От чего зависит климат?

С погодой мы сталкиваемся буквально каждое утро, когда выглядываем в окно, чтобы решить, как одеться. Тепло ли на улице, дует ли сильный ветер, светит ли солнце или небо затянуто облаками, может быть, идёт дождь или снег — все это мы и называем погодой. Сюда же относятся и такие яркие явления, как туман, метель, гроза и даже мощные ураганы или песчаные бури. Таким образом, погода — это как бы «настроение» атмосферы и земной поверхности, включая сушу и океан, в конкретный момент времени. Чтобы описать это настроение, мы используем специальные величины: атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, скорость и направление ветра, количество облаков и осадков.

А вот если мы возьмём и усредним все эти данные о погоде за очень длительный период, например, за несколько десятилетий, то получим то, что называется климатом. Климат — это уже не сиюминутное настроение, а скорее характер местности, её многолетние привычки. И этот характер сильно отличается в разных точках земного шара. Основная причина этих различий кроется в том, что разные участки Земли получают разное количество солнечного света и тепла. Именно поэтому климат в Якутии такой суровый, а, например, в Подмосковье — гораздо более мягкий. Если же собрать воедино климатические данные со всей планеты, мы получим представление о глобальном климате Земли в целом.

Может показаться, что между погодой и климатом нет принципиальной разницы: погода — это состояние здесь и сейчас, а климат — такое же состояние, но усреднённое по всей планете за большое время. Однако на практике разница оказывается огромной. Представьте себе, если мы возьмём для усреднения интервал в десять лет. На одних участках земной поверхности температура за это время могла повыситься, а на других — понизиться. В результате, если сложить все эти изменения вместе, в глобальном масштабе они могут практически скомпенсировать друг друга, и суммарное изменение окажется близким к нулю. Допустим, в вашем городе одна зима была аномально тёплой, а следующая за ней — очень холодной. Вы с полным правом можете сказать, что в прошлом году зима была теплее. Но этот факт сам по себе ещё ни о чем не говорит — он не позволяет нам сделать вывод об изменении климата. Ведь если посмотреть на данные по всей Земле, может оказаться, что в прошлом году в целом на планете было даже холоднее, чем в этом. Но и это ещё не основание утверждать, что климат неуклонно теплеет или холодает. Учёные считают, что настоящие, глобальные изменения климата становятся заметны только при усреднении данных за сто лет и даже больше. Именно на таких масштабах времени проявляются процессы, которые затрагивают всю нашу планету. Например, сегодня мы знаем, что в XI—XII веках на Земле было в среднем на несколько градусов теплее, чем сейчас, а в XVI—XVII веках, наоборот, — на несколько градусов холоднее.

Ещё древние греки заметили, что климат в той или иной местности напрямую зависит от угла, под которым солнечные лучи падают на земную поверхность. Не случайно само слово «климат» переводится с греческого как «наклон».

Именно этот угол определяет, какое количество солнечного тепла получает конкретный участок. Ключевая величина, от которой зависит климат, — это количество солнечной энергии, поступающее на единицу площади земной поверхности за одни сутки. Освещённость, то есть световая мощность, падающая на единичную площадку, зависит от расстояния до источника излучения (Солнца) и от косинуса угла между направлением на Солнце и нормалью, к поверхности:

В записанной формуле S — это так называемая солнечная постоянная:

Эта величина — не что иное, как освещённость, которую создают прямые солнечные лучи на площадке, расположенной на среднем расстоянии (R_З—С) от Земли до Солнца. А r — фактическое расстояние от Земли до Солнца в данный момент. Угол α — это как раз тот самый угол между направлением на Солнце и нормалью к поверхности в рассматриваемой точке.

Понятно, что в течение года в этой формуле меняются обе величины: и расстояние до Солнца (из-за чего освещённость колеблется примерно на 6 %), и угол α, который меняется как в течение суток, так и в течение года.

Чтобы понять, как именно меняется этот угол α со временем, нужно сначала разобраться, как в течение года меняется угол γ между осью вращения Земли и направлением на Солнце. А уже зная γ, мы сможем определить, как угол падения солнечных лучей зависит от времени суток и от географических координат конкретного места.

Для упрощения расчётов будем считать, что Земля движется по орбите с постоянной угловой скоростью, пренебрегая небольшими отклонениями из-за эллиптичности орбиты. В этом случае за время t Земля пройдёт по орбите угол, равный

где Т — это продолжительность тропического года.

Введём систему координат и обозначим единичный вектор направления от Земли к Солнцу как s, а единичный вектор оси вращения Земли — как m. Тогда проекции этих векторов на соответствующие оси координат будут определяться уравнениями:

Искомый угол γ между осью Земли и направлением на Солнце мы можем найти, вспомнив, что косинус угла между двумя единичными векторами равен сумме произведений их соответствующих проекций:

Эта формула и описывает, как угол между земной осью и направлением на Солнце изменяется в течение года. Вы можете самостоятельно убедиться в её справедливости для времени зимнего и летнего солнцестояния, а также в моменты весеннего и осеннего равноденствия.

Теперь обозначим угол между направлением на Солнце и нормалью к участку поверхности Земли как α.

Рассмотрим угол падения солнечных лучей в точке на гринвичском меридиане: на некоторой широте φ и долготе, равной нулю в некоторый момент времени t. Будем считать, что Земля вращается вокруг Солнца с постоянной угловой скоростью ω. Момент времени t соответствует повороту Земли на угол ωt по отношению к тому положению, которое Земля занимала в полночь по гринвичскому времени. Пусть s — единичный вектор направления на Солнце, он составляет угол γ с осью z.

Тогда его проекции на оси координат будут определяться уравнениями, показанными на экране:

А для выбранной нами точки земной поверхности единичный вектор нормали будет иметь такие компоненты:

Скалярное произведение этих векторов и есть искомый косинус угла падения солнечных лучей:

Именно изменение энергии E, поступающей от Солнца, в течение года и определяет смену времён года. Это главный фактор, формирующий погоду. Чтобы вычислить эту энергию для конкретного места, нужно усреднить значение косинуса угла падения лучей по местному времени:

Эта формула как раз и показывает, как угол падения лучей зависит от времени года, времени суток и географической широты φ.

Проще всего провести такое усреднение для условий полярного дня, когда Солнце не заходит за горизонт. В этом случае второе слагаемое в формуле становится равным нулю. Тогда полная энергия, поступающая на единицу площади за полярные сутки, будет равна произведению освещённости, солнечной постоянной, усреднённого косинуса угла падения солнечных лучей и продолжительности суток:

Для других широт, где есть смена дня и ночи, усреднение становится сложнее, так как ночью освещённость равна нулю, и нужно учитывать только дневные часы. На графиках можно увидеть, как средняя освещённость зависит от времени года на экваторе и на широтах 60° северного и южного полушарий.

Если же мы посмотрим на графики среднегодовой температуры, измеренной экспериментально в тех же широтах, то увидим, что они очень похожи на графики теоретически рассчитанной освещённости. Это подтверждает, что наша модель в целом верна.

Однако есть два важных фактора, которые усложняют эту, в общем-то, простую и красивую модель распределения солнечной энергии. Первый фактор — это перераспределение тепла по поверхности планеты. Воздушные и океанические течения, как гигантские конвейеры, переносят тепло от экватора к полюсам. Благодаря этому температуры вблизи Северного и Южного полюсов не опускаются до экстремально низких значений.

Второй фактор — это тепловая инерционность. Атмосфера, суша и особенно океан обладают свойством медленно нагреваться и медленно остывать. Они как бы «накапливают» тепло. Из-за этого «отклик» температуры на изменение солнечной освещённости происходит не мгновенно, а с некоторой задержкой. Например, самый холодный месяц в Северном полушарии — это обычно не декабрь, когда световой день самый короткий, а январь. И точно так же самый тёплый месяц — не июнь, в день летнего солнцестояния, а июль. Эта задержка составляет примерно месяц и хорошо объясняется тепловой инерцией земной поверхности и атмосферы.

Чтобы наглядно почувствовать разницу между погодой и климатом, давайте представим себе ситуацию, хорошо знакомую всем, кто бывал в горах. Представьте путешественника, который переходит через горный хребет. Если он начинает подъём с подветренной стороны, то есть со стороны, откуда дует ветер, он может столкнуться с сильной облачностью, густым туманом, проливным дождём или снегопадом. Но вот он преодолевает перевал и спускается по другому склону горы — и попадает в совершенно другой мир: светит солнце, тепло, почти безоблачно.

Солнце-то светит на всю гору одинаково. Так что климат в этом районе в целом один и тот же. Хотя, конечно, говорить о климате в одной конкретной точке некорректно. А вот погода на разных склонах в один и тот же момент оказывается абсолютно разной, и зависит она в первую очередь от того, с какой стороны дует ветер.

Объясняется этот эффект достаточно просто. Когда поток воздуха натыкается на гору, он вынужден подниматься вверх. Поднимаясь, воздух попадает в области с более низким атмосферным давлением и, соответственно, расширяется. Если считать этот процесс быстрым и считать, что теплообмен с окружающей средой невелик (такой процесс называют адиабатическим), то расширение будет сопровождаться падением температуры. Воздух охлаждается. А чем холоднее воздух, тем меньше влаги он может удерживать в виде пара. Излишки влаги начинают конденсироваться, образуя облака, туман, и выпадают в виде дождя или снега. Таким образом, при подъёме воздух теряет большую часть влаги.

Когда этот уже подсушенный воздух переваливает через вершину и начинает спускаться по противоположному склону, с ним происходит обратный процесс. Опускаясь, он попадает в область более высокого давления, сжимается и адиабатически нагревается. Поскольку влаги в нём теперь мало, температура при спуске растёт ещё быстрее. В результате на одной и той же высоте на наветренной стороне горы будет значительно теплее и суше, чем на подветренной.

Понятно, что для глобального климата совершенно не важно, с какой стороны горы в данный момент теплее. В среднем по планете эти локальные различия полностью компенсируются. А вот для человека, например, для пастуха, который пасёт скот на склоне этой горы, эта разница принципиальна. Сидит ли он под холодным дождём на одном склоне или греется на солнце на другом. Вот это именно и есть погода, определяемая не столько климатом, сколько местными условиями в данный текущий момент.

Таким образом, климат задаёт общие рамки, в которых существует погода. Он как дирижёр большого оркестра, который задаёт общий ритм и настроение музыки. А погода — это партии отдельных инструментов, которые могут звучать то громче, то тише, создавая бесконечное разнообразие мелодий, которые мы слышим за своим окном каждый день.