Основы, которые вам надо знать

В этой статье вы встретитесь с кратким введение в климат Земли. Мы начнём с глобального энергетического баланса и отвечающих ему круговоротов, присутствующих в земном климате – они будут рассмотрены как тепловые насосы, несущие тепло из тропиков к полюсам. Введение разделено на следующие разделы:

  1. Энергетический баланс
  2. Глобальный круговорот атмосферы
  3. Круговорот воды в океане
  4. Взаимодействие атмосферы и океана
  5. Парниковый эффект

§ наверх


«» Энергетический баланс

В любом сбалансированном бюджете приход равен расходу. В случае планеты, вращающейся по орбите вокруг Солнца, это означает что энергия, приносимая излучением Солнца, должна равняться энергии, излучаемой в окружающее пространство. В противном случае, планета будет либо нагреваться, либо становится холоднее. Сбалансированный энергетический бюджет – это основное состояние климатической системы.

Рассмотрим пучок лучей Солнца, падающих на Землю в районе экватора, как это показано на рис. 1. Поскольку пучок падает на поверхность Земли под прямым углом, площадь поверхности охватываемая им (площадка а), равняется площади поперечного сечения пучка. Ближе к полюсам, такой же пучок лучей будет охватывать поверхность значительной большей площади (площадка b), поскольку падать на неё будет уже под другим углом. Это означает, что в расчёте на единицу поверхности, в тропиках Земля получает энергии больше, чем на полюсах. По этой же причине, в полдень, когда Солнце поднимается на максимальную высоту, пучок лучей освещает площадь меньшую, чем такой же пучок лучей на восходе и закате, когда Солнце недалеко от горизонта. Поэтому и самым жарким Солнце кажется в полдень.

Рисунок 1. На полюсах и экваторе, лучи Солнца падают на поверхность под разными углами. В результате, площадь, охватываемая пучком лучей, меньше на экваторе и всё больше при сближении с полюсами (площадка b больше, чем площадка a). Из-за этого, в расчёте на единицу поверхности, на экваторе Земля получает энергии больше, чем на полюсах.

Частично, излучение приходящее от Солнца (главным образом ультрафиолетовая, видимая и коротковолновая инфракрасная часть спектра) отражается или рассеивается атмосферой обратно в космос, а частично поглощается Землёй (см. рис. 2). Поглотив излучение, поверхность Земли переизлучает полученную энергию в виде теплового излучения с большей длинной волны – то есть в виде тепла.

Рисунок 2. Годовой бюджет изучения на Земле. Единица измерения - в Ватт/м2. 49% приходящего излучения (168 из 342) поглощаются земной поверхностью. Полученное тепло возвращается различными способами – например в виде процессов испарения или теплового излучения. Большая часть рассеиваемого тепла поглощается атмосферой, которая переизлучает его и вверх и вниз. Часть из него уходит в космос, а часть остаётся в климатической системе Земли, в зависимости от чего и развивается парниковый эффект. (Рисунок взят из Kiehl & Trenberth, 1997).

Рисунок 3 показывает, как распределяется энергия приходящего (коротковолнового) излучения Солнца и уходящего (длинноволнового) излучения Земли. Тропики являются поглотителями энергии (поскольку количество поглощаемой ими солнечной энергии больше, чем количество излучаемой), а вот полюса – наоборот, излучают её больше, чем поглощают. В таком случае, тропики должны постоянно подогревать остывающие полюса. Поэтому, работая подобно тепловой машине, Земля должна постоянно переносить тепло из тропиков к полюсам. Основными механизмами подобной закачки тепла являются атмосферные и океанские круговороты. От экватора к полюсам они несут примерно одинаковое количество энергии.

Рисунок 3. Коротковолновое излучение, идущее от Солнца, и длинноволновое, идущее от Земли в виде тепла, различаются по широте. Эта разница показывает, что в тропиках Земля является поглотителем энергии (приходящая энергия > уходящей), а на полюсах – излучателем (уходящая энергия > поглощаемой). Это график усреднённого зонального излучения, то есть, на нём видно как оно изменяется по широте, но не по долготе. Если вообразить окружность, охватывающую земной шар вдоль одной из параллелей, то усреднение радиации осуществляется именно вдоль неё – поскольку в данном случае разница, возникающая при смене долготы менее интересна, чем при смене широты.

§ наверх


«» Глобальный круговорот атмосферы

Круговорот атмосферы отвечает примерно за 50% переноса энергии от тропиков к полюсам, основной механизм которого очень прост: горячий воздух поднимается в тропиках (явлении конвекции) и с увеличением высоты оказывается в окружении воздуха с более низким давлением. Эта разность и заставляет его начать своё путешествие к полюсам, в котором, двигаясь на большой высоте, тёплый воздух достигает регионов слабо освещённых Солнцем, становится холоднее и опускается вниз.

При отсутствии вращения Земли всё выглядело бы очень просто: горячий воздух поднимается в тропиках, распространяется от экватора, постепенно охлаждаясь, снижается в высоких широтах рядом с полюсами и, наконец, завершает цикл, возвращаясь к экватору (см. рис. 4).

Рисунок 4. Если бы Земля не вращалась, то поднимаясь в тропиках, путешествуя к полюсам, охлаждаясь, снижаясь и возвращаясь к экватору, воздух тек бы в основном вдоль меридианов.

Однако вращение Земли усложняет картину. Точка на поверхности Земли, совершающая вместе с ней полный оборот, проделает гораздо больший путь (2x"пи", умноженные на радиус Земли), находясь на экваторе, чем в средних широтах, а находясь на каком-либо из полюсов, она будет только вращаться, не совершая никакого движения. Поскольку скорость – это расстояние, делённое на время (для одного оборота Земли ~ 24 часам), наибольшая скорость у точек поверхности будет на экваторе, уменьшаясь с увеличением широты.

А теперь, вообразите ядро, запущенное на север с экватора. Помимо скорости, направленной на север оно получит и скорость, направленную на восток, равную скорости вращения Земли в месте выстрела (в данном случае – на экваторе). Летя на север, ядро оказывается над участками поверхности, двигающимися на восток со всё меньшей и меньше скоростью (по сравнению с экватором), из-за чего и дрейфует на восток. На рис. 5 показан процесс, обратный описываемому. Подобное отклонение называется Эффектом Кориолиса, вызываемым Силой Кориолиса, названной в честь французского инженера Густава Гаспара Кориолиса открывшего его в 1835 году. Именно сила Кориолиса превращает воздух, путешествующий к полюсам, в западный ветер (движущийся с запада на восток), а воздух, движущийся над поверхностью Земли к экватору – в восточный. Восточные ветра, дующие в тропиках назвали «торговыми».

Рисунок 5. «Мультфильм», показывающий эффект Кориолиса. Сосредоточьте внимание на белом пятне, вылетающем с Северного Полюса (быть может это Санта-Клаус?) и движущегося, (с точки зрения неподвижного наблюдателя, находящегося над полюсом), вверх, по прямой линии. Но с точки зрения наблюдателя, находящегося на вращающейся поверхности Земли, пятно отклоняется вправо.

В атмосфере это приводит к тому, что ветра, несущие воздух к полюсам, получают всё большую и большую скорость, направленную на восток. Наибольшую скорость воздух получает в субтропических потоках, разгоняющих его в верхней тропосфере до 40 м/с. При столь большом вертикальном градиенте скоростей, движение воздуха становится нестабильным, и в потоке, идущем с запада на восток начинают развиваться волны. Мы ощущаем их как воздушные системы с низким давлением, регулярно проходящие над севером Европы. В этих системах смешивается холодный воздух, идущий к экватору и горячий, направляющийся к полюсам. Они же осуществляют транспортировку тепла к полюсам и составляют так называемую «ячейку Феррела», вращающуюся в сторону, противоположную вращению «ячейки Хадли».

В приполярном регионе циркуляция воздуха очень схожа с «ячейкой Хадли» и называется «Полярная ячейка». Она состоит из восходящего тёплого воздуха и нисходящего холодного. В верхней тропосфере, в месте соприкосновения Полярной ячейки и ячейки Феррела, сходятся высокоскоростные потоки средних широт.

Рисунок 6. Идеализированная версия циркуляции атмосферы Земли. В кругообороте, происходящем в рамках ячейки Хадли, воздух нагревается в тропиках, поднимается вверх, переносится к северу и опускается в районе 30° северной и южной широт. Потоки воздуха движущиеся над поверхностью Земли с востока на запад, известны как торговые ветра. Круговорот средних широт (около 30°-60° градусов), известный как ячейка Феррела, определяются активностью крупномасштабных волн и циклонов (поэтому погода в Европе и непредсказуема). Циркуляция высоких широт, снова определяющаяся простой конвекцией, получила название «Полярной ячейки». Области с высоким и низким давлением на поверхности, обозначены буквами H и L соответственно.

О глобальном круговороте атмосферы вы, также, можете прочитать:

§ наверх


Оригинал страницы