книги из ГПНТБ / Непреднамеренные воздействия на климат. Результаты исследования влияния человека на климат [коллектив. моногр

Вклад переноса тепла океаническими течениями в глобальный баланс тепла, определяемый как остаточный член уравнения теп­ лового баланса, иллюстрируется табл. 5.1 [1]. Известно, что общий средний меридиональный перенос тепла, осуществляемый океа­ нами, имеет порядок ІО22 кал в год вблизи 30° с. ш. [1]. Однако

Рис. 5.2. Общее неадиабатическое нагревание атмосферы в декабре—фев­ рале (а) и июне—августе (б). Единицы: °С/сут [12].

отдельные большие океанические возмущения, перемещая верхний стометровый слой воды на площади около ІО6 км2 со скоростью 10 км/сут, могут переносить значительную часть этого количества тепла за несколько месяцев. Такие крупномасштабные «турбулент­ ные» течения представляют собой довольно частое явление в оке­ ане и могут приводить к изменению температуры на 1°С и более, которое может поддерживаться в течение года и более. М. И. Будыко [1] тщательно проанализировал результаты исследований

87

нескольких авторов и, используя главным образом данные атлан­ тических кораблей погоды, показал, что аномалии теплосодержа­ ния верхних слоев океана достигают примерно половины величины изменения теплосодержания в годовом ходе. Известно, что интен­ сивность крупных меридиональных течений типа Гольфстрим заметно меняется. Поскольку теплоемкость верхних 150 м океана (приблизительная глубина, где ощутимы колебания температуры за период порядка года) составляет около 5- ІО22 кал/°С, ясно, что флуктуации количества переносимого тепла в океане могут со­ ставлять довольно значительную часть средней многолетней вели­

чины и могут существенно влиять на изменение климата от года к году.

5.3.2. Системы ветров

На заре изучения общей циркуляции среднее движение атмо­ сферы представляли в виде зонального симметричного потока с зо­ нально-симметричными меридиональными компонентами, направле­ ние и величина которых полагались зависящими от широты, вы­ соты и сезона. Считалось, что отклонения от указанной системы ветров есть не что иное, как небольшие возмущения потока. Однако наблюдения и теоретические исследования показали, что такое упрощенное представление о глобальной системе ветров несостоя­ тельно [9]. Количество движения зонального потока переносится из экваториальных широт в средние почти горизонтальными вихрями (в поперечнике 1000 км и более), движущимися в верхней тропо­ сфере (8—15 км). Такой перенос ведет к аккумуляции зонального

«8

количества движения над средними широтами, где развиваются сильные извилистые потоки воздуха, известные под названием «струйные течения». Оси струйных течений в средних широтах обоих полушарий в любые сезоны наблюдаются на высоте около 12 км. К этим зонам сильных ветров поступает гораздо больше количества движения, чем нужно для сохранения струйных тече­ ний от диссипации через внутреннее трение. Избыток передается вниз и расходуется на поддержание западных ветров у поверхности Земли в средних широтах и преодоление силы поверхностного тре­ ния. Это поступление зонального количества движения к поверх­ ности Земли имеет тенденцию ускорять вращение планеты. Нейт­ рализуя такое постоянное ускорение вращения Земли, воздух устремляется в направлении экваториальных районов, формируя пассаты. Пассаты, имея значительную составляющую, направлен­ ную к западу, препятствуют вращению Земли. Воздух, принесен­ ный в экваториальные широты пассатами, передает зональное ко­ личество движения в верхнюю часть тропосферы.

Пассаты также захватывают влагу, испарившуюся с поверх­ ности океана вдоль их траектории. При поднятии воздуха в эква­ ториальных широтах водяной пар конденсируется, высвобождая теплоту конденсации, которая нагревает поднимающийся воздух. Этот нагрев ускоряет подъем и вообще увеличивает все меридио­ нальные компоненты ветровой системы. Подогретый поднимаю­ щийся воздух, как уже упоминалось, переносит тепло в более вы­ сокие широты в основном посредством макротурбулентности, т. е. с помощью того же механизма, что и количество движения зональ­ ного потока.

В широтных зонах 30—65° обоих полушарий преобладают почти горизонтальные вихри, хотя перенос количества движения умень­ шается и меняет знак где-то у 60° с. ш. и 60° ю. ш. Однако мери­ диональные компоненты движения (рис. 5.3) вблизи поверхности и на верхних уровнях обратны тем, которые наблюдаются в более низких широтах. У поверхности Земли ветер имеет хорошо выра­ женную слагающую, направленную к полюсу, а на высотах — к экватору, причем в субтропиках преобладают нисходящие дви­ жения, а в средних и высоких широтах — восходящие. Движу­ щийся к полюсам воздух подхватывает влагу с поверхности океана и переносит ее к полюсам; при конденсации водяного пара в вос­ ходящей ветви высвобождается скрытая теплота, компенсируя недостаток притока тепла в более высоких широтах. Осадки, обра­ зующиеся здесь в результате конденсации, являются косвенным, но очень важным для деятельности человека следствием переноса тепла к полюсам. Следует заметить, что условия испарения и выпа­ дения осадков сильно изменяются в пространстве и времени.

Таким образом, крупномасштабная турбулентность играет су­ щественную роль в переносе тепла от экваториальных широт и увеличивает извилистость субтропического струйного течения, уси­ ливает пассаты, тропическую конвекцию и обусловливает обиль­ ные осадки. Выпадение осадков является вторичным следствием

89

избыточного притока тепла в низкие широты. Избыток тепла рас­ ходуется на испарение воды, а затем высвобождается как тепло конденсации в направленных к полюсу потоках и становится ре­ альным теплом в районах, испытывающих недостаток тепла.

Рис. 5.3. Средняя меридиональная циркуляция для двух трехмесячных периодов. Поток массы в ІО12 г/с [12].

а— декабрь—февраль, б — июнь—август.

Скорость испарения, несомненно, зависит от температуры поверх­ ности океана, а температура поверхности в свою очередь опреде­ ляется в какой-то степени процессами турбулентного перемешива­ ния в верхних слоях океана, процессами, о которых мы пока знаем очень мало. Поскольку перенос тепла к полюсам в атмо­ сфере осуществляется квазигоризонтальными мигрирующими вих­

90

рями преимущественно в районах с восходящими движениями, выпадение дождя неравномерно и в пространстве, и по времени.

5.3.3. Заключение

Преобладающие в атмосфере системы ветров переносят тепло из районов, где оно в избытке, в районы с недостаточным притоком тепла. В ходе этого процесса они формируют струйные течения и способствуют сохранению струйных течений, пассатов, подвижных крупномасштабных вихрей, западному переносу у поверхности Земли в средних широтах и восточному в полярных областях. Системы ветров играют значительную роль в образовании облаков и осадков. Последние являются побочными процессами, связан­ ными с переносом тепла из низких широт в высокие.

Однако одни системы ветров не в состоянии перенести требу­ емое количество тепла. Какое-то количество тепла, сравнимое с тем, что переносят ветры, транспортируется океаническими тече­ ниями. Температура поверхности океана, определяемая турбулент­ ным перемешиванием в верхнем 100-метровом слое воды, играет важную роль в осуществлении обмена реальным и скрытым теп­

между атмосферой и поверхностью океана в настоящее время не­ достаточно. Более того, информация о ветрах в экваториальных широтах также весьма скудная.

5.3.4.Рекомендации

1.Мы рекомендуем следить за температурой поверхности оке­ анов и ее сезонными колебаниями, предполагая, что такую инфор­ мацию можно получить путем измерений со спутников.

2.Нам бы хотелось предложить программу слежения за рас­ пределением температуры и течений в верхнем слое океана. Однако мы признаем, что в настоящее время нет экономичного и эффек­ тивного пути для производства подобного слежения. Поэтому мы рекомендуем проводить такие комбинированные теоретические и экспериментальные исследования, которые позволили бы найти

наилучший путь получения информации об океане с целью ее ис­ пользования для расчета переноса тепла океанами. (В частности, следовало бы сосредоточить в одном месте все имеющиеся клима­ тологические сведения и на их основе попытаться обнаружить кли­ матические тенденции в изменении состояния океана.)

3. Мы рекомендуем увеличить число наблюдений за ветром и температурой в верхних слоях атмосферы тропических районов.

5.4. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Гидрологические процессы играли важную роль в истории кли­ мата Земли. Не менее важное значение они имеют для современ­ ных и потенциальных воздействий человека на климат (см. п. 7.4).

91

Проще всего было бы рассматривать гидросферу как глобаль­ ную систему, состоящую из четырех резервуаров, которые связаны между собой потоками влаги, входящими в систему влагооборота (рис. 5.4). Оценка количеств воды, хранящихся в этих четырех резервуарах в настоящее время, дана в табл. 5.2 [10, 13, 18].

Ат м осф ерная Вода

92

Взаимосвязи между четырьмя подсистемами, или резервуарами, могут быть выражены уравнениями неразрывности для влагосодержания. Суммарное влагосодержание во всех четырех компо­ нентах постоянно, ибо влияние образования и разрушения Н20 пренебрежимо мало:

Компоненты запаса влаги связаны между собой посредством потоков влаги, входящих в водный баланс: осадки, испарение, сток. Измеренные величины потоковых членов, характеризующих усло­ вия водного баланса главных частей суши и океанических районов, представлены в табл. 5.3 и 5.4 [1].

5.4.1.Изменения на протяжении геологической истории

Втечение истории гидросферы оледенения приводили к серьез­ ному перераспределению водных запасов, особенно между океа­ нами и массами полярных льдов. Низкий уровень океана 18 000 лет назад (примерно на ПО м ниже современного уровня) был, веро­ ятно, связан с увеличением масс полярного льда во время послед­ него оледенения. Геологические данные свидетельствуют о том, что существенное наступание или отступание полярных ледяных шапок в течение плейстоценовых оледенений сопровождалось соот­ ветствующими флуктуациями среднего уровня океана.

93

Возможно, что глубинные резервуары грунтовых вод наполня­ лись более или менее непрерывным процессом аккумуляции, про­ ходившим через всю историю гидросферы. Изменения климата повлияли на процесс аккумуляции прежде всего сдвигом границ влажных зон и изменением хода глубинного просачивания. Седи­ ментация в закрытых внутренних морях также значительно способ­ ствовала формированию подповерхностных резервуаров.

Значительные изменения температуры поверхности суши и оке­ ана, разумеется, влияли на ход испарения и, следовательно, на количество осадков и интенсивность круговорота воды. Взаимодей­ ствие между температурным режимом и влагооборотом является одним из тех процессов, которые необходимо срочно исследовать. Более того, очень мало известно об изменениях среднего количе­ ства водяного пара в атмосфере и среднего количества облаков, а ведь они сопровождаются изменениями круговорота воды.

5.4.2. Недавние изменения в глобальной гидрологической системе

ВXX в. средний уровень моря все время повышался. За период

с1890 по 1940 г. по подсчетам Орвига [13] он поднялся на 0,2 м.

С1940 г. темп подъема уменьшился примерно на 40%. Обычно

считалось, что причиной увеличения объема океана (1200 км3/год) является таяние полярных ледяных шапок. Однако недавние рас­ четы Орвига [13] позволили сделать предположение, что полярный лед сам увеличивается в объеме примерно на 500 км3/год; потеря 100 км3/год в Арктике с избытком компенсируется приростом в 600 км3/год в Антарктике. Заключение об увеличении объема льдов, разумеется, нуждается в проверке, но в любом случае это заключение указывает на необходимость тщательного исследова­ ния состояния невозобновляемых источников грунтовых вод. Они являются единственным достаточно большим резервуаром для су­ щественного пополнения океанов и масс льда.

5.4.3. Заключение

Интенсивность влагооборота может быть важным фактором из­ менения климата, особенно если иметь в виду данные об умень­ шении запасов грунтовых вод.

5.4.4. Рекомендация

Мы рекомендуем организовать исследование взаимосвязи ин­ тенсивности гидрологических процессов, изменений компонентов водного баланса и изменения климата. Особое внимание необхо­ димо обратить на исследование этих факторов в связи с измене­ ниями климата в прошлом.

94

5.5. ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные знания о процессах климатообразования явно не­ достаточны, поэтому многие полученные выводы необходимо срав­ нивать с данными о текущем состоянии атмосферы и океанов и с распределением солнечной и земной радиации в атмосфере и над ней. Все это предполагает, в частности, организацию таких наблю­ дений, которые раньше не проводились ни метеорологами, ни оке­ анологами. Некоторые физические свойства атмосферы, особенно те, что связаны с наличием в ней облаков и пыли, также не из­ вестны с той степенью подробности, которой хотелось бы достичь. Поэтому мы считаем необходимым рекомендовать определенную программу сбора данных и физических исследований с целью по­ строения теории и моделей. Наши рекомендации по организации исследований и наблюдений представлены в конце каждого пара­ графа этой главы.

5.6. НЕКОТОРЫЕ РАЗЪЯСНЕНИЯ ПО ОСУЩЕСТВЛЕНИЮ РЕКОМЕНДАЦИЙ

Использование спутников представляется обязательным для осуществления рекомендаций 1 и 2 п. 5.2.4 и рекомендации 1 п. 5.3.4. Спутники представляются наиболее экономичным средст­ вом производства непрерывных наблюдений, предлагаемых реко­ мендацией 4 п. 5.2.4. Насколько нам известно, датчики и другая техника, требующаяся для производства этих наблюдений с необ­ ходимой точностью, сейчас имеются.

В стадии подготовки находится спутниковый эксперимент (нам известно только об одном эксперименте), предназначенный для проверки оборудования, которое в основном удовлетворяет требо­ ваниям указанных рекомендаций, за исключением, вероятно, ре­ комендации 2 п. 5.2.4. Оперативные метеорологические спутники работают непрерывно уже в течение нескольких лет, причем они стали достаточно совершенными для того, чтобы нести необходи­ мую измерительную аппаратуру. Использование спутников в ука­ занных выше целях, разумеется, потребует некоторого пересмотра той роли, которая им первоначально была отведена. Вероятно, по­ требуется несколько изменить очередность выполнения спутниками различных функций для обеспечения нужд метеорологических служб. Интеллектуальные и материальные затраты, возникающие в связи с вышеуказанными рекомендациями, пропорциональны об­ щим затратам на метеорологию.

к производству наблюдений вследствие того, что мы не сумели предложить точную выполнимую программу, которая позволила бы учесть природу движений и структуру океанов в широком диапа­ зоне масштабов. Мы согласились, что окончательная разработка детальных теорий климата потребует значительного расширения

95

океанографических наблюдений. В настоящее время мы не в со­ стоянии сформулировать даже приблизительно минимальные тре­ бования к наблюдениям.

Что касается рекомендации относительно частиц, то эта тема подробнее развита в главе 8.

17.T h о m p s о n P. D. Numerical Weather Analysis and Prediction. N. Y., Mac­ millan Co., 1961. 118 p.

96