В средних широтах образуются вторичные фронты. И главные, и вторичные фронты переносят не только тепло, но и импульсы, вследствие чего у верхней границы тропосферы образуется мощный западный поток – так называемое струйное течение, которое становится неустойчивым. Вместо постоянного вертикального вихря формируются горизонтальные, крайне непостоянные вихри до нескольких тысяч километров в диаметре. Это и есть наши постоянные спутники – ураганы. Эти вихри переносят тепло в сторону полюсов как в скрытой, так и в ощутимой для человека форме. По ходу движения от Земли исходит длинноволновое излучение в космос. В начале пути коротковолновое излучение сильнее, чем длинноволновое, но по мере продвижения в сторону того или иного полюса коротковолновое излучение уменьшается, и в результате мы получаем отрицательный энергетический баланс. Система теряет больше энергии, чем получает. Этот разрыв компенсируется переносом энергии ветрами (или океаническими течениями). Таким образом, возникновение ветров обусловлено разностью между получаемой и выделяемой атмосферной энергией («чистая прибыль» в тропических широтах; «чистый расход» в полярных широтах). Подобно тому, как приводится в действие кривошипно-шатунный механизм в паровозе, так и здесь движение ветра возникает за счет термического равновесия между паровым котлом и радиатором.
В целом циркуляция в Южном полушарии аналогична циркуляции в Северном полушарии, однако вследствие нахождения в Северном полушарии больших континентальных массивов там наблюдается неравномерное потепление в направлении с запада на восток. Летом суша нагревается быстрее, чем океан, а зимой океан остывает медленнее. Это неравновесие проявляется в возникновении муссонов в тропических зонах, а также в устойчивых метеорологических различиях между восточной и западной частью Северного полушария. Кроме того, разделению климатической структуры на восточную и западную способствуют крупные горные массивы в Северном полушарии – Гималаи, Скалистые горы и горы Гренландии. Европейские горы, включая Альпы, имеют лишь региональное значение.
В Южном полушарии нет ярко выраженной асимметрии между востоком и западом. Здесь мы видим описанную выше структуру неустойчивых струйных течений с характерными для них штормами. Из-за того, что штормы в средних широтах Южного полушария (40°–50° юж. широты) случаются круглый год, это пространство получило название «ревущие сороковые». Если мы посмотрим на усредненное по времени распределение давления на земную поверхность, то мы увидим там только концентрические, параллельные плоскости географических параллелей изобары. Однако если посмотреть на ежедневную синоптическую карту, то можно увидеть, что на протяжении суток течение отнюдь не равномерное. В умеренных широтах над Южным (Антарктическим) океаном почти всегда имеют место от четырех до семи штормов. Поскольку шторма происходят во всей зоне умеренных широт, усреднив эти данные по времени, мы получаем равномерное распределение по Южному полушарию.
Океаническая циркуляция приводится в действие двумя механизмами: ветром над поверхностью океана и понижением температуры в субполярных широтах вследствие охлаждения морской воды и образования морских льдов. Циркуляция течений в верхнем океане возникает главным образом под влиянием ветра, который также является причиной (мерзлотного) вспучивания земной поверхности на побережье, в частности, на западном побережье Южной и Северной Америки, а также Гольфстрима и его «двойника» в северной части Тихого океана у японских островов – Куросио[1 - Физическое объяснение циркуляции океанических течений в удивительно доступной (в том числе и для неспециалистов) форме изложено в книге океанографа Генри Штоммеля: Stommel H. A. View of the Sea: A Discussion between a Chief Engineer and an Oceanographer about the Machinery of the Ocean Circulation. 1991. Штоммель облек свое объяснение в форму дискуссии между океанографом и корабельным инженером, плывущими на одном исследовательском судне.].
Циркуляция «глубинных вод океана», т. е. океанических течений на глубине нескольких тысяч метров, имеет «термо-галинную» природу, т. е. вызвана разной плотностью на разных уровнях. По сути это те же процессы, что и в атмосфере, только вместо нагревания снизу (в тропиках) происходит охлаждение сверху (на поверхности субполярных океанов). Это охлаждение утяжеляет воду («термический эффект»). Тот же эффект имеет образование морского льда, поскольку в нем не содержится морской соли, которая остается в жидкой воде. В результате в жидкой воде повышается концентрация соли, и она становится более тяжелой («галинный эффект»). Когда поверхностные воды утяжеляются, вертикальная стратификация становится неустойчивой, и начинается конвекция. Поверхностные воды переносятся в глубину. В современных климатических условиях этот процесс происходит в северной Атлантике и в Южном океане у границ Антарктики. На глубине в этом случае происходят компенсаторные перемещения от областей понижения, и в других регионах, например, в Тихом океане, уровень воды поднимается.
Термо-галинная циркуляция происходит намного медленнее, чем циркуляция под воздействием ветров. Для состояния океанической поверхности она не имеет большого значения, однако она определяет состояние глубинных вод океана, а, следовательно, в долгосрочной перспективе, также климат на его поверхности. На самом деле нынешнее холодное состояние глубинных слоев океана (вблизи океанического дна температура воды приближается к точке замерзания) отнюдь не единственно возможное. Как в 1907 году доказал американец Томас Кальм Чемберлен (1843–1928), в ранние периоды истории Земли глубинные воды океана были теплыми[1 - Ср., например: van Andel T. New views on an old planet. A history of global climate. Cambridge University Press, 1994. P. 439 и далее.]. Для того чтобы океанические воды прошли полный цикл глобальной термо-галинной циркуляции, им требуется от одной до двух тысяч лет. Вода, которая сейчас находится у дна Атлантического океана, начала свой путь с поверхности на глубину во времена викингов. Медленное погружение воды на глубину океана можно очень хорошо проследить по перемещению радиоактивного углерода (С14).
В климатических процессах океан – это не пассивный компонент, реагирующий на происходящее в атмосфере. Он сам тоже сильно влияет на атмосферу, определяя температуру в ее нижних слоях, а кроме того, являясь важнейшим источником водяных испарений. Вы только представьте: океан занимает 71% всей поверхности земли! Попадающий в атмосферу пар влияет на ее радиоактивность, а, следовательно, и на количество энергии, которую атмосфера получает от Солнца и которую она отражает в космос. Там, где водяные испарения конденсируются, т. е. превращаются обратно в воду, высвобождается термическая энергия. В этой связи применительно к пару говорят о скрытой энергии, так как сначала она никак не проявляется, а становится ощутимой только при переходе из газообразного состояния в жидкое. Конденсированный пар выпадает на землю в виде дождя или снега, проникает в почву и по рекам снова возвращается в море: круговорот замыкается.
Криосфера включает в себя ледниковые и снежные покровы Земли, которые в климатическом механизме выполняют две функции. Во-первых, они изолируют океан и поверхность земли от атмосферы, существенно ограничивая тепло- и влагообмен. Во-вторых, ледяные и снежные покровы имеют гораздо более высокий альбедо, чем другие поверхности – океан, пустыня или области с растительным покровом. Альбедо – это относительная доля отражаемого солнечного излучения. У свежевыпавшего снега альбедо достигает 95%, тогда как на морской поверхности этот показатель может не доходить до 10%.
Итак, атмосфера Земли – то, что в обыденной речи мы называем воздухом – не является изолированной физической системой, а состоит в разнообразных причинно-следственных связях с другими сферами Земли.
Как мы уже упоминали, динамика климата порождает отклонения в любых временных шкалах. Динамический механизм этого процесса отличается от других явлений. Если абстрагироваться от уже упомянутых внешних циклов суточного и годового хода, то окажется, что эта изменчивость в значительной степени обусловлена внутренними процессами. Ключевыми словами здесь являются «нелинейность», которая может мгновенно превратить ничтожно малое нарушение в большое последствие, и «бесконечное множество взаимосвязанных факторов». Первое явление известно как «эффект бабочки»: взмах крыльев бабочки можно кардинальным образом изменить ход развития системы. Второй эффект можно наглядно представить в виде существования несчетного множества бабочек, которые беспрерывно взмахивают крыльями, так что результат их действий невозможно отличить от случайного процесса. Динамика климатической системы трансформирует эту кажущуюся случайность в упорядоченную крупномасштабную структуру вариаций.
К обусловленным внешними причинами колебаниям в климатической системе относятся океанические и атмосферные приливы и отливы, а также колебания солнечного излучения, изменения оптических характеристик стратосферы вследствие извержения вулканов, изменения параметров земной орбиты, положение и топография континентов. Влияние приливов проявляется очень быстро, воздействие вулканов ограничивается одним-двумя годами. Масштаб воздействия солнечной активности пока до конца не изучен. Два других процесса охватывают период от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет.
В завершение мы хотели бы указать на взаимосвязь глобального и регионального или локального климата[1 - См. также: von Storch H. The global and regional climate system // von Storch H., Fl?ser G. Anthropogenic Climate Change. Springer Verlag, 1999. P. 3–36.]. В классической географической традиции знания о глобальном климате выводятся из знаний о совокупности региональных климатов. Однако с естественнонаучной точки зрения это отождествление неверно. Как мы видели, различные режимы излучения в высоких и низких широтах определяют общую структуру атмосферной (и океанической) циркуляции, включая тропические ячейки Хэдли, зоны западных ветров и штормовые зоны в средних широтах, где климатические процессы трансформируются под воздействием больших горных массивов и общего соотношения моря и суши. Чтобы показать, что в реальности значение имеют только действительно самые крупные структуры, заметим, что, например, исчезновение австралийского континента не привело бы к изменению глобального климата – по крайней мере, в математической модели, но, разумеется, повлияло бы на климат Австралии. Эта глобальная структура и есть «глобальный» климат, который практически не зависит от региональных данностей. Региональный климат, в свою очередь, можно трактовать как глобальный климат, видоизмененный под воздействием региональных условий, т. е. специфического типа земной поверхности (пустыня, тропический лес, степь), региональных горных массивов (Альпы), морей (Средиземное море) и крупных озер (Каспийское море). Локальные климаты формируются на основе регионального климата в результате адаптации к местным (локальным) особенностям, таким как крупные города, небольшие озера (Боденское озеро) или горы (Гарц). Правильность такой «каскадной трактовки» климата подтверждена успешностью климатических моделей (см. также: von Storch et al., 1999). Такие модели всегда «дискретизируют» процессы, располагая их на конечной координатной сетке, а не в виде континуума, как это имеет место в реальности. Это означает, что можно отобразить только те процессы, которые на пространственной (или временной) шкале по масштабу больше, чем заданное дискретизацией минимальное значение. Поэтому в таких моделях не отображены локальные климаты, из которых можно было бы вывести картину регионального климата, и региональные климаты, как правило, тоже не представлены в полном объеме. Но, несмотря на это, данные модели успешно описывают глобальный климат. Практика показывает, что в прежних моделях структуры, величина которых варьировалась в районе нескольких тысяч километров, были отображены правильно. Развитие компьютерных технологий сегодня позволяет снизить порядок моделируемых величин до нескольких сотен километров. Если бы классическое отождествление глобального климата с совокупностью региональных климатов было верным, то все попытки успешно симулировать глобальный климат при помощи климатических моделей были бы обречены на неудачу.
И, наконец, мы хотели бы кратко рассказать о естественнонаучном понимании метеорологических событий, которые играют решающую роль в повседневной жизни, т. е. поговорить о погоде.
Типичное пространственное отображение актуального состояния атмосферы – это метеорологическая карта. На таких картах обычно отмечены важнейшие переменные погоды: атмосферное давление, направление и сила ветра и температура. На них можно изобразить большие циклоны и антициклоны, простирающиеся на несколько тысяч километров. В крупномасштабные структуры включены более мелкие, такие как области дождей. Изменение отображенных на такой карте метеоусловий, в первую очередь образование, перемещение и стабилизация циклонов и антициклонов, кардинально отличается от определяемых внешними факторами суточных и годовых циклов. У метеоусловий нет четкой продолжительности цикла. Также невозможно выделить внешние факторы влияния, так что можно считать, что их возникновение обусловлено внутренними причинами. Причина переменчивости погоды в Европе заключается в динамике неустойчивого полярного фронта. Нормальная погода – это совершенно необычная ситуация. Вероятность наступления среднестатистической погоды очень мала. Средние величины маскируют высокую вариативность погодных явлений. Капризы погоды – это совершенно обычное явление. При отображении метеоусловий необходимо всегда помнить о взаимозависимости отдельных явлений. Антициклон образуется вследствие температурного градиента и его окружения, точно так же как сам температурный градиент обусловлен перепадами давления.
Господствующие в наших широтах циклоны и антициклоны можно предсказать на основании их собственной динамики только на период приблизительного цикла их существования, т. е. на несколько дней. Сложность прогнозирования растет вместе с нестабильностью макросиноптической ситуации, т. е. прежде всего там, где велико влияние полярного фронта. Для предсказания меньших образований, таких как дождевые или грозовые области, действует тот же принцип: прогноз возможен только на период их жизненного цикла.
Так что ненадежность погоды совершенно не противоречит вере в нормальное протекание климатических процессов в той или иной точке земного шара.
3.3 Климат как социальный конструкт
Климат и погода с давних пор играют важную роль в жизни человека. Об этом свидетельствует не только тот факт, что разговоры о погоде занимают огромное место в нашей повседневной жизни, что в нашем плохом самочувствии мы виним погоду или климат, что ни одно современное средство массовой информации не желает отказываться от регулярных сообщений о метеоусловиях, но и то, что изучение климата и особенно его влияния на человека и общество всегда приковывало к себе внимание науки и общественности. Размышления о влиянии климата на самочувствие и психику человека являются достоянием многих культур. Это одна из тех тем, которые легко преодолевают социальные границы.
Так, например, известный врач и антрополог Рудольф Вирхов (1821–1902), выступая более ста лет назад перед собранием ученых-натуралистов, обратил их внимание на проблему акклиматизации. При этом он исходил из того, что влияние климата на человека – очевидное для всех явление:
«Известно, что человек, покидая родину и приезжая в другую страну, в самом начале может даже почувствовать некоторую свежесть и прилив сил. Однако через какое-то время, обычно уже через несколько дней, он начинает чувствовать себя не очень хорошо, и ему могут понадобиться дни, недели, а в некоторых обстоятельствах даже месяцы для того, чтобы снова прийти в норму». Далее Вирхов замечает: «Это настолько всем и каждому известно, что мы исходим из того, что любой, кто едет в другую страну и обладает минимальной рассудительностью, принимает меры предосторожности для того, чтобы облегчить себе этот период [адаптации]».
Вирхов идет еще дальше и заявляет, что человеческие органы в период акклиматизации изменяются фактически, и это, как он утверждает, не просто внешние, поверхностные перемены. По Вирхову, процесс адаптации может вылиться в климатическую болезнь. Отсюда делается вывод, что органические изменения могут передаваться по наследству, так что и потомство будет обречено на перманентную акклиматизацию.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/chitat-onlayn/?art=70614484&lfrom=174836202&ffile=1) на Литрес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
notes
1
Понятие «Цепеллин» связано с названием университета в Фридрихсхафене, где Нико Штер занимает должность профессора (http://www.zeppelin-university.de).
1
В разделе 4.7 мы еще вернемся к этой теме и рассмотрим различные исторические случаи, когда изменение климата интерпретировалось как результат человеческих действий.
1
Концептуальное рассмотрение моделей в климатологическом исследовании см. в: M?ller P., von Storch H. Computer Modelling in Atmospheric and Oceanic Sciences – Building Knowledge. Springer Verlag Berlin–Heidelberg–New York, 2004. P. 304 и далее. На самом деле модель – это сложное понятие, которое может иметь различные значения в социальных и естественных науках. В климатологии модель – это математический конструкт, который представляет функцию всей системы через комбинацию компонентов, объясняющих совокупность всех значимых процессов, главным образом используя базовые категории, такие как масса или сохранение энергии.
1
Или, как их называют в других регионах, тайфуны или тропические циклоны.
1
Hann J. Handbuch der Klimatologie. Bd. 1. Allgemeine Klimalehre. Stuttgart, Engelhorn, 1908.
1
Описание работы этого общества см. в: Kington John A. The Societas Meteorologica Palatina: An eighteenth-century meteorological society // Weather. 1964. Nr. 29. P. 416–426; L?decke C. The monastery of Andechs as station in early meteorological observational networks // Meteorologische Zeitschrift. 1997. Nr. 6. S. 242–248.
1
См., например: Cotton W. R., Pielke R. A. Human Impacts on Weather and Climate. ASTeR Press. 1992. P. 288 и далее.
1
Разбирая этот случай, мы не собираемся спорить о том, может ли повышенная концентрация парниковых газов в атмосфере, связанная главным образом с деятельностью человека, изменить климат. Мы также не оспариваем тот факт, что эти изменения могут нанести серьезный вред экологии и что необходимо сокращение выбросов парниковых газов. Мы лишь хотим показать, что использование этих конкретных аргументов в данном случае ошибочно.
1
См. также: Pielke Jr., R. A. and C. W. Landsea, Gratz J., Collins D., Saunders M., Musulin R. Normalized Hurricane Damages in the United States: 1900–2005 // Natural Hazards Review 2008, Nr. 9. P. 29–42.
1
К этому тезису мы еще вернемся в разделе 4.4.
1
Когда был изобретен гармонический анализ, разлагающий все ряды на периодические компоненты, предпринималось множество попыток зафиксировать и обособить периодические компоненты в погоде – подобно тому, как это делается в финансовых науках и других областях. Через несколько десятилетий выяснилось, что таким образом можно разбить даже абсолютно случайные ряды данных, но что добавление всего лишь одного дополнительного показателя нарушает все построение. И если в изучении действительно периодических явлений, например, приливов и отливов, эта концепция может быть очень полезной, в контексте климата эти допущения ведут к артефактам. Тем не менее, гармонический анализ широко распространен, особенно среди невежд.
2
В принципе здесь не играет никакой роли, говорим ли мы о «подлинной» случайности в значении брошенного Господом богом жребия. Достаточно заметить, что множество нелинейных, зачастую хаотических процессов в климатической системе демонстрирует такие долговременные характеристики, что их сложно отличить от математической конструкции случайности. Следовательно, «случайность» – это удобный и эффективный инструмент, позволяющий вместить климатические колебания в одном понятии. См. также раздел 3.2.
1
Строго говоря, это верно только тогда, когда мы имеем дело с симметричным распределением.
1
История перехода от чисто дескриптивного подхода к динамичному мышлению интересно описана в книге: Friedman R. M. Appropriating the Weather. Vilhelm Bjerknes and the construction of a modern meteorology. Cornell University Press, 1989. P. 251.
1
Альбедо есть выраженное в процентах свойство поверхности, например, земли или моря, отражать коротковолновое излучение. Пустыни обладают высоким альбедо, снег – еще более высоким, тогда как у лесов показатель альбедо низкий. У поверхности, запорошенной свежевыпавшим снегом, альбедо достигает 95%, тогда как поверхность моря может иметь альбедо менее 10%.
2
На самом деле, это, конечно, упрощенное изложение, т. к. на общую картину влияют и другие процессы, например, конвективная теплопередача.
3
Ср. Arrhenius S. A. On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground. Philosophical Magazine and Journal of Science. 1896. Nr. 41. P. 237–276. В оригинале – на немецком языке.
