Факторы, влияющие на глобальный климат

Земля — динамичная планета, постоянно претерпевающая изменения, вызванные внутренними и внешними силами. Потоки магмы внутри нашей планеты двигают плиты, формирующие континентальную кору, в постоянном процессе, в результате которого образуются горы и долины.Эти долины могут в конечном итоге стать озерами, морями и океанами. На поверхности самым большим фактором, влияющим на Землю, является солнечный свет. Солнце обеспечивает энергией живые организмы и управляет погодой и климатом нашей планеты, создавая температурные градиенты в атмосфере и океанах.

Атмосферная циркуляция

Солнечные лучи обеспечивают Землю как светом, так и теплом, а регионы, подвергающиеся большему воздействию, нагреваются в большей степени. Это особенно верно для тропиков, где сезонные колебания падающего солнечного света меньше. Влажный тропический воздух прогревается, становится менее плотным и поднимается вверх. Но когда воздух достигает верхних уровней атмосферы, он охлаждается. Молекулы воды конденсируются, образуя облака, и в конечном итоге выпадают в виде дождя. Теплый воздух, поднимающийся с поверхности Земли, отталкивает воздушную массу от экватора и высвобождает влагу в виде осадков по мере продвижения к полюсу (рис. 1).

Рисунок 1: Цикл испарения, конденсации и осаждения

Районы в тропиках получают больше солнечного света в течение года, что приводит к испарению воды. Влажный воздух движется от экватора, теряя при этом осадки.

Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, этот цикл испарения, конденсации и осадков перемещал бы воду и воздух вдоль оси север-юг от экватора к полюсам. Однако этого не происходит. Вращение Земли создает три пояса циркуляции (рис. 2). Воздух циркулирует из тропиков в районы примерно на 30° северной и южной широты, где воздушные массы опускаются. Этот пояс циркуляции воздуха называется ячейкой Хэдли по имени Джорджа Хэдли, впервые описавшего его (Holton 2004). Два дополнительных пояса циркуляции воздуха существуют в умеренных широтах (между 30° и 60° широты) и вблизи полюсов (между 60° и 90° широты).

Рисунок 2: Ячейки Хэдли и преобладающие ветры

Солнечное потепление тропиков приводит к атмосферной циркуляции в трех ячейках.Вращение Земли порождает силы Кориолиса, которые создают восточные пассаты ниже 30° широты и полярные восточные ветры выше 60° широты. Силы Кориолиса создают преобладающие западные ветры в средних широтах.

Опускание воздушных масс на 30˚ широты приводит к двум явлениям: оно способствует формированию засушливого климата и стимулирует циркуляцию воздуха к северу и югу от тропиков. Сухие, даже пустынные условия часто возникают на 30° северной и южной широты, потому что нисходящий сухой воздух вытягивает влагу из почвы (рис. 3). По мере того, как теплый воздух поднимается в тропиках, холодный воздух втягивается из окружающих областей, чтобы заполнить пустоту. Это создает пассаты, которые дуют в субтропических регионах. Но часть воздуха, спускающегося из ячейки Хэдли, уносится от экватора к полюсам. Эта воздушная масса создает ветры, которые характеризуют погодные условия в умеренных зонах.

Рисунок 3: Распределение засушливых земель

Сухой воздух опускается на 30° широты, вытягивая влагу из почвы и способствуя созданию засушливого климата.

Под действием вращения Земли воздух, возвращающийся к поверхности Земли, отклоняется силой Кориолиса, которая смещает поток воздуха вправо от его начальной траектории в северном полушарии и влево от его траектории в южном полушарии. Ветры, дующие к экватору, отклоняются на запад, создавая восточные пассаты (восточные ветры дуют с востока на запад). В зонах с умеренным климатом, где ветры дуют к полюсам, сила Кориолиса отклоняет их к востоку, при этом преобладающие западные ветры (дующие с запада на восток) переносят большинство погодных условий в этих регионах с умеренным климатом (рис. 2).

Океанские течения

Вращение Земли аналогичным образом влияет на океаны, создавая течения, протекающие в океанских бассейнах.Океанские течения вызываются поверхностными ветрами, вращением Земли и разницей в солености.

Пассаты несут теплые поверхностные воды тропических океанов и морей с востока на запад. Теплая вода скапливается вдоль западного побережья континентов, что создает температурный градиент на поверхности океана. В нормальных условиях западная часть Тихого океана примерно на 8°C теплее восточной части Тихого океана, и этот градиент способствует образованию облаков и осадков в Австралии, Индонезии и некоторых частях Африки. Нарушение этого температурного градиента вызывает явление, известное как Эль-Ниньо.

Движение воды от побережья Перу и Эквадора создает апвеллинг, так как холодная вода забирается снизу, заполняя пространство (рис. 4). Аналогичные условия возникают на западном побережье континентов в Атлантическом и Индийском океанах. Эти регионы являются основным источником смешения более теплых поверхностных вод и более холодных глубинных вод, которые обычно остаются отдельными. Подъем богатых питательными веществами вод способствует необычайно высокой биологической продуктивности прибрежных вод в этих районах.

Рисунок 4: Апвеллинг

По мере того как пассаты уносят теплые поверхностные воды с западного побережья континентов, холодная, богатая питательными веществами вода вытягивается на поверхность.

Точно так же, как вращение Земли создает преобладающие ветры, оно создает поверхностные течения в океанах. Под влиянием пассатов поверхностные воды вблизи экватора текут с востока на запад. Как и в атмосфере, сила Кориолиса заставляет воду отклоняться от экватора (на север в Северном полушарии, на юг в Южном полушарии). Этот эффект Кориолиса создает вращательную конвекцию в океанах, и течения обычно текут по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки в южном полушарии. Достигая полюсов, вода охлаждается и опускается.Преобладающие ветры в северных и южных широтах способствуют созданию холодных поверхностных течений, которые текут обратно к экватору вдоль западного побережья материков.

Поверхностные воды замерзают, когда достигают арктических вод Северной Атлантики. Процесс замораживания удаляет из океана молекулы воды, но не соли. Результатом является увеличение солености океанских вод. С повышением солености и понижением температуры увеличивается плотность — вода имеет наибольшую плотность при температуре 4°C — и вода опускается на дно океана. Этот процесс создает большую, медленную, глубоководную «конвейерную ленту», которая транспортирует воду по дну океана в Антарктиду, затем через Индийский, Тихий и, в конечном итоге, Атлантический океаны.

Глобальный климат

Сочетание океанической и атмосферной циркуляции влияет на глобальный климат, перераспределяя тепло и влагу. Районы, расположенные вблизи тропиков, остаются теплыми и относительно влажными в течение всего года. В регионах с умеренным климатом изменение поступления солнечной энергии вызывает сезонные изменения. В Северном полушарии, где массивы суши более сконцентрированы, эти сезоны могут сопровождаться резкими изменениями температуры. В Южном полушарии, где большие массивы суши расположены ближе к экватору и большая часть земной поверхности покрыта водой, сезонные циклы вращаются вокруг наличия и отсутствия осадков, а не значительных колебаний температуры.

Глобальные климатические модели динамичны: они постоянно меняются в зависимости от солнечной радиации, концентрации парниковых газов в атмосфере и других факторов, влияющих на климат. Среди наиболее предсказуемых из этих изменений циклические изменения солнечной радиации, достигающей полюсов. Эти циклы, впервые описанные Милютиным Миланковичем (1941), включают орбиту Земли, наклон и прецессию равноденствий.

Эллиптическая орбита Земли вокруг Солнца смещается под действием гравитационного притяжения других планет в нашей Солнечной системе.За 100 000-летний цикл орбита смещается с почти круглой на вытянутую, оттягивая планету дальше от источника энергии (рис. 5А). Наклон Земли относительно ее орбиты изменяется в 41000-летнем цикле от 21,5° до 24,5°; сейчас мы находимся в середине этого цикла с наклоном 23,5° (рис. 5В). Наконец, ось (ориентация север-юг) Земли со временем колеблется. Эта 23 000-летняя прецессия равноденствий изменяет ориентацию планеты относительно ее положения на орбите (рис. 5С). Когда все три цикла Миланковича усиливают друг друга, они изменяют поступление солнечной энергии и влияют на модели циркуляции океана и атмосферы. Это может привести к регулярным периодам похолодания и оледенения.

Рисунок 5: Циклы Миланковича

(A) Высокий эксцентриситет орбиты Земли уносит ее дальше от Солнца. (B) Степень наклона Земли относительно плоскости ее орбиты изменяет степень потепления в полярных регионах. (C) Прецессия равноденствий происходит, когда Земля качается вокруг своей оси. Все три цикла могут влиять на периоды потепления и похолодания, изменяя количество солнечной радиации, достигающей Земли.

Периоды похолодания могут усиливаться за счет альбедо; наличие снега и льда отражает падающий солнечный свет и тепло, что еще больше охлаждает планету. Таким образом, ледники и полярные ледяные шапки продолжают расти в периоды, когда мало падающего солнечного света. По мере того как все больше воды запирается в виде льда, уровень поверхности океанов падает, что может изменить характер океанической циркуляции. Кроме того, движение континентальных массивов суши в результате процессов тектоники плит может привести к смещению потока воды, изменению океанских течений и моделей циркуляции.

Поскольку прецессия и наклон Земли увеличивают воздействие солнечного света на полюса, могут происходить события быстрого таяния.Освободившись от тисков льда, почвы оттаивают, а ранее замороженная растительность разлагается, высвобождая в атмосферу углекислый газ и метан — два известных парниковых газа. Увеличение содержания углекислого газа и метана в атмосфере способствует дальнейшему нагреву Земли, и считается, что эти газы способствовали историческим событиям быстрого потепления.

0 0 голоса

Рейтинг статьи