8. Метеорологические факторы

Главными метеорологическими климатообразующими факторами являются масса и химический состав атмосферы.

Масса атмосферы определяет ее механическую и тепловую инерцию, ее возможности как теплоносителя, способного передавать тепло от нагретых областей к охлажденным областям. Без атмосферы на Земле существовал бы «лунный климат», т.е. климат лучистого равновесия.

Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, одни из которых имеют почти постоянную концентрацию, другие – переменную.

Кроме того, в атмосфере содержатся различные жидкие и твердые аэрозоли, которые также имеют существенное значение в формировании климата.

Основными составляющими атмосферного воздуха являются азот, кислород и аргон. Химический состав атмосферы остается постоянным примерно до высоты 100 км, выше начинает сказываться гравитационное разделение газов и относительное содержание более легких газов увеличивается.

Для климата особенно важны переменные по содержанию термодинамически активные примеси, оказывающие большое влияние на многие процессы в атмосфере, такие как вода, диоксид углерода, озон, диоксид серы и диоксид азота.

Яркий пример термодинамически активной примеси – вода в атмосфере. Концентрация этой воды (удельная влажность, к которой в облаках добавляется удельная водность) весьма изменчива. Водяной пар вносит ощутимый вклад в плотность воздуха, стратификацию атмосферы и особенно во флуктуации и турбулентные потоки энтропии.

Он способен конденсироваться (или сублимироваться) на имеющихся в атмосфере частицах (ядрах), образуя облака и туманы, а также выделяя большие количества тепла. Водяной пар и особенно облачность резко влияют на потоки коротковолнового и длинноволнового излучений в атмосфере. Водяной пар обусловливает и парниковый эффект, т.е. способность атмосферы пропускать солнечную радиацию и поглощать тепловое излучение подстилающей поверхности и нижележащих атмосферных слоев. Благодаря этому температура в атмосфере растет с глубиной. Наконец, в облаках может иметь место коллоидальная неустойчивость, вызывающая коагуляцию облачных частиц и выпадение осадков.

Другой важной термодинамически активной примесью является углекислый газ, или диоксид углерода. Он вносит существенный вклад в парниковый эффект, поглощая и переизлучая энергию длинноволновой радиации. В прошлом могли происходить значительные колебания в содержании углекислого газа, что должно было отразиться на климате.

Влияние твердых искусственных и естественных аэрозолей, содержащихся в атмосфере, еще недостаточно хорошо изучено. Источниками твердых аэрозолей на Земле являются пустыни и полупустыни, области активной вулканической деятельности, а также промышленно развитые районы.

Океан также поставляет незначительное количество аэрозолей –частичек морской соли. Крупные частицы сравнительно быстро выпадают из атмосферы, тогда как самые мелкие остаются в атмосфере длительное время.

Аэрозоль влияет на потоки лучистой энергии в атмосфере несколькими путями. Во-первых, частицы аэрозоля облегчают образование облаков и тем самым увеличивают альбедо, т.е. долю отраженной и безвозвратно потерянной для климатической системы солнечной энергии.

Во-вторых, аэрозоль рассеивает значительную часть солнечной радиации, так что часть рассеянной радиации (очень небольшая) также теряется для климатической системы. Наконец, некоторая часть солнечной энергии поглощается аэрозолями и переизлучается как к поверхности Земли, так и в космос.

В течение долгой истории Земли количество естественного аэрозоля существенно колебалось, поскольку известны периоды повышенной тектонической активности и, наоборот, периоды относительного затишья.

Были и такие периоды в истории Земли, когда в жарких сухих климатических поясах располагались значительно более обширные массивы суши и, наоборот, в этих поясах преобладала океаническая поверхность. В настоящее время, как и в случае углекислого газа, все большее значение приобретает искусственный аэрозоль – продукт хозяйственной деятельности человека.

К термодинамически активным примесям относится также озон. Он присутствует в слое атмосферы от поверхности Земли до высоты 60-70 км. В самом нижнем слое 0-10 км его содержание незначительно, затем оно быстро увеличивается и достигает максимума на высоте 20-25 км. Далее содержание озона быстро уменьшается, и на высоте 70 км оно уже в 1000 раз меньше, чем даже у поверхности. Такое вертикальное распределение озона связано с процессами его образования.

Озон образуется в основном в результате фотохимических реакций под действием несущих высокую энергию фотонов, принадлежащих крайней ультрафиолетовой части солнечного спектра. При этих реакциях появляется атомарный кислород, который соединяется, затем с молекулой кислорода и образует озон. Одновременно происходят реакции распада озона при поглощении им солнечной энергии и при соударениях его молекул с атомами кислорода. Эти процессы вместе с процессами диффузии, перемешивания и переноса приводят к описанному выше равновесному вертикальному профилю содержания озона.

Общее содержание озона в атмосфере, если его выразить толщиной слоя этой примеси при нормальных температуре (0°С) и давлении (760 мм рт. ст.), колеблется от 0,1 до 0,6 см (в среднем около 0,3 см), а общая масса его в атмосфере составляет 3,2·10¹⁵ г, т. е. 6·10^-5 % массы атмосферы.

Несмотря на столь незначительное содержание, его роль исключительно велика и не только для климата. Благодаря исключительно интенсивному поглощению лучистой энергии при процессах его образования и (в меньшей степени) распадания, в верхней части слоя максимального содержания озона – озоносферы – происходит сильное разогревание (максимум содержания озона находится несколько ниже, куда он попадает в результате диффузии и перемешивания).

Из всей солнечной энергии, падающей на верхнюю границу атмосферы, озон поглощает около 4%, или 6·10²⁷ эрг/сут. При этом озоносфера поглощает ультрафиолетовую часть излучения с длиной волны менее 0,29 мкм, которая оказывает губительное действие на живые клетки. При отсутствии этого озонного экрана, по-видимому, не могла бы возникнуть жизнь на Земле, по крайней мере, в известных нам формах.

Океан, являющийся неотъемлемой частью климатической системы, играет в ней исключительно важную роль. Первичным свойством океана, так же как и атмосферы, является масса. Однако для климата существенно и то, на какой части поверхности Земли эта масса размещается.

Среди термодинамически активных примесей в океане можно назвать растворенные в воде соли и газы. Количество растворенных солей влияет на плотность морской воды, которая при данном давлении зависит, таким образом, не только от температуры, но и от солености. Это значит, что соленость наряду с температурой определяет плотностную стратификацию, т.е. делает ее в одних случаях устойчивой, а в других приводит к конвекции.

Нелинейная зависимость плотности от температуры может приводить к любопытному явлению, получившему название уплотнения при смешении. Температура максимальной плотности пресной воды равна 4°С, более теплая и более холодная вода имеет меньшую плотность. При перемешивании двух объемов таких более легких вод смесь может оказаться более тяжелой. Если ниже окажется вода с меньшей плотностью, то перемешанная вода может начать погружаться.

Однако область температур, при которых это явление происходит, в пресной воде очень узкая. Наличие растворенных солей в океанской воде увеличивает вероятность такого явления.

Растворенные соли изменяют многие физические характеристики морской воды. Так, коэффициент термического расширения воды увеличивается, а теплоемкость при постоянном давлении уменьшается, понижается температура замерзания и максимальной плотности. Соленость несколько понижает упругость насыщающего пара над водной поверхностью.

Важная способность океана – возможность растворять большое количество углекислого газа.

Это делает океан емким резервуаром, который в одних условиях может поглощать избыток атмосферного углекислого газа, в других – выделять углекислый газ в атмосферу. Значение океана как резервуара углекислоты еще более возрастает из-за существования в океане так называемой карбонатной системы, которая подключает огромные количества углекислого газа, содержащегося в современных отложениях известняков.