Океаническая циркуляция приводится в действие двумя механизмами: ветром над поверхностью океана и понижением температуры в субполярных широтах вследствие охлаждения морской воды и образования морских льдов. Циркуляция течений в верхнем океане возникает главным образом под влиянием ветра, который также является причиной (мерзлотного) вспучивания земной поверхности на побережье, в частности, на западном побережье Южной и Северной Америки, а также Гольфстрима и его «двойника» в северной части Тихого океана у японских островов – Куросио1.
Циркуляция «глубинных вод океана», т. е. океанических течений на глубине нескольких тысяч метров, имеет «термо-галинную» природу, т. е. вызвана разной плотностью на разных уровнях. По сути это те же процессы, что и в атмосфере, только вместо нагревания снизу (в тропиках) происходит охлаждение сверху (на поверхности субполярных океанов). Это охлаждение утяжеляет воду («термический эффект»). Тот же эффект имеет образование морского льда, поскольку в нем не содержится морской соли, которая остается в жидкой воде. В результате в жидкой воде повышается концентрация соли, и она становится более тяжелой («галинный эффект»). Когда поверхностные воды утяжеляются, вертикальная стратификация становится неустойчивой, и начинается конвекция. Поверхностные воды переносятся в глубину. В современных климатических условиях этот процесс происходит в северной Атлантике и в Южном океане у границ Антарктики. На глубине в этом случае происходят компенсаторные перемещения от областей понижения, и в других регионах, например, в Тихом океане, уровень воды поднимается.
Термо-галинная циркуляция происходит намного медленнее, чем циркуляция под воздействием ветров. Для состояния океанической поверхности она не имеет большого значения, однако она определяет состояние глубинных вод океана, а, следовательно, в долгосрочной перспективе, также климат на его поверхности. На самом деле нынешнее холодное состояние глубинных слоев океана (вблизи океанического дна температура воды приближается к точке замерзания) отнюдь не единственно возможное. Как в 1907 году доказал американец Томас Кальм Чемберлен (1843–1928), в ранние периоды истории Земли глубинные воды океана были теплыми1. Для того чтобы океанические воды прошли полный цикл глобальной термо-галинной циркуляции, им требуется от одной до двух тысяч лет. Вода, которая сейчас находится у дна Атлантического океана, начала свой путь с поверхности на глубину во времена викингов. Медленное погружение воды на глубину океана можно очень хорошо проследить по перемещению радиоактивного углерода (С14).
В климатических процессах океан – это не пассивный компонент, реагирующий на происходящее в атмосфере. Он сам тоже сильно влияет на атмосферу, определяя температуру в ее нижних слоях, а кроме того, являясь важнейшим источником водяных испарений. Вы только представьте: океан занимает 71% всей поверхности земли! Попадающий в атмосферу пар влияет на ее радиоактивность, а, следовательно, и на количество энергии, которую атмосфера получает от Солнца и которую она отражает в космос. Там, где водяные испарения конденсируются, т. е. превращаются обратно в воду, высвобождается термическая энергия. В этой связи применительно к пару говорят о скрытой энергии, так как сначала она никак не проявляется, а становится ощутимой только при переходе из газообразного состояния в жидкое. Конденсированный пар выпадает на землю в виде дождя или снега, проникает в почву и по рекам снова возвращается в море: круговорот замыкается.
Криосфера включает в себя ледниковые и снежные покровы Земли, которые в климатическом механизме выполняют две функции. Во-первых, они изолируют океан и поверхность земли от атмосферы, существенно ограничивая тепло- и влагообмен. Во-вторых, ледяные и снежные покровы имеют гораздо более высокий альбедо, чем другие поверхности – океан, пустыня или области с растительным покровом. Альбедо – это относительная доля отражаемого солнечного излучения. У свежевыпавшего снега альбедо достигает 95%, тогда как на морской поверхности этот показатель может не доходить до 10%.
Итак, атмосфера Земли – то, что в обыденной речи мы называем воздухом – не является изолированной физической системой, а состоит в разнообразных причинно-следственных связях с другими сферами Земли.
Как мы уже упоминали, динамика климата порождает отклонения в любых временных шкалах. Динамический механизм этого процесса отличается от других явлений. Если абстрагироваться от уже упомянутых внешних циклов суточного и годового хода, то окажется, что эта изменчивость в значительной степени обусловлена внутренними процессами. Ключевыми словами здесь являются «нелинейность», которая может мгновенно превратить ничтожно малое нарушение в большое последствие, и «бесконечное множество взаимосвязанных факторов». Первое явление известно как «эффект бабочки»: взмах крыльев бабочки можно кардинальным образом изменить ход развития системы. Второй эффект можно наглядно представить в виде существования несчетного множества бабочек, которые беспрерывно взмахивают крыльями, так что результат их действий невозможно отличить от случайного процесса. Динамика климатической системы трансформирует эту кажущуюся случайность в упорядоченную крупномасштабную структуру вариаций.
К обусловленным внешними причинами колебаниям в климатической системе относятся океанические и атмосферные приливы и отливы, а также колебания солнечного излучения, изменения оптических характеристик стратосферы вследствие извержения вулканов, изменения параметров земной орбиты, положение и топография континентов. Влияние приливов проявляется очень быстро, воздействие вулканов ограничивается одним-двумя годами. Масштаб воздействия солнечной активности пока до конца не изучен. Два других процесса охватывают период от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет.
В завершение мы хотели бы указать на взаимосвязь глобального и регионального или локального климата1. В классической географической традиции знания о глобальном климате выводятся из знаний о совокупности региональных климатов. Однако с естественнонаучной точки зрения это отождествление неверно. Как мы видели, различные режимы излучения в высоких и низких широтах определяют общую структуру атмосферной (и океанической) циркуляции, включая тропические ячейки Хэдли, зоны западных ветров и штормовые зоны в средних широтах, где климатические процессы трансформируются под воздействием больших горных массивов и общего соотношения моря и суши. Чтобы показать, что в реальности значение имеют только действительно самые крупные структуры, заметим, что, например, исчезновение австралийского континента не привело бы к изменению глобального климата – по крайней мере, в математической модели, но, разумеется, повлияло бы на климат Австралии. Эта глобальная структура и есть «глобальный» климат, который практически не зависит от региональных данностей. Региональный климат, в свою очередь, можно трактовать как глобальный климат, видоизмененный под воздействием региональных условий, т. е. специфического типа земной поверхности (пустыня, тропический лес, степь), региональных горных массивов (Альпы), морей (Средиземное море) и крупных озер (Каспийское море). Локальные климаты формируются на основе регионального климата в результате адаптации к местным (локальным) особенностям, таким как крупные города, небольшие озера (Боденское озеро) или горы (Гарц). Правильность такой «каскадной трактовки» климата подтверждена успешностью климатических моделей (см. также: von Storch et al., 1999). Такие модели всегда «дискретизируют» процессы, располагая их на конечной координатной сетке, а не в виде континуума, как это имеет место в реальности. Это означает, что можно отобразить только те процессы, которые на пространственной (или временной) шкале по масштабу больше, чем заданное дискретизацией минимальное значение. Поэтому в таких моделях не отображены локальные климаты, из которых можно было бы вывести картину регионального климата, и региональные климаты, как правило, тоже не представлены в полном объеме. Но, несмотря на это, данные модели успешно описывают глобальный климат. Практика показывает, что в прежних моделях структуры, величина которых варьировалась в районе нескольких тысяч километров, были отображены правильно. Развитие компьютерных технологий сегодня позволяет снизить порядок моделируемых величин до нескольких сотен километров. Если бы классическое отождествление глобального климата с совокупностью региональных климатов было верным, то все попытки успешно симулировать глобальный климат при помощи климатических моделей были бы обречены на неудачу.
