Солнце, земля и люди, история и сущность глобальных природных процессов на земле в зависимости от солнца и деятельности человека

Н. П. Русин, А. А. Флит

Русин Н. П. и Флит Л. А. Солнце на земле. М., «Советская Россия», 1971.

Пусть не удивляет Вас название книги — «Солнце на Земле». Солнце здесь надо читать с маленькой буквы, ибо речь пойдет не о Солнце как о звезде и центре солнечной системы, а о солнце — источнике тепла, поступающего на Землю, о солнце, отдающем себя природе и людям. Что представляет собой солнечная радиация, какие изменения вызывает она на поверхности Земли и в её атмосфере, как устанавливается тепловое равновесие в природе, что делает и будет делать человек для раскрытия её тайн. Авторы книги — доктор географических наук Н. П. Русин и журналистка Л. А. Флит.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

ГЛАВА ПЕРВАЯ

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС НАШЕЙ ПЛАНЕТЫ

Солнечная радиация, какой она нам представляется

Бухгалтерия солнечного тепла

Тепловое равновесие на земной поверхности

Тепловое равновесие атмосферы и Земли как планеты

Распределение тепла на Земле и циркуляция атмосферы и океана

ГЛАВА ВТОРАЯ

БАЛАНС ТЕПЛА, ЛЕДНИКИ И ЛЕДНИКОВЫЕ ЭПОХИ

Биография климата

Климат и ледники

Ключ к разгадке ледниковых эпох

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И СОВРЕМЕННАЯ ГЕОГРАФИЯ ПЛАНЕТЫ

Возникновение тепловых поясов Земли

Формула тепла и климата

Условия увлажнения на Земле

Формирование природных географических зон

Тепло, влага и речной сток

Тепловой баланс и растительность

Тепловое равновесие в природе, животный мир и человек

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

ЧЕЛОВЕК МЕНЯЕТ КЛИМАТ

Проблема века

Управление теплом и влагой — управление урожаем

Искусственное таяние арктических льдов и его последствия

Послесловие

Предисловие

Пожалуй, нелегко сыскать человека, не знакомого с законами сохранения энергии и вещества в природе. Их философская и практическая сущность необычайно проста. Ни энергия, ни вещество в природе не могут появиться ниоткуда и не могут исчезнуть бесследно. Их приход всегда равен расходу. Иными словами, в природе существует баланс или равновесие энергии и вещества. Эти законы стали тривиальными. Они известны каждому школьнику с первых уроков физики. Но сравнительно немного людей задумывались над тем, сколь велико их значение в жизни Земли, в процессах и явлениях, происходящих вокруг нас и в нас самих.

Одним из проявлений закона сохранения энергии является тепловое равновесие на Земле. Соотношение между составляющими его лежит в основе развития многих природных процессов. Изучение баланса тепла позволяет не только понять и объяснить тот или иной процесс, но и определить интенсивность его развития. А это уже даёт человеку ключи для управления многими физическими явлениями на Земле. Так закон становится методом, который люди могут использовать не только для раскрытия тайн природы, но и для её преобразования по заданному человеком плану. Вот о том, как закон сохранения энергий используется для объяснения и количественной оценки природных процессов и о путях вмешательства в «дела» природы, и пойдёт речь в этой книге.

Само собой разумеется- что она будет далеко не всеобъемлющей. Многие проблемы нам не удалось разобрать полнее, некоторые рассмотрены лишь частично. Но если читатель, прочтя эту книгу, сам задумается над возможностями дальнейшего применения указанного метода для познания окружающего его мира или использует его в своей повседневной деятельности — мы будем считать, что цель наша достигнута.

Солнечная радиация и тепловой баланс нашей планеты

В наш синтезирующий век не только фантасты одержимы идеей путешествия во времени. Заманчивыми эти путешествия кажутся и учёным, особенно тем, которые пытаются представить себе биографию нашей планеты.

Что же больше всего поразило бы человека, перенесённого в начало палеозойской эры, то есть примерно на 500 миллионов лет назад, и стремительно возвращающегося в наше сегодня? Вероятно контрасты. Впрочем, первые впечатления были бы не очень эффектными. Древние материки, совершенно непохожие на то, что мы видим сегодня на географических картах, выглядят пустынными и безжизненными. Только что зародившаяся жизнь сосредоточена в лагунах экваториальных морей и обнажённых от воды участках побережий, на мелководьях и в заболоченных местах. Первые примитивные растения: водоросли, хвощи, мхи и папоротниковые — всего лишь крошечные оазисы на пустынной Земле. Тысячелетия сменяются тысячелетиями. Бурное развитие жизни происходит от кембрия до девона, то есть в течение трёх геологических периодов, охватывающих более 200 миллионов лет. Первобытные растения и животные, постепенно изменяясь, заселяют Землю. Климат благоприятствует этому расселению. От экватора до Северного полюса нет ни ледников, ни ледовитого океана. Даже за Полярным кругом зимой температура не опускается ниже нуля градусов. Тепло, влага и, видимо, большое количество углекислоты способствуют росту и развитию растений. Безлистные кустарники превращаются в деревья, а затем в огромные непроходимые леса хвощей и папоротников.

Наступает новый период истории Земли — каменноугольный, или карбон. Продолжается он 50 миллионов лет.

В это время деревья растут очень быстро. За 1-2 года они достигают нескольких десятков метров высоты и нескольких метров в диаметре.

Но вот климат, видимо, стал суше. Появились предки наших животных. И вдруг... картина резко изменилась.

В конце каменноугольного периода в результате каких-то катаклизмов, о которых мы можем пока только догадываться, облик Земли стал быстро меняться. Поднимаются новые горы. Там, где только что был океан, появляется суша. И наоборот, большие участки суши скрываются под водой. Вся южная половина древнего праматерика Гондваны оказывается подо льдом. Ледники покрывают и современную Индию, занимают современные территории Индийского, южной части Тихого и Атлантического океанов и достигают Антарктики.

Почти всё южное полушарие заковывается в лёд. Свободной от него остаётся только Антарктида. Ледниковые поля движутся от современного экватора на юг широкими потоками по территории Южной Африки, Индии, Аргентины и Бразилии. А в северном полушарии в это время по-прежнему тепло. Лишь на территории современной Северной Америки встречаются отдельные ледники. Полюса и географический экватор занимают иное положение, чем теперь. Термический экватор, то есть самая тёплая зона на Земле, смещен далеко на север от современного экватора. Между экватором и Северным полярным кругом появляется обширная сухая, а местами даже пустынная зона. Скоро она занимает уже всю территорию современной Европы, почти достигая севера Скандинавии и Кольского полуострова. Как же объяснить столь необычную климатическую картину конца палеозойской эры? Она связана, по-видимому, с иным, чем теперь, расположением материков, а следовательно, другим распределением тепла и влаги на земном шаре. Вытянувшийся по широте к югу от экватора древний материк Гондвана, по-видимому, препятствует проникновению экваториальных вод в покрытые льдом южные моря. Тёплые морские течения движутся только на север — в Арктику, возвращаясь оттуда обратно к экватору.

Создаётся впечатление, что гигантская система водяного отопления на земном шаре испортилась. Действует только один северный её участок. Может быть, именно в этом и кроется тайна вечного лета, царившего в ту эпоху в северном полушарии, и вечной зимы — в южном.

Более 50 миллионов лет северное полушарие Земли покрыто гигантскими лесами. В периоды карбона и перми на Земле накапливались огромные запасы органического вещества (в том числе и около 40 процентов всех запасов каменного угля). Небывалое развитие в это время получает и животный мир. Гигантские амфибии (стегоцефалы и тероморфы), чудовища, названные динозаврами и бронтозаврами, вес которых достигает 17-20 тонн, а дневной рацион — около 500 кг, населяют леса и воды.

Но вот новая революция в природе, и на грани между палеозойской и мезозойской эрой происходит новая перестройка земной поверхности. Образуется так называемая Герцинская складчатость, а вместе с ней наступает похолодание и оледенение обширных участков теперь уже северного полушария. Где-то в это же время, а может быть несколько раньше, происходит и перестройка суши на Земле. Древний праматерик Гондвана, объединявший ранее Африку, Южную Америку, Австралию, Антарктиду, а возможно, и современную Аравию и Индию, раскалывается на ряд континентальных глыб. Это остовы будущих материков. Пока они еще повернуты по-иному, чем в настоящее время, и выглядят иначе, но центробежные силы уже растаскивают их в разные стороны. Только Африка, которая совпадает с продольной осью Гондваны, почти не меняет своего местоположения. Учёные полагают, что начавшийся в середине мезозоя, то есть 160 млн. лет назад, знаменитый дрейф современных материков не закончился в настоящее время.

А вместе с новой геологической революцией происходит и новое изменение растительного и животного мира планеты.

Хвощи и папоротники уступают место голосемянным. Эти древние предки современных араукарий и сосен оказываются более приспособленными к холодному климату. Папоротники и хвощи переходят во второй ярус, становятся подлеском и постепенно вымирают. В это же время амфибии сменяются земноводными рептилиями, или ящерами. Их мы уже представляем себе более четко. Останки гигантских скелетов этих животных сохранились до наших дней. Это были хладнокровные животные. Они не могли жить при низких температурах воздуха. Поэтому надо полагать, что климат на подступах к последней геологической эпохе — кайнозойской — в северном полушарии был еще сравнительно тёплый. К середине мелового периода сухость его увеличивается, облачность на небе становится все меньше, и земная поверхность начинает вновь получать больше солнечных лучей. В растительном и животном мире происходят новые изменения. На смену голосемянным — хвойным приходят покрытосемянные — лиственные леса. Они появляются как бы вдруг, из ниоткуда и очень быстро завоёвывают всю Землю. В верхнем меловом и третичном периоде ивы, буки, дубы, платаны, клёны, магнолии, орешник и другие лиственные покрывают горы и равнины северного полушария от Кавказа до Арктики. В это же время резко меняется и животный мир. Гигантские рептилии быстро вымирают, может быть, от недостатка пищи, так как лиственные леса и травы уже не могут их прокормить, а вероятнее всего, от наступающих более холодных зим. На смену рептилиям приходят крупные млекопитающие и птицы, корма для них в это время более чем достаточно.

Последний геологический период — четвертичный — насчитывает пока всего лишь около миллиона лет. Но события, происходившие в это время, совершенно изменили облик северного полушария. Так называемое «великое оледенение», охватившее большую часть теперь уже северного полушария, оказало решающее влияние на формирование того ландшафта, к которому мы привыкли сегодня.

Последние тысячелетия — это уже наша жизнь. Расположение материков, географические зоны, растительность — всё привычно, знакомо по описаниям и собственным наблюдениям.

Кстати, у геологов существует мнение, что мы живем где-то на расстоянии двух третей от периода максимального оледенения северного полушария, но далеко ещё не в самом конце этого периода. Учёные полагают, что мы находимся на восходящей ветви развития растительного и животного мира.

Какой же вывод напрашивается в результате такой экскурсии из глубины веков в настоящее?

Пожалуй, мысль о том, что жизнь на Земле с момента её возникновения развивалась как бы волнами, то есть имела периоды подъёмов и затуханий, достигая то максимального расцвета, то глубокого упадка. Первым учёным, распознавшим около 140 лет назад эти «волны жизни», был француз Ж. Кювье.

В Советском Союзе эти вопросы развивались Д. Н. Соболевым, а затем Б. Л. Дичковым. Вот что пишет Б. Л. Личков о «волнах жизни» в своей книге «К основам современной теории Земли» (1965 г.):

«Каждая волна жизни примерно соответствует по своей величине геологическому циклу, она укладывается в промежутках между двумя соседними тектоническими диастрофами. Последним отвечают изменения в рельефе, структуре, в гидрологических и почвенных условиях ...»

«Волна жизни», по Личкову, состоит как бы из трёх климатических эпох: ледниковой, умеренной и сухой — ксеротермической. В период диастрофы создается новый рельеф земной коры, формируются новые почвы, на материках скапливаются большие запасы воды. Между геологическими революциями происходила перестройка жизни. Одни формы животных и растений вымирали, другие приспосабливались к изменившимся условиям. Каждое последующее изменение климата стимулировало развитие новых форм жизни. Нарастание жизни шло как лавина, напоминая цепную реакцию, до тех пор, пока какие-то внешние или внутренние силы Земли не приводили к новой геологической катастрофе, а затем к новому изменению климата, перестройке влагооборота на Земле, новому обновлению растительного и животного мира.

Против теории «волн жизни» трудно возражать, она представляется достаточно убедительной. Однако нельзя объяснять развитие всех сложнейших природных процессов внутри такой «волны» одними лишь геологическими условиями. Значительная, если не ведущая, роль в этих колебаниях принадлежала солнечной радиации.

Предположим, что количество радиации, приходящей к нашей планете от Солнца на протяжении этих 400 или 500 миллионов лет, в силу каких-то причин менялось время от времени. Понятно, что её увеличение вызывало бы нагревание земной поверхности и атмосферы, следовательно, и повышение температуры, а уменьшение, наоборот, приводило бы к похолоданию климата на Земле.

Но учёным точно известно, какое количество солнечной радиации падает на единицу поверхности на границе атмосферы. Эту величину они называют солнечной постоянной. Известно также, как меняется излучение самого Солнца со временем. И все эти данные подтверждают, что Солнце освещало и грело нашу планету на протяжении всей её истории почти так же, как сейчас. И так же оно будет освещать и обогревать её в будущем ещё многие миллионы лет.

Но, несмотря на то, что Солнце посылает к границе нашей атмосферы постоянное количество радиации, к Земле оно приходит далеко не всегда одинаково.

В период геологических катастроф, например, когда небо покрывается на долгое время тучами вулканической пыли, солнечная радиация, приходящая к поверхности Земли, может ослабевать в несколько раз. Падает температура, растёт облачность, увеличивается количество осадков, особенно твёрдых, возникают ледники. Но и не только в период таких катастроф поступление солнечного тепла может меняться. Оно зависит от того, покрыта ли Земля снегом или свободна от него, суша ли это или море, лес или поле, то есть количество поступающего тепла зависит от характера земной поверхности. Именно взаимодействие солнечной радиации с земной поверхностью являлось тем фактором, который определял в прошлом и определяет теперь развитие жизни на нашей планете.

Дальше мы расскажем об этом подробнее, а пока познакомим читателя с основным источником формирования климата на Земле — солнечной радиацией.

Солнечная радиация, какой она нам представляется

О солнце и его энергии написаны многие тысячи книг. О нём пишут физики и химики, астрономы и астрофизики, географы и геологи, биологи и инженеры. И в этом нет ничего удивительного. Ведь солнце является источником жизни для всего земного.

Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет ее снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере.

Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.

Солнечный свет, попадая на растение, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений- попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).

А разве могли бы обойтись без солнца люди и животные? Конечно, нет. Они, если не прямо, то косвенно зависят от него, поскольку не могут жить без воды и без пищи.

Итак, Солнце — это основной источник энергии на Земле и, первопричина, создавшая большинство других энергетических ресурсов нашей планеты, таких, как запасы каменного угля, нефти, газа, энергии ветра и падающей воды, электрической энергии и т. д.

Энергия Солнца, которая в основном выделяется в виде лучистой энергии, так велика, что её трудно даже себе представить. Достаточно сказать, что на Землю поступает только одна двухмиллиардная доля этой энергии, но она составляет около 2,5 1018 кал/мин. По сравнению с этим все остальные источники энергии, как внешние (излучение Луны, звёзд, космические лучи), так и внутренние (внутреннее тепло Земли, радиоактивное излучение, запасы каменного угля, нефти и т. д.) пренебрежительно малы.

Солнце — самая близкая к нам звезда, представляющая собой огромный светящийся газовый шар, диаметр которого примерно в 109 раз больше диаметра Земли, а его объём больше объёма Земли примерно в 1 млн. 300 тыс. раз. Средняя плотность Солнца составляет около 0,25 от плотности нашей планеты.

Поскольку Солнце не твердый, а газовый шар, говорить о его размерах следует условно, понимая под ними размеры видимого с Земли солнечного диска.

Внутренняя часть Солнца недоступна наблюдению. Она представляет собой своеобразный атомный котёл гигантских размеров, где под давлением около 100 миллиардов атмосфер происходят сложные ядерные реакций, во время которых водород превращается в гелий. Они-то и являются источником энергии Солнца. Температура внутри Солнца оценивается в 16 миллионов градусов.

О том, что это за температура, английский ученый Д. Джине в книге «Вселенная вокруг нас» говорит следующее: «... булавочная головка из вещества, нагретого до температуры, которая царит в центре Солнца, излучала бы столько тепла, что человек, находящийся на расстоянии в 150 км от нее, сгорел бы мгновенно». Газ, который бушует в недрах Солнца, не только необычайно горяч, но и очень тяжёл. Его плотность в 11,4 раза превышает плотность Солнца. В этом атомном котле возникают невидимые рентгеновские лучи. Прежде чем достигнуть поверхности Солнца, они проходят очень извилистый путь, преодоление которого занимает около 20 тысяч лет. Чем ближе они приближаются к поверхности Солнца, тем все больше увеличиваются длины волн, а частота колебаний уменьшается, пока они не превращаются в ультрафиолетовый и видимый свет.

По мере изменения характера лучистой энергии меняется и температура Солнца. На расстоянии 3/4 радиуса от центра она снижается примерно до 150 тысяч градусов. Наблюдать с Земли можно только внешнюю оболочку Солнца (фотосферу). Она-то и излучает солнечную радиацию. Толщина фотосферы всего около 300 км, а температура её поверхности 5700 градусов.

Выше слоя фотосферы располагается солнечная атмосфера. Солнечную атмосферу учёные разделяют на две части. Нижний её слой, где вспыхивают языки пламени солнечного газа, называется хромосферой, а верхний — практически безграничный слой — солнечной короной. Температура ее газов достигает миллионов градусов, то есть в тысячи раз выше, чем температура фотосферы.

Столь огромное повышение (а не понижение) температуры солнечных газов по мере удаления от Солнца учёные объясняют возникновением ударных волн, рождающихся чудовищной силы шумом, который происходит на поверхности светила.

Современные исследования космических станций показывают, что газы солнечной короны заполняют всё межпланетное пространство солнечной системы. Газовые частицы, непрерывно излучаемые солнечной короной (корпускулы), образуют в межпланетном пространстве своеобразный «солнечный ветер». О некоторых свойствах этого ветра можно узнать, наблюдая поведение комет или магнитные возмущения в верхних слоях атмосферы, расположенных вблизи магнитных полюсов Земли.

Скорость газовых частиц, образующих «солнечный ветер», 300-500, а по некоторым данным даже 800 км в секунду. Благодаря этому «ветру» Солнце непрерывно теряет не только энергию, но и массу. Он ежегодно уносит от Солнца около 1,4Х1013 тонн вещества. Но, хотя эта цифра и астрономическая, потери солнечной материи, по сравнению с общей массой Солнца, так малы, что могут привести к уменьшению её на один процент лишь через сто миллиардов лет.

Земля, как, впрочем, и все планеты солнечной системы, окружена не безвоздушным холодным пространством, а раскалённым корональным газом, температура которого достигает десятков тысяч градусов. Верхний разрежённый слой атмосферы Земли (экзосфера) как бы сливается с этим потоком летящих от Солнца горячих газов. Поэтому и температура частиц воздуха, здесь достигает сотен градусов выше нуля.

Помимо газовых частиц (корпускул), которые, как мы сказали, летят от Солнца со скоростью 300-500 и более км/сек, и достигают поверхности Земли примерно через 8-10 минут, Солнце излучает энергию в виде электромагнитных волн различной длины и частоты, начиная от нескольких Ангстрем и кончая очень длинными радиоволнами. Основная часть приходящей на Землю солнечной радиации лежит в пределах 0,17-24 микрона, причем 99 процентов этой радиации приходится на участок спектра от 0,17 до 4 микрон. Радиация Солнца с длинами волн меньше 0,17 микрон поглощается верхними слоями атмосферы, и измерить её можно, только поднявшись на большие высоты. Эта коротковолновая ультрафиолетовая радиация Солнца является очень опасной для жизни живых организмов. Если бы атмосфера не предохраняла нас от неё, то жизнь человека на Земле была бы невозможной.

Солнечная радиация с длинами волн больше 24 микрон составляет ничтожно малую величину и в практических расчётах не учитывается. Весь остальной спектр радиации Солнца (от 0,17 до 4 микрон) обычно делят на 3 части. Первая часть — ультрафиолетовая радиация (от 0,17 до 0,35 микрона). За очень сильное воздействие на живые организмы её иногда называют химической радиацией. Именно она вызывает изменения в составе кожного пигмента и образует солнечный загар, а при длительном воздействии — эритему или ожог. Длительное облучение ею губительно действует на многие микроорганизмы. Однако, несмотря на огромное значение этой радиации в жизни растений и животных, доля её в энергетическом балансе Земли не превышает 7 процентов.

Вторую часть солнечного спектра (от 0,35 до 0,75 микрона) составляет световая радиация, то есть то, что мы называем солнечным светом. На долю этой радиации в энергетическом балансе приходится уже 46 процентов.

И наконец, третью часть солнечного спектра (от 0,76 до 4 микрон и далее) образует так называемая инфракрасная, уже невидимая для глаза, радиация (47 процентов).

Если смотреть на Солнце через тёмное стекло, туман или дымку (особенно, когда оно находится близко к горизонту), то можно увидеть огромное тёмное пятно. В действительности оказывается, что это пятно, являющееся основанием фотосферы, отнюдь не сплошное и по внешнему виду напоминает вымощенную булыжником мостовую.

Наблюдения показывают, что поверхность Солнца никогда не бывает спокойна. Углубления на этой «мостовой» иногда сливаются между собой, образуя большие тёмные пятна, свидетельствующие о сильных вертикальных движениях солнечных газов- во время солнечной активности таких пятен одновременно может насчитываться несколько, в спокойные же периоды, наоборот, поверхность Солнца месяцами остается чистой. Изучая частоту и интенсивность полярных сияний, которые увеличиваются и усиливаются в период солнечной активности, учёные установили, что солнечная активность имеет свою периодичность 2, 6, 11, 26 и около 100 лет. Особенно хорошо прослеживается 11-летний цикл.

В те годы, когда максимумы или гребни этих волн накладываются друг на друга, усиление солнечной активности происходит наиболее резко.

Как раз такая ситуация создалась в 1957 году, который ученые выбрали в качестве Международного геофизического года для организации своих наблюдений одновременно на всём земном шаре.

В этот год число солнечных пятен (оно измеряется в условных единицах, называемых числами Вольфа) достигло рекордного за последние 250 лет значения (рис. 1).

Активность Солнца сильно влияет на процессы, происходящие как на Земле, так и в атмосфере.

С усилением ее в атмосфере происходят магнитные возмущения, возникают магнитные бури, ухудшается или даже прекращается прохождение радиоволн.

Установлено большое влияние солнечной активности на погоду и даже климат, а также на геофизические процессы, происходящие в твёрдой оболочке Земли.

Дело в том, что так называемая плоскость эклиптики, с которой происходит вращение Земли вокруг Солнца, наклонена к солнечному экватору всего на 7°. Это означает, что к Земле поступает лучистая энергия и корпускулярное излучение только из узкой экваториальной области Солнца. Вместе с тем астрономами установлено, что в период усиления солнечной активности образовавшиеся на Солнце пятна постепенно сползают от солнечных полюсов в зону солнечного экватора. Это приводит к тому, что в эти периоды к Земле приходит значительно больше ультрафиолетовых лучей и радиации сверхкоротких длин волн. Их влияние сказывается, главным образом, на высоких слоях атмосферы и мало отражается на интенсивности прямой радиации, приходящей к земной поверхности.

В высоких слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца молекулы кислорода О2 расщепляются пополам, или, как говорят, диссоциируются (О2 О+О), Образовавшиеся в результате диссоциации свободные атомы кислорода очень неустойчивы, они быстро присоединяются к какой-либо другой молекуле кислорода, образуя новый газ, называемый озоном (О3).

Наибольшая концентрация озона наблюдается в слое атмосферы от 10 до 30 км высоты. Поэтому его часто называют слоем озона. Этот слой озона имеет очень важное значение при формировании климата не только в свободной атмосфере, но и у земной поверхности.

Дело в том, что озон поглощает значительную часть тепловых лучей, испускаемых земной поверхностью в мировое пространство. Поглотив их, он, во-первых, нагревает слой воздуха, в котором содержится, а во-вторых, возвращает тепло обратно на Землю, препятствуя её охлаждению. Короче говоря, он действует наподобие рамы в парнике, поэтому и тепловой эффект, который он оказывает на поверхность нашей планеты, называют парниковым.

Так вот, с увеличением интенсивности солнечного излучения количество озона в атмосфере увеличивается, а максимальная его интенсивность перемещается с высоты 28-30 км на высоту 10-11 км. Благодаря такому перераспределению озона при ясном небе равновесная температура у поверхности Земли может, повыситься на несколько градусов, что, в свою очередь, сказывается на изменении давления воздуха у земной поверхности, а вместе с ним — на общей циркуляции атмосферы. На рис. 2 показано, как закономерно меняется направление ветра в свободной атмосфере (на высоте 30-50 км) над экватором в зависимости от 2-летнего цикла солнечной активности. Примерно каждые 2 года, а точнее через 26 месяцев, ветры от западных переходят к восточным, а затем снова к западном.

Но солнечная активность связана не только с количеством и площадью солнечных пятен. Имеются и другие астрономические условия, усиливающие или ослабляющие поступление солнечной радиации к границам земной атмосферы и создающие свою цикличность. Одним из таких условий является 27-дневный период вращения Солнца вокруг своей оси. В связи с этим вращением возникшие или скопившиеся в какой-либо части солнечного экватора тёмные пятна появляются или исчезают с видимого диска Солнца, изменяя тем самым количество солнечной радиации, излучаемой в сторону Земли. Такой 27-дневный цикл не может не повлиять на погоду и другие геофизические процессы, происходящие на земной поверхности и в атмосфере.

Вот какие данные о волнах холода в Ленинграде приводит, например, доктор географических наук Т. В. Покровская (1967 г.). В 1-й день календаря каждого месяца среднее число волн холода равно двадцати, на 10-й день — двенадцати, на 19-й — сорока, на 26-й — тридцати семи. Как видно из сказанного, в первую половину любого месяца года вероятность тёплой погоды в Ленинграде примерно в 2-3 раза выше, чем в конце месяца.

С еще более продолжительными циклами солнечной активности, равными в среднем 7 годам, связаны, по-видимому, дождливые годы на западном побережье Южной Америки, которые повторяются через каждые 7 лет, а также суровые зимы на северо-западе России, наблюдающиеся через такой же промежуток времени.

Не без влияния Солнца образуются в атмосфере и на Земле известные в народе еще с древнейших времен так называемые крещенские и сретенские морозы или частые грозы в ильин день (2 августа).

В. П. Колоколов, обработавший записи грозорегистраторов за последние годы, обнаружил, что они имеют совершенно чёткую периодичность, причём наибольшая активность гроз из года в год наблюдается, если не в те дни, которые установлены народными приметами (ильин день, день Самсона и др.), то близко от них.

Значительное влияние оказывает усиление солнечной активности не только на процессы и явления, происходящие у земной поверхности, но и на состояние самого человека. Еще 15-20 лет назад химики заметили любопытное явление: некоторые коллоидные растворы ни с того ни с сего начинают терять коллоидальную устойчивость. Взвешенные в низе вещества вдруг выпадают в виде осадков, а красители обесцвечиваются. Специалисты фетрового и войлочного производств еще раньше заметили, что при определенных условиях фетр и войлок очень трудно выделываются. В цементной промышленности в то же время некоторые высокосортные сорта цемента плохо цементируются и т. д. Итальянскому химику Пикарди удалось установить тесную связь этих оригинальных явлений с магнитными бурями, а через них — и с солнечной активностью. Оказалось, что нарушение коллоидального равновесия некоторых растворов всегда связано с усилением солнечной активности и увеличением корпускулярного излучения Солнца. Позднее врачи установили, что состояние людей с сердечнососудистыми заболеваниями ухудшается при повышении солнечной активности. Причина здесь кроется в изменении состояния крови, которая, будучи своеобразным коллоидом, также оказалась подвержена воздействию повышенного излучения Солнца.

Ещё до сих пор не разгадана сущность этой связи, неясно, какой вид солнечного излучения (корпускулярное или электромагнитное) и какой диапазон длин волн влияет на эти процессы. Но медики уже нашли некоторые способы защиты от их вредного действия. Иное влияние оказывает солнечное излучение в периоды спокойного Солнца. В это время увеличивается поступление солнечной энергии в световой части спектра, а вместе с ней возрастает и интенсивность прямой радиации у земной поверхности. Поэтому становится понятным такое, казавшееся ранее необъяснимым, явление природы, как увеличение на Земле в 3-4 раза числа жестоких засух. Они наблюдаются как раз в периоды минимума солнечной активности или предшествуют этим периодам.

Посмотрите на рис. 3, где показано изменение солнечной активности за последние примерно 30 лет и отмечены наиболее сильные засухи в Европе и Азии за этот же период. Рисунок полностью подтверждает то, о чем мы рассказали выше.

Ну, а теперь, получив представление о влиянии Солнца на процессы, происходящие на Земле, попытаемся разобраться в том, какое же количество солнечной энергии участвует в формировании природных процессов на нашей планете.

Бухгалтерия солнечного тепла

Еще в глубокой древности люди изображали Солнце в виде золотого диска со множеством лучей, на концах которых рисовались кисти рук, щедро одаривающих землю теплом и светом. Солнечную радиацию используют люди, животные, растения, всё живое. Она равномерно разлита по всей нашей планете. Ею до отказа напоены атмосфера и Земля, суша и вода, растения и животные.

Солнечной радиации так много, что Земля не способна полностью её освоить. Она поглощает и превращает в другие виды энергии всего лишь около 2/3 приходящей от Солнца радиации. Остальная её часть отражается обратно в мировое пространство и теряется для Земли безвозвратно. Чтобы представить себе количество приходящей к Земле солнечной радиации, проделаем небольшие вычисления.

Представим себе, что на верхней границе атмосферы перпендикулярно солнечным лучам поставлена чёрная пластинка, которая полностью их поглощает, превращая в тепло. Тогда каждый квадратный сантиметр поверхности этой пластинки будет нагреваться примерно на 2 калории в минуту или почти на 1000 килокалорий в год. Эту величину 2 кал/см2/мин принято называть солнечной постоянной. Она является своеобразным эталоном, указывающим максимально возможное количество солнечного тепла на границе земной атмосферы или на земной поверхности, если бы на нашей планете, как на Луне, отсутствовала атмосфера.

Но на самом деле из-за шарообразности Земли и вращения её вокруг своей оси и вокруг Солнца поступление солнечного тепла к границам земной атмосферы за год едва достигает 260 ккал/см2, то есть составляет примерно 1/4 от возможной радиации. Если учесть теперь, что более чем одна треть от этой величины отражается нашей планетой в мировое пространство, то выяснится, что на все нужды Земли из 1000 ккал/см2 в год остаётся только 168. Но и это количество тепла огромно. Оно распределяется между земной поверхностью и атмосферой следующим образом: примерно одна треть поглощается атмосферой, а остальные 2/3 (112 ккал/см2/год) достигают земной поверхности.

Поглотив солнечную радиацию, земная поверхность и атмосфера превращают её в другие виды энергии: тепловую, химическую, электрическую и т. д. Основная доля солнечной радиации превращается, конечно, в тепло. Оно идёт на нагревание атмосферы, океанов и поверхности суши. Большая часть этого тепла на Земле затрачивается на испарение воды с поверхности суши и океанов. На нагревание воды, почвы и воздуха, на таяние льда и снега расходуется тепла уже много меньше. Что же касается доли солнечной радиации, усваиваемой растениями и превращающейся в химические виды энергии, которые определяют их рост и развитие, то, несмотря на обилие растительности на земном шаре, она составляем лишь долю процента. В бухгалтерии солнечного тепла это даже не учитывается. Не учитывается нами и механическая энергия, поскольку она не является результатом превращения солнечной энергии, а возникает из-за неравномерности нагревания земной поверхности или фазовых превращений водяного пара в атмосфере. Иными словами, солнечные лучи сами по себе не могут создать движения воздуха на Земле. Циркуляция атмосферы и ветер являются результатом превращения не солнечной, а уже тепловой энергии в механическую. И хотя эта энергия, как мы увидим ниже, играет огромную роль в перераспределении тепла по земному шару, по своей природе она — уже вторая производная, вторичный продукт солнечной радиации.

В настоящее время учёные могут достаточно точно не только измерять, но и рассчитывать приход и расход солнечной радиации и для земного шара в целом и для каждой точки земной поверхности, будь это вода, снег, оголённая или покрытая растительностью почва. Более того, они могут подсчитать этот приход и расход за минуту, час, сутки, месяц или год.

Наблюдения за приходом солнечной радиации ведутся на тысячах специальных актинометрических станций во всех странах мира. Что же касается наблюдений за расходом этого тепла, то они налажены хуже. Дело это оказалось очень трудным и хлопотным. Поэтому учёные предпочитают лучше вычислять его, нежели измерять.

Учёт прихода и расхода солнечного тепла ведется в настоящее время во многих странах мира, но главной бухгалтерией мира, согласно международной договоренности учёных, является старейший научный институт нашей страны — главная геофизическая обсерватория в Ленинграде. Непрерывно стекаются сюда со всей Земли результаты актинометрических наблюдений.

Для более детального разбора проблемы прихода и расхода солнечного тепла привёдем некоторые аналогии, например с бухгалтерским учётом, основное назначение которого, как известно, состоит в подведении баланса, то есть в установлении равновесия между приходом и расходом. Все, что пришло, должно быть израсходовано. Иначе останутся излишки, баланса не будет. Не будет его и в том случае, если расход превысит приход.

Это положение бухгалтерского учёта можно отнести ко всем естественным наукам, имеющим дело с приходом, расходом или превращением вещества или энергии. Оно целиком распространяется и на солнечное тепло.

Приход солнечного тепла в любой точке земной поверхности, на границе атмосферы или для всей системы Земля — атмосфера, должен быть всегда равен расходу. Иными словами, тепловой баланс должен быть всегда равен нулю.

Земная поверхность не является однородной. На Земле имеются континенты и моря, горы и равнины, пустыни и леса. Словом, поверхности самые различные, и каждая из них имеет свой тепловой баланс. Малейшее изменение в приходных или расходных его статьях немедленно приводит к изменению природы и климата в данном месте. Поэтому-то ведение бухгалтерии солнечного тепла является одной из основных задач метеорологов всех стран мира. Определив приходные и расходные статьи теплового баланса, они не только получают ключи к разгадке климата Земли в прошлом или в будущем, но, что ещё важнее, могут активно изменять климатические и все другие природные условия, воздействуя на ту или иную его составляющую. Но прежде чем рассказывать о практическом использовании результатов этой работы, попытаемся несколько расшифровать приходные и расходные статьи баланса нашей планеты. Разными путями поступает радиационное тепло на поверхность Земли. В ясные дни оно приходит главным образом в виде прямых Солнечных лучей (прямой радиации), в пасмурные — в виде лучей, рассеянных облаками и атмосферой (рассеянной радиации). Прямая и рассеянная радиация вместе составляют суммарную коротковолновую радиацию (С). Кроме суммарной радиации, земная поверхность получает значительное количество тепла от самой атмосферы в виде длинноволновой радиации (Еа).

Это уже тепловая радиация. О её происхождении мы скажем несколько ниже, а пока лишь отметим, что в отличие от солнечной, которая поступает только днём, тепловая радиация неба приходит к земной поверхности непрерывно круглые сутки.

Таким образом, к поверхности Земли идут два потока радиации: коротковолновая солнечная радиация (прямая + рассеянная) и длинноволновая (тепловая) радиация атмосферы. Американский ученый Лондон рассчитал величину каждого из этих потоков радиации для северного полушария. Его данные приведены в табл. 1.

Из таблицы видно, что даже летом земная поверхность от атмосферы получает в 1,8 раза больше тепла, чем за счёт коротковолновой солнечной радиации. Зимой же эта величина возрастает до 2,6 раза.

Атмосфера Земли нагревается от разных источников. Одним из них, как мы знаем, является озон. О других мы скажем позднее. Нагревшись, она излучает тепло по тому же самому закону чёрного тела, по которому излучают свое тепло поверхности Земли и Солнца. Излучение это происходит в обе стороны: как к земной поверхности, так и в безвоздушное пространство.

А что представляют собой расходные статьи теплового баланса Земли? Первая из них — потеря тепла поверхностью Земли за счёт своего лучеиспускания (обозначим ее для дальнейших подсчетов Ез). Все физические тела на Земле, будь это почва, вода, воздух, любые растения, снег или лёд, поглотив пришедшую от Солнца и неба радиацию и превратив ее в тепло, нагреваются и сами становятся источниками излучения, Они теряют свое тепло по тому же физическому закону «чёрного тела», что и Солнце. Но так как их температура на несколько тысяч градусов ниже, чем температура поверхности Солнца, то и длина волн, испускаемых поверхностью Земли, воды, снега, атмосферой и т. д., иная, чем у Солнца. Если спектр солнечных лучей на 99 процентов состоит из лучей с длинами волн от 0,17 до 3-4 микрон (с максимумом в световой части около 0,47 микрона), то спектр тепловой радиации Земли и атмосферы на 99 процентов состоит из лучей с длинами волн от 4 до 40 микрон, с максимумом в области около 15 микрон. Иными словами, поверхность нашей планеты и атмосфера излучают только тепло. Ни световых, ни ультрафиолетовых лучей Земля не испускает. При температуре 0°C (Т=2730) каждый квадратный сантиметр земной поверхности излучает 0,453 кал/мин. С повышением температуры до 27°C (Т=300°) тепловое излучение Земли увеличится уже до 0,660 кал/см2/мин. Особенно велико излучение Земли в Сахаре, где температура поверхности почвы днем достигает 80 градусов. В целом для земного шара за год эта расходная статья теплового баланса на 40 ккал/см2 больше, чем приход тепла от атмосферы.

Разница между длинноволновыми потоками радиации Земли и атмосферы называется эффективным излучением Земли. Оно всегда направлено от земной поверхности (имеет отрицательный знак), так как температура поверхности Земли выше температуры атмосферы.

Вторую расходную статью в тепловом балансе Земли представляет отражённая коротковолновая радиация. Мы уже говорили, что наша планета сама не светит. Она, как зеркало, отбрасывающее солнечный зайчик, отражает обратно в мировое пространство примерно 1/3 всех приходящих к ней солнечных лучей. Само собой разумеется, что величина отражённой радиации зависит от характера поверхности, на которую падают солнечные лучи (ее альбедо). Альбедо земной поверхности меняется от нескольких процентов до нескольких десятков процентов.

Только что вспаханное поле, в зависимости от состава почвы и ее шероховатости, имеет альбедо всего 0,05-0,15. Это значит, что его поверхность отражает всего 5-15 процентов падающей на нее прямой и рассеянной радиации. Альбедо песчаных пустынь достигает уже 30-35 процентов, в зависимости от цвета песков. Альбедо поверхности озёр, морей или океанов очень сильно зависит от высоты Солнца и характера волнения. Для спокойного моря оно может меняться от нескольких процентов в полдень до 80-90 и более процентов перед заходом солнца, когда солнечные лучи скользят по поверхности воды. Особенно велико альбедо поверхности снега. По данным наших наблюдений в Антарктиде, даже в полуденные часы, когда высота Солнца могла достигать 30 и более градусов, альбедо снега часто превышало 90-95 процентов. При низких высотах Солнца оно всегда близко к 100 процентам. Иными словами, покрытые льдом и снегом поверхности нашей планеты практически почти не поглощают солнечного тепла, сколько бы его ни приходило. И это, как мы увидим дальше, имеет решающее значение в формировании климата Земли.

Помимо двух рассмотренных выше радиационных или внешних расходных статей теплового баланса Земли, за счёт которых значительная часть солнечного тепла может уходить за пределы атмосферы и теряться для нашей планеты безвозвратно, имеются ещё три статьи расхода солнечного тепла, составляющие как бы внутренний или местный тепловой бюджет планеты. Этими статьями являются: затраты тепла на испарение с поверхностей морей и океанов, суши и растительного покрова (аИ), затраты тепла на нагревание воздуха (В), особенно вблизи земной поверхности, за счёт так называемого турбулентного или механического (заметьте, уже не лучистого) теплообмена с подстилающей поверхностью. И наконец, затраты тепла на нагревание самой почвы, воды или растительного покрова и на формирование их собственного теплового режима (П).

В отличие от радиационных статей, имеющих всегда один знак (минус), местные статьи теплового баланса могут менять свой знак, то есть из расходных становятся приходными и наоборот.

Перечислив основные приходные и расходные статьи теплового баланса нашей планеты, составим теперь общий её баланс.

Сначала сделаем это для всей системы Земля + атмосфера (Б3+А), затем отдельно для поверхности Земли (Б3) и для атмосферы (БА).

Чтобы наша бухгалтерия была более понятной, представим себе сначала тепловой баланс земного шара в целом (см. рис. 4), а потом приведем данные для отдельных материков.

На верхней границе атмосферы баланс тепла представляет собой баланс солнечной радиации й подсчитывается очень просто. Поступает от Солнца 168 ккал/см2/год (100%) и излучается земной поверхностью и атмосферой тоже 168 ккал. (Из них 128 ккал/см2/мин (76%) излучает атмосфера и 40 ккал/см2год (24%) теряет Земля за счет эффективного излучения.)

Для поверхности земного шара его подсчитать уже сложнее.

Приходная статья теплового баланса — суммарная радиация после вычета из неё отраженной радиации и эффективного излучения Земли, по данным М. И. Будыко, составит 72 ккал/см2/год, или 43% от общей суммы (168 ккал/см2) приходящей от Солнца радиации. Эта остаточная радиация (Б), часто называемая метеорологами «радиационным балансом», будет расходоваться, как мы сказали, на испарение, нагревание воздуха и нагревание почвы, воды или других подстилающих поверхностей. Некоторая доля тепла тратится также на таяние снега. Расход тепла на нагревание подстилающей поверхности происходит только в тёплый период года. В холодное время года глубинные слои почвы и воды обратно возвращают тепло подстилающей поверхности, от которой они его получили. Поэтому в целом за год эта составляющая теплового баланса равна нулю. Примерно то же происходит и с затратами тепла на таяние снега. Осенью и зимой, когда вода замерзает, это тепло обратно возвращается атмосфере, поэтому в сумме за год оно также равно нулю. Таким образом, в годовом балансе тепла остаточная радиация будет уравновешиваться только затратами тепла на испарение и на нагревание воздуха, то есть Б = аИ + В. Несколько забегая вперед, скажем, что для земного шара в целом затраты тепла на испарение составляют 59 ккал/см2год, а затраты тепла на нагревание воздуха 13 ккал/см2/год. Тогда общий баланс тепла для поверхности земного шара в целом будет выглядеть так: 72 = 59 + 13.

Тепловой баланс атмосферы Земли рассчитывается уже проще. Поскольку тепловой баланс поверхности Земли положительный и каждый её кв. см получает за год 72 ккал тепла, то, согласно закону сохранения энергии, атмосфера должна ежегодно терять такое же количество тепла. Только в этом случае тепловой баланс всей системы Земля + атмосфера будет уравновешиваться. Рассуждая так, мы можем сказать, что расходная часть теплового баланса атмосферы будет равна — 72 ккал/см2/год.

Приходными статьями теплового баланса атмосферы будут: уже известное нам количество тепла, получаемое ею от поверхности Земли за счет турбулентного теплообмена (13 ккал/см2/год), и скрытая теплота парообразования, выделяющаяся при конденсации водяного пара во время образования облаков и туманов. Эта приходная статья по величине как раз должна быть равна затратам тепла на испарение, то есть составлять 59 ккал/см2/год.

Следовательно, тепловой баланс атмосферы Земли будет иметь вид

Существуют и другие способы вычисления теплового баланса атмосферы, они несколько отличаются от приведённых выше, но конечные результаты расчётов примерно одинаковы.

Можно было бы на этом и ограничить наш рассказ о тепловом балансе Земли, если бы она не вращалась вокруг Солнца и вокруг своей оси, её поверхность была бы однородной, а атмосфера над ней — неподвижной. На самом деле на Земле происходит смена времен года и суток. На ней есть континенты и океаны, горы и равнины, леса и степи. Атмосфера Земли находится в постоянном движении. Воздушные течения не только сами переносят и распределяют по земному шару поступающее в атмосферу тепло, но еще вызывают образование океанических течений, которые наподобие труб водяного отопления распределяют нагретую солнцем воду по всей Земле, отепляя не только холодные океаны и моря, но и омываемые ими материки.

Совершенно очевидно, что при таких условиях тепловой баланс подстилающей поверхности в каждой точке земной поверхности будет не только отличаться от теплового баланса Земли, в целом, он будет различным даже в двух соседних точках или даже на одном и том же участке, если его подстилающая поверхность почему-либо изменится.

Покажем это на примере лишь одного участка.

Обозначим стрелками, направленными к земной поверхности, положительные статьи теплового баланса, то есть приход тепла, а стрелками, направленными от поверхности Земли вверх или вниз, его расход, тогда картина теплового баланса почвы днём и ночью будет выглядеть так, как показано на рис. 5, а и б. Баланс тепла для каждого из этих случаев можно написать следующим образом:

В случае, если эта почва окажется смоченной дождём или орошена, то приход и расход тепла на ней будет уже

выглядеть так, как показано на рис. 5 в, а баланс тепла днем следует записать следующим образом:

Для некоторых поверхностей та или иная статья баланса может совсем отсутствовать.

Возьмем, например, пустыню с разогретыми до высоких температур песками. Здесь отсутствуют затраты тепла на испарение и баланс будет иметь вид:

Б=П+В

Совершенно очевидно, что подобного рода баланс тепла можно составить и подсчитать для любой подстилающей поверхности и для всякого времени года или суток. Надо лишь представлять физический смысл каждой из его статей и определить её знак.

Попытаемся разобраться в физической сущности превращений составляющих теплового баланса из положительных в отрицательные и наоборот.

Возьмём сначала первую из расходных статей теплового баланса земной поверхности — затраты тепла на нагревание почвы и воды.

На любой подстилающей поверхности, будь то почва или вода, луг, покрытый травой, или лесной массив, раскаленные пески пустынь или ледники, происходят сложные физические процессы. Это своего рода естественная лаборатория, где происходят отражение и поглощение солнечной радиации, превращение ее в тепло, нагревание самой поверхности и, наконец, образование тепловых потоков, которые отводят это тепло различным его потребителям. В зависимости от характера подстилающей поверхности, времени суток, географических условий и т. д., эти процессы могут совершаться по-разному и с разной активностью.

Поверхность сухой почвы, например, отражает около 10-12 процентов поступающей к ней солнечной радиации. Эта же поверхность после дождя будет отражать солнечных лучей в 2-3 раза меньше. Для того чтобы нагреть поверхностный слой сухой почвы толщиной в 1 см и площадью в 1 см2 на 1 градус, необходимо затратить 0,3 кал тепла, а после дождя этого тепла потребуется в 3 раза больше.

А поверхность воды? На нагревание 1 см3 воды на 1 градус, как известно, требуется одна калория тепла. Слой воды толщиной в 1 см при том же количестве солнечной радиации будет нагреваться в 3,3 раза меньше, чем такой же слой почвы. Что же касается поверхности тающего ледника, то она совсем не нагреется. Всё получаемое ею тепло будет тратиться только на таяние. Следовательно, каждая поверхность, получая солнечное тепло, нагревается по-разному. Скорость нагревания любого вещества будет зависеть от физических свойств (теплоёмкости и теплопроводности).

Предположим теперь, что какая-либо из указанных выше поверхностей поглотила тепло и нагрелась. Температура её повысится, и она окажется теплее, чем слой, лежащий под ней. Перепад температуры сразу же вызовет возникновение потока тепла от верхнего, более нагретого слоя к нижнему, менее нагретому. В почве каждый нижележащий слой будет нагреваться от вышележащего только путем так называемой молекулярной теплопроводности, то есть поглощения части теплового потока, передаваемого более нагретым слоем благодаря прямому контакту. Такой поток тепла в почву (или из почвы) продолжается до тех пор, пока будет существовать разность температур между слоями почвы. К вечеру, например, когда солнце уже слабо нагревает подстилающую поверхность, поток тепла в почву постепенно ослабевает, и температура верхнего слоя понижается до тех пор, пока не сравняется с температурой нижележащего слоя почвы. Тогда поток тепла в почву прекращается, то есть П=0. Пройдет ещё некоторое время, и поверхность почвы, непрерывно излучая тепло, охладится до такой степени, что её температура станет ниже, чем температура более глубоких слоёв. Снова возникнет разность температур, но уже с обратным знаком. Теперь тепло начнет течь из глубины почвы к поверхности (см. рис. 5 б). Ночью, когда солнца нет, это тепло часто является единственным источником, спасающим поверхность почвы от сильного охлаждения и образования заморозка. Такой круговорот тепла, или теплообмен в почве, происходит не только в течение суток, но и в течение года. Наблюдения показывают, что в годовом круговороте тепла, в зависимости от типа почвы, участвует 10-20 процентов от остаточной радиации. Летом это тепло почва накапливает, а зимой, наоборот, теряет. В сумме за год оно равно нулю. Поэтому-то и тепловой баланс Земли за длительный период или за год состоит только из трех членов.

И такое равенство легко доказать. Если бы оно не соблюдалось, то почва, непрерывно нагреваясь, раскалилась бы докрасна, либо, охлаждаясь, замерзла.

Теплообмен в воде происходит несколько иначе, чем в почве. Во-первых, вода, обладая большой теплоёмкостью, нагревается медленнее, чем почва. Молекулярный теплообмен в воде происходит не так интенсивно, как в почве, и играет роль лишь в тонком верхнем слое. Поэтому-то в тихие ясные дни столь резко заметно различие в температурах на поверхности и на глубине водоёмов. Зато помимо молекулярного теплообмена для воды характерно механическое перемешивание. При ветре и волнении вода перемешивается на большую глубину. Поэтому и нагревание её в течение года распространяется не на 1-1,5 метра, как в почве, а на 10-15 метров. В течение теплового полугодия вода хотя и успевает накопить больше тепла, но остывает медленнее, чем почва, поэтому баланс тепла над водоёмами выражен слабее, чем над сушей. Доля остаточной радиации, участвующей в круговороте тепла, в зависимости от размера водоёма может сильно колебаться.

За последнее время установлено, что тепловой баланс океанов за большой промежуток времени может несколько отличаться от нуля. В более тёплые эпохи океан накапливает тепло, а в более холодные — охлаждается сам. Вследствие этого даже средняя температура воды в океане может меняться на несколько градусов. О причинах этого явления речь пойдет ниже.

Расход тепла на нагревание воздуха (В) для земного шара в целом составляет менее 20 процентов от остаточной радиации, однако сильно зависит от характера подстилающей поверхности. Для пустынных и степных районов, где затрат тепла на испарение почти нет, а на нагревание почвы используется 15-20 процентов от остаточной радиации, всё оставшееся тепло — 80 и более процентов (для летнего периода) — идет на нагревание воздуха.

Именно этим и объясняется большая жара и сухость климата пустынь. Совершенно обратная картина наблюдается над водными поверхностями. Здесь более 80 процентов остаточной радиации идет на испарение. Поэтому затраты тепла на нагревание воздуха не превышают 5-10 процентов. Механизм нагревания воздуха более похож на нагревание воды, чем почвы.

Основную роль в переносе тепла от нагретой поверхности почвы к воздуху играет не молекулярный и даже не лучистый, а турбулентный, или вихревой, обмен. Если бы мы вырезали какой-либо объем воздуха вблизи земной поверхности и подкрасили его каким-либо красителем, то могли бы заметить, что весь он состоит из множества воздушных вихорьков. Одни из них только зарождаются, другие находятся в расцвете сил, а третьи — разрываются в разные стороны и исчезают. Движутся все эти вихри в разных направлениях. Те, что теплее, стремятся унестись вверх, а более холодные, наоборот, опуститься вниз. При перемещении они часто сталкиваются между собой передают друг другу избыток энергии и «могут разлетаться в стороны, как биллиардные шары при ударе.

Такое явление беспорядочного, или турбулентного движения воздуха, по-видимому, приходилось наблюдать каждому, кто замечал, как разрываются клубы дыма при сильном ветре. Более упорядоченное движение тепловых воздушных вихрей вверх от нагретой поверхности, называемое часто конвекцией, каждому приходилось наблюдать над нагретым солнцем полем. Поднимающиеся от земли тепловые вихри сливаются между собой, образуя воздушные струи, называемые в народе маревом. Если смотреть через такие струи на окружающие предметы, то кажется, будто они, теряют очертания и как бы расплываются в воздухе. Это и есть результат того теплообмена, о котором мы говорим. Чем слабее ветер, тем чётче будут выражены эти струи. С усилением ветра они разрываются и разносятся в разные стороны, и обмен теплом между подстилающей поверхностью и воздухом происходит быстрее.

Совершенно очевидно, что, как и в почве, такая струя или поток тепла может возникнуть только тогда, когда поверхность почвы будет перегрета по отношению к прилегающему слою воздуха, то есть когда между почвой и воздухом будет наблюдаться разность температур. Чем больше эта разность, тем сильнее поток тепла и быстрее теплообмен. Следовательно, скорость теплообмена между почвой и воздухом, и скорость нагревания воздуха будет зависеть как от величины перепада или разности температуры между почвой и воздухом, так и от скорости ветра. Однако та картина теплообмена почвы с воздухом, которую мы только что нарисовали, наблюдается большею частью днём и в тёплое время года.

После захода солнца почва начинает быстро охлаждаться, тогда как воздух продолжает оставаться тёплым. Температуры почвы и воздуха сначала выравниваются (теплообмен между почвой и воздухом прекращается, то есть В = 0), а затем температура воздуха становится выше температуры почвы, и поток тепла меняет знак.

После этого уже не почва нагревает воздух, а воздух нагревает почву, то есть теплообмен происходит в обратном направлении, и эта статья теплового баланса из расходной становится приходной. Такое явление в природе бывает довольно часто. Летом оно наблюдается над сушей в ночные часы, а зимой даже круглые сутки. А вот над водными поверхностями бывает наоборот. Вследствие того что днем вода менее нагрета, чем воздух, поток тепла направлен не вверх, как над почвой, а вниз. Ночью же температура воды часто выше температуры воздуха, поэтому и поток тепла направлен не вниз, а вверх. Такая же картина наблюдается над морями зимой круглые сутки.

Те, кому приходилось зимой плавать по морю или просто смотреть в сторону моря с берега в ясный день, могли заметить, как вдали над водой поднимаются шапки кучевых облаков, которые над сушей увидишь только в летний полдень. Подобное явление можно наблюдать над морем и летом, но в ночные часы. Если поверхность почвы охлаждается смоченной дождем или политой водой (см. рис. 5 в), то так же, как над водной поверхностью, летом