Климат Земли — это сложная динамическая система, которая формируется под воздействием множества разнообразных процессов. Среди них важнейшую роль играют внешние, или астрономические климатообразующие факторы. К ним относятся светимость Солнца, положение и движение нашей планеты в Солнечной системе, наклон оси вращения Земли к плоскости орбиты и скорость ее вращения. Эти факторы определяют воздействия на Землю со стороны других тел Солнечной системы, что в конечном итоге и формирует глобальный климат.
Механизм влияния планет и Солнца на климат
Влияние других небесных тел на климат нашей планеты реализуется через два основных физических механизма:
- Инсоляция — облучение земной поверхности и верхней границы атмосферы солнечной радиацией.
- Гравитационное воздействие — влияние внешних тел, которое создает не только приливные эффекты, но и колебания характеристик орбитального движения и собственного вращения Земли.
Именно гравитация других планет и Солнца вызывает изменения в параметрах земной орбиты, что приводит к колебаниям в распределении солнечной радиации по внешней границе атмосферы. Изменения климата и даже повседневной погоды напрямую связаны с изменениями количества приходящей на Землю солнечной радиации. Чем больше это количество, тем выше температура воздуха. Разница в значениях температуры у поверхности Земли между:
- днем и ночью,
- экватором и полюсами,
- летом и зимой
— все это создается исключительно разницей в объемах поступающей солнечной энергии.
Солнечная постоянная и ее вариации
Многократные измерения полного потока лучистой энергии Солнца, проводившиеся в период с 1930 по 1972 годы на среднем расстоянии от Земли до Солнца, показали среднее значение 1360 Вт/м² (или 1,95 кал/(см²·мин)). При этом разброс величины укладывался в пределы погрешностей измерений и носил чисто случайный характер, без какой-либо регулярности во времени. Из-за этой стабильности указанная величина получила наименование солнечной постоянной.
Определение
Солнечная постоянная — это энергетическая освещенность солнечной радиации, падающей на верхней границе атмосферы на единицу площади, перпендикулярной к солнечным лучам, при среднем расстоянии от Земли до Солнца.
Хотя в физике атмосферы нет доказательных данных об изменениях суммарной солнечной радиации, существуют научно обоснованные гипотезы о ее короткопериодных и долгопериодных вариациях:
- Циклы солнечной активности: предполагается связь вариаций солнечной постоянной с 11-летним циклом солнечных пятен или 22-летним циклом обращений полярности гелиомагнитного поля.
- Долгопериодная изменчивость: ярким примером служит «минимум Маундера» (1645–1715 гг.), во время которого на Солнце, по-видимому, практически не появлялось пятен, что совпало с периодом глобального похолодания на Земле.
Эволюция светимости Солнца
Более серьезными, хотя количественно еще не окончательными, представляются расчеты эволюционного тренда в светимости Солнца. Наша звезда находится в процессе постоянной эволюции: «ядерное горючее» (водород) постепенно выгорает, и химический состав недр Солнца изменяется.
Светимость меняется крайне медленно и определяется главным образом массой звезды. Однако, согласно расчетам, у звезд с околосолнечной массой за время порядка 10 млрд лет светимость возрастает на десятки процентов. По расчетам классика звездных моделей М. Шварцшильда, за время существования Солнца его радиус увеличился на 4%, а светимость — на впечатляющие 60%. Это долгосрочное влияние, которое кардинально меняет климат планет на масштабах миллиардов лет.
Геофизические факторы: свойства самой Земли
Взаимодействие Земли с другими планетами и Солнцем нельзя рассматривать в отрыве от свойств самой планеты. Геофизические факторы связаны со свойствами Земли как небесного тела и определяют то, как планета реагирует на внешние астрономические воздействия.
К геофизическим факторам относятся:
- Размеры и масса планеты
- Скорость вращения вокруг оси
- Собственные гравитационное и магнитное поля
- Внутренние источники тепла
- Свойства поверхности планеты, которые определяют ее взаимодействие с атмосферой (альбедо, теплоемкость и др.)
Масса и гравитация
Самой главной, первичной характеристикой планеты является ее масса (Me). Именно масса вместе с радиусом планеты (r0) определяет главную часть ее гравитационного поля, которую можно характеризовать ускорением свободного падения (ga). Гравитационное поле удерживает атмосферу, без которой жизнь и известный нам климат были бы невозможны. От массы зависит, сможет ли планета сохранить тепло и газовую оболочку под воздействием солнечного ветра и гравитации других тел Солнечной системы.
Влияние планет на климат Земли — это комплексный процесс. С одной стороны, гравитация планет-соседей и Солнца влияет на параметры орбиты и вращения нашей планеты, что меняет распределение солнечной радиации. С другой стороны, сама светимость Солнца меняется как в рамках коротких циклов, так и в ходе долгосрочной звездной эволюции. И, наконец, геофизические характеристики Земли определяют то, как именно наша планета воспринимает и перераспределяет эту космическую энергию. Только совокупность этих факторов делает климат Земли таким, каким мы его знаем сегодня.