Климат - это многолетний режим погоды, характерный для данной местности. Можно ли говорить о климате всей Земли в целом, если в Петербурге холодно, а в Сочи жарко; в Индии наводнения, а в Сахаре засухи? Однако, на самом деле, все зависит от того, какое значение мы придаем тем или иным различиям. Ведь, строго говоря, даже в двух соседних районах Петербурга температура воздуха различная. Однако это не мешает нам говорить, что Петербург - город холодный, а Сочи – теплый. Попробуем разобраться, какие существуют причины разности температур воздуха на Земле.
Ясно, что небольшие различия температур в пределах города не имеют никакого значения по сравнению с различиями между средней температурой городов из разных климатических зон. Точно так же, говоря о Земле в целом, мы можем пренебречь различиями между ее районами в сравнении с более весомыми различиями между этой и другими планетами Солнечной системы. Поэтому вполне разумно говорить о глобальном климате земного шара и его характеристиках: температуре, суммарном количестве осадков, давлении и т. д.
Каковы закономерности распределения температуры воздуха на Земле?
Существует общий, и притом единственный, источник энергии для всей Земли - Солнце. Заметим, что еще относительно недавно, в конце прошлого века, наука придерживалась других представлений. Считалось, что для Земли очень важным источником тепла являются ее недра, и что одной солнечной энергии недостаточно для поддержания температуры, благоприятной для жизни.
Каковы закономерности распределения температуры воздуха на Земле, на самом деле? Когда ученые научились количественно определять потоки энергии на нашей планете, выяснилось, что поток тепла из земных недр составляет всего несколько десятитысячных долей от приходящей солнечной энергии и никакого значимого влияния на формирование климата планеты он не оказывает. Единственным значимым источником энергии для нее является солнечное излучение, в связи с чем разумно сначала говорить о климате Земли в целом, а уже потом рассматривать отдельные ее районы как частные случаи.
Важные характеристики
Как же формируется глобальный климат? Прежде чем перейти к разговору об этом, следует отметить, что имеется в виду только многолетний режим температуры и осадков. Известно, что климат характеризуется не только этими двумя величинами. Существует много других: атмосферное давление, направление и скорость ветра и т. д.
Серьезное экологическое значение имеют лишь те характеристики климата, которые оказывают существенное влияние на живые организмы: в первую очередь растения, как поставщики основного количества биомассы. Для них наиболее важны температура, осадки и облачность.
Роль атмосферы в распределении температуры воздуха на Земле также нельзя преуменьшать. Решающее значение имеет ее состав. Остальные характеристики климата важны с точки зрения геофизики, но, говоря об экологии, ими можно пренебречь.
Зависимость от Солнца
Итак, какие же физические процессы определяют температуру поверхности Земли и приземного слоя воздуха? Какие из них являются основными? Наконец, каковы закономерности распределения температуры воздуха на Земле?
Прежде всего ясно, что температура зависит от суммарного прихода тепла от Солнца. Через площадку, перпендикулярную лучам и находящуюся на среднем расстоянии до Земли, проходит поток энергии мощностью 1,37 Квт/м². Эта величина называется солнечной постоянной. Какое же количество энергии приходит за секунду ко всему земному шару? Очевидно, что оно равно произведению солнечной постоянной на площадь земного диска.
Однако не вся эта энергия поглощается землей. Часть ее отражается от поверхности обратно в космическое пространство. Такая энергия называется альбедо. Его величина зависит как от характера излучения, так и от свойств самой поверхности и может принимать значения в пределах от 0 (для абсолютно черного тела, поглощающего всю падающую на него энергию) до 1 (для абсолютно белого, которое все отражает).
Отражение и поглощение солнечной энергии
Усредненное альбедо всей Земли в целом должно зависеть от того, какая часть ее поверхности занята водой, снегом, льдами, лесами, полями, пустынями и т. д. Иными словами, оно зависит от структуры земной поверхности. К счастью, аппаратура, устанавливаемая на искусственных спутниках, позволяет непосредственно измерять среднее альбедо планеты, не вдаваясь в громоздкие вычисления. Оно оказывается равным 0,30. Это значит, что примерно 30 % приходящей к Земле солнечной энергии отражается от нее обратно в космос, а 70 % поглощается и идет на нагревание поверхности.
Заметим попутно, что большая часть солнечной энергии отражается от верхней границы облаков, имеющих альбедо близкое к 100 %. Тот, кто летал на самолете, знает, какими ослепительно белыми выглядят облака сверху. Поэтому среднее альбедо планеты существенно зависит от того, какая часть ее покрыта облачностью.
Тепловое излучение
Поскольку солнечное излучение поступает к Земле постоянно, становится ясно, что существует какой-то отвод энергии от нее (иначе температура планеты постоянно увеличивалась бы и притом очень быстро). Такой отвод действительно имеется и осуществляется посредством ее собственного теплового излучения.
Поскольку температура поверхности планеты намного ниже солнечной, ее тепловое излучение происходит в инфракрасном диапазоне, не видимом для глаз. Общее количество энергии, излучаемой с поверхности Земли в единицу времени, определяется пропорционально четвертой степени ее абсолютной температуры. Очевидно, что суммарное излучение всей нашей планеты будет равно этой величине, умноженной на площадь земной сферы.
Учитывая то, каковы закономерности распределения температуры воздуха на Земле, можно сделать вывод, что глобальный климат планеты достаточно стабилен. Это возможно только при том условии, что поток поглощенной землей солнечной радиации равен тепловому излучению самой планеты. Так получается простейшая модель глобального климата планеты. Отсюда можно получить значение так называемой радиационно-равновесной температуры (-18 °С). Такой бы она была, если бы у поверхности Земли не было атмосферы. Откуда берется различие между этой температурой и реальной? Все дело в особенностях взаимодействия газов атмосферы с излучениями. Это именно то, от чего зависит температура воздуха на Земле.