Формула климата

Формула климата

Что нагревает и что охлаждает климат на планете Земля

Солнце в небе, вода и растительность на нашей планете являются тремя основными факторами, определяющими климат на Земле. Еще важна транспортная функция атмосферного воздуха и океанских вод. Всем остальным вполне можно пренебречь, поскольку его влияние на глобальный климат пренебрежимо мало.

Лёд и пламень

Количество солнечной энергии, попадающей на планету Земля, является величиной постоянной, эта физическая величина так и называется - "Солнечная постоянная". Как и подобает величине постоянной, солнечное излучение не может приводить к изменениям климата, поскольку оно в обозримых временных пределах существенным образом не изменяется.

Значительная часть солнечной энергии отражается обратно в космос парниковыми газами, содержащимися в атмосфере. Да-да! Именно теми самыми парниковыми газами о вреде которых для климата Земли мы часто слышим от адептов антропогенной концепции глобального потепления.

Спектр излучения Солнца, достигающего поверхности Земли на уровне мирового океана
Фигура 1. Спектр излучения Солнца, достигающего поверхности Земли на уровне мирового океана

На диаграмме красным цветом выделена спектральная интенсивность излучения Солнца на поверхности Земли и мирового океана. Как видим, интенсивность излучения снижена во всем диапазоне частот. Кроме того в инфракрасном участке спектра образовались разрывы непрерывности (провалы) интенсивности излучения. Синим цветом написаны формулы парниковых газов, которые отразили всю или почти всю солнечную энергию в этих участках спектра.

А достигшая поверхности Земли энергия Солнца подвергается дальнейшим преобразованиям:

  • часть энергии отражается от элементов земной поверхности: снега и льда, покрывающих сушу и океан, растительности, грунтов, воды и возвращается обратно в космос;

  • часть энергии утилизируется на Земле путем фотосинтеза и других эндотермических процессов - среди них основные - таяние снега и льда, а также испарение воды;

  • остальная энергия освещает и нагревает нашу планету в дневное время суток, а в ночное время значительная часть накопленной за день тепловой энергии конвекционными потоками воздуха поднимается в верхние слои атмосферы и там растворяется в космосе.

Таким образом, есть три переменные, которые оказывают определяющее влияние на климат Земли - это отражение солнечной энергии, её утилизация и остаточное нагревание нашей планеты.

И, обратите внимание, что все три переменные имеют совершенно земную природу, то есть являются свойствами нашей планеты.

Второе важное следствие состоит в том, что излучение Солнца не может охлаждать нашу планету. Оно может только постоянно нагревать её в большей или меньшей степени (вспомним о "солнечной постоянной").

Всё имеет свое место

Итак, мы видим, что все процессы, способные изменять климат на Земле, имеют внутреннее - планетарное - происхождение. Во всяком случае до тех пор пока не изменится "Солнечная постоянная".

Но в отличие от космического вакуума, наша планета представляет собой совокупность плотных сред - атмосфера, земная кора, океаны. В свою очередь твердь земная может быть покрыта льдом, песками или растительностью. Поверхность океана тоже может покрываться льдами.

Распределение Солнечной энергии, поступающей к Земле
Image: NASA illustration by Robert Simmon
Фигура 2. Распределение Солнечной энергии, поступающей к Земле

Из 340 ватт на квадратный метр солнечной энергии, которая падает на Землю, 29% отражается обратно в космос, главным образом, облаками, но также и другими яркими поверхностями и самой атмосферой. Около 23% поступающей энергии поглощается в атмосфере атмосферными газами, пылью и другими частицами. Оставшиеся 48% поглощаются на поверхности.

За исключением атмосферы (кроме парниковых газов и пыли), поверхность Земли не прозрачна для электромагнитных волн солнечного излучения. Сталкиваясь с поверхностью Земли, электромагнитные волны частично ею отражаются, частично утилизируются (фотосинтез, таяние, испарение и прочие эндотермические процессы), а остальные преобразуются в другие виды энергии, в результате чего выделяется тепло и возникает новый параметр - температура земных сред.

Вот только с этого места мы можем начать говорить о климате, когда электромагнитные волны преобразовались в тепло и возник теплооборот - основополагающее понятие для климата.

Рождение климата

Исходя из сказанного, формула климата может иметь примерно такой вид:

E(климата) = E(Солнца) - E(отражения) - E(утилизации)

Здесь:

  • E(климата) - часть энергии, которая формирует климат;

  • E(Солнца) - энергия, поступающая к Земле от Солнца;

  • E(отражения) - часть солнечной энергии, которая отражается атмосферой и поверхностью Земли;

  • E(утилизации) - часть солнечной энергии, которая утилизируется на поверхности Земли.

Энергия Солнца, "работающая" на изменение климата, это та часть энергии Солнца, которую Земля не может отразить или утилизировать (использовать). Эта часть энергии увеличивает температуру (нагревает) поверхность планеты и её атмосферу в большей или меньшей степени, но ни когда не охлаждает.

В отличие от солнечной радиации, которая является величиной постоянной и, более того, имеет всегда только положительное значение (пока светит Солнце), температура на Земле может быть как величиной положительной, так и величиной отрицательной. Это подразделение температур на "плюс" и "минус" - вещь очень условная, но в шкале Цельсия, где за "ноль" принята температура таяния льда, содержится важная климатическая логика.

Ледяная логика климата

Лёд и снег - твердая вода - отражают до 90% попадающей на них солнечной энергии. В то время, как жидкая вода (поверхности морей и океанов) отражают только 9% энергии Солнца.

Таким образом, переход воды из твердого в жидкое состояние и наоборот, оказывает очень сильное влияние на климат планеты. Более того, лёд и снег являются хранилищем (аккумулятором) холода на планете, а жидкая вода, поглощающая до 90% попадающей на неё солнечной энергии является аккумулятором тепла.

Чем больше льда и снега на планете (твердой воды), тем холоднее климат за счет того, что лед и снег отражают и утилизируют в процессе таяния значительную часть попадающей на них солнечной энергии. Затем холод льда разносится потоками ветра и воды по всей планете, участвуя таким образом в формировании глобального климата.

График изменения средней годовой температуры на планете за последние 500 миллионов лет
Image: wikipedia
Фигура 3. График изменения средней годовой температуры на планете за последние 500 миллионов лет

На этом графике показана реконструкция изменений среднегодовой температуры на планете в сравнении со среднегодовой температурой 1960-1990 годов, которая здесь принята за ноль (черная линия). На оси времени древние периоды показаны в миллионах лет. Последний миллион лет разбит на тысячелетия.

Так будет до тех пор, пока на планете существует лёд. Если весь лёд растает, Земля будет охлаждаться только меридиональными океанскими течениями и конвекционными потоками в атмосфере. Со временем сложится новое стабильное энергетическое состояние планеты, подобное эпохе Миоцена, а возможно и Эоцена.

Автор: Сергей Просветов

Просмотров всего: 1289 Просмотров сегодня: 12