Общая_климатологияКн1

зывают геохимические циклы, основным из которых является углеродный цикл. В связи с множеством влияющих факторов климатическую систему принято считать интразитивной, т. е. имеющую возможность формирования разных характеристик и разных генеральных совокупностей при неизменных внешних воздействиях и начальных условиях.

Факторы климата можно разделить на внешние и внутренние по отношению к климатической системе. К внешним факторам, определяющим верхние граничные условия климатической системы, относятся такие астрономические факторы, как: светимость Солнца, положение орбиты и характеристики орбитального движения Земли (наклон оси и скорость вращения). К внешним факторам, определяющим нижние граничные условия, относятся такие геофизические факторы, как размер и масса Земли, гравитационное и магнитные поля Земли, внутреннее тепло. К внутренним факторам климатической системы относятся состав и масса атмосферы, состав и масса океана, особенности распределения суши и океана, рельеф и структура поверхности суши и океана, и другие.

Внешние факторы определяют поток солнечной радиации, ее распределение и колебание на внешней границе климатической системы, гравитационное воздействие Солнца, Луны и других планет, а также потоки тепла, поступающего к деятельному слою из недр Земли, вулканическую деятельность. Гравитационное поле самой Земли определяет распределение давления и плотности воздуха с высотой. В целом под влиянием внешних факторов формируется на планете климат, называемый астрономическим. Поскольку определяющим фактором формирования такого климата служит солнечная радиация, а на распределение и изменение ее решающее влияние оказывает высота Солнца над горизонтом (наклон солнечных лучей), то отсюда и происхождение термина «климат» от греческого слова климатос, означающего наклон.

Можно считать, что все особенности климатического режима определяются географической широтой и высотой над уровнем моря, циркуляцией атмосферы и характером земной поверхности, что представлено в виде наиболее распространенной классификации климатообразующих факторов, приведенной на рис. 7.2 [2,3].

350

Географическая широта, высота над уровнем моря и характер поверхности представляют собой неизменно действующие факторы. Циркуляция атмосферы определяет многолетний режим погоды, отличающийся изменчивостью и контрастностью своих воздействий на природу и деятельность человека. В понятие климата входят неразрывно связанные с ним микроклиматические, т. е. узкоместные, особенности режима инсоляции, температуры воздуха и почвы, испарения – особенности, вызываемые формой и экспозицией рельефа, характером растительности, типом почвы, искусственными сооружениями и другие.

Рис. 7.2. Классификация климатообразующих факторов

Таким образом, в рамках темы факторов формирования климата последовательно будут рассмотрены следующие из них:

-астрономические факторы климата, связанные с поступлением солнечной радиации на верхнюю границу атмосферы и ее прохождением к поверхности земли;

-радиационный баланс и его составляющие, обуславливающие поступление солнечной радиации к поверхности земли и отражение от поверхности;

-тепловой баланс и его составляющие, обеспечивающие перераспределение поступившей солнечной энергии;

-общая циркуляция атмосферы и ее составляющие в разных частях планеты;

351

-общая циркуляция океана и ее влияние на климат;

-влияние гор на формирование климата.

7.2. Приходящая солнечная радиация

Астрономические факторы климата определяют [6]:

-поступление солнечной энергии на внешнюю границу атмосферы,

-гравитационное воздействие Солнца, планет, Луны, создающих приливы и влияющих на скорость вращения Земли.

Основным источником энергии, приходящей из космоса, является лучистая энергия Солнца или солнечная радиация. Именно она формирует все процессы, происходящих в различных сферах климатической системы, и, прежде всего, в атмосфере и гидросфере. Для сравнения геотермическая энергия, идущая из недр Земли, в 30000 раз меньше солнечной, а энергия, воспроизводимая и используемая человеком пока еще в 10000 раз меньше солнечной, что свидетельствует о недостаточно высоком энергетическом уровне земной цивилизации.

Солнце, наиболее близко расположенная к нам звезда, представляет собой раскаленный газовый шар с температурой поверхности около 6000°С. Температура Солнца возрастает с глубиной, где протекают ядерные реакции. Источником солнечной энергии является ядерная реакция превращения водорода в гелий. Эта энергия распространяется в окружающем пространстве в виде электромагнитной радиации и корпускулярных потоков, состоящих преимущественно из протонов и электронов. Для оценки энергетической мощности Солнце можно рассматривать, как абсолютно черное тело с температурой поверхности 6000°К. Оно испускает электромагнитное излучение, вид энергии, перемещающийся в пространстве со скоростью света. Количество энергии, излучаемое единицей поверхности черного тела (E), описывается законом Стефана-Больцмана: E = σT4, где σ – постоянная СтефанаБольцмана, а T – абсолютная температура поверхности. Путь Солнца среди звезд является большим кругом небесной сферы и называется эклиптикой.

Хотя Солнце излучает электромагнитные волны очень широкого спектра – от гамма-излучения с длинами волн 10-10см и коро-

352

че до сверхдлинных радиоволн порядка десятков и сотен километров, однако, интенсивность излучения Солнца по длинам волн распределяется неравномерно. Эта энергия распределена в широком диапазоне длин волн, как показано на рис. 7.3. В зависимости от длины волн энергетический спектр удобно разделить на три части:

>0,7 мкм – инфракрасное излучение, составляющее около 48% всей солнечной энергии; 0,4–0,7 мкм – видимая часть спектра, составляющая 43%;

< 0,4 мкм – ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи, составляющие около 9%.

Приблизительно 99% солнечной радиации имеют длины волн от 0,15 до 4 мкм. Максимум интенсивности солнечного света приходится на длину волны 0,50 мкм (зелено-голубой свет). Максимум излучения Солнца приходится на 0,47 мкм (сине-голубой участок спектра).

В метеорологии принято выделять коротковолновую и длинноволновую радиацию. К коротковолновой относят радиацию в диапазоне длин волн от 0.1 до 4 мкм, т. е. она включает кроме видимого участка спектра еще и ближайшие к нему по длинам волн участки ультрафиолетового и инфракрасного спектров. Длинноволновая − это радиация с длинами волн от 4 до 100–120 мкм. Такой радиацией обладают земная поверхность и атмосфера.

Рис. 7.3. Распределение интенсивности радиации по длинам волн для черного тела с поверхностной температурой 6000 ºК

353

Энергия корпускулярных потоков в среднем в 107 раз меньше, чем энергия электромагнитной радиации Солнца, и она сильно меняется в зависимости от солнечной активности. Под действием корпускулярной радиации происходит ионизация воздуха в верхних слоях атмосферы. Она влияет на магнитное поле Земли, в частности вызывая магнитные бури; ею обусловлены полярные сияния и другие явления в верхних слоях атмосферы.

Почти всю радиационную энергию от Солнца Земля получает на верхней границе атмосферы. Количество тепла, приносимого солнечной радиацией на 1 см2 поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, в 1 мин., называется интенсивностью солнечной радиации, которая определяется по формуле:

где SS – мощность излучения (энергетическая светимость) Солнца, равная примерно 4 1020 МВт; r – расстояние от Земли до Солнца.

Интенсивность солнечной радиации измеряется специальными приборами − актинометрами и пиргелиометрами и выражается в кал/(см2 мин) или в Вт/(м2 с), где 1 кал = 4,1868 Дж. Вычисления, основанные на многочисленных измерениях у земной поверхности, и непосредственно измерения, проведенные с помощью искусственных спутников Земли и геофизических ракет, показали, что при среднем расстоянии Земли от Солнца (r0 = 149,600 млн км) интенсивность солнечной радиации составляет 1,98 кал/(см2 мин) или 1,367 кВт/(м2 с). Эта величину назвали солнечной постоянной. Энергетический спектр солнечной радиации на границе атмосферы близок к спектру абсолютно черного тела с температурой порядка 6000 ºК.

Раньше солнечную постоянную определяли, измеряя радиацию на уровне поверхности Земли и внося поправки на ее уменьшение при прохождении через атмосферу. При этом погрешность измерения составляла ±5%. Использование данных космического зондирования с 1970-х годов позволяет определить эту величину более точно и оценить ее естественную изменчивость. К настоящему времени получен непрерывный ряд непосредственных измерений солнечной постоянной, выполненных несколькими

354

специальными космическими аппаратами с 1978 года. Эти технически сложные измерения выполнены для трех полных циклов солнечной активности (21–23-го циклов) и продолжаются и в настоящее время (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Данные прямых измерений солнечной постоянной 1975 ̶2011 гг.

Как следует из рис. 7.4, солнечная постоянная не является неизменной во времени величиной и варьирует как внутри года, так и за многолетний период. На ее изменчивость влияют два основных фактора: расстояние между Землей и Солнцем, изменяющееся в течение года по причине эллиптичности орбиты Земли, что приводит к внутригодовой изменчивости до 4 Вт/м², и 11-ти летняя солнечная активность, приводящая к межгодовым изменениям примерно в 1 Вт/м², что в сумме составляет 0,4% (рис. 7.4). Влияние солнечной активности обусловлено, в основном, изменением потока излучения при изменении числа и суммарной площади солнечных пятен, при этом поток излучения меняется сильнее всего в рентгеновском и радиодиапазоне. Полученное среднее значение солнечной постоянной по данным рис. 7.4 составляет

1366 Вт/м2.

355

Теоретические расчеты за многолетний период в несколько столетий показывают, что солнечная радиация на Земле могла изменяться на 2% и более при сравнении периодов активного и спокойного Солнца.

В настоящее время с учетом того, что солнечная постоянная не является неизменной величиной, ее определение изменилось. Полное количество солнечной энергии по всему спектру, падающее за единицу времени на единицу площади, перпендикулярную солнечным лучам, на среднем расстоянии Земли от Солнца за пределами земной атмосферы (под которым ранее понималась солнечная постоянная) теперь обозначается как TSI (суммарный или общий поток излучения). Под солнечной постоянной понимается среднее многолетнее значение TSI при расстоянии 1 а.е. (астрономическая единица), которое равно 1361 Вт/м2.

Главная особенность поступления солнечной радиации на верхнюю границу атмосферы состоит в том, что Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите и находится от него в среднем на расстоянии 149,6 млн км (1 а.е.). Колебания этой величины в настоящее время составляют около 5 млн км в зависимости от времени года. В теории движения Земли по эллиптической орбите устанавливается соотношение:

где r, r0 – соответственно фактическое и среднее расстояние от Земли до Солнца; П0 – длина тропического года (время между последовательными вступлениями Солнца в точку весеннего равноденствия); е – эксцентриситет орбиты Земли е = 0,0167; λs – геоцентрическая долгота Солнца.

Иначе фактически поступающую к Земле радиацию (I*) можно выразить через солнечную постоянную (I0) и относительное расстояние до Солнца в долях а.е. (r/r0):

356

При нахождении Земли в перигелии (от греч. peri – возле, около и helios – Солнце) – ближайшей к Солнцу точке орбиты 3 января расстояние равно 147,1 млн км и в Северном полушарии в это время зима. Самое большое расстояние до Солнца в афелии (от греч. аро – вдали от и helios – Солнце) 5 июля, когда в Северном полушарии лето, и оно равно 152,1 млн км. (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Изменение расстояния при движении Земли вокруг Солнца

Количественные значения относительных расстояний между Землей и Солнцем в разные дни года приведены в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Относительные расстояния от Земли до Солнца (r/r0) в разные дни года (номер дня от начала года)

357

В день зимнего солнцестояния 22 декабря, когда Земля находится в перигелии, интенсивность солнечной радиации примерно на 3,3% больше, а в день летнего солнцестояния 22 июня – на 3,3% меньше, чем весной и осенью.

Второй главной особенностью поступления солнечной энергии на внешнюю границу атмосферы является изменение наклона падения солнечных лучей. Величина инсоляции (приходящей солнечной радиации) меняется во времени и от места к месту в соответствии с изменением угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность Земли: чем выше Солнце над головой, тем она больше. Изменения этого угла определяются в основном обращением Земли вокруг Солнца и ее вращением вокруг своей оси.

Плоскость орбиты Земли называется плоскостью эклиптики. Обращение Земли вокруг Солнца не имело бы большого значения, если бы земная ось была перпендикулярна плоскости орбиты Земли. В этом случае в любой точке земного шара в одно и то же время суток Солнце поднималось бы на одинаковую высоту над горизонтом, и проявлялись бы только небольшие сезонные колебания инсоляции, обусловленные изменением расстояния от Земли до Солнца. Но на самом деле земная ось отклоняется от перпендикуляра к плоскости орбиты на 23°30’, и из-за этого меняется угол падения солнечных лучей в зависимости от положения Земли на орбите, и на Земле происходит смена времен года. В связи с наклоном Земли равные потоки подходящей солнечной энергии приходятся у полюсов на большую площадь, а в тропиках и на экваторе – на меньшую. Тогда единица площади у полюсов получает меньше энергии, чем та же единица площади в тропиках.

Для практических целей удобно считать, что Солнце во время годичного цикла смещается к северу в период с 21 декабря по 21 июня и к югу – с 21 июня по 21 декабря. В местный полдень 21 декабря вдоль всего Южного тропика (23°30’ ю.ш.) Солнце «стоит» прямо над головой. В это время в южном полушарии солнечные лучи падают под наибольшим углом. Такой момент в северном полушарии носит название «зимнего солнцестояния». В ходе кажущегося смещения к северу Солнце пересекает небесный экватор 21 марта (весеннее равноденствие). В этот день оба полушария получают одинаковое количество солнечной радиации. Наиболее

358

северного положения в 23°3’ с.ш. (Северного тропика), Солнце достигает 21 июня. Этот момент, когда в северном полушарии солнечные лучи падают под наибольшим углом, называется летним солнцестоянием. В осеннее равноденствие, 23 сентября, Солнце вновь пересекает небесный экватор.

Наклоном земной оси к плоскости орбиты Земли обусловлены изменения не только угла падения солнечных лучей на земную поверхность, но и ежесуточной продолжительности солнечного сияния. В равноденствие продолжительность светового дня на всей Земле (за исключением полюсов) равна 12 ч, в период с 21 марта по 23 сентября в северном полушарии она превышает 12 ч, а с 23 сентября по 21 марта – меньше 12 ч. Севернее 66°30 с.ш. (Северного полярного круга) с 21 декабря полярная ночь длится круглые сутки, а с 21 июня в течение 24 ч продолжается световой день. На Северном полюсе полярная ночь наблюдается с 23 сентября по 21 марта, а полярный день – с 21 марта по 23 сентября.

Таким образом, причиной двух отчетливо выраженных циклов атмосферных явлений – годового, продолжительностью 365 и 1/4 суток, и суточного, 24-часового, – является вращение Земли вокруг Солнца и наклон земной оси.

Если обозначить через h0 (рис. 7.6) высоту Солнца, то непосредственно на единицу горизонтальной поверхности АС приходится радиации во столько раз меньше, во сколько раз АС больше АВ. Обозначив количество солнечной радиации, падающей на 1 см2 в 1 мин. на площадку АВ, через I0, а на площадку AC – через Ih, получим:

Тогда с учетом изменения расстояния до Солнца и высоты Солнца над горизонтом приходящая радиация будет вычисляться как:

359