Циркуляционные факторы климата

Размещено на http://www.allbest.ru/

I. Наука метеорология и климатология

1. Предмет и задачи метеорологии и климатологии

В земной атмосфере повседневно наблюдаются самые разнообразные явления, создающиеся в результате протекания в ней различных физических процессов. Эти явления и процессы совершаются в атмосфере не изолировано, а в тесном взаимодействии с процессами, происходящими в верхних слоях почвы и воды. Все эти явления и процессы происходят в основном за счет солнечной энергии, поступающей на поверхность земли.

Наука, изучающая и объясняющая физические явления и процессы, происходящие в атмосфере при взаимодействии ее с поверхностью почвы, воды, растительности и т. д. («подстилающая поверхность»), называется метеорологией. Эта наука есть физика атмосферы, поскольку совершающиеся в ней процессы имеют физический характер. Изучение процессов и явлений, наблюдаемых в атмосфере, имеет большое практическое значение и позволяет выяснить законы их развития. Знание же этих законов дает возможность разработать методы прогноза атмосферных процессов, а в отдельных случаях позволяет изменить развитие их в сторону более благоприятную для человека.

С качественной и количественной стороны физическое состояние атмосферы и процессы, совершающиеся в ней, выражаются при помощи так называемых метеорологических элементов. Наиболее важными для жизни и хозяйственной деятельности человека являются следующие элементы: температура и влажность почвы, давление воздуха, температура и влажность воздуха, облачность, осадки, ветер. Часто эти элементы называются элементами погоды. Они находятся между собой в тесной взаимной связи и всегда действуют совместно, проявляясь в весьма сложных и изменчивых сочетаниях.

Состояние атмосферы над данной территорией и за данное время, определяемое физическими процессами, совершающимися в ней при взаимодействии с подстилающей поверхностью, называется погодой.

Наблюдения над погодой за многолетний период позволяют определить климат данной местности. Климатом называется закономерная последовательность атмосферных процессов, создающаяся в данной местности в результате взаимодействия солнечной радиации, атмосферной циркуляции и физических явлений, происходящих на подстилающей поверхности, и обуславливающая в этой местности характерный для нее режим погоды.

Очень часто смешивают понятия погода и климат. Между этими понятиями имеется большое различие. Погода представляет физическое состояние атмосферы над данной территорией и за данное время, характеризуемое определенным сочетанием метеорологических элементов. Климат же характеризуется многолетним режимом погоды, причем под многолетним режимом погоды понимаются не только преобладающие, но и вообще возможные в данной местности условию погоды. Из определения понятия климат видно, что основными климатообразующими факторами будут солнечная радиация, циркуляция атмосферы и характер подстилающей поверхности. Под их совместным влиянием происходит формирование климатов в различных местах земного шара.

Большое влияние на климат оказывает также деятельность человека, поскольку она может изменить физические свойства подстилающей поверхности.

Солнечная радиация является важнейшим климатообразующим фактором, так как за счет этой радиации в атмосфере протекают различные физические процессы. На поверхности земли солнечная радиация распределяется неравномерно, что приводит к неодинаковому нагреванию как почвы, так и воздуха в различных широтных поясах земного шара. Эти различия образуют разности в давлении воздуха, а последние вызывают воздушные течения, с которым связан перенос тепла и влаги. Таким образом, солнечная радиация определяет характер воздействия другого климатообразующего фактора - атмосферной циркуляции. Циркуляция атмосферы зависит также от характера подстилающей поверхности. Огромную роль в переносе масс воздуха играют материки и океаны. В летнее время материки нагреваются сильнее, чем океаны. Зимой же они, наоборот, сильнее охлаждаются. Температурные различия, образующиеся между материками и океанами, создают разницу в распределении давления воздуха. Над материками в умеренных широтах летом устанавливаются области пониженного давления, зимой - повышенного. Над океанами же, наоборот, летом господствует относительно повышенное давление, зимой - пониженное. Вследствие этого летом ток воздуха на сушу в виде океанического муссона, зимой - с суши на виде материкового муссона.

Помимо материков и океанов, на циркуляцию атмосферы оказывает большое влияние рельеф, особенно крупные формы рельефа - горные хребты и высокие плоскогорья, а также озера и большие водоемы. Таким образом, с одной стороны, между циркуляцией атмосферы и характером подстилающей поверхности имеется тесная связь. С другой стороны, атмосферная циркуляция может влиять на количество солнечной радиации, поступающей на земную поверхность. В тех районах земного шара, где наблюдаются нисходящие токи воздуха, например в областях повышенного давления, большой облачности не образуется, что существенно влияет на приход - расход лучистой энергии. В районах же, где создаются восходящие движения, образуется большая облачность, которая также значительно изменяет радиационный режим.

Подстилающая поверхность является важным климатообразующим фактором, так как от ее характера зависят физические свойства формирующихся над ней воздушных масс. Вода и суша оказывают на климат различное влияние. Также различным будет влияние на климат обнаженной почвы и поверхности, покрытой растительностью. Травянистая растительность оказывает на климат иное влияние, чем лесная.

Область науки, изучающая условия формирования климата и климатический режим различных стран и районов, называется климатологией. Климатология рассматривает взаимосвязи между климатообразующими факторами и взаимодействие их с подстилающей поверхностью. Климатология занимается изучением закономерностей в распределении на поверхности земного шара различных метеорологических явлений и типов климата. Она также занимается разрешением вопросов, связанных с изменением климата под воздействием человека.

Климатология изучает и описывает климатические условия больших территорий. Однако на небольших участках под влиянием местных факторов могут создаваться отдельные особенности климата. Совокупность этих местных особенностей климата называется микроклиматом данного участка. Они особенно резко выражаются в приземном слое воздуха. Отрасль климатологии, занимающаяся изучением формирования климата приземного слоя воздуха и описанием микроклиматических особенностей различных участков, называется микроклиматологией.

Климатология имеет большое практическое значение. Она обслуживает различные отрасли народного хозяйства. Данные климатологии широко используются в производстве.

В процессе обслуживания запросов практики из климатологии выделился ряд отраслей, которые затем получили самостоятельное развитие. Так появилась агроклиматология, лесная климатология, медицинская климатология и др.

Агроклиматология изучает климатические условия, имеющие значение в сельском хозяйстве, причем изучение этих условий производится с учетом взаимодействия их с объектами процессами сельскохозяйственного производства. Она занимается также агроклиматическим описанием и районированием территории для наиболее целесообразного и эффективного размещения сельскохозяйственного производства, а также в целях внедрения приемов агротехники, наиболее отвечающих местному климату и обеспечивающих получение высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур, повышение продуктивности животноводства, составление прогнозов урожайности сельхозкультур, мер борьбы с неблагоприятными и опасными гидрометеорологическими явлениями.

Агроклиматология возникла в России благодаря трудам выдающихся русских ученых - А.И.Воейкова и П.И.Броунова. в 1884-1885 годах.

Лесная климатология занимается изучением взаимоотношений, создающихся между климатическими факторами, с одной стороны, и лесом - с другой. Она изучает влияние климатических условий на рост, развитие и производительность лесных насаждений, изучает микроклимат, создающийся на территории, занимаемой лесом, а также влияние лесных насаждений на климат прилегающей к ним местности. Основателями лесной метеорологии и климатологии в России были А.И.Воейков, Г.Н.Высоцкий и А.П.Тольский.

Медицинская климатология занимается изучением вопросов, связанных с влиянием погоды и климата на организм человека. Она изучает также климатические условия курортов, лечебные свойства которых используются для восстановления здоровья человека.

Много внимания этим вопросам уделял А.И.Воейков, а также А.А.Каминский и Н.А.Коростелев. Широко поставил разработку вопросов медицинской климатологии П.Г.Мезерницкий.

Транспортная климатология имеет целью изучить влияние метеорологических условий на работу авиации, железнодорожного, водного и других видов транспорта.

Для выяснения климатических условий какой-либо местности широко используют многолетние наблюдения метеорологических станций. Эти наблюдения дают возможность вывести средние и крайние значения метеорологических элементов, повторяемость различных явлений и т.д., которые и служат для количественной характеристики климата данной местности, а также для сравнения климата различных местностей. Эти данные необходимы для удовлетворения запросов народного хозяйства.

В связи с этим возникло направление в методике изучения климата, получившее название комплексной климатологии. По методу комплексной климатологии климат исследуется путем установления повторяемости погоды. Эти типы характеризуются определенными сочетаниями метеорологических элементов. Комплексная климатология в СССР была разработана Е.Е. Федоровым и Л.А. Чубуковым.

Изучение климата идет не только по линии вычисления средних величин, дающих количественную характеристику его, но и по линии изучения климатообразующих процессов, приводящих к образованию тех или иных типов климата. При разрешении этой задачи большое значение имеют методы синоптической климатологоии. Последняя при изучении климата уделяет наибольшее внимание циркуляционным факторам и объясняет различные проявления климата через процессы общей циркуляции атмосферы. В данном случае под циркуляционными факторами понимаются три атмосферных процесса - горизонтальный перенос воздушных масс, их перерождение, или трансформация, над материками и океанами и, наконец, образование поверхностей раздела, или фронтов, между ними. При этом учитывается также влияние солнечной радиации и подстилающей поверхности. По синоптической климатологии много ценных работ создали А.И. Аскназий, Б.П. Алисов, Х.П. Погосян и др.

При решении многих вопросов как теоретических, так и практических климатология базируется на основных законах физики. Благодаря этому возникает возможность рассчитать значение ряда климатических величин, для которых нет непосредственных наблюдений. В этом направлении известны работы М.И.Будыко, С.А.Сапожниковой и др.

2. Связь климатологии с другими науками

Климатология тесно связана с географией, гидрологией, агробиологией, почвоведением и другими науками.

Объектом изучения географии является окружающая нас природа - географическая среда, представляющая известное сочетание рельефа, масс воды, почвенного и растительного покрова, а также животного мира. Все эти элементы географической среды находятся между собой в тесной взаимной связи. Климат является, таким образом, одним из элементов этой среды. Отсюда возникает и связь климатологии с географией.

Климатология имеет тесную связь с гидрологией, изучающей происхождение, деятельность и круговорот воды в атмосфере, на поверхности земли и в ее недрах. Особенно большое значение для гидрологии имеет климатическое изучение осадков, ливней, снежного покрова, испарения, влагооборота и т.д.

Климатология теснейшим образом связана с агробиологией, изучающей общие биологические закономерности, действующие в земледелии и животноводстве. Климат вместе с погодой является одним из факторов среды обитания растений, т.е. среды, в которой они существуют и развиваются. Великий русский исследователь И.В.Мичурин показал, что между растениями и условиями среды их обитания имеется тесная и неразрывная связь. Эта среда служит для растений источником тепла, света и влаги.

В.Р.Вильямс считает, что климат кокой - либо зоны представляет функцию господствующей в ней формации и, следовательно, изменяя состав этой формации, можно изменить и климат. С другой стороны, климат в сильной степени определяет характер растительного покрова. Таким образом, между растениями и климатом, как фактором среды их обитания, имеется связь и взаимодействие. Изучение такого взаимодействия растений и окружающей среды дает возможность управлять условиями жизни растений и изменять природу их в нужную для человека сторону. Поэтому с климатологией тесно связаны и такие науки, как полеводство, луговодство, плодоводство и лесоводство. Вместе с этими науками климатология стремится получить данные, позволяющие человеку создавать растениям наиболее благоприятные условия, при которых они развивали бы наивысшую продуктивность.

Климатология имеет большую связь с почвоведением. Климат является одним из факторов почвообразования. Климатические элементы- температура, осадки, ветер - принимали участие в измельчении горных пород и превращении их в рыхлую минеральную массу - рухляк, который, в отличие от горной породы, стал способным поглощать и удерживать в себе то или иное количество воды. Он стал проницаемым для воздуха. В последующее время климат оказывал влияние на рост и развитие тех или иных растений, из отмерших остатков которых возникло затем органическое вещество в почве. Скорость и характер разложения органических остатков в сильной степени определяется количеством тепла, которое поглощалось почвой, и количеством проникающей в нее воды. Таким образом, климат играл большую роль в накоплении в рухляке перегноя и питательных веществ. В результате на рухляке образовалась почва, которая приобрела плодородие, т.е. способность удовлетворять потребность растений в воде, воздухе и питательных веществах.

3. Краткая история развития климатологии

Первым русским метеорологом и климатологом можно считать гениального ученого М.В. Ломоносова. Он еще 200 лет тому назад успешно разрешил ряд вопросов климатологического характера. Так, Ломоносов установил, что ветры, дующие с моря, умеряют зимние холода, принося дождливую погоду. Ломоносов также впервые указал, что открытые моря, свободные зимой ото льда, сообщают воздуху больше теплоты, чем материки, покрытые мерзлым слоем почвы и глубоким снегом, который препятствует проникновению теплоты из почвы в воздух. Ломоносов правильно объяснил причину суровых зим в Сибири, указывая, что на территорию редко проникают потоки теплого воздуха, так как теплые моря, омывающие европейские и азиатские берега, расположены от Сибири далеко. С юга же Сибирь отделена от Индии высокими горами, которые препятствуют проникновению оттуда теплого воздуха, и только с севера Сибирь омывает Ледовитый океан, покрытый всегда льдом.

Ломоносов также впервые указал на то, что в горах наблюдается такая же зональность климатов, которая существует между тропиком и полюсом.

После М.В. Ломоносова вопросам климатологии много уделял внимания В.Н. Каразин. Он еще в первой половине 19 века впервые в мировой литературе сделал попытку выяснить с научной точки зрения вопрос о влиянии леса на климат.

Значительным событием в истории климатологии было появление в 1847 г. работы М.Ф. Спасского «О климате Москвы». В этой работе особенности климата объяснялись влиянием воздушных потоков различного происхождения. В работе был приведен также ряд законов, определяющих ход климатообразующих процессов; законы о тепловом балансе атмосферы вместе с подстилающей поверхностью, об испарении, конденсации, о превращениях тепла при таянии льда и замерзании воды и т.д.

Большое значение в развитии климатологии в России имел труд К.С. Веселовского «О климате России», выпущенный в 1857 г. Это было первое климатологическое описание России. По своей полноте и огромному количеству приведенных данных труд Веселовского в то время не имел себе равных в мировой литературе. Кроме того, этот труд имел и практическую направленность. В нем большое внимание уделялось влиянию климата на экономику России и на сельское хозяйство в частности.

Огромную роль в развитии климатологии в России сыграла Главная физическая обсерватория, основанная в Петербурге в 1849 г. Главная физическая обсерватория создала в России значительную сеть метеорологических станций, руководила ее работой и производила обработку наблюдений. Русская сеть метеорологических станций по качеству производимых ею работ стояла на очень высоком научном уровне, по ее образцу строились сети станций в других странах. Многолетние наблюдения сети метеорологических станций, обработанные обсерваторией, впоследствии легли в основу большого количества климатологических трудов как по изучению отдельных элементов, так и по общему климатологическому описанию России и СССР.

Основоположником климатологии в России был гениальный географ и климатолог А.И. Воейков (родился в 1842 г., умер в 1916 г.). Он написал огромное количество работ по самым разнообразным вопросам климатологии. Неутомимая деятельность А.И. Воейков прославила русскую климатологию. Его работы определяли уровень мировой науки о климате. Так, капитальный труд А.И. Воейков «Климаты земного шара, в особенности России» получил мировую известность и составил эпоху в науке. В нем было дано первое подробное и глубокое по содержанию описание климатов земного шара. Этот труд не утратил своего значения и в настоящее время.

Большое значение для климатологии имели работы П.И. Броунова. Он предложил первую схему агроклиматического районирования Европейской территории России. П.И. Броунов дал также первую климатическую характеристику засухи в агрономическом понимании и составил карты вероятности засушливых декад Европейской территории России.

Большое значение для развития русской климатологии имели работы Л.С. Берга. Он разработал географическую классификацию климатов и дал карту климатов земного шара. Л.С. Берг осветил вопрос об изменении климата за различные геологические эпохи и историческое время. В частности, он указал, что нет оснований, говорить об усыхании климата Азии в историческое время. По мнению Л.С. Берга, в природе происходят колебания климата, при которых сухие периоды сменяются влажными, а теплые - холодными. Кроме того, Л.С. Берг дал климатическое описание отдельных районов - Иссык-Куля, Байкала, Аральского моря, Туркестана. Ценность работ Л.С. Берга в том, что он тесно увязывал климат с географической средой и типами ландшафта.

Большую роль в развитии агроклиматологии имели труды Г.Т.Селянинова. Им было написано много работ по методике сельскохозяйственной оценки климата для более рационального размещения культур, в частности субтропических, по борьбе с вредными явлениями (засухой, заморозками и т.д.). Г.Т. Селянинов произвел агроклиматическое районирование СССР, разработал теорию климатических аналогов и по-новому осветил проблему сельскохозяйственной классификации климатов. Изучением климата советских субтропиков, а также районированием сельскохозяйственных культур успешно занимались Ф.Ф. Давитая, С.А. Сапожникова, И.А.Гольцберг.

Большое значение для климатологии имели работы Б.П. Алисова, который разработал генетическую классификацию климатов, в основу которой он положил происхождение и характер циркуляции воздушных масс.

ІІ. Циркуляционные факторы климата

Атмосферная циркуляция является очень важным климатообразующим фактором, так как с ней связан перенос воздушных масс с различными свойствами - теплых и холодных, сухих и влажных и т.д.

1. Схема общей циркуляции атмосферы

климатология циркуляция атмосфера геологический

Воздушные течения в атмосфере вызываются неравномерным распределением солнечного тепла на поверхности земли, приводящим к неодинаковому нагреванию почвы и воздуха в различных поясах земного шара. Особенно значительные различия в нагревании создаются между низкими и высокими широтами. В среднем за год различия в температурах воздуха между этими широтами доходят до 40-45° и более. Эти различия образуют разности в давлении воздуха, а последние вызывают воздушные течения, приводящие к обмену воздушными массами между низкими и высокими широтами. Между этими широтами создается круговорот воздуха, называемый общей циркуляцией атмосферы.

Неоднородность земной поверхности вызывает неодинаковое нагревание различных участков ее (суша, море), приводящее к образованию различий в давлении воздуха, и, кроме того, создает в разных местах различное трение воздуха о земную поверхность. Вращение же земли вокруг оси вызывает отклонение движения воздушных масс от направления градиентов давления. Вследствие этих причин круговорот воздуха между полюсами и экватором разделяется на отдельные, связанные между собой частные круговороты, что весьма сильно усложняет характер общей циркуляции атмосферы. Особенно значительно влияют на характер атмосферной циркуляции циклоны и антициклоны, зарождающиеся в умеренных и высоких широтах. Впервые подробное исследование циркуляции дал А.И. Воейков в 1874 г.

Дать схему общей циркуляции атмосферы.

В экваториальной зоне вследствие значительного нагревания земной поверхности воздух сильно прогревается, расширяется, и часть его вытесняется кверху, где он на высоте 6-8 км оттекает от экватора. Один поток воздуха направлен на север, другой - на юг. Отток воздуха от экватора создает пояс пониженного давления в экваториальной зоне ( давление ниже 1013 мб ). В январе пояс пониженного давления располагается вдоль экватора, а в июле он несколько смещается к северу вследствие смещения к северу полосы наибольшего нагревания.

Оттекающий в высоких слоях тропосферы к северу воздух отклоняется под влиянием вращения земли все более и более от градиента вправо и под широтой 30-35° это отклонение достигает 90°, т.е. ветер принимает западное направление и дует вдоль параллелей. Вследствие этого дальнейшее движение воздуха на север прекращается, что вызывает около 30-35° широты накопление воздуха и опускание его к земной поверхности. В результате в этих широтах образуется зона повышенного давления динамического происхождения. Она распадается на отдельные области, называемые субтропическими антициклонами, центры которых располагаются в субтропических широтах океанов. В северном полушарии это будет азорский антициклон, образующийся в субтропических широтах Атлантического океана, и гавайский антициклон, создающийся в субтропических широтах Тихого океана.

В северном полушарии у земной поверхности воздух от области высокого давления движется частично к северу, частично к югу - к экватору, где располагается область пониженного давления. Под влиянием отклоняющей силы вращения земли вокруг своей оси воздух при движении к экватору отклоняется постепенно вправо от градиента, направленного с севера на юг, и принимает северо-восточное направление, а в экваториальной зоне - восточное. Эти северо-восточные ветры дуют в тропических широтах постоянно в течении года. Такие ветры называются пассатами. Ветры же противоположных направлений, дующие над пассатами в высоких слоях тропосферы, начиная с высот 2-7 км, называют антипассатами. Таким образом, создается замкнутая циркуляция воздуха между экватором и широтами 30-35°, называемая внутритропической циркуляцией.

Вблизи экватора происходит встреча пассатов обоих полушарий. Эти пассатные потоки имеют некоторую разность температур. Вследствие этого между ними создается поверхность раздела, называемая тропическим фронтом.

Тропический фронт не занимает постоянного положения. Зимой он смещается к югу, особенно значительно над Индийским океаном. Летом же он занимает более северное положение, а в Азии тропический фронт продвигается до самых Гималаев. Эти смещения тропического фронта связаны со смещением полосы наибольшего нагревания, которая леном располагается к северу от экватора, зимой - к югу от него.

На тропическом фронте, в области встречи пассатов северного и южного полушарий, возникают тропические циклоны. Чаще всего они образуются в зонах, расположенных под широтой 6-20° по обе стороны от экватора. Тропические циклоны обычно сопровождаются весьма сильными ливневыми осадками и огромными скоростями ветра, достигающими 40 м/сек и более.

Атмосферная циркуляция во внетропических широтах представляется в таком виде. На материках, которые зимой во внетропических широтах сильнее охлаждаются, чем океаны, образуются области высокого давления. Особенно высокое давление в январе создается в Азии. Так, в Монголии располагается максимум давления в 1036 мб. В теплое же время года на материках, которые во внетропических широтах сильнее прогреваются, чем океаны, располагаются области пониженного давления.

У земной поверхности в умеренных широтах притекают массы воздуха различного происхождения. Из низких широт сюда приходят теплые массы тропического воздуха, из высоких - массы воздуха умеренных широт. Эти воздушные массы характеризуются различными физическими свойствами. Поверхность раздела между этими массами называется фронтом умеренных широт, или полярным фронтом. На поверхности данного фронта образуются волнообразные изгибы, вследствие продвижения холодного воздуха к югу и теплого к северу.

На фронтах умеренных широт развивается интенсивная циклоническая деятельность. Последняя играет большую климатообразующую роль в умеренных широтах, так как с ней связан перенос теплых масс воздуха в высокие широты и вторжение холодных масс в нижние широты. На фронте, проходящем по Антарктическому океану, циклоническая деятельность развивается в течение всего года, что способствует увлажнению Европы. На средиземноморской ветви фронта циклоны развиваются только в холодное время года , и они перемещаются главным образом на северо-восток. Циклоны средиземноморского фронта играют большую роль в переносе влаги не только в страны, прилегающие к Средиземному морю, но и в расположенные к северу и северо-востоку от него.

В высоких широтах существует еще арктический фронт, являющийся поверхностью раздела между воздухом умеренных широт и арктическими массами воздуха. В январе арктический фронт располагается над Атлантическим океаном в полосе от 65 до 75° с.ш., а над Северной Америкой и Азией он снижается до широты 60°. В летние месяцы арктический фронт смещается к северу. На арктическом фронте также развивается циклоническая деятельность. Особенно значительно она развивается на этом фронте в холодное время года в северной части Атлантики.

2. Муссонная циркуляция

Муссонами называются сезонные ветры, изменяющие направление 2 раза в год. Летом они дуют с океана на сушу, зимой- с суши на океан. Причина - различия в нагревании и охлаждении материков и океанов в течение года. В летнее время суша нагревается сильнее, чем океан, зимой же -наоборот, сильнее охлаждается. Температурные различия создают различия в распределении атмосферного давления воздуха. Над сушей летом устанавливается область пониженного давления, зимой - повышенного, над океанами наоборот, летом господствует высокое давление, зимой - низкое. Вследствие этого летом создается ток воздуха с океана на сушу в виде океанического муссона, На направление муссонов влияет отклоняющая сила вращения земли вокруг своей оси. Под влиянием этой силы муссоны в северном полушарии отклоняются вправо от направлений градиентов, в южном - влево. Особенно резко выражены муссоны на юге Азии, в северной части Индийского океана и в Аравийском море. Зимой здесь наблюдается северо-восточный материковый муссон, летом - юго-западный океанический муссон.

3. Географические типы воздушных масс

Воздушные течения, возникающие в результате неравномерного распределения давления воздуха, играют большую роль в переносе масс воздуха с различными физическими свойствами. Эти массы формируются в определенных районах, из которых они затем перемещаются в другие места. Такими районами являются обширные области с однородным характером подстилающей поверхности, в которых образуются устойчивые антициклоны, например азорский и гавайский максимумы, создающиеся над поверхностью Атлантического и Тихого океанов в субтропических широтах, сибирский антициклон, возникаюший в зимнее время над обширной поверхностью охлажденной суши. Воздушные массы могут создаваться и в районах расположения устойчивых областей пониженного давления, например в северной части Атлантического океана в районе расположения исландского минимума, а зимой в районе Средиземного моря. Физические свойства воздушной массы зависят от того, в каких условиях происходит ее формирование.

При процессах формирования климатов большое значение имеют следующие основные типы воздушных масс: арктический( антарктический) воздух, воздух умеренных широт и тропический.

Эти воздушные массы в зависимости от характера подстилающей поверхности, над которой они формируются, делятся еще на континентальные и морские. Различают также экваториальный воздух, формирующийся в экваториальной зоне. Он значительно увлажнен, так как увлажнение происходит над океанами и районами влажного тропического леса. Поэтому больших различий между морскими и континентальными массами экваториального воздуха не имеется.

Арктический (антарктический) воздух формируется над ледяными полями Арктики и Антарктики. Воздух очень холодный, водяного пара в нем содержится мало. Вторжение его в умеренные широты вызывает резкие и быстрые понижения температуры, называемые волнами холода. С этими волнами холода связаны сильные морозы зимой при ясной погоде и значительные заморозки весной и осенью. Вертикальная мощность арктического воздуха невелика - в среднем около 2км, морского арктического -около 3-5 км. Проникая в более южные широты арктический воздух растекается и мощность его уменьшается.

Континентальный воздух умеренных широт является наиболее характерной воздушной массой на континентах в умеренных широтах, в частности на территории России. Формирование его идет за счет морского воздуха умеренных широт и актического воздуха, вторгшегося в эти широты. В зимнее время формирование протекает над сильно охлажденной поверхностью суши, покрытой снегом. Поэтому континентальный воздух умеренных широт зимой очень охлажден, особенно снизу. С высотой температура его повышается.

Морской воздух умеренных широт приходит из умеренных широт океанов. Перемещения его происходят главным образом вместе с циклонами.

Континентальный тропический воздух формируется в тропических пустынях и степях из экваториального воздуха. Он вызывает сухую жаркую погоду с суховеями. Очаги его формирования: Балканы, Малая Азия, юг ЕТС, Средняя Азия, Монголия, Северный Китай.

Экваториальный воздух формируется в экваториальной зоне из тропического воздуха пассатов. Он сильно увлажнен

ІІІ. Классификация климатов

1. Классификация климатов по Л.С. Бергу

На поверхности земного шара наблюдается большое разнообразие климатов. Существуют различные классификации, приводящие климаты земного шара в определенную систему и дающие границы распространения отдельных типов климата. Они умеют большое практическое значение, так как тесно связана жизнедеятельность животных и растительных организмов, характер почвенного покрова, хозяйственная деятельность человека.

Большое распространение имеет классификация климатов, предложенная Л.С.Бергом. Она построена на географическом принципе. В основе лежат ландшафтные зоны тундры, тайги, лиственных лесов и т.д. Климатические зоны, выделяемые Бергом, находятся в соответствии с этими ландшафтными зонами. По классификации Л.С.Берга различают следующие климатические зоны:

1.вечного мороза

2.тундры

3.тайги

4.лиственных лесов умеренной зоны

5.муссонный климат умеренных широт

6.степей

7.средиземноморский

8.субтропических лесов

9.внетропических пустынь

10.субтропических пустынь

11.саванн

12.влажного тропического леса

Климатическая классификация Берга очень проста и удобна. Она увязывает климатические условия различных зон с их физико-географическими условиями- с почвенным покровом и растительностью. Она подчеркивает, что между климатом, рельефом, почвенным покровом и растительностью наблюдается самая тесная связь и взаимодействие. Совокупность всех этих факторов создает в различных областях определенные и характерные ландшафты, в создании которых климат играет большую роль.

Краткая характеристика климатических зон по классификации Л.С.Берга:

Климат вечного мороза. Он создается в высоких широтах на ледяных плато Гренландии, Земли Франца-Иосифа, северной части Новой Земли, Антарктики. Климат очень суровый. Преобладающей воздушной массой является очень холодный арктический (антарктический) воздух. В центральной Гренландии средняя температура воздуха в январе минус 50°, июля - минус 14°, средняя годовая температура воздуха - минус 31°. В центральной части Антарктики даже в середине лета могут наблюдаться морозы до минус 45°. Осадки выпадают в сумме 200-300мм за год.

Климат тундры. Эта зона занимает крайнюю северную часть материков Северной Америки, Европы, Азии, острова арктического бассейна. Климат тундрыхолодный, с продолжительной суровой зимой и коротким прохладным летом. В зимнее время наблюдаются весьма низкие температуры, достигающие в Сибирской тундре - -50, - 55°. Средняя температура самого теплого месяца не превышает 10 - 12°.

Осадков в тундре выпадает мало -200 -300 мм, а местами до 150 мм за год. Толщина снежного покрова в тундре невелика, так как в зимнее время в большей ее части выпадает мало осадков - около 10-15% годового количества; кроме того, снег зимой в тундре сильно сдувается ветром, характерны частые метели. В тундре имеет большое распространение вечная мерзлота различной мощности. Почва в области вечной мерзлоты оттаивает летом только на глубину 1-2 м.

Климат тайги. Эта климатическая зона в северном полушарии занимает огромное пространство. В Северной Америке она захватывает обширные области на Аляске, Канаде. Южная граница тайги идет в Северной Америке вдоль параллели в 50г°с.ш. В Евразии зона климата тайги встречается на Скандинавском полуострове, кроме южной его части, в Финляндии, Европейской территории России.

Климатические условия тайги благоприятны для растительности. В этой зоне летом наблюдаются умеренная температура, значительная влажность воздуха, достаточное количество осадков. Вегетационный период более длинный, чем в тундре. Все эти условия способствуют росту и развитию лесных насаждений. Осадков в тайге выпадает до 300-600 мм за год. Наибольшее количество их выпадает летом.

Климат лиственных лесов умеренной зоны. Этот климат распространен в Северной Америке южнее параллели 50° и восточнее меридиана 100°, за исключением юго-восточных штатов США, в Великобритании, Ирландии, южной части Скандинавского полуострова, в Западной Европе, за исключением средиземноморских стран, в центральной полосе Европейской территории России, южных районах Западной Сибири. В Южной Америке - в нижнем течении р. Параны и по течению р. Уругвай, на юго-восточном побережье Австралии, Новой Зеландии. В зону лиственных лесов Л.С.Берг включает и лесостепь, т.е. переходную зону между лесом и степью.

2. Классификация климатических зон по Б.П. Алисову

Эта классификация большое внимание уделяет циркуляционному фактору климата. В данном случае под циркуляционным фактором понимаются три основных атмосферных процесса: горизонтальный перенос воздушных масс - теплых и холодных, их перерождение, или трансформация, под действием подстилающей поверхности и, наконец, фронтальная деятельность. Основными зонами являются: экваториальная, тропическая, умеренных широт и арктическая (антарктическая - в южном полушарии). Переходными зонами являются - зона тропических муссонов, субтропическая и субарктическая (субарктическая - в южном полушарии).

В экваториальной зоне преобладающей воздушной массой в течение всего года является экваториальный воздух, который создается путем трансформации притекающего в эту зону тропического воздуха. Трансформация заключается в значительном увлажнении этого воздуха во всей его толще. Осадков в зоне экваториального воздуха выпадает много - до 2500 мм в год и более. Средняя годовая температура 24-30°.

Климат тропической зоны характеризуется преобладанием тропического воздуха. Этот воздух очень сухой, особенно над материками, где он сильно прогревается. Температура самого теплого месяца 30-39°, наиболее холодного - от 10 до 25°. Средняя годовая температура выше 18°. Осадков выпадает очень мало. В тропической зоне огромные площади занимают пустыни.

В зоне умеренного климата преобладающей воздушной массой является воздух умеренных широт. В районах с преобладанием морского воздуха умеренных широт, осадки выпадают в значительном количестве и довольно равномерно в течение года. Средняя годовая температура 7-10°. Зима мягкая, лето прохладное. В районах же преобладания континентального воздуха умеренных широт, осадки выпадают в умеренном количестве. Максимум их наблюдается летом. Зима холодная, лето теплое.

Зона арктического (антарктического) климата характеризуется преобладанием в течение всего года арктического (антарктического) воздуха. Осадков выпадает мало - до 100-200 мм в год. Средняя температура самого теплого месяца около 0° и ниже.

Переходная зона тропических муссонов располагается между поясом экваториального воздуха и поясом тропического воздуха. Она характеризуется сезонной сменой воздушных масс. Летом в зоне тропических муссонов преобладает влажный муссон в виде экваториального воздуха, зимой - сухой муссон в виде тропического воздуха, являющегося пассатом северного полушария. Осадков выпадает много - до 1000-1500 мм в год, причем основная масса их выпадает летом. Зимой же осадки отсутствуют.

Переходная субтропическая зона лежит между тропической и умеренной зонами. В этой зоне летом преобладает тропический воздух, зимой - воздух умеренных широт. Зима прохладная, лето жаркое.

Переходная субарктическая (субантарктическая) зона характеризуется преобладанием летом воздуха умеренных широт, зимой - арктического (антарктического). Зима суровая, лето короткое, прохладное. Осадков выпадает мало - до 250-300 мм в год.

3. Классификация климата В. Кеппена

Значительным распространением пользуется система климатов В.Кеппена. В основу своей классификации Кеппен положил средние температуры за определенные месяцы (самого теплого и холодного), среднюю годовую температуру и осадки (средние месячные и годовые количества).

Кеппен выделил 5 основных типов климата: тропической дождливый, сухой, умеренно теплый, умеренно холодный и снеговой. Эти основные типы Кеппен подразделил еще на 12 климатов, а в последних был выделен ряд подтипов.

Выделенные Кеппеном основные типы климата характеризуются следующими свойствами.

1. Тропический дождливый климат. Самый холодный месяц имеет среднюю температуру не ниже 18°. Осадков выпадает много. Данный тип делится на следующие климаты - жаркий и влажный климат тропических лесов, климат саванн и климат муссонов.

2. Сухой тропический климат. Самый теплый месяц имеет среднюю температуру выше 10°. Этот тип подразделяется на климат пустынь и степей.

3. Умеренно теплый климат. Средняя температура самого холодного месяца от -3 до 18°. Данный тип делится на теплый климат с сухим летом (берега средиземного моря), на теплый климат с сухой зимой (Южный Китай) и на влажно умеренный климат (Франция, Англия и др.).

4. Умеренно холодный климат. Самый теплый месяц имеет среднюю температуру выше 10°, а самый холодный ниже -3°. Этот тип делится на климат с сухой зимой (Восточная Сибирь) и на климат с влажной зимой (большая часть Восточной Европы).

5. Снеговой климат. Самый теплый месяц имеет среднюю температуру ниже 10°. Данный тип климата подразделяется на климат тундры, с температурой самого теплого месяца выше 0°, и на климат вечного мороза, с температурой самого теплого месяца ниже 0° (Гренландия, Антарктика).

Классификация климатов Кеппена имеет тесную связь с ботанико-географическими районами. В этой классификации названия типов климата приурочены к определенным ландшафтным зонам (тропический лес, саванна, пустыня и т.д.). Кроме того, классификация Кеппена дает четкие количественные характеристики различных типов климата. Эти качества классификации сделали ее весьма распространенной, особенно среди геоботаников.

М.И.Будыко разработал новую классификацию климатов, в основу которой он положил отношение радиационного баланса к сумме тепла, необходимого для испарения годового количества осадков. Найденные им таким образом отношения хорошо увязываются с физико-географическими зонами земного шара. Так, условиям тундры соответствует величина указанного отношения меньше 0,35, для условий леса это отношение изменяется от 0,35 до 1,1 степи - от 1,1 до 2,3, полупустыни - от 2,3 до 3,4 и для пустыни оно больше 3,4.

IV. Изменения и колебания климата

1. Изменения климата в геологические эпохи

Окружающая нас природа - географическая среда - не остается постоянной. Она находится в процессе непрерывного изменения и развития. В связи с этим, изменениям подвергается и климат, являющийся одним из факторов этой среды, причем изменения его совершаются не обособленно, а в тесной связи и взаимодействии с другими факторами географической среды. Из них наиболее важными будут распределение суши и моря, рельеф, почвенный и растительный покров, животный мир и др. Особенно большие колебания климата происходили в четвертичный период. Неоднократные вторжения ледников за этот период вызывали сильные изменения климатических условий на территории Европы и России.

О климатических условиях за отдельные геологические эпохи и периоды можно судить только по косвенным данным - по органическим остаткам (растительным и животным), а также по минеральным отложениям. Около 1920 г. появился новый метод изучения состава растительности за третичный и, главным образом, за четвертичный период - метод пыльцевого анализа. Пыльца обладает свойством хорошо сохранятся в торфяниках, глинах и т.д. Кроме того, пыльца каждого растения характеризуется определенными внешними признаками, по которым ее можно отличить от пыльцы других растений. Как показали исследования, анализ пыльцы дает возможность на основании достоверного материала выяснить характер растительности и изменения в составе ее не только за четвертичный период, но и за время более древних отложений, в частности третичных. А так как развитие растительности в сильной степени определяется климатическими условиями, то метод пыльцевого анализа дает возможность выяснить характер климатических изменений не только за четвертичный период, но и за предшествующее ему время.

В третичный период климат был весьма теплым, особенно в раннее третичное время - в палеоцене и в эоцене. В то время на территории современного Шпицбергена произрастали болотный кипарис, секвойя, магнолия и др.; в Северной Гренландии кроме этих растений, произрастали еще платан, каштан, виноград. В раннее третичное время на территории южной части России, Украины и юго-востока (до Камышина на р. Волге) обитала тропическая и субтропическая флора.

Во второй половине третичного периода - в миоцене и плиоцене - климатические условия ухудшились, что вызвало вытеснение тропической флоры растительностью умеренных широт.

Несмотря на ухудшение климатических условий во второй половине третичного периода, климат в конце периода - в плиоцене - был все же более теплым, чем теперь. В окрестностях Воронежа, как показали находки П.А. Никитина, произрастали водный папоротник (Azolla), обитающий в настоящее время в тропиках, лианы и др. Затер флора стала постепенно принимать таежный характер. Теплолюбивые растения сменились пихтой, елью, сосной и др. Это явилось следствием понижения температуры. В позднем плиоцене, на границе третичного и четвертичного периодов (по данным Пидопличко), на юге Европейской территории России произошло окончательное вымирание гиппопотамов, обезьян, страусов и др.

В четвертичном периоде, как полагают, было несколько оледенений: лихвинское (миндельское), днепровское (рисское) и валдайское (вюрмское). Эти оледенения происходили, повидимому, за время общего понижения температуры воздуха, главным образом температуры летних месяцев. Пониженная летняя температура способствовала накоплению твердых осадков в виде льда. Ледниковые периоды отделялись друг от друга более теплыми межледниковыми эпохами.

После отступления последнего, валдайского (вюрмского) ледника климатические условия начали постепенно улучшаться. Температура воздуха повысилась: возросло количество осадков. Под влиянием улучшения климатических условий стали возникать лесные площади. Центрами распространения леса явились места, служившие за время оледенения убежищем для древесных пород. В этот период господствующее положение в лесах занимала сосна. Дальнейшее улучшение климатических условий вызвало увеличение площади широколиственных лесов в лесостепи и лесной зоне. Этот период получил название климатического оптимума.

После климатического оптимума температура начала понижаться, и климатические условия стали приближаться к современным. Однако это понижение температуры происходило не постепенно. Были периоды, за которые климатические условия изменялись или в сторону похолодания, или в сторону потепления.

Так, с 1919 г. стало наблюдаться потепление в Арктике, выразившееся в повышении температуры воды в Баренцевом море и температуры воздуха в полярных странах, а также в умеренных широтах и в горах. Потепление наблюдалось и в южном полушарии. Это изменение климата, повидимому, было связано с усилением общей циркуляции атмосферы, обусловленным изменением интенсивности и спектрального состава солнечной радиации, поступающей на поверхности земли.

Существует ряд гипотез, объясняющих коренные изменения климата. По этим гипотезам, климаты могут изменяться под влиянием космических, астрономических и геологических факторов. Гипотезы, основанные на действии космических факторов, объясняют изменения климата колебаниями величины солнечной постоянной. Изменения этой величины могут быть вызваны или непосредственным изменением интенсивности солнечного излучения и его спектрального состава в связи с эволюцией солнца, или же тем, что при движении в мировом пространстве солнечная система пересекает участки этого пространства различной прозрачности. При прохождении менее прозрачных участков мирового пространства солнечная постоянная уменьшается и, наоборот, при прохождении более прозрачных - увеличивается.

Гипотезы, кладущие в основу астрономические факторы, полагают, что колебания климата могут совершаться под влиянием изменений некоторых астрономических величин, а именно: наклона плоскости эклиптики, или плоскости земной орбиты, к плоскости земного экватора, изменения эксцентриситета земной орбиты и др. Наклон эклиптики, т.е. наклон плоскости земной орбиты к плоскости земного экватора, не остается постоянным. Увеличение наклона вызывает повышение температуры в высоких широтах и понижение - в тропических. Уменьшение наклона вызывает противоположное действие.

Существует также гипотеза, объясняющая колебания климата изменением содержания углекислоты в воздуха. Этот газ хорошо пропускает энергию, излучаемую солнцем, и задерживает длинноволновое излучение земли. Увеличение количества углекислоты в воздухе может вызвать повышение температуры воздуха, уменьшение же количества ее, наоборот, - понижение. Имеются и другие гипотезы, объясняющие колебания климата. Повидимому, коренные изменения климата совершаются все же не под действием какого-либо одного фактора - космического, астрономического, геологического и др., а под влиянием этих факторов, действующих совместно.

2. Периодические изменения климата

Кроме коренных изменений, климат претерпевает еще изменения, носящие временный характер. Эти изменения, совершаются за более короткие периоды и появляются они в менее резкой степени. Так, могут наблюдаться периодические колебания в количествах осадков и температуры воздуха за несколько десятков лет и менее. Исследование этой периодичности показало, что сухие периоды с повышенной температурой чередуются с влажными периодами с пониженной температурой, причем эти колебания имеют период в 35 лет, т.е. за период в 35 лет происходит смена влажного и холодного периода на сухой и теплый, а затем последний снова сменяется на влажный и холодный. Новые исследования, однако, показали, что колебания климата действительно существуют, но период их строго не выдерживается.

Озон в атмосфере содержится в незначительном количестве. На 100 м³ воздуха приходится всего около 2,5 мг озона. Если бы можно было весь озон атмосферы собрать в слой, то при нормальном давлении толщина такого слоя составляла бы всего 3мм. Однако, несмотря на малые количества, он играет большую роль в ряде атмосферных явлений.

Таким образом, благодаря усилению ультрафиолетового излучения возрастает интенсивность конденсации, что ведет к дополнительному выделению тепловой энергии, усиливающей атмосферные процессы.

Существует также гипотезы, увязывающие временные изменения климата с количеством солнечных пятен. Так, Б.М.Рубашев считает, что арктические массы воздуха наиболее часто встречаются в умеренных широтах в сроки, близкие к срокам наибольшей пятнообразовательной деятельности солнца. При повышенной активности солнечной деятельности усиливается также и циклоническая активность. М.С.Эйгенсон полагает, что временные изменения климата могут быть связанны с изменением атмосферной циркуляции, интенсивность и тип которой в сильной степени зависят от солнечной активности. Исследования Л.А. Вительса также показали, что с колебаниями солнечной активности связанны крупные колебания атмосферной циркуляции. Последние со своей стороны вызывают изменения климата, охватывающие большие территории и имеющие большое значение. В настоящее время П.П. Предтеченским делаются попытки составления прогнозов солнечной активности на длительное время вперед для целей прогноза колебания климата.