50. Природные механизмы регулирования теплового баланса Земли

Среди всех планет солнечной системы Земля — единственная планета с умеренной температурой, не очень горячая и не очень холодная. Средняя температура ее поверхности составляет примерно 10° С. Так как эта цифра, несмотря на небольшие ежегодные изменения, остается почти постоянной в течение столетий, то отсюда следует, что Земля и атмосфера должны возвращать в космос почти столько же энергии, сколько получают от Солнца. Если это равновесие между приходящей и уходящей энергией нарушится, температура Земли и, следовательно, климат начнут изменяться. Как мы увидим далее, значительные колебания температуры Земли действительно происходили в прошлом, но в настоящее время мы можем говорить о равенстве поступления и ухода энергии, если рассматривать среднюю температуру Земли. Баланс энергии приводит к некоторым важным следствиям, которые обязательно надо учитывать в метеорологических исследованиях.

Солнце является источником почти всей энергии на Земле. Любая другая звезда или планета и недра Земли дают, так мало тепла земной поверхности по сравнению с Солнцем, что ими можно пренебречь. Хотя среди миллиардов звезд нашей Галактики Солнце является лишь средней звездой, его диаметр все же в 110 раз больше диаметра Земли. Вследствие этого, а также, потому что Солнце находится относительно близко к Земле (от 145 до 150 млн. км), оно является главным источником энергии, поступающей на Землю. Но даже, несмотря на это, только около одной двухмиллиардной доли энергии, излучаемой Солнцем, приходит к верхней границе земной атмосферы, остальная, же часть теряется или поглощается в космическом пространстве.

Суммируя все сказанное получаем, что (если полное количество солнечной энергии, достигающей Земли, будем считать за 100%) энергия распределяется следующим образом: около 19% поглощается при прохождении через атмосферу, около 34% отражается обратно в космическое пространство от верхней поверхности облаков и земной поверхности, оставшиеся 47% (после некоторого рассеяния) достигают земной поверхности, где поглощаются и превращаются в тепло. Таким образом, менее половины солнечной энергии, приходящей к верхней границе земной атмосферы, в конце концов, достигает Земли и только одна пятая непосредственно нагревает атмосферу. Большая часть энергии, нагревающей атмосферу, поступает от нагретой земной поверхности.

Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию и нагреваясь, сама становится источником излучения тепла в атмосферу и через нее в мировое пространство. Чем выше температура поверхности, тем выше излучение. Собственное длинноволновое излучение Земли большей частью задерживается в тропосфере, которая при этом нагревается и излучает радиацию - противоизлучение атмосферы. Разность между излучением земной поверхности и противоизлучением атмосферы называется эффективным излучением. Оно показывает фактическую потерю тепла поверхностью Земли и составляет около 20%.

Атмосфера в отличие от земной поверхности больше излучает, чем поглощает. Дефицит энергии компенсируется приходом тепла от земной поверхности вместе с водяным паром, а также за счет турбулентности (в процессе подъема нагретого у земной поверхности воздуха). Возникающие между низкими и высокими широтами температурные контрасты сглаживаются за счет адвекции - переноса тепла морскими и главным образом воздушными течениями от низких широт к высоким (правая часть рисунка).

Для общегеографических выводов важны также ритмические колебания радиации из-за смены времен года, так как от этого зависит тепловой режим конкретной местности. Отражательные свойства земных покровов, теплоемкость и теплопроводность сред еще больше усложняют перенос тепловой энергии и распределение теплоэнергетических характеристик.