Поле температуры в атмосфере и его пространственно- временная изменчивость.

Поглощение и излучение тепла в атмосфере.

Днем в атмосфере распространяются три потока энергии - сверху вниз- солнечная радиация, практически полностью состоящая из волн видимого диапазона, снизу вверх- тепловое излучение земли, и вверх и вниз- тепловое излучение атмосферы. Тепловое излучение земной поверхности несколько больше, чем обратное тепловое излучение атмосферы. Поэтому днем  температура земной поверхности и воздуха над ней повышаются.

Ночью солнечная радиация отсутствует и в атмосфере распространяется только тепловое излучение земной поверхности и атмосферы. В результате этого  температуры земной поверхности и атмосферы постепенно понижаются.

Наблюдения показывают, что фактические потери тепла земной поверхностью существенно меньше, чем следует из закона Стефана- Больцмана. Объясняется это тем, что направленное к земле встречное собственное тепловое излучение, частично компенсирует потери ее тепла.

Собственное тепловое излучение атмосферы является главной причиной потепления приземного слоя атмосферы. Оно является проявлением парникового эффекта и обусловлено присутствием в воздухе молекул водяного пара, углекислоты, метана, фреонов, закиси азота и других парниковых веществ.

Особенности спектров поглощения теплового излучения молекулами многих перечисленных веществ рассмотрены в предыдущих лекциях.

Спектры собственного тепловое излучение тех или иных слоев атмосферы зависят от их температуры. Приземный слой атмосферы, имеющий практически ту же температуру, что и подстилающая поверхность имеет похожий спектр излучения. Максимум спектра излучения слоев тропосферы смещается в сторону больших длин волн помере снижения их температуры и увеличения высоты над земной поверхностью.

В диапазоне от 9 до 12μк атмосфера практически прозрачна для теплового излучения . При температуре поверхности -40 град на это окно прозрачности приходится 15.6% всего теплового излучения земли, при температуре 0 град- 16.8%, а при температуре +40 град- 20.2%.

 Как видим, атмосфера устроена весьма «разумно» - чем выше температура земной поверхности, тем большая часть потока тепловой радиации, которая воздухом не поглощается и в создании парникового эффекта не участвует.

Ночное остывание земной поверхности и атмосферы в основном происходит именно за счет теплового излучения в диапазоне 9-12μк.

Разность теплового излучения земли и теплового излучения атмосферы называется эффективным излучением земной поверхности R. Эффективное тепловое излучение в значительной мере определяется потоком тепла, излучаемого земной поверхностью в диапазоне 9 до 12μк

R - есть сложная функция распределения в атмосфере водяного пара, углекислоты , а также температуры. Для практических расчетов ее величины можно использовать формулу Ангстрема:

                                R= (0.2+ 0.2 x10^-0.05е )σT⁴

Здесь е- упругость водяного пара в милибарах у земной поверхности.

R возрастает летом и уменьшается зимой. При прочих равных условиях с увеличением влажности воздуха оно уменьшается. В течение ночи эффективное излучение постепенно уменьшается.

Поскольку нижние слои атмосферы содержат основные количества влаги и углекислоты, R с увеличением высоты до 2500м увеличивается, а далее постепенно уменьшается.

Облака состоят из капель воды и ледяных кристаллов, образующихся при конденсации водяного пара и кристаллизации воды. При этих процессах в воздух излучается много тепла. Вследствие этого облака существенно увеличивают собственное излучение атмосферы. Влияние облаков на собственное излучение атмосферы  тем больше, чем ближе они расположены к земной поверхности. Сильнее всего на него влияют облака нижнего яруса и туманы. Благодаря этому с помощью искусственных туманов можно бороться с заморозками.

Радиационный баланс

Радиационным балансом (РБ) подстилающей поверхности называют разность между суммарным потоком поглощенной ею солнечной (ПС) и тепловой радиации (ПОТА)и эффективным тепловым излучением.

РБ= ПС+ПОТА- R,

Если С- суммарная солнечная радиация, поступающая на некоторый участок земной поверхности,  ОТА – облатное тепловое излучение атмосфеферы, а А_в  А_т -его альбедо для видимого и теплового диапазона, то

ПС= С(1-А_в).

ПОТА=ОТА(1-А_т)

РБ= С(1-А_в) + ОТА(1-А_т)- R

От величины радиационного баланса зависят температуры подстилающей поверхности и приземного слоя атмосферы, а также их изменения. Поэтому РБ- важнейший фактор климата. Радиационный баланс подсчитывают за сутки, месяц или год.

Значение радиационного баланса каждого участка земной поверхности определяется процессами превращения на нем поглощенной солнечной радиации.

Если поверхность этого участка является водной, то часть поглощенной ею солнечной радиации расходуется на физическое испарение, а в эффективное тепловое излучение превращается  ее остаток. На значения РБ существенное влияние оказывают ветры и течения.

 Ветер, приносящий теплый воздух, увеличивает ОТА, вследствие чего возрастает ПОТА, а значение радиационного баланса земной поверхности увеличивается. Если воздух, приносимый ветром, холоднее подстилающей поверхности, это приводит к уменьшению ОТА, а значение радиационного баланса уменьшается.

Течение, приносящее теплую воду, приводит к увеличению эффективного теплового излучения и радиационный баланс уменьшает. Холодная вода, принесенная течением, уменьшает температуру подстилающей поверхности и поток создаваемого ею эффективного теплового излучения , что радиационный баланс увеличивает.

   В результате этого для акваторий Мирового океана, расположенных у экватора, в  которые приходят лишь холодные течения, и теплый воздух с суши, РБ>0, а для акваторий, расположенных вблизи  Северного полюса и у берегов Антарктиды, куда приходят лишь теплые течения и холодный воздух с суши,  РБ<0.

Если подстилающая поверхность представляет собой сушу, то поглощенная ею солнечная радиация расходуется не только на физическое испарение и формирование эффективного теплового излучения. Она расходуется, кроме того, на транспирацию и фотосинтез в фитоценозах, а также на почвообразование. В тоже время океанические течения влияют на тепловой режим лишь прибрежных участков суши. В результате этого доля поглощенной солнечной радиации и обратного теплового излучения атмосферы, которая расходуется на эффективное тепловое излучение с поверхности суши, может отличаться от доли, соответствующей поверхности Мирового океана, в обе стороны.

В пустынях основным фактором изменчивости значений радиационного баланса является ветер, либо приносящий, либо уносящий тепло и влияющий тем самым на потоки ОТА.

На участках суши, покрытых растительностью, существенными факторами динамики значений радиационного баланса являются процессы, изменяющие состояние фитоценозов. Это такие факторы, как смена времен года, вспышки развития паразитов, а также изменения увлажненности почвы, влияющие на интенсивность транспирации и фотосинтеза.

Существенно влияет на значение РБ лесных массивов деятельность человека, которая всюду приводит к уменьшению в них площади зеленого листа (даже там, где вместо вырубленных вековых деревьев, высаживают молодую поросль). Поэтому на территориях лесной и лесостепной ландшафтных зон антропогенные изменения ландшафтов являются значимым фактором потепления климата.

Деятельность человека приводит к уменьшению значений РБ и в степной зоне, территории которой практически полностью используются как пашни, сады или пастбища. На этих территориях, почвенный покров ежегодно искусственно разрыхляется (в период посевной компании), что существенно интенсифицирует  водную эрозию.

Водная эрозия почв – процесс разрушения водой и сноса в водоемы и реки верхних, обладающих самым большим плодородием слоев почвы. Различают естественную и ускоренную (антропогенную) эрозии почв. Естественная эрозия протекает очень медленно, и в ходе ее плодородие почв не снижается.

Наибольшее влияние на изменения РБ территорий оказывает ускоренная эрозия почв, которая  вызвана нерациональной хозяйственной деятельностью человека (неправильная обработка и орошение почвы, чрезмерное внесение в нее удобрений, бесконтрольный выпас скота, вырубка лесов, осушение болот и т.п.).

Экологический ущерб от водной эрозии огромен. Вода, стекая, образует промоины и овраги, вымывает из земли органические и минеральные вещества. Это приводит к потере плодородия почвы, образованию оврагов. В оврагах невозможна никакая сельскохозяйственная деятельность. Подсчитано, что площадь оврагов на территории стран СНГ составляет 9 млн. га и продолжает увеличиваться. Поле, подверженное водной эрозии, теряет за год 7-13 т/га наиболее плодородной почвы.

Образование оврагов не только затрудняет обработку пашен и уменьшает плодородие их почв, но и снижает уровень грунтовых вод, в результате чего многие сельскохозяйственные растения не могут дотянуться до них своими корнями. Это снижает их урожайность и вынуждает применять искусственный полив, еще более ускоряющий эрозионные процессы. Так развиваются антропогенные процессы опустынивания.

Примером последствий развития этих процессов является рост величайшей на земле пустыни Сахара. Наскальные рисунки и фрески, имеющие возраст более 6-8 тыс. лет, найденные в Сахаре, свидетельствуют о том, что в период, когда они создавались, здесь была саванна (тропическая лесостепь). Благодаря богатой и разнообразной растительности с земной поверхности испарялось много влаги, вследствие чего количество осадков, выпадающих в центральных районах Сахары, было достаточным для того, чтобы в них существовали полноводные реки и озера, в которых водились крокодилы, бегемоты и другие представители фауны. Многие из этих рек впадали в Нил.

Почвами, преобладавшими в Сахаре в тот период, были черноземы, подобные существующим ныне в Украине. Отдельные островки пустыни на территории Сахары начали формироваться еще 500 000 лет назад, но наиболее стремительно процесс ее опустынивания начал развиваться только с 3 тысяч лет до н. э.

Именно в этот период леса в Сахаре начали вырубаться и выжигаться  кочевниками, которым они казались ненужным излишеством и прибежищем разбойников и хищных зверей. Борьба с лесами велась широким фронтом. Развивался и неконтролируемый выпас скота, ускоряющий разрушение верхнего слоя почв и его ветровую эрозию.

Способствовала ускорению эрозионных процессов в Сахаре и деятельность примитивных земледельцев, использовавших подсечно-огневое земледелие. Нелегкий труд многих поколений населения Сахары, вызывавших ее опустынивание, был довершен в период Пунических войн римлянами, которые для подрыва экономической мощи своего главного врага – Карфагена, начали вести с ним, по сути, первую экологическую войну – уничтожая его пашни и степи огнем.  

В итоге начали мелеть и пересыхать реки и озера, а от населявших их представителей фауны остались лишь скелеты. Эти процессы привели к окончательному опустыниванию Сахары, уничтожению всех ее оазисов и превращению полосы плодородных земель на ее севере, в пустыни. Сейчас, продвижение Сахары на юг также обусловлено хозяйственной деятельностью местных народов, кочевой образ жизни которых и их отношение к лесам практически не изменились.

Сахара сегодня. Так может выглядеть Украина завтра.

Сильней всего снижает значение РБ территории ее застройка. Город, по своему воздействию на интенсивность испарения влаги ,подобен пустыне (растительности почти нет, кругом бетон и асфальт, почва не образуется, вся поглощенная радиация превращается в тепло). 

В результате совместного действия различных факторов изменчивости радиационного баланса его значения в различных регионах планеты существенно различаются. В одних регионах  РБ ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ, в других  ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ.

Знак радиационного баланса свидетельствует о том, что солнечная энергия на данном участке аккумулируется или высвобождается.

Если радиационный баланс пложителен - поглощение  С и ОТА больше теплового излучения. В районах нашей планеты, расположенных у экватора, РБ>0, а в приполярных районах  РБ<0.

РБ>0 , если подстилающая поверхность покрыта лесом (часть поглощаемой эненргии расходуется на транспирацию, почвообразование и фотосинтез).

РБ>0, если подстилающая поверхность переувлажнена (часть поглощенной солнечной радиации расходуется на физическое испарение влаги).

РБ<0 , если подстилающая поверхность - район активного вулканизма (поток собственного тепла из недр земли значителен).

РБ <0, если подстилающая поверхность - город или крупный промышленный объект , где имеются мощные техногенные источники тепла.

В течение суток РБ испытывает суточный ход. Днем он повсеместно положительный, ночью отрицательный. Летом он чаще положительный, зимой отрицательный.

Поле температуры в атмосфере и его пространственно- временная изменчивость.

С увеличением высоты над земной поверхностью температура воздуха в тропосфере в целом уменьшается, хотя в некоторых слоях можно наблюдать ее рост. Такие слои называются слоями инверсии.

Слои инверсии чаще всего встречаются непосредственно над земной поверхностью. Над земной поверхностью они чаще всего наблюдаются летом - над океанами, зимой - над материками. В поясе пассатов высота слоя инверсии, как правило, превышает 400м.

Инверсии также образуются в зонах антициклонов.

Распределение температур в приземном слое атмосферы существенно неоднородно. У экватора всегда тепло, а по мере удаления от них становится холоднее.

В северном полушарии зимой полюс холода расположен в Якутии (Оймякон), где средняя температура ниже -50, а минимальная -70 град.С. Весьма холодные зимы также в Гренландии.

У экватора круглый год преобладают температуры +26-26 град С, как на суше, так и на море. Разность температур между полюсом холода в северном полушарии и экватором зимой достигает 100 градусов.

В обоих полушариях наибольшие различия температур наблюдаются зимой (в январе в северном полушарии и в июле в южном).

В северном полушарии вследствие большого количества суши наблюдается высокая зональная неоднородность поля температуры, особенно значительная зимой. Восточные окраины материков здесь всегда существенно холоднее, чем западные. На одной и той же широте разность среднемесячных температур достигает 20 градусов.

Холодные зимы на восточном побережье Северной Америки объясняются влиянием холодного Лабрадорского течения, на восточном побережье Евразии- холодного Курильского течения.

Теплые зимы на западном побережье Европы- результат влияния теплого Северо- Атлантического течения, на западном побережье Северной Америки- теплого Северо-Тихоокеанского течения.

Летом в северном полушарии распределение температур менее контрастно. Лишь небольшая область в Арктике имеет температуру менее 0. Разница среднемесячных температур достигает всего 40 градусов, а на одной и той же широте - 5 градусов..

Среднегодовая температура северного полушария +15 град С.

В южном полушарии площадь суши гораздо меньше и здесь зональная неоднородность поля температуры проявляется слабее, хотя и здесь восточные побережья Южной Америки (к которым подходит теплое Бразильское течение) менее суровы, чем  западные (омываемые водами холодного Лабрадорского течения).

Полюс холода расположен в Антарктиде (ст. Восток -89град.С.). Контраст температур между полюсом и экватором здесь превышает 120 градусов.

Среднегодоая температура южного полушария +13.3 град.

В горах среднегодовая температура воздуха убывает с высотой. Это убывание температуры наиболее велико летом. На Кавказе оно составляет ).56 град С /100 м , в Альпах - 0.61град/100м, в Скалистых горах Северной Америки - 0.83 град/100м..

Зимой убывание с высотой температуры на Кавказе 0.49 град/100м, в Альпах- 0.4 град/100м.

Средняя температура вздуха на земном шаре +14.2 град.

Глоба́льное потепле́ние — процесс постепенного увеличения среднегодовой температуры атмосферы Земли и Мирового океана.

Глобальное потепление

Согласно выводов Межгосударственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) ООН, разделяемых  национальными академиями наук стран «Большой восьмёрки»и Украины, заключается в том, что средняя температура по Земле поднялась на 0,7 °C со времени начала промышленной революции (со второй половины XVIII века), и что «бо́льшая доля потепления, наблюдавшегося в последние 50 лет, вызвана деятельностью человека», в первую очередь выбросом газов, вызывающих парниковый эффект, таких как углекислый газ (CO2) и метан (CH4).

Прогнозы свидетельствуют о том,  что в XXI веке средняя температура поверхности Земли может повыситься на величину от 1,1 до 6,4 °C. В отдельных регионах среднегодовые температуры могут немного понизиться. Как ожидается, потепление и подъём уровня Мирового океана будут продолжаться на протяжении столетий, даже в случае стабилизации уровня парниковых газов в атмосфере. Этот эффект объясняется большой теплоёмкостью океанов.

Помимо повышения уровня Мирового океана, повышение глобальной температуры также приведёт к изменениям в количестве и распределении атмосферных осадков. В результате этого могут участиться природные катаклизмы, такие как наводнения, засухи, ураганы и другие, понизится урожай сельскохозяйственных культур и исчезнут многие биологические виды.

По мнению МГЭИК причина происходящего потепления – увеличение содержания в атмосфере парниковых газов, обусловленное антропогенными выбросами.

Есть и  иные объяснения возможного текущего повышения средней температуры земной поверхности. Они исходят из того, что кроме влияния антропогенных факторов, климат на нашей планете безусловно зависит от многих процессов, происходящих в системе Земля — Солнце — Космос.

Кроме случайных, но многократных за историю Земли и катастрофических по своим последствиям столкновений с крупными астероидами и кометами, земная атмосфера испытывает и периодически повторяющиеся воздействия планетарного и космического происхождения. Можно выделить четыре группы таких циклов.

«Сверхдлинные» — по 150−300 миллионов лет — характеризуются самыми значительными изменениями климата на Земле. Они, вероятнее всего, связаны с периодом обращения Солнца вокруг центра масс нашей Галактики и прохождениями Солнечной системы через области Млечного пути с различной плотностью газо-пылевого вещества, которое в зависимости от своего состава, может как экранировать излучение Солнца, так и усиливать на нём интенсивность термоядерных реакций.

«Длинные» циклы, связанные с тектоникой литосферных плит и интенсивностью вулканической деятельности. Они надёжно установлены в палеогеологической летописи, но нерегулярны по периоду и длятся от нескольких до десятков миллионов лет.

«Короткие» периоды, так наз. «Циклы Миланковича», продолжительностью 105 000, 41 000 и 25 750 лет, вызванные периодическими колебаниями перигелия земной орбиты и ориентации оси вращения Земли, определяемой явлениями нутации и прецессии.

И, наконец, последняя категория, условно называется «ультракороткими» периодами. Они связаны с изменениями  параметров Лунной орбиты (циклы Паттерсона –Шнитникова с периодами 1850-2000 лет), а также ритмами солнечной активности( с периодами 22 и 11 лет).

Суперпозиция различных по своей природе и по продолжительности процессов (изменений характеристик солнечной радиации и тепловой инерции океанов, движений материков и вулканической активностью, а также обратных связей в биосфере) определяет среднюю температуру земной поверхности и распределение климатических зон в различные геологические эпохи. Этот сложный комплекс множества знакопеременных геофизических и космических факторов воздействия на земной климат, может, по мнению некоторых, обуславливать и наблюдаемое в наше время потепление. Человек в настоящее время не в силах влиять на процессы таких масштабов.

Одним из наиболее наглядных процессов, связанных с глобальным потеплением, является таяние ледников.

За последние полвека температура на юго-западе Антарктики, на Антарктическом полуострове, возросла на 2,5 °C. В 2002 году от шельфового ледника Ларсена площадью 3250 км² и толщиной свыше 200 метров, расположенного на Антарктическом полуострове, откололся айсберг площадью свыше 2500 км². Весь процесс разрушения занял всего 35 дней. До этого ледник оставался стабильным в течение 10 тысяч лет, с конца последнего ледникового периода. Таяние шельфового ледника привело к выбросу большого количества айсбергов (свыше тысячи) в море Уэдделла[29]. Тем не менее, площадь оледенения Антарктики растёт.[30]. Отмечено ускорение процесса деградации вечной мерзлоты.

С начала 1970-х годов температура многолетнемёрзлых грунтов в Западной Сибири повысилась на 1,0 °C, в центральной Якутии — на 1—1,5 °C. На севере Аляски с середины 1980-х годов температура верхнего слоя мёрзлых пород увеличилась на 3 °C.[31]

Литература.

1. А.Х.Хргиан . Физика атмосферы. Гос. издательство технико- теоретической литературы. М.:1953.

2. Авенариус И.Г. Палеогеография Северной Евразии в позднем плейстоцене-голоцене и географический прогноз / И.Г. Авенариус, М.В. Муратова, И.И. Спасская. – М. : Наука, 1978. – 76 с.

3. Антропогенные изменения климата/ под ред. М.И. Будыко. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 407с.

4. Бабіченко В.М. Зміни температури повітря на території України наприкінці ХХ та на початку XXI століття / В.М. Бабіченко В.Н. Ніколаєва, Л.М. Гущина // Український геогр. журнал. – 2007. – № 4. – С. 3 – 12.

5. Барабанов В.С. Глобальная и региональная климатическая изменчивость / В.С. Барабанов [ и др. ] // Развитие морских наук и технологий в Морском гидрофизическом институте за 75 лет. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2004. – С.442 – 468.

6. Бойченко С.Г.Напівемпіричні моделі та сценарії глобальних і регіональних змін клімату. – К.: Наук. думка, 2008. – 311 с.  

7. Будыко М.И. Климат и жизнь. / М.И. Будыко. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. – 181 с.

8. Будыко М.И. Зависимость средней температуры воздуха от изменений солнечной радиации / М.И. Будыко // Метеорология и гидрология. – 1975. – № 10. – С.3 – 10.

9. Будыко М.И. Эволюция биосферы / М.И. Будыко. – Л. : Гидрометеоиздат, 1984. – 487 с.

10. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем / М.И. Будыко. – Ленинград : Гидрометеоиздат, 1980. – 350 с.

11. Будыко М.И. О связи альбедо подстилающей поверхности с изменениями климата / М.И. Будыко, И.М. Байкова, Н.А. Ефимова, Л.А. Строкина // Метеорология и гидрология. – 1998. – № 6. – С.5.

12. Букша І.Ф. Україна та глобальний парниковий ефект. Книга 2. Вразливість і адаптація екологічних та економічних систем до змін клімату / І.Ф. Букша, П.Ф. Гожик, Ж.Л. Ємельянова. – Київ, 1998. – 208 с.