Земля, как тепловая машина (климатический фактор) (стр. 1 из 3)

В.Ф.Попов, О.Н.Толстихин

Важнейшее значение для pазвития жизни и фоpмиpования экосистем имеет тепловой pежим атмосфеpы, Мирового океана и повеpхности Земли. Под ним понимается, соответственно, распределение и непрерывное изменение темпеpатуp воздуха и повеpхности Земли, опpеделяющихся теплообменом, фоpмиpующимся между космическим пpостpанством, атмосфеpой и подстилающей повеpхностью, то есть повеpхностью Земли (pастительного покpова, почвы, снега, воды, льда), взаимодействующей с атмосфеpой. Различие в свойствах подстилающей повеpхности Земли (суша - вода, pавнины - гоpы, тайга - тундpа, ледниковые щиты - песчаные пустыни) стимулиpуют pазницу в поглощении, накоплении и отpажении лучистой энеpгии pазличными ее участками, пpедопpеделяют, в совокупности с вpащением Земли, общую атмосфеpную циpкуляцию, оказывают pешающее влияние на климат, погоду, пpоявление экстpемальных климатических пpоцессов.

Понятно, что Земля для поддержания своей постоянной температуры должна отдавать в безвоздушное пространство столько же энергии, сколько получает ее от Солнца. Отметим, что баланс энергии должен соблюдаться не только на всей Земле, но и в каждом слое атмосферы, в водах океана и на земной поверхности. По упрощенной схеме рассмотрим в осредненном варианте распределение энергии, поступающего от Солнца на Землю и принятого за 100%. Первым барьером для приходящей солнечной радиации является озоновый слой в верхней части атмосферы, который поглощает большую часть ультрафеолетовых лучей, составляющих 3% приходящего солнечного света. С облаками, водяным паром и пылью в атмосфере взаимодействует 72% приходящей радиации, из них 31% отражается обратно в космос, 15% поглощается, 26% достигает земной поверхности в виде рассеяной радиации. В виде прямой солнечной радиации на земную поверхность поступает 25%, обратно в безвоздушное пространство отражается 4%. В итоге от первоначальных 100 единиц в космос отражается 35% и поглощается Землей 65%, из них на озоновый слой приходится 3%, нижними слоями атмосферы поглощается 15% и на сушу-океан приходится 47%. Таким образом, Земля для сохранения своего теплового баланса должна обратно отдать космосу 65% энергии. Перенос тепла от земной поверхности атмосфере происходит в основном тремя путями: тепловым излучением, нагревом воздуха, контактирующего с поверхностью, и испарением воды.

Атмосфера почти не прозрачна для инфракрасной радиации, которую она большей частью поглощает за счет термодинамически активных примесей, прежде всего воды и углекислого газа. Основная часть тепла от земной поверхности приходит в основном за счет конденсации водяных паров. Таким образом, вода в атмосфере и океане играет важную роль аккумулятора тепла, которая в свою очередь обуславливает конвективные процессы в атмосфере и гидросфере. Атмосфера и прежде всего Мировой океан ослабляют суточные и годовые колебания температуры. Так годовые амплитуды температуры над материками значительно больше, чем над океанами. На процессы фотосинтеза приходится менее 1% суммарной радиации, которая представляет собой сумму достигающей поверхности Земли прямой и рассеяной радиации.

Разница в нагревании Солнцем различных областей Земли приводит к движению ее подвижных оболочек - океана и атмосферы. Таким образом, Земля представляет собой тепловую машину: ее нагреватель - Солнце, а холодильник - холод безвоздушного пространства. При этом тепловая энергия преобразуется в механическую работу движения воздушных масс, океанических течений и испарения воды с поверхности океана. Также можно говорить о действии совокупности тепловых машин Земли в поле силы тяжести и центробежной силы кориолиса. На Луне, где отсутствуют жидкости, поверхность относительно спокойна, хотя и испытывает значительные колебания температуры. Только случайные удары метеоритов или вулканические извержения нарушают спокойствие лунного ландшафта. В отличие от Луны земные ландшафты гораздо более динамичны. Под воздействием ветра и воды разрушаются твердые горные породы, в результате образуются галька, гравий, песок и пылеватые частицы, которые переносятся также водой и ветром на различные расстояния. Движение атмосферы и океанических вод перерасределяет энергию, полученную от Солнца, и тем самым создает более равномерный климат Земли.

Наиболее крупной является тепловая машина первого рода, где в качестве нагревателя работают тропические пояса Земли с положительным бюджетом тепла, а холодильником - высокоширотные области с отрицательным тепловым бюджетом. Теорию, объясняющую работу этой тепловой машины впервые выдвинул Гадлей в 1735 году. Он полагал, что воздух, нагретый в тропиках, поднимается, затем устремляется к полюсам и, охлаждаясь там, опускается и возвращается к экватору вдоль поверхности Земли. Если бы Земля не вращалась, то ветры дули бы прямо от полюсов к экватору. Однако вследствие вращения Земли эти ветры откланяются и дуют с северо-востока. Эта теория хорошо объясняет пассаты - постоянные ветры со скоростью 5-7,5 м/с, занимающие пояса между широтами 25° и 5° в каждом полушарии. В южном полушарии пассаты дуют с юго-востока. Если бы теория Гадлея была полностью верна, то на всех широтах ветры имели бы то же самое направление, что и пассаты. Однако, нагревание и охлаждение атмосферы не ограничивается только земной поверхностью. На самом деле верхние слои

атмосферы охлаждаются путем излучения в космическое пространство. Величина этого охлаждения лежит в пределах 1-2°С в сутки. Поэтому воздух, идущий к полюсу в верхних слоях, достигнув примерно 30° широты, начинает опускаться к поверхности, формируя область высокого давления, так называемых конских широт. Таким образом, между экватором и 30° широты образуется замкнутая циркуляционная ячейка. Воздух, который опустился у 30° и далее следует к северному полюсу, будет вызывать ветры с западной составляющей вследствие вращения Земли. В свою очередь, вблизи полюса происходит быстрое охлаждение воздуха в верхних слоях, и он опускается и направляется к экватору. При этом результирующий ветер будет иметь восточную составляющую. Там, где встречаются холодные восточные ветры с теплыми западными ветрами, образуется субполярный район низкого давления. Здесь происходит подъем воздушного потока. Таким образом, имеем картину с тремя циркуляционными ячейками (рис.).

Если бы Земля была полностью покрыта водой, то модель с тремя циркуляционными ячейками была бы более близка реальному положению дел. Однако давление и система ветров в значительной мере определяются распределением моря и суши, а на суше – рельефом местности. Здесь работают тепловые машины второго рода. В холодное время года нагревателем в них служат наиболее теплые области океана, а холодильником - материки. В теплое время года ситуация меняется, материк быстро нагревается, по сравнению с океаном, и служит нагревателем, а океан - холодильником. Исключение составляют лишь Антарктида и Гренландия, которые из-за мощного материкового оледенения круглый год выполняют функции холодильника. Например, в январе над Азией и Северной Америкой появляется область высокого давления, в то время как над океаном давление понижено. В южном полушарии, где в это время в разгаре лето будем наблюдать обратную ситуацию: давление ниже над материками, чем над океаном. Работа машин второго рода в значительной мере определяет муссонную циркуляцию. Так, область высокого давления над Азией вызывает юго-западные ветры над Индийским океаном в зимнее время. Этот поток сухого воздуха вызывает сильное испарение над сушей и смежным океаном. В июле ситуация меняется, теперь ветры дуют с Индийского океана на северо-восток, то есть в сторону материка. Влажный океанический воздух, достигая теплого материка, приносит с собой обильные осадки, которые называются муссонными дождями.

Тропические ураганы или тайфуны, средняя ширина которых достигает нескольких сотен километров, а высота 6-15 км, появляются вследствие работы тепловых машин пятого рода. Нагревателем являются наиболее теплые участки океана, а холодильником - все окружающее их пространство. Они являются весьма устойчивыми образованиями, засасывающими почти до тропопаузы колоссальные массы воды и движущимися со скоростью нескольких десятков километров в час. При этом их движение сопровождается сильными ливнями, с расходом близким или в несколько раз превышающим годовую норму.

Тепловые машины гораздо меньшие по мощности и оказывающие свое влияние на микроклимат локальных участков Земли широко распространены. Типичный примером является тепловая машина водоем-суша. На берегу водоема почти всегда дует ветер, обусловленный разницей температур в дневное или ночное время. Днем суша является нагревателем, а более холодный водоем - холодильником. Ночью ситуация изменится на противоположную. Поэтому в жаркий знойный день люди стремятся на пляж, где с реки или озера идет освежающая прохлада. А ночью ветер дует уже с суши.

Аналогичный механизм тепловой машины обуславливает морские течения. Движущей силой являются разница температур и плотности (солености) воды вкупе с эффектом вращения Земли. Картина течений осложняется распределением суши и моря, а также рельефом морского дна. Наиболее известными морскими течениями являются Гольфстрим и Куросио.

Климат конкретной местности определяется как характерный многолетний режим погоды, обусловленный солнечной радиацией, ее преобразованиями в деятельном слое земной поверхности и связанной с ними циркуляцией атмосферы и океанов. Основными климатическими характеристиками, имеющими значение в экологии являются: среднегодовые величины и сезонные или месячные колебания температуры воздуха, ее суточный ход, ее абсолютные и минимумы и максимумы; сроки перехода температуры через 0°С и 10°С; количество осадков, испаряемость влаги; сила и направление ветров; влажность воздуха; число дней солнечного сияния, суммарная солнечная радиация, радиационный баланс.