49. Теории климата

Задачей климатологии помимо изучения закономерностей формирования климата является также предвидение изменения климата в будущем. Выполнить эту задачу можно только на основе теории климата. Как мы видели, климатическая система очень сложна и требует учета процессов, происходящих в атмосфере, гидросфере, криосфере, литосфере и биосфере. Поэтому построение всеобъемлющей теории климата представляет необычайно трудную задачу, над разрешением которой в настоящее время трудятся коллективы наиболее талантливых ученых во многих развитых странах мира.

Прямой путь решения этой задачи – построение математических моделей климатической системы. В таких моделях строятся системы уравнений гидродинамики, описывающих состояние компонентов системы и учитывающих в той или иной форме физические процессы, происходящие в системе, а также начальные и граничные условия. В настоящее время построено много таких моделей различной сложности, в которых воспроизведены характерные черты современного и прошлого климата, а также даны прогнозы будущего климата.

Рассмотрим некоторые самые простые соображения о температуре Земли и первую модель климата, построенную М. И. Будыко.

Земля находится в состоянии лучистого равновесия. Это означает, что падающая на Землю солнечная радиация за минусом отраженной должна уравновешиваться излучением Земли. Фактическая же средняя глобальная температура воздуха у поверхности Земли равна 15°С, т.е. температура уходящего излучения Земли на 30° ниже наблюдаемой средней глобальной температуры воздуха у поверхности Земли. Этот прогрев приземного воздуха обязан парниковому эффекту атмосферы, который не учитывается формулой. Если вертикальный градиент температуры в тропосфере принять равным 0,6 °С/100 м, то температура уходящего излучения Земли окажется на высоте около 5 км.

Для описания потока уходящего длинноволнового излучения Е_s на верхней границе атмосферы М. И. Будыко предложил эмпирическую формулу

Е_s = А + ВТ_s,

где А = 203,3 Вт/м³; В = 2,09 Вт/(м² ·°С) – эмпирические константы, неявно учитывающие влияние облачности и других радиационно-активных примесей; Е_s – уходящее длинноволновое излучение Земли.

Приравнивая усваиваемую Землей солнечную радиацию и уходящее длинноволновое излучение Земли:

S₀(1 – A_s) = A + ВT_s,

где А_s – альбедо Земли; S₀ – солнечная постоянная; Т_s – температура уходящего излучения Земли, получим при A_s = 0,31 T_s = 15,6°С, что практически совпадает со средней температурой воздуха для Северного полушария.

Модель М.И. Будыко позволяет оценить распределение средних годовых температур по широтным зонам. Для этого нужно учесть влияние на температуру в отдельных широтных зонах не только радиации, но и горизонтальных потоков тепла в атмосфере и гидросфере.

Изменение с широтой, рассчитанной по этой формуле, и фактической температуры воздуха при некоторых предположениях о ходе альбедо на границе лед – суша показало хорошее соответствие данной формулы реальным условиям.

Мы дали представление о так называемой энергобалансовой модели климата М.И. Будыко, в которой предвычисляется только один параметр климатической системы – среднегодовая температура широтных зон. В настоящее время построен целый ряд постепенно усложняющихся моделей климата. Это более сложные энергобалансовые модели: радиационно-конвективные, зональные и трехмерные.

В них по-разному учитываются физические процессы, влияющие на формирование климата. Одни включают только две составляющие климатической системы – атмосферу и океан, другие рассматривают атмосферу – океан – ледники. Даже краткие описания этих моделей очень сложны и выходят за рамки предлагаемого курса.