

Облачность над океаном в зоне пассатов. Фиджи

Для материкового тропического климата характерны сильная сухость, жаркое лето, запыленность воздуха, большая, чем на экваторе, годовая, и особенно суточная, амплитуда температуры воздуха (40°) и поверхности почвы (80°). По всей Сахаре зимой возможны слабые морозы с выпадением снега при особенно мощных холодных вторжениях. Летом в этом типе климата встречаются самые высокие на всем земном шаре дневные температуры воздуха - около 60°. Осадки выпадают крайне редко, но дожди могут достигать большой интенсивности и даже вызвать наводнение. Причина скудости осадков - в удаленности от центров циклонической деятельности и в повышении уровня конденсации. Сильно развито физическое выветривание. Оно вызывается контрастами температур и особенно ветром, переносящим крупные твердые частицы. Несущиеся с большой скоростью частицы усиливают разрушительное действие ветра на горные породы.

Океанический тропический климат отличается от экваториального меньшей облачностью и устойчивыми пассатными ветрами. В зоне пассатов на океанах наблюдаются тропические циклоны и хотя они сравнительно редки, но представляют для этих широт типичное климатическое явление. Тропический климат западных побережий материков характеризуется преобладанием притока относительно холодного морского воздуха на восточной периферии океанических антициклонов. Здесь сравнительно низкая для тропических широт температура (18-20°), очень малое количество осадков (менее 100 мм в год) и высокая влажность воздуха. Это своеобразный климат прибрежных влажных пустынь. Скудная растительность получает влагу лишь за счет густых прибрежных туманов, а в горах - за счет редких дождей из набегающих облаков.

Климат восточных побережий материков отличается от западных более высокой температурой воздуха (20 - 25°), так как тропический воздух приходит сюда из экваториальных широт, и большим количеством осадков (800 - 1000 мм в год), так как пассатная инверсия здесь выражена слабее. Растительность на побережьях, попадающих под действие пассатов западной окраины антициклонов, представлена тропическими лесами, саваннами или степью в зависимости от условий рельефа и ветровой экспозиции.

Источник жизни - влага распределена в субтропиках крайне неравномерно, поэтому здесь можно увидеть и пышный вечнозеленый лес, и засухоустойчивые растительные сообщества. Крымские горы

Во внетропических широтах зональные климатические различия более резки, чем в тропиках. Это связано с усложнением атмосферной циркуляции, усилением широтных различий в приходо-расходе солнечной радиации. С увеличением географической широты возрастают и сезонные климатические различия.

Климат в субтропическом поясе зимой сходен с климатом умеренного пояса, летом - с климатом тропического. Зимой здесь преобладают циклоны. Летом пути циклонов смещаются в более высокие широты, на океанах развиваются антициклоны, а на материках - малоподвижные термические депрессии (области пониженного давления без атмосферных фронтов).

Материковый субтропический климат отличается жарким сухим летом и неустойчивой, довольно холодной зимой. В связи с тем, что летом уровень конденсации располагается очень высоко, облака образуются редко. Большая часть солнечного тепла расходуется на нагревание воздуха. Средняя температура летних месяцев 30° и более. Зимой из-за циклонов погода неустойчива. Наряду с дождями возможны снегопады, сопровождаемые иногда резкими похолоданиями. Однако устойчивого снежного покрова не образуется из-за частой адвекции теплого воздуха и испарения снега. Годовое количество осадков - около 500 мм, но есть области, где их выпадает меньше 200 мм. Растительность - сухие степи, полупустыни и пустыни.

Субтропический климат западных побережий материков характеризуется умеренно теплым (температура воздуха в июле 22 - 24°), сухим солнечным летом и относительно теплой (температура воздуха в январе 8 - 13°) дождливой зимой. Этот тип климата часто называют средиземноморским. За год здесь выпадает 600 - 800 мм осадков, в отдельных местах под влиянием рельефа - более 4 тыс. мм. Летом средиземноморский климат отличается некоторой засушливостью. В результате местные растительные сообщества имеют в своем составе много засухоустойчивых видов.

Климат восточных побережий материков в субтропическом поясе муссонный. Он хорошо выражен только в северном полушарии. Для него характерна холодная для этих широт и относительно сухая зима и жаркое влажное лето. Действие зимнего континентального муссона особенно выражено на восточном побережье Азии. В январе здесь температура отрицательная, близкая к 0°, в отдельные дни она может падать до -10°.

Для летнего муссона характерны высокая относительная влажность воздуха (80 - 85 %), значительная облачность, уменьшающая на 20 % суммарную солнечную радиацию. Однако летом средняя месячная температура воздуха достигает 20 - 25°. Годовая сумма осадков составляет 1000-1500 мм. Максимум осадков в основном приходится на лето. Запаздывание летнего муссона или перебои в его развитии приводят к засухам на восточных побережьях континентов. Благодаря жаркому влажному лету здесь богатая растительность.

Континентальный умеренный климат характерен для северного полушария. Лето в средней полосе России

В умкренном поясе взаимодействуют различные типы воздушных масс: тропические, умеренные, океанические и континентальные арктические (антарктические). Тропические и арктические воздушные массы могут глубоко проникать в зону умеренных широт, создавая резкие изменения температуры и условий погоды