Изменения климатических режимов с периодами в несколько десятилетий происходят в атмосфере, биосфере, на поверхности суши и океана, отчасти «тревожа» материковые льды, однако они не захватывают глубинный океан. Только ледниковые периоды прошлого отражались на всех составляющих климатической системы и даже на верхнем слое земной коры – астеносфере, которая «проседала» под тяжестью больших ледниковых щитов Евразии и Северной Америки.
Понятно, что для описания и количественных оценок взаимодействий между всеми этими сегментами климатической системы необходимо значительное число соответствующих характеристик. Поэтому физических величин, характеризующих текущее состояние климатической системы, насчитывается несколько десятков. Лишь немногие из них (температура воздуха и водоемов, скорость и направление ветра, давление воздуха и осадки) представляют повседневный интерес для обычного человека. Но для специалистов – и синоптиков, и климатологов – не менее важны: положение областей низкого и высокого давления воздуха, наличие или отсутствие облачности, типы и толщина облаков, отражательная способность (альбедо) поверхности, уровни солености и кислотности морской воды, ее температура и многие другие показатели.
С тех пор как получение значений таких показателей посредством спутникового мониторинга стало рутинной процедурой, на головы специалистов регулярно сваливаются мегабайты необходимой им информации. С одной стороны, еще пару десятилетий назад об этом можно было только мечтать, но, с другой, в таком потоке чисел трудно не «утонуть». К счастью, в климатических исследованиях каждое число – результат замера высокочувствительного датчика – не имеет большой самостоятельной ценности, но важно в ряду себе подобных.
Поясним эту несколько заумную фразу на простом примере. Допустим, на метеостанции в течение часа произведено 10 замеров скорости ветра, которые дали следующие результаты:
В какие-то моменты ветер усиливался, в какие-то даже менял направление на противоположное, а общий разброс значений достигал 10,3 м/с. Однако если в нашу задачу не входит анализ его флуктуаций, а интересна лишь общая характеристика за весь час, то резонно использовать в качестве таковой среднее арифметическое всех приведенных замеров. В нашем примере оно равно 2,9 м/с. Два отрицательных значения, несомненно, не отражают превалировавших в этот час тенденций, но дают свой вклад в среднее значение за час (без них среднее из восьми положительных скоростей составляло бы 3,16 м/с, т. е. возросло на 9 %).
В отличие от рассмотренного примера, длина ряда спутниковых измерений выражается числом со многими нулями, так что возможность осреднять данные оказывается «спасательным кругом», который позволяет климатологам «держаться на плаву» в этом океане чисел. Разумеется, вычислением среднего арифметического обработка поступающей информации не ограничивается – используется весь арсенал методов математической статистики.
К сожалению, далеко не все климатические параметры можно непосредственно измерить, и для их получения приходится применять специальные методы (так называемое решение обратных задач), основанные на знании газовых законов, законов оптики атмосферы и др. При этом неизбежны погрешности в значениях таких параметров, устранить или хотя бы уменьшить которые также помогает математическая статистика.
В климатической системе Земли существуют две основные периодичности: суточная (вращение Земли вокруг своей оси) и сезонная (вращение Земли вокруг Солнца), и эти периодичности формируют распределение основных климатических характеристик в пространстве и времени (см. рис. 2 цв. вклейки). Для упорядочения и систематизации этих характеристик часто прибегают к уже знакомому нам усреднению по однородным регионам и интервалам времени, обычно связанным либо с указанными периодичностями (среднесуточные, среднегодовые значения), либо с частями этих периодов (средние часовые, среднемесячные и среднесезонные величины). Среди перечисленных особо выделим месячные осреднения как в некотором смысле естественные: в природе существуют колебания, период которых близок к 30 дням. (Отчасти такие колебания могут быть обусловлены лунными периодами – «лунными месяцами».)[3] Этот факт «узаконивает» широко распространенные месячные осреднения почти всех климатических величин в публикациях и архивах данных измерений. Анализ периодичности флуктуаций температуры нижней атмосферы показал, что их довольно четко можно разделить на флуктуации с периодами меньше месяца (синоптические) и больше месяца (до полугода) соответственно.
Не секрет, что всеобщий интерес вызывают в первую очередь события и явления, суть которых до конца неясна, а развитие проистекает у всех на глазах. Именно таковы климатические явления. Если бы климат не изменялся, едва ли он интересовал бы нас больше, чем упоминавшийся прогноз погоды жителей Мальдивов. Да и неразгаданных загадок у климатической системы осталось великое множество. (В данном случае под изменениями климата подразумевается устойчивая тенденция к изменению какой-либо из его характеристик за длительный промежуток времени.) Как мы уже знаем, увеличение среднегодовой среднеглобальной температуры приземного воздуха на 0,7 °C с начала ХХ века до настоящего времени дало основание говорить о глобальном потеплении, повлекшем попутно изменения и других климатических характеристик. Существующие же относительно кратковременные изменения будем рассматривать как колебания климата. К этой категории можно отнести и сезонные изменения климатических характеристик, и происходящую раз в два-три года (квазидвухлетнюю) смену направления переноса воздуха в экваториальной стратосфере (на высотах 15–50 км) с запада на восток или обратно, и периодическую перестройку температуры поверхности океана и циркуляции нижней тропосферы (на высотах до 15–17 км) в тропической зоне Тихого и Индийского океанов (явление Эль-Ниньо).
Влияние на текущее состояние климата могут оказывать и некоторые непериодические явления природы, в частности крупные извержения вулканов, сопровождающиеся забросом значительной массы газов и аэрозолей (пепла) в стратосферу. Как показывают измерения, продолжительность их воздействия составляет от одного года до трех лет.
Итак, отдельные части климатической системы Земли постоянно эволюционируют и взаимодействуют друг с другом.
Давайте поговорим об этом подробнее.
Глава третья На земле, в небесах и на море
Что происходит внутри климатической системы
Земля, воздух, вода – три стихии, от состояния которых зависит и качество нашей жизни, и само ее существование. Они же (в большей степени – воздух, т. е. атмосфера, в меньшей – остальные) воплощают в нашем сознании климат и его изменения. Это ли не основание приглядеться к ним повнимательнее!
Океан
«Земля» в русском языке не только название планеты, но и синоним суши, почвы, грунта. Тем самым как бы подчеркивается точный адрес «места жительства» человеческой цивилизации. Однако если бы имя нашей «голубой планете» давал астроном-инопланетянин, скорее всего он назвал бы ее «Океан»: как-никак 70,8 % поверхности Земли (60,6 % в Северном полушарии и 81 % в Южном) покрыто водой.
Как уже говорилось, океан лидирует в климатической системе по массе и теплоемкости, а значит, и по роли в долговременных изменениях всей системы. Океан является основным энергоаккумулятором климатической системы, забирающим дополнительную энергию Солнца в теплое полугодие (в каждом полушарии свое!) и отдающим энергию в атмосферу в холодное полугодие. В этом океан подобен аккумулятору автомашины: как она не заводится без аккумулятора, так и климатическая система «не работает» без постоянного участия океана.
Подсчитано, что не будь на Земле океана, средняя температура ее поверхности была бы -21 °C, т. е. на 36 °C ниже существующей.
В отличие от атмосферы – единого слоя на земном шаре, Мировой океан состоит из четырех крупных сосудов – океанов: Тихого, Индийского, Атлантического и Северного Ледовитого. Иногда еще выделяют Южный океан – южные части Тихого, Индийского и Атлантического океанов, примыкающие к Антарктиде. Он соединяет все эти «сосуды» в одну систему – Мировой океан. Основные характеристики каждого из океанов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительные характеристики океанов
Подсчитано, что не будь на Земле океана, средняя температура ее поверхности была бы -21 °C, т. е. на 36 °C ниже существующей.
В отличие от атмосферы – единого слоя на земном шаре, Мировой океан состоит из четырех крупных сосудов – океанов: Тихого, Индийского, Атлантического и Северного Ледовитого. Иногда еще выделяют Южный океан – южные части Тихого, Индийского и Атлантического океанов, примыкающие к Антарктиде. Он соединяет все эти «сосуды» в одну систему – Мировой океан. Основные характеристики каждого из океанов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительные характеристики океанов
* Средняя глубина Мирового океана – ~3700 м.
** Средняя приповерхностная температура вод Мирового океана – 17,5 °C
Ежегодно с поверхности океанов испаряется пласт воды толщиной около одного метра и примерно столько же воды возвращается в океан в виде осадков и стока с поверхности суши.
Морская вода представляет собой раствор 44 химических элементов; если всю морскую соль распределить в сухом виде по поверхности суши, образуется слой толщиной почти 150 м!
Средняя соленость воды Мирового океана составляет 35 г/кг (т. е. в 1 кг воды содержится около 35 г солей), в тропических морях она доходит до 42 г/кг, а наименьшие ее значения – в устьях крупных рек.
Океаны – сосуды сообщающиеся, и при их обмене водами происходит обмен теплом, который определяет региональный и глобальный климат.
Все океаны имеют свою специфику, поэтому кратко остановимся на их особенностях (см. рис. 3 цв. вклейки).
Начнем с Северного Ледовитого океана – по размерам самого маленького, но самого близкого и важного для нас, для России. Он имеет, по существу, один канал связи с Мировым (Атлантическим) океаном – через пролив Фрама и Гренландское море. Узкий и мелкий Берингов пролив не в счет: он не обеспечивает заметного водообмена между Северным Ледовитым и Тихим океанами. Части Северного Ледовитого океана, находящиеся в западном и восточном полушариях, различны: в восточном – более мелкая его часть от Норвежского моря до Берингова с цепочкой морей, разделяемых известными островами: от Шпицбергена до острова Врангеля. В моря между этими островами северные реки России выносят много относительно теплой пресной воды. На западное полушарие приходится север Гренландии и значительные по площади острова Канадского архипелага, продвинутые на север дальше островов Восточного сектора Северного Ледовитого океана. Здесь глубины океана больше и нет значительных рек, «согревающих» данный сектор.
Основная особенность Северного Ледовитого океана – морские льды, постоянно образующиеся, переносимые ветрами и морскими течениями и постепенно тающие. Общая площадь льдов Северного Ледовитого океана сильно меняется по сезонам с максимумом в марте (в холодное время года льдами покрыто около 9/10 его площади) и минимумом в сентябре. Амплитуда этого сезонного изменения значительно больше в Восточном секторе и имеет тенденцию к росту в последние десятилетия.
Морские льды – «одеяло», затрудняющее поступление тепла из океана в холодную полярную атмосферу. Основной поток этого тепла поступает через разрывы льдов – полыньи, быстро меняющиеся по форме и местоположению в зависимости от дрейфа (переноса) морских льдов ветрами. Уменьшение площади льдов в Восточном секторе Северного Ледовитого океана усиливает там прогрев атмосферы океаном и еще больше сокращает эту площадь, что и отмечается наблюдениями в последние годы.
Атлантический океан связан с Северным Ледовитым океаном, он главный «организатор» глобального океанического конвейера (см. рис. 4 цв. вклейки) и формирователь погоды и климата Европы и большей части России. В его северной части образуется система дрейфовых течений, начинающаяся с экваториальных переносов поверхностных вод на Запад. Эта система производит переносящий 75 млн т воды в секунду Гольфстрим («поток из залива»). Гольфстрим – не единственный водный переносчик тепла из тропиков. Аналогичное течение Куросио (переносит 65 млн т воды в секунду) находится у берегов Японии, а холодные Камчатское и Лабрадорское течения охлаждают соседние регионы.
Системы дрейфовых течений поверхностных вод в Атлантике (и в других океанах) образуются под действием ветров постоянной силы и направления (пассатов, с ними мы еще встретимся). Такие течения служат главными переносчиками тепла и холода между тропиками и другими широтами и наблюдаются во всех океанах.
Однако в Атлантике основное значение для климатической системы имеют так называемые термохалинные (теплосолевые) течения – основа глобального океанического конвейера. В северной части океана поверхностные воды охлаждаются, опускаются в его придонный слой и движутся вдоль дна на юг, давая начало главной ветви глобального океанического конвейера. В южной Атлантике эти воды поступают в систему глубинных потоков Южного океана и заносятся с ними в Тихий и Индийский океаны. В ряде мест, в основном в субтропических и тропических широтах, данные глубинные холодные воды поднимаются к поверхностному слою и образуют так называемые зоны апвеллинга (upwelling, от англ. well – колодец). Здесь холодные глубинные воды, богатые химическими элементами, служат питательной средой для морской биоты (живых существ), а потому именно в этих местах преимущественно ведутся морские промыслы. В меньшей степени опускание на дно холодных поверхностных вод происходит в Южном океане у берегов Антарктиды, и они также поступают в глобальный океанический конвейер.
Тихий (Великий) океан – самый большой по площади и объему вод и соответственно по вкладу в массу и теплоемкость климатической системы. Важная особенность этого океана – система непериодических колебаний температуры поверхностных вод и нижней тропосферы в его тропической зоне – Эль-Ниньо (фаза Южного колебания), которое было изучено (не до конца!) сравнительно недавно. Название этого явления (Эль-Ниньо) происходит от испанского El Nino – мальчик, малыш, так как оно начинается в заметном объеме в конце года во время католического Рождества. Случается это не каждый год, а через промежутки в 2–5 лет с разной интенсивностью и продолжается весь следующий год, а иногда и дольше.
Зарождается Южное колебание в восточной части Тихого океана у берегов Перу. В обычных условиях в этом регионе властвует холодное Перуанское течение, несущее воды с юга на север. Вблизи экватора течение становится зональным, прогреваемый поверхностный слой воды, благодаря постоянно действующим пассатам, смещается в западном направлении (рис. 6). Здесь же имеет место апвеллинг — подъем холодных, богатых питательными веществами вод, что создает предпосылки для мировых рекордов вылова рыбы (анчоуса).
С наступлением Эль-Ниньо возникает температурная аномалия поверхностного слоя приэкваториальной части Тихого океана – температура повышается примерно на 0,5–1 °C. Одновременно ослабевают пассаты, и не подверженный их воздействию теплый поверхностный слой «растекается» и охватывает все бо́льшую площадь. В перуанскую акваторию с запада приходят теплые воды, отчасти подавляя апвеллинг. Как следствие, в этом регионе нарушается бесперебойное поступление планктона, возникает дефицит пищи для рыб и соответственно падают уловы. Обычно засушливый климат на западном перуанском побережье на время действия Эль-Ниньо резко меняется: приход с запада влажных воздушных масс сопровождается интенсивными осадками, ливнями. В Индонезию, напротив, Эль-Ниньо приносит засушливую погоду (рис. 6).
Рис. 6. Схема явления Эль-Ниньо. Тропическая часть Тихого океана при «нормальных» условиях (а) и при наступлении Эль-Ниньо (б).
Современные исследования показывают, что влияние Эль-Ниньо сказывается также в Африке и в Атлантике, но уже в меньшей степени. Вообще же в последние годы стало «модным» приписывать влиянию Эль-Ниньо изменения климатических величин в самых разных уголках земного шара, однако делать заключения о том, насколько справедливы такие выводы, в условиях недостаточной изученности данного явления, преждевременно.
В другой фазе Южного колебания – Ла-Ниньо (от испан. La Nina – малышка, девочка) – температура поверхностного слоя океана мало отличается от ее среднего значения в этом регионе. В отсутствие Эль-Ниньо над Индонезией расположена область пониженного давления, поэтому уровень Тихого океана здесь выше, чем над западным побережьем Перу. Это обстоятельство позволяет характеризовать явления Эль-Ниньо и Ла-Ниньо с помощью индекса Южного колебания (ЮК). Этот индекс представляет собой разность средних величин приземного давления воздуха в Дарвине (Австралия) и на о. Таити (или Кальяо, Перу). Отрицательные его значения соответствуют фазе Эль-Ниньо, а положительные – фазе Ла-Ниньо.