6. Астрономические факторы

Внешние, или астрономические, климатообразующие факторы – это светимость Солнца, положение и движение Земли в Солнечной системе, наклон ее оси вращения к плоскости орбиты и скорость вращения. Эти факторы определяют воздействия на Землю со стороны других тел Солнечной системы – во-первых, ее инсоляцию (облучение солнечной радиацией) и, во-вторых, гравитационные воздействия внешних тел (создающие как приливы, так и колебания характеристик орбитального движения и собственного вращения Земли, а потому и колебания в распределении инсоляции по внешней границе атмосферы).

Изменения климата (и даже погоды) связаны с изменениями приходящей на Землю солнечной радиации. Действительно, разница в значениях температуры воздуха у поверхности Земли между днем и ночью, экватором и полюсами, летом и зимой создается разницей в количестве приходящей солнечной радиации: чем больше это количество, тем выше температура.

Проводившиеся в 1930-1972 гг. многократные измерения полного потока лучистой энергии Солнца на среднем расстоянии от Земли до Солнца дали для него среднее значение 1360 Вт/м² = 1,95 кал/(см²·мин), при этом разброс величины укладывался в пределы погрешностей измерений, имеющий чисто случайный характер, без какой-либо регулярности во времени. Поэтому указанная величина получила наименование солнечной постоянной.

Солнечная постоянная – энергетическая освещенность солнечной радиации, падающей на верхней границе атмосферы на единицу площади, перпендикулярной к солнечным лучам, при среднем расстоянии от Земли до Солнца. В физике атмосферы никаких доказательных данных об изменениях суммарной солнечной радиации нет, однако существуют некоторые гипотезы о короткопериодных и долгопериодных вариациях солнечного излучения.

Можно упомянуть гипотезы о возможности связи вариаций солнечной постоянной с колебаниями солнечной активности, известными как 11-летний цикл солнечных пятен или 22-летний цикл обращений полярности гелиомагнитного поля. В этих явлениях, вероятно, имеется и более долгопериодная изменчивость, как это показывает, например, «минимум Маундер» 1645–1715 гг., во время которого на Солнце, по-видимому, не появлялось пятен (Монин А.С., Сонечкин Д.М., 2005).

Более серьезными, хотя, может быть, количественно еще и не окончательными представляются расчеты эволюционного тренда в светимости Солнца. Вероятно, происходит некоторая эволюция Солнца, так как «ядерное горючее» (водород) постепенно выгорает, и химический состав недр Солнца изменяется.

Светимость при этом меняется очень медленно – она определяется главным образом массой звезды – но все же, согласно расчетам, у звезд с околосолнечной массой за время порядка 10 млрд лет светимость возрастает на десятки процентов. По расчетам классика звездных моделей М. Шварцшильда, за время существования Солнца его радиус увеличился на 4%, а светимость на 60%.

7. Геофизические факторы

Геофизические факторы связаны со свойствами Земли как планеты. К этим факторам относятся размеры и масса планеты, скорость вращения вокруг оси, собственные гравитационное и магнитное поля, внутренние источники тепла, свойства поверхности планеты, которые определяют ее взаимодействие с атмосферой.

Самой главной, первичной характеристикой планеты является ее масса Ме. Вместе с радиусом планеты r₀ она определяет главную часть ее гравитационного поля, которую можно характеризовать ускорением ga = GMe/r₀², где G – гравитационная постоянная. Вклад в гравитационное поле собственного вращения Земли на экваторе не превышает 0,35%, а на полюсе он равен нулю.

Гравитационное поле определяет способность Земли удерживать газовую оболочку – атмосферу – и в значительной мере определяет даже состав атмосферы. Чем больше масса планеты, тем легче ей при той же температуре экзосферы удерживать все более легкие газы. Наоборот, чем меньше ее масса, тем легче она теряет все более тяжелые газы и может вообще лишиться газовой оболочки.

Примером могут служить Земля и Луна, находящиеся на одинаковом удалении от Солнца и поэтому одинаково обогреваемые им. Гравитационное поле определяет также атмосферное давление на поверхности и плотностную стратификацию атмосферы. Будь Земля более массивной, атмосфера такой же массы, как современная, была бы более тонкой и имела бы более устойчивую стратификацию. То же произошло бы и с океаном. Многие другие геофизические факторы формирования климата в свою очередь зависят от массы планеты. Так, от нее зависит, в конечном счете, расчлененность рельефа поверхности, интенсивность внутренних источников тепла и проявления вулканизма и т.п.

Измерения в глубоких скважинах и шахтах показывают, что температура в земной коре с глубиной возрастает со скоростью примерно 30 °С/км. Это так называемый геотермический градиент температуры. Умножив эту величину на коэффициент теплопроводности горных пород (около 0,005 кал/(см²·с·°С), можно получить геотермический поток тепла.

А.С. Монин и Д.М. Сонечкин приводят среднюю величину 1,5- 10,6 кал/(см²·с) (разброс измеренных величин несколько больше на дне океана, чем на суше), полученную измерениями на суше и на дне океана. Для Земли в целом это дает ежегодную теплопотерю около 0,02% ежегодного количества поступающего на Землю солнечного тепла. Очевидно, что с точки зрения климата геотермический поток тепла в настоящее время не играет никакой роли. Однако в прошлом его роль могла быть несколько более заметной.

Существенным климатообразующим фактором рассматриваемой группы является скорость вращения Земли вокруг оси.

От скорости вращения зависит отклонение формы планеты от шарообразной, она влияет на гравитационное поле. Вследствие вращения Земли многие метеорологические элементы испытывают суточные колебания благодаря изменению притока солнечного тепла. Так, температура подстилающей поверхности в дневное время повышается, ночью падает. Особенно быстро реагируют на изменения инсоляции различные виды поверхности суши. Температура воздуха, нагревающегося от подстилающей поверхности, изменяется с некоторым запаздыванием по отношению к изменению инсоляции.

Суточные колебания атмосферного давления происходят в основном в результате атмосферных приливов, также связанных с суточным вращением Земли. Суточные изменения других метеорологических величин, таких как влажность, облачность, ветер, связаны с суточными колебаниями основных величин. В природе суточные колебания иногда маскируются другими более интенсивными колебаниями, особенно в умеренных широтах.

Скорость вращения Земли оказывает решающее влияние на характер всей атмосферной циркуляции.