Які закономірності розподілу температури повітря на Землі, і від чого це залежить

Клімат — це багаторічний режим погоди, характерний для даної місцевості. Можна говорити про клімат всієї Землі в цілому, якщо в Петербурзі холодно, а в Сочі жарко; в Індії повені, а в Цукрі посухи? Проте, насправді, все залежить від того, яке значення ми надаємо тих чи інших відмінностей. Адже, строго кажучи, навіть у двох сусідніх районах Петербурга температура повітря різна. Однак це не заважає нам говорити, що Петербург — місто холодний, а Сочі – теплий. Спробуємо розібратися, які існують причини різниці температур повітря на Землі.

Ясно, що невеликі відмінності температур в межах міста не мають ніякого значення порівняно з відмінностями між середньою температурою міст з різних кліматичних зон. Точно так, говорячи про Землі в цілому, ми можемо знехтувати відмінностями між її районами в порівнянні з більш значними відмінностями між цією та іншими планетами Сонячної системи. Тому цілком розумно говорити про глобальному кліматі земної кулі і його характеристики: температурі, сумарній кількості опадів, тиску і т. д.

Які закономірності розподілу температури повітря на Землі?

Існує загальний, і притому єдиний, джерело енергії для всієї Землі — Сонце. Зауважимо, що ще відносно недавно, в кінці минулого століття, наука дотримувалася інших уявлень. Вважалося, що для Землі дуже важливим джерелом тепла є її надра, і що однієї сонячної енергії недостатньо для підтримки температури, сприятливого для життя.

Які закономірності розподілу температури повітря на Землі, насправді? Коли вчені навчилися кількісно визначати потоки енергії на нашій планеті, з’ясувалося, що потік тепла із земних надр становить всього кілька десятитисячних часткою від прийдешньої сонячної енергії і ніякого значущого впливу на формування клімату планети він не надає. Єдиним значущим джерелом енергії для неї є сонячне випромінювання, у зв’язку з чим розумно спочатку говорити про клімат Землі в цілому, а вже потім розглядати окремі її райони як приватні випадки.

Важливі характеристики

Як же формується глобальний клімат? Перш ніж перейти до розмови про це, слід зазначити, що мається на увазі тільки багаторічний режим температури і опадів. Відомо, що клімат характеризується не тільки цими двома величинами. Існує багато інших: атмосферний тиск, напрямок і швидкість вітру і т. д.

Серйозне екологічне значення мають лише ті характеристики клімату, які справляють істотний вплив на живі організми: в першу чергу рослини, як постачальники основного кількості біомаси. Для них найбільш важливими є температура, опади і хмарність.

Роль атмосфери в розподілі температури повітря на Землі також не можна применшувати. Вирішальне значення має її складу. Інші характеристики клімату важливі з точки зору геофізики, але, кажучи про екологію, ними можна знехтувати.

Залежність від Сонця

Отже, які ж фізичні процеси визначають температуру поверхні Землі і приземного шару повітря? Які з них є основними? Нарешті, які закономірності розподілу температури повітря на Землі?

Перш за все ясно, що температура залежить від сумарного приходу тепла від Сонця. Через площадку, перпендикулярну променів і знаходиться на середньому відстані до Землі, проходить потік енергії потужністю 1,37 Квт/м2. Ця величина називається сонячною постійною. Яка ж кількість енергії приходить за секунду до всього земній кулі? Очевидно, що вона дорівнює добутку сонячної постійної на площу земної диска.

Однак не вся ця енергія поглинається землею. Частина її відображається від поверхні назад у космічний простір. Така енергія називається альбедо. Його величина залежить як від характеру випромінювання, так і від властивостей самої поверхні і може приймати значення в межах від 0 (для абсолютно чорного тіла, що поглинає всю падаючу на нього енергію) до 1 (для абсолютно білого, яке відображає всі).

Відображення і поглинання сонячної енергії

Середнє альбедо всієї Землі в цілому повинно залежати від того, яка частина її поверхні зайнята водою, снігом, льодом, лісами, полями, пустелями і т. д. Іншими словами, воно залежить від структури земної поверхні. На щастя, апаратура, встановлена на штучних супутниках, дозволяє безпосередньо вимірювати середнє альбедо планети, не вдаючись у громіздкі обчислення. Воно виявляється рівним 0,30. Це означає, що приблизно 30 % надходить до Землі сонячної енергії відбивається від неї назад у космос, а 70 % поглинається і йде на нагрівання поверхні.

Зауважимо принагідно, що більша частина сонячної енергії відбивається від верхньої межі хмар, що мають альбедо близьке до 100 %. Той, хто літав на літаку, знає, якими сліпуче білими виглядають хмари зверху. Тому середнє альбедо планети істотно залежить від того, яка частина її вкрита хмарністю.

Теплове випромінювання

Оскільки сонячне випромінювання надходить до Землі постійно, стає ясно, що існує якийсь відвід енергії від неї (інакше температура планети постійно збільшувалася б і притому дуже швидко). Такий відвід дійсно є і здійснюється за допомогою її власного теплового випромінювання.

Оскільки температура поверхні планети набагато нижче сонячної, її теплове випромінювання відбувається в інфрачервоному діапазоні, не помітний для очей. Загальна кількість енергії, яка випромінюється з поверхні Землі в одиницю часу, визначається пропорційно четвертого ступеня її абсолютної температури. Очевидно, що сумарне випромінювання всієї нашої планети буде дорівнювати цій величині, помноженої на площу земної сфери.

Враховуючи те, які закономірності розподілу температури повітря на Землі, можна зробити висновок, що глобальний клімат планети досить стабільний. Це можливо лише за умови, що потік поглиненої землею сонячної радіації дорівнює тепловому випромінюванню самої планети. Так виходить найпростіша модель глобального клімату планети. Звідси можна отримати значення так званої радіаційно-рівноважної температури (-18 °С). Такий б вона була, якби біля поверхні Землі не було атмосфери. Звідки береться різниця між температурою і реальною? Вся справа в особливостях взаємодії газів атмосфери з випромінюваннями. Це саме те, від чого залежить температура повітря на Землі.