Главные факторы, влияющие на сезонное распределение температуры

Солнечная радиация, этот основной источник атмосферного тепла и движения, проникая в атмосферу, по-разному воздействует на нижние и верхние слои.

Для коротковолновой солнечной радиации воздух в тропосфере является почти прозрачным. Достигают земной поверхности и поглощаются ею волны длиной 0,3 мкм и более. Нагреваясь, земная поверхность излучает в атмосферу длинноволновую радиацию, которая поглощается водяным паром (Н₂О), двуокисью углерода (СО₂), твердыми примесями, содержащимися в воздухе, и др.

Главные полосы поглощения водяным паром 5,5—7 мкм и более 18 мкм, а С0₂ — 4,4 и 14,7 мкм. Особенно много лучистой энергии поглощают и рассеивают облака. Рассеянная облаками радиация частично поступает на поверхность земли. Поэтому в районах земного шара, где в течение года облакообразование происходит часто, величина рассеянной радиации больше, чем в районах с преимущественно ясной погодой.

Оставляя в стороне вопросы, связанные с фактическим притоком тепла в различных частях земного шара, отметим, что в экваториальной зоне и вообще в низких широтах количество тепла, поступающего на единицу поверхности земли в течение года, значительно превосходит количество тепла, поступающего в высокие широты.

Весьма важную роль в передаче тепла от земной поверхности в атмосферу играет конвективный и турбулентный теплообмен. Тепло поступает в атмосферу также и во время конденсации водяного пара при облакообразовании и сублимации. Перераспределение тепла между различными широтными зонами происходит адвективно.

Турбулентный обмен по вертикали приводит к соответствую-, щему перемешиванию масс воздуха и обусловливает уменьшение вертикального градиента температуры. Так как величина нагрева земной поверхности в среднем уменьшается от тропиков к полюсам, то и горизонтальный градиент температуры в тропосфере имеет то же направление.

Поскольку высотное поле давления зависит главным образом от поля температуры, то на вращающемся земном шаре имеет место западный перенос воздуха, обусловленный неодинаковым притоком солнечной энергии к экватору и полюсам.

Перемещения воздушных масс сопровождаются изменением их термических и других свойств, т. е. процессом трансформации. Значительные междуширотные перемещения воздушных масс являются существенной чертой общей циркуляции. Однако на циркуляцию атмосферы большое влияние оказывает трансформация масс воздуха не только при междуширотном, но и при западном переносе их над подстилающей поверхностью с резко различными свойствами, т. е. над материками и океанами.

Трансформация этого рода весьма существенно влияет на формирование среднего температурного поля тропосферы, а соответственно и высотного барического поля. Поэтому основные черты реальной сезонной циркуляции в зависимости от трансформации зонально движущихся масс воздуха вызваны распределением материков и океанов.

Развивающаяся метеорология уже позволяет изучать процессы поступления тепла в атмосферу и находить температуру воздуха, отправляясь от таких физических констант, как солнечная постоянная, коэффициент поглощения атмосферы, турбулентное перемешивание и т. п. Однако вследствие сложности проблемы до сих пор имеются только некоторые попытки применения теории поглощения и рассеяния лучистой энергии для исследования общей циркуляции атмосферы.

Меридиональный воздухообмен происходит посредством цикло- и антициклонической деятельности. Здесь дело не только в вихревом характере движения, при котором в передней его части происходит адвекция тепла с юга на север, а в тыловой — адвекция холода с севера на юг. В системе антициклона осуществляется обратный перенос. Не менее важно, что в северном полушарии подвижные циклоны имеют в среднем составляющую движения к северу, а антициклоны — к югу. При этом движение циклонов сопровождается адвекцией тепла к северу, а движение антициклонов—адвекцией холода к югу.

Движение барических образований в южном полушарии аналогично движению их в северном полушарии и также сопровождается выносом теплого воздуха в высокие широты и холодного — в умеренные и низкие широты, хотя в соответствии с условиями подстилающей поверхности процесс меридионального воздухообмена здесь происходит интенсивно, но ограничен главным образом средними широтами.

Если бы в атмосфере не возникали различные вихри и не происходил макротурбулентный обмен, то на земном шаре было бы иное распределение температуры, чем наблюдающееся в действительности. Горизонтальный макротурбулентный обмен понижает температуру воздуха в экваториальной зоне и вообще в низких широтах и повышает температуру в высоких широтах.

Эффект макротурбулентного обмена больше всего сказывается в высоких широтах. Величина горизонтального макротурбулентного эффекта больше зимой, чем летом, поскольку в холодное полугодие приток солнечной радиации в средних и высоких широтах значительно меньше, чем в теплое полугодие.

Известно, что в зоне между экватором и 39° северной и южной широты радиационный баланс в течение всего года положителен, а к северу и к югу от указанной зоны в холодное время года он отрицателен. Баланс тепла между низкими и высокими широтами устанавливается междуширотным обменом в атмосфере и гидросфере.

Величины разности между вычисленными значениями средних широтных температур для условий лучистого равновесия и фактическими температурами для тех же широт в северном полушарии (табл. 1) указывают на интенсивность происходящего перераспределения тепла под влиянием макротурбулентного воздухообмена.

Путем макротурбулентного обмена высокие широты получают дополнительное количество тепла из тропиков, а низкие широты, наоборот, охлаждаются за счет притока более холодных масс воздуха из средних широт. Например, уже на 40° N фактическая средняя температура воздуха выше на 6°С, а на широтах 70—80° — на 23° С, чем должна быть по условиям притока солнечной энергии (вместо —32, —41° она равна —9, —18°). Наоборот, в экваториальной зоне температура на 13° ниже, чем по условиям притока солнечной радиации (вместо 39° она равна лишь 26°С).

В формировании поля температуры воздуха важную роль играют морские течения. В. В. Шулейкин впервые вычислил количество тепла, переносимого через Атлантическое побережье Европы, и показал, какое огромное влияние оно оказывает на тепловой баланс северных морей, омывающих СССР.

Позднее X. П. Погосян на основе данных аэрологических наблюдений установил, что прогретые и увлажненные массы воздуха в тропосфере, распространяясь на сушу со стороны Атлантического океана, отепляют не только всю Европу, но и оказывают определенное влияние на значительную часть Северной Азии, до берегов р. Лены.

При этом тепло переносится с запада не только по суше, но и по северным морям. Нередки зимой случаи, когда сильные морозы сменяются оттепелью. Влияние, которое оказывают морские течения на климат Евразии, количественно определено в работах.

Из рис. 6 следует, что в Атлантическом океане течениями выносится в северную Атлантику на 1 см² площади в год тепло в количестве 80—100 ккал., что почти равно количеству тепла, получаемому на ту же площадь океаном в виде суммарной радиации. В зоне холодных течений, наоборот, теряется много тепла.

Рис. 6. Тепло, получаемое или теряемое поверхностными водами океанов под влиянием морских течений (ккал/см² год), по данным

В частности, в зоне между 20 и 40° N у Калифорнийского побережья на 1 см² теряется в год 60 ккал., а количество тепла, получаемое океаном в виде приходящей суммарной радиации, равно 100 ккал/см² год. Из общего количества поступающей солнечной энергии лишь около 2% превращается в кинетическую энергию движения (по М. И. Будыко).

На распределение температуры воздуха на земном шаре большое влияние оказывает подстилающая поверхность. Распределение суши по широтам (табл. 2) дает представление о различии подстилающей поверхности в северном и южном полушариях. В северном полушарии на долю материков приходится 39,3% всей поверхности, а на долю морей и океанов — 60,7%; в южном же полушарии водная поверхность занимает 80,9%, а суша—19,1% всей поверхности.

Только в экваториальной зоне обоих полушарий материки и океаны занимают приблизительно одинаковую площадь. В высоких и средних широтах различие площадей суши и моря значительно. Особенно существенно, что в южном полушарии благодаря наличию Антарктиды между 75 и 90° ю. ш. суша занимает всю площадь, а между широтами 65 и 35° ю. ш. — всего 0—9%. В то же время в северном полушарии между 75—90° с. ш. суша занимает 24—0% площади, а между 65 и 35° с. ш. — 76—42%.

Существующим распределением материков и океанов в северном и южном полушариях определяется температура воздуха в тропосфере, а следовательно, и атмосферная циркуляция.