Климат

КЛИМАТ (французский climat, от латинского clima - область, климат, от греческого κλίμα, родительный падеж κλίματος - наклон, область), характеризует многолетнюю совокупность погодных условий, наблюдаемых в конкретной области, статистику погод. Термин «климат» ввёл Гиппарх во 2 веке до нашей эры. Он полагал, что погодные условия данной местности определяются лишь средним, зависящим от широты наклоном солнечных лучей к поверхности планеты, и, соответственно, выделил полярные, умеренные и тропические широтные зоны. Значительно позднее в понятие климат было включено влияние на атмосферу поверхности суши и океана. В настоящее время в земную климатическую систему включают атмосферу, гидросферу (океан), деятельный слой суши, криосферу (снежный покров, ледники, морской лёд, многолетняя мерзлота) и биосферу. Климат определяется как статистический ансамбль состояний климатической системы за достаточно продолжительный интервал времени (обычно за 30-летний период). При этом учитываются не только средние значения климатических характеристик, но и распределение вероятности их вариаций.

К числу основных характеристик климата относятся температура (в первую очередь приповерхностная, определяемая на высоте 2 м от поверхности Земли), атмосферное давление, скорость и направление ветра, облачность, количество выпадающих осадков, влажность воздуха и др. Эти величины характеризуют ключевые климатообразующие процессы; перенос тепла и влаги, циркуляцию атмосферы. Современная климатология исследует взаимодействие всех составляющих планетарной климатической системы.

Типы климата. Приняты разные определения и типизации климата. В основе целого ряда классификаций климата лежат региональные особенности режимов температуры и влажности. Режим температуры зависит, прежде всего, от угла падения солнечных лучей, поэтому на Земле выделяют следующие широтные климатические пояса: экваториальный, по 2 субэкваториальных, тропических, субтропических и умеренных, субарктический, субантарктический, арктический и антарктический (смотри в статье Земля). В зависимости от режима выпадения осадков выделяют климат сухой (аридный климат) и влажный (гумидный климат). При учёте региональных особенностей радиационного баланса, ландшафта, атмосферной циркуляции выделяют континентальный климат и морской климат разных широт, климат западного и  восточного берегов, муссонный климат, а также горный климат, характеризуемый высотной поясностью и особым радиационным режимом.

Факторы, определяющие глобальный климат. Климат планеты определяется потоком излучения центральной звезды, который, в свою очередь, зависит от светимости звезды и удалённости планеты от звезды. Среднее современное значение потока солнечного излучения (инсоляции), приходящего к Земле, составляет около 1366 Вт/м² (с вариациями порядка 0,1% в зависимости от солнечной активности). Воздействие на климат оказывает поток внутреннего тепла планеты, однако для Земли это влияние невелико. Глобальный климат планеты зависит также от состава атмосферы и отражательной способности планеты (альбедо). Благодаря наличию снежно-ледового покрова и облаков альбедо Земли относительно велико и составляет в настоящее время около 0,3. Наличие у Земли атмосферы повышает температуру на поверхности Земли более чем на 30°С, в основном за счёт наличия в атмосфере водяного пара (смотри Парниковый эффект). Меньший вклад в парниковый эффект вносят диоксид углерода и метан, содержание которых в атмосфере Земли за последнее столетие существенно увеличилось.

Климат зависит от параметров орбиты планеты (скорости вращения вокруг оси, угла наклона оси вращения к плоскости орбиты, эксцентриситета орбиты), определяющих годовой и суточный ход потока солнечной радиации. Вследствие различия этих параметров солярные климаты разных планет Солнечной системы принципиально отличаются друг от друга. Чем выше скорость вращения планеты вокруг собственной оси, тем сильнее проявляется широтная зональность климата. Скорость вращения Земли постепенно уменьшается (на протяжении миллиардов лет), что должно приводить к изменению климата, в том числе к изменению температурного режима, общей циркуляции атмосферы и океана. Особенности смены времён года связаны с углом наклона оси вращения планеты к плоскости орбиты, который для Земли составляет около 66,5° (у Венеры этот угол близок к 90°, у Урана - к 0°). Эксцентриситет орбиты Земли мал (около 0,017), но отличен от нуля, поэтому в настоящую эпоху в январе Земля оказывается немного ближе к Солнцу, чем в июле. Соответственно и инсоляция в январе выше, чем в июле.

Эволюция климата Земли. Изменения климата обусловлены рядом факторов: изменением светимости Солнца, вариациями параметров орбиты Земли, тектоническими процессами, в том числе тектоникой плит, вулканическими извержениями, изменением состава атмосферы. Для восстановления произошедших изменений климата используются различные методы палеоклиматологии (смотри в статье Палеогеография). Так, по содержанию пузырьков воздуха в ледовых кернах, полученных на российской антарктической станции «Восток» и на европейской антарктической станции (проект EPICA), была проведена реконструкция изменений климата за последние 800 тысяч лет. В частности, было установлено изменение содержания в атмосфере парниковых газов (диоксида углерода и метана) и аэрозолей, а также связь этих изменений с изменениями температуры.

Палеореконструкции древних климатов отличаются низкой достоверностью. Есть свидетельства того, что уже в докембрии (более 530 миллионов лет назад) на поверхности Земли существовала жидкая вода. Приток солнечной радиации для того периода оценивается примерно на треть меньше современного, что могло компенсироваться более высоким содержанием парниковых газов (прежде всего диоксида углерода и метана) в атмосфере. Более надёжны данные реконструкций последнего, пермского, периода палеозоя. Есть основания полагать, что суперконтинент Гондвана в высоких южных широтах в конце палеозоя (около 260 миллионов лет назад) был покрыт льдами - так называемое пермское оледенение. Мезозой был очень тёплым (среднегодовая температура Земли была на 10-15°С выше современной). При этом различие температур между экватором и полярными широтами было существенно меньше, чем сейчас (около 15°С у поверхности, против современного около 46°С). Нет свидетельств наличия льда в мезозое, приповерхностная температура была положительной даже зимой во внутриконтинентальных регионах. В позднем мезозое (около 100 миллионов лет назад) существовали проливы между Северной и Южной Америкой, между Африкой и Евразией, позволявшие формировать интенсивное циркумэкваториальное течение. Более слабые меридиональные градиенты температуры должны были приводить к менее интенсивной, чем сейчас, циркуляции атмосферы. Пассаты и среднеширотный пояс западных ветров должны были распространяться в более высокие широты. После мезозоя климат в целом становится более холодным. В олигоцене (около 30 миллионов лет назад) сформировался Антарктический ледовый щит. В позднюю дочетвертичную эпоху (плиоцен) происходило замерзание Арктики.

Начало четвертичного периода (плейстоцен, менее 1,8 миллиона лет назад) характеризовалось последовательными оледенениями (ледниковыми эпохами - гляциалами) и межгляциалами. Периоды этих ледниковых циклов соответствуют периодам изменений параметров орбиты Земли (так называемые циклы Миланковича). В начале плейстоцена доминировали климатические изменения с периодом около 40 тысяч лет (характерным для вариаций наклона оси вращения Земли относительно плоскости эклиптики). Позднее преобладали изменения с периодом около 100 тысяч лет (характерным для вариаций эксцентриситета орбиты Земли). Среди ледниковых циклов позднего плейстоцена выделяется тёплый период (около 125 тысяч лет назад), называемый микулинским (Eemian) межледниковьем, с большими сезонными вариациями температуры в Северном полушарии. Уровень моря в это время должен был быть на 4-6 м выше, чем сейчас, что в значительной степени объясняется таянием ледового щита Гренландии. Последовавшее за этим общее понижение температуры привело к развитию последнего оледенения с максимумом около 21 тысячи лет назад. В это время ледовые щиты покрывали северную часть Европы и Северной Америки, а также южную часть Южной Америки. Уровень океана был примерно на 120 м ниже современного. Глобальный климат был примерно на 5°С холоднее современного и суше. Период 18-11 тысяч лет назад характеризовался постепенным потеплением, прерванным около 12 тысячи лет назад. Последнее похолодание было вызвано опреснением поверхностного слоя Северной Атлантики из-за значительного притока пресной воды от тающего Лаврентийского ледового щита (на севере Северной Америки). Подобное опреснение, в свою очередь, должно приводить к ослаблению термохалинной циркуляции океана и соответствующему уменьшению притока тёплой воды из низких широт в высокие. Период после окончания последнего оледенения (11,5 тысяч лет назад) и до настоящего времени называют голоценом. Около 6 тысяч лет назад (в середине голоцена) температура была более высокой по сравнению с серединой 20 века - на 4°С выше в высоких северных широтах летом.

Сведения об относительно небольших изменениях климата за последние два тысячелетия основаны как на палеореконструкциях, так и на исторических данных. Выделяют средневековый оптимум (9-11 века) и малый ледниковый период (с наиболее холодной фазой в 17-19 века). Первый период, называемый также эпохой викингов, характеризовался потеплением климата во внетропических широтах Северного полушария, заметным, в частности, в Северной Атлантике и Западной Европе. Во время малого ледникового периода среднегодовая температура Северного полушария была заметно ниже современной. Эти вариации климата связывают с изменениями солнечной и вулканической активности, а также с внутренней изменчивостью климатической системы. Наблюдаются циклы солнечной активности (солнечные циклы) с периодом около 11 лет, а также её более долгопериодические вариации. Например, в 1645-1715 зарегистрирован так называемый минимум Маундера. В 1815 году значительное понижение глобальной температуры было вызвано мощным извержением вулкана Тамбора (Индонезия); следующий год вошёл в историю как год без лета.

Современный климат Земли. Более надёжные данные о климате получают с помощью метеорологических инструментов. Такие данные имеются для Центральной Англии с 17 века, а для Земли в целом - с середины 19 века. В настоящее время средняя глобальная температура у поверхности Земли, по данным, полученным сетью метеорологических станций, составляет около 14°С, при этом Северное полушарие теплее Южного более чем на 1°С. Среднегодовая температура изменяется в диапазоне от 25°С и более в тропических широтах до -15...-20°С в арктических широтах и -40...-50°С в антарктических широтах. Региональные особенности температуры связаны с распределением суши и океанов, орографией, центрами действия атмосферы (например, Азорского антициклона или Исландского и Алеутского циклонов, а зимой - Азиатского антициклона), с океаническими течениями типа Гольфстрим и Куросио, эффектами урбанизации и т.д. Среднегодовые приповерхностные температуры минимальны в Антарктиде (около -60°С), а максимальны в пустыне Сахара в Северной Африке (около 30°С) и тропических широтах Индийского океана и западной части Тихого океана. В вариациях климата особенно ярко проявляется годовой ход климатических характеристик. Амплитуда годового хода приповерхностной температуры составляет около 7°С для Северного полушария в целом, а для Южного полушария (на 80% покрытого океанами) - около 3°С. Наибольшие амплитуды внутригодовых вариаций температуры у поверхности характерны для внетропических широт над континентами (порядка 10-20°С) и достигают максимума (около 35°С) в Восточной Сибири.

Годовой ход температуры над океанами по сравнению с континентами запаздывает в среднем на 1 месяц. Это отражает большую термическую инерцию деятельного слоя океана по сравнению с деятельным слоем суши. С различием теплоёмкостей океанов и континентов связаны также муссоны, являющиеся существенными процессами в климатической системе Земли (смотри Муссонная циркуляция). В области их влияния живёт около половины населения Земли. На фоне общего доминирования годового цикла приповерхностной температуры проявляются полугодовые циклы и регулярные субсезонные аномалии. Эффекты полугодового цикла более существенно проявляются в переходные сезоны, вызывая возвратные похолодания весной и «бабье лето» осенью. Максимальные амплитуды полугодовой гармоники приповерхностной температуры отмечаются в высоких широтах над сушей (более 4°С над Гренландией и Антарктидой), а также в тропиках (до 2°С). Это связано с соответствующими особенностями инсоляции. Дополнительный максимум в средних широтах над континентами связан с эффектом зависимости альбедо снежного покрова от температуры.

Вариации приповерхностной температуры в течение 20 века лежат в диапазоне от около -89°С на антарктической станции «Восток» (3488 м над уровнем моря) и около -70°С в районе Оймякона (741 м над уровнем моря) в Якутии до максимальных летних температур над континентами в субтропическом поясе высокого давления (около 58°С на севере Африки и в Мексике).

По метеорологическим данным, глобальная приповерхностная температура воздуха в 20 веке увеличилась на 0,6°С. Это значительно больше, чем за предыдущие 2 тысячи лет (по палеореконструкциям). При этом в 20 веке на фоне общего повышения глобальной температуры отмечены долгопериодические вариации климата с двумя фазами потепления и некоторым общим похолоданием между ними. Так, в период 1910-40-х годов температура повысилась на 0,3-0,4°С, а в 1970-2000-х годах - на 0,5-0,6°С. Отмечено ускорение глобального потепления: на рубеже 20-21 веков глобальная среднегодовая температура у поверхности увеличивалась со скоростью около 0,2°С за 10 лет. Потепление более заметно над сушей, чем над океаном, особенно зимой и весной в Северном полушарии; в высоких широтах оно проявляется сильнее, чем в тропических. В процессе потепления наблюдается тенденция уменьшения годовых и суточных амплитуд температуры. Существенно, что при общем повышении температуры у поверхности Земли и в тропосфере отмечено охлаждение более высоких слоёв атмосферы - стратосферы и мезосферы.

Значимые вариации глобального климата в 20 веке связаны в том числе с солнечной и вулканической активностью. К глобальным температурным аномалиям в несколько десятых градуса (до -0,5°С) приводили извержения вулканов Агунг на острове Бали в Индонезии (1963), Эль-Чичон в Мексике (1982), Пинатубо на Филиппинах (1991) и др.

Эффекты вулканических извержений (а также массовых пожаров на Земле и пыльных бурь на Марсе) использовались в качестве природных аналогов при оценке климатических изменений так называемой ядерной зимы. Это явление может возникнуть в результате широкомасштабной ядерной войны с выносом в стратосферу большого количества дыма и сажи от обширных пожаров, вызванных взрывом накопленных в мире ядерных боезарядов. В этом случае температура на Земле может понизиться на несколько десятков градусов.

Наряду с климатическими вариациями, вызванными внешними естественными факторами, наблюдаются собственные колебания климатической системы. Значительные аномалии глобальной приповерхностной температуры с периодичностью 2-7 лет (в среднем около 4-5 лет) связаны с явлениями Эль-Ниньо (Южное колебание): температура поверхности Тихого океана в экваториальных широтах может повышаться на 1°С и более. Формирование Эль-Ниньо - результат взаимодействия процессов в атмосфере и океане. Сильнейшие проявления Эль-Ниньо за период инструментальных наблюдений (с середины 19 века) отмечены на рубежах 1982-83 и 1997-98 (лето в Южном полушарии). При этом 1998 год стал самым тёплым годом на Земле за этот период. В Северном полушарии существенна роль Северо-Атлантического и Арктического колебаний (характерные периоды около десятилетия), наиболее сильно проявляющихся зимой. В различных климатических процессах проявляется квазидвухлетняя цикличность.

Моделирование климата. С последних десятилетий 20 века для выявления климатических особенностей широко используются спутниковые данные, а также данные реанализа - численных расчётов прогностических моделей общей циркуляции атмосферы и океана, которые опираются на данные различных наблюдений, в том числе спутниковых. В начале 21 века широкое распространение получили, например, данные реанализа Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды. Полуэмпирические данные реанализа особенно полезны в условиях неполных наблюдений.

Отмеченные тенденции изменения климата в целом согласуются с расчётами, проведёнными на основе климатических моделей. Модели климата разной степени сложности являются ключевым инструментом исследований процессов, формирующих климат, и позволяют, в частности, оценить относительный вклад в изменение климата естественных и антропогенных факторов. На основе модельных расчётов делаются оценки будущих изменений климата при возможных сценариях естественных и антропогенных воздействий на климатическую систему. Так, при усилении солнечной активности потепление должно отмечаться не только у поверхности Земли и в пределах тропосферы, но и в более высоких слоях атмосферы. При увеличении содержания в атмосфере парниковых газов потепление у поверхности Земли и в тропосфере должно сопровождаться сильным охлаждением стратосферы и мезосферы. Проводились модельные расчёты изменения температуры в 20 - начале 21 века, в которых сравнивалось воздействие различных естественных (солнечная и вулканическая активность) и антропогенных (изменение содержания в атмосфере парниковых газов и аэрозоля, землепользование и вырубка лесов) факторов. Было установлено принципиальное различие между потеплением 1-й половины 20 века и потеплением последних десятилетий (конец 20 - начало 21 века). Первое потепление можно объяснить естественными причинами, связанными, в частности, с изменениями притока солнечного излучения, вулканической активности, а также собственной изменчивостью климатической системы. В потеплении последних десятилетий, согласно модельным расчётам, существенную роль играют антропогенные факторы, что связано с увеличением содержания парниковых газов в атмосфере, главным образом диоксида углерода.

Лит.: Голицын Г. С. Введение в динамику планетных атмосфер. Л., 1973; Монин А. С., Шишков Ю. А. История климата. Л., 1979; Будыко М. И., Ронов А. Б., Яншин А. Л. История атмосферы. Л., 1985; Будыко М. И., Голицын Г. С., Израэль Ю. А. Глобальные климатические катастрофы. М., 1986; Антропогенные изменения климата / Под редакцией М. И. Будыко, Ю. А. Израэля. Л., 1987; Кароль И. Л. Введение в динамику климата Земли. Л., 1988; Мохов И. И. Диагностика структуры климатической системы. СПб., 1993; Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. 7-е изд. М., 2006; Изменение климата. 2007. Доклады рабочих групп Межправительственной группы экспертов по изменению климата, http://www.un.org/russian/climatechange/ipcc.shtml.