Рис. 12. Описание ячеистых структур циркуляции атмосферы, сделанное Джорджем Хэдли в XVII веке в условиях неполной информации.
Ср. также с современной схемой на рисунке 14.
Другие значимые работы, в которых предпринимается попытка объяснить всеобщую атмосферную циркуляцию (например, факт существования областей пассатов), принадлежат перу английского ученого Джорджа Хэдли (1685–1768). Несмотря на то, что ему были доступны лишь очень немногочисленные эмпирические данные, Хэдли верно сформулировал основные положения теории общей циркуляции воздуха (рисунок 12), в частности, пассатов, не имея возможности вывести из своей теории другие важные аспекты данного явления.
Философ Иммануил Кант (1724–1804) также внес свой вклад в изучение этого явления. Проанализировав результаты наблюдений мореплавателей за изменениями ветра в Юго-Восточной Азии, он пришел к выводу, что дальше на юге должен находиться еще один континент – на тот момент еще не открытая Австралия.
Очередной прорыв в области физической климатологии связан с именами таких исследователей, как норвежец Вильгельм Бьёркнес (1862–1951), который внес большой вклад в объяснение внутренней структуры штормов в средних широтах, швед Карл Густав Россби (1898–1957), который выявил причины неустойчивости погоды в средних широтах, и, наконец, американец Джон Нойманн (1903–1957), который после второй мировой войны раньше других понял, какие возможности открывает электронная обработка данных перед метеорологией, и применил новые подходы на только появившихся в то время компьютерах. Это компьютерное моделирование с целью прогноза погоды легло в основу современных климатических моделей; важнейший вклад в развитие этой области внесли метеорологи и океанографы Сьюкуро Мэйнаби и Кирк Брайан из Геофизической лаборатории гидродинамики в Принстоне.
В современной климатологии климатическая система трактуется как взаимодействие или процесс взаимного влияния атмосферы, гидросферы, криосферы и биосферы и не ограничивается исключительно приземной атмосферой. На передний план выходят уже не описательные исследования, а прежде всего системно-аналитический подход. Краткое изложение современных подходов к климатической системе можно найти в работах Жуссом (Joussaume 1996), Филэндера (Philander 1998) и фон Шторха с соавторами (von Storch et al. 1999). Принцип действия здесь аналогичен принципу действия теплового двигателя, работающего благодаря разнице температур в камере сгорания и радиаторе. Применительно к атмосфере мы можем говорить о том, что «активным элементом» являются (тропические) камеры сгорания, тогда как в океанической системе поддержание (термической и галинной) циркуляции обеспечивается (субполярным) «радиатором».
Рис. 13. Норвежский метеоролог и создатель теории полярных фронтов Вильгельм Бьёркнес, портрет кисти Рольфа Гровена. Портрет выставлен на факультете геофизики Университета г. Бергена.
Рис. 14. Современная схема общей циркуляции атмосферы.
Источник: von Storch H., Güss S., Heimann M. Das Klimasystem und seine Modellierung. Eine Einführung. Springer Verlag, 1999. S. 255 и далее.
Современное понимание циркуляции атмосферы схематично представлено на рисунке 14.
Нагревание атмосферы происходит в первую очередь в тропиках за счет поступления солнечного тепла в виде коротковолнового излучения. Приземный воздух в тропиках сильно нагревается, вследствие чего стратификация атмосферы становится нестабильной. Воздух в низших слоях атмосферы становится легче воздуха более высоких слоев. Это приводит к интенсивному перемещению воздуха, усиливаемому наличием водяных испарений. Воздух, поднимающийся наверх, расширяется, остывает и уже не в состоянии удерживать пар в прежнем объеме. Часть паров конденсируется, и в результате снова высвобождается тепловая энергия, изначально задействованная в испарении воды. (В этом случае говорят также о «скрытой тепловой энергии», в отличие от «воспринимаемой тепловой энергии», связанной с температурой). Эта высвободившаяся энергия нагревает воздух, который опять становится легче своего окружения и, следовательно, продолжает движение вверх. Если вы летите на самолете в тропической зоне, вы можете наблюдать этот процесс по гигантским нагромождениям облаков, которые нередко скапливаются даже выше уровня полета, т. е. выше 11–13.000 метров.
У верхней границы тропосферы (за которой начинается стратосфера, где господствуют совершенно иные условия, поскольку происходящие там процессы определяются химическими реакциями и высвобождающейся в результате энергией), т. е. на высоте 10–14.000 метров, поднимающийся вверх воздух направляется к полюсам и постепенно опускается в субтропиках. Завершается цикл движением приземных потоков воздуха в направлении экватора – пассатами. При этом установившиеся режимы ветра не всегда направлены точно на север (в южном полушарии) или точно на юг. Вследствие вращения Земли (под влиянием силы Кориолиса) эти течения воздуха принимают северо-западное или юго-западное направление.
В средних широтах образуются вторичные фронты. И главные, и вторичные фронты переносят не только тепло, но и импульсы, вследствие чего у верхней границы тропосферы образуется мощный западный поток – так называемое струйное течение, которое становится неустойчивым. Вместо постоянного вертикального вихря формируются горизонтальные, крайне непостоянные вихри до нескольких тысяч километров в диаметре. Это и есть наши постоянные спутники – ураганы. Эти вихри переносят тепло в сторону полюсов как в скрытой, так и в ощутимой для человека форме. По ходу движения от Земли исходит длинноволновое излучение в космос. В начале пути коротковолновое излучение сильнее, чем длинноволновое, но по мере продвижения в сторону того или иного полюса коротковолновое излучение уменьшается, и в результате мы получаем отрицательный энергетический баланс. Система теряет больше энергии, чем получает. Этот разрыв компенсируется переносом энергии ветрами (или океаническими течениями). Таким образом, возникновение ветров обусловлено разностью между получаемой и выделяемой атмосферной энергией («чистая прибыль» в тропических широтах; «чистый расход» в полярных широтах). Подобно тому, как приводится в действие кривошипно-шатунный механизм в паровозе, так и здесь движение ветра возникает за счет термического равновесия между паровым котлом и радиатором.
В целом циркуляция в Южном полушарии аналогична циркуляции в Северном полушарии, однако вследствие нахождения в Северном полушарии больших континентальных массивов там наблюдается неравномерное потепление в направлении с запада на восток. Летом суша нагревается быстрее, чем океан, а зимой океан остывает медленнее. Это неравновесие проявляется в возникновении муссонов в тропических зонах, а также в устойчивых метеорологических различиях между восточной и западной частью Северного полушария. Кроме того, разделению климатической структуры на восточную и западную способствуют крупные горные массивы в Северном полушарии – Гималаи, Скалистые горы и горы Гренландии. Европейские горы, включая Альпы, имеют лишь региональное значение.
В Южном полушарии нет ярко выраженной асимметрии между востоком и западом. Здесь мы видим описанную выше структуру неустойчивых струйных течений с характерными для них штормами. Из-за того, что штормы в средних широтах Южного полушария (40°–50° юж. широты) случаются круглый год, это пространство получило название «ревущие сороковые». Если мы посмотрим на усредненное по времени распределение давления на земную поверхность, то мы увидим там только концентрические, параллельные плоскости географических параллелей изобары. Однако если посмотреть на ежедневную синоптическую карту, то можно увидеть, что на протяжении суток течение отнюдь не равномерное. В умеренных широтах над Южным (Антарктическим) океаном почти всегда имеют место от четырех до семи штормов. Поскольку шторма происходят во всей зоне умеренных широт, усреднив эти данные по времени, мы получаем равномерное распределение по Южному полушарию.
