Куда и почему идет дождь?

Член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, заведующий Лабораторией взаимодействия океана и атмосферы и мониторинга климатических изменений Сергей Гулев прочитал в кинотеатре «35 мм» лекцию «Как вода влияет на климат?». Slon публикует ее сокращенный вариант.

Площадь мирового океана равно 361 млн кв. км. Если принять, что основной источник воды – испарения с поверхности водного зеркала, то именно из океана берется вода на Земле. Для сравнения: площадь всех озер и рек – более 1 млн кв. км. Объем мирового океана составляет 1370 млн куб. км. Еще один источник воды – ледники, объем тут невелик, но площадь достаточно большая. Высвобождение этой воды с точки зрения влияния на климат не так важно, потому что испаряется она неэффективно.

Гидрологический цикл

В школе это называлось круговоротом воды в природе. Но правильнее сказать – глобальный гидрологический цикл. Давайте подумаем, что происходит с водой на Земле. Она испаряется с поверхности океана, попадает в атмосферу, частично в результате охлаждения, потому что при определенной температуре воздуха удерживается определенное количество влаги, которая начинает конденсироваться и переходит в жидкую фазу. То, что она превратилась в капли, не значит, что они обязательно упадут на землю в виде дождя. Некоторое количество висит в небе в виде облаков, но большая часть, конечно, выпадает в виде атмосферных осадков. Часть этих осадков попадет в океан в парообразном виде, часть в капельном. Вода переносится в атмосферном движении на континенты, и значительная часть выпадает на сушу, начинает питать грунтовые воды и через них снова попадает в океан. Над океаном влаги всегда испаряется больше, чем осаждается.

Как вода влияет на погоду

Я условно разделю это влияние на:

прямое – за счет фазовых переходов и переносов влаги; косвенное – за счет разных теплообменных процессов над поверхностью воды и над сушей.

Если говорить о прямом влиянии, нужно узнать, почему идет дождь. Вода испаряется с поверхности океана достаточно эффективно, дальше попадает в атмосферу. Там постоянно содержится 12–13 тысяч куб. км воды. Представим теперь, что вся эта вода сконденсировалась и выпала в виде осадков на поверхность всего земного шара. Тогда выпадет 25 мм осадков, это очень много. Встает вопрос, за какое количество времени они выпадут. Если за минуту или за час, то планету затопит. Но этого не происходит, так как в среднем выпадает 2,5–2,6 мм осадков. Если предположить, что дождь шел каждый день, то вся влага была бы переработана за 10 дней.

Как строится прогноз погоды

Движение атмосферы описывается набором уравнений, которые отражают довольно простые физические законы. В сумме получается система из семи уравнений.

Естественно, прогноз рассчитывается не человеком, а при помощи мощных компьютеров в метеорологических центрах. Задаются начальные значения, и пока система их помнит, она может давать прогноз состояния среды. Через какое-то время эти значения системой сбрасываются, что делает дальше прогнозирование невозможным. Предел метеорологического прогноза погоды – примерно 10–12 дней. Но есть один очень интересный факт: если бы атмосфера оставалась сухой, то система гораздо дольше помнила бы свои начальные значения, примерно 40–45 дней.

Как атмосферная влага, исчезая за 10 дней, превращаясь в осадки, выпадает на землю? В средних широтах это в основном связано с атмосферными образованиями – циклонами. Они представляют собой результат неустойчивости зональных средних движений ветров в атмосфере. Внутри циклонов влага из океанических областей переносится на сушу. На двух фронтах циклона выпадают осадки, их называют крупномасштабными, потому что охватывают территорию от ста до тысячи километров. Большая часть осадков на суше имеет такое происхождение.

Меньшая часть – конвективные осадки, выпадают они в основном в тропиках. Например, в каком-нибудь городе, расположенном на экваторе, начался очень сильный дождь, и идет он всего 20 минут. В это время в нескольких километрах от города совершенно сухо, но потом дождь переходит и туда.

Еще один механизм, который приводит к образованию осадков: слабый циклон с еще не оформившимися фронтами натыкается на горный массив. У склона горы выпадают мощные осадки. Такие циклоны, проходя над океаном, обычно распространяют свое влияние на сушу.

Циклон захватывает испаряющуюся влагу с поверхности океана, но притягивает ее также из тропиков. По дороге циклон насыщается еще и влагой, перенесенной из других районов: угол между теплым и холодным фронтом создает условия для этого.

Особенно эффективно транспортировка влаги из океана на континент происходит при движении серии циклонов. По южному краю этой серии формируется фронт. Такие потоки называют атмосферными реками. В Тихом океане, например, эти реки текут от Гавайских островов до Калифорнии. Их ширина 100–200 км, что позволяет переносить огромное количество влаги. В тропиках циклоны возникают благодаря испарению с поверхности океана, когда ее температура достигает 25–29°С. Сама по себе температура не очень важна, это только один из факторов, формирующих испарения. Тропический циклон насыщается влагой и несет ее на континенты. В отличие от среднеширотного он выливает влагу и в океан, но в меньшей степени. Больше всего таких циклонов в тропической экваториальной области, в Северном полушарии. В Атлантике они приводят к возникновению ураганов, в Тихом океане – тайфунов. Вот вам еще один механизм переноса влаги с океана на континент.

Насколько постоянна солнечная постоянная?

Когда говорим о косвенном влиянии воды на климат, то нужно сначала прояснить, откуда берется энергия на Земле. От Солнца. Солнечная постоянная равна 1378 Вт/кв. м, естественно, эта величина меняется, так как Земля вращается, и летом она ближе к Солнцу, тогда цифра увеличивается до 1443 Вт/кв. м. Зимой, когда Земля дальше от Солнца, константа равна 1349–1350 Вт/кв. м. В результате изменения этого расстояния меняется количество тепла, с которым атмосфера начинает потом работать.

Солнечная энергия проходит через атмосферу, там поглощается облаками, частичками воды, водяными парами, далее количество поглощенной энергии переизлучается, уже по другим законам, снова на Землю. От Земли она отражается частично, от океанов – примерно 5%. Вода, воздух, земля – все имеют какую-то температуру, которую излучают по закону Стефана – Больцмана. Разность между полученной и излученной энергией переносится в атмосферу и формирует тепловой баланс на поверхности.

Солнечная постоянная все-таки не постоянна, она может меняться. С 1645 по 1715 год ее значение было меньшим, чем сейчас. Ученые называют этот период маундеровским минимумом. Тогда температура в Европе была значительно ниже теперешней, а снег лежал здесь 5–6 месяцев. Посмотрите на картину Питера Брейгеля «Возвращение охотников»: в Голландии люди идут с охоты в мехах!

Эти изменения солнечной постоянной показали, что расстояние от Земли до Солнца в среднем не всегда одинаково. Кроме того, Земля, как и любое вращающееся вокруг своей оси космическое тело, обладает прецессией.

Сербский метеоролог, климатолог Милутин Миланкович в 1912 году рассчитал, что из-за изменений параметров орбиты Земля время от времени проходит через ледниковые периоды, между ними проходит от 10 до 30 тысяч лет, так называемое межледниковье, как у нас сейчас.

Но в течение последнего тысячелетия температура меняется гораздо быстрее, чем когда-либо. Если перейти на масштаб лет, то астрономический фактор станет определяющим, потому что Земля крутится вокруг оси, поворачиваясь к Солнцу разными сторонами.

Чтобы подойти к влиянию океана на климат, необходимо рассмотреть масштаб межгодовых изменений, десятилетий, столетий. За последние сто лет средняя температура Земли увеличилась примерно на 0,74°С. И очень неравномерно. В основном повышается зимняя температура. Это происходит в северных широтах, в Северном полушарии, в меньшей степени в высоких широтах Южного полушария. Явление связывают с антропогенным фактором, ведь человечество все больше вырабатывает углекислого газа. Климатически активные газы влияют на химические процессы в атмосфере, таким образом возникает ограничение для ухода солнечной радиации. В результате возникает парниковый эффект, и температура повышается.

Океан растет

Плотность морской воды – 10х25 кг/куб. м; Плотность атмосферы – 1,2 кг/куб. м; Удельная теплоемкость морской воды – 4,2 х 10³ Дж/кг К; Удельная теплоемкость атмосферы – 1 х 10³ Дж/кг К.

Если перемножить значения, можно увидеть, что удельная теплоемкость океана в 3200 раз больше, чем теплоемкость воздуха, то есть его во столько раз труднее нагреть и охладить и настолько дольше он помнит свое состояние и может влиять на атмосферные процессы.

Процессы передачи не только влаги, но и всей энергии на всей границе океана, атмосферы, крайне важны. Он может сам по себе ловить сигналы атмосферы и достаточно сильно влиять на ее динамику. Помимо солнечной энергии, антропогенного фактора, если он существует, это оказывает косвенное влияние на климат.

Возвращаясь к циклонам: результатом являются атмосферные вихри, которые деформируют средний поток. Как только появляется равномерное движение воздуха, а снизу есть источник тепла, возникает мощный циклон. Такой циклон в 2007 году принес разрушения и наводнения в Европу, а к нам – сильный снегопад. Это если говорить в масштабах дней.

Теперь масштабы лет. Есть такое явление, как Эль-Ниньо, когда вода в поверхностных слоях в Тихом океане, в районе Перу, нагревается и градиент температуры в океане становится очень большим. К тому же образуется вертикальная циркуляция, и как результат – происходит тропическая дестабилизация, которая влияет на циркуляцию в средних широтах. Выделяется очень большое количество влаги, возникают тропические осадки, наводнения, в некоторых районах – засухи.

Если говорить об очень продолжительных периодах времени, десятилетиях и столетиях, то нужно вспомнить о долгосрочных процессах, связанных с глобальной океанической циркуляцией. Глобальная океанская циркуляция, как и циркуляция атмосферы в классическом представлении, связана с тем, что воздух в атмосфере поднимается у экватора, грубо говоря, перетекает к полюсам, там опускается. На самом деле все не совсем так выглядит. В атмосфере эти переносы происходят симметрично. До конца 1970-х – начала 1980-х годов считали, что все так же работает и в океане. Десятилетия, год – это тот период, за который происходит оборот воды в Тихом океане, Атлантике. Оказалось, что в океане воды могут передвигаться не по упрощенной схеме, где по поверхности она течет к полюсам, там опускается, потом возвращается к экватору и там поднимается. В 1984 и в 1986 годах два ученых, профессор С. С. Лаппо и В. Брокер, предсказали циркуляцию на отрезке от десятка до сотен лет, связывающую разные океаны. Вода попадает из Тихого океана в Атлантический, там опускается, затем перетекает назад, смыкается. Это происходит за несколько сотен лет и делает океан климатически активным.

Океан активно взаимодействует с углекислым газом, он также нагревается, более того, принимает участие в его перераспределении. В тропических областях передает СО₂ атмосфере и поглощает его в высоких широтах Южного и Северного полушария. Если океан будет нагреваться, то, естественно, баланс нарушится, он будет больше передавать и меньше поглощать.

Океан растет примерно на 3 мм в год, неоднородно, наиболее сильно в области морей Малайского архипелага, в районе Сингапура. Также идет уменьшение площади арктических вод, они сократились примерно на 25%. В летний период с июля по октябрь полностью открыт северный морской путь, и если такая ситуация сохранится, то он может удлиниться. Это, с одной стороны, интересная экономическая ситуация, а с другой – происходит оттаивание вечной мерзлоты. Все территории на пути к Арктике могут превратиться в топь.