Тема 10. Основи кліматології
10.1. Клімат і кліматична система. Закономірності формування клімату
Кліматологією називається розділ метеорології, в якому вивчаються закономірності формування кліматів, їх розподіл по земній кулі та зміна в минулому і майбутньому.
Під кліматом у вузькому сенсі слова, або локальним кліматом, розуміють сукупність атмосферних умов за багаторічний період, властивих тому чи іншому місцю в залежності від його географічної обстановки. Під географічної обстановкою розуміється не тільки положення місцевості, тобто широта, довгота та висота над рівнем моря, але і характер земної поверхні, орографія, ґрунтовий покрив й ін. Тобто у такому розумінні клімат є однією з фізико-географічних характеристик місцевості.
Кліматом у широкому сенсі, чи глобальним кліматом, називається статистична сукупність станів, прохідних кліматичною системою, тобто атмосфера-океан-суша-кріосфера-біосфера, за періоди часу в кілька десятиріч. Взагалі комплексна система (кліматична) описується рядом параметрів, частина з них очевидна: температура, атмосферні опади, вологість повітря та ґрунтів, стан снігового та льодяного покривів, рівень моря. Також ця система виявляється і більш складними характеристиками: динамікою великомасштабної циркуляції атмосфери й океану, частотою та силою екстремальних метеорологічних явищ, границями середовища існування рослин і тварин. Часто при малій мінливості “простих” параметрів відбуваються значні зміни “складних”, що в основному й означає зміну клімату.
Глобальний клімат визначається як астрономічними, так і географічними факторами. Астрономічні фактори - це світимість Сонця, положення та рух Землі в Сонячній системі, нахил осі обертання Землі до площини орбіти і швидкість обертання землі навколо своєї осі, щільність матерії у світовому просторі. Всі ці фактори визначають кількість і розподіл сонячної енергії, що надходить на Землю. А до географічних чинників відносяться: розмір і маса Землі, величина сили тяжіння, маса та склад атмосфери, географічний розподіл материків і океанів, рельєф поверхні суші й дна океанів, маса і склад океану, характер поверхні суші (підстилаючої поверхні).
Стан глобальної кліматичної системи визначає характер кліматоутворюючих процесів - атмосферної циркуляції, тепло- та вологообігу, які протікають у різній географічній обстановці. Тому конкретні типи локальних кліматів визначаються такими географічними факторами, як географічна широта, висота над рівнем моря, розподіл суші та води на поверхні земної кулі; орографія (форми рельєфу) поверхні суші; океанічні течії; рослинний, сніговий і крижаний покрив. Особливе місце займає діяльність людського суспільства, яке в даний час також впливає на кліматоутворюючі процеси і тим самим на клімат шляхом зміни тих чи інших географічних факторів.
Виняткові так звані мікрокліматичні умови спостерігаються у найнижчому, приземному шарі повітря. Тут на особливості атмосферного режиму впливають деталі будови та стану земної поверхні.
10.2. Зовнішні та внутрішні фактори формування клімату
На рис. 15.1 схематично представлені компоненти кліматичної системи та різні процеси, які впливають на формування клімату і його зміни. Ці процеси можна поділити на зовнішні (чорні стрілки) і внутрішні (порожнисті стрілки). Як видно з цього рисунка, до зовнішніх процесів можна віднести: приплив сонячної радіації та його можливі зміни; переміни складу атмосфери, викликані вулканічними й орогенними процесами в літосфері та припливом аерозолів і газів з космосу; зміни обрисів океанічних басейнів, солоності, характеристик суші, орографії, рослинності та ін. А до внутрішніх процесів відносяться взаємодія атмосфери з океаном, з поверхнею суші та льодом (теплообмін, випаровування, опади, напруга вітру), взаємодія лід - океан, зміна газового й аерозольного складу атмосфери, хмарність, сніжний і рослинний покрив, рельєф і контури материків.
Рис. 15.1. Компоненти кліматичної системи атмосфера-океан-поверхня снігу, льоду та суші - біомаса (схема); темні стрілки – зовнішні процеси, світлі стрілки - внутрішні процеси (до речі, вони призводять до змін клімату).
Зіставлення зовнішніх і внутрішніх процесів показує, що деякі з них присутні в тих і в інших. Це протиріччя пояснюється тим, що поділ на зовнішні та внутрішні процеси залежить від періоду часу, за який розглядається стан кліматичної системи. Так, якщо ми аналізуємо сукупність станів, яку проходить кліматична система за 1000 років, то вплив, наприклад, контурів материків і великомасштабної орографії на атмосферу можна простежувати як зовнішній процес. Навпаки, той же вплив на масштабі часу 100 млн. років необхідно віднести до внутрішнього процесу. Таким чином, глобальний клімат формується не тільки процесами, що відбуваються в атмосфері, але й процесами, які трапляються у всій кліматичній системі. Відмінною рисою процесів, що відбуваються в кліматичній системі, є існування численних позитивних і негативних зворотних зв'язків, тобто таких взаємодій, які або посилюють (позитивна), або послабляють (негативна) причину, яка викликає процес.
Прикладом позитивного зворотного зв'язку служить зв'язок між альбедо сніжно-льодового покриву та температурою атмосфери: зниження глобальної температури Землі призводить до збільшення площі сніжного та льодяного покриву. Але сніг і лід володіють більшою відбивною здатністю, ніж вода і ґрунт. Тому збільшення площі снігового та крижаного покривів за рахунок зменшення площі води та ґрунту повинно супроводжуватися збільшенням планетарного альбедо Землі й, отже, зменшенням сонячної радіації, що залишається в кліматичній системі. А це у свою чергу призведе до подальшого пониження температури та ще більшого розростання сніжно-крижаного покриву.
Прикладом негативного зворотного зв'язку може служити зв'язок між вологістю ґрунту й альбедо поверхні суші: збільшення вологості ґрунту призводить до зменшення альбедо поверхні суші (вологий ґрунт має альбедо менше сухої). Це у свою чергу призводить до збільшення поглинання короткохвильової сонячної радіації, підвищення температури поверхні ґрунту, посилення випаровування і в підсумку - до зменшення вологості ґрунту.
Подібних зворотних зв'язків у кліматичній системі досить багато. Звідси ясно, що кожному стану глобального клімату відповідають свої закономірності в теплообігу, вологообігу й атмосферній циркуляції, тобто у трьох комплексах кліматоутворюючих процесів, які формують локальний клімат у кожній точці Землі. Саме від процесів теплообігу, вологообігу й атмосферної циркуляції залежить багаторічний режим метеорологічних величин: добовий і річний ходи радіації, температури, опадів й інших величин, їх мінливість у кожній точці Землі, середній розподіл по земній поверхні, типова зміна з висотою і т.д.
Всі ці три кліматоутворюючі процеси взаємно пов'язані. Наприклад, на тепловий режим підстрилаючої поверхні, а відповідно, й атмосфери впливає хмарність, яка затримує приплив прямої сонячної радіації. Утворення хмар - один з елементів вологообігу. Але воно залежить у свою чергу від температури підстилаючої поверхні та стратифікації атмосфери, а ці останні деякою мірою підвладні адвекції тепла, тобто загальній циркуляції атмосфери, котра створює перенос водяної пари та хмар і тим самим впливає на вологообмін, а через нього і на теплові умови.
Таким чином, ми весь час зустрічаємося з взаємними впливами теплообігу, вологообігу й атмосферної циркуляції. Тому режим кожного елемента клімату є результатом спільної дії цих трьох кліматоутворюючих процесів.