Календар куди і чому йде дощ

Член-кореспондент РАН, доктор фізико-математичних наук, завідувач Лабораторією взаємодії океану і атмосфери і моніторингу кліматичних змін Сергій Гулев прочитав в кінотеатрі «35 мм» лекцію «Як вода впливає на клімат?». Slon публікує її скорочений варіант.

Площа світового океану одно 361 млн кв. км. Якщо прийняти, що основне джерело води - випаровування з поверхні водного дзеркала, то саме з океану береться вода на Землі. Для порівняння: площа всіх озер і річок - понад 1 млн кв. км. Обсяг світового океану становить 1370 млн куб. км. Ще одне джерело води - льодовики, обсяг тут невеликий, але площа досить велика. Вивільнення цієї води з точки зору впливу на клімат не так важливо, тому що випаровується вона неефективно.

гідрологічний цикл

У школі це називалося кругообігом води в природі. Але правильніше сказати - глобальний гідрологічний цикл. Давайте подумаємо, що відбувається з водою на Землі. Вона випаровується з поверхні океану, потрапляє в атмосферу, частково в результаті охолодження, тому що при певній температурі повітря утримується певна кількість вологи, яка починає конденсуватися і переходить в рідку фазу. Те, що вона перетворилася в краплі, не означає, що вони обов'язково впадуть на землю у вигляді дощу. Деяка кількість висить в небі у вигляді хмар, але більша частина, звичайно, випадає у вигляді атмосферних опадів. Частина цих опадів потрапить в океан в пароподібному вигляді, частина в краплинному. Вода переноситься в атмосферному русі на континенти, і значна частина випадає на сушу, починає живити грунтові води і через них знову потрапляє в океан. Над океаном вологи завжди випаровується більше, ніж осідає.

Як вода впливає на погоду

Я умовно поділю цей вплив на:

пряме - за рахунок фазових переходів і переносів вологи;
непряме - за рахунок різних теплообмінних процесів над поверхнею води і над сушею.

Якщо говорити про прямий вплив, потрібно дізнатися, чому йде дощ. Вода випаровується з поверхні океану досить ефективно, далі потрапляє в атмосферу. Там постійно міститься 12-13 тисяч куб. км води. Уявімо тепер, що вся ця вода сконденсувалася і випала у вигляді опадів на поверхню всієї земної кулі. Тоді випаде 25 мм опадів, це дуже багато. Постає питання, за яке кількість часу вони випадуть. Якщо за хвилину або за годину, то планету затопить. Але цього не відбувається, так як в середньому випадає 2,5-2,6 мм опадів. Якщо припустити, що дощ йшов кожен день, то вся волога була б перероблена за 10 днів.

Як будується прогноз погоди

Рух атмосфери описується набором рівнянь, які відображають досить прості фізичні закони. У сумі виходить система з семи рівнянь.

Природно, прогноз розраховується не людиною, а за допомогою потужних комп'ютерів в метеорологічних центрах. Задаються початкові значення, і поки система їх пам'ятає, вона може давати прогноз стану середовища. Через якийсь час ці значення системою скидаються, що робить далі прогнозування неможливим. Межа метеорологічного прогнозу погоди - приблизно 10-12 днів. Але є один дуже цікавий факт: якби атмосфера залишалася сухою, то система набагато довше пам'ятала б свої початкові значення, приблизно 40-45 днів.

Як атмосферна волога, зникаючи за 10 днів, перетворюючись в опади, випадає на землю? У середніх широтах це в основному пов'язано з атмосферними утвореннями - циклонами. Вони являють собою результат нестійкості зональних середніх рухів вітрів в атмосфері. Усередині циклонів волога з океанічних областей переноситься на сушу. На двох фронтах циклону випадають опади, їх називають великомасштабними, тому що охоплюють територію від ста до тисячі кілометрів. Велика частина опадів на суші має таке походження.

Менша частина - конвективні опади, випадають вони в основному в тропіках. Наприклад, в якомусь місті, розташованому на екваторі, почався дуже сильний дощ, і йде він всього 20 хвилин. В цей час в декількох кілометрах від міста абсолютно сухо, але потім дощ переходить і туди.

Ще один механізм, який призводить до утворення опадів: слабкий циклон з ще не оформилися фронтами натикається на гірський масив. У схилу гори випадають потужні опади. Такі циклони, проходячи над океаном, зазвичай розповсюджують свій вплив на сушу.

Циклон захоплює випаровується вологу з поверхні океану, але притягує її також з тропіків. По дорозі циклон насичується ще й вологою, перенесеної з інших районів: кут між теплим і холодним фронтом створює умови для цього.

Особливо ефективно транспортування вологи з океану на континент відбувається при русі серії циклонів. По південному краю цієї серії формується фронт. Такі потоки називають атмосферними річками. У Тихому океані, наприклад, ці річки течуть від Гавайських островів до Каліфорнії. Їх ширина 100-200 км, що дозволяє переносити величезну кількість вологи.
У тропіках циклони виникають завдяки випаровуванню з поверхні океану, коли її температура досягає 25-29 ° С. Сама по собі температура не дуже важлива, це тільки один з факторів, що формують випаровування. Тропічний циклон насичується вологою і несе її на континенти. На відміну від среднеширотной він виливає вологу і в океан, але в меншому ступені. Найбільше таких циклонів в тропічній екваторіальній області, в Північній півкулі. В Атлантиці вони призводять до виникнення ураганів, в Тихому океані - тайфунів. Ось вам ще один механізм перенесення вологи з океану на континент.

Наскільки постійна сонячна постійна?

Коли говоримо про непрямий вплив води на клімат, то потрібно спочатку прояснити, звідки береться енергія на Землі. Від сонця. Сонячна постійна дорівнює 1378 Вт / кв. м, природно, ця величина змінюється, так як Земля обертається, і влітку вона ближче до Сонця, тоді цифра збільшується до 1443 Вт / кв. м. Взимку, коли Земля далі від Сонця, константа дорівнює 1349-1350 Вт / кв. м. У результаті зміни цього відстані змінюється кількість тепла, з яким атмосфера починає потім працювати.

Сонячна енергія проходить через атмосферу, там поглинається хмарами, частинками води, водяними парами, далі кількість поглиненої енергії переизлучается, вже за іншими законами, знову на Землю. Від Землі вона відбивається частково, від океанів - приблизно 5%. Вода, повітря, земля - все мають якусь температуру, яку випромінюють за законом Стефана - Больцмана. Різниця між отриманою і випромінювань енергією переноситься в атмосферу і формує теплової баланс на поверхні.

Сонячна постійна все-таки не постійна, вона може змінюватися. З 1645 по 1715 рік її значення було меншим, ніж зараз. Вчені називають цей період Маундерівським мінімумом. Тоді температура в Європі була значно нижче теперішньої, а сніг лежав тут 5-6 місяців. Подивіться на картину Пітера Брейгеля «Повернення мисливців»: в Голландії люди йдуть з полювання в хутрі!

Ці зміни сонячної постійної показали, що відстань від Землі до Сонця в середньому не завжди однаково. Крім того, Земля, як і будь-який обертається навколо своєї осі космічне тіло, володіє прецессией.

Сербський метеоролог, кліматолог Милутин Миланкович в 1912 році розрахував, що через зміни параметрів орбіти Земля час від часу проходить через льодовикові періоди, між ними проходить від 10 до 30 тисяч років, так зване межледниковье, як у нас зараз.

Але протягом останнього тисячоліття температура змінюється набагато швидше, ніж будь-коли. Якщо перейти на масштаб років, то астрономічний фактор стане визначальним, тому що Земля крутиться навколо осі, повертаючись до Сонця різними сторонами.

Щоб підійти до впливу океану на клімат, необхідно розглянути масштаб міжрічних змін, десятиліть, століть. За останні сто років середня температура Землі збільшилася приблизно на 0,74 ° С. І дуже нерівномірно. В основному підвищується зимова температура. Це відбувається в північних широтах, в Північній півкулі, в меншій мірі в високих широтах Південної півкулі. Явище пов'язують з антропогенним фактором, адже людство все більше виробляє вуглекислого газу. Кліматично активні гази впливають на хімічні процеси в атмосфері, таким чином виникає обмеження для догляду сонячної радіації. В результаті виникає парниковий ефект, і температура підвищується.

океан зростає

Щільність морської води - 10х25 кг / куб. м;
Щільність атмосфери - 1,2 кг / куб. м;
Питома теплоємність морської води - 4,2 x 10 3 Дж / кг К;
Питома теплоємність атмосфери - 1 x 10 3 Дж / кг К.

Якщо перемножити значення, можна побачити, що питома теплоємність океану в 3200 разів більше, ніж теплоємність повітря, тобто його у стільки разів важче нагріти і охолодити і настільки довше він пам'ятає свій стан і може впливати на атмосферні процеси.

Процеси передачі не тільки вологи, але і всієї енергії на всьому кордоні океану, атмосфери, вкрай важливі. Він може сам по собі ловити сигнали атмосфери і досить сильно впливати на її динаміку. Крім сонячної енергії, антропогенного чинника, якщо він існує, це надає опосередкований вплив на клімат.

Тепер масштаби років. Є таке явище, як Ель-Ніньо, коли вода в поверхневих шарах в Тихому океані, в районі Перу, нагрівається і градієнт температури в океані стає дуже великим. До того ж утворюється вертикальна циркуляція, і як результат - відбувається тропічна дестабілізація, яка впливає на циркуляцію в середніх широтах. Виділяється дуже велика кількість вологи, виникають тропічні опади, повені, в деяких районах - посухи.

Якщо говорити про дуже тривалих періодах часу, десятиліттях і століттях, то потрібно згадати про довгострокові процесах, пов'язаних з глобальною океанічної циркуляцією. Глобальна океанська циркуляція, як і циркуляція атмосфери в класичному уявленні, пов'язана з тим, що повітря в атмосфері піднімається у екватора, грубо кажучи, перетікає до полюсів, там опускається. Насправді все не зовсім так виглядає. В атмосфері ці переноси відбуваються симетрично. До кінця 1970-х - початку 1980-х років вважали, що все так же працює і в океані. Десятиліття, рік - це той період, за який відбувається оборот води в Тихому океані, Атлантиці. Виявилося, що в океані води можуть пересуватися не по спрощеній схемі, де по поверхні вона тече до полюсів, там опускається, потім повертається до екватора і там піднімається. У 1984 і в 1986 роках два вчених, професор С. С. Лаппо і В. Брокер, передбачили циркуляцію на відрізку від десятка до сотень років, яка б пов'язала різні океани. Вода потрапляє з Тихого океану в Атлантичний, там опускається, потім перетікає назад, змикається. Це відбувається за кілька сотень років і робить океан кліматично активним.