Структурное формирование в мировых метеосистемах; двигатели атмосферы

Плотный холодный воздух непрестанно стекает с ледяных пиков северного полюса. Воздух под высоким давлением или нисходящий поток по спирали покидает полярную область уже как восточные ветры, которые сами оказывают воздействие в высоких широтах (60 – 80°) возле полярных льдов. Длинные струи этого воздуха изгибаются наружу до широты 30°.

В то время, как сама спираль захвачена (и образована) вращением Земли, эти холодные воздушные камеры увлекают за собой ряд противоположно вращающихся воздушных камер низкого давления (поворачивающихся по часовой стрелке в южном полушарии и против – в северном полушарии). Эти камеры затем смешиваются с другими вращающимися спиралями воздуха высокого давления, поднятого у экватора, и опадают в широтах 15 - 40°. Камеры с воздухом высокого давления средних широт разворачиваются против часовой стрелки в южном полушарии и по часовой – в северном.

Рис 5.1 (стр. 108 книги) КЛАССИФИКАЦИЯ ТИПОВ КЛИМАТА ПО КОППЕНУ

Основная мировая классификация; подуровневая классификация дана в более подробных картах или справочных материалах.

English	Русский
Climates of the Earth modified after Koppen-Geiger. Pohl	Климаты Земли Классификация по Коппен-Гейгеру Полю.
A). Tropical rainy climates Trop. rainforest (Af.Aw) Trop. savannah (A)	А). Влажные тропические климаты Влажный тропический лес (Af.Aw) Тропическая саванна (Aw)
B). Dry climates Steppe (BS) Desert (BW)	Б). Сухие климаты Степь (BS) Пустыня (BW)
С). Humid mesothermal climates Warm + dry winter (Cw) (monsoon + ??? savannah) Warm + dry summer (Cs) (Mediterrannean) Humid temperate (Cf)	C). Влажные мезотермальные климаты Тёплый+сухая зима (Cw) (сезон дождей + ??? саванна) Тёплый+сухое лето (Cs) (средиземноморский) влажный умеренный (Cf)
D). Humid microthermal climates Cold + moist winter (Df) Cold + dry winter (Dw) (monsoon type)	D). Влажные микротермальные климаты Холодный+влажная зима (Df) Холодный+сухая зима (Dw) (по типу сезона дождей)
E). Polar climates Tundra (ET) Perpetual frost (EF)	E). Полярные климаты Тундра (ET) Вечная мерзлота (EF)
Scale at 35° lat. Sea	Масштаб на 35° широты Уровень моря
Flat polar quartic equal area projection	Плоская полярная равновеликая проекция четвёртого порядка

Рис. 5.2 (стр. 109 книги)

МАТРИЦА БИОМОВ ПО ХОЛДРИДЖУ.

Этот анализ соответствует классификациям перечня растений. Таблица представляет широкий охват областей, рассматриваемых в данной книге.

English	Russian
Key – major climate classifications used in this handbook	Ключ – основные климатические классификации, используемые в этой книге
Arid, subtropical, tropical, cold temperature, frost line, critical temperature line	Засушливый, субтропический, тропический, низкотемпературный, линия промерзания, линия критической температуры
Latitudinal regions: polar, subpolar, boreal, cool temperate, warm temperate, subtropical, tropical	Широтные регионы: полярный, приполярный, арктический, холодный умеренный, тёплый умеренный, субтропический, тропический
*mean annual biotemperature in degrees centigrade	*среднегодовая биологическая температура в градусах по Цельсию
Potential evapo-transpiration ratio	Коэффициент потенциальной транспирации и испарения
Humidity provinces (само разделение на типы неразборчиво !)	Классификация районов влажности
Altitudinal belts: naval, alpine, subalpine, montane, lower montane	Высотные пояса: морской, альпийский, приальпийский, гористый, низкогорный
Average total annual precipitation (mm)	Среднегодовой осадок (мм)
Mean annual potential evapo-transpiration in millimeters	Среднегодовой потенциальный коэффициент испарения и транспирации в мм
BIOMES: area land mass %, plant mass %	БИОМЫ: площадь суши %, растительный массив %
Tundra, boreal forest, chapparal, temperate grassland, temperate forest, desert, tropical shrub and woodland, tropical savannah and grassland, tropical deciduous forest, tropical evergreen forest	Тундра, северный лес (тайга), чапарель, прерия, лес умеренного пояса, пустыня, тропический лес и кустарник, тропическая саванна и прерия, тропический лиственный лес, тропический вечнозелёный лес
TOTAL	ИТОГО
HUMAN CROPLANDS	ПАХОТНЫЕ ЗЕМЛИ

Таблица 5.1

ЗОНЫ МОРОЗОСТОЙКОСТИ

ЗОНА	Среднегод. миним. T °F	Среднегод. миним. T °C	Примечания
1	Ниже -50	Ниже -45	Арктическая тундра
2	От -50 до -40	От -45 до -40	Холодные прерии и хвойные леса
3	От -40 до -30	От -40 до -34	Хвойные и смешанные леса
4	От -30 до -20	От -34 до -29	Холодные внутренние области континентов
5	От -20 до -10	От -29 до -23	Смешанные леса и прохладные прерии
6	От -10 до 0	От -23 до -18	Широколиственные и лиственные леса
7	От 0 до 10	От -18 до -12	Широколиственные леса
8	От 10 до 20	От -12 до -7	Засушливые степи, саванна
9	От 20 до 30	От -7 до -1	Полузасушливые побережья и бассейны водоёмов
10	От 30 до 40	От -1 до 4	Субтропические, пальмовые побережья
11	От 40 до 50	От 4 до 10	Тропические леса, пустыни
12	Выше 50	Выше 10	Экваториальные дождевые леса, сезоны дождей

Таким образом, в широтах 50°-20° и в “ревущих сороковых” вокруг Земли происходит вращение 15-18 больших воздушных камер (переменных – то высоких, то низких), при этом все они являются небольшими спиральными системами, вращающимися вокруг большой полярной спиральной системы (Рис 5.3). На западных побережьях смена полярных холодных и тёплых воздушных масс высокого давления происходит примерно с интервалом в 10 дней, хотя всё же большие воздушные камеры застывают на месте, перекрывая западное направление движения ветров, и создают статические океанические условия, влияющие на океанический круговорот и, как следствие, на рыбный промысел (например, эффект Эль Ниньо).

Эти большие вереницы подвергаются воздействию континентов и отталкиваются ими, настойчивые тёплые воздушные камеры высокого давления - поверх холодных воздушных континентальных масс, и, при относительной интенсивности воздушных камер, происходит одностороннее распределение неравномерных холодных-тёплых воздушных фронтов. Так же, как холодный полярный ветер иногда уносится к экватору массами низкого давления, так и тёплые тропические воздушные массы вовлекаются во внешнее вращение на высотах и приносят обильные тёплые дожди на полюсы. Высотные струи могут ускорять или препятствовать этой веренице, и сами струи способны распадаться при нагрузках, вызванных сдвигающими усилиями.

Возмущения и сопротивление в системе вызывают взаимное нагромождение холодных фронтов и их отталкивание от воздушных камер высокого давления в сторону полюсов и в результате – череда дождей тёплого и холодного фронтов (циклонные или спиральные дожди).

Все эти ветровые пояса ежегодно передвигаются за солнцем в сторону севера и юга, на что в меньшей степени также влияет 18,5-летний лунный цикл, что в свою очередь периодически вызывает дополнительные дожди и ветровые потоки. Система кажется хаотичной и прогнозируемой лишь на короткие сроки, но недавно мы научились оценивать некоторые эффекты долговременных циклов.

Большой спиральный круговорот областей Южного полюса показан на Рис. 5.3. Около 12-18 холодных фронтов (облачные полосы) вращаются с запада на восток вокруг полюсов и прибывают к побережьям этого региона каждые 10 дней как “циклонные фронты”. Они воздействуют на области вплоть до 30° южной широты с сопутствующими четырьмя большими фронтами (и, вероятно, несущими) с облачными полосами до 10° южной или северной широты в основном по западным границам Южной Америки, Африки и южной Атлантики. Теперь мы знаем, что именно океаническое круговращение перемещает воздушные массы, а не наоборот.

Фронты перемещаются по дуге на запад по мере того, как Земля совершает обороты на восток. Каждый облачный фронт является плодом встречи холодного полярного фронта и тёплых приполярных воздушных масс или воздушных камер высокого давления. Области низкого давления вращаются по часовой стрелке, области высокого давления – против часовой в виде череды зубцеобразных спиралей или торов, обходящих вокруг полюсов каждые 3-4 месяца. В Северном полушарии вращение происходит в обратном порядке. Холодный, плотный и сухой полярный воздух, подметающий ледниковые шапки, и горячий восходящий неподвижный воздух экватора вращают эти огромные колёса; вторжения прозрачных воздушных масс (нисходящие) состоят из горячих сухих и холодных сухих континентальных воздушных масс (Австралия, Африка) или воздушная масса, спускающаяся с соответствующего экваториального региона (восходящий поток) (Рис. 5.4).

В следующих разделах этой главы я буду рассматривать КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ в нижеследующем порядке:

- осадки (дождь, туман, роса, испарение – 5.4)

- излучение (свет, тепло, мороз, солнечная активность - 5.5)

- ветра (обычные ветра, ураганы и торнадо – 5.6)

- характер местности (высота, долины, крутизна уклона – 5.7)

- факторы широты – высоты (5.8).

5.4

ОСАДКИ

Осадки состоят в основном из двух составляющих: снег, дождь и град (ВОДНЫЕ ОСАДКИ из облаков) и КОНДЕНСАЦИЯ (конденсированная вода или вода, задерживаемая прохладными поверхностями в туманах или иногда в чистом воздухе). Несмотря на то, что последний тип осадков может быть весьма важен для склонов, выходящих на море, и высотной местности (горных влажных лесов), но единственно надёжным и широко распространённым источником осадков являются дождевые осадки. Среднемировой уровень выпадения осадков составляет 86 см (34 дюйма). В то время как мы можем принять 50 см (20 дюймов) осадков или меньше за полузасушливый уровень, а норму в 25 см (10 дюймов) и меньше за пустынную или засушливую, мы можем наблюдать местную сезонную засушливость по причине долговременных циклов и погодных эффектов, вызванных периодическими изменениями воздушных потоков и океанских течений в любом климате. Более длительные периоды повышенной засушливости также могут стать результатом вырубки лесов в местном или более крупном масштабе.

Именно потенциальная возможность изменения количества осадков заставила нас уделить так много внимания способам сохранения и сбережения воды в последующих главах. Вода обещает стать главным ограничивающим фактором для выживания и развития и будущей основной расходной статьёй для ведения сельского хозяйства и содержания садов и огородов. Таким образом, любая приемлемая стратегия для получения, сбережения и хранения воды является жизненно важной для проектирования пермакультурного хозяйства. Любой огородник знает, что средние годовые нормы выпадения осадков являются в лучшем случае самыми общими ориентирами. Гораздо более надёжным подходом было бы проследить за тем, чтобы подбор видов культур и способов добычи и сохранения воды основывались бы на возможности получения урожая и в условиях повышенной засушливости. В конце концов, рыба, на час лишённая воды, такая же потеря, как и её полное вымирание вследствие годовой утечки воды. Рис. 5.3 СПИРАЛЬНЫЕ ВОЗДУШНЫЕ КАМЕРЫ ВОКРУГ ЮЖНОГО ПОЛЮСА

(Earth spin – вращение Земли, cloud front – облачный фронт). Облачные полосы (затенённые) приносят с собой дожди на восточные - северо-восточные стороны высокого давления и на южную сторону области низкого давления воздушных камер. Вращение Земли создаёт эффект затягивания. Это структурное образование влияет на климат до 25 ° широты, когда циклоны вовлечены в систему.

Наши ежегодные садовые и огородные урожаи также восприимчивы к кратковременным изменениям поступления воды. Люди живут и занимаются садоводством при среднегодовых осадках в 10 см (4 дюйма) и меньше, умудряясь снимать урожаи, достаточные для собственного обеспечения и излишка. Сторонняя вода (неместного происхождения) поступает в сухие регионы в виде рек и подземных водоносных горизонтов, что позволяет благоразумно использовать её, восполняя действительный недостаток дождевых осадков, применяя великое множество различных способов, уместных в данном регионе. Средние нормы выпадения осадков служат скорее индикатором широкого диапазона, нежели точно определяемыми ограничителями. Гораздо большее значение для нас имеет ожидаемое РАСПРЕДЕЛЕНИЕ осадков (включая такие предельные значения, как самое большое наводнение, наблюдавшееся за 100 лет) и данные по ИНТЕНСИВНОСТИ дождей, так как они влияют на размер придорожных водоотводов, водоотводных каналов плотин, хранилищ воды, призванных обеспечивать нас в засушливые времена. Сами наводнения устанавливают на местности границы, которых необходимо придерживаться при строительстве домов, разбивке площадей под посадки, установке оград и заборов, поэтому важно внимательно отслеживать записи о таких наводнениях, чтобы в будущем избежать разорительных последствий. Если упустить из виду возможность наводнений, жизнь может подвергнуться ненужному риску во время выпадения обильных дождевых осадков.

При увеличении уровня осадков уменьшается количество доступного света. Поэтому в промышленных регионах с чрезвычайно влажным облачным климатом, щедрым на туманы и облачность, свет становится ограничителем возможности выращивать те или иные растения до их созревания или даже цветения. В конце сезона выпадения осадков, когда наступает сухая пора (когда средний уровень выпавших осадков достигает 50 см или 20 дюймов), солнца достаточно и испарение преобладает над осадками, что в свою очередь и становится ограничивающим фактором. Этот фактор определяет наши стратегии хранения воды на засушливых землях так же, как, например, сезонное промерзание грунта и ледяной покров определяют стратегии ретикуляции воды в холодных климатических зонах. Осадки весьма удобно характеризуются причинами, их вызывающими: - ОРОГРАФИЧЕСКИЕ: охлаждение воздуха при его подъёме над вершинами холмов или гор;

- ЦИКЛОННЫЕ или ФРОНТАЛЬНЫЕ: преобладание холодных и тёплых воздушных масс над полярным круговоротом;

- КОНВЕКЦИОННЫЕ: колонны тёплого воздуха, восходящего их пустынь и океанов в более холодные слои воздуха. Кроме дождя существуют роса и туман. РОСА появляется обычно в конце ночей с ясным небом, в результате моментальной тепловой потери, а также в результате выпадения из влажной воздушной массы на побережьях и холмах. Чаще роса выпадает в пустынях с ясным небом, чем в облачных местностях, плюс небольшая скорость ветра (1-5 км/ч) способствует образованию большего количества росы. Однако неподвижный воздух и сильные ветры снижают выпадение росы. Наибольшая степень интенсивности выпадения росы составляет от 3 до 100 см выше уровня земли, высота выпадения росы зависит от высоты сухой земли, при этом, чем влажнее земля, тем ниже выпадает роса, т.к. она медленнее охлаждает.

Не нужно путать выпадение росы (вследствие быстрой теплопотери земли в ночное время с ясным небом) с влагой на листве над тёплой и влажной землёй в облачные ночи. Это явление либо ВЫПОТЕВАНИЯ ЛИСТЬЕВ (вода, проступившая через поры листьев), либо ДИСТИЛЛЯЦИИ поднимающихся от земли паров; что не привносит ни капли в общую копилку осадков. Влага от выпотевания листьев задерживается на кончиках листьев, а роса – на всей поверхности листа. Только в пустынях с 4-5 см (1-2 дюйма) выпадения росы в год роса имеет какой-то вес в общем количестве осадков. Роса в пустынях может рассматриваться как дополнение, а не замещение капельно-струйной ирригации. Росу можно улавливать с помощью груды свободно положенных друг на друга камней, когда ночные низко дующие ветры охлаждают каменистые поверхности и роса может собираться, увлажняя землю внизу. В пустыне Негев и других засушливых местностях некоторые растения могут существовать только близ таких мест конденсации росы. Каждая такая груда камней содержит достаточно влаги, чтобы напитать одно дерево (Рис 5.5). Очень большие улавливатели тепла, такие, как Ланцароте на Канарских островах (Рис. 5.6), способны дать всё необходимое для выращивания целой виноградной лозы в каждом из своих отверстий. Самыми лучшими ловушками для росы считаются отдельно стоящие кусты высотой 1-2 метра. Группы или отдельные растения с травой хуже накапливают росу, что позволяет объяснить дискретное расположение растений в пустыне, когда происходит до 40% больше выпадения росы на разрозненно стоящие кусты, чем собиралось бы в неподвижном воздухе или под закрытым куполом крон деревьев и другой растительности.

Можно устанавливать изгороди из сетки-рабицы высотой около 1 м, чтобы использовать их в качестве первичных конденсаторов росы в пустынях, выращивая кусты вдоль линии капельного орошения, и передвигать изгородь дальше после того, как кустарниковые растения выросли. В Морокко такие изгороди предлагаются в обезлесенных прибрежных районах.

ТУМАН образуется там, где испаряется тёплая вода или испарение от тёплого дождя поднимается в холодный воздух, или же прохладная земля остужает поток тёплого воздуха и конденсирует влагу. Чанг (1968 г.) сознательно разделяет следующее:

1. ПРИЗЕМНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ТУМАН – образуется в ясные ночи в низинах, плато и логах, где происходит быстрое остывание, образующее туман во многом по тому же принципу, что и морозы зимой.

2. АДВЕКТИВНЫЙ ТУМАН – образуется там, где холодные морские течения вдали от берега конденсируют влагу в тёплых потоках морского воздуха. Это прибрежные и морские туманы, обволакивающие многие побережья, например, Ньюфаундленд и часть северо-запада Европы.

3. ОРОГРАФИЧЕСКИЙ ТУМАН ИЛИ ТУМАН СКЛОНОВ – образуется там, где тёплые влажные воздушные потоки уносятся вверх по склонам и сжижают влагу при охлаждении воздуха.

В отличие от росы туман даёт большое количество влаги. Чанг приводит следующие цифры осадков только из туманной капели: 329 см (128 дюймов) на горе Тейбл Маунтин (“Столовая гора”) в Южной Африке и 127 см (50 дюймов) на горе Ланай на Гавайях.

Рис 5.4. Направление ветра и камеры давления.

ENGLISH	РУССКИЙ
Polar ice cap high pressure	Высокое давление полярной ледовой шапки
Polar easterlies	Полярные восточные ветры (пассаты)
Interpolar calms	Межполюсные штилевые полосы
Horse latitudes	Широты штилевого пояса
NE Trades	СВ (северо-восточные) пассаты
Summer monsoon	Летний муссон
Horse latitudes high pressure calms	Штилевые полосы высокого давления широт штилевого пояса
Roaring forties (westerlies)	"Ревущие сороковые широты" (западные ветры)
Sub polar low pressure calms	Приполярные штилевые полосы низкого давления
A.A. Primary cold air cells driven by ice chilling at the poles	А.А. Первичные камеры холодного воздуха, влекомые охлаждающим воздействием льда на полюсах
B.B. Secondary cells driven by A and C cells	В.В. Вторичные камеры, движимые камерами А и С.
C.C. Primary hot air cells driven by equatorial heat	С.С. Первичные камеры горячего воздуха, движимые экваториальным воздухом

Рис. 5.5 Груды камней под деревом (уловитель влаги).

Груды свободно наваленных камней высотой менее 1 метра конденсируют влагу из ночных потоков воздуха. Предусмотрено свободное прохождение воздушного потока между камней.

ENGLISH	РУССКИЙ
Stone mulch in discrete piles	Раздельные груды камней
Drip line	Линия выпадения осадков (капели)

Рис. 5.6 Уловитель влаги Ланцароте

Прохладный воздух попадает в эти ямки с золой и влага выпадает на золу.

ENGLISH	РУССКИЙ
Cinder layer	Слой золы
Volcanic cinder	Вулканический пепел

В таких районах даже полевые культуры могут расти и расцветать без полива. Как правило, на новообразовавшихся почвах и голых камнях с морской стороны холмов растут лишь мхи и лишайники, а дождевые тропические леса предпочитают более богатые почвы. На большей части Новой Зеландии характер местности обуславливает осадки в основном из туманов склонов, и, если их не сожгут или не сведут до туссоковых пастбищ, густые леса будут разрастаться и дальше. Разрозненные кроны таких лесов являются прекрасными туманоуловителями. Даже при отсутствии видимого тумана деревья собирают значительное количество влаги на морских склонах из ветров, дующих внутрь материка с тёплых морей и встречающих на своём пути прохладную лиственную крышу леса.

В очень влажных условиях туманных лесов гигантские деревья могут накапливать так много влаги и суммарное испарение так неэффективно при наличии туманов и неподвижного воздуха, что у дерева отваливается больше крупных ветвей в неподвижном воздухе, чем при сильных ветрах (которые чаще сносят отжившие ветки, чем живые). После нескольких дней неподвижных туманов бывает довольно жутко услышать “бахх” неожиданно шумного падения крупной ветви в спокойном лесу. Почти постоянная конденсация туманов покрывает верх океанских островов в верхних широтах, там быстро разрастаются висячие мхи и эпифиты (грибковые паразиты), как они разрастаются у подножья водопадов по тем же самым причинам (частицы влаги в воздухе).

5.5