Климатическая система земли

По состоянию какой части природной среды люди судят о климате? Попробуйте с таким вопросом обратиться к случайному (расположенному к диалогу) прохожему. Почти наверняка его ответ будет кратким и безапелляционным: «Конечно, атмосферы!» Аргументы? – «Они очевидны. Температура, влажность, давление какой субстанции характеризуют климат? Атмосферного воздуха. Ветер – результат движения атмосферных воздушных масс. Ареал носителей осадков – облаков – снова атмосфера!» А температура воды в ближайшем водоеме, например в озере? – «Что ж, в купальный сезон это тоже немаловажно: озеро – не бассейн с подогревом, вода в нем нагревается опять же через атмосферу …». Если подходить с позиций обывателя (в изначальном, не уничижительном смысле этого слова), так оно и есть. Он, обыватель, имеет полное право не вникать в «климатологическую кухню», а пользоваться информацией, «приготовленной» специалистами. Но наш‑то с вами путь лежит прямо на эту самую «кухню».

Достаточно очевидно, что климат тесно связан с особенностями границы атмосферы и поверхности Земли – подстилающей поверхности (суши с различными видами растительности и рельефа, океанами, морями и реками). Будет климат «сырым» или «сухим» зависит от близости водоемов или пустынь, свою специфику имеет горный климат и т. д. Климат – продукт целой системы. Природную среду, в которой мы живем и в которой формируется климат нашей планеты, обычно называют климатической системой Земли.

Климатическая система включает в себя не только атмосферу, но и гидросферу (все океаны, моря, озера, реки), и литосферу (сушу), и криосферу (снег, морской и горный лед, а также лед, содержащийся в материковых щитах Гренландии, Антарктиды и полярных островов, и, кроме того, «вечную мерзлоту», захватывающую, представьте, ²/3 российской территории), и, наконец, биосферу, объединяющую все виды живого. Все эти составляющие климатической системы находятся в тесной связи друг с другом, обмениваясь энергией и массой.

Классическим примером такого обмена служит круговорот воды в природе. Благодаря способности к фазовым переходам, вода присутствует в климатической системе в разных ипостасях. Водяной пар и мельчайшие облачные частицы являются «полномочными представителями» воды в атмосфере, снег и лед выполняют ту же роль в криосфере, гидросфера по самой своей сути – царство воды, даже тела многих живых организмов в значительной степени (человека – на 70–80 %) состоят из воды. Каждый фазовый переход сопровождается потреблением или выделением тепла (энергии); при этом общая масса воды во всей системе сохраняется, но происходит перераспределение масс в ее составляющих (рис. 5 и рис. 1 цветной вклейки).

Рис. 5. Составляющие климатической системы Земли и их взаимосвязи

Составляющие климатической системы существенно различаются по массе: масса атмосферы, оцениваемая примерно в 5,3·10¹⁵ т, меньше в 5 раз массы слоя грунта толщиной 10 м, в 15 раз уступает массе поверхностного слоя океана толщиной 240 м. Еще разительнее соотношение их суммарных теплоемкостей – 1(атмосфера): 11(грунт): 70(о кеан). Теплоемкость, как известно, есть мера тепловой инерции вещества. Каждому из нас случалось наблюдать, как летним вечером после захода Солнца раскаленный воздух довольно быстро становится прохладным, в то время как вода в небольшом водоеме вплоть до следующего восхода остается почти такой же теплой. Сказывается то обстоятельство, что вода сохраняет тепло в 4–5 раз эффективнее, чем воздух, т. е. обладает большей, чем воздух, теплоемкостью. Поэтому нет оснований удивляться тому, что 240‑метровый поверхностный слой океана, превосходя в 15 раз по массе атмосферу, приблизительно в 70 раз лучше сохраняет тепло. Грунт также обладает большей теплоемкостью, чем воздух, хотя здесь разница заметно меньше.

Выбор 10‑метрового слоя грунта и 240‑метрового слоя океана не случаен – именно такие слои участвуют в сезонном энергообмене (летний нагрев и зимнее их охлаждение) с атмосферой.

Самые «тяжелые» сегменты климатической системы – глубинный океан с массой в 240 масс атмосферы и теплоемкостью, превышающей атмосферную в тысячу раз, и материковые льды, которые в 5,4 раза тяжелее атмосферы и обладают теплоемкостью в 11 раз выше атмосферной.

Прямым следствием сказанного является то, что океаны, моря и материковые льды образуют медленно меняющиеся составляющие климатической системы, а атмосфера, поверхность суши и морские льды с относительно малой массой и низкой теплоемкостью находятся в ряду быстро меняющихся сегментов системы. Характеристикой таких изменений служит так называемое время релаксации, т. е. время перехода и установления нового климатического режима при изменении внешних условий. Меньше всего оно у атмосферы – недели и месяцы, а также у поверхностного слоя океана – годы и десятилетия. У материковых льдов из‑за больших затрат тепла на таяние время релаксации составляет тысячелетия, но в настоящий период потепления климата наблюдается заметное ускорение этого процесса в ледниках Гренландии и отчасти Антарктиды, что чревато сокращением времени релаксации (исчезновения) до нескольких столетий.

Изменения климатических режимов с периодами в несколько десятилетий происходят в атмосфере, биосфере, на поверхности суши и океана, отчасти «тревожа» материковые льды, однако они не захватывают глубинный океан. Только ледниковые периоды прошлого отражались на всех составляющих климатической системы и даже на верхнем слое земной коры – астеносфере, которая «проседала» под тяжестью больших ледниковых щитов Евразии и Северной Америки.

Понятно, что для описания и количественных оценок взаимодействий между всеми этими сегментами климатической системы необходимо значительное число соответствующих характеристик. Поэтому физических величин, характеризующих текущее состояние климатической системы, насчитывается несколько десятков. Лишь немногие из них (температура воздуха и водоемов, скорость и направление ветра, давление воздуха и осадки) представляют повседневный интерес для обычного человека. Но для специалистов – и синоптиков, и климатологов – не менее важны: положение областей низкого и высокого давления воздуха, наличие или отсутствие облачности, типы и толщина облаков, отражательная способность (альбедо) поверхности, уровни солености и кислотности морской воды, ее температура и многие другие показатели.

С тех пор как получение значений таких показателей посредством спутникового мониторинга стало рутинной процедурой, на головы специалистов регулярно сваливаются мегабайты необходимой им информации. С одной стороны, еще пару десятилетий назад об этом можно было только мечтать, но, с другой, в таком потоке чисел трудно не «утонуть». К счастью, в климатических исследованиях каждое число – результат замера высокочувствительного датчика – не имеет большой самостоятельной ценности, но важно в ряду себе подобных.

Поясним эту несколько заумную фразу на простом примере. Допустим, на метеостанции в течение часа произведено 10 замеров скорости ветра, которые дали следующие результаты:

В какие‑то моменты ветер усиливался, в какие‑то даже менял направление на противоположное, а общий разброс значений достигал 10,3 м/с. Однако если в нашу задачу не входит анализ его флуктуаций, а интересна лишь общая характеристика за весь час, то резонно использовать в качестве таковой среднее арифметическое всех приведенных замеров. В нашем примере оно равно 2,9 м/с. Два отрицательных значения, несомненно, не отражают превалировавших в этот час тенденций, но дают свой вклад в среднее значение за час (без них среднее из восьми положительных скоростей составляло бы 3,16 м/с, т. е. возросло на 9 %).

В отличие от рассмотренного примера, длина ряда спутниковых измерений выражается числом со многими нулями, так что возможность осреднять данные оказывается «спасательным кругом», который позволяет климатологам «держаться на плаву» в этом океане чисел. Разумеется, вычислением среднего арифметического обработка поступающей информации не ограничивается – используется весь арсенал методов математической статистики.

К сожалению, далеко не все климатические параметры можно непосредственно измерить, и для их получения приходится применять специальные методы (так называемое решение обратных задач), основанные на знании газовых законов, законов оптики атмосферы и др. При этом неизбежны погрешности в значениях таких параметров, устранить или хотя бы уменьшить которые также помогает математическая статистика.

В климатической системе Земли существуют две основные периодичности: суточная (вращение Земли вокруг своей оси) и сезонная (вращение Земли вокруг Солнца), и эти периодичности формируют распределение основных климатических характеристик в пространстве и времени (см. рис. 2 цв. вклейки). Для упорядочения и систематизации этих характеристик часто прибегают к уже знакомому нам усреднению по однородным регионам и интервалам времени, обычно связанным либо с указанными периодичностями (среднесуточные, среднегодовые значения), либо с частями этих периодов (средние часовые, среднемесячные и среднесезонные величины). Среди перечисленных особо выделим месячные осреднения как в некотором смысле естественные: в природе существуют колебания, период которых близок к 30 дням. (Отчасти такие колебания могут быть обусловлены лунными периодами – «лунными месяцами».)[3]Этот факт «узаконивает» широко распространенные месячные осреднения почти всех климатических величин в публикациях и архивах данных измерений. Анализ периодичности флуктуаций температуры нижней атмосферы показал, что их довольно четко можно разделить на флуктуации с периодами меньше месяца (синоптические) и больше месяца (до полугода) соответственно.

Не секрет, что всеобщий интерес вызывают в первую очередь события и явления, суть которых до конца неясна, а развитие проистекает у всех на глазах. Именно таковы климатические явления. Если бы климат не изменялся, едва ли он интересовал бы нас больше, чем упоминавшийся прогноз погоды жителей Мальдивов. Да и неразгаданных загадок у климатической системы осталось великое множество. (В данном случае под изменениями климата подразумевается устойчивая тенденция к изменению какой‑либо из его характеристик за длительный промежуток времени.) Как мы уже знаем, увеличение среднегодовой среднеглобальной температуры приземного воздуха на 0,7 °C с начала ХХ века до настоящего времени дало основание говорить о глобальном потеплении, повлекшем попутно изменения и других климатических характеристик. Существующие же относительно кратковременные изменения будем рассматривать как колебания климата. К этой категории можно отнести и сезонные изменения климатических характеристик, и происходящую раз в два‑три года (квазидвухлетнюю) смену направления переноса воздуха в экваториальной стратосфере (на высотах 15–50 км) с запада на восток или обратно, и периодическую перестройку температуры поверхности океана и циркуляции нижней тропосферы (на высотах до 15–17 км) в тропической зоне Тихого и Индийского океанов (явление Эль‑Ниньо).

Влияние на текущее состояние климата могут оказывать и некоторые непериодические явления природы, в частности крупные извержения вулканов, сопровождающиеся забросом значительной массы газов и аэрозолей (пепла) в стратосферу. Как показывают измерения, продолжительность их воздействия составляет от одного года до трех лет.

Итак, отдельные части климатической системы Земли постоянно эволюционируют и взаимодействуют друг с другом.

Давайте поговорим об этом подробнее.