Евгений Борисенков - Климат и деятельность человека
Расчеты показывают, что в далеком прошлом скорость вращения Земли была больше, а зональность климата ярче выражена, чем сейчас. Зафиксированы и более короткопериодные изменения скорости вращения Земли с периодами в несколько месяцев. Одни ученые объясняют это влиянием циркуляции атмосферы, другие относят за счет внешних сил.
Рост скорости вращения Земли должен увеличивать зональность климата, т. е. контрасты температуры между высокими и низкими широтами. Однако при этом усиливается интенсивность и волновых процессов, которые способствуют выравниванию междуширотных контрастов. Эффект выравнивания междуширотных контрастов на Земле, где имеются океаны, и, например, на Марсе, где подстилающая поверхность практически однородна, не одинаков. В результате зональность циркуляции на Марсе выражена более четко, чем на Земле.
Наличие континентов и океанов на Земле, обладающих различными тепловыми свойствами, приводит к резким различиям климата вдоль одной и той же широтной зоны, чего не было бы при отсутствии океанов.
Если осреднить температуры для каждой широты и месяца, а затем построить карты, на которых нанесены изоаномалы температуры воздуха, т. е. отклонения средней температуры данного месяца в данной точке от средней температуры этого месяца на соответствующей широте, картина получается весьма пестрая. Такой метод анализа впервые был предложен и проведен академиком В. В. Шулейкиным. Так, для января в районе Северной Атлантики будет зафиксирована изоаномала 24°, а в районе Верхоянска —20° С. Над Тихим океаном проходит изоаномала 12°, а над Северной Америкой —14° С. Это означает, что средние температуры января на одной и той же широте в Северной Атлантике и Верхоянске различаются на 44° С. Такие контрасты определяют существенно различный климат морских акваторий и континентов, пограничных зон и др. Они накладывают отпечаток и на общую циркуляцию атмосферы, в частности определяют муссонную. В результате если бы на Марсе, например, увеличение скорости вращения за счет каких-то внешних причин привело бы к увеличению интенсивности зональной циркуляции, ослаблению междуширотного обмена и четко выраженной междуширотной контрастности климата, то на Земле при наличии океанов картина была бы совершенно иная. Увеличение зональности привело бы к потеплению зимой климата у западных побережий континентов и похолоданию его у восточных, летом эффект был бы обратный.
Таким образом, вращение Земли и характер подстилающей поверхности относятся к числу важнейших геофизических климатообразующих факторов.
Внутреннее, или геотермальное, тепло Земли является следствием того, что температура в земной толще возрастает со средней скоростью примерно 30° С/км. Теплообмен в недрах Земли осуществляется в основном на молекулярном уровне при среднем коэффициенте теплопроводности 0,005 кал/см °С. В результате от Земли в океан или атмосферу поступает поток тепла, который составляет около 10-4 кал/мин, или 6·10-2 Вт/м2. В то же время турбулентные потоки тепла над океаном на 3—3,5 порядка больше. Даже над ледяной поверхностью турбулентные потоки тепла в 2 раза больше этой величины. Если же сопоставить эти потоки с горизонтальными потоками тепла в системе атмосферной и океанической циркуляций, достигающих соответственно 70—100 и 5,3 Вт/м2, то можно заключить, что потоки геотермального тепла оказывают пренебрежимо малое влияние на глобальный климат. Для Земли в целом роль этого фактора могла, по-видимому, быть заметной в историческом прошлом и должна приниматься во внимание при оценке длительных в геологическом масштабе времени изменений климата. Роль магнитного поля Земли в формировании климата пока еще недостаточно исследована, тем не менее некоторые аспекты проблемы заслуживают внимания.
В работах советского геофизика Н. Д. Медведева, чехословацкого геофизика В. Буха и др. показано, что магнитные и геомагнитные полюса смещаются. В конце последнего ледникового периода, 12—15 тыс. лет назад, серверный геомагнитный полюс располагался на востоке Северного Ледовитого океана, сейчас находится на северо-западе Гренландии (как считает Н. Д. Медведев, происходит перемещение в сторону экватора и южного магнитного полюса). Около 200 г. до н. э. полюс находился значительно ближе к Европе, чем на рубеже эпох и позже, около 300 г. н. э., когда он передвинулся на север Аляски. Затем он снова приблизился к Европе (между 600 и 1000 г. н. э.). Около 1600 г. он передвинулся в Баренцево море, а между 1650 и 1850 гг. удалился к Гренландии.
Некоторые гипотезы указывают на то, что положение геомагнитных полюсов регулирует механизмы влияния солнечной активности на атмосферу и активность постоянных центров действия атмосферы, в частности Исландского минимума. Так, в период солнечной активности солнечные корпускулы более интенсивно вторгаются в область геомагнитных полюсов вдоль силовых линий. Их кинетическая энергия трансформируется в тепловую энергию, что приводит к нагреванию верхней атмосферы. Кроме того, нагреву верхней атмосферы способствует генерация в авраальном овале (зона полярных сияний) над геомагнитным полюсом электрических вихревых токов, что вызывает дополнительный нагрев атмосферы на высотах 20—30 км и выше в пределах геомагнитного полюса. В результате эти слои разогреваются, происходит подъем атмосферы, а затем отток воздуха и углубление располагающегося в этом районе Исландского минимума. Далее вступают в действие внутриатмосферные циркуляционные факторы, а именно: увеличение интенсивности циклонической деятельности и как следствие потепление в Европе.
В соответствии с подобной концепцией в те периоды, когда геомагнитный полюс был ближе к Европе, климат ее, особенно в холодные периоды, был теплее за счет поступления на континент морских воздушных масс. В то время, когда полюс был в восточной части Северного Ледовитого океана, на Европу двигались холодные арктические воздушные массы.
При оценке совокупного воздействия геофизических факторов на климат историю Земли следует рассматривать как историю одной из планет Солнечной системы. Для понимания длительной эволюции климата Земли важно изучить источники внутренней энергии Земли и вулканизм. К главным источникам тепла, по данным А. С. Монина, следует относить потенциальную энергию планеты, которая высвобождается в результате увеличения концентрации массы планеты к центру тяжести, и энергию расхода долгоживущих изотопов U, Th и K. За всю историю Земли эти источники выделили соответственно 1,6·1038 и 0,9·1038 эрг тепла. Потери энергии за счет теплоотдачи составляют около 0,5·1038 эрг (1028 эрг/год). Таким образом, внутри планеты накопилось порядка 2·1038 эрг тепла, которое шло на разогрев и частичное плавление ее недр. В глубинах Земли, в ее мантии происходят в связи с этим сложные конвективные процессы, следствием которых является вулканическая деятельность и так называемый дрейф континентов.
Если нанести на карту положение всех вулканов, то они удивительно кучно располагаются в определенных поясах — подвижных зонах, разделяющих литосферные плиты. Последние практически не сейсмичны. Основная же масса действующих вулканов находится в подвижных зонах: Евроазиатской, Индо-Австралийской, Тихоокеанской, Американской, Антарктической и Африканской.
В геологическом прошлом положение литосферных плит, а следовательно, океанов и материков существенно отличалось от нынешнего. По-видимому, 15—20 млн. лет назад континенты расположились так, как теперь. С движением континентов и вулканической деятельностью главным образом связана эволюция земной коры, океана, атмосферы и в целом климата нашей планеты.
За всю историю Земли извержения дали около (2,85÷4,7)·1025 г вулканических продуктов (что соответствует массе земной коры толщиной порядка 33 км). В них содержалось около 2,5·1023 г газов, что примерно в 50 раз больше массы современной атмосферы и в 2 раза — массы океана. Около 70—80% этого количества, т. е. около 1,8·1029 г, составляет водяной пар. Остальные газы — H2S, SO2, HCl, HF, HBr, Н, Ar и др. Большая часть образовавшейся вследствие извержения атмосферы конденсировалась, сформировав в конце концов массу гидросферы — океан. Масса океана в его современных границах составляет 1,37·1023 г. Таким образом, атмосфера и океан с самого начала были продуктом вулканической деятельности.
В дальнейшем в процессе сложной геохимической эволюции из азотосодержащих компонентов и воды под действием солнечной радиации образовалась нынешняя азотно-кислородная атмосфера, включающая, кроме того, малые примеси в виде углекислого газа, водяного пара, озона и других компонентов, определяющих тепловой режим атмосферы. Эволюция атмосферы и океана продолжается и поныне. В этой связи вулканизм и теперь является одним из решающих геофизических факторов формирования климата.
