Погода. Радиационный баланс Земли. Локальные ветры и бризы. Движение Земли и погода

 2. Погода

Все, что происходит в нижней, наиболее плотной  части атмосферы (тропосфере) и доступно нашим чувствам, сконцентрировано в одном емком слове – «погода». Погода – состояние атмосферы, выраженное в терминах тепла, давления, ветра и влажности[1]. Из этих элементов состоит погода. Не было бы атмосферы – не было бы погоды. Нет погоды на Луне, поскольку она не имеет атмосферы. У поверхности Земли атмосфера плотная и тяжелая. И здесь, в нижней атмосфере, мы наблюдаем непрерывно меняющиеся, иногда драматические, иногда катастрофические явления погоды.

Но не только воздух ответствен за погоду. Если бы земная атмосфера никогда не нагревалась, не перемешивалась, не перемещалась, тоже не было бы погоды (вернее, не было бы погодных изменений), не было бы ветров, изменений давления, штормов, дождей и снега. Таким образом, нагрев – эта та «ложка», которая перемешивает атмосферу и меняет погоду. Все погодные изменения являются результатом изменения температуры в различных частях  атмосферы.

2.1. Радиационный баланс Земли

Солнце – основной источник тепла на Земле[2]. Это очень интенсивный источник. Достаточно сказать, что за год Земля с атмосферой получают от Солнца количество тепла, которого достаточно, чтобы растопить слой льда толщиной 35 м при 0 ^о С, покрывающий всю земную поверхность. Около 45% падающего излучения поглощается земной поверхностью и превращается в тепло. 30% отражается обратно в космос (25% отражается атмосферой, 5% - земной поверхностью), около 25% поглощается атмосферой[3]. Некоторые дополнительные детали приводятся ниже. И следует понимать, что приведенные цифры весьма приблизительны, а разница в них для разных областей земного шара является генератором сил, приводящих в движение атмосферу.

Типичное облако отражает назад в космос 75% падающего излучения. Поэтому в облачные дни только 25% солнечной энергии достигают поверхности Земли и участвуют в ее нагревании. Очевидно, приведенные цифры не могут быть точными, поскольку в сильной степени зависят от методики оценки. Схема, приведенная на рис. 2.1 (из [16]), оперирует несколько иными цифрами, которые также отличаются от приведенных на рис. 2.2.

Нагретые солнечным излучением Земля и атмосфера испускают длинноволновое тепловое излучение, которое частично уходит в мировое пространство. Потери такого рода происходят непрерывно: и днем, и ночью. Правда, днем такие потери могут с избытком компенсироваться притоком тепла за счет солнечного излучения. Излучение системы Земля-атмосфера в космическое пространство особенно эффективно при безоблачном небе и при малой влажности воздуха. Поэтому оно наиболее значительно в районах пустынь, где ночью температура воздуха вследствие радиационного (за счет испускания теплового излучения) охлаждения может опускаться ниже нуля, а днем достигать нескольких десятков градусов по Цельсию.

Атмосфера играет весьма важную роль в процессе потерь тепла за счет излучения. Оказывается, что большая часть тепловой энергии, излучаемой поверхностью Земли, компенсируется противоизлучением атмосферы.

Из приблизительно 58% энергии солнечного излучения, поглощаемого атмосферой и земной поверхностью, 43% приходится на поверхность Земли и 15% на атмосферу.

Излучение атмосферы частично выходит в космос, частично падает на земную поверхность, частично отражается ею, частично поглощается  и дополнительно нагревает ее. Излучение земной поверхности частично беспрепятственно выходит в космическое пространство, частично поглощается атмосферой и нагревает ее, частично отражается атмосферой и облаками и возвращается на Землю. Кроме того, между поверхностью Земли и атмосферой существует теплообмен за счет конвективных и турбулентных[4] движений воздуха. Такой теплообмен намного эффективнее молекулярной теплопроводности, которой можно просто пренебречь.

Наконец, очень эффективным механизмом передачи тепла от нагретой Земли атмосфере является испарение воды с поверхности Земли и последующая ее конденсация в атмосфере[5].

Таким образом, существует много разнообразных механизмов обмена теплом между поверхностью Земли и атмосферой. Однако, если не вдаваться в подробности и интересоваться только результирующим радиационным балансом системы Земля-атмосфера, получаются приводимые ниже приближенные оценки.

Основная доля энергии, поступающей на Землю, заключается в оптическом солнечном излучении. Максимум энергии приходится на зеленое видимое излучение. Средняя интегральная по спектру плотность потока солнечного излучения за пределами атмосферы на орбите Земли приблизительно равна а=1368 Вт/м²  и называется солнечной постоянной.

Очевидно, что должен иметь место баланс между поступающей в систему планеты Земля энергией и энергией, излучаемой в космическое пространство. Иначе Земля все время нагревалась бы или остывала. Такой баланс устанавливается автоматически независимо от чьего-либо желания. Счастливой случайностью можно считать только то, что условиям равновесия соответствует вполне приемлемая для нас температура поверхности Земли.