Современная теория климата Земли рассматривает климатическую систему нашей планеты состоящей из цепи сложных звеньев – атмосферы, океана, льдов, суши, биосферы. В этой системе множество переплетающихся прямых и обратных связей, она, как говорят, имеет большое число степеней свободы и при данных внешних условиях может иметь множество состояний с равной вероятностью их возникновения. Это значит, что современный климат – не единственно возможный на Земле. Он в далеком прошлом был иной и может стать иным и в будущем, и для этого необязательно изменение внешних условий. Однако следует помнить важное практическое обстоятельство: изменения климата не происходят мгновенно, они требуют для своего утверждения многих тысячелетий…

При этом гипотеза неединственности земного климата не снимает проблемы возможного антропогенного изменения климата, сохраняя полностью ее актуальность и чрезвычайную практическую важность.

Советская национальная программа исследований климата Земли, утвержденная в 1978 году, в числе пяти основных направлений предусматривает обоснование климатического мониторинга, то есть системы непрерывного сбора, анализа и оценки данных, определяющих состояние климата и его изменений во времени и в пространстве. Эта программа является составной частью Международного климатического мониторинга, который осуществляется ВМО в рамках Всемирной климатической программы. Одной из задач мониторинга является оценка возможности антропогенных изменений климата в связи с тепловым и химическим загрязнением атмосферного воздуха, с влиянием различных факторов на химический состав атмосферного воздуха, на распределение компонентов радиационного баланса системы Земля – атмосфера. Климатический мониторинг должен способствовать решению проблемы прогноза климата, то есть определения возможных глобальных изменений климата в будущем, как короткопериодных, вызывающих экстремальные климатические явления, так и длительных, в масштабах многих столетий.

Моделирование атмосферных процессов – сравнительно новое и перспективное направление метеорологических исследований, основанное на применении математических моделей атмосферы и климата Земли. Модель атмосферы, правдоподобно воспроизводящая ее среднее состояние, позволяет рассматривать и возможные изменения этого состояния в результате тех или иных изменений отдельных факторов, влияющих на развитие атмосферных процессов и состояние земного климата. Модели атмосферных процессов могут быть различной сложности. Одна из первых и простейших математических моделей была предложена в 1956 году американским ученым Н. Филлипсом. Она относительно близко к действительности воспроизводила ряд основных особенностей реальной атмосферы. В настоящее время известно несколько значительно более сложных и лучше отражающих реальные условия моделей, разработанных как советскими, так и зарубежными учеными. Среди них можно упомянуть трехмерную, или многоуровневую, модель, используемую в практике предвычисления погоды и в теоретических исследованиях изменений климата.

Аэрономия – наука о верхней атмосфере, о ее строении и происходящих в ней микропроцессах. Она занимается изучением распределения с высотой плотности и температуры, а также давления газов на высотах 100 км и более. Кроме того, аэрономия изучает концентрацию заряженных частиц – ионов, образующих ионосферу (как обычно называют радиофизики верхнюю атмосферу, известную в метеорологии под названием гетеросферы). При изучении микропроцессов в верхней атмосфере аэрономия уделяет основное внимание ионизации и диссоциации частиц атмосферного газа, химическим превращениям одних частиц в другие. Таким образом, аэрономия – родственная метеорологии научная дисциплина, но занимается она несколько иными проблемами. Если метеорологов в верхней атмосфере интересуют прежде всего крупномасштабные процессы – формирование воздушных течений, возникновение волновых возмущений, колебания состояния основных физических характеристик главным образом нижних слоев атмосферы (тропосферы и стратосферы), то для аэрономии интерес представляют более высокие слои, начиная с мезосферы, а в еще большей степени – термосфера и экзосфера.

Состояние атмосферы на больших высотах подвержено очень значительным колебаниям в зависимости от времени суток, солнечной активности, сезона и широты места. Практически приходится говорить не столько об устойчивости, сколько о неустойчивости верхней атмосферы: так, на высоте 300 км плотность воздуха ото дня к ночи может изменяться в три-четыре раза, а на высоте 600 км – даже в 10 раз! На высотах более 150 км, в термосфере, температура воздуха днем может достигать 1500-2000 К, а ночью она может быть в два раза ниже, «всего» 700- 1000 К.

Турбопаузой называют область перехода от гомосферы к гетеросфере, то есть из слоя активной турбулентной диффузии и неизменного состава воздуха в слой молекулярной диффузии, в котором с высотой относительное содержание легких газов увеличивается, а тяжелых – уменьшается, и, таким образом исчезает однородность состава воздуха. Высота турбопаузы – около 100 км, она может колебаться от 95 до 110 км.

Это суточная сумма тепла, получаемая на земной поверхности с учетом угла наклона ее к солнечным лучам и в условиях отсутствия воздуха, то есть атмосферы. Поскольку любая точка земной поверхности за сутки описывает полную окружность, то величина суточной инсоляции не зависит от долготы места, а только от широты. На экваторе она от сезона к сезону изменяется сравнительно мало – от 3729 до 3311 Дж/сут, а на полосах – очень сильно: от 4502 Дж/сут в момент летнего солнцестояния до 0 в период полярной ночи.

Годовые суммы инсоляции обоих полушарий приблизительно одинаковые, но сезонные различия существенны: летом северного полушария Земля находится у афелия своей орбиты, на наибольшем расстоянии от Солнца, и северное полушарие летом получает меньше солнечного тепла, чем южное, находящееся в свой летний сезон в лучших условиях облучения, так как Земля в это время находится у перигелия орбиты, то есть на наименьшем расстоянии от Солнца. Зато зимой инсоляция северного полушария больше, чем инсоляция южного полушария.

Это количество тепла, заключенное во влажном воздухе, то есть суммарное теплосодержание сухой части воздуха и смешанного с ним водяного пара. В биометеорологии в отличие от физики, где энтальпия – тепловая функция воздуха, или просто теплосодержание, это понятие служит для оценки физиологического комфорта живых существ. Она выражается в калориях в секунду, то есть в тех же физических единицах, что и скорость обмена веществ теплокровных животных.