Тот, кто умеет читать изотермы с изобарами и имеет еще кое-какие географические знания может не обращаться к поисковикам для того, чтобы получить информацию о климате в данной точке планеты. Достаточно одного взгляда на карту – и сразу все становится ясно. Тем более что в Сети есть много неверной информации, а географические карты никогда не врут, нет у них такой привычки.
Атмосферный воздух нагревается посредством теплообмена с земной поверхностью, которая, в свою очередь, нагревается солнечной радиацией – электромагнитным излучением Солнца. Солнце нагревает земную поверхность, а от нее нагревается воздух.
Наша планета получает всего лишь одну двухмиллиардную часть солнечной радиации, но этого вполне достаточно. Кстати говоря, радиацией ученые называют излучение, идущее от какого-то тела, а не нечто смертоносно-губительное. Так что давайте не будем пугаться этого слова.
Различают три типа солнечной радиации – прямую, рассеянную и суммарную.
Прямой радиацией называется солнечное излучение, которое беспрепятственно доходит до поверхности Земли в виде прямых солнечных лучей в ясный день, то есть – при безоблачном небе. На долю прямой радиации приходится до 80 % поступающего к Земле солнечного тепла. Там, где прямые солнечные лучи падают на земную поверхность перпендикулярно, то есть – под прямым углом, нагрев поверхности максимальный. Чем меньше или острее угол падения лучей, тем нагрев меньше. Именно поэтому в период белых ночей не происходит резкого повышения температуры воздуха, ведь солнечные лучи в этих близких к полюсам широтах падают на земную поверхность под острым углом.
Рассеянной радиацией называется солнечное излучение, которое рассеивается в атмосфере нашей планеты. Воздух отражает и преломляет солнечные лучи. В пасмурную погоду рассеянная солнечная радиация является единственным источником солнечной энергии, поступающей к поверхности планеты.
Совокупность прямой и рассеянной радиации, поступающей на поверхность планеты, называют суммарной радиацией. Величина суммарной солнечной радиации зависит от угла падения солнечных лучей, то есть – от географической широты и от продолжительности освещения. Выше уже говорилось о том, что угол падения солнечных лучей для нагревания земной поверхности важнее продолжительности светового дня.
Также на количество солнечной радиации влияет прозрачность атмосферы. Чем больше в году ясных дней, тем больше прямой солнечной радиации получает земная поверхность, и тем сильнее она будет нагреваться. Не случайно самыми жаркими территориями на нашей планете являются области тропических пустынь, расположенных выше экватора (например – пустыня Сахара). На первый взгляд это может показаться парадоксальным, ведь по логике жарче всего должно быть на экваторе, где солнечные лучи падают на земную поверхность под прямым углом. Однако дело не только в угле падения солнечных лучей, но и в прозрачности атмосферы. В тропических пустынях климат континентальный, конвекции, то есть облаков, практически нет, и вся получаемая там солнечная радиация является прямой. Вдобавок, поверхность пустынь очень слабо отражает солнечные лучи, вследствие чего почти вся солнечная радиация, дошедшая до земной поверхности, поглощается ею и нагревает ее. На экваторе же из-за влажного климата высокая облачность, а кроме того, богатый растительный покров экваториальной зоны отражает до 20 % солнечных лучей.
Радиация, отраженная от поверхности земли, воды или облаков, называется отраженной. Отраженная радиация не нагревает земную поверхность. Для того, чтобы произошел нагрев, излучение должно быть поглощено. Так, например, у полюсов в дни солнцестояний (у Северного – 22 июня, а у Южного – 22 декабря) суммарная солнечная радиация бывает больше, чем на экваторе, но поверхность земли на полюсах в эти дни практически не нагревается, потому что белая поверхность снега и льда отражает до 90 % солнечных лучей.
Давайте вспомним, что такое солнцестояние, а заодно – и что такое равноденствие.
Астрономические времена года, отличающиеся от общепринятого деления по месяцам, разделены четырьмя моментами, которые носят название сентябрьского (осеннего) равноденствия 22/23[31] сентября, декабрьского (зимнего) солнцестояния 21/22 декабря, мартовского (весеннего) равноденствия 20/21 марта и июньского (летнего) солнцестояния 21/22 июня.
Солнцестоянием называется период наибольшего или наименьшего наклона земной оси по направлению к Солнцу, когда один из полюсов Земли максимально приближен к Солнцу, а другой максимально от Солнца удален. Во время июньского солнцестояния ближе к Солнцу находится Северный полюс, а во время декабрьского – Южный.
Обратите внимание на то, что названия «осеннее и весеннее равноденствие», «летнее и зимнее солнцестояние» носят условный характер. То, что в Северном полушарии называется осенним равноденствием, в Южном носит название весеннего. Поэтому правильнее называть равноденствия и солнцестояния по месяцам, а не по временам года.
В дни солнцестояния в одном полушарии наблюдается самый длинный день, а в другом – самая длинная ночь.
В дни равноденствия, которые наблюдаются в марте и сентябре, на всей поверхности Земли (за исключением районов полюсов) день равен ночи, потому что оба полушария освещаются Солнцем одинаково. Образно говоря, в эти дни Солнце светит не на один из полюсов, а на экватор.
С астрономической точки зрения лето и зима начинаются в дни солнцестояния и заканчиваются в дни равноденствия. Соответсвенно, в дни равноденствия начинаются весна и осень.
Наклон оси вращения Земли к плоскости орбиты и движение Земли вокруг Солнца приводят к неравномерному освещению земной поверхности. По условиям освещенности делится на пять поясов освещенности или поясов освещения, различающихся по высоте стояния полуденного Солнца над горизонтом, продолжительности дня и, соответственно, по тепловым (климатическим) условиям.
Пояса освещенности
Один жаркий – экваториальный или тропический пояс.
Два умеренных.
Два холодных полярных.
Границами между поясами освещенности служат тропики – параллели, расположенные на широте 23°30′[32] к югу и северу от экватора, и полярные круги, расположенные на широте 66°30′. Тропики отличаются от находящихся между ними параллелей тем, что на них солнце оказывается в зените только один раз в год – в день июньского или декабрьского солнцестояния. Но все же оказывается, а в более высоких широтах этого никогда не происходит. В Москве или, скажем, в Воронеже невозможно увидеть солнце прямо над своей головой.
На полярных кругах один раз в год, также в день июньского или декабрьского солнцестояния, бывает полярный день[33] или полярная ночь.[34]
Экваториальный или тропический пояс освещенности отличается самым теплым климатом, потому что солнечные лучи падают здесь на землю перпендикулярно. Смены времен года на экваторе не происходит совсем, а при удалении от экватора она проходит без резких различий. Продолжительность дня и ночи в тропическом поясе практически одинакова в течение всего года.
В умеренных поясах солнечные лучи падают на земную поверхность с наклоном (чем дальше от экватора, тем наклон больше) и вследствие этого слабее нагревают поверхность. В результате меньше нагревается и воздух, получающий тепло от земной поверхности. Поэтому в умеренных поясах холоднее, чем в жарком и смена времен года четко выражена. Чем ближе к полярному кругу, тем холоднее и длительнее зима. Солнце здесь никогда не оказывается в зените.
Холодные полярные пояса лежат выше полярных кругов. Лучи солнца там падают на поверхность Земли под большим углом, весьма слабо согревая ее. Вдобавок зимой Солнце по нескольку месяцев не появляется над горизонтом во время полярных ночей. Зимы в полярных поясах длительные и холодные, а лето короткое и не жаркое, несмотря на то, что во время полярных дней солнце вообще не заходит за горизонт. Продолжительность полярных дней и ночей увеличивается по мере продвижения от полярных кругов к полюсам. На Северном и Южном полюсах день и ночь длятся по шесть месяцев в году. Выше было сказано о том, что угол падения солнечных лучей для нагревания земной поверхности важнее продолжительности светового дня. Поэтому даже во время шестимесячного полярного дня температура на Северном и Южном полюсах остается невысокой. Летом температура на Северном полюсе в среднем составляет около 0 °C, а на Южном около – 12 °C.[35]
Поскольку воздух нагревается от земной поверхности, то его температура зависит не только от широты, продолжительности освещения и характера земной поверхности, но и абсолютной высоты над уровнем океана. Вспомните, что в тропосфере температура понижается на 6 °С с каждым километром высоты и что в горах снег может лежать даже летом.
Распределение суши и воды также влияет на температуру воздуха. Поскольку теплоемкость воды намного больше теплоемкости суши, то суша быстро нагревается и быстро остывает, а вода нагревается медленно, но и сохраняет дольше тепло. Поэтому воздух над сушей днем теплее, чем над водой, а ночью холоднее. По той же причине на прибрежных территориях лето прохладнее, чем на тех же широтах, но вдали от берегов, а зима теплее.
Вода сохраняет высокую теплоемкость в любом агрегатном состоянии. Сухой воздух нагревается и остывает быстрее, чем влажный. Если на территорию, удаленную от берега моря, приходит влажный морской воздух, то резких суточных перепадов температуры не будет. Приход же сухого воздуха из центра материка на побережье приведет к резким перепадам.
Кстати, максимальная температура воздуха, зарегистрированная на нашей планете, составляет 56,7°С (Долина Смерти, Калифорния, США), а минимальная –89,2 °С (станция «Восток» в Антарктиде).