Сонце, земля і люди, історія і сутність глобальних природних процесів на землі в залежності від сонця і діяльності людини

Н. П. Русин, А. А. Фліт

Русин Н. П. і Фліт Л. А. Сонце на землі. М., «Радянська Росія», 1971.

Нехай не дивує Вас назва книги - «Сонце на Землі». Сонце тут треба читати з маленької літери, бо мова піде не про Сонце як про зірку і центрі сонячної системи, а про сонце - джерело тепла, що надходить на Землю, про сонце, що віддає себе природі і людям. Що являє собою сонячна радіація, які зміни викликає вона на поверхні Землі і в її атмосфері, як встановлюється теплова рівновага в природі, що робить і буде робити людина для розкриття її таємниць. Автори книги - доктор географічних наук Н. П. Русин і журналістка Л. А. Фліт.

ЗМІСТ

ПЕРЕДМОВА

ГЛАВА ПЕРША

СОНЯЧНА РАДІАЦІЯ І ТЕПЛОВОЇ БАЛАНС НАШОЇ ПЛАНЕТИ

Сонячна радіація, якою вона нам видається

Бухгалтерія сонячного тепла

Теплове рівновагу на земній поверхні

Теплове рівновагу атмосфери і Землі як планети

Розподіл тепла на Землі і циркуляція атмосфери і океану

Розділ другий

БАЛАНС ТЕПЛА, ЛЬОДОВИКИ І льодовикової епохи

біографія клімату

Клімат і льодовики

Ключ до розгадки льодовикових епох

Розділ третій

ТЕПЛОВОЇ БАЛАНС І СУЧАСНА ГЕОГРАФІЯ ПЛАНЕТИ

Виникнення теплових поясів Землі

Формула тепла і клімату

Умови зволоження на Землі

Формування природних географічних зон

Тепло, волога і річкового стоку

Тепловий баланс і рослинність

Теплове рівновагу в природі, тваринний світ і людина

Розділ четвертий

ЛЮДИНА ЗМІНЮЄ КЛІМАТ

проблема століття

Управління теплом і вологою - управління урожаєм

Штучне танення арктичних льодів і його наслідки

Післямова

Передмова

Мабуть, нелегко знайти людину, не знайому з законами збереження енергії та речовини в природі. Їх філософська і практична сутність надзвичайно проста. Ні енергія, ні речовина в природі не можуть з`явитися нізвідки і не можуть зникнути безслідно. Їх прихід завжди дорівнює витраті. Іншими словами, в природі існує баланс або рівновагу енергії і речовини. Ці закони стали тривіальними. Вони відомі кожному школяреві з перших уроків фізики. Але порівняно небагато людей замислювалися над тим, яким великим їх значення в житті Землі, в процесах і явищах, що відбуваються навколо нас і в нас самих.

Одним із проявів закону збереження енергії є теплова рівновага на Землі. Співвідношення між складовими його лежить в основі розвитку багатьох природних процесів. Вивчення балансу тепла дозволяє не тільки зрозуміти і пояснити той чи інший процес, а й визначити інтенсивність його розвитку. А це вже дає людині ключі для керування багатьма фізичними явищами на Землі. Так закон стає методом, який люди можуть використовувати не тільки для розкриття таємниць природи, а й для її перетворення за заданим людиною плану. Ось про те, як закон збереження енергій використовується для пояснення і кількісної оцінки природних процесів і про шляхи втручання в «справи» природи, і піде мова в цій книзі.

Само собою разумеется- що вона буде далеко не всеосяжної. Багато проблем нам не вдалося розібрати повніше, деякі розглянуті лише частково. Але якщо читач, прочитавши цю книгу, сам замислиться над можливостями подальшого застосування зазначеного методу для пізнання навколишнього світу або використовує його у своїй повсякденній діяльності - ми будемо вважати, що мета наша досягнута.

Сонячна радіація і тепловий баланс нашої планети

У наш синтезує століття не тільки фантасти одержимі ідеєю подорожі в часі. Привабливими ці подорожі здаються і вченим, особливо тим, які намагаються уявити собі біографію нашої планети.

Що ж найбільше вразило б людини, перенесеного в початок палеозойської ери, тобто приблизно на 500 мільйонів років тому, і стрімко повертається в наше сьогодні? Ймовірно контрасти. Втім, перші враження були б не дуже ефектними. Стародавні материки, абсолютно несхожі на те, що ми бачимо сьогодні на географічних картах, виглядають пустельними і млявими. Тільки що зародилася життя зосереджена в легенях екваторіальних морів і оголених від води ділянках узбереж, на мілководдях і в заболочених місцях. Перші примітивні рослини: водорості, хвощі, мохи та папоротеві - всього лише крихітні оази на пустельній Землі. Тисячоліття змінюються тисячоліттями. Бурхливий розвиток життя походить від кембрію до девону, тобто протягом трьох геологічних періодів, що охоплюють більше 200 мільйонів років. Первісні рослини і тварини, поступово змінюючись, заселяють Землю. Клімат сприяє цьому розселення. Від екватора до Північного полюса немає ні льодовиків, ні льодовитого океану. Навіть за Полярним колом взимку температура не опускається нижче нуля градусів. Тепло, волога і, мабуть, велика кількість вуглекислоти сприяють зростанню і розвитку рослин. Безлисті чагарники перетворюються в дерева, а потім в величезні непрохідні ліси хвощів і папоротей.

Настає новий період історії Землі - кам`яновугільний, або карбон. Триває він 50 мільйонів років.

У цей час дерева ростуть дуже швидко. За 1-2 роки вони досягають декількох десятків метрів висоти і декількох метрів в діаметрі.

Але ось клімат, мабуть, став сухішим. З`явилися предки наших тварин. І раптом ... картина різко змінилася.

Наприкінці кам`яновугільного періоду в результаті якихось катаклізмів, про які ми можемо поки тільки здогадуватися, вигляд Землі став швидко змінюватися. Піднімаються нові гори. Там, де тільки що був океан, з`являється суша. І навпаки, великі ділянки суші ховаються під водою. Вся південна половина древнього праматерика Гондвани виявляється під льодом. Льодовики покривають і сучасну Індію, займають сучасні території Індійського, південній частині Тихого і Атлантичного океанів і досягають Антарктики.

Майже все південну півкулю заковували в лід. Вільної від нього залишається тільки Антарктида. Льодовикові поля рухаються від сучасного екватора на південь широкими потоками по території Південної Африки, Індії, Аргентини та Бразилії. А в північній півкулі в цей час як і раніше тепло. Лише на території сучасної Північної Америки зустрічаються окремі льодовики. Полюса і географічний екватор займають інше положення, ніж тепер. Термічний екватор, тобто найтепліша зона на Землі, зміщений далеко на північ від сучасного екватора. Між екватором і Північним полярним колом з`являється велика суха, а місцями навіть пустельна зона. Скоро вона займає вже всю територію сучасної Європи, майже досягаючи півночі Скандинавії і Кольського півострова. Як же пояснити таку незвичайну кліматичну картину кінця палеозойської ери? Вона пов`язана, по-видимому, з іншим, ніж тепер, розташуванням материків, а отже, іншим розподілом тепла і вологи на земній кулі. Що витягнувся по широті на південь від екватора древній материк Гондвана, мабуть, перешкоджає проникненню екваторіальних вод в покриті льодом південні моря. Теплі морські течії рухаються тільки на північ - в Арктику, повертаючись звідти назад до екватора.

Створюється враження, що гігантська система водяного опалення на земній кулі зіпсувалася. Діє тільки один північний її ділянку. Може бути, саме в цьому і криється таємниця вічного літа, панував в ту епоху в північній півкулі, і вічної зими - в південному.

Більше 50 мільйонів років північну півкулю Землі вкрито гігантськими лісами. У періоди карбону і пермі на Землі накопичувалися величезні запаси органічної речовини (в тому числі і близько 40 відсотків усіх запасів кам`яного вугілля). Небувалий розвиток в цей час отримує і тваринний світ. Гігантські амфібії (стегоцефали і тероморфи), чудовиська, названі динозаврами і бронтозаврами, вага яких досягає 17-20 тонн, а денний раціон - близько 500 кг, населяють ліси і води.

Але ось нова революція в природі, і на межі між палеозойської і мезозойської ерою відбувається нова перебудова земної поверхні. Утворюється так звана Герцинськая складчастість, а разом з нею настає похолодання і заледеніння обширних ділянок тепер уже північної півкулі. Десь в цей же час, а може бути дещо раніше, відбувається і перебудова суші на Землі. Древній праматерик Гондвана, яка об`єднувала раніше Африку, Південну Америку, Австралію, Антарктиду, а можливо, і сучасну Аравію і Індію, розколюється на ряд континентальних брил. Це остови майбутніх материків. Поки вони ще повернені по-іншому, ніж в даний час, і виглядають інакше, але відцентрові сили вже розтягують їх в різні боки. Тільки Африка, яка збігається з поздовжньою віссю Гондвани, майже не змінює свого місця розташування. Вчені вважають, що почався в середині мезозою, тобто 160 млн. Років тому, знаменитий дрейф сучасних материків не закінчилася в даний час.

А разом з новою геологічною революцією відбувається і нова зміна рослинного і тваринного світу планети.

Хвощі і папороті поступаються місцем голонасінних. Ці давні предки сучасних араукарій і сосен виявляються більш пристосованими до холодного клімату. Папороті і хвощі переходять у другий ярус, стають підліском і поступово вимирають. В цей же час амфібії змінюються земноводними рептиліями, або ящерами. Їх ми вже уявляємо собі чіткіше. Останки гігантських скелетів цих тварин збереглися до наших днів. Це були холоднокровні тварини. Вони не могли жити при низьких температурах повітря. Тому треба думати, що клімат на підступах до останньої геологічної епохи - кайнозойської - в північній півкулі був ще порівняно теплий. До середини крейдяного періоду сухість його збільшується, хмарність на небі стає все менше, і земна поверхня починає знову отримувати більше сонячних променів. У рослинному і тваринному світі відбуваються нові зміни. На зміну голонасінних - хвойним приходять покритонасінні - листяні ліси. Вони з`являються як би раптом, з нізвідки і дуже швидко завойовують всю Землю. У верхньому крейдовому і третинному періоді верби, буки, дуби, платани, клени, магнолії, ліщина та інші листяні покривають гори і рівнини північної півкулі від Кавказу до Арктики. В цей же час різко змінюється і тваринний світ. Гігантські рептилії швидко вимирають, може бути, від нестачі їжі, так як листяні ліси і трави вже не можуть їх прогодувати, а найімовірніше, від наступаючих більш холодних зим. На зміну рептиліям приходять великі ссавці і птиці, корми для них в цей час більш ніж достатньо.

Останній геологічний період - четвертинний - налічує поки всього лише близько мільйона років. Але події, що відбувалися в цей час, абсолютно змінили вигляд північної півкулі. Так зване «велике заледеніння», що охопило більшу частину тепер вже північної півкулі, справила визначальний вплив на формування того ландшафту, до якого ми звикли сьогодні.

Останні тисячоліття - це вже наше життя. Розташування материків, географічні зони, рослинність - все звично, знайоме з описів та власними спостереженнями.

До речі, у геологів існує думка, що ми живемо десь на відстані двох третин від періоду максимального зледеніння північної півкулі, але далеко ще не в самому кінці цього періоду. Вчені вважають, що ми знаходимося на висхідній гілці розвитку рослинного і тваринного світу.

Який же висновок напрошується в результаті такої екскурсії з глибини століть в даний?

Мабуть, думка про те, що життя на Землі з моменту її виникнення розвивалася як би хвилями, тобто мала періоди підйомів і затуханий, досягаючи то максимального розквіту, то глибокого занепаду. Першим вченим, розпізнати близько 140 років тому ці «хвилі життя», був француз Ж. Кюв`є.

У Радянському Союзі ці питання розвивалися Д. Н. Соболєвим, а потім Б. Л. дичкових. Ось що пише Б. Л. Личков про «вільних життя» в своїй книзі «До основ сучасної теорії Землі» (1965 р):

«Кожна хвиля життя приблизно відповідає по своїй величині геологічного циклу, вона укладається в проміжках між двома сусідніми тектонічними діастрофамі. Останнім відповідають зміни в рельєфі, структурі, в гідрологічних і грунтових умовах ... »

«Хвиля життя», по Личковах, складається ніби з трьох кліматичних епох: льодовикової, помірної і сухий - ксеротермічних. У період діастрофи створюється новий рельєф земної кори, формуються нові грунту, на материках накопичуються великі запаси води. Між геологічними революціями відбувалася перебудова життя. Одні форми тварин і рослин вимирали, інші пристосовувалися до нових умов. Кожне наступне зміна клімату стимулювало розвиток нових форм життя. Наростання життя йшло як лавина, нагадуючи ланцюгову реакцію, до тих пір, поки якісь зовнішні або внутрішні сили Землі не приводили до нової геологічної катастрофи, а потім до нового зміни клімату, перебудові влагооборота на Землі, новому оновленню рослинного і тваринного світу.

Проти теорії «хвиль життя» важко заперечувати, вона представляється досить переконливою. Однак не можна пояснювати розвиток всіх найскладніших природних процесів всередині такої "хвилі" одними лише геологічними умовами. Значна, якщо не провідна, роль в цих коливаннях належала сонячної радіації.

Припустимо, що кількість радіації, що приходить до нашої планети від Сонця протягом цих 400 або 500 мільйонів років, в силу якихось причин змінювалося час від часу. Зрозуміло, що її збільшення викликало б нагрівання земної поверхні і атмосфери, отже, і підвищення температури, а зменшення, навпаки, призводило б до похолодання клімату на Землі.

Але вченим точно відомо, яка кількість сонячної радіації падає на одиницю поверхні на кордоні атмосфери. Цю величину вони називають сонячною константою. Відомо також, як змінюється випромінювання самого Сонця згодом. І всі ці дані підтверджують, що Сонце висвітлювало і гріло нашу планету протягом всієї її історії майже так само, як зараз. І так само воно буде висвітлювати і обігрівати її в майбутньому ще не один мільйон років.

Але, не дивлячись на те, що Сонце посилає до кордону нашої атмосфери постійне кількість радіації, до Землі воно приходить далеко не завжди однаково.

У період геологічних катастроф, наприклад, коли небо покривається на довгий час хмарами вулканічного пилу, сонячна радіація, що приходить до поверхні Землі, може слабшати в кілька разів. Падає температура, зростає хмарність, збільшується кількість опадів, особливо твердих, виникають льодовики. Але і не тільки в період таких катастроф надходження сонячного тепла може змінюватися. Воно залежить від того, чи покрита Земля снігом або вільна від нього, суша це чи море, ліс або поле, тобто кількість що надходить тепла залежить від характеру земної поверхні. Саме взаємодія сонячної радіації з земною поверхнею було тим фактором, який визначав в минулому і визначає тепер розвиток життя на нашій планеті.

Далі ми розповімо про це докладніше, а поки познайомимо читача з основним джерелом формування клімату на Землі - сонячною радіацією.

Сонячна радіація, якою вона нам видається

Про сонце і його енергії написані багато тисяч книг. Про нього пишуть фізики та хіміки, астрономи і астрофізики, географи і геологи, біологи й інженери. І в цьому немає нічого дивного. Адже сонце є джерелом життя для всього земного.

Сонце випаровує воду з океанів, морів, з земної поверхні. Воно перетворює цю вологу в водяні краплі, утворюючи хмари і тумани, а потім змушує її знову падати на Землю у вигляді дощу, снігу, роси або інею, створюючи, таким чином, гігантський кругообіг вологи в атмосфері.

Сонячна енергія є джерелом загальної циркуляції атмосфери і циркуляції води в океанах. Вона як би створює гігантську систему водяного і повітряного опалення нашої планети, перерозподіляючи тепло по земній поверхні.

Сонячне світло, потрапляючи на рослину, викликає у нього процес фотосинтезу, визначає ріст і розвиток рослин-потрапляючи на грунт, він перетворюється в тепло, нагріває її, формує грунтовий клімат, даючи тим самим життєву силу знаходяться в грунті насіння рослин, мікроорганізмів і населяють її живим істотам, які без цього тепла перебували в стані анабіозу (сплячки).

А хіба могли б обійтися без сонця люди і тварини? Звичайно, ні. Вони, а то й прямо, то опосередковано залежать від нього, оскільки не можуть жити без води і без їжі.

Отже, Сонце - це основне джерело енергії на Землі і, першопричина, яка створила більшість інших енергетичних ресурсів нашої планети, таких, як запаси кам`яного вугілля, нафти, газу, енергії вітру і падаючої води, електричної енергії і т. Д.

Енергія Сонця, яка в основному виділяється у вигляді променевої енергії, так велика, що її важко навіть собі уявити. Досить сказати, що на Землю надходить тільки одна двохмільярдний частка цієї енергії, але вона становить близько 2,5 1018 кал / хв. У порівнянні з цим всі інші джерела енергії, як зовнішні (випромінювання Місяця, зірок, космічні промені), так і внутрішні (внутрішнє тепло Землі, радіоактивне випромінювання, запаси кам`яного вугілля, нафти і т. Д.) Зневажливо малі.

Сонце - найближча до нас зірка, що представляє собою величезний сяючий газова куля, діаметр якого приблизно в 109 разів більше діаметру Землі, а його обсяг більше обсягу Землі приблизно в 1 млн. 300 тис. Разів. Середня щільність Сонця становить близько 0,25 від щільності нашої планети.

Оскільки Сонці не твердий, а газова куля, говорити про його розмірах слід умовно, розуміючи під ними розміри видимого з Землі сонячного диска.

Внутрішня частина Сонця недоступна спостереженню. Вона являє собою своєрідний атомний котел гігантських розмірів, де під тиском близько 100 мільярдів атмосфер відбуваються складні ядерні реакцій, під час яких водень перетворюється в гелій. Вони-то і є джерелом енергії Сонця. Температура всередині Сонця оцінюється в 16 мільйонів градусів.

Про те, що це за температура, англійський учений Д. Джині в книзі «Всесвіт навколо нас» говорить наступне: «... шпильки головка з речовини, нагрітого до температури, яка панує в центрі Сонця, випромінювала б стільки тепла, що людина, що знаходиться на відстані в 150 км від неї, згорів би миттєво ». Газ, який бушує в надрах Сонця, не тільки надзвичайно гарячий, але й дуже важкий. Його щільність в 11,4 рази перевищує щільність Сонця. У цьому атомному котлі виникають невидимі рентгенівські промені. Перш ніж досягти поверхні Сонця, вони проходять дуже звивистий шлях, подолання якого займає близько 20 тисяч років. Чим ближче вони наближаються до поверхні Сонця, тим все більше збільшуються довжини хвиль, а частота коливань зменшується, поки вони не перетворюються в ультрафіолетовий і видиме світло.

У міру зміни характеру променевої енергії змінюється і температура Сонця. На відстані 3/4 радіуса від центру знижуючись приблизно до 150 тисяч градусів. Спостерігати з Землі можна тільки зовнішню оболонку Сонця (фотосфери). Вона-то і випромінює сонячну радіацію. Товщина фотосфери всього близько 300 км, а температура її поверхні 5700 градусів.

Вище шару фотосфери розташовується сонячна атмосфера. Сонячну атмосферу вчені поділяють на дві частини. Нижній її шар, де спалахують язики полум`я сонячного газу, називається хромосферой, а верхній - практично безмежний шар - сонячної короною. Температура її газів сягає мільйонів градусів, тобто в тисячі разів вище, ніж температура фотосфери.

Настільки величезне підвищення (а не зниження) температури сонячних газів в міру віддалення від Сонця вчені пояснюють виникненням ударних хвиль, які народжуються жахливої сили шумом, який відбувається на поверхні світила.

Сучасні дослідження космічних станцій показують, що гази сонячної корони заповнюють весь міжпланетний простір сонячної системи. Газові частки, безперервно випромінюються сонячною короною (корпускули), утворюють в міжпланетному просторі своєрідний «сонячний вітер». Про деякі властивості цього вітру можна дізнатися, спостерігаючи поведінку комет або магнітні збурення в верхніх шарах атмосфери, розташованих поблизу магнітних полюсів Землі.

Швидкість газових частинок, що утворюють «сонячний вітер», 300-500, а за деякими даними навіть 800 км в секунду. Завдяки цьому «вітрі» Сонце безперервно втрачає не тільки енергію, але і масу. Він щорічно забирає від Сонця близько 1,4Х1013 тонн речовини. Але, хоча ця цифра і астрономічна, втрати сонячної матерії, в порівнянні із загальною масою Сонця, так малі, що можуть призвести до зменшення її на один відсоток лише через сто мільярдів років.

Земля, як, втім, і всі планети сонячної системи, оточений не безповітряним холодним простором, а розпеченим корональної газом, температура якого сягає десятків тисяч градусів. Верхній розріджений шар атмосфери Землі (екзосфера) як би зливається з цим потоком летять від Сонця гарячих газів. Тому і температура часток повітря, тут досягає сотень градусів вище нуля.

Крім газових частинок (корпускул), які, як ми сказали, летять від Сонця зі швидкістю 300-500 і більше км / сек, і досягають поверхні Землі приблизно через 8-10 хвилин, Сонце випромінює енергію у вигляді електромагнітних хвиль різної довжини і частоти, починаючи від кількох Ангстрем і закінчуючи дуже довгими радіохвилями. Основна частина приходить на Землю сонячної радіації лежить в межах 0,17-24 мікрона, причому 99 відсотків цієї радіації припадає на ділянку спектра від 0,17 до 4 мікрон. Радіація Сонця з довжинами хвиль менше 0,17 мікрон поглинається верхніми шарами атмосфери, і виміряти її можна, тільки піднявшись на великі висоти. Ця короткохвильова ультрафіолетова радіація Сонця є дуже небезпечною для життя живих організмів. Якби атмосфера не захищала нас від неї, то життя людини на Землі була б неможливою.

Сонячна радіація з довжинами хвиль більше 24 мікрон становить мізерну величину і в практичних розрахунках не враховується. Весь інший спектр радіації Сонця (від 0,17 до 4 мікрон) зазвичай ділять на 3 частини. Перша частина - ультрафіолетова радіація (від 0,17 до 0,35 мікрона). За дуже сильний вплив на живі організми її іноді називають хімічної радіацією. Саме вона викликає зміни в складі шкірного пігменту і утворює сонячну засмагу, а при тривалому впливі - еритему або опік. Тривалий вплив нею згубно діє на багато мікроорганізмів. Однак, незважаючи на величезне значення цієї радіації у житті рослин і тварин, частка її в енергетичному балансі Землі не перевищує 7 відсотків.

Другу частину сонячного спектра (від 0,35 до 0,75 мікрона) становить світлова радіація, тобто те, що ми називаємо сонячним світлом. На частку цієї радіації в енергетичному балансі припадає вже 46 відсотків.

І нарешті, третя частина сонячного спектра (від 0,76 до 4 мікрон і далі) утворює так звана інфрачервона, вже невидима для ока, радіація (47 відсотків).

Якщо дивитися на Сонце через темне скло, туман або серпанок (особливо, коли воно знаходиться близько до горизонту), то можна побачити величезну темну пляму. Насправді виявляється, що це пляма, що є підставою фотосфери, аж ніяк не суцільне і за зовнішнім виглядом нагадує вимощену бруківкою бруківку.

Спостереження показують, що поверхня Сонця ніколи не буває спокійна. Поглиблення на цій «бруківці» іноді зливаються між собою, утворюючи великі темні плями, що свідчать про сильних вертикальних рухах сонячних газів-під час сонячної активності таких плям одночасно може налічуватися кілька, в спокійні ж періоди, навпаки, поверхня Сонця місяцями залишається чистою. Вивчаючи частоту і інтенсивність полярних сяйв, які збільшуються і посилюються в період сонячної активності, вчені встановили, що сонячна активність має свою періодичність 2, 6, 11, 26 і близько 100 років. Особливо добре простежується 11-річний цикл.

У ті роки, коли максимуми або гребені цих хвиль накладаються один на одного, посилення сонячної активності відбувається найбільш різко.

Якраз така ситуація створилася в 1957 році, який вчені вибрали в якості Міжнародного геофізичного року для організації своїх спостережень одночасно на всій земній кулі.

В цей рік число сонячних плям (воно вимірюється в умовних одиницях, званих числами Вольфа) досягло рекордного за останні 250 років значення (рис. 1).

Активність Сонця сильно впливає на процеси, що відбуваються як на Землі, так і в атмосфері.

З посиленням її в атмосфері відбуваються магнітні збурення, виникають магнітні бурі, погіршується або навіть припиняється проходження радіохвиль.

Встановлено великий вплив сонячної активності на погоду і навіть клімат, а також на геофізичні процеси, що відбуваються в твердій оболонці Землі.

Справа в тому, що так звана площину екліптики, з якої відбувається обертання Землі навколо Сонця, нахилена до сонячного екватора всього на 7 °. Це означає, що до Землі надходить промениста енергія і корпускулярне випромінювання тільки з вузької екваторіальній області Сонця. Разом з тим астрономами встановлено, що в період посилення сонячної активності утворилися на Сонці плями поступово сповзають від сонячних полюсів в зону сонячного екватора. Це призводить до того, що в ці періоди до Землі приходить значно більше ультрафіолетових променів і радіації надкоротких довжин хвиль. Їх вплив позначається, головним чином, на високих шарах атмосфери і мало відбивається на інтенсивності прямої радіації, що приходить до земної поверхні.

У високих шарах атмосфери під впливом ультрафіолетової радіації Сонця молекули кисню О2 розщеплюються навпіл, або, як кажуть, диссоциируются (О2 Про + О), що утворилися в результаті дисоціації вільні атоми кисню дуже нестійкі, вони швидко приєднуються до будь-якої іншої молекули кисню, утворюючи новий газ, званий озоном (О3).

Найбільша концентрація озону спостерігається в шарі атмосфери від 10 до 30 км висоти. Тому його часто називають шаром озону. Цей шар озону має дуже важливе значення при формуванні клімату не тільки в вільній атмосфері, а й у земної поверхні.

Справа в тому, що озон поглинає значну частину теплових променів, що випускаються земною поверхнею в світовий простір. Поглинувши їх, він, по-перше, нагріває шар повітря, в якому міститься, а по-друге, повертає тепло назад на Землю, перешкоджаючи її охолодження. Коротше кажучи, він діє на зразок рами в парнику, тому і тепловий ефект, який він надає на поверхню нашої планети, називають парниковим.

Так ось, зі збільшенням інтенсивності сонячного випромінювання кількість озону в атмосфері збільшується, а максимальна його інтенсивність переміщається з висоти 28-30 км на висоту 10-11 км. Завдяки такому перерозподілу озону при ясному небі рівноважна температура біля поверхні Землі може, підвищитися на кілька градусів, що, в свою чергу, позначається на зміні тиску повітря у земної поверхні, а разом з ним - на загальної циркуляції атмосфери. На рис. 2 показано, як закономірно змінюється напрямок вітру в вільній атмосфері (на висоті 30-50 км) над екватором в залежності від 2-річного циклу сонячної активності. Приблизно кожні 2 роки, а точніше через 26 місяців, вітри від західних переходять до східним, а потім знову до західному.

Але сонячна активність пов`язана не тільки з кількістю і площею сонячних плям. Є і інші астрономічні умови, що підсилюють або ослабляють надходження сонячної радіації до кордонів земної атмосфери і створюють свою циклічність. Одним з таких умов є 27-денний період обертання Сонця навколо своєї осі. У зв`язку з цим обертанням виникли або скупчилися в будь-якій частині сонячного екватора темні плями з`являються або зникають з видимого диска Сонця, змінюючи тим самим кількість сонячної радіації, що випромінюється в сторону Землі. Такий 27-денний цикл не може не вплинути на погоду та інші геофізичні процеси, що відбуваються на земній поверхні і в атмосфері.

Ось які дані про хвилях холоду в Ленінграді призводить, наприклад, доктор географічних наук Т. В. Покровська (1967). У 1-й день календаря кожного місяця середнє число хвиль холоду одно двадцяти, на 10-й день - дванадцяти, на 19-й - сорока, на 26-й - тридцяти семи. Як видно зі сказаного, в першу половину будь-якого місяця року ймовірність теплої погоди в Ленінграді приблизно в 2-3 рази вище, ніж в кінці місяця.

З ще більш тривалими циклами сонячної активності, рівними в середньому 7 років, пов`язані, по-видимому, дощові роки на західному узбережжі Південної Америки, які повторюються через кожні 7 років, а також суворі зими на північному заході Росії, що спостерігаються через такий же проміжок часу.

Не без впливу Сонця утворюються в атмосфері і на Землі відомі в народі ще з найдавніших часів так звані хрещенські і Стрітенські морози або часті грози в ільїн день (2 серпня).

В. П. Дзвонів, який обробив записи грозорегістраторов за останні роки, виявив, що вони мають абсолютно чітку періодичність, причому найбільша активність гроз з року в рік спостерігається, якщо не в ті дні, які встановлені народними прикметами (ільїн день, день Самсона і ін .), то близько від них.

Значний вплив робить посилення сонячної активності не тільки на процеси і явища, що відбуваються у земній поверхні, але і на стан самої людини. Ще 15-20 років тому хіміки помітили цікаве явище: деякі колоїдні розчини ні з того ні з сього починають втрачати колоїдальну стійкість. Зважені на дні речовини раптом випадають у вигляді опадів, а барвники знебарвлюються. Фахівці фетрового і повстяного виробництв ще раніше помітили, що при певних умовах фетр і повсть дуже важко виробляються. У цементній промисловості в той же час деякі високосортні сорти цементу погано цементуються і т. Д. Італійському хіміку Пикарди вдалося встановити тісний зв`язок цих оригінальних явищ з магнітними бурями, а через них - і з сонячною активністю. Виявилося, що порушення коллоидального рівноваги деяких розчинів завжди пов`язане з посиленням сонячної активності і збільшенням корпускулярного випромінювання Сонця. Пізніше лікарі встановили, що стан людей з серцево-судинними захворюваннями погіршується при підвищенні сонячної активності. Причина тут криється в зміні стану крові, яка, будучи своєрідним колоїдом, також виявилася схильна до впливу підвищеного випромінювання Сонця.

Ще досі не розгадана сутність зв`язку з цим, неясно, який вид сонячного випромінювання (корпускулярне або електромагнітне) і який діапазон довжин хвиль впливає на ці процеси. Але медики вже знайшли деякі способи захисту від їх шкідливого впливу. Інша впливає сонячне випромінювання в періоди спокійного Сонця. У цей час збільшується надходження сонячної енергії в світловий частини спектра, а разом з нею зростає і інтенсивність прямий радіації в земної поверхні. Тому стає зрозумілим таке, здавалося раніше нез`ясовним, явище природи, як збільшення на Землі в 3-4 рази числа жорстоких посух. Вони спостерігаються саме в періоди мінімуму сонячної активності або передують цим періодам.

Подивіться на рис. 3, де показано зміна сонячної активності за останні приблизно 30 років і відзначені найбільш сильні посухи в Європі і Азії за цей же період. Малюнок повністю підтверджує те, про що ми розповіли вище.

Ну, а тепер, отримавши уявлення про вплив Сонця на процеси, що відбуваються на Землі, спробуємо розібратися в тому, яка ж кількість сонячної енергії бере участь у формуванні природних процесів на нашій планеті.

Бухгалтерія сонячного тепла

Ще в давні часи люди зображали Сонце у вигляді золотого диска з безліччю променів, на кінцях яких малювалися кисті рук, щедро обдаровував землю теплом і світлом. Сонячну радіацію використовують люди, тварини, рослини, все живе. Вона рівномірно розлита по всій нашій планеті. Нею до відмови напоєні атмосфера і Земля, суша і вода, рослини і тварини.

Сонячної радіації так багато, що Земля не здатна повністю її освоїти. Вона поглинає і перетворює в інші види енергії всього лише близько 2/3 приходить від Сонця радіації. Решта її частина відбивається назад у світовий простір і втрачається для Землі безповоротно. Щоб уявити собі кількість приходить до Землі сонячної радіації, виконаємо невеликі обчислення.

Уявімо собі, що на верхній межі атмосфери перпендикулярно сонячним променям поставлена чорна пластинка, яка повністю їх поглинає, перетворюючи в тепло. Тоді кожен квадратний сантиметр поверхні цієї пластинки буде нагріватися приблизно на 2 калорії в хвилину або майже на 1000 кілокалорій на рік. Цю величину 2 кал / см2 / хв прийнято називати сонячної постійної. Вона є своєрідним еталоном, що вказує максимально можливу кількість сонячного тепла на межі земної атмосфери або на земній поверхні, якби на нашій планеті, як на Місяці, була відсутня атмосфера.

Але насправді через кулястості Землі і обертання її навколо своєї осі і навколо Сонця надходження сонячного тепла до кордонів земної атмосфери за рік ледь досягає 260 ккал / см2, тобто становить приблизно 1/4 від можливої радіації. Якщо врахувати тепер, що більш ніж одна третина від цієї величини відбивається нашою планетою в світовий простір, то з`ясується, що на всі потреби Землі з 1000 ккал / см2 на рік залишається тільки 168. Але і ця кількість тепла величезна. Воно розподіляється між земною поверхнею і атмосферою в такий спосіб: приблизно одна третина поглинається атмосферою, а решта 2/3 (112 ккал / см2 / рік) досягають земної поверхні.

Поглинувши сонячну радіацію, земна поверхня і атмосфера перетворюють її в інші види енергії: теплову, хімічну, електричну і т. Д. Основна частка сонячної радіації перетворюється, звичайно, в тепло. Воно йде на нагрівання атмосфери, океанів і поверхні суші. Велика частина цього тепла на Землі витрачається на випаровування води з поверхні суші і океанів. На нагрівання води, грунту і повітря, на танення льоду і снігу витрачається тепла вже багато менше. Що ж стосується частки сонячної радіації, засвоюваній рослинами і перетворюється в хімічні види енергії, які визначають їх ріст і розвиток, то, незважаючи на велику кількість рослинності на земній кулі, вона складаємо лише частку відсотка. У бухгалтерії сонячного тепла це навіть не враховується. Не враховується нами і механічна енергія, оскільки вона не є результатом перетворення сонячної енергії, а виникає через нерівномірність нагрівання земної поверхні або фазових перетворень водяної пари в атмосфері. Іншими словами, сонячні промені самі по собі не можуть створити руху повітря на Землі. Циркуляція атмосфери і вітер є результатом перетворення не сонячне, а вже теплової енергії в механічну. І хоча ця енергія, як ми побачимо нижче, грає величезну роль в перерозподілі тепла по земній кулі, за своєю природою вона - вже друга похідна, вторинний продукт сонячної радіації.

В даний час вчені можуть досить точно не тільки вимірювати, але і розраховувати надходження та витрачання сонячної радіації і для земної кулі в цілому і для кожної точки земної поверхні, будь це вода, сніг, оголена або покрита рослинністю грунт. Більш того, вони можуть підрахувати цей прихід і витрата за хвилину, годину, добу, місяць або рік.

Спостереження за приходом сонячної радіації ведуться на тисячах спеціальних актинометричних станцій у всіх країнах світу. Що ж стосується спостережень за витратою цього тепла, то вони налагоджені гірше. Справа ця виявилася дуже важким і важким. Тому вчені вважають за краще краще обчислювати його, ніж вимірювати.

Облік приходу і витрати сонячного тепла ведеться в даний час в багатьох країнах світу, але головною бухгалтерією світу, згідно міжнародної домовленості вчених, є найстаріший науковий інститут нашої країни - головна геофізична обсерваторія в Ленінграді. Безперервно стікаються сюди з усієї Землі результати актинометричних спостережень.

Для більш детального розбору проблеми приходу і витрати сонячного тепла прівёдем деякі аналогії, наприклад з бухгалтерським обліком, основне призначення якого, як відомо, полягає в підведенні балансу, тобто у встановленні рівноваги між приходом і витратою. Все, що прийшло, має бути витрачено. Інакше залишаться надлишки, балансу не буде. Чи не буде його і в тому випадку, якщо витрата перевищить прихід.

Це положення бухгалтерського обліку можна віднести до всіх природничих наук, що мають справу з приходом, витратою або перетворенням речовини або енергії. Воно цілком поширюється і на сонячне тепло.

Прихід сонячного тепла в будь-якій точці земної поверхні, на кордоні атмосфери або для всієї системи Земля - атмосфера, повинен бути завжди дорівнює витраті. Іншими словами, тепловий баланс повинен бути завжди дорівнює нулю.

Земна поверхня не є однорідною. На Землі є континенти і моря, гори і рівнини, пустелі і ліси. Словом, поверхні найрізноманітніші, і кожна з них має свій тепловий баланс. Найменша зміна в прибуткових або видаткових його статтях негайно призводить до зміни природи і клімату в даному місці. Тому-то ведення бухгалтерії сонячного тепла є одним з основних завдань метеорологів всіх країн світу. Визначивши прибуткові та видаткові статті теплового балансу, вони не тільки отримують ключі до розгадки клімату Землі в минулому або в майбутньому, але, що ще важливіше, можуть активно змінювати кліматичні й інші природні умови, впливаючи на ту чи іншу його складову. Але перш ніж розповідати про практичне використання результатів цієї роботи, спробуємо дещо розшифрувати прибуткові та видаткові статті балансу нашої планети. Різними шляхами надходить радіаційне тепло на поверхню Землі. У ясні дні воно приходить головним чином у вигляді прямих Сонячних променів (прямий радіації), в похмурі - у вигляді променів, розсіяних хмарами і атмосферою (розсіяною радіації). Пряма і розсіяна радіація разом складають сумарну короткохвильову радіацію (С). Крім сумарної радіації, земна поверхня отримує значну кількість тепла від самої атмосфери у вигляді довгохвильової радіації (Е а).

Це вже теплова радіація. Про її походження ми скажемо трохи нижче, а поки лише відзначимо, що на відміну від сонячної, яка надходить тільки вдень, теплова радіація неба приходить до земної поверхні безперервно цілодобово.

Таким чином, до поверхні Землі йдуть два потоки радіації: короткохвильова сонячна радіація (пряма + розсіяна) і довгохвильова (теплова) радіація атмосфери. Американський вчений Лондон розрахував величину кожного з цих потоків радіації для північної півкулі. Його дані наведені в табл. 1.

З таблиці видно, що навіть влітку земна поверхня від атмосфери отримує в 1,8 рази більше тепла, ніж за рахунок короткохвильового сонячної радіації. Взимку ж ця величина зростає до 2,6 рази.

Атмосфера Землі нагрівається від різних джерел. Одним з них, як ми знаємо, є озон. Про інших ми скажемо пізніше. Нагрівшись, вона випромінює тепло по тому ж самому закону чорного тіла, за яким випромінюють своє тепло поверхні Землі і Сонця. Випромінювання це відбувається в обидві сторони: як до земної поверхні, так і в безповітряний простір.

А що являють собою витратні статті теплового балансу Землі? Перша з них - втрата тепла поверхнею Землі за рахунок свого лучеиспускания (позначимо її для подальших підрахунків Ез). Всі фізичні тіла на Землі, будь це грунт, вода, повітря, будь-які рослини, сніг або лід, поглинувши прийшла від Сонця і неба радіацію і перетворивши її в тепло, нагріваються і самі стають джерелами випромінювання, Вони втрачають своє тепло за тим же фізичним законом «чорного тіла», що і Сонце. Але так як їх температура на кілька тисяч градусів нижче, ніж температура поверхні Сонця, то і довжина хвиль, що випускаються поверхнею Землі, води, снігу, атмосферою і т. Д., Інша, ніж у Сонця. Якщо спектр сонячних променів на 99 відсотків складається з променів з довжинами хвиль від 0,17 до 3-4 мікрон (з максимумом в світловий частини близько 0,47 мікрона), то спектр теплової радіації Землі і атмосфери на 99 відсотків складається з променів з довжинами хвиль від 4 до 40 мікрон, з максимумом в області близько 15 мікрон. Іншими словами, поверхня нашої планети і атмосфера випромінюють тільки тепло. Ні світлових, ні ультрафіолетових променів Земля не випускає. При температурі 0 °C (Т = 2730) кожен квадратний сантиметр земної поверхні випромінює 0,453 кал / хв. З підвищенням температури до 27 °C (Т = 300 °) теплове випромінювання Землі збільшиться вже до 0,660 кал / см2 / хв. Особливо велике випромінювання Землі в Сахарі, де температура поверхні грунту вдень досягає 80 градусів. В цілому для земної кулі за рік ця витратна стаття теплового балансу на 40 ккал / см2 більше, ніж прихід тепла від атмосфери.

Різниця між довгохвильовими потоками радіації Землі і атмосфери називається ефективним випромінюванням Землі. Воно завжди спрямоване від земної поверхні (має негативний знак), так як температура поверхні Землі вище температури атмосфери.

Другу видаткову статтю в тепловому балансі Землі представляє відображена короткохвильова радіація. Ми вже говорили, що наша планета сама не світить. Вона, як дзеркало, що відкидає сонячний зайчик, відображає назад в світовий простір приблизно 1/3 всіх приходять до неї сонячних променів. Само собою зрозуміло, що величина відображеної радіації залежить від характеру поверхні, на яку падають сонячні промені (її альбедо). Альбедо земної поверхні змінюється від декількох відсотків до декількох десятків відсотків.

Тільки що зоране поле, в залежності від складу грунту і її шорсткості, має альбедо всього 0,05-0,15. Це означає, що його поверхня відбиває всього 5-15 відсотків падаючої на неї прямий і розсіяною радіації. Альбедо піщаних пустель досягає вже 30-35 відсотків, залежно від кольору пісків. Альбедо поверхні озер, морів або океанів дуже сильно залежить від висоти Сонця і характеру хвилювання. Для спокійного моря воно може змінюватися від декількох відсотків опівдні до 80-90 і більше відсотків перед заходом сонця, коли сонячні промені ковзають по поверхні води. Особливо велике альбедо поверхні снігу. За даними наших спостережень в Антарктиді, навіть в полуденний час, коли висота Сонця могла досягати 30 і більше градусів, альбедо снігу часто перевищувала 90-95 відсотків. При низьких висотах Сонця воно завжди близько до 100 відсотків. Іншими словами, покриті льодом і снігом поверхні нашої планети практично майже не поглинають сонячного тепла, скільки б його не приходило. І це, як ми побачимо далі, має вирішальне значення у формуванні клімату Землі.

Крім двох розглянутих вище радіаційних або зовнішніх витратних статей теплового балансу Землі, за рахунок яких значна частина сонячного тепла може йти за межі атмосфери і губитися для нашої планети безповоротно, є ще три статті витрат сонячного тепла, що складають як би внутрішній або місцевий тепловий бюджет планети. Цими статтями є: витрати тепла на випаровування з поверхонь морів і океанів, суші і рослинного покриву (АІ), витрати тепла на нагрівання повітря (В), особливо поблизу земної поверхні, за рахунок так званого турбулентного або механічного (зауважте, вже не променистого) теплообміну з поверхнею, що підстилає. І нарешті, витрати тепла на нагрівання самого грунту, води або рослинного покриву і на формування їх власного теплового режиму (П).

На відміну від радіаційних статей, що мають завжди один знак (мінус), місцеві статті теплового балансу можуть змінювати свій знак, тобто з витратних стають прибутковими і навпаки.

Перерахувавши основні прибуткові та видаткові статті теплового балансу нашої планети, складемо тепер загальний її баланс.

Спочатку зробимо це для всієї системи Земля + атмосфера (Б3 + А), потім окремо для поверхні Землі (Б3) і для атмосфери (БА).

Щоб наша бухгалтерія була більш зрозумілою, уявімо собі спочатку тепловий баланс земної кулі в цілому (див. Рис. 4), а потім приведемо дані для окремих материків.

На верхній межі атмосфери баланс тепла являє собою баланс сонячної радіації й підраховується дуже просто. Надходить від Сонця 168 ккал / см2 / рік (100%) і випромінюється земною поверхнею і атмосферою теж 168 ккал. (З них 128 ккал / см2 / хв (76%) випромінює атмосфера і 40 ккал / см2год (24%) втрачає Земля за рахунок ефективного випромінювання.)

Для поверхні земної кулі його підрахувати вже складніше.

Прибуткова стаття теплового балансу - сумарна радіація після вирахування з неї відбитої радіації і ефективного випромінювання Землі, за даними М. І. Будико, складе 72 ккал / см2 / рік, або 43% від загальної суми (168 ккал / см2) приходить від Сонця радіації . Ця залишкова радіація (Б), часто звана метеорологами «радіаційним балансом», буде витрачатися, як ми сказали, на випаровування, нагрівання повітря і нагрівання грунту, води або інших подстилающих поверхонь. Деяка частка тепла витрачається також на танення снігу. Витрата тепла на нагрівання підстильної поверхні відбувається тільки в теплий період року. У холодну пору року глибинні шари грунту і води назад повертають тепло підстильної поверхні, від якої вони його отримали. Тому в цілому за рік ця складова теплового балансу дорівнює нулю. Приблизно те ж відбувається і з витратами тепла на танення снігу. Восени і взимку, коли вода замерзає, це тепло назад повертається атмосфері, тому в сумі за рік воно також дорівнює нулю. Таким чином, в річному балансі тепла залишкова радіація буде врівноважуватися тільки витратами тепла на випаровування і на нагрівання повітря, тобто Б = Аі + В. Кілька забігаючи вперед, скажімо, що для земної кулі в цілому витрати тепла на випаровування складають 59 ккал / см2год , а витрати тепла на нагрівання повітря 13 ккал / см2 / рік. Тоді загальний баланс тепла для поверхні земної кулі в цілому буде виглядати так: 72 = 59 + 13.

Тепловий баланс атмосфери Землі розраховується вже простіше. Оскільки тепловий баланс Землі позитивний і кожен її кв. см отримує за рік 72 ккал тепла, то, відповідно до закону збереження енергії, атмосфера повинна щорічно втрачати таку ж кількість тепла. Тільки в цьому випадку тепловий баланс всієї системи Земля + атмосфера буде врівноважуватися. Міркуючи так, ми можемо сказати, що видаткова частина теплового балансу атмосфери дорівнюватиме - 72 ккал / см2 / рік.

Прибутковими статтями теплового балансу атмосфери будуть: вже відоме нам кількість тепла, що отримується нею від поверхні Землі за рахунок турбулентного теплообміну (13 ккал / см2 / рік), і прихована теплота пароутворення, що виділяється при конденсації водяної пари під час утворення хмар і туманів. Ця прибуткова стаття за величиною якраз повинна бути дорівнює витратам тепла на випаровування, тобто складати 59 ккал / см2 / рік.

Отже, тепловий баланс атмосфери Землі буде мати вигляд

Існують і інші способи обчислення теплового балансу атмосфери, вони дещо відрізняються від наведених вище, але кінцеві результати розрахунків приблизно однакові.

Можна було б на цьому і обмежити нашу розповідь про тепловому балансі Землі, якби вона не оберталася навколо Сонця і навколо своєї осі, її поверхня була б однорідною, а атмосфера над нею - нерухомою. Насправді на Землі відбувається зміна пір року і доби. На ній є континенти і океани, гори і рівнини, ліси і степи. Атмосфера Землі знаходиться в постійному русі. Повітряні течії не тільки самі переносять і розподіляють по земній кулі надходить в атмосферу тепло, але ще викликають утворення океанічних течій, які на зразок труб водяного опалення розподіляють нагріту сонцем воду по всій Землі, отепляя не тільки холодні океани і моря, але і омивається ними материки.

Цілком очевидно, що при таких умовах теплової баланс підстильної поверхні в кожній точці земної поверхні буде не тільки відрізнятися від теплового балансу Землі, в цілому, він буде різним навіть в двох сусідніх точках або навіть на одному і тому ж ділянці, якщо його подстилающая поверхню чому -або зміниться.

Покажемо це на прикладі лише однієї ділянки.

Позначимо стрілками, спрямованими до земної поверхні, позитивні статті теплового балансу, тобто прихід тепла, а стрілками, спрямованими від поверхні Землі вгору або вниз, його витрата, тоді картина теплового балансу грунту вдень і вночі буде виглядати так, як показано на рис. 5, а і б. Баланс тепла для кожного з цих випадків можна написати таким чином:

У разі, якщо ця грунт виявиться змоченою дощем або зрошена, то прихід і витрата тепла на ній буде вже

виглядати так, як показано на рис. 5 в, а баланс тепла вдень потрібно записати таким чином:

Для деяких поверхонь та чи інша стаття балансу може зовсім не бути.

Візьмемо, наприклад, пустелю з розігрітими до високих температур пісками. Тут відсутні витрати тепла на випаровування і баланс матиме вигляд:

Б = П + В

Цілком очевидно, що подібного роду баланс тепла можна скласти і підрахувати для будь-якої підстильної поверхні і для будь-якого часу року або доби. Треба лише представляти фізичний зміст кожної з його статей і визначити її знак.

Спробуємо розібратися у фізичній сутності перетворень складових теплового балансу з позитивних в негативні і навпаки.

Візьмемо спочатку першу з витратних статей теплового балансу земної поверхні - витрати тепла на нагрівання грунту і води.

На будь-який підстильної поверхні, будь то грунт або вода, луг, покритий травою, або лісовий масив, розпечені піски пустель або льодовики, відбуваються складні фізичні процеси. Це свого роду природна лабораторія, де відбуваються відображення і поглинання сонячної радіації, перетворення її в тепло, нагрівання самої поверхні і, нарешті, освіта теплових потоків, які відводять це тепло різним його споживачам. Залежно від характеру підстильної поверхні, часу доби, географічних умов і т. Д., Ці процеси можуть відбуватися по-різному і з різною активністю.

Поверхня сухого ґрунту, наприклад, відображає близько 10-12 відсотків надходить до неї сонячної радіації. Ця ж поверхню після дощу буде відображати сонячних променів в 2-3 рази менше. Для того щоб нагріти поверхневий шар сухого ґрунту товщиною в 1 см і площею в 1 см2 на 1 градус, необхідно затратити 0,3 кал тепла, а після дощу цього тепла буде потрібно в 3 рази більше.

А поверхня води? На нагрівання 1 см3 води на 1 градус, як відомо, потрібно одна калорія тепла. Шар води завтовшки в 1 см при тій же кількості сонячної радіації буде нагріватися в 3,3 рази менше, ніж такий же шар грунту. Що ж стосується поверхні льодовика, що тане, то вона зовсім не нагріється. Все що отримується нею тепло буде витрачатися тільки на танення. Отже, кожна поверхня, отримуючи сонячне тепло, нагрівається по-різному. Швидкість нагрівання будь-якої речовини буде залежати від фізичних властивостей (теплоємності і теплопровідності).

Припустимо тепер, що будь-яка із зазначених вище поверхонь поглинула тепло і нагрілася. Температура її підвищиться, і вона виявиться тепліше, ніж шар, що лежить під нею. Перепад температури відразу ж викличе виникнення потоку тепла від верхнього, більш нагрітого шару до нижнього, менш нагрітого. У грунті кожен нижележащий шар буде нагріватися від вищого тільки шляхом так званої молекулярної теплопровідності, тобто поглинання частини теплового потоку, переданого більш нагрітим шаром завдяки прямому контакту. Такий потік тепла в грунт (або з грунту) триває до тих пір, поки буде існувати різниця температур між шарами ґрунту. До вечора, наприклад, коли сонце вже слабо нагріває підстилаючої поверхню, потік тепла в грунт поступово слабшає, і температура верхнього шару знижується до тих пір, поки не зрівняється з температурою нижчого шару грунту. Тоді потік тепла в грунт припиняється, тобто П = 0. Пройде ще деякий час, і поверхню грунту, безперервно випромінюючи тепло, охолоне до такої міри, що її температура стане нижче, ніж температура глибших шарів. Знову виникне різниця температур, але вже з протилежним знаком. Тепер тепло почне текти з глибини грунту до поверхні (див. Рис. 5 б). Вночі, коли сонця немає, це тепло часто є єдиним джерелом, що рятує поверхню грунту від сильного охолодження і освіти заморозка. Такий кругообіг тепла, або теплообмін в грунті, відбувається не тільки протягом доби, а й протягом року. Спостереження показують, що в річному круговороті тепла, в залежності від типу грунту, бере участь 10-20 відсотків від залишкової радіації. Влітку це тепло грунт накопичує, а взимку, навпаки, втрачає. У сумі за рік воно дорівнює нулю. Тому-то і тепловий баланс Землі за тривалий період або за рік складається тільки з трьох членів.

І така рівність легко довести. Якби воно не дотримувалося, то грунт, безперервно нагріваючись, розжарилася б до червоного, або, охолоджуючись, замерзла.

Теплообмін у воді відбувається дещо інакше, ніж у грунті. По-перше, вода, володіючи великою теплоємністю, нагрівається повільніше, ніж грунт. Молекулярний теплообмін у воді відбувається не так інтенсивно, як в грунті, і грає роль лише в тонкому верхньому шарі. Тому-то в тихі ясні дні настільки різко помітно відмінність в температурах на поверхні і на глибині водойм. Зате крім молекулярного теплообміну для води характерно механічне перемішування. При вітрі і хвилюванні вода перемішується на велику глибину. Тому і нагрівання її протягом року поширюється не на 1-1,5 метра, як в грунті, а на 10-15 метрів. Протягом теплового півріччя вода хоча й встигає накопичити більше тепла, але остигає повільніше, ніж грунт, тому баланс тепла над водоймами виявляється слабше, ніж над сушею. Частка залишкової радіації, яка бере участь у кругообігу тепла, в залежності від розміру водойми може сильно коливатися.

За останній час встановлено, що тепловий баланс океанів за великий проміжок часу може дещо відрізнятися від нуля. У більш теплі епохи океан накопичує тепло, а в більш холодні - охолоджується сам. Внаслідок цього навіть середня температура води в океані може змінюватися на кілька градусів. Про причини цього явища йтиметься нижче.

Витрата тепла на нагрівання повітря (В) для земної кулі в цілому становить менше 20 відсотків від залишкової радіації, проте сильно залежить від характеру підстильної поверхні. Для пустельних і степових районів, де витрат тепла на випаровування майже немає, а на нагрівання грунту використовується 15-20 відсотків від залишкової радіації, все що залишилося тепло - 80 і більше відсотків (для літнього періоду) - йде на нагрівання повітря.

Саме цим і пояснюється велика спека і сухість клімату пустель. Абсолютно протилежна картина спостерігається над водними поверхнями. Тут більше 80 відсотків залишкової радіації йде на випаровування. Тому витрати тепла на нагрівання повітря не перевищують 5-10 відсотків. Механізм нагрівання повітря більш схожий на нагрівання води, ніж грунту.

Основну роль в перенесенні тепла від нагрітої поверхні грунту до повітря грає не молекулярний і навіть не променистий, а турбулентний, або вихровий, обмін. Якби ми вирізали будь-якої обсяг повітря поблизу земної поверхні і підфарбували його будь-яким барвником, то могли б помітити, що весь він складається з безлічі повітряних віхорьков. Одні з них тільки зароджуються, інші знаходяться в розквіті сил, а треті - розриваються в різні боки і зникають. Рухаються всі ці вихори в різних напрямках. Ті, що тепліше, прагнуть полинути вгору, а більш холодні, навпаки, опуститися вниз. При переміщенні вони часто стикаються між собою передають один одному надлишок енергії і «можуть розлітатися в сторони, як більярдні кулі при ударі.

Таке явище безладного, або турбулентного руху повітря, мабуть, доводилося спостерігати кожному, хто помічав, як розриваються клуби диму при сильному вітрі. Більш впорядкований рух теплових повітряних вихорів вгору від нагрітої поверхні, зване часто конвекцією, кожному доводилося спостерігати над нагрітим сонцем полем. Піднімаються від землі теплові вихори зливаються між собою, утворюючи повітряні струмені, звані в народі маревом. Якщо дивитися через такі струменя на навколишні предмети, то здається, ніби вони, втрачають обриси і як би розпливаються в повітрі. Це і є результат того теплообміну, про який ми говоримо. Чим слабкіше вітер, тим чіткіше будуть виражені ці струменя. З посиленням вітру вони розриваються і розносяться в різні боки, і обмін теплом між поверхнею, що підстилає і повітрям відбувається швидше.

Цілком очевидно, що, як і в грунті, такий струмінь або потік тепла може виникнути тільки тоді, коли поверхня ґрунту буде перегріта по відношенню до прилеглого шару повітря, тобто коли між грунтом і повітрям буде спостерігатися різниця температур. Чим більше ця різниця, тим сильніше потік тепла і швидше теплообмін. Отже, швидкість теплообміну між грунтом і повітрям, і швидкість нагрівання повітря буде залежати як від величини перепаду або різниці температури між грунтом і повітрям, так і від швидкості вітру. Однак та картина теплообміну ґрунту з повітрям, яку ми тільки що намалювали, спостерігається здебільшого вдень і в теплу пору року.

Після заходу сонця грунт починає швидко охолоджуватися, тоді як повітря продовжує залишатися теплим. Температури грунту і повітря спочатку вирівнюються (теплообмін між грунтом і повітрям припиняється, тобто В = 0), а потім температура повітря стає вище температури грунту, і потік тепла змінює знак.

Після цього вже не грунт нагріває повітря, а повітря нагріває грунт, тобто теплообмін відбувається в зворотному напрямку, і ця стаття теплового балансу з видаткової стає прибуткової. Таке явище в природі буває досить часто. Влітку воно спостерігається над сушею в нічні години, а взимку навіть цілодобово. А ось над водними поверхнями буває навпаки. Внаслідок того що днем вода менш нагріта, ніж повітря, потік тепла спрямований не вгору, як над грунтом, а вниз. Вночі ж температура води часто вища за температуру повітря, тому і потік тепла спрямований не вниз, а вгору. Така ж картина спостерігається над морями взимку цілодобово.

Ті, кому доводилося взимку плавати по морю або просто дивитися в бік моря з берега в ясний день, могли помітити, як далеко над водою піднімаються шапки купчастих хмар, які над сушею побачиш тільки в літній полудень. Подібне явище можна спостерігати над морем і влітку, але в нічні години. Якщо поверхню грунту охолоджується змоченою дощем або политій водою (див. Рис. 5 в), то так само, як над водною поверхнею, влітку потік тепла буває спрямований вниз і в денний час. У такі періоди не грунт нагріває повітря, а повітря - грунт, і стаття В в тепловому балансі з видаткової перетворюється в прибуткову. Пояснюється таке явище сильним охолодженням ґрунту за рахунок випаровування. Витрата тепла на випаровування - основна стаття теплового балансу Землі. Понад 80 відсотків енергетичного бюджету нашої планети витрачається на випаровування. І це зрозуміло, адже більш 2/3 поверхні земної кулі покриті водою.

Якщо підрахувати окремо витрати тепла на випаровування з океанів і морів, то вони перевищують 90 відсотків від залишкової радіації. Навіть на поверхні суші, що володіє більш скромним у порівнянні з океанами тепловим бюджетом, витрачається на випаровування понад 50 відсотків від В. І це теж зрозуміло. Процес випаровування відбувається всюди, де тільки міститься вода: з грунту, рослинності, з поверхні річок, озер та інших водойм. Навіть з льоду і снігу відбувається випаровування. Та ще й яке! На узбережжі Антарктиди, наприклад, де постійно дмуть штормові вітри, а повітря майже так само сухий, як в пустелі, за добу випаровується стільки ж води, скільки з вологого грунту в Центральній або навіть Південної Росії.

В цілому на земній кулі випаровується за рік шар води, рівний приблизно одному метру, і витрачається на це з кожного кв. см 59 ккал сонячного тепла. Для поверхні океану шар води, що випаровується за рік ще більше. Він навіть в середньому становить 120 см, а для окремих ділянок Атлантичного океану, наприклад, досягає 3-х метрів на рік. А адже на