Воздуха конечно на первый взгляд прямую связь между фундаментом и климатом

Обновлено: 02.05.2024

Сходства и различия природного и природно-антропогенного ландшафта на примере пашни и естественного поля. Сходства заключаются в преобладании злаковых и мелких грызунов, кроме того такие территории располагаются на равнинной местности. Различия характеризуются неустойчивостью пашни, в отличие от поля. Пашня обрабатывается человеком, на ней произрастает преимущественно только одна растительная культура (не считая сорняков), поэтому при забрасывании территории данный природно-антропогенный комплекс быстро деградирует, так как без осуществления мелиорации и обработки земли пшеничное поле даже с учетом отсутствия сбора урожая осенью на следующий год снизит продуктивность, а пшеница начнет уступать место сорнякам, для которых не так важна человеческая мелиорация. Тогда как естественное поле долгое время даже при антропогенном вмешательстве способно к саморегуляции и не деградирует в отсутствие мелиорации.

2. Приведите примеры положительного и отрицательного воздействия на окружающую среду природно-антропогенных комплексов. Какое воздействие может преобладать? Почему?

Положительное влияние природно-антропогенные комплексов: появление новых мест обитания животных, такие комплексы могут служить барьером, препятствующим распространению промышленного и сельскохозяйственного загрязнения почв и растений в природных условиях. Природно-антропогенные комплексы могут служить основой для восстановления природных комплексов на территории, например при рекультивации. Негативное влияние природно-антропогенных комплексов может проявляться в загрязнение окружающей среды различными химическими соединениями (например, от удобрений, применяемых на сельхоз угодьях) Такие комплексы могут вытеснить природные комплексы, (чужеродные виды растений могут вытеснить существующую растительность).

Проектные работы

1. Создайте презентацию на тему «Воздействие человека на ПТК в разные исторические периоды».

План презентации «Воздействие человека на ПТК в разные исторические периоды»

1. Введение. Понятие «природный территориальный комплекс»

2. Воздействие человека на ПТК в первобытное время (собирательство, стоянки древних людей, охота и рыболовство)

3. Воздействие человека на ПТК в период древних земледельческих цивилизаций (земледелие, развитие ирригации, начало добычи полезных ископаемых)

4. Воздействие человека на ПТК в период Древнего мира (сельское хозяйство, добыча полезных ископаемых)

5. Воздействие человека на ПТК от Средневековья и времени до начало промышленного переворота (загрязнение вод нечистотами разросшихся городов, истребление животных, сведение лесов).

6. Воздействие человека на ПТК в период после промышленной революции (истребление животных, начало загрязнение компонентов окружающей среды от фабрик и заводов)

7. Воздействие человека на ПТК с 19 века до начала 21 века (увеличение добычи минерального сырья и загрязнения компонентов природной среды, техногенные катастрофы, сокращение площади лесов, начало изменения климата)

8. Воздействие человека на ПТК в 21 веке (загрязнение компонентов природной среды, разработка мер по снижению негативного воздействия на природу, внедрение «зеленых» технологий, рациональное природопользование, восстановление биоразнообразия, устойчивое развитие)

2. Культурным ландшафтам должно принадлежать будущее – таково мнение ученых. Каким, на ваш взгляд, должен быть город как культурный ландшафт? По каким правилам и законам он должен создаваться?

Город, как культурный ландшафт, должен быть сформирован так, чтобы в гармонии находились природные комплексы, человек и хозяйственная деятельность. Он должен создавать по правилам и законам природы, чтобы хозяйственная деятельность человека не наносила урон окружающей среде, чтобы человек находился в благоприятных природных и экологических условиях. Город должен быть сформирован так, чтобы всё негативное воздействие на природу было минимизировано различными способами.

Вопросы и задания для обобщения по теме В природе всё взаимосвязано

1. Объясните своими словами значение следующих понятий: природный территориальный комплекс, целостность и устойчивость ПТК, физико-географический район, антропогенный ландшафт.

Природный территориальный комплекс (ПТК) – комплекс, состоящий из всех природных компонентов (воздух, горные породы, воды, животные, микроорганизмы, человек, почвы, растения).

Целостность ПТК – единство ПТК, обусловленное тесной взаимосвязью его компонентов.

Устойчивость ПТК – свойство ПТК, которое позволяет противостоять воздействию внешних сил природы и человека.

Антропогенный ландшафт – ландшафт, созданный в результате целенаправленной деятельности человека и практически не имеющий свойств природных ландшафтов.

2. Город, как типичный антропогенный ландшафт, существует под влиянием как экономических, так и природных закономерностей. Приведите примеры влияния природных компонентов – геологического фундамента, рельефа, климата – на жизнь людей и их хозяйство в городе.

Геологический фундамент и его подвижность определяет параметры строящихся сооружений, если этой сейсмически активная зона, то ведется строительство конструкций, устойчивых к землетрясениям. А также влияет на хозяйственную деятельность населения, так как города расположенные вблизи крупных месторождений полезных ископаемых ориентированы на горнодобывающую отрасль. Рельеф определяет территориальное распределение городской инфраструктуры и промышленных объектов. Климат определяет типы жилищ, одежды, высаживаемую в парках и городе растительность, сельскохозяйственные культуры, которые могут выращиваться вблизи города.

3. Согласны ли вы со следующим утверждением: «На Земле практически не осталось ландшафтов, которые не испытали бы прямого или косвенного техногенного воздействия»? Приведите свои примеры, доказывающие это.

Утверждение «На Земле практически не осталось ландшафтов, которые не испытали бы прямого или косвенного техногенного воздействия» является верным. Человек влияет на все компоненты природной среды. Промышленные загрязнения попадают в воздух, воду, почвы и растения, многие виды животных были истреблены человеком. Горные породы также испытывают воздействие при добыче полезных ископаемых и строительстве. Все компоненты природы взаимосвязаны, поэтому прямое влияние на один из компонентов, влечет за собой косвенное воздействие на все другие компоненты природы.

… и что облака вполне способны влиять на климат, хотя пока что не совсем понятно, каков будет результат этого влияния в сухом остатке.

Что такое облако?

Почти каждый из нас трогал облако рукой или стоял в облаке , даже те, кто не забирался на большую высоту — не летал на воздушном шаре и не был высоко в горах. Облаком является обычный туман.

Однако побывать в грозовом облаке — совсем не то же самое, что постоять в тумане. Американский летчик Уильям Рэнкин пережил такой опыт, когда летел над Северной Каролиной и едва остался жив. Ему пришлось катапультироваться из самолета на высоте 14,3 км, находясь над грозовым облаком, из-за отказа двигателя.

В момент, когда летчик покинул кабину, он сильно обморозился, пережил стремительное падение давления и недостаток кислорода. Его спасло лишь то, что он сумел надеть кислородную маску. Но после этого он провалился в грозовое облако.

Эти барашки на грозовом фронте, похожие на океанский прибой, — довольно редкое явление под названием «волны Кельвина-Гельмгольца»

Вокруг него гремел гром, сверкали молнии, а затем к этому добавился и град. Рэнкину казалось, что по его телу барабанят тысячи молотков. Его спуск продолжался 40 минут, и все это время он был на грани жизни и смерти.

В конце концов летчик приземлился в лесу и сумел выбраться на дорогу, где его подобрали и отвезли в больницу. Об этих уникальных сорока минутах своей жизни Уильям Рэнкин написал книгу «Человек, оседлавший гром».

Вода испаряется с поверхности морей, рек, болот, озер, из низин и в виде водяного пара поднимается клубами вверх. Если насыщенный естественным путем водяным паром воздух стелется по земле или по морю, ухудшает видимость до километра, а то и меньше, мы называем его туманом. Но как только он поднимается на некоторую высоту, метеорологи будут называть его облаком. Но хотя любой туман — это низкое облако, далеко не любое облако является туманом.

В более высоких слоях атмосферы капельки замерзают, становясь кристалликами льда. Так что любое облако — это скопление частиц воды в разном состоянии — газообразном (водяной пар), жидком (капельки) и кристаллическом (лед). Точный состав каждого конкретного облака зависит от температуры и других условий.

С поверхности Земли облака часто видятся кусочками ваты или нежными перьями, но метеорологи их сравнивают с генерирующей и преобразующей машиной, переводящей воду из одного состояние в другое.

И вот что удивительно. Если в обычных условиях вода замерзает при 0°C или чуть ниже, то на высоте пар может существовать и при –30°С, если не встретит частичку твердого вещества и не кристаллизуется. В воздухе, даже в очень высоких слоях, присутствуют морская соль, частички пыли и сажи, пыльца растений.

Кроме того, там встречаются аэрозоли кислот, выбрасываемые вулканами, а также аэрозоли технического происхождения. Эти частицы и служат затравкой для образования капелек жидкости и кристалликов льда из водяного пара.

Облачный атлас

Все виды облаков ученые уже разобрали по форме и содержанию и составили свой «облачный атлас» , в котором насчитывается более 150 видов разных облаков. В 2017 году после ревизии атласа появилась и его оцифрованная версия. Так что каждый желающий может углубиться в тему классификации облаков.

Помимо экзотических видов, которые стоят особняком, все остальные облака грубо можно поделить на три большие группы: слоистые, перистые и кучевые. Разумеется, существуют также их комбинированные и переходные формы.

Кроме того, облака различаются по высоте, или, как говорят метеорологи, по ярусам: облака нижнего, среднего и верхнего ярусов. При этом, согласно законам физики, самые плотные облака находятся в нижних слоях атмосферы, а чем выше забирается водяной пар, тем он становится разряженнее.

Наше воображение будят в основном кучевые облака — они вне ярусов и могут «прорастать» с высоты сотни метров до стратосферы (15-18 км). Именно они сбиваются в различные «ватные» фигуры, напоминающие экзотических животных.

Слоистые облака на фигуры не похожи: они надвигаются стеной, как цепь пехотинцев, плечом к плечу. И тогда все вокруг быстро затягивается серым покрывалом, через которое порой не проглядывает даже солнце. А перистые облака — легкие, прозрачные, высокие, растянутые стремительными потоками воздуха.

Если мы научимся разбираться в облаках, то, глядя в небо, сможем сказать, как движутся воздушные массы и какую погоду они нам несут. Воздух никогда не стоит на месте, как не стоит на месте вода в океане. А облака делают это видимым глазу.

В океане течения видны далеко не всегда, но если бросить поплавок (а лучше не один), то увидим, как движется поток. Так же дела обстоят и с облаками.

Воздушные потоки перемещают эти частицы, и мы можем наблюдать движение атмосферы, а следовательно — предсказывать погоду. Сейчас мы попытаемся овладеть азами этой науки.

Летом схема смены погоды выглядит так: если теплый воздух наступает на холодный, то ясное небо сначала покрывается пеленой перистых и перисто-слоистых облаков. Часто видны характерные запятые, или «коготки» — «перистые-когтевидные облака».

Затем они уплотняются до высоко-слоистых, а затем уже и до слоисто-дождевых — они несут затяжные моросящие осадки. Иногда в процессе сгущения облаков возникает такое оптическое явление, как «гало» — радужный нимб вокруг солнца: оно может указывать на грядущее потепление.

Если же, напротив, холодный воздух наступает на теплый, то все становится мрачнее и опаснее — по небу гуляют кучево-дождевые облака, которые несут с собой громы, молнии, ливни, не исключен и град. Эти облака могут быть опасны для авиации. В пустынных районах они предвещают пыльные бури. При этом ливни и грозы скорее всего будут кратковременными, зато относительный холод может установиться надолго.

И наконец, для идеальной ситуации, когда и тепло, и солнечно, характерны «облака хорошей погоды» — так их называют метеорологи. Это кучевые плоские облака нижнего яруса — те самые легкие забавные ватные фигурки, в которых можно увидеть всё, что заблагорассудится.

Звезды соцсетей

К примеру, «вирусными» часто становятся фото так называемых «облачных цунами». Надвигающуюся зловещую облачную стену легко принять за признак то ли конца света, то ли нашествия инопланетян.

В мае 2021 года звездой интернета стало «цунами», наблюдавшееся в Чили, а в 2018 фотография аналогичного явления в штате Иллинойс собрала за сутки 50 000 комментариев.

На самом деле облачное цунами — банальный холодный фронт, насыщенный водяными парами . Чаще всего он наблюдается над океанским берегом. Такое облако, разумеется, может предвещать грозу, шторм, но мистических ужасов уж точно не несет.

Они формируются там, где есть большой перепад высот: воздух на высоте быстро движется и, встречая препятствие в виде горы, начинает подниматься вверх. А куда ему еще деваться? Миновав вершину, он снова опускается вниз.

Содержащийся в воздухе пар конденсируется и образует такое стоячее облако. Иногда линзовидные облака образуются между двумя движущимися слоями воздуха для образования таких облаков необходимо интенсивное движение воздушных масс и высокое содержание влаги в воздухе. Часто эти облака свидетельствуют о приближении атмосферного фронта.

И, конечно, огромное внимание публики привлекают фотографии торнадо. Это грозное явление природы, в сущности, тоже облако, состоящее в основном из капелек воды: оно образуется, когда наступающий холод со всех сторон охватывает небольшой клочок теплого воздуха. Этот теплый воздух, стремясь подняться вверх, сильно закручивается, вовлекая в движение окружающие массы.

В отличие от облачных цунами и линзовидных облаков, торнадо имеют все основания вызывать не мистический, а вполне прагматичный ужас: они способны причинить страшные разрушения.

Рис. 1. Климатическая сеть, использованная для поиска дальних климатических связей в данных по приземной температуре. Самые сильные связи обнаружились в районе Южного океана и связаны они, по-видимому, с высотным атмосферным явлением — волнами Россби. На картах цветом показаны области с разным количеством выходящих (слева) и входящих (справа) климатических связей. Изображение из обсуждаемой статьи

Известно, что в климатических данных встречаются устойчивые корреляции между очень далекими областями земной поверхности, и причины их не всегда понятны. Применение теории сетей к анализу приповерхностных температур показало наличие периодической корреляции в Южном полушарии, все свойства которой сходятся с атмосферными волнами Россби. Установление подобных связей станет хорошим подспорьем для традиционных климатических моделей.

Климат как сложная система

Земной климат представляет собой редкую по сложности динамическую систему. Даже само понятие «сложности» в применении к климату становится многогранным.

Климат сложен прежде всего потому, что в нём протекают или на него влияют процессы из самых разных областей естественных наук: динамика атмосферы, океанов и ледников, биологические процессы (растительный покров, биологическая активность в океане), физико-химические процессы в атмосфере (оказывающие влияние на облачный покров), географические и геологические факторы, астрофизические воздействия (циклы Миланковича, воздействие космических лучей, влияние солнечной активности) и, наконец антропогенная нагрузка на климат. Как следствие этого, климат определяется и сам воздействует на огромное количество измеряемых параметров, начиная от чисто физических (температура, влажность, ветры, атмосферный состав и т. д.) и заканчивая биологическими (например, изменение ареала распространения животных и растений).

Климат сложен еще и потому, что сами природные законы, управляющие этими процессами, «наворочены». Даже в тех областях, где многое сводится к чистой математике, скажем в атмосферной динамике, уравнения получаются сложными, а их решения — еще сложнее. И дело тут не столько в хаосе, возникающем в этих решениях; в конце концов, если бы оказалось, что величины меняются совершенно непредсказуемо, это было бы полбеды. Трудность тут в том, что в климатических переменных есть как непредсказуемый элемент, так и устойчивые закономерности, и они переплетены друг с другом.

Наконец, климат сложен из-за того, что происходящие в нём процессы многомасштабны. Например, в одной только северной Атлантике, климат которой по очевидным историческим причинам изучается очень подробно, наблюдается, помимо явных сезонных изменений, и Североатлантическая осцилляция (см. North Atlantic oscillation) — климатическая атмосферная флуктуация на масштабах от нескольких дней и до нескольких лет, и Атлантическая мультидекадная осцилляция (см. Atlantic multidecadal oscillation) — изменение среднегодовой температуры в приповерхностном слое океана с периодом в десятки лет, и даже, по-видимому, многовековое колебание.

Та же сложность наблюдается и в пространственных масштабах: процессы бывают и региональные, и крупномасштабные, и глобальные. Но только тут есть еще одно обстоятельство, дополнительно усложняющее динамику климата. На первый взгляд кажется совершенно естественным, что в климате воздействие должно передаваться только «соседям»: климатические изменения (неважно, какого масштаба) в одном месте должны влиять на соседние области, те — на своих соседей и так далее по цепочке. В конце концов, мы по опыту знаем, что какой-нибудь атлантический циклон сначала приходит в западную Европу, затем в восточную, а затем переходит на территорию России, а вовсе не скачет по планете, появляясь то здесь, то там. А если уж речь идет о взаимодействии между далекими областями планеты, то и механизм, его обеспечивающий, должен быть самым крупномасштабным, глобальных размахов.

Оказывается, это не всегда так. В климате существуют далекие корреляционные связи (teleconnections), то есть синхронные изменения некоторых характеристик относительно компактных, но значительно удаленных друг от друга районов. Самый известный пример — это глобальное климатическое влияние Эль-Ниньо. Само явление протекает вблизи экватора в восточной части Тихого океана, но оно оказывает влияние на отдаленные тихоокеанские районы, а также на несколько других регионов планеты. Другой, пожалуй еще более впечатляющий пример: существенная часть всех минералов, которые потребляют леса в Амазонской низменности, прилетает туда в виде минеральной пыли из одного очень компактного места в Сахаре, за 5 тысяч километров от самой Амазонии. Хоть эта далекая связь не относится непосредственно к климату, но на нее климат влияет, и она сама может сильно повлиять на климат в том случае, если оборвется.

Теория сетей в применении к климату

На пересечении дискретной математики и статистического анализа данных есть интересная дисциплина под названием теория сетей. Несмотря на несколько абстрактную формулировку, она находит немало применений и в природных явлениях, и во многих социальных процессах, начиная от экономики и заканчивая динамикой паникующей толпы. Анализ этих систем в рамках теории сетей часто использует методы и язык статистической физики, поэтому такие работы публикуются, среди прочего, и в физических журналах.

Сеть — это набор узлов, которые могут быть соединены с другими узлами посредством связей, по которым может передаваться какая-то величина. Сколько имеется связей у узла, направлены связи или нет, какова их интенсивность — всё это параметры модели. Однако зачастую более важным для характеристики всей сети является не это, а понятие топологии сети, то, насколько она многосвязна (рис. 2). Один тип сетей — это простая решетка, в которой узлы равномерно распределены на плоскости и каждый узел связан только с несколькими ближайшими (почти все физические системы такого типа). Другой тип — системы с сильной иерархией или кластеризацией. Третий тип — сеть с условным названием «мир тесен» (Small-world network). Эти и многие другие типы сетей имеют разную динамику и разную устойчивость к разрушениям.

Тот факт, что климатические характеристики не только плавно «перетекают» по планете, но и могут «прыгать» на далекие расстояния, наводит на мысль, что климат тоже можно смоделировать сетью с необычной топологией. Несмотря на естественность этой мысли, теория сетей начала всерьез использоваться при анализе климата не так давно. Сетью в такой модели будет поверхность Земли, разбитая на участки-узлы. Но как назначить связи между узлами за пределами ближайших соседей? Тут нужно не фантазировать, а постараться понять, какие всё-таки из далеких связей реально работают в земном климате. Нужно набрать достаточно большую статистику данных по какому-то климатическому параметру, построить его зависимость от времени для каждого узла, а затем постараться обнаружить статистически достоверную корреляцию между далекими узлами. Целью такого упражнения будет построение новой климатической модели, которая, возможно, будет предсказывать явления, не улавливаемые обычными моделями, а также поможет объяснить, как далекие связи физически образуются.

На днях в журнале Physical Review Letters вышла статья израильских исследователей, которая служит хорошей иллюстрацией к тому, как работает этот подход. Разбив всю Землю на узлы размером 2,5° и воспользовавшись температурными данными за период с 1948 по 2010 годы, они с помощью статистического анализа обнаружили новые закономерности в этих данных и, изучив их пространственные, временные и сезонные тенденции, сделали вывод об их механизме.

Поиск далеких корреляционных связей

Опишем вначале метод обработки данных, который был использован в обсуждаемой статье. Земной шар был разбит на 726 участков размером примерно 2,5°, которые считались узлами сети, см. рис. 1. Для каждого участка существуют ежедневные данные по температуре воздуха, начиная с 1948 года. Из них авторы вычитали климатическое среднее (усредненное по всем годам значение температуры в этот день и в этом узле). Так для каждого узла получается временной ход температурных отклонений T_i(d), который выглядит как беспорядочно флуктуирующая около нуля величина (рис. 3, a и b). Затем находится среднеквадратичное отклонение, и T_i(d) пересчитывается в его единицах; полученная величина обозначается θ_i(d). На следующем шаге берется какая-нибудь пара узлов с зависимостями θ_i(d) и θ_j(d) и по ним вычисляется корреляция: X_ij(τ) = i(d) θ_j(d + τ)>. Угловые скобки обозначают усреднение по некоторому периоду времени; в работе использовалось два таких периода в каждом году, отвечающие зиме и лету в Южном полушарии (с 1 мая по 31 августа и с 1 ноября по 28 февраля). Пример полученных графиков корреляции показан на рис. 3, c.

Рис. 3. Верхняя пара (a и b): данные по приземной температуре за 1948 год за вычетом климатического среднего для двух узлов сети, находящихся на одинаковой широте, но разнесенных на 45° долготы. (c) корреляционная функция X(τ), сосчитанная для этих узлов; заметен отрицательный всплеск при τ = 1 день. (d) проверочная корреляционная функция, вычисленная для тех же узлов, но с перетасованными годами; в этой функции никакой корреляции не должно быть. Изображение из обсуждаемой статьи

Смысл полученной величины простой. Если два узла флуктуируют совершенно независимо, то величина X_ij(τ) как-то колеблется около нуля без резких всплесков (рис. 3, d). Если же в их флуктуациях присутствует некая синхронность, пусть даже и незаметная глазу, то в этом графике будет наблюдаться положительный или отрицательный всплеск при τ = 0. Если же имеется синхронность, но с запаздыванием, то такой всплеск произойдет при ненулевом τ. Итак, поиск далеких климатических связей означает построение величины X_ij(τ) для всех пар достаточно далеких узлов и проверку того, не происходит ли там заметного всплеска. Если он встречается и превышает некое пороговое отклонение, то эта пара объявляется климатической связью, положительной или отрицательной в зависимости от знака.

Разумеется, в подавляющем большинстве случаев никаких корреляций видно не было. Однако она проступала в сотнях пар узлов, разнесенных на очень большие расстояния, достигавшие порой 10 тыс. км. И при этом наблюдалось сразу несколько интересных закономерностей.

Рис. 4. Зависимость самого отрицательного всплеска от расстояния между узлами для экваториальной зоны и обоих полушарий. Стрелками показаны наиболее сильные отрицательные всплески, приходящиеся на расстояния 3500 км и 10 тыс. км. Изображение из обсуждаемой статьи

Во-первых, корреляции на расстоянии свыше 1000 км наблюдались только в высоких широтах Северного и Южного полушарий, причем в южном они были сильнее; в экваториальном поясе ничего такого видно не было (см. рис. 4, в самой статье присутствуют и более детальные графики). Во-вторых, на таких расстояниях присутствовали чередующиеся положительные и отрицательные связи. Первый пик отрицательных приходится на расстояние примерно 3500 км, первый пик положительных — на 7000 км, второй, более слабый пик отрицательных — на расстояние около 10 тыс. км. В-третьих, величина запаздывания τ тоже была вполне характерной для каждого пика: примерно 1 день для первого отрицательного пика, 2–3 дня для положительного пика, 3–4 дня для второго отрицательного. Знак запаздывания был четко определенный: более восточные точки флуктуируют позднее. В-четвертых, исследователи выяснили, что самые сильные связи концентрируются в широком поясе в южной части Атлантического и Индийского океанов (рис. 1), а также что эти связи усиливаются в летний для Южного полушария период.

Всё это очень похоже на некое волнообразное колебание с длиной волны примерно 7000 км: точки, разделенные половиной длины волны, колеблются в противофазе, а разделенные целой длиной волны — синхронно. Скорость этого волнообразного перетекания тепла вычисляется по времени задержки и составляет порядка 20–30 м/с.

Климатическая интерпретация найденных связей

Тут следует предостеречь читателя от слишком прямолинейной интерпретации этих данных. Конечно, погодные фронты часто переносятся просто ветрами, и если ветра дуют с запада на восток, то вполне естественно ожидать некую корреляцию с запаздыванием на несколько дней. Однако в этом случае графики были бы совсем другими. Положительный всплеск с пропорциональным запаздыванием по времени наблюдался бы при всех расстояниях, а отрицательного почти не было бы видно. А тут ситуация совсем не такая: положительные и отрицательные всплески усиливаются при определенных расстояниях и чередуются друг с другом. А между ними, на полпути от положительной до отрицательной точки, никакой существенной корреляции нет.

Это означает, что мы видим не просто перетекание тепла по планете, а именно дальние связи. Над Южным океаном должен существовать некоторый механизм, который избирательно влияет на температуру на определенных крупных участках планеты.

Такой механизм известен — это глобальные атмосферные колебания, которые носят название атмосферных волн Россби (см. Rossby wave), или планетарных волн. Известно, что в высоких широтах, как в Северном, так и в Южном полушариях, в узкой полосе на высоте около 10 км есть сильный воздушный поток — высотное струйное течение (jet stream). Оно не просто опоясывает планету, а идет как бы зигзагом (рис. 5). Амплитуда этих зигзагов меняется со временем, и сами они тоже постепенно перемещаются. Эти колебания и являются атмосферными волнами Россби. Некоторое представление об их динамике и влиянии на климат дает вот эта анимация.

Напрашивается ассоциация между наблюдаемыми далекими связями и волнами Россби, но точно ли она оправдана? Авторы приводят несколько доводов в пользу этого. Длина волны, чередование фаз, скорость перемещения, сезонность, географическое расположение, контраст между Северным и Южным полушарием и, наконец корреляция с данными по скорости ветров в верхней тропосфере — всё это совпадает с ожидаемым влиянием волн Россби.

Высотные струйные течения разделяют крупные ячейки атмосферной циркуляции и, следовательно, отделяют холодный полярный климат от умеренного среднеширотного. Поэтому неудивительно, что они напрямую влияют на погоду в высоких широтах, в особенности на севере США и юге Канады, а также на значительной части территории России. Но погода — это одно, а устойчивая долговременная климатическая дистанционная связь — это совсем другое. И тот факт, что в таком корреляционном анализе всей планеты волны Россби оказались доминирующим фактором в образовании дальних корреляций приземной температуры, является новым для климатологии фактом.

В принципе, волны Россби изучаются давно, но в основном они определяются по состоянию атмосферы на больших высотах, в верхней тропосфере. Тот факт, что волны Россби играют важную роль в установлении дальних корреляций между температурой в приземном слое, тоже является нетривиальным. Поскольку данные по наземной температуре намного обширнее и точнее, чем по состоянию верхней тропосферы, появляется удобный способ отслеживать динамику волн Россби, в том числе и в более ранний период времени.

В целом же этот анализ продемонстрировал, к каким интересным выводам может привести использование теории сетей в науках о климате. Этот метод можно применить и к другим массивам климатических данных и поискать в них примеры далеких связей. Например, тот же Эль-Ниньо в этом анализе оказался незаметен, но он проступил в другом, менее масштабном, но более детальном исследовании, опубликованном несколько месяцев назад. У этой группы есть и другие публикации по применению теории сетей к поиску и изучению климатических закономерностей. Установление таких связей, конечно, не даст прямого ответа на вопрос о причинно-следственных связях, но по крайней мере оно будет полезно для уточнения вызывающих их физических механизмов, а также для улучшения предсказательной способности климатических моделей.

Источник: Y. Wang, A. Gozolchiani, Y. Ashkenazy, Y. Berezin, O. Guez, and Sh. Havlin. Dominant Imprint of Rossby Waves in the Climate Network // Phys. Rev. Lett. 111, 138501 (2013); статья свободно доступна в виде е-принта arXiv:1304.0946 [physics.ao-ph].

В новом церновском эксперименте CLOUD в полностью контролируемых условиях внутри трехметровой цилиндрической камеры будет изучаться динамика и условия образования маленьких капелек и кристалликов льда. Роль искусственных космических лучей будет играть протонный пучок из небольшого церновского ускорителя — Протонного синхротрона (PS). Ожидается, что исследования начнутся уже в 2009 году.

Исследования, которые проводятся в ЦЕРНе, не ограничиваются одной лишь физикой элементарных частиц. Многие из них имеют непосредственное отношение к современным технологиям и даже к повседневной жизни человека (например, к медицине, материаловедению, системам безопасности, компьютерным технологиям). Вскоре начнет работу еще один эксперимент из этой серии, CLOUD, в котором будет изучаться процесс образования облаков при облучении протонами.

Задача этого эксперимента — выяснить, в какой мере космические лучи влияют на земной климат. Связь тут такая. Прилетающие из глубокого космоса потоки заряженных частиц пробиваются сквозь магнитное поле Солнца, попадают на Землю и могут порождать в атмосфере дополнительные центры конденсации пара. Их количество влияет на динамику образования облаков, а поскольку облака отражают солнечный свет, то и на суммарный поток тепла, который достигает поверхности Земли. Поэтому можно ожидать, что в периоды магнитно-спокойного Солнца, когда больше космических лучей достигают Земли, климат будет холоднее, а в периоды активного Солнца — наоборот, теплее.

К сожалению, совершенно неизвестно, насколько эффективно «работает» вся эта цепочка. Физико-химические процессы, происходящие при пролете заряженных частиц сквозь атмосферу достаточно сложного состава, находящуюся к тому же в довольно сильном электрическом поле, надежно рассчитать не удается. Наблюдательные данные тоже не дают однозначного ответа, поскольку не получается отделить этот косвенный эффект изменчивости солнечной активности от прямого эффекта — ведь более активное Солнце попросту больше греет. Именно поэтому до сих пор продолжают публиковаться статьи с прямо противоположными выводами.

Во избежание неверной интерпретации следует подчеркнуть, что эта неопределенность ни в коей мере не касается вывода о сильном антропогенном вкладе в современное глобальное потепление. Считается надежно установленным, что суммарный эффект колебаний солнечной активности — как прямой, так и косвенный, через космические лучи, — сам по себе не может объяснить те изменения, которые сейчас происходят с планетой. Однако прояснение этого вопроса будет важным для палеоклиматологии, поскольку известно, что поток космических лучей значительно менялся в прошлом, а также для понимания механизма образования облаков вообще — одного из главных камней преткновения в современной климатологии.

В новом церновском эксперименте CLOUD, в полностью контролируемых условиях внутри трехметровой цилиндрической камеры, как раз и будет изучаться динамика и условия образования маленьких капелек и кристалликов льда. Роль искусственных «космических лучей» будет играть специально расширенный на всю камеру протонный пучок из небольшого церновского ускорителя — Протонного синхротрона (PS). Размеры камеры достаточны для того, чтобы отслеживать процессы длительностью от долей секунд и до нескольких часов. Воздух, водяной пар и пары серной кислоты (они играют важнейшую роль в образовании центров конденсации), а также материалы для самой установки будут сверхчистыми, что позволит избежать конденсации паров на нежелательных примесях. Ну и, конечно, в полной мере будет использоваться техника детектирования и изучения микроскопических частиц, выработанный за десятилетия экспериментов в ЦЕРНе и в других центрах мира.

Небольшой по размеру и длительности пилотный вариант этого эксперимента уже состоялся в 2006 году. Он подтвердил, что эффект в принципе существует и что его можно будет изучать в таком эксперименте, а также позволил внести усовершенствования в конструкцию камеры. Эта камера была построена, и на днях, 20 мая 2009 года, она прибыла в ЦЕРН. Ожидается, что исследования начнутся уже в 2009 году, и вначале будет измерена скорость образования центров конденсации при облучении и без, а также проведены масс-спектрометрические исследования. В последующие 4 года исследований будет изучена зависимость процессов от температуры и от наличия следов летучей органики. Кроме того, физики также собираются в буквальном смысле слова получать капельки и кристаллики льда с помощью адиабатического расширения камеры.

Ссылки:
1) Jasper Kirkby. Cosmic rays and climate — доклад, прочитанный в ЦЕРНе 4 июня 2009 года. По ссылке доступны слайды и видеозапись доклада.
2) On CLOUD nine — заметка из журнала CERN Bulletin.
3) CLOUD — страница эксперимента.
4) CLOUD: a particle beam facility to investigate the influence of cosmic rays on clouds (PDF, 2,9 Мб) — техническое описание эксперимента.

Атмосфера и погода

На планете Земля на разных территориях присутствует определенный климат, зависящий от множества факторов. И благодаря сложившимся окружающим условиям, в них могут существовать определенные организмы и растения. Также от климата зависит то, как будут выглядеть территории на определенном участке земли. Но что на самом деле он из себя представляет и почему играет такую важную роль?

Что такое климат?

Климат – это средняя погода за фиксированный период времени на определенных территориях. Первым термин “klimatos” использовал древнегреческий астроном Гиппарх. В переводе это слово означает “наклон”, и им ученый хотел охарактеризовать угол, под которым солнечные лучи падают на поверхность планеты. В то время считалось, что только из-за разности этого параметра как раз и зависит погода на Земле.

Например, на экваторе угол падения солнечных лучей равен примерно 90 градусов, а ближе к полюсам – 30. Если на экваторе они опускаются прямо, то на полюсах – вскользь. Из-за этого лучи покрывают большую территорию, расходуя на нее то же самое количество тепла. Поэтому и возникает разница в температуре и климате.

Позже под климатом стали подразумевать не угол наклона солнечных лучей, а среднее состояние атмосферы за последние несколько десятков лет. Благодаря этому можно выявить показатели температуры и давления, характерные для выбранной местности и обнаружить отклонения в случае их сильного изменения.

Интересный факт: существуют два понятия: макроклимат и микроклимат. Под первым подразумевается атмосферное состояние материков, морей. океанов и поясов. Микроклимат – это средняя погода на небольшом участке земли.

Понятие о климате

С тех пор, как появилось понятие “климат“, его значение постепенно меняется. Как говорилось выше, изначально под ним подразумевался наклон солнечных лучей к поверхности Земли. Из-за этого люди начали думать, что климат и погодные условия зависят лишь от широты, на которой находится территория. И чем ближе к полюсу планеты, тем температура будет ниже.

Фото с территории Сибири с резко континентальным климатом

Но в средние века, когда люди начали активно путешествовать и преодолевать океаны, исследователи заметили, что на одной широте, в разных местах, климат отличается. В XVIII веке М.В. Ломоносов доказал зависимость погодных условий от особенностей суши и находящихся рядом водоемов.

В 1831 году ученый А. Гумбольд выпустил труд “Космос”, в котором описал зависимость климата от океана и его течений. Во второй половине XX века Н. Блютген пришел к выводу, что правильнее под данным термином подразумевать совокупность всех атмосферных изменений, на которые реагируют органы чувств человека. Примерно в то же время исследователь Ю. Ханн предложил под климатом понимать совокупность всех погод за определенный временной период.

Интересно: Животные Красной книги России 🌟 Список с фото, названия, описание, характеристика, редкие виды, видео

Характеристики климата

На полях и равнинах из-за особенностей климата наиболее сильные ветра

Каким будет климат на определенной территории, определяется на основе нескольких факторов. Ученые выделяют следующие характеристики, которые к нему относятся:

температура верхнего уровня почвы и водоемов;
прозрачность воздуха;
количество солнечных лучей и получаемая от них радиация;
ветер, его направление и скорость;
влажность;
температура в атмосфере;
количество осадков;
облачность;
давление.

От значения каждого из этих параметров зависит, какой климат будет на наблюдаемой территории. Когда ученые начинают изучать особенности местности и погодных условий, они в первую очередь собирают сведения о вышеперечисленных характеристиках.

Монумент в Эквадоре, обозначающий линию экватора

Климат влияет на внешний вид поверхности планеты, на живущих существ. Для человека он играет большую роль, поскольку от благоприятности погодных условий напрямую зависит его образ жизни на данной земле. Ведь климатом определяется наличие на территориях определенных растений, животных, а также пригодность для существования в целом.

Большое значение состояние атмосферы играет при строительстве зданий и дорог. Людям требуется учитывать особенности климата и использовать те материалы, которые будут наиболее подходящими в данных условиях.

Климатообразующие факторы

Карта с отмеченными широтой и долготой

Хоть на климат и оказывают влияние водоемы и особенность рельефа, главным образующим фактором является географическая широта, в которой располагаются территории. Чем ближе земля к экватору, тем выше будет средняя температура. По мере отдаления к полюсам она падает.

Играет роль в образовании климата наличие гор и равнин. Возвышенности способны препятствовать появлению осадков и ветров. Если же местность в большей степени состоит из полей, то на ней могут идти частые дожди, а воздушные массы перемещаться с большой скоростью.

Интересный факт: от наличия гор зависит температура. По мере подъема вверх воздух становится холоднее.

Океан оказывает определенное влияние на климат близлежащих территорий. Нагрев и остывание воды происходит значительно медленнее, чем воздуха. Поэтому с наступлением лета океан еще остается холодным и оказывает охлаждающее воздействие на местность. А зимой вода наоборот, отдает накопленное тепло, немного повышая температуру. Также водоем является стабильным источником осадков, которые выпадают в окрестностях, что сказывается на климате.

На погоду оказывают воздействие течения, присутствующие в океане. Теплые повышают значение температуры, холодные – понижают. Из-за наличия водоема на местных территориях может быть морской, континентальный и муссонный климат.

Выделяют четыре основных типа климата, которые зависят от окружающих условий: экваториальный, тропический, полярный и умеренный. Они находятся в определенных поясах и дублируются от экватора в сторону полюсов по обе стороны. Тип климата по мере путешествия по территориям не меняется моментально: переход осуществляется плавно, с помощью зон переходного характера.

Экваториальный климат

Территория с экваториальным климатом

Является типом климата с самой высокой влажностью. В среднем, ежегодное количество осадков в экваториальных зонах находится в диапазоне от 1500 до 3000 мм. Погода на этих землях не меняется со сменой времени года, и температура редко опускается ниже + 20 градусов Цельсия.

Тропический климат

Территория с тропическим климатом

Данный тип климата характерен для тропиков. Количество ежегодных осадков на этих землях довольно мало: до 250 мм. Температура редко опускается ниже 0 градусов Цельсия. Также за сутки этот параметр может меняться в большом диапазоне от + 50 градусов днем до + 5 ночью.

Интересный факт: самая холодная на планете территория с тропическим климатом – пустыни Австралии, где температура способна опускаться до – 7 градусов Цельсия.

Полярный климат

Территория с полярным климатом

Полярные пояса находятся в Южном и Северном полушариях Земли и называются антарктическим и арктическим соответственно. Осадки для этих территорий – редкое явление. Их среднее значение за год составляет 200 мм. В Арктике климат более теплый за счет находящегося рядом Северного Ледовитого океана: средняя температура равна – 28 градусов Цельсия. В Антарктиде наблюдаются более суровые условия. Здесь средняя температура в течение года варьируется от – 60 до – 70 градусов.

Умеренный климат

Территория с умеренным климатом

Большая часть территорий с умеренным климатом находится в Северном полушарии, поскольку в Южном на данных широтах большую часть составляют водоемы. Для таких территорий характерна смена времен года. Также умеренные зоны разделены на 4 климатические области, обладающие уникальными особенностями:

умеренно континентальная: осадков в год до 1000 мм, средняя температура летом + 23, зимой – 13 градусов;
континентальная: осадков в год до 600 мм, средняя температура летом + 28, зимой – 33 градуса;
резко континентальная: осадков в год до 400 мм, средняя температура летом + 33, зимой – 50 градусов;
муссонная: осадков в год до 900 мм, средняя температура летом + 17 градусов, зимой – 17 градусов.

В зависимости от того, какой тип климата преобладает на территориях, определяются их погодные особенности.

Климатические зоны

Карта климатических зон и поясов

Под климатическими зонами подразумевается поверхность планеты, обладающая однородными погодными условиями. Они ограничены территориями, где средняя температура, давление и количество осадков постепенно начинают меняться.

Существуют горизонтальные климатические зоны – территории, где высота рельефа находится практически на одном значении. Также есть вертикальные – горные участки планеты, где погода меняется по мере подъема вверх.

В большинстве случаев границы климатической зоны совпадают с поясом, в котором она находится. Это отчетливо видно на соответствующей географической карте.

Северное и Южное полушария

Климат на территории полушарий отличается из-за особенностей рельефа и других факторов. На Южном присутствует большое количество пассатных ветров, возникающих из-за постепенного охлаждения морей, находящихся на средних широтах. Также немало теплой воды попадает из них в Северное полушарие. Метеорологический экватор располагается возле широты в 10 градусов.

Северное полушарие теплее. В широтах от 0 до 40 градусов климат может похвастаться более высокими температурами, чем в Южном как на суше, так и посреди водоемов. В области от 50 до 70 градусов располагаются моря с теплыми течениями. Они повышают среднюю температуру сильнее, чем океаны Южного полушария, расположенные в тех же широтах.

Интересный факт: если бы температура зависела только от расположения водоемов и суши, то на территории морей Северного полушария она была примерно такой же, как и у океанов Южного.

Амплитуды

Под суточной амплитудой подразумевается разница между средними температурами самого холодного (час восхода Солнца) и наиболее теплого времени дня (полдень). В зависимости от времени года, на большинстве территорий планеты этот параметр изменяется. Например, летом показатели суточной амплитуды выше, чем зимой. Сильнее всего этот параметр меняется на экваторе. В течение дня на эту область попадает большое количество солнечных лучей, а ночью накопленная энергия расходуется за счет эффекта лучеиспускания. Из-за этого температура меняется в большом диапазоне. Зато на полюсах этот параметр практически равен нулю, т.к. перемены в погоде с течением суток незначительны.

Годовая амплитуда – разница между средними температурами самого жаркого и наиболее холодного месяцев. Для ее вычисления погода ежедневно фиксируется. После этого вычисляется средняя температура за каждый месяц. Из них выбирается наибольшее и наименьшее значение, после чего находится их разность.

Значения амплитуд позволяют определить тип климата а также прогнозировать погоду в будущем.

Методы изучения

Фото ученых, занимающихся исследованием климата в Антарктиде

Чтобы изучить все особенности климата на конкретной территории, требуется на протяжении длительного времени фиксировать погоду и множество других параметров: атмосферное давление, скорость и направление ветра, влажность воздуха, температура, количество осадков. В большинстве случаев для умеренных широт используются данные за период в 25-50 лет. Для тропических временные рамки немного сужаются.

Интересный факт: в процессе изучения климата требуется фиксировать значение солнечной радиации, дальность видимости и различные погодные явления.

На основе полученных данных, собираемых на протяжении десятков лет, определяются климатические нормы. И систематическое отклонение от них в будущем позволяет выявить изменение погодных условий.

Климат и человек

Климат играет для человека важную роль, поскольку от погодных условий зависит возможность ведения сельского хозяйства, промышленной деятельности, выращивание скота и осуществления другой деятельности.

Также климат напрямую влияет на возможность строительства населенных пунктов на выбранных землях. Если он будет слишком холодным или жарким, то люди не смогут существовать в таких условиях, или их жизнь станет максимально некомфортной. Поэтому проводятся регулярные наблюдения за климатом и сбор необходимых сведений.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Читайте также: