На суше и на море - 1978

С чем же связаны изменения погоды и климата и может ли сегодняшняя наука объяснить их? Климат Земли — это, образно говоря, результат работы гигантской тепловой машины. Основным источником тепла, обеспечивающим относительное постоянство климата нашей планеты, служит энергия Солнца. На каждый квадратный сантиметр верхней границы земной атмосферы от Солнца поступает 1,98 кал в мин. Эта величина называется солнечной постоянной. В день зимнего солнцестояния (22 декабря) в северном полушарии приток прямой солнечной радиации к поверхности Земли на экваторе составляет 0,164 кал/см² в мин., а на Северном полюсе практически равен нулю (0,001 кал/см в мин.), в день летнего солнцестояния (21 июня) соответственно — 0,144 и 0,133 кал/см в мин. Экватор и два тропических пояса получают большую часть солнечной энергии и представляют собой источники тепла, а высокоширотные ледяные шапки в северном и южном полушариях, наоборот, стоки тепла. Эти контрасты и определяют междуширотный теплообмен. Как следует из приведенных выше цифр, температура в зоне источника тепла в течение года изменяется мало, а в зонах стока — очень резко от зимы к лету, и наоборот. Особенно интенсивная отдача энергии в областях стока происходит в период полярной ночи. Это приводит к сильному выхолаживанию полярной атмосферы, увеличению разности температур экватор — полюс и, как следствие, к наиболее заметной динамике процессов в этих широтах.

Если бы Земля была однородной и неподвижной, то разность температур экватор — полюс определяла бы самую простую модель циркуляции атмосферы: лишнее тепло от экватора переносилось бы воздушными потоками к полюсам наверху и от полюсов к экватору у поверхности земли. В атмосфере существовало бы одно кольцо циркуляции с меридиональным направлением переноса тепла. Но наша Земля, во-первых, вращается, а во-вторых, имеет океаны и материки, т. е. поверхности с разными свойствами аккумуляции и отдачи тепла. Именно это определяет возникновение разностей температур океан — континент. По мнению ученых, при существующей скорости вращения Земли роль разностей температур экватор — полюс и океан — континент оказывается равнозначной в механизме общей циркуляции атмосферы и формировании климатов.

Вращение Земли усложняет простую схему циркуляции, расчленяя ее у поверхности планеты на три циркуляционные зоны с преобладанием восточной циркуляции (пассатной) в тропиках, западной — в умеренных широтах и восточной — в высоких. Только по одной этой причине, как видно, продвижение воздуха к полюсам приобретает более сложные формы. Воздействие океанов и материков, выступающих попеременно в роли источников и стоков тепла в зависимости от сезона года, еще более усложняет процесс переноса тепла и влаги из теплых областей в холодные.

В умеренных широтах, где в нижней тропосфере преобладают западные ветры, теплообмен осуществляется гигантскими вихрями-циклонами (области пониженного давления) и антициклонами (области повышенного давления). Они возникают при сближении воздушных масс: теплых, двигающихся из южных широт, и холодных — из северных. Зоны столкновения контрастных потоков воздуха называются фронтами. Крупномасштабные атмосферные вихри-циклоны могут достигать в диаметре 2–3 тыс. км, а скорость перемещения — до 30–50 км/час. Умеренные широты с их гигантскими вихрями представляют как бы арену непрерывной борьбы двух сил — холодных масс, рожденных в полярных районах, и теплых — в тропических широтах. Это взаимодействие выражается в крайней неустойчивости географического положения фронтов.

При такой схематизации крупномасштабных атмосферных процессов выделяются два их типа: зональный и меридиональный. Первый характеризуется разобщением полярных (холодных) и тропических (теплых) областей зоной переноса воздуха с запада на восток и более широтным положением фронтальных разделов. В этом же направлении перемещаются циклоны и антициклоны. Равноправен и другой тип циркуляции — меридиональный. Он характеризуется сильной деформацией западного переноса в умеренных широтах, расположением фронтальных зон в более меридиональном направлении, перемещением барических образований по траекториям, близким к направлению меридиана. Такой характер переноса способствует более глубокому, чем при зональном типе, проникновению теплых масс воздуха в высокие широты и холодных — в низкие.

Сам характер крупномасштабного переноса тепла показывает, что и необычные погодные условия, и резкая их смена, как и вся история климата, неразрывно связаны с развитием общей циркуляции атмосферы. Однако к такой оценке роли атмосферной циркуляции пришли много позднее, а вначале стояла задача найти методы характеристики и систематизации циркуляционных процессов в северном полушарии.