Климатообразование

Глобальный климат определяется состоянием климатической системы, которая представляет совокупность атмосферы, океана, криосферы, поверхности суши и биомассы (рис. 4.1). Компоненты климатической системы, т.е. атмосфера, океан, запасы снега и льда (криосфера), поверхность суши и биомасса, непрерывно взаимодействуют и обмениваются между собой энергией и веществом. Временные масштабы этих взаимодействий весьма различны и лежат в пределах от месяцев до сотен миллионов лет. Так, поверхностные слои суши взаимодействуют с расположенной над ними атмосферой в масштабах времени от нескольких недель до месяцев, а изменения циркуляции атмосферы, создаваемые дрейфом континентов, происходят на протяжении десятков и сотен миллионов лет.

Рис. 1 Схема взаимодействия компонентов климатической системы атмосфера – океан – поверхность снега, льда и суши – биомасса (С.П. Хромов и М.А. Петросянц, 2004);

черные стрелки – внешние процессы, светлые стрелки – внутренние процессы,

приводящие к изменениям климата

На рис. 1 схематически представлены компоненты климатической системы и различные процессы, которые влияют на формирование климата и его изменения. Эти процессы можно разделить на внешние (черные стрелки) и внутренние (полые стрелки). К внешним процессам можно отнести (см. рис. 4.1): приток солнечной радиации и его возможные изменения; изменения состава атмосферы, вызванные вулканическими и орогенными процессами в литосфере и притоком аэрозолей и газов из космоса; изменения очертаний океанических бассейнов, солености, характе-ристик суши, орографии, растительности и др.

К внутренним процессам относятся взаимодействие атмосферы с океаном, с поверхностью суши и льдом (теплообмен, испарение, осадки, напряжение ветра), взаимодействие лед – океан, изменение газового и аэрозольного состава атмосферы, облачность, снежный и растительный покров, рельеф и очертания материков. Сопоставление внешних и внутренних процессов показывает, что некоторые из них присутствуют и в тех и в других.

Это кажущееся противоречие объясняется тем, что разделение на внешние и внутренние процессы зависит от периода времени, за который рассматривается состояние климатической системы. Так, если мы рассматриваем совокупность состоянии, которую проходит климатическая система за 1000 лет, то влияние, например, очертания материков и крупномасштабной орографии на атмосферу можно рассматривать как внешний процесс. Напротив, то же влияние на масштабе времени 100 млн лет необходимо отнести к внутреннему процессу. Таким образом, глобальный климат формируется не только процессами, происходящими в атмосфере, но и процессами, происходящими во всей климатической системе. Отличительной чертой процессов, происходящих в климатической системе, является существование многочисленных положительных и отрицательных обратных связей, т.е. таких взаимодействий, которые либо усиливают (положительная), либо ослабляют (отрицательная) причину, вызвавшую процесс. Примером положительной обратной связи служит связь между альбедо снежно-ледового покрова и температурой атмосферы: понижение глобальной температуры Земли приводит к увеличению площади снежного и ледового покрова. Но снег и лед обладают большей отражательной способностью, чем вода и почва. Поэтому увели-чение площади снежного и ледяного покрова за счет уменьшения площади воды и почвы должно сопровождаться увеличением планетарного альбедо Земли и, следовательно, уменьшением солнечной радиации, остающейся в климатической системе. А это в свою очередь приведет к дальнейшему понижению температуры и еще большему разрастанию снежно-ледяного покрова.

Примером отрицательной обратной связи может служить связь между влажностью почвы и альбедо поверхности суши: увеличение влажности почвы приводит к уменьшению альбедо поверх-ности суши (влажная почва имеет альбедо меньше сухой). Это в свою очередь приводит к увеличению поглощения коротковолновой солнечной радиации, повышению температуры поверхности почвы, усилению испарения и в итоге – к уменьшению влажности почвы.

Подобных обратных связей в климатической системе достаточно много. Отсюда ясно, что каждому состоянию глобального климата соответствуют свои закономерности в теплообороте, влагообороте и атмосферной циркуляции, т.е. в трех комплексах климатообразующих процессов, формирующих локальный климат в каждой точке Земли. Именно от процессов теплооборота, влагооборота и атмосферной циркуляции зависит многолетний режим метеорологических величин: суточный и годовой ход радиации, температуры, осадков и других величин, их изменчивость в каждой точке Земли, среднее распределение по земной поверхности, типичное изменение с высотой и т.д.

Все три климатообразующих процесса взаимно связаны. Например, на тепловой режим под-стилающей поверхности, а, следовательно, и атмосферы влияет облачность, задерживающая приток прямой солнечной радиации. Образование облаков – один из элементов влагооборота. Но оно зависит в свою очередь от температуры подстилающей поверхности и стратификации атмосферы, а эти последние в определенной степени зависят от адвекции тепла, т.е. общей циркуляции атмосферы. Общая циркуляция, кроме того, создает перенос водяного пара и облаков и тем самым влияет на влагооборот, а через него и на тепловые условия.

Таким образом, мы все время встречаемся с взаимными влияниями всех трех климатообразу-ющих процессов. Режим каждого элемента климата является поэтому результатом совместного действия всех трех климатообразующих процессов.

Например, распределение сумм осадков по земному шару является непосредственным след-ствием влагооборота, поскольку выпадение осадков есть одно из его звеньев. Оно, во-первых, зависит от расположения источников влаги (прежде всего океанов) относительно данного места и, во-вторых, от таких звеньев влагооборота, как испарение, сток, турбулентная диффузия водяного пара, конденсация. Но на режим осадков также влияют тепловые условия подстилающей поверхности и атмосферы, создающиеся в процессе теплооборота. От тепловых условий зависит испарение. Они определяют близость воздуха к насыщению и максимальное влагосодержание воздуха при насыщении, а следовательно, и водность облаков, определяют положение уровней образования и оледенения облаков, а значит, в конечном счете и выпадение осадков. Кроме того, на влагосодержание и на тепловые условия воздуха влияет перенос влаги и тепла воздушными течениями общей циркуляции атмосферы. Подъем воздуха, нужный для конденсации, образования облаков и выпадения осадков, совершается в основном в процессе общей циркуляции атмосферы. Следовательно, последняя также принимает участие в создании климатического режима осадков. Итак, в распределении осадков по земному шару участвуют и влагооборот, и теплооборот, и общая циркуляция атмосферы.