Реклама

Разделы сайта

Реклама от Google AdSense

!!! Чтобы найти нужные вам саженцы, культуру, сорт и т.д., воспользуйтесь поиском, размещённым вверху каждой страницы. На сайте можно найти почти любой посадочный материал: семена, саженцы и прочее. Нужно самим поискать а не ждать "золотую рыбку" для услуг. По личным вопросам к авторам необходимо обращаться по указанным на страницах адресам, а не в комментариях. Личная переписка удаляется
Каталоги на посадочный материал постоянно обновляются. Советуем регулярно проверять изменения в соответствующих разделах, на персональных страницах садоводов и на других страницах сайта

При введении комментария просим указывать своё имя и регион и свой e-mail-адрес

Солнце на Земле

Солнце на Земле

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 поток тепла бывает направлен вниз и в дневное время. В такие периоды не почва нагревает воздух, а воздух — почву, и статья В в тепловом балансе из расходной превращается в приходную. Объясняется такое явление сильным охлаждением почвы за счет испарения. Затрата тепла на испарение — основная статья теплового баланса Земли. Более 80 процентов энергетического бюджета нашей планеты расходуется на испарение. И это понятно, ведь более 2/3 поверхности земного шара покрыты водой.

Если подсчитать отдельно затраты тепла на испарение с океанов и морей, то они превышают 90 процентов от остаточной радиации. Даже на поверхности суши, обладающей более скромным по сравнению с океанами тепловым бюджетом, тратится на испарение свыше 50 процентов от В. И это тоже понятно. Процесс испарения происходит повсюду, где только содержится вода: с почвы, растительности, с поверхности рек, озер и других водоёмов. Даже со льда и снега происходит испарение. Да еще какое! На побережье Антарктиды, например, где постоянно дуют штормовые ветры, а воздух почти так же сух, как в пустыне, за сутки испаряется столько же воды, сколько с влажной почвы в Центральной или даже Южной России.

В целом на земном шаре испаряется за год слой воды, равный примерно одному метру, и затрачивается на это с каждого кв. см 59 ккал солнечного тепла. Для поверхности океана слой испаряющейся воды за год еще больше. Он даже в среднем составляет 120 см, а для отдельных участков Атлантического океана, например, достигает 3-х метров в год. А ведь на испарение только 1 см слоя воды с каждого кв. см площади надо затратить примерно 0,6 ккал тепла. Если учесть, что общая площадь мирового океана равна 360 млн. кв. км, можно легко представить себе, какое огромное количество солнечного тепла расходуется ежегодно на испарение воды. Надо сказать, что не так мало тепла тратится и на испарение воды с поверхности суши на земном шаре — 25 ккал/см2 в год. Разделив эту цифру на 600, мы получим средний слой воды, испаряющейся с поверхности суши, равный 40 см в год, то есть всего лишь в 3 раза меньше, чем для поверхности океанов.

Совершенно очевидно, что баланс влаги на Земле, так же как и баланс тепла, всегда поддерживается в равновесии. Все, что испарится с поверхности океанов и суши, должно возвращаться на Землю в виде осадков. Если бы этого равновесия в природе не было, вся вода на Земле со временем полностью испарилась бы. О том, что такое равновесие в природе существует, показывает уровень мирового океана, который остаётся примерно постоянным (а по последним данным даже повышается примерно на 1 мм в столетие).

Таким образом, теперь мы можем с уверенностью сказать, что на земном шаре в среднем выпадает в год около 1 метра осадков, причём над океанами это количество увеличивается до 120 см, а над сушей понижается до 40 см. Но такая картина наблюдается только в среднем. На самом деле осадки по поверхности Земли распределяются очень неравномерно. В одних местах (на наветренных склонах гор или в зоне экватора) слой осадков достигает нескольких метров в год, а в других, как например в пустынях, сумма осадков едва достигает 5-10 мм в год. Само собой разумеется, что величина испарения, а следовательно, и затраченное на него тепло в различных областях земного шара меняется от нескольких ккал/см2 в год до 150-200 ккал/см2 в год. Для нас не менее важно и то, что эта статья теплового баланса не всегда является расходной, а так же, как и другие «внутренние» статьи теплового баланса, может менять свой знак. Давайте посмотрим, когда и почему это происходит.

Из физики известно, что процесс испарения представляет собой переход жидкости в пар вследствие отрыва от испаряющейся среды наиболее быстро движущихся молекул. Поскольку с повышением температуры жидкости скорость их движения увеличивается, то и число молекул, способных преодолеть пленку поверхностного натяжения и оторваться, возрастает, поэтому и испарение увеличивается. В природе процесс испарения воды протекает несколько сложнее. Дело в том, что в воздухе, куда попадают оторвавшиеся молекулы, всегда уже содержится некоторое количество водяного пара, молекулы которого также движутся во все стороны, в том числе и в сторону водной поверхности.

Таким образом, испарение в естественных условиях представляет собой разность этих двух потоков водяного пара, движущихся от испаряющейся поверхности в воздух и наоборот. Если температура испаряющей поверхности выше температуры прилегающего к ней слоя воздуха, то и поток уходящих молекул водяного пара больше приходящего к поверхности потока — происходит испарение. Когда температура испаряющей поверхности будет та же, что и температура прилегающего к ней слоя воздуха, то эти оба потока выровняются, воздух окажется насыщен водяным паром, и испарения не будет. В одном и том же объеме воздуха, например в 1 м3, может содержаться не больше строго определенного количества водяного пара: при 20 градусах мороза — 1,08 грамма, при нуле — 4,86 грамма, при 20 градусах тепла — 17,32 грамма и т. д. Чем выше температура воздуха, тем все больше и больше необходимо водяного пара, чтобы его насытить. Обычно воздух далеко не всегда бывает насыщен полностью водяным паром. Если вы слышите по радио, что сегодня температура воздуха +20 градусов, а относительная влажность воздуха 60 процентов, то это значит, что до полного насыщения воздуха водяным паром не хватает 40 процентов влаги, или 6,92 грамма на каждый кубический метр воздуха.

Теперь проследим, что произойдет, если температура воздуха окажется выше температуры испаряющей поверхности. В этом случае поток водяного пара из воздуха будет уже превышать поток водяного пара, идущий от испаряющейся поверхности. Поэтому вблизи нее в воздухе окажется излишек водяного пара по сравнению с тем количеством, которое должно насыщать его при данной температуре. Весь этот излишек будет выпадать на испаряющую поверхность в виде росы, инея, изморози и т. д., или останется висеть над ней, образуя приземной или приводный туман. Этот процесс, обратный испарению, носит название конденсации.

В природе процессы испарения и конденсации часто наблюдаются одновременно. Особенно это явление заметно в вечерние часы. На лугу вблизи речки или озера трава уже мокрая от росы. Это значит, что на её поверхности температура опустилась значительно? ниже температуры прилегающего к ней воздуха. Воздух оказался перенасыщен водяным паром, излишки которого и выпали в виде росы. А вот над речкой в это время видно, как идет еще испарение. Тёплый и влажный воздух поднимается над поверхностью воды, но, попав в более холодный надводный слой, быстро насыщает его водяным паром. Весь его остаток конденсируется в воздухе, образуя над озером так называемый туман парения, хорошо известный рыболовам, охотникам, да и всем любителям природы.

Таким образом, процесс испарения в природе, так же как и потоки тепла, возможен только тогда, когда будет наблюдаться различие между влажностью испаряющей поверхности и воздуха. Чем больше будет эта разность, тем сильнее поток водяного пара ц больше величина испарения. Механизм обмена водяным паром между испаряющей поверхностью и атмосферой такой же, как и механизм обмена теплом. Основную роль в нем играет не молекулярный обмен, а турбулентный. Воздушные вихри и струи, о которых мы рассказывали выше, уносят от испаряющей поверхности вверх не только тепло, но и влагу. Чем сильнее скорость ветра, тем больше возникает этих вихрей и тем быстрее они будут двигаться. Поэтому скорость испарения зависит, с одной стороны, от разности или перепада влажности между испаряющей поверхностью и воздухом, а с другой — от скорости ветра.

О конденсации как об интереснейшем процессе природы, во время которого происходит превращение водяного пара в различные гидрометеоры, такие как капельки тумана и дождя, снежинки и гололёд, иней и изморозь и т. д., а также о связанных с ними интереснейших оптических явлениях в атмосфере:  радуге и цветных гало, венцах вокруг Солнца и Луны, о всякого рода красочных столбах и даже небесных привидениях — можно было бы рассказывать много интересного. Однако для нас пока важно только одно: во время всех этих видов конденсаций выделяется столько же тепла, сколько его было затрачено в процессе испарения, то есть около 600 калорий на каждый грамм воды.

Если процесс конденсации происходит в воздухе, это тепло идет на его нагревание, а если на поверхности почвы или травы — выделившееся тепло получают они. Тепло, которое было потрачено на испарение и вновь возвращено атмосфере или земной поверхности во время конденсации, как теперь уже знает читатель, огромно. Достаточно сказать, что при образовании лишь нескольких кучевых облачков хорошей погоды в летний полдень атмосфера получает столько же тепла, сколько выделяет его при взрыве современная атомная бомба.

Тепло конденсации — уже не расходная, а приходная статья теплового баланса земной поверхности. Это явление природы наблюдается так же часто, как и испарение. Однако из-за того, что основные процессы конденсации совершаются не у земной поверхности, а в свободной атмосфере, большая часть выделенного при этом тепла идет на нагревание более высоких слоев воздуха. У поверхности Земли испарение преобладает над конденсацией, поэтому и в общем балансе тепла эта составляющая почти всегда отрицательна, тогда как в тепловом балансе атмосферы она является основной приходной статьей.

Тепловое равновесие на земной поверхности

Количество тепла, поступающее от солнца к земной поверхности учёные научились измерять давно, а вот определить расходные статьи теплового баланса стало возможным совсем недавно — всего лишь около четверти века тому назад. Теперь этот вопрос считается решенным. Там, где баланс не удается измерить, его рассчитывают, а там где нельзя рассчитать — измеряют. Более тысячи специальных актинометрических станций на земном шаре день за днём ведут наблюдение за солнечной радиацией, а многие сотни тысяч метеорологических станций в одни и те же часы измеряют температуру воздуха и почвы, влажность воздуха, ветер и другие элементы, необходимые для расчёта расхода солнечного тепла и составления теплового баланса нашей планеты за каждые час, сутки, месяц, год. Большую работу в этой области проводит Главная геофизическая обсерватория в Ленинграде, являющаяся, как мы уже говорили, основной «бухгалтерией солнечного тепла» всей Земли.

Чтобы не отнимать время у читателя, мы не будем рассказывать, как это делается. Но обратить внимание на цифры, которые содержат необычайно ёмкую и очень интересную информацию, стоит. Несколько таких цифр мы взяли из Атласа теплового баланса и поместили, в табл. 2. В этой таблице приведен тепловой баланс поверхности континентов, океанов и всей Земли в целом.

 

Обратите внимание на эти цифры и попробуйте проанализировать их. Посмотрите, как неравномерно распределено тепло между континентами и насколько одинаково оно на всех океанах (исключая Арктический бассейн). Поверхность Европы и Северной Америки, оказывается, получает почти в два раза меньше солнечного тепла, чем Австралия или Африка, а тратит его на испарение почти столько же. Ясно, что на нагревание воздуха над этими континентами остаётся мало тепла. Поэтому и климат их холоднее.

А возьмите Антарктиду или Центральную Арктику. Их покрытые льдом и снегом поверхности вообще не получают в конечном итоге солнечного тепла. Несмотря на обилие солнца, каждый кв. см их поверхности ежегодно теряет от 4 до 7 ккал тепла. Можно себе представить, как охладились бы полярные области Земли и сколь низки были бы здесь температуры воздуха, если бы потери радиационного тепла не пополнялись теплом, приносимым воздушными течениями и выделяемым в процессе конденсации.

А посмотрите, как распределяется остаточная радиация на таких теплых материках, как Австралия и Южная Америка! Недаром один из них почти сплошь занят сухими степями и пустынями, а на другом воздух всегда влажен, как в оранжерее. Подобного рода таблицы и специальные карты составлены учеными Главной геофизической обсерватории не только для континентов и океанов, но и для различных географических широт южного и северного полушария за разные сезоны и месяцы года. Эти данные представляют интерес больше для специалистов разных областей географии и геофизики, и мы на них останавливаться не будем. Приведем лишь цифры средних годовых величин суммарной радиации (табл. 3), а также приходных (+) и расходных (—) статей теплового баланса поверхности для различных широт земного шара (ккал/см2мин).

Из таблицы видно, что на разных географических широтах в тепловом балансе Земля появляется еще одна статья. Это перенос тепла океаническими и морскими течениями. На эти течения как известно, не расходуется солнечное тепло. Они, как и воздушные течения, являются лишь механизмом, перераспределяющим тепло по земной поверхности. В экваториальной  зоне эта статья баланса, естественно будет расходной, достигает она по величине 25 процентов от остаточной радиации, а в высоких широтах, наоборот, представляет собой существенную статью прихода тепла. На океанах это тепло сравнимо по величине с остаточной радиацией, а иногда даже больше неё, а для, всего пояса высоких широт равно примерно 1/3 от остаточной радиации. В целом для земного шара эта статья, конечно, равна нулю.

Чтобы лучше понять роль теплового баланса в жизни нашей планеты, следует прежде всего познакомиться с картами годовых величин различных составляющих теплового баланса поверхности Земли, в различных областях нашей планеты. Эти карты, заимствованные нами из Атласа теплового баланса, составленного группой учёных Главной геофизической обсерватории под руководством члена-корреспондента АН СССР М. И. Будыко, показаны на рис. 6-9.

Тем, кто захочет повнимательнее рассмотреть приведенные таблицы и карты, они расскажут о многом. Прежде всего бросается в глаза, что остаточная радиация в умеренных широтах в 2-3 раза меньше, чем в тропических (рис. 7). В низких широтах над океанами она в 1,5-2 раза больше, чем над поверхностью суши, а в умеренных широтах это различие не наблюдается. В полярных широтах, несмотря, на большую суммарную радиацию, остаточная радиация вообще близка к нулю или даже отрицательна. Изолинии приходных и расходных статей теплового баланса в одних широтах идут параллельно широтным кругам, а на других образуют замкнутые области. Это своеобразные энергетические центры Земли. Каждая из них — предмет для раздумий и размышлений. Посмотрите, например, на карту суммарной радиации (рис. 6). Над тропиками континентов суммарная радиация оказывается в 1,5 и даже в 2 раза больше, чем над экватором (над океанами это уже не наблюдается).

Южная и Северная Африка и юго-западная часть Северной Америки — вот где, оказывается, расположены полюса солнечного тепла на Земле. Суммарная радиация здесь достигает 200 и более ккал/см2/год. А остаточная радиация? (рис. 7). Она равна всего 60-70 ккал/см2/год, то есть в 2 раза меньше, чем над рядом расположенными поверхностями океанов. И это понятно. Ведь на континентах вдоль тропических широт южного полушария проходят известные всему миру пояса пустынь: Сахара и Калахари в Африке, Патагония в Южной Америке, Западно-Австралийская пустыня в Австралии. Здесь ясное небо и сухой воздух, велика прямая радиация Солнца, но велико и излучение Земли.

Вдоль же экватора проходит наиболее влажная на Земле зона, где значительная облачность, часты и сильны осадки.

Пожалуй, наиболее интересной из всех карт теплового баланса является карта затрат тепла на испарение (рис. 8). Зоны максимальных затрат на него особенно четко ограничены и необычайно велики по размеру. Разделите каждую цифру, обозначенную на этой карте, на 0,6 ккал, и вы получите сумму испарения за год. Посмотрите, сколь неравномерны эти суммы даже над океанами. В экваториальной зоне они составляют всего 1,0-1,3 м, а в тропической 2 и более метров в год. Полюс наибольшего испарения на Земле расположен у юго-восточного побережья Северной Америки, здесь годовая сумма испарения превышает 3 метра в год. А обратите внимание, насколько малы затраты тепла на испарение над отдельными областями континентов. Они в 10-20 раз меньше, чем над океанами.

Особый интерес представляет и рассмотрение карты годовых затрат тепла на нагревание воздуха (рис. 9). Хотя затраты по абсолютной величине не столь велики, как затраты на испарение, однако их распределение по земному шару весьма своеобразно. Если же учесть при этом, что эта составляющая баланса является основным фактором, формирующим температурный режим на Земле, то интерес к этой карте у читателя должен ещё более повыситься. При рассмотрении карты прежде всего привлекают внимание ничтожные величины этой составляющей над океанами и морями в экваториальной и тропической зоне. Всего 0-5 ккал/см2/год. Это значит, что различия между температурами зоны и воздуха в этой зоне очень малы, а следовательно, и температурный режим в течение года постоянен, он меняется лишь на 1-2 градуса.

Иные условия складываются над океанами в умеренных и высоких широтах северного полушария. Там, где в океане проходят тёплые течения (Гольфстрим, Куро-Сиво и др.), затраты тепла на нагревание воздуха даже в среднем за год увеличиваются, по сравнению с низкими широтами, в 5-10 раз, а в зимние месяцы — еще больше. Они становятся сравнимыми уже с величинами остаточной радиации в этих широтах.

Иная картина там, где проходят холодные течения. Температуры воды и воздуха здесь различаются между собой меньше и сравнительно невысоки. Поэтому и турбулентный обмен очень слаб. То же самое происходит в умеренных и высоких широтах южного полушария, за исключением полярных широт. В полярных широтах, как мы сказали, турбулентный теплообмен является уже положительной статьёй теплового баланса и практически основным источником, спасающим поверхность Земли от сильного выхолаживания.

Из анализа карт и таблиц можно сделать и целый ряд других интересных выводов, но мы предоставим возможность читателю самому подумать над этим.

Тепловое равновесие атмосферы и Земли как планеты

Рассказ об энергетических ресурсах нашей планеты был бы далеко не полным, если бы мы рассматривали их только на земной поверхности.

Земля представляет собой одно целое с атмосферой. Все процессы, происходящие на Земле и в атмосфере, так или иначе взаимосвязаны между собой и влияют друг на друга. Особенно это относится к балансу энергии и вещества. Атмосфера нагревается от земной поверхности, но и сама, в свою очередь, отдаёт тепло земной поверхности. Она, как огромный экран, предохраняет землю, с одной стороны, от вторжения из космоса нежелательной для развития жизненных процессов радиации, а с другой — от охлаждения за счет эффективного излучения.

Циркуляция атмосферы перераспределяет тепло по земному шару, нивелирует тепловой уровень нашей планеты, доставляет тепло тем областям, где его мало, и забирает оттуда, где оно в излишке.

Чтобы выдерживалось тепловое равновесие Земли как планеты, необходимо, чтобы тепловой баланс атмосферы был таким же, как тепловой баланс поверхности Земли, только с обратным знаком, то есть те же статьи баланса, которые для поверхности Земли являются приходными, для атмосферы были бы расходными и наоборот. Так оно и есть на самом деле. Вот как выглядит тепловой баланс атмосферы для Земли в целом (табл. 4).

 

Основная приходная статья теплового баланса для поверхности Земли — остаточная радиация - для атмосферы является главной расходной статьей.

Основное место в нагревании атмосферы занимает тепло, выделяемое при конденсации водяного пара во время образования облаков, а также тепло, отдаваемое земной поверхностью на ее нагревание путем турбулентного теплообмена. Учёные главной геофизической обсерватории Т. Г. Берляйд и К. Я. Винников рассчитали тепловой баланс атмосферы для различных географических широт планеты (табл. 5).

 

Как видно из таблицы, радиационное охлаждение атмосферы происходит примерно одинаково на всех широтах, исключая полярные области Земли, где атмосфера охлаждается сильнее всего (особенно над Антарктидой). Нагревается же атмосфера совершенно по-разному. В экваториальных и тропических широтах она нагревается на девять десятых за счет конденсационного тепла и только на одну десятую за счет турбулентного теплообмена. Тепла, получаемого атмосферой на этих широтах (особенно в северном полушарии), так много, что от 1/3 до 1/2 его уносится воздушными течениями в более высокие широты. В умеренных, широтах северного полушария приход тепла от конденсации и турбулентного обмена составляет соотношение 2:1, а в высоких широтах наоборот, основная роль в нагревании, атмосферы принадлежит адвекции, то есть теплу, приносимом воздушными течениями. Над умеренными широтами южного полушария, где небо очень часто целиком покрыто облаками, основная роль в нагревании атмосферы принадлежит теплу конденсации. Совершенно очевидно, что для того, чтобы получить представление о тепловом балансе нашей планеты в целой, достаточно алгебраически сложить его приходную и расходные составляющие на каждой из указанных широт (см. табл. 6).

 

Рассматривая эту таблицу, мы оцениваем тепловой бюджет нашей планеты за год, как бы находясь за ее пределами. Даже беглый взгляд на эту таблицу показывает, сколь различен тепловой баланс в разных зонах Земли.

 

 

По настоящему тёплым поясом - на Земле оказывается лишь зона, расположенная от экватора до 40 градуса северной и южной широты. Даже так называемые умеренные широты Земли на самом деле являются холодными широтами. Расход солнечного тепла здесь больше прихода, а остаточная радиация имеет отрицательный знак.

Чем ближе к полюсам Земли, тем больше становятся потери радиационного тепла. В полярных районах они превышают уже 70 ккал/см2/год, то есть в семь раз больше, чем в умеренных широтах. Основным источником тепла для этих широт служит тепло конденсации. Немало тепла приносят сюда воздушные и морские течения.

Для умеренных широт воздушные течения даже в северном полушарии играют уже второстепенную роль, а в южном они приносят только холод.

Но приведённые в табл. 6 данные дают лишь общее представление о тепловом балансе нашей планеты. Материалы, полученные в последнее время благодаря искусственным спутникам Земли, показывают, что, в действительности тепловое равновесие Земли поддерживается куда более сложным механизмом, чем тот, о котором мы только что рассказывали. Посмотрите на рис. 10, как выглядела, например, наша планета из космоса 21 сентября 1968 года в 11 часов дня по московскому времени. Снимок этот был сделан станцией «Зонд-5» с высоты 90 тысяч километров. На нём виден освещённый Солнцем диск Земли между 120 градусами западной и 60 градусами восточной долготы, то есть примерно между восточным побережьем Америки и Уралом. На снимке вся циркуляция атмосферы как на ладони, видно, сколь мощные потоки тепла захватываются огромными циклоническими вихрями и направляются к полюсам Земли, начиная от 40 широт северного и южного полушарий. А между этими широтами большей частью ясное небо (оно выглядит на снимке чёрным). Только белые кучевые облака ожерельем опоясывают зону экватора, как бы показывая нам, как велика здесь сила конвекции, да тонкая пелена перистых и высокослоистых облаков затянула умеренные широты европейского континента.

И это только один снимок. Серия подобных снимков, полученных из космоса с помощью метеорологических спутников Земли, позволяет проследить сложнейшую картину теплового состояния нашей планеты уже за длительные промежутки времени. Когда расшифровываешь эти снимки, прежде всего бросается в глаза наличие в тепловом поясе Земли громадных холодных озер и даже целых морей. Удивительнее всего то, что наблюдаются они над, казалось бы, самыми жаркими областями планеты — Сахарой, над пустынями Азии и Австралии. Особенно поражает море холода, расположенное над Сахарой. Это море было обнаружено и расчетами К. Я. Винникова, но выглядело оно у него менее глубоким и холодным, чем оказалось на самом деле. Как же объяснить существование таких областей холода над жарким поясом? Помните, в первой главе мы говорили о законе излучения черных тел, каким является и Земля. Оно прямую пропорционально четвертой степени абсолютной температуры их излучающей поверхности. В пустыне Сахаре, где, температура песка днём достигает 80 градусов. Это излучение примерно в полтора раза больше, чем в умеренных широтах. Да и облачность над пустынями отсутствует. Поэтому земная поверхность здесь беспрепятственно охлаждается днем и ночью. В целом за сутки, месяц или год потери тепла 3 пустынях значительно превышают его приход. Поэтому эти районы Земли, подобно полярным областям, и кажутся холодными. Помимо пустынь, озёра или очаги холода располагаются над обширными плоскогорьями и горными массивами. А вот районы умеренных широт, над которыми проходят морские и воздушные течения, кажутся из космоса теплыми горными цепями. Такое чередование морей холода и высоких тепловых гор создает над нашей планетой до удивления сложную картину теплового равновесия, которая беспрестанно меняется, но в то же время выглядит довольно постоянной.

Эта система воздушных гор, воздушных рек, озер и морей, непрерывно меняющаяся во времени и пространстве и порождает различного рода тёплые и холодные струйные течения, возникновение разного рода атмосферных вихрей, образование настоящих воздушных фронтов,  на которых происходят поистине гигантские столкновения тёплых и холодных масс воздуха, во время которых и выделяются те огромные массы энергии, питающие нашу атмосферу теплом, а иногда и, причиняющие нам неисчислимые бедствия.

Распределение тепла на Земле и циркуляция атмосферы и океана

Даже при беглом взгляде на таблицы теплового баланса поверхности Земли (табл. 3), атмосферы (табл. 5) и планеты в целом (табл. 6) обращает на себя внимание появление двух совершенно новых статей баланса: тепла, приносимого океаническими течениями (для поверхности Земли), и тепла, приносимого воздушными течениями (для атмосферы). Этих составляющих, как помнит читатель, не было в приводимом нами уравнении теплового баланса. Они появляются тогда, когда мы рассматриваем горизонтальный обмен теплом. Такой обмен постоянно существует в природе и вызывается неравномерностью нагревания разных участков поверхности Земли или атмосферы и образованием (в связи с этим) теперь уже не вертикального, а горизонтального температурного градиента, или горизонтального перепада температуры, который, как мы знаем, и является причиной возникновения потока тепла. Хотя эта статья теплового баланса в отличие от всех остальных составляющих и не образуется в результате превращения лучистой энергии Солнца в тепловую, она тем не менее имеет к Солнцу самое близкое отношение, являясь как бы второй производной от его деятельности. Что же касается влияния этой составляющей на процессы и явления природы, то оно, как мы увидим, огромно. Уже, то, что из самой обширной на Земле экваториальной зоны от 20 до 25 процентов солнечного тепла уносится в другие широты морскими течениями и около половины — воздушными, свидетельствует о колоссальном значении этой составляющей в формировании и распределении энергетического баланса на нашей планете.

Перераспределяя и нивелируя солнечное тепло как у земной поверхности, так и в свободной атмосфере, они играют важнейшую роль в формировании климатов на Земле. Не будь движения тепла от экватора к полюсам, температура зимой у поверхности Земли достигала бы там 90 градусов мороза. Значительно холоднее были бы и умеренные широты. А что происходило бы на экваторе? Возросшее на 1/3 испарение и почти на столько же увеличившееся выделение тепла при конденсации превратили бы эту зону Земли в зону страшнейших гроз, тропических ливней и ураганов.

Что же представляют собой эти составляющие теплового баланса? Еще изучая в школе курс элементарной географии, каждый из нас знакомился с грандиозными океаническими течениями, такими, как Экваториальное, Гольфстрим, Куро-Сиво и другие, а также с не менее грандиозными воздушными течениями, такими, как пассаты и муссоны. Учителя географии рассказывали нам о схемах существующих на нашей планете циркуляции атмосферы и мирового океана, а также о причинах, их вызывающих. Все казалось до удивления просто и ясно. На экваторе солнечного тепла поступает больше всего, поверхность суши и океана нагревается сильнее, чем на других широтах, тёплый воздух поднимается вверх, а поскольку природа не терпит пустоты, то на смену ему с севера и с юга устремляются потоки более холодного воздуха, которые, отклоняясь под действием вращения Земли, образуют постоянные ветры — пассаты (юго-восточный и северо-восточный). Воздух же, поднявшийся вверх над экватором, также растекается, двигаясь на северо-восток и юго-восток, образуя в свободной атмосфере не менее постоянные ветры противоположных направлений — юго-западный и северо-западный антипассаты. Не менее проста казалась и природа океанических течений. Пассаты гонят воду вдоль экватора, в результате чего образуется Экваториальное течение. Двигаясь от западных берегов Африки, это течение сгоняет воду к восточным берегам Америки, откуда она растекается в виде двух ветвей этого течения: Гольфстрима, движущегося на юго-восток, и Южно-Американского, идущего вдоль западных берегов Южной Америки.

Примерно такая же картина наблюдается и в Тихом океане. Но поскольку там на пути Экваториального течения встречаются только полуострова Азии и Зондский архипелаг, то наиболее четко выражена только северная ветвь течения — Куро-Сиво. Аналогичное объяснение давалось и другим крупным системам воздушных и морских речений. Конечно, такое объяснение является, в общем, правильным. Качественную схему общей циркуляции атмосферы учёные построили ещё в прошлом веке. И теперь, как мы видим, она целиком подтверждается тепловым балансом системы Земля — атмосфера и количественно (см. табл. 6). Общую же циркуляцию океанических вод академику М. П. Лазареву еще несколько десятков лет назад удалось даже выполнить в виде простой и очень остроумной модели. Применив для этого большую ванну, в которую были помещены макеты материков, он воспроизвел «пассат» в виде направленного потока воздуха из воздуходувки. Действие этого «пассата» создало систему течений, похожую на действительную. А вот модель циркуляции атмосферы до последнего времени сконструировать не удалось, Тем более трудно было создать модель взаимодействия циркуляции атмосферы и океана. Лишь в последние, годы А. М. Гусев и его сотрудники смогли построить упрощенную модель такого взаимодействия и получили ряд очень важных для науки результатов.

Сложность создания такой модели кроется не столько в технических трудностях, сколько в самой природе этого взаимодействуя. Мы уже видели на рис. 2, что какой-то до сих пор не разгаданный механизм, связанный с солнечной активностью, примерно каждые два года меняет направление ветра в свободной атмосфере над экваториальной зоной в совершенно противоположное, нарушая все наши представления об антипассатах. А какая сила должна быть у этого механизма, чтобы повернуть движение, пусть даже верхнего слоя атмосферы, на обратное! Не менее поразительную картину обнаружил А. А. Гире и для Арктики, где годы с преобладанием меридиональной циркуляции атмосферы вдруг сменяются годами с преобладанием широтной циркуляции.

А наблюдаемые в разных областях Земли зоны струйных течений, в которых воздух движется почти со скоростью самолета (250-300 км в час)!

Не менее поразительные нарушения замечены и в океанических течениях, которые иногда вдруг совершенно неожиданно изменяют своё направление; Короче говоря, загадки возникают на каждом шагу, а вот отгадывать их приходится иногда десятилетиями. Только в последние годы, когда  на вооружение учёных поступили такие средства исследований, как метеорологические и геофизические спутники Земли, армада специализированных научно-исследовательских судов и многое другое, всё более и более начали открываться тайны общей циркуляция атмосферы и океана и теснейшее взаимодействие атмосферы и гидросферы.

Солнечную энергию, первопричину этого взаимодействия, можно, пожалуй, сравнить с огромным мотором, вращающим главный вал трансмиссии, который приводит в движение целую систему других более мелких моторчиков и шкивов, двигающих, в свою очередь, всю огромную массу станков, пил, точил и другие механизмов, чьими усилиями производится окончательная продукция. В атмосфере такой продукцией являются разнообразные воздушные волны и вихри: от огромных циклонов и антициклонов до более мелких — торнадо, смерчей и, наконец, самых мелких турбулентных вихрей, о которых мы уже говорили. А в гидросфере это — не менее грандиозные морские вихри и волны. Обе эти системы вихрей теснейшим образов взаимосвязаны между собой и часто образуют невероятные по своей силе явления; смерчи, тайфуны, огромные ветровке волны и т. д.

Что же касается самих течений, то они не более как приводные ремни этой планетарной трансмиссии, которые лишь переносят и передают эту энергию от одного источника к другому.

Небольшой рассказ об общих циркуляциях атмосферы и океана мы привели здесь для того, чтобы показать то огромное значение, которое имеют они в балансе тепла отдельных зон и областей нашей планеты, не играя при этом никакой роли в тепловом бюджете нашей планеты в целом. Обращаясь вновь к табл. 7, мы теперь более ясно можем представить себе тепловой баланс системы Земля — атмосфера.

Мы уже говорили, что Солнце непосредственно нагревает сравнительно узкую зону нашей планеты — примерно до 40 градусов к югу и северу от экватора. Выше этих широт радиационный баланс Земли уже отрицательный. Это значит, что если бы на Земле не было воздушных и океанических течений, а небо всегда оставалось ясным, то есть климат определялся бы только поступлением тепла от Солнца (солярный климат), то он был бы намного холоднее, чем в настоящее время.

Далее мы видим, что основную роль в нагревании, и охлаждении Земли играют процессы конденсации и испарения и несколько меньшую, но сравнимую с ней — морские и воздушные течения. Это — очень важное обстоятельство в формировании всех природных процессов на нашей планете. Изменись в силу каких-либо причин (и не только космических, но и земных) это соотношение между приходными и расходными составляющими баланса, и природа на разных широтах нашей планеты станет иной. Изменение в расположении материков и океанов, в соотношении между морем и сушей, сдвиги в положении полюсов, по-видимому, не раз в истории Земли приводили к установлению на ней иной циркуляции океанических вод и атмосферы по сравнению с существующим положением. Что же касается поступления солнечной радиации на земную поверхность, то, несмотря на сравнительную устойчивость солнечной постоянной, из-за изменения мутности атмосферы и других факторов, вызванных опять-таки чисто земными условиями, оно, по-видимому, менялось также в значительных пределах. Всё это не могло не сказаться на тепловом балансе нашей планеты, на соотношении приходных и расходных его статей. Каждое нарушение обязательно должно было приводить к смене климатических условий в различных её районах, а вместе с ним, и к изменению всей природы этих районов в разные периоды истории Земли. Самые грандиозные изменения на нашей планете были, пожалуй, связаны с наступлением и отступлением ледников. Вот почему прежде чем рассматривать роль теплового баланса в формировании современной географии планеты, мы остановимся на истории последних оледенений.

Биография климата

Вот уже почти 200 лет ведутся в разных странах Европы регулярные метеорологические наблюдения (в нашей стране они были начаты еще раньше — в 1743 г. в Петербурге). И хотя срок этот, с исторической точки зрения, мизерный, он позволяет уловить важные закономерности в изменении, климата. Если за это время усреднить температуру воздуха по десятилетним или даже по более продолжительным периодам и, во избежание резких скачков от одного периода к другому, сделать их скользящими, то станет ясно, какие климатические сдвиги произошли за последние 100-150 лет. Присмотритесь к рис. 11, на котором приведён ход средних январских температур воздуха в Ленинграде с 1805 до 1960 г., осреднённых по скользящим тридцатипятилетним периодам (горизонтальной линией отмечена средняя температура воздуха за все эти 155 лет), и вы заметите, что средняя январская температура воздуха в Ленинграде за последние полтора столетия повысилась почти на 3 градуса. Это свидетельствует о потеплении климата. Или, во всяком случае, о том, что зимы за последние 100 лет становились теплее от одного десятилетия к другому и не только в Ленинграде. Исключение составляют, пожалуй, самые последние зимы, когда морозы во многих районах Севера и Средней Азии становились все лютей и лютей. Зимой 1967/68 г. замерз обычно не замерзающий порт Мурманск. А такой зимы, какая была в 1968/69 г. в Средней Азии, метеорологи ещё не отмечали в своих наблюдениях. Но даже это еще не объясненное похолодание не может затмить картины общего потепления климата, которое происходило за последнее столетие вплоть до шестидесятых годов.

Надо, правда, сказать, что это потепление не было всюду одинаковым. В одних местах оно было выражено резче, в других — слабее, а в некоторых, наоборот, наблюдалось даже похолодание. Если иметь в виду не только климат СССР, но и других стран, то можно привести, например, следующие цифры.

На побережье Гренландии зимы потеплели на 6 градусов. Климат Ирландии за первую половину нашего столетия стал самым тёплым за все предшествующие 750 лет. А вот в Австралии, по наблюдениям в Аделаиде, зимы, наоборот, похолодали на 2 градуса.

О потеплении климата свидетельствовали не только данные метеорологических наблюдений, но и уменьшение ледовитости северных морей, появление теплолюбивых рыб в Арктике, сокращение периода стояния льдов у берегов Исландии, переселение многих видов пернатых далеко на север и ряд других фактов.

Но, пожалуй, самым точным индикатором потепления климата на Земле можно считать почти повсеместное отступление ледников. Наблюдая за уровнем мирового океана, учёные заметили, что в последнее столетие он поднялся по одним данным на 10, а по другим — даже на 50-60 см. Такое повышение уровня могло быть вызвано только усиленным таянием ледников, так как осадки, выпадающие над поверхностью океана, уравновешиваются испарением. Принимая площадь мирового океана равной 360 млн. кв. км, а плотность льда 0,8, можно сосчитать, какое же количество льда должно таять ежегодно, чтобы вызвать подъём уровня океана на 10 см в столетие. Оно составит около 45 тыс. куб. км. Какова действительная убыль льда на земном шаре, пока точно не определено. Но то, что ледники отступают, а во многих местах земного шара за последние годы даже исчезли совсем, ни у кого не вызывает сомнения. Это отступление совершается очень неравномерно и не везде одинаково. Периоды быстрого отступления сменяются периодами покоя или даже нового наступления. В природе происходит как бы великая битва между льдом и солнцем. Об этом поединке имеется много документальных данных, собранных за последние 500 лет. Особенно веские доказательства получены по Альпийской зоне — наиболее изученному горному району мира. Первые наблюдения за ледниками здесь относятся к концу XVI века, когда было отмечено повсеместное наступление ледников, согнавшее альпийских горцев с насиженных мест. До этого времени на протяжении, по-видимому, нескольких столетий альпийские ледники находились в неподвижном или мало подвижном состоянии, так как несколько поколений местных жителей смогли здесь основательно укорениться.

В конце XVI и начале XVII веков климат в Европе стал заметно холоднее. Ледники ожили и начали быстро завоёвывать новые территории, сметая на своем пути хутора и деревни. Это наступление продолжалось 25-30 лет. Потом был период затишья и даже небольшого отступления льда. Последние наступления альпийских ледников наблюдались между 1814 и 1820 гг., а также между 1850 и 1855 гг. В эти годы льды вновь достигли рубежей, завоёванных ими в конце XVI столетия. В летописях Скандинавии и Исландии также имеется много сведений о наступлении и отступлении ледников за последние несколько столетий. Сравнивая все эти данные, учёные нашли, что главные периоды наступления и отступления ледников в Европе в основном совпадают. История заселения Исландии скандинавами подтверждает, что с IX по XIV век климат на острове был мягким. В конце XIII века началось похолодание и наступление ледников, а к концу XVII века климат так изменился, что поселения, существовавшие здесь несколько столетий, были погребены под слоем льда и освободились от него лишь совсем недавно.

Льды завоевывали не только сушу, но и море. До XIII века скандинавы свободно плавали в Гренландию напрямик.

Позднее их путь стал пролегать намного южнее, а в начале XV века связь Европы с Гренландией была и вовсе прекращена. Когда в XVI веке европейцы вновь «открыли» её, они не нашли там даже следов древних поселений. Все оказалось покрыто льдом.

Историю поединка между льдом и солнцем записывали не только люди, но и сама природа. Начертанные ею летописи уходят уже вглубь тысячелетий. Природа хорошо сохранила в своей памяти последние 10-12 тысяч лет истории Земли. Она запечатлела их в конечных моренах и ленточных глинах, отложенных на дне ледниковых озер и болот, в остатках растений, в торфяных залежах, на прибрежных скалах. Но, пожалуй, наиболее интересная информация, которую сберегла природа в почти неизменном виде в своих недрах, это пыльца и споры растений, живших многие десятки и даже сотни тысяч лет тому назад.

Каждому известна изумительная способность растений производить споры и пыльцу в огромных количествах. Достаточно, например, указать, что только одно соцветие дуба порождает за лето 500 тыс. пылинок, соцветие щавеля до 4 млн., а соцветие сосны — до 6 млн. пылинок за одно цветение. Во время цветения деревьев в воздух иногда поднимается так много пыльцы, что он приобретает даже своеобразную окраску. Оседая на землю, пыльца покрывает собой не только почву, но и поверхности водоемов. Затем она оседает на их дно и, захороненная слоями торфа и озёрного ила, остается лежать там, не поддаваясь гниению, не разрушаясь от времени на протяжении иногда миллионов лет. (Между прочим, оболочки спор и пыльцы выдерживают нагревание до температуры в 300 градусов и не поддаются обработке щелочами и кислотами).

Под микроскопом такие оболочки или, как их называют, зёрна пыльцы напоминают своей формой маленькие раковины подчас с очень оригинальными и красивыми узорами. Каждому растению присущ свой узор. Задача палеоботаников заключается в том, чтобы определить, какому растению принадлежит тот или иной вид или узор пыльцы. И надо сказать, ботаники овладели этим искусством в совершенстве. Сейчас в пыльцевом анализе уже нет «белых пятен». Определены и классифицированы виды спор и пыльцы всех наиболее распространенных растений от самых древних геологических эпох до наших дней. Легко понять, что, обнаружив при взятии проб тот или иной вид пыльцы, учёные могут определить, какие растения жили в ту или иную эпоху и какой был тогда климат.

Пользуясь пыльцевым методом, учёные как бы читают летопись природы в обратном порядке. Но анализ пыльцы и спор сам по себе еще не может установить абсолютного возраста того слоя почвы или торфа, в котором она обнаружена, поэтому его применение приходится сочетать с основными способами определения возраста Земли.

Рассматривая, например, многометровый слой торфа в каком-либо древнем болоте, учёные заранее знают, что его прирост составлял в среднем 0,5-1 мм в год или 100 см в столетие. Поэтому, когда они берут пробу, например, с глубины двух метров, им уже известно, что сохранившаяся там пыльца растений захоронена 2-4 тысячи лет назад. Иногда проведению такого анализа способствуют и неожиданные «вехи». В Германии, близ Гамбурга, например, в одном из торфяников на глубине от 1 до 1,8 м учёные обнаружили древнюю дорогу в виде настила из брёвен. На этой дороге были найдены монеты, отчеканенные во времена Римской империи, около 2 тыс. лет назад. Этот своеобразный репер позволил уже более точно определить как возраст торфяника, так и скорость его нарастания, которая оказалась равной 0,5-1 мм в год.

На помощь учёным часто приходят данные дендрохронологии (науки об определении возраста деревьев), которая позволяет прочитать, что происходило в природе, по кольцам многовековых деревьев, растущих в неблагоприятных условиях и очень чувствительных к недостаткам тепла и влаги. Как известно, у деревьев каждый год образуется по одному кольцу. Во влажные годы эти кольца более широкие, в сухие — узкие. Растёт на скалах Белых гор в Калифорнии неказистая на вид остистая сосна. Из года в год она борется за свое суровое существование, но живёт по нескольку тысяч лет. Если такую сосну срубить и срез её отполировать, то с помощью лупы можно хорошо видеть каждое кольцо и по годам определить, как менялся там климат за последние 2-4 тысячи лет. Американский учёный Эдмунд Шульман в 1957 году обнаружил остистую сосну, у которой насчитал 4600 годовых колец. Эта сосна, поселившаяся высоко в горах, уцелела от идущих по соседним долинам ледников и могла служить как бы свидетельницей их «боёв».

Наступая, ледник тащил за собой вниз стволы деревьев, камни, слой почвы и даже туши животных. А когда отступал, все это осталось на том месте, куда дошли льды, образуя так называемую конечную морену. Учёные нашли способы определения возраста морен и по ним — время отступления ледников. Одним из таких способов является радиоактивный, разработанный физико-химиками в 1947 году. Среди смеси газов, из которых состоит воздух, имеется очень небольшая доля радиоактивного углерода, атомный вес которого равен 141 (С14). Как и всякий радиоактивный элемент, С14 постепенно распадается, превращаясь затем в азот, из которого он и образуется под воздействием летящих из космоса нейтронов. Период полураспада радиоактивного углерода составляет около 5600 лет, три четверти распада происходит за 11400 лет, а полный распад — за 70 тысяч лет.

Любое живое существо, жившее в ту или иную эпоху, усваивает С14 в процессе дыхания или через пищу. Поглощённый радиоуглерод идет на строение его тканей, а у животных и на создание костного скелета. С наступлением смерти животного или растения поступление радиоуглерода в организм прекращается, а ранее усвоенный углерод начинает распадаться. Измерив интенсивность его распада с помощью специального прибора, исследователь с небольшой погрешностью может определить время смерти животного или растения. Таким образом, применение этого метода позволяет заглянуть в историю Земли на 70 тысячелетий назад.

Сопоставляя данные, полученные при изучении конечных ледниковых морен, с результатами, добытыми с помощью других методов (например, дендрохронологии), можно уже довольно точно определить время отступления ледников.

Есть и ещё способы, которые часто используют учёные для определения периода отступления льдов. Помимо конечных морен ледник оставляет после себя озера, куда стекают воды во время таяния льда. Если со дна этих озер взять пробу грунта, то можно увидеть, что она состоит из отдельных горизонтальных пар слоёв или лент — одного толстого, другого тонкого. Каждая такая пара, как годичное кольцо на дереве, образуется на дне ледникового озера в течение одного года. Весной, когда происходит таяние льда и в озеро стекает мутная вода, на дне его отлагаются только наиболее крупные частицы. Зимой, когда таяние прекращается и вода в озере становится спокойной, на дно оседают уже мелкие взвешенные частицы. Они и образуют второй илистый слой, прикрывающий собой летний песчаный и более рыхлый слой. Добравшись буром до самого нижнего слоя и подсчитав общее число слоёв, можно определить год, когда ледник начал отступать. Так изучались, например, ледниковые озера Скандинавии. Шведским геологом Де Геером было установлено, что прекращение оледенения Швеции произошло около 12 тысяч лет тому назад. Изучение остатков конечных морен и заболоченных озёр, проведенное в США, показало, что там ледники отступили почти 11400 лет назад. Таким образом, можно считать доказанным, что наиболее крупное из последних оледенений, которое покрывало большую часть Европы и Северной Америки, названное учёными Великим оледенением, прекратило свое существование около 11-12 тысяч лет назад. А изучение пыльцы, отложившейся в недрах болот, на дне озер или в более глубоких слоях почвы, за последние 11-12 тысяч лет, наряду с другими прямыми и косвенными методами исследования биографии нашей планеты, позволили установить, что в течение этого периода, называемого иногда голоценом, в северном полушарии климат менялся по крайней мере три раза.

Сразу же после отступления ледников, несмотря на потепление, климат всё ещё оставался прохладным и очень влажным. В конце этого периода сохранившиеся ещё ледники предприняли попытку нового наступления и достигли максимального своего размера где-то около 8,5-9,0 тысяч лет тому назад. В эти годы исчезнувшие было льды вновь покрыли арктические острова (Шпицберген, Землю Франца-Иосифа и др.), спустились к подножьям гор Скандинавии и заняли многие свободные до того долины в горах Северной Америки и Европы. Поскольку после отступления ледников на их месте селится сначала холодолюбивая тундровая растительность, которая потом сменяется более теплолюбивыми хвойными лесами, то пыльца ели преобладает в это время во всех ледниковых отложениях Северной Европы и Северной Америки.

Вслед за этим сравнительно холодным и влажным периодом наступил второй — тёплый период, от окончания которого нас отделяет всего каких-нибудь три тысячи лет.

Есть много «свидетельских показаний» природы о наличии этого периода. И одно из них — следы прежней береговой линии, которая была в это время на 1,5-1,8 м выше, чем нынешний уровень мирового океана. Море тогда заливало гораздо большие участки суши, чем сейчас. На прибрежных морских отмелях в тропических широтах успели даже вырасти теплолюбивые коралловые рифы. В это же время на континентах северного полушария ель и пихта уступили свое место сначала сосне, а затем дубу и другим теплолюбивым лиственным деревьям. Анализ пыльцы, взятой, например, на месте раскопок древней стоянки человека в Веретье (эта стоянка находилась недалеко от устья р. Кинешмы и относится к началу второго века до н. э.), показал, что в те времена здесь росла сосна, ель, береза с большой примесью дуба и вяза. Если учесть, что дуб там сейчас не растёт, то можно сказать, что климат в это время здесь был гораздо более тёплый.

Мы уже говорили о том, что анализ пыльцы, взятый из торфяных болот под Гамбургом, возраст которых относится ко времени Римской империи, то есть насчитывает около 2 тысячелетий, свидетельствует о том, что на западе Европы в то время также господствовал тёплый и сравнительно сухой климат, гораздо более тёплый и сухой, чем в настоящее время. В северном полушарии сохранилось много доказательств окончания периода тёплого и сравнительно сухого климата, или так называемой суббореальной фазы. Ведь последние 2,5-3 тысячелетия — это период, уже хорошо известной нам человеческой истории. Начавшаяся 2,5 тысячелетия назад третья и последняя после Великого оледенения смена климата, названная учёными Субатлантической фазой, продолжается и по настоящее время. Она характеризуется более влажными и прохладными условиями, с частыми суровыми зимами, вызывавшими замерзание не только р. Дуная, но и появление льда у берегов Эгейского моря. Вполне понятно, что климатические условия во время этой фазы тоже не оставались постоянными. Суровые и снежные зимы сменялись длительными сухими периодами. В начале нашей эры, например, климат в Европе был гораздо теплее, чем теперь.

В VII веке альпийские перевалы, которые до сих пор блокированы льдом и снегом и доступны разве только горнолыжникам или альпинистам, были открыты. По ним проходили торговые пути из Рима в Центральную Европу. Таким образом, все подтверждает, что климат после Великого оледенения был очень неоднородным. Сохранившиеся кое-где ледники то оживали, то снова замирали, однако их деятельность носила местный характер и ограничивалась горными районами. На равнину они больше не выползали. Покровное оледенение в северном полушарии можно было встретить только в Гренландии.

Ну, а что говорят учёные о самом Великом оледенении?

Радиоактивный углерод, сохранившийся в окаменелых останках животных и растений, позволяет частично ответить на этот вопрос и уточнить площадь, занятую ледником, двадцать пятого марта 1967 года из Греции сообщили, что на острове Хиос, что расположен в Эгейском море, ученые-палеонтологи обнаружили скелет доисторического мамонта, возраст которого они определили равным 20 млн. лет. Как этот мамонт попал на небольшой остров — остается загадкой. По-видимому, остров в те времена был связан с сушей, и современное Средиземное море имело другие очертания, мамонты были теплолюбивыми животными и то, что они найдены в районе Средиземного моря, не вызывает большого интереса у климатологов. А вот что мамонты были обнаружены на севере Сибири, в Якутии и на севере Америки, а таких находок с 1692 года по настоящее время насчитывается уже около 40, чрезвычайно показательно.

Исследования возраста известного во всем мире березовского мамонта, обнаруженного эвенком-охотником в 1900 году, показали, что обитал он в этих местах около 30 тыс. лет назад. Возраст молодого мамонта, найденного в Сев. Америке, оценивается в 21300 лет. Были и другие мамонты, гибель которых произошла около 11-12 тысяч лет назад. Вывод напрашивается сам собой. Теплолюбивые животные могли жить в Арктике и Субарктике только при наличии здесь достаточно тёплого климата. Видимо, в период от 12-15 и до 30 тысяч лет тому назад климат Крайнего Севера и северо-востока Сибири и севера Америки был довольно тёплым, а ледники, если и были, то разве что высоко в горах. Иная картина наблюдалась тогда над Европой и северной частью Западной Сибири.

Известный советский гляциолог В. М. Котляков в своей книге «Мы живём в ледниковый период» указывает, что площадь ледников в это время достигала 40 млн. кв. км, а средняя толщина ледяного покрова 2,5 км. Граница льда на юге распространялась до 50° северной широты, то есть до южных районов Воронежской и Белгородской областей. Льдами были покрыты Поволжье и Жигули. Как долго продолжался период последнего оледенения, пожалуй, точно сказать никто не может. По данным американского ученого Д. Виртмена (1964 г.), для развития большого оледенения (от устойчивого наступления ледников до максимального развития ледникового щита) нужно 15-30 тысячелетий. Зато для разрушения ледника надо, по его мнению, всего каких-нибудь 2-4 тысячелетия. А раз это так, то, зная, что Европейский континент освободился от ледяного покрова около 10-12 тысяч лет назад и прибавив еще 4 тысячи лет на период его таяния, можно сказать, что разрушение последнего покровного оледенения в северном полушарии началось всего лишь около 20 тысяч лет назад. Однако многие учёные считают, что оно началось значительно раньше. Весь период оледенения они оценивают в 40-50, а некоторые даже в 70 тысяч лет. Это оледенение, называемое в Европе Вюрмским, а в Америке — Висконским, не было, конечно, единственным. Ему предшествовали еще более ранние оледенения, каждое из которых учёные называют обычно по имени того места, где обнаружены их следы. На Русской равнине ранние оледенения, например, С. В. Колесником названы Ярославским, Лихвонским и Днепровским, а последнее — новочетвертичное оледенение подразделено на Московское, Калининское и Валдайское. Таким образом, Почти весь последний период геологической истории нашей планеты характеризуется длительными оледенениями, сменявшимися менее длительными межледниковыми. Недаром весь этот период, продолжавшийся по одним данным от 1 до 2 миллионов, а по другим немногим более 500 тысяч лет, учёные назвали плейстоценом, или ледниковой эпохой.

Природа сохранила в виде заповедника остатки этой эпохи до настоящего времени: в северном полушарии это Гренландский ледник, а в южном — Антарктида.

По данным наблюдений в Антарктиде и Гренландии мы можем с достаточной точностью судить об основных чертах климата, который господствовал над занятой ледником огромной территорией Советского Союза всего каких-нибудь 15-20 тысяч лет тому назад.

Летние температуры на поверхности снега в центре Гренландии обычно не поднимаются выше -5, -10 градусов, а средняя месячная температура воздуха равна 12-13 градусам мороза. Столь низкой температуре способствует, конечно, ещё и большая высота ледниковой поверхности, которая равна около 2500 м, а в некоторых местах достигает 3200 м над уровнем моря. Температура воздуха над ледниками на такой высоте даже в умеренных широтах летом не может подняться выше 8-10 градусов мороза. Такова и была она, видимо, в ледниковую эпоху над покрытой льдами Европейской территорией нашей страны. Осадков в то время выпадало не более 200-250 мм в год, то есть в 3-4 раза меньше, чем теперь. Да и выпадали они только в твёрдом виде. Большую часть времени над ледником стояла ясная погода. Ослепительный снег сверкал под лучами солнца. Воздух был так прозрачен, каким он бывает теперь лишь в холодные зимние вечера, когда заря кажется золотисто-зеленой. Дни стояли тихие или со слабыми ветрами, дующими вверх по едва заметному ледниковому склону. Но стоило солнцу опуститься к горизонту, как ветер резко менял свое направление на противоположное и обрушивался по тому же склону вниз со стремительной силой, непрерывно наращивая свою скорость по мере приближения к его подножью. Там, где ледниковый склон был более крутой, штормовые и ураганные ветры бушевали даже летом круглые сутки, поднимая в воздух тучи острой, как наждак, снежной пыли. Сквозь нее просвечивало голубое небо, а солнце казалось окружённым фантастическими радужными гало с целой системой разноцветных столбов и ложных солнц.

В периоды, когда наступали короткие затишья, ветер внезапно ослабевал, а низовая метель сменялась слабой позёмкой. Языки её медленно извивались между высокими застругами, полируя их до блеска. Если позёмок был достаточно силен, тогда струи снега, натыкаясь на заструги, фонтанами взлетали вверх. По вечерам, когда лучи низкого солнца преломлялись в снежных кристалликах метели и разлагались на составные цвета радуги, вся поверхность ледника покрывалась как бы лёгким цветным покрывалом, украшенным множеством разноцветных фонтанов. В отдельные особенно «жаркие» летние дни, когда температура у поверхности снега в полдень поднималась до минус 4-5 градусов, над ледником образовывались мелкие барашки кучевых облачков на высоте всего 100-200 метров от поверхности снега. Иногда такие облака возникали и у самой поверхности. Они сливались между собой, образуя слой клубящегося снежного тумана. Со стороны такой слой был похож на огромный пожар. В пасмурную погоду, когда небо было покрыто низкой пеленой серых и монотонных слоистых облаков, сквозь которые не могли пробиться солнечные лучи, над поверхностью ледников господствовала «белая тьма». В такие дни, несмотря на большую прозрачность воздуха, горизонта совсем не было видно. Все заструги и сугробы сливались с фоном неба, контрасты исчезали, поверхность ледника как бы превращалась в равнину. Зато случайно занесенные на неё тёмные предметы были видны невероятно далеко. Казалось, что они увеличились в объёме и несколько приподнимались над поверхностью. Всякое живое существо, оказавшееся в такую погоду на леднике, переставало видеть, что происходит у него перед глазами, и не могло сделать ни одного шага без того, чтобы не споткнуться. Все становились слепыми в этом совершенно прозрачном воздухе.

Лето над ледником продолжалось не более трех-четырех месяцев. В сентябре температура сразу понижалась на 10-15 градусов. Стоковые ветры усиливались и дули не переставая круглые сутки, хотя скорость их днём несколько ослабевала. Все только что описанные летние явления пропадали, лишь цветная метель по-прежнему прикрывала радужной фатой ледяную поверхность, да фантастичные зимние радуги, круги, венцы и красочные столбы около солнца висели в небе в течение всего дня. С октября по апрель господствовала зима с сильными морозами, лютыми ветрами и метелями. Морозы в любой из этих месяцев могли достигать 40, а на севере 50 и даже 60 градусов. Там, где ледяная поверхность имела хоть малейший склон, холодный воздух скатывался по нему, разгоняясь как лыжник. На крутых склонах его скорость вблизи подножья достигала силы шторма или даже урагана. Сильные метели в одних местах сдирали, а в других откладывали бесчисленные снежные сугробы — заструги, непрерывно изменяя лицо ледниковой поверхности. Несмотря на обилие льда и снега воздух над ледником был почти так же сух, как в пустыне. Осадки выпадали только тогда, когда с незамёрзшего еще в то время Северного Ледовитого океана или с Атлантики приходили циклоны.

Март и апрель хотя и являлись зимними месяцами, но отличались обилием солнечного света и некоторым потеплением воздуха в дневные часы. Зато май был настоящим весенним месяцем. По характеру погоды и температурным условиям он походил на март где-либо на севере Европы. Средние температуры воздуха в течение мая повсюду поднимались на 10-15° и достигали на большей части территории всего лишь 15-20° мороза. Стихали ветры. Ослабевали метели. Солнце в полуденные часы сильно припекало. Весна длилась 1,5 месяца и сменялась своеобразным «летом», о котором уже шла речь (его и теперь еще можно наблюдать над ледниковыми просторами Антарктиды и Гренландии). После того как началось сильное таяние ледников и никакие зимние осадки уже не смогли восполнить убыли воды, которая стекала в реки и моря, ото льда и снега начала освобождаться не только территория земли вблизи края ледника, но и наиболее возвышенные участки суши, где ледниковый покров был наименее мощным. Появлялись своеобразные оазисы среди этой ледяной пустыни, какие существуют в настоящее время в Антарктиде. В этих оазисах формировался уже свой местный климат. Температура поверхности летом здесь могла подниматься на десятки градусов выше нуля. Воздух также был суше и теплее, чем над ледником. Над оазисами возникала своя циркуляция воздуха, дули Местные ветры, которые в течение суток меняли направление, следуя за ходом солнца. Такие оазисы, являясь своеобразными тепловыми очагами среди окружающей их ледяной пустыни, способствовали разрушению ледников с тыла, намного ускоряя процесс их таяния и отступления. Можно только предполагать, что происходило на нашей земле после того, как огромные массы льда начали столь быстро таять. Сколько воды образовывалось тогда в тёплый период года, как велики и ужасающи были в то время всемирные потопы и как высоко поднялся за 4-5 тысяч лет уровень мирового океана. Если считать объём растаявшего льда равным примерно 100 млн. куб. км, а площадь океана близкой к современной (360 млн. кв. км), то ежегодный подъём его уровня составит около 4-5 см, а общий подъём за 4 тысячи лет более 200 метров. Каков был этот подъем уровня на самом деле, точно неизвестно. Д. Л. Дайсон в своей книге «В мире льда» (1963 г.) указывает, что во время Вюрмского оледенения уровень океана был на 76 метров ниже, чем теперь. Если эта цифра верна, то можно полагать, что период таяния ледника продолжался не 4 тысячи лет, а вдвое больше. Как бы там ни было, но и в том, и в другом случае ежегодный подъем уровня моря был катастрофичным, морские воды затапливали огромные прибрежные площади, а наводнения, вызываемые паводковыми водами, даже трудно себе представить. Ежегодное стаивание льда, необходимое для такого подъема уровня океана, должно быть равно примерно 0,6-1 метру. Вообразим себе на минуту, что за одну зиму где-либо в центре России выпало 2,5 метра снега (количество воды в 1 метре льда приблизительно эквивалентно количеству воды, полученному из 2,5 метра снега), и весь этот снег с наступлением весны растаял.

Жителям Новгорода памятна недавняя весна 1965 года, когда на территории Ленинградской, Псковской и Новгородской областей высота снега в начале весны достигала 60-80 см. В тот год таяние снега вызвало подъём воды в реках на 6-8 и более метров. Значительная часть Новгорода оставалась покрытой водой до июня. На фоне всего сказанного библейская легенда о всемирном потопе кажется не такой уж неправдоподобной. Вспомним, что родилась эта легенда на родине шумеров в Месопотамии. Если посмотрим на карту, то увидим, что Месопотамская низменность разрезается с севера на юг двумя огромными реками — Тигром (1950 км) и Евфратом (2760 км). Для людей, передвигавшихся со скоростью 5-10 км в час, эта низменность казалась Миром. Можно не сомневаться, что во времена Великого оледенения горы Малой Азии — Тавры, с которых берут начала Тигр и Евфрат, так же как и горы Кавказа, были покрыты мощным слоем льда. В период потепления климата в северном полушарии, когда ледники начали быстро таять, массы воды хлынули через эти реки в Персидский залив, затопив и Месопотамскую низменность. Такой потоп, конечно, привел к гибели почти всё население, проживавшее на этой территории, а для тех, кто спасся, потоп действительно мог показаться всемирным. У учёных разных стран на этот счёт уже давно не было больших сомнений, но высказывать свои предположения без каких-либо вещественных доказательств значило идти против могущественных устоев религии. Но вот в 70-х годах прошлого века работник Британского музея в Лондоне Д. Смит, расшифровывая таблички с древней клинописью, полученные им из Ниневии, обнаружил, что на них записана древняя поэма о подвигах героя шумеров по имени Гильгамеша. В ней говорилось и о всемирном потопе, описание которого очень близко совпадало с аналогичной библейской легендой. Это уже было вещественное доказательство, с которым можно было выступать против церковной версии Всемирного потопа. Легенды часто являются опоэтизированной историей. Надо только расшифровать их. Поэтому опубликованный Смитом перевод легенды не только встретил яростную бурю протеста со стороны «благочестивых» невежд и церковников викторианской Англии, усмотревших в этом подкоп под святую Библию, но и вызвал огромный интерес у учёных разных отраслей науки. Одним из таких учёных-энтузиастов оказался известный английский археолог Леонард Вулли. Отправившись в район бывшего шумерского царства и разыскав её древнюю столицу, он начал там свои раскопки. Прорыв так называемый культурный слой почвы, образовавшийся в результате жизнедеятельности последующих поколений людей, на глубину 14 метров, он обнаружил на окраинах древнего города гробницы шумерских царей, захороненных в начале 3 тысячелетия до н. э. В них содержались большие ценности, но не они интересовали учёного. Его привлекал более древний период человеческой истории. Поэтому раскопки были продолжены. Каково же было удивление учёного, когда он обнаружил, что более глубокие пласты грунта состоят из осадочных пород. Это был речной ил, который мог образоваться только на дне реки глубиной около 8-10 метров. Проведя топографические вычисления, Вулли пришел к выводу, что такая река могла течь здесь лишь временно, так как грунт залегал здесь слишком высоко. Раскопав этот слой, толщина которого оказалась равной трём метрам, учёный обнаружил под ним более древний культурный пласт, в котором нашёл кирпичи, пепел и осколки керамики. Форма и орнамент керамики говорили о какой-то совсем неизвестной культуре. Вывод напрашивался сам собой. Когда-то здесь было очень древнее поселение людей, которое, видимо, было затоплено во время разразившейся катастрофы и погребено на дне образовавшейся реки или озера. Наличие слоя ила и песка над ним указывало, что наводнение было огромным. Чтобы могли отложиться 3 метра ила, вода должна была стоять здесь не менее нескольких тысячелетий. Быть может, эти тысячелетия и отделяют «допотопную» цивилизацию от самой древней из известных нам цивилизаций — шумеров, которые заселили постепенно высохшую Месопотамскую низменность, полагая, что до них здесь никто и никогда не жил. Будем надеяться, что учёные, обладая современными методами определения абсолютного возраста древних захоронений, в недалёком будущем сумеют установить и абсолютный возраст отложений ила и тайну затопленного «всемирным» потопом народа, который, по-видимому, жил здесь как раз во времена Великого оледенения.

Ну, а что же представлял собой период послеледниковья на нашей Русской равнине? Если бы этот период можно было заснять на киноленту со скоростью 25 или 50 лет в минуту, то на первых кадрах мы бы ещё увидели, как отступает ледник. Из-под него вытекают стремительные потоки талой воды, которые затем сливаются в огромные реки: Волгу, Днепр, Дон, Западную Двину и др., в несколько раз шире современных. Площадь, где только что находился ледник, представляет собой покрытую валунами и загроможденную каменными валами конечных морен безлесную тундру. Все впадины, насколько можно видеть, заполнены бесчисленными озёрами с прозрачной голубой водой и чётко очерченными каменистыми берегами.

На юго-восток от кажущейся безжизненной тундры, напоминающей собой современные антарктические оазисы, простирается широкая темно-зелёная зона хвойных лесов. Её южная граница уходит далеко за Москву, а на Волге почти достигает Куйбышева. Южнее выделяется светло-зелёная полоса лиственных лесов с преобладанием дуба, бука, клёна и березы. Она занимает почти всю Украину и, постепенно сужаясь к востоку, сливается с лиственными лесами Южного Урала и Северного Казахстана. И только в юго-восточных областях европейской территории нашей страны переходит в степи. Но проходит всего лишь минута-две, и мы видим на экране, как бывшая каменистая тундра покрывается сначала типичной тундровой растительностью с низкорослыми одинокими экземплярами хвойных, затем древесная растительность становится все гуще и гуще, пока не захватывает этот недавно безлесный край полностью. Тундра теперь отодвинулась далеко на север и северо-запад, вслед за ледником, который отступил в горы Скандинавии и уже не представляет собой единого целого. Понадобилось всего лишь несколько столетий после оледенения, чтобы ландшафт северной части Русской равнины совершенно изменил свой вид. Быстрое таяние огромных масс льда, вызвавшее отступление мощных ледников, способствовало образованию не одного «всемирного» потопа в разных районах северного полушария. Вода затапливала все сколько-либо пониженные места, образовывала огромные озера и невиданные по величине реки. О размерах их можно теперь судить лишь по огромным долинам, уступами спускающимися ко дну поймы, в которой по совсем узкому руслу текут современные ручьи и реки.

Климат и ледники

Ледниковые эпохи имели место не только в период плейстоцена, но и в более ранние геологические периоды земной истории. Оледенение Антарктиды, например, наступило ещё в середине третичного периода (то есть несколько миллионов лет назад) и продолжается по настоящее время. Мы уже упоминали выше об огромном древнем оледенении в каменноугольном периоде палеозойской эры, когда ледники двигались от современного экватора к южному полюсу, По-видимому, были и другие, еще более древние и не менее грандиозные оледенения. Но в целом для Земли ледниковые эпохи являлись не правилом, а исключением. Из последних двух миллиардов лет истории нашей планеты, по мнению английского ученого Ч. Брукса, на периоды оледенений в сумме приходилось не более 250 тысяч лет. В остальное время климат на Земле был тёплым, а ледники почти не встречались.

Невольно напрашивается вопрос — почему же происходили оледенения на Земле? Прежде всего возникновение ледниковых эпох на земном шаре можно объяснить изменением климата. В некоторые периоды истории Земли в силу каких-то причин наступало похолодание. Оно вызывало увеличение твёрдых осадков, рост снежного покрова и образование ледников. С давнего времени учёные, изучающие геологическую историю Земли, пытались объяснить, почему происходит похолодание климата. Было выдвинуто множество гипотез. Некоторые из них настолько интересны и обоснованы, что кажутся почти достоверными. Другие — требуют доказательств.

Наиболее старые и достаточно убедительные гипотезы — астрономические. Они связывают похолодание климата с уменьшением прихода солнечной радиации к Земле вследствие чисто солнечных или даже космических причин. Из астрономии известно, например, что земная ось, как стержень вращающегося волчка (если на него смотреть сверху), движется по конусу вокруг некоторой точки пространства, называемой полюсом эклиптики. Один такой оборот совершается за 26 тыс. лет. Такое движение в астрономии называется прецессией. На это движение земной оси накладывается возмущающее влияние Солнца и Луны, из-за различия их угловых расстояний относительно экватора. Этот эффект, называемый нутацией, приводит к тому, что образующая конуса, вызываемого прецессией, вместо ровной линии превращается в волнистую. Вполне понятно, что двигаясь таким образом вокруг полюса эклиптики, Земля оказывается различно удаленной от Солнца, а следовательно, получает и разное количество солнечного тепла. (Угол наклона плоскости эклиптики за этот период меняется от 21°58' до 24°36'.) Увеличение угла наклона вызывает повышение солнечной радиации и больший обогрев полярных областей Земли, а уменьшение его — понижение прихода солнечного тепла и похолодание. По мнению некоторых учёных, при минимальном угле наклона плоскости эклиптики температура в полярных районах может понижаться до 5 градусов против средней ее величины.

Английский астроном А. Вейлас (1966 г.) вычислил время наступления пиков максимальных и минимальных прецессий и нутаций и определил величину возможной радиации Солнца в это время. Сравнив графики максимальных и минимальных величин радиации во время этих пиков за последние 200 тыс. лет с колебаниями климата и периодами оледенений, полученных по палеогеографическим и палеогеологическим данным, он нашел большую согласованность этих явлений. Его исследования не только подтвердили старую гипотезу о синхронности астрономических факторов и колебаний климата, но и позволили определить важные вехи в истории Земли, такие, как наступление максимума оледенения, которое по его данным было 19 тыс. лет назад, а также периоды минимумов оледенения и наиболее высокого стояния уровня моря, которые наблюдались 80 и 120 тысяч лет назад. Эти исследования вливают свежие жизненные силы в наиболее старую гипотезу о возникновении ледниковых эпох на Земле.

Некоторые учёные в поисках причин похолодания климата и возникновения ледниковых эпох устремляют свой взгляд в глубины вселенной. Астрономам известно, что Солнце и окружающие его планеты помимо движений и вращений внутри самой солнечной системы совершают вместе со всеми звёздами Галактики вращение вокруг оси Галактики. Это вращение в отличие от вращения твердого тела очень сложно, так как каждая часть Галактики вращается вокруг этой оси с разной скоростью и имеет свои периоды вращения. Огромная область Галактики, куда входит и солнечная система, например, совершает один такой оборот примерно за 200 млн. лет. Легко понять, что за 5 млрд. лет своего существования солнечная система совершила всего около 25 таких оборотов вокруг оси вращения Галактики, то есть прожила только 25 галактических лет.

Представим себе, что на пути своего движения Земля, да и вся солнечная система, находясь дальше или ближе к центру Галактики, встречала участки мирового пространства, заполненные космическим газом или пылью разной плотности. Ясно, что это отражалось на радиации Солнца, значительно изменяло её. Естественно предположить, что для периодов с меньшим количеством солнечной радиации будет характерно длительное понижение температуры, увеличение осадков, образование новых и рост существовавших ледников, то есть произойдет наступление и развитие ледниковой эпохи. Эти догадки кажутся вполне правдоподобными для объяснения длительных оледенений в геологическом прошлом нашей планеты, но они, к сожалению, не могут объяснить наступления эпохи плейстоцена и Великого оледенения, так как она слишком коротка с точки зрения «космического летосчисления».

Некоторые гляциологи (Д. Дайсон, 1963 г.) связывают развитие оледенения с активностью самого Солнца, то есть с установленными циклами максимального и минимального количества солнечных пятен. Однако, как мы уже указывали, наблюдения метеорологов не подтверждают такой зависимости. Наоборот, многие учёные склонны считать, что в период спокойного Солнца количество тепла, получаемое землёй и атмосферой, увеличивается. Мы не будем вдаваться в эти споры, тем более что материалы наблюдений за солнечной радиацией показывают, что различия в солнечной радиации у земной поверхности в периоды неспокойного и спокойного Солнца трудно обнаружить. Кроме того, увеличение прямой радиации Солнца вовсе не означает того, что земная поверхность при этом должна обязательно получить большее количество тепла. Из-за облачности, замутнения атмосферы или других факторов суммарная радиация может совсем не измениться или даже уменьшиться.

Совершенно бесспорным является то, что в период солнечной активности происходит увеличение ультрафиолетовой части солнечной радиации. Она может возрастать в это время на десятки процентов. И, несмотря на то, что вся поглощается верхними слоями атмосферы и идет на формирование в основном геомагнитного климата Земли, её значение для целого ряда геофизических и климатообразующих процессов оказывается очень велико. Так, например, по данным последних исследований Э. Р. Мустеля, Б. И. Сазонова и других советских и зарубежных ученых, корпускулярное излучение Солнца в период повышения солнечной активности оказывает огромное влияние на распределение давления у земной поверхности. Оно формирует зоны высокого и низкого давления вдоль широтных кругов, создавая в нижней атмосфере как бы огромные межширотные волны. Усиление ультрафиолетового и корпускулярного излучения Солнца приводит к увеличению озона и созданию в верхних слоях атмосферы огромных тепловых очагов и образованию громадных атмосферных вихрей, а вместе с этим к повышению циклонической и антициклонической деятельности. Замечено, что в период солнечной активности на земном шаре чаще и сильнее свирепствуют ураганы, образуются наводнения, бушуют тайфуны и торнадо. В свете сказанного становится совершенно очевидным огромное влияние солнечной активности на усиление или ослабление таяния ледников на Земле. Однако при этом очевидно и то, что, оказывая влияние на колебания ледников, солнечная активность в отличие от астрономических факторов не может сама по себе создавать ледниковые эпохи на земном шаре.

Другая группа гипотез объясняет появление ледниковых эпох не астрономическими, а чисто земными причинами. Одной из таких очень распространенных и старых гипотез является гипотеза об изменении положения географических полюсов Земли. Чтобы следить за изменением положения географических широт и полюсов Земли, около 60 лет назад была создана специальная международная сеть станций, названных станциями международной службы широт. Постоянно измеряя географическую широту места по звёздам с помощью зенит-телескопов, наблюдатели этих станций видят, как кочует широта станций. Точно так же кочует и положение географического полюса. Установлено, что за последние 60 лет Северный полюс непрерывно движется вокруг своего среднего положения по спирали, то закручиваясь, то раскручиваясь. Площадь, на которой укладывается вся спираль, представляет собой квадрат со сторонами всего лишь 26 метров. Но, помимо постоянных или периодических смещений полюсов в сравнительно ограниченных пределах вследствие изменения положения земной оси в течение геологической истории, они могли перемещаться еще и в определенном направлении. Пути перемещения географических полюсов за прошедшие 500-600 млн. лет учёные связывают с изменением положения магнитных полюсов, считая, что последние располагались всегда близко от географических. Дело в том, что изверженные горные породы (граниты, диабазы, базальты и др.), которые мы часто называем «каменными» породами, содержат в своем составе минерал магнетит. Благодаря ему они сохраняют в своей «магнитной памяти» то намагничение, которое порода приобрела в период своего образования. Изучая эту намагниченность пород, ученые определяют направление силовых магнитных линий и местоположение магнитного полюса в ту эпоху, к которой относятся эти породы. До того как брать образец породы на исследование, на месте его залегания устанавливается точная ориентировка образца относительно стран света и его горизонтальность. После этого с помощью специальных магнитометров определяется намагниченность ориентированного образца. Изучив таким образом десятки тысяч образцов, собранных со всей земли, учёные установили, что, начиная с палеозойской эры, то есть примерно за 600 млн. лет, Северный магнитный, а возможно и географический полюса непрерывно смещались в определенном направлении. Магнитный полюс совершил свое путешествие от западного побережья Северной Америки на юг, затем пересек центральную часть Тихого океана, вблизи Гавайских островов повернул к Японии, откуда изменил направление на север, добрался до высоких полярных широт (рис. 12). Правда, ряд учёных (Д. Дайсон, например) считает, что за последние 20 млн. лет существенных изменений географического полюса не обнаружено. Однако данные, полученные в период Международного геофизического года, подтвердили мнение о том, что у полюсов, помимо постоянных смещений, о которых мы только что говорили, существует ещё систематическое поступательное движение. Согласно последним данным, Северный полюс, например, в среднем за год смещается на 12,5 см в направлении полуострова Лабрадор (Северная Америка), а Южный соответственно должен смещаться по направлению к экватору вдоль 120-го меридиана. Причины такого смещения некоторые учёные (В. С. Назаров) связывают с влиянием полярных льдов на «равновесие» земного шара. Дело в том, что полярные льды, располагаясь несимметрично по отношению к географическим полюсам, да еще постоянно двигаясь под влиянием циркуляции атмосферы и океана, обладая массой, равной примерно одной двухсоттысячной от общей массы Земли, действительно могут оказывать влияние на положение нашей планеты относительно оси вращения. Если про-экстраполировать скорость современного перемещения полюсов на ближайшие, например, 10 тысяч лет вперед, то можно предположить, что климат Канады и Австралии должен стать более холодным, а климат Японии и Сибири более тёплым, поэтому и возможность роста ледников на севере Америки и Новой Зеландии, например, будет больше, чем в горах Азии. Зная, что у полюсов Земля получает солнечное тепло неравномерно в течение года и несколько в меньшем количестве по сравнению с другими областями Земли, естественно предположить, что в ранние геологические периоды, так же как и теперь, оледенения Земли могли наблюдаться прежде всего там, где находились эти полюса, включая и зону современного экватора.

Гипотеза смещения полюсов тесно согласуется и с гипотезой дрейфа материков, выдвинутой впервые, как известно, немецким геологом А. Вегенером еще в 1912 году. Доказательством его теории служила большая схожесть береговой линии Западной Африки и Восточной Америки, а также схожесть некоторых представителей растительного и животного мира в разных частях света. В самое последнее время теория дрейфа материков получила неожиданное подкрепление. Во-первых, палеомагнитные данные показывают, что при наличии одного континента магнитное поле оказывается более однородным, чем при современном положении материков. Во-вторых, имеются доказательства определённого направления дрейфа материков по отношению к магнитным полюсам Земли. Так, например, Северная Америка удаляется от Исландии со скоростью около 12 см в год, а Южная Америка от Африки со скоростью 6 см в год. В последнее время появились сообщения о том, что полуостров Индостан за несколько миллионов лет перекочевал из южного полушария в северное, двигаясь примерно с той же скоростью. Но гипотеза Вегенера сама по себе еще не объясняет причин оледенения, если с ней не связать два других важных обстоятельства. Во-первых, расположение в то время географического полюса где-то в зоне современного экватора, с которым связывают великое оледенение Гондваны, а во-вторых, совершенно иное, чем теперь, распределение океанических течений на земном шаре. Вытянутый вдоль экватора древний материк Гондвана, как мы уже говорили, по-видимому, препятствовал меридиональной циркуляции морских вод. Южная часть этой гигантской водяной системы была как бы отключена, и тёплые экваториальные воды шли только на обогревание северного полушария. Гипотеза Вегенера широко используется американскими геофизиками для объяснения смены ледниковых эпох во времена плейстоцена, включая и настоящий период. Изучая отложения северных морей, они обнаружили, что в то время, когда северное полушарие было покрыто льдом, существовавшие в море маленькие одноклеточные животные-фораминисферы содержали в своих раковинах совсем иной состав кислорода, чем в доледниковые и послеледниковые периоды. Углекислый кальций, из которого строят фораминисферы свои красивые раковины, как известно, имеет в своем составе кислород. В тёплых водах в нем содержится больше изотопа кислорода с атомным весом 18, а в холодных — с атомным весом 16. Изучая соотношение изотопов кислорода в раковинах фораминисфер в разные периоды, учёные установили, что температура поверхностных вод за последний миллион лет колебалась в пределах 6 градусов. Самым интересным оказалось то, что океан был наиболее тёплым тогда, когда в северном полушарии быстро наступали ледники, а наиболее холодным — в период их отступления. Даже во время максимального оледенения океан оставался тёплым, хотя уже и начинал охлаждаться. Из этого факта учёные (В. Стоке, 1955 г. и др.) сделали вывод о важной регулирующей роли океана в процессе оледенения Земли. Океан в отличие от суши медленно нагревается, но медленно и остывает, поэтому температура его мало меняется. Объем мирового океана составляет 1,9∙109 куб. км. Чтобы заметно охладить его, необходимы многие тысячелетия. Поэтому даже значительное изменение климата на Земле, особенно если оно кратковременно, может не оказать воздействия на температуру воды в океане. Вода останется тёплой, даже если наступит новое оледенение Земли. А раз это так, то во времена наступления ледников, когда различия между температурой воды и воздуха будут особенно велики, испарившаяся с поверхности океана вода будет быстро конденсироваться в воздухе, что приведёт к увеличению облачности и осадков, особенно твёрдых. Если количество выпавшего снега за год будет превышать его расход во время снеготаяния, ледники начнут расти. По мере дальнейшего похолодания климата и выноса с материков в море всё более холодных вод, температура морской воды начнёт постепенно понижаться, а испарение уменьшится. Это неминуемо вызовет убыль осадков и дефицит в водном балансе ледников, и они перестанут расти. Чем дальше будет понижаться температура воды в океане, тем все суше и суше будет воздух над материками.

Облачность уменьшится, увеличится число ясных дней, ослабеет ветер. Нагретая под лучами солнца свободная от ледникового покрова суша все больше и больше будет нагревать прилегающие к ней слои воздуха. Усилится таяние льдов, и ледники начнут отступать. Реки станут многоводнее. Вода в них начнет теплеть, что вновь приведёт к потеплению океана. Общий период потепления на Земле должен продолжаться, по мнению авторов, 40-50 тысяч лет. Вода в океане за этот период только за счёт выноса тёплой речной воды должна нагреться на 4-5 градусов. Но еще больше она будет прогреваться после таяния ледников под воздействием солнечных лучей.

Причину наступления ледников Стоке видит в геологических процессах, которые приводят к горообразованию, поднятию уровня континентов и изменению орографии Земли. Поднятие гор может привести к возникновению горных ледников (глетчеров), зародышей будущего оледенения Земли.

Несколько иначе представляют себе стадии оледенения северного полушария во время плейстоцена два других американских геофизика — М. Юинг и В. Донн. Свою теорию ледниковых эпох они высказали лишь годом позднее Стокса и так же, как и он, основывали её на изучении древних морских отложений, поднятых со дна Атлантического океана. А эти данные показывают, что за период от 90 тысяч до 11 тысяч лет тому назад температура воды в экваториальных водах Атлантики непрерывно понижалась примерно на 1 градус за каждые 10-11 тысяч лет. Затем температура воды начала очень быстро расти (на 1 градус в тысячелетие). За последние несколько тысяч лет температура воды оставалась, пожалуй, самой высокой за все последние межледниковые эпохи плейстоцена. Было установлено быстрое повышение уровня мирового океана. Оно началось около 11-12 тысяч лет тому назад. Поэтому Юинг и Донн, как и другие учёные, считают эту дату окончанием Великого оледенения. Изучение же отложений, взятых со дна Ледовитого океана, показало обратную картину. Оказалось, что во время Великого оледенения Ледовитый океан был свободен от сплошного льда. По нему плавали лишь отдельные айсберги, откалывавшиеся от покрытого плотным льдом побережья, как они откалываются сейчас от ледяных берегов Гренландии и плавают в Северной Атлантике. В течение полярного лета вода в Ледовитом океане настолько сильно нагревалась, что этого тепла было достаточно для того, чтобы поддерживать высокую температуру в Арктике в течение всей зимы. Температура поверхности океана в Арктике зимой в то время была примерно на 35° выше, чем в настоящее время, и держалась около нуля градусов.

Большое различие в температурах воды теплого Арктического и холодного Атлантического океанов должно было вызывать усиленный водообмен между ними и повышенное испарение с поверхности Арктического океана. В период Великого оледенения этот океан был одним из главных источников питания ледников. Особенно важную роль в накоплении льда играл он зимой, принося осадки на замерзшие материки северного полушария. Над свободной ото льда поверхностью Арктического океана располагалась тогда область низкого давления с ветрами восточных направлений. Они гнали тёплые арктические воды на запад, как западные ветры гонят сейчас тёплые воды Гольфстрима в Арктику, На побережье океана в сторону моря дули лютые штормовые ветры южных направлений так же, как дуют они теперь на побережье Антарктиды. Картина циркуляции атмосферы над северным полушарием выглядела так, как показано на рис. 13.

В борьбе с ледником и морозным ветром «Близартом» Солнце было бессильно. Арктика все более и более охлаждалась, покрывалась льдом и превращалась в обширное ледяное поле. Такой она и остается по настоящее время. Водообмен между Атлантическим и Арктическим океанами при этом постепенно уменьшался, так как перешеек, соединяющий океаны через Исландию или Шпицберген, по мере понижения уровня воды в них, становился все мельче и мельче. Циркуляция воды и воздуха в северном полушарии также изменилась. Теперь уже Арктический океан перестал быть источником питания ледников. С ослаблением водообмена между океанами началось быстрое потепление поверхностных атлантических вод, усиление западной циркуляции, а вместе с ней потепление климата. Замерзанием Арктического океана завершилась ледниковая стадия. Начался новый период потепления, приведший к отступлению ледников. Этот процесс, как мы уже говорили, шёл более быстро по сравнению с оледенением и сменился периодом межледниковья, в котором мы, по-видимому, и живем сейчас. Дальнейшее потепление, по мнению авторов этой гипотезы, неминуемо приведёт к таянию льдов Арктики и повышению температуры воды в Арктическом океане, а следовательно, к повышению уровня воды мирового океана. Это, в свою очередь, усилит водообмен между океанами и вновь приведёт к охлаждению поверхностных вод Атлантики. После этого будут созданы благоприятные условия для начала новой стадии оледенения. Такая смена циклов, по их мнению, будет продолжаться все время, пока какие-либо внешние причины или внутренние процессы Земли, вроде нового горообразования, не изменят или не нарушат этого естественного процесса.

Первоначальным же толчком к установлению такой цикличности во времена плейстоцена, Юинг и Донн считают перемещение полюсов или же расхождение материков (по Вегенеру), нарушивших установившийся ранее процесс циркуляции воды и воздуха на земном шаре. Когда Северный полюс находился на севере Тихого океана, а Южный — в Южной Атлантике, свободный обмен с полярными районами не мог создать условий для образования полярных ледяных шапок. По мнению ряда учёных, это продолжалось до третичного периода. Затем полюса Земли постепенно заняли современное положение, при котором создались наивыгоднейшие условия для возникновения ледниковых эпох. Пока такие условия будут сохраняться на земном шаре, говорят учёные, Гренландия на Севере и Антарктида на юге всегда останутся покрытыми льдом и будут являться очагами покровных оледенений. Только в том случае, когда полюса займут другое положение, благоприятная ситуация для больших оледенений на Земле исчезнет.

Гипотезой Юинга и Донна не заканчиваются попытки учёных объяснить возникновение и исчезновение ледниковых эпох на Земле и проследить их историю. Таких гипотез много. Кстати, во многих теориях делаются попытки проэкстраполировать влияние оледенений на биографию планеты в прошлом и будущем. Одни авторы видели будущий климат более тёплым, другие — более холодным, а некоторые допускали даже полное оледенение Земли. Но у нас нет возможности проанализировать все эти предположения, так же как отдать окончательное предпочтение какой-либо из гипотез о происхождении ледниковых эпох, тем более что все они, в конечном счёте, сходятся в главном — возникновение ледниковых эпох находится в тесной связи с похолоданием климата. Но тут надо отметить и другое очень важное обстоятельство — связь, о которой сейчас шла речь, двусторонняя. Взаимодействие между ледниками и климатом было замечено давно. Не раз приходила людям мысль о том, что не только похолодание климата могло явиться причиной роста ледников на земном шаре. Жители горных районов наблюдали, что иногда совсем внезапно расположенный неподалеку от них ледник вдруг начинал стремительно ползти вниз. Причём движение его было настолько быстрым, что людям едва удавалось унести ноги, захватив с собой лишь самое необходимое. Жилье, утварь и другое имущество оказывались погребенными под толстым слоем льда и появлялись на свет иногда лишь спустя многие столетия или даже тысячелетия. Совсем недавно, например, в апреле 1963 года, в нашей прессе появилось сообщение о неожиданном, быстром наступлении ледника Медвежий, расположенного в горах Памира. Казалось, не было никаких внешних причин для его пробуждения. Климат оставался неизменным, в горах стояла весна — время, когда ледники обычно начинают активно таять и сокращаться, а не расти, и вдруг... такое «чудо природы». Обычно мирно спускавшийся с гор со скоростью примерно один метр в сутки, Медвежий внезапно начал наступать в 100 раз быстрее. Через месяц ледник увеличился уже на два километра, перегородил боковую долину и текущую по ее дну реку Абдукагор, образовав большое озеро глубиной 80 метров. Глубина озера возрастала почти на 15 метров в час, а затем вода, проделав себе проход через лед, устремилась вниз по долине, вызвав большое наводнение.

А десятью годами раньше, весной 1953 года, произошел аналогичный, но еще более быстрый рост одновременно у трёх ледников, расположенных в горах Каракорума. Спустившись в широкую долину, они образовали единый ледник Кутиах, который за три месяца спустился вниз на 12 км, уничтожив всё на своем пути. В отдельные дни скорость его движения достигала 130 метров, то есть 5,5 м в час. И такие случаи — не исключение. Дело в том, что у ледников «своя жизнь». Они развиваются по своим собственным законам, тесно взаимодействуя с окружающей средой и прежде всего с атмосферой, которая является источником их питания. Совершенно очевидно и то, что самим своим существованием ледники оказывают огромное влияние на окружающую природу и, в первую очередь, на прилегающий к ним слой воздуха, охлаждая и увлажняя его, как будто бы специально переделывая метеорологический режим и климат в нужном для себя направлении.

О роли ледников в формировании климата Земли много размышлял наш соотечественник Е. С. Гернет. Он был капитаном дальнего плавания. Много путешествовал и читал. Особым его пристрастием были ледники. Внезапные и быстрые наступления ледников и те бедствия, которые они приносили людям, привели его к выводу о таящейся в них большой опасности. Гернет создал свою гипотезу о влиянии ледников на похолодание климата, усмотрев в этом влиянии нечто вроде заразной болезни, угрожающей Земле. Недаром он назвал ледники «лишаями планеты» и написал об этих «лишаях» полную тревоги за судьбу человечества книгу «Грядущий ужас». Основную опасность для северного полушария он видел в гренландском леднике, которому призывал объявить войну. Для этого, по его мнению, следовало лишь убирать выпадающий за год снег, а всю остальную работу по таянию льда выполнило бы уже солнце. Для уборки снега он даже предложил создать специальные полки танков. Теперь книжка Е. С. Гернета кажется наивной, но многие высказанные им положения не утеряли своего значения и до сих пор.

В настоящее время уже ни у кого из исследователей ледников и климата не возникает сомнения в том, что, изучая роль климата в оледенении Земли, надо одновременно оценивать и влияние ледников на климат. Именно с такой позиции совсем недавно (в 1961 г.) югославский географ Шегота и построил свою теорию оледенений, в которой основную, роль в росте ледников отводил не столько внешним, сколько внутренним, присущим самому леднику, закономерностям. Только в самом начале оледенения необходимо благоприятное сочетание внешних условий, утверждает Шегота, а дальше все покатится как лавина в горах, без всякого внешнего вмешательства. Ледники сами обеспечивают свой рост. Такими благоприятными для начала оледенения условиями должны быть, по мнению Шеготы, следующие:

а) наличие суши вблизи полюса;

б) благоприятное расположение материков и океанов;

в) непрерывное поднятие суши.

В четвертичный период как раз такие благоприятные условия и сложились для возникновения ледников. Рост горных хребтов способствовал накоплению снега и образованию горных ледников, которые при благоприятных климатических условиях начали расти и послужили толчком для возникновения покровного оледенения. Начавший расти ледник развивается не равномерно, а скачками или пульсациями. При этом происходят одновременно два процесса. Выше снеговой линии или границы питания снег непрерывно накапливается, а ниже этой границы тает. В связи с этим изменяется форма ледника. Его центральная часть оказывается более мощной. Давление льда на нижние его слои увеличивается, нарушается соответствие между объёмом и формой. Сдавленный в центре лёд растекается сначала медленно, потом скорость его движения увеличивается, пока форма ледника не придет в соответствие с объёмом. Потом снова наступает некоторое затишье, пока в центральных его районах вновь не накопится достаточно снега и не увеличится давление льда вниз и к краям ледника. Затем процесс повторяется снова.

По мере увеличения размеров ледника его центральные районы оказываются всё дальше и дальше от источников питания — океанов и морей. Ледник начинает жить своими краями, а его центр омертвляется. Это приводит к изменению его формы.

 

Посмотрите на рис. 14, как меняются, по мнению Шеготы, размеры ледника в разные периоды его жизни. Максимальная толщина ледяного покрова наступает, оказывается, в первую половину оледенения, наибольший его объём — примерно в середине, а максимальная площадь — лишь к концу периода. После этого начинается обратный процесс — сокращение ледника, который также происходит скачками.

Анализируя данные четвертичного оледенения, Шегота устанавливает простые соотношения между продолжительностью стадий наступления и отступления ледников. По его данным, стадии наступления ледников оказываются в 4 раза продолжительнее стадий их сокращения.

Каждый последующий цикл оледенения наполовину длиннее предыдущего, а каждая последующая стадия отступления ледника на такой же период короче предыдущей. Полностью соответствует развитию оледенения и изменение климатических условий, то есть климат является следствием оледенения. Температура воздуха растёт по мере отступления ледника, но к концу этого периода не достигает того уровня, на котором она держалась в предыдущий межледниковый период, так как ледник оставляет после себя как бы остаточное охлаждение. Осадки же, наоборот, уменьшаются в межледниковый период, но не бывают меньше того количества, которого они достигали в предыдущий межледниковый период. Лед и снег начинают быстро таять при отступлении ледника, но к концу межледникового периода их количество не бывает меньше, чем в конце предыдущего. Исходя из такой закономерности, Шегота делит весь четвертичный период, во время которого наблюдалось оледенение Земли, на ряд ледниковых циклов в соотношении 4:1 (четыре части времени от начала цикла оледенения до периода наибольшего развития и 1 часть времени от начала отступления ледника до нового наступления). Каждый такой цикл короче предыдущего, Общая картина эволюции оледенения в четвертичный период показана на рис. 15.

Вся продолжительность четвертичного оледенения от его зарождения до полного исчезновения (в том числе и в Антарктиде), по мнению автора, составит около 5 млн. лет. При этом последний межледниковый период, в котором мы живём, продолжается 10 тыс. лет и закончится через 24 тыс. лет. Как видно из сказанного, у Шеготы в развитии процесса оледенения уже не климату, а леднику принадлежит главная роль.

В настоящее время советскими и зарубежными учёными созданы теории развития покровного оледенения, основанные на внутренней динамике его жизни, но рассмотрение их не входит в нашу задачу.

Все перечисленные выше теории и гипотезы о происхождении ледниковых эпох мы привели только с одной целью — показать взаимодействие льда и климата. Нам бы хотелось, чтобы читатель понял, что каким бы образом ни возникали оледенения на земном шаре, а причины их могли быть самые разные, начавшись, они развиваются и протекают по своему собственному пути, в основе которого лежит закон сохранения энергии и вещества; то есть тепловой и водный баланс, Вся жизнь ледника от его возникновения до полного разрушения подчиняется только этому закону.

О том, какова же роль теплового баланса в жизни ледников, и пойдет речь дальше.

Ключ к разгадке ледниковых эпох

Как уже заметил, наверное, читатель, говоря о тепловом балансе как о законе сохранения энергии, мы в то же время используем его в качестве метода для изучения или объяснения того или иного физического процесса на Земле.

В отличие от только что приведенных гипотез о возникновении и развитии ледников, строящихся в основном на предположениях, объясняющих качественную сторону этого процесса, метод теплового баланса позволяет обосновать оледенение и взаимоотношение между ледниками и климатом с количественной стороны.

Прежде чем начаться оледенению, какие-то причины должны были вызвать похолодание климата, то есть нарушить существовавшее соотношение между приходными и расходными статьями теплового баланса. Такими причинами могли быть любые из тех, о которых говорилось выше: и астрономические и земные.

Уменьшение прихода солнечного тепла на земную поверхность неминуемо должно привести к понижению температуры этой поверхности и прилегающего к ней слоя воздуха, а последнее — к увеличению количества твёрдых осадков.

Особенно следует указать на очень большую роль отражательной способности (альбедо) льда и снега в формировании температуры подстилающей поверхности и прилегающего к ней слоя воздуха. Из-за того, что покрытые снегом поверхности ледников отражают большую часть солнечной радиации, температура их оказывается намного ниже, чем температура поверхностей, свободных от льда. В настоящее время, например, даже средние годовые температуры поверхности ледников в Гренландии равны 35-37 градусам мороза, тогда как при отсутствии льда они должны были бы быть здесь выше нуля. В периоды же оледенений, когда ледники занимали не только высокие, но и умеренные широты, температура на поверхности ледников, как, впрочем, и температура воздуха, достигла 70 градусов мороза.

Та же картина наблюдается в Арктике и Антарктиде. Летом каждый см2 ледяной поверхности за 24 часа получает от 700 до 1000 калорий солнечного тепла. В целом же за год Арктика получает столько же солнечного тепла, сколько, например, Украина или даже Франция. А что касается Антарктиды, то тепла она получает от Солнца еще больше, чем Арктика. Его достаточно, чтобы за месяц растапливать слой льда в 3 метра толщиной. Солнечного тепла, которое получает Арктика за одно лето, с избытком хватило бы, чтобы уничтожить все её вековые льды (толщина которых равна 5-6 метрам). Но несмотря на это Арктика и тем более Антарктида закованы льдом. И даже в разгар лета температуры здесь крайне низки...

Ученые давно обратили внимание на такое несоответствие в природе.

М. В. Ломоносов в «Кратком описании разных путешествий по северным морям», опубликованном в 1763 году, писал:

«Рассудив о Северном океане, на который Солнце хотя и косвенными лучами целые полгода сияет почти беспрестанно, подумать невозможно, чтобы от них не согревался чувствительно; подлинно, что зимою для долговременного отсутствия теплоты солнечной, должен он много прохлаждаться, но прохлаждение зимнее летнего нагревания превысить не может ...»

На основании этого Ломоносов приходит к заключению, что неисследованная в то время Центральная Арктика должна быть свободна от льда. Этот вывод имеет глубокий физический смысл. В самом деле, почему же при почти одинаковом годовом приходе солнечного тепла на полюсах и в низких широтах температуры воздуха между ними так сильно различаются? Объяснить эту загадку удалось, когда было составлено и решено уравнение теплового баланса поверхности полярных льдов.

Мы уже говорили, что в полярных широтах покрытые льдом и снегом поверхности отражают в 5-10 раз больше солнечной радиации, чем поверхности, свободные от льда, то есть альбедо снега и льда достигает 80-90 процентов от суммарной радиации, тогда как поверхности суши и воды, не покрытые льдом и снегом, отражают только 10-20 процентов падающей на них радиации.

Из физики известно, что эффективная температура любой поверхности, близкой к поверхности абсолютно чёрного тела (а на Земле большинство естественных поверхностей близки по своим свойствам к чёрному телу) пропорциональна  где а — альбедо поверхности, выраженное в долях единицы. При изменении альбедо от а до щ эффективная температура любой подстилающей поверхности, которая обычно выражается в градусах международной шкалы, будет изменяться уже пропорционально Представим себе, что на всей Земле одновременно выпал снег, тогда альбедо нашей планеты повысилось бы с 0,35, чему оно равно в настоящее время, до 0,80, и температура Земли упала бы почти на 100 градусов. Вместо 15 градусов тепла её среднегодовая температура стала бы 87 градусов мороза. Земля навсегда превратилась бы в ледяную планету. К счастью, такой картины никогда не произойдет. Однако, применяя эти расчёты к покрытым льдом и снегом полярным областям, мы уже в состоянии объяснить причину столь больших температурных контрастов между соседними географическими зонами Земли. Эти различия вызываются не столько Солнцем, сколько состоянием подстилающей поверхности.

Посмотрим теперь, какие взаимоотношения устанавливаются между льдом и климатом в этих условиях. Какое влияние оказывает климат на рост ледникового покрова и как влияет ледниковый покров на формирование климата. Известно, что лёд и снег в тёплое время года тают, но известно также и то, что в горах таяние льда и снега даже в разгар лета происходит только до определённой высоты. Выше этой линии снег лежит круглый год. То же самое относится и к горным ледникам. Для объяснения этого явления воспользуемся знакомым нам уравнением теплового баланса, переписав его следующим образом:

 

В этом уравнении все обозначения те же, что и в приведённой ранее формуле, только @ означает расход тепла на нагревание не почвы, а ледяного покрова, h — изменение толщины льда, а в — скрытая теплота плавления льда, равная приблизительно 80 кал на грамм льда. Для того чтобы лед или снег начали таять, необходимо, чтобы на поверхности льда приход тепла был больше, чем расход. Приходными статьями в этом уравнении являются: остаточная радиация, тепло воздуха, если температура его выше точки таяния льда и, наконец, тепло, выделяемое при конденсации водяного пара на поверхности ледника. Расходными статьями теплового баланса будут затраты тепла на испарение с поверхности льда и его таяние. На нагревание ледника во время таяния льда тепла расходуется очень мало, так как температура во всем тающем слое льда не может подняться выше нуля градусов.

Уравнение теплового баланса для поверхности тающего льда можно переписать тогда так:

 

где аК — приход тепла за счет конденсации.

Вот как, например, выглядит тепловой баланс горных ледников умеренной зоны северного полушария летом (табл. 7) по данным наблюдений, проведенных на 13 ледниках Америки, Европы и Азии (ккал/см2/месяц):

 

Обратите внимание на таблицу и вы увидите, что на таяние ледников не хватает солнечного тепла. Солнечная радиация покрывает затраты на таяние всего лишь на 80 процентов. Дефицит в балансе компенсируется теплом, приходящим из воздуха, за счёт турбулентного теплообмена. Если учесть, что период таяния ледников продолжается несколько месяцев, то легко подсчитать уменьшение мощности ледника, которое достигает нескольких метров за одно лето.

Для того чтобы ледник сохранялся в равновесии, то есть не отступал и не наступал, необходимо, чтобы расход льда за эти месяцы компенсировался за счёт выпадения твёрдых осадков в остальное время года. Сейчас на большинстве горных ледников как раз и существует такое равновесие, хотя многие ледники (особенно в Средней Азии) систематически отступают, что дает основание учёным рассматривать современную эпоху как конец ледникового периода.

Теперь представим себе, что приходные части теплового баланса поверхности ледника даже летом окажутся меньше расходной, тогда ледники таять не будут в течение круглого года, Такая картина и наблюдается в Антарктиде, Гренландии, а также высоко в горах. Вот каков, например, тепловой баланс ледниковой поверхности Антарктиды, по нашим наблюдениям, проведенным на станции Пионерская летом 1957 г. (табл. 8) (ккал/см2/месяц).

 

Измерив или рассчитав составляющие теплового баланса, можно найти скорость таяния льда и уменьшение его толщины для любого ледника за любой промежуток времени. Проведённые расчёты показывают, что эта скорость таяния определяется главным образом двумя факторами: количеством падающей на поверхность льда солнечной радиации и температурой воздуха надо льдом.

Что же касается скорости нарастания льда, то для ледников, находящихся на поверхности суши, она зависит всецело от количества выпавших в этом районе твёрдых осадков и сконденсировавшегося на поверхности и в верхнем слое ледника водяного пара в виде инея, изморози или других форм атмосферного льда. Надо сказать, что роль твёрдых осадков, выпадающих на поверхность ледника даже в летнее время, необычайно велика.

В. М. Котляков, наблюдавший летом 1962 года за таянием ледников в Приэльбрусье, обнаружил, что случайные снегопады сокращали период таяния со 120 до 50 дней. Остальные 70 дней шли на «борьбу» солнечных лучей со свежевыпавшим снегом.

Располагая способами расчёта скорости намерзания и таяния льда, а также зная тепловой и водный баланс ледников, геофизики теперь могут определить (для любой области Земли), как и насколько меняется толщина ледникового покрова в течение года, то есть растёт ледник или убывает. Теория теплового баланса ледникового покрова позволяет объяснить не только современное состояние ледников и климатов Земли, но их прошлое и тенденцию на будущее. Она также может подтвердить или опровергнуть рассмотренные выше теории и гипотезы.

Мы уже говорили, что нормальным или обычным для нашей планеты является тёплый климат с положительными годовыми температурами от экватора до полюсов, слабо выраженной термической зональностью и отсутствием ледников и ледовитых океанов. Эти нормальные условия в прошлом неоднократно нарушались «кратковременными», в геологическом летосчислении, ледниковыми эпохами. С помощью теории теплового баланса легко показать, что для их возникновения при слабой термической зональности достаточно было непродолжительного (всего несколько лет) уменьшения прихода солнечной радиации на земную поверхность. А причины для такого уменьшения могли быть любые, как космические, так и земные. В 1883 году, например, при извержении вулкана Кракатау на Зондских островах в воздух поднялось огромное количество вулканической пыли. Она поднялась на огромную высоту и быстро распространилась на всю атмосферу Земли, вызывая в течение ряда лет необычайные явления атмосферной оптики, надолго оставшиеся в памяти людей и дошедшие до нас в виде различных преданий и записей.

По воспоминаниям очевидцев, живших на Кавказе, например, там в этот период ночами можно было, вследствие увеличения рассеянного света, читать без свечи. Появившееся в тот период необычайно красные зори одних приводили в восторг, у других вызывали суеверный ужас. В ясные дни вокруг солнца и луны были видны очень яркие ореолы, от зеленовато-жёлтых до огненно-красных. По наблюдениям французских учёных, ослабление прямой солнечной радиации в первые месяцы после извержения в ряде пунктов Земли достигало 30 и более процентов. В течение двух, а по некоторым данным даже трёх лет солнечная радиация всюду была на 10 процентов ниже нормальной. К сожалению, наблюдений не только за радиацией, но и за температурой воздуха в то время было крайне мало. Поэтому сказать что-либо о влиянии этого понижения радиации на изменения температурного режима на земном шаре в тот период нельзя. Гораздо более отчётливо об этом эффекте можно было судить по действию вулканической пыли после извержения вулканов Ман-Пеле в Вест-Индии (1902 г.) и Катмай на Аляске (1912 г.) (Рис. 16). Через полмесяца после извержения вулкана Катмай облака вулканической пыли затмили солнце над Европой, а через 25 дней мгла распространилась над всей Африкой. Ослабление солнечной радиации в это время достигало 50 процентов и лишь к концу года уменьшилось до 20 процентов. Заметное ослабление солнечной радиации после извержения наблюдалось в течение нескольких лет. Было установлено, что 1912 год явился наиболее холодным годом на фоне общего потепления климата, начавшегося в конце прошлого столетия. В Ленинграде, например, зима 1912/13 г. была почти на 4 градуса холоднее, чем обычно, а зерновые в Сибири созрели на 3 недели позднее, чем в предыдущие годы. Но, пожалуй, наиболее интересные данные были получены в 1957-1961 гг., в период Международного геофизического года и года спокойного Солнца, а также спустя некоторое время после него. Наблюдения за солнечной радиацией и циркуляцией атмосферы в этот период, одновременно с другими геофизическими наблюдениями, велись на всём земном шаре одновременно и по единой программе. Природа, казалось, специально позаботилась об учёных, выбросив в атмосферу во время извержения вулкана Агунг в марте 1963 года несколько миллионов куб. км твёрдого вулканического вещества. Это извержение по сравнению с извержениями Кракатау или Камай казалось совсем безобидным, и на него вначале даже не обратили внимания. Но прошло 8 месяцев, и советские метеорологи, наблюдавшие солнечную радиацию в Антарктиде, обнаружили, что в совершенно ясные дни она вдруг стала на 30 процентов ниже, чем обычно. Это же явление заметили и американские учёные на своих антарктических станциях, а затем и учёные других стран. В Советском Союзе солнечная радиация уменьшилась в эти годы в среднем на 3-5 процентов. Запыленность атмосферы продолжает отмечаться нашими станциями и по настоящее время. Правда, вызывается она не только вулканическими выбросами.

На понижение радиации большое влияние оказывают и различные сферы деятельности современного человека: увеличение промышленных выбросов, гигантский рост автомобильного транспорта, сжигание угля, торфа, нефти, газа.

Известно, например, что во время пыльных бурь прозрачность атмосферы уменьшается в 2-3 раза, а прямая радиация — на 30-40 процентов по сравнению с нормальной.

Интересны данные наблюдений над прозрачностью атмосферы и солнечной радиацией в больших городах. Над Ленинградом, например, они на 10-20 процентов ниже, чем в окрестных районах. Следует, правда, оговориться, что связь между ослаблением прозрачности воздуха и температурой не так проста, как кажется на первый взгляд. Понижение температуры за счёт ослабления прозрачности атмосферы будет в значительной мере компенсироваться нагреванием нижних слоев воздуха вследствие так называемого оранжерейного эффекта, возникающего в запылённой атмосфере. Однако этот эффект может уменьшить понижение температуры в атмосфере, но не полностью компенсировать недостаток прихода солнечной радиации.

Работы К. С. Шифрина показывают, что при замутнении атмосферы, благодаря увеличению рассеянной радиации интенсивность суммарной радиации в 10 раз меньше, чем интенсивность прямой радиации. Поэтому, если устойчивое понижение прямой радиации на 10-20 процентов должно привести к понижению температуры атмосферы на 1-1,5 градуса, то понижение суммарной радиации на 15-20 процентов неминуемо вызовет охлаждение атмосферы и понижение температуры воздуха у земной поверхности уже на 5-6 градусов. А это, согласно теории теплового баланса, уже достаточно для того, чтобы заметно изменить климат на Земле, а при большой продолжительности вызвать и рост льдов.

В самом деле, в полярных широтах, где температура воздуха летом обычно близка к нулю, похолодание даже на несколько десятых градуса прекратит таяние льдов и сделает их устойчивыми в тёплое время года. Что касается существующих ныне покровных оледенений в Гренландии или Антарктиде, то в их режиме мало что изменится. Они как были, так и останутся в устойчивом состоянии.

Самые интересные превращения в случае похолодания произойдут с горными ледниками. Как мы видели на примере (см. табл. 7), в настоящее время на таяние этих ледников затрачивается не только все радиационное тепло, но и тепло, приносимое из воздуха. При понижении температуры воздуха эта приходная статья баланса исчезнет или окажется очень малой. Поэтому таяние ледников значительно уменьшится. При прочих равных условиях, то есть при существующем количестве осадков снега будет накапливаться больше, чем таять.

В тёплое время года он начнёт превращаться в зернистый фирн, а затем под влиянием собственной тяжести — в лёд. Лёд, как смола, вар или ком теста, обладает способностью растекаться даже на ровной поверхности. На горном же склоне растекание происходит еще быстрее. Лёд начнет ползти вниз, заполняя все долины, ущелья, котловины. Ледяные языки окажутся на много сотен метров ниже снеговой линии и продолжат свою жизнь уже в зоне тёплого климата. По мере роста ледники будут создавать собственные условия жизни, распространяя свое влияние и свой климат на окружающее пространство и постепенно освобождаясь от влияния общеклиматических условий этого района. Механизм такого формирования местного климата теперь уже нам известен. Уменьшение остаточной радиации после наступления ледника понизит температуру воздуха над ледником и вблизи него и приведёт к возникновению в районе ледника своей местной циркуляции воздуха (местных ветров по типу тех, которые сейчас наблюдаются в Антарктиде). Холодный воздух начнёт уноситься с ледника, а на смену ему будет приходить более тёплый и влажный. Это неминуемо приведет к увеличению количества твердых осадков над ледником, а значит, к увеличению его размеров. Влияние ледника на климат окружающего района будет нарастать лавинообразно. Он быстро начнет ползти вниз, сливаться с другими ледниками и, достигнув предгорий, образует покровное оледенение. Тогда уже ему не страшно, если солнечная радиация вновь увеличится и достигнет своей прежней величины. Ледник, как мы видим, не боится солнца, так как сам создаёт благоприятные условия для своего развития. А дальше уже все пойдёт так, как об этом говорят Юинг и Донн, Шегота и другие гляциологи. Ледник будет расти до тех пор, пока не достигнет таких размеров, когда ресурсов для его питания будет не хватать, или пока вновь не изменится тепловой баланс его поверхности. Эта вторая критическая точка в жизни ледника — точка его максимального развития, зависит от чисто географических условий и прежде всего от расположения суши и океанов, высоты материков и связанной с этим циркуляции атмосферы и океанов. Антарктида, например, обледенев еще в третичном периоде, то есть много миллионов лет назад, будучи окружена со всех сторон морем, всегда достаточно обеспечена влагой для питания ледников. Любое сколько-либо заметное понижение или повышение температуры на Земле не изменит ее состояния. Ледниковый покров в Антарктиде в первом случае лишь несколько расширится, а во втором — может даже сократиться, но зато высота ледников увеличится. В случае длительного потепления климата на Земле Антарктида должна становиться больше похожей на конус, а не на опрокинутую вверх дном чашу, которую она напоминает теперь. Причина такой метаморфозы состоит в том, что при потеплении климата на Земле воздух над Антарктидой будет более богат водяным паром, чем в настоящее время. При той же системе циркуляции, что и теперь, центральные области Антарктиды начнут получать больше осадков, чем в настоящее время.

Иное дело Арктика. В те периоды, когда она покрывается льдом, окружающие её материки, даже если они свободны от льда, не могут дать достаточного питания для её ледников. Тем более не может быть обеспечен рост ледников в высоких и умеренных широтах при замёрзшем Ледовитом океане.

В северном полушарии оледенение неминуемо должно прекращаться, как только замерзает Арктический бассейн. Если бы почему-либо географические условия на Земле изменились, например, уменьшилась площадь Ледовитого океана в результате сближения материков или поднятия дна океана, то площадь максимального оледенения в северном полушарии могла бы оказаться совсем иной по сравнению с той, какой она была, например, во время Великого оледенения. В этом случае оледенение может захватить все материки.

Теория теплового баланса позволяет ответить на вопрос, какой стала бы температура воздуха на земном шаре, если бы наша планета оказалась полностью покрытой льдами. В этом случае наступило бы устойчивое тепловое равновесие. Температура воздуха даже летом не переходила бы через ноль градусов, а зимой понижалась бы до 90 градусов мороза. Земля никогда бы уже не могла освободиться от ледового плена. Термическая зональность, как и при отсутствии ледников, была бы очень слабо выражена. Такие расчёты, конечно, всегда останутся теоретическими. В действительности, как мы увидим ниже, людям вероятнее всего предстоит бороться с излишками тепла, а не холода.

Возникновение тепловых поясов Земли

Тайны природы никогда не давались человечеству легко. Для того чтобы правильно понять тот или иной процесс или, явление, иногда требовались века и даже тысячелетия. Строились десятки гипотез, приводилось множество доказательств и, конечно, делались часто совершенно противоположные выводы. Впрочем, всё это относится не только ко временам прошедшим: тайн у природы множество, и учёным спорам не будет конца, Особенно большая полемика ведется в науках о Земле, раскрывающих биографию нашей планеты.

Есть такая наука — палеонтология. Мы уже обращались к её помощи, когда пытались вообразить некое мгновенное путешествие из начала палеозойской эры в сегодняшний день. Учёные, работающие в этой области науки, по крупицам собирают факты прошлого Земли, заглядывая иногда на миллионы и даже десятки миллионов лет назад. Казалось бы, чего проще — стоит только обобщить результаты их исследований, и можно составить биографию нашей планеты. На самом же деле все намного сложнее. Чем больше добывается фактов, тем больше возникает вопросов, на которые палеонтологи не в силах ответить. Привлекаются учёные других отраслей науки, рождаются новые направления и, конечно, получаются не всегда одинаковые выводы.

Возьмите, например, такой вопрос биографии Земли, как возникновение материков или перемещение географических полюсов. Еще в начале нынешнего столетия учёные подметили, что материки Земли четко разделяются на две группы: северную и южную. Это дало основание немецкому ученому Зюссу (1904 г.) выдвинуть гипотезу о существовании в палеозойскую эру двух мега континентов, родителей современных материков Земли или праматериков: Гондваны в южном полушарии и Лавразии в северном — эти названия уже встречались в нашем рассказе. Приблизительно в середине мезозойской эры, как предполагает П. С. Воронов, то есть всего около 180-200 млн. лет назад, внутренние силы Земли разорвали Гондвану на ряд континентальных плит. По мере дальнейшего развития Земли центробежные и ротационные силы все дальше и дальше растаскивали и поворачивали эти плиты относительно продольной оси Гондваны.

Только Африка, фигура которой совпала с направлением этой оси, почти не изменила своего местоположения. Гипотезу о дрейфе материков впервые выдвинул, как мы уже знаем, Вегенер.

П. С. Воронов (1968 г.), установивший чёткую зависимость между массами южных континентов и их центрами тяжести в период существования Гондваны, пришел к убедительному выводу, что чем меньше был обломок (будущий материк) Гондваны, тем дальше он должен был быть отброшен этими силами от её центра.

Гипотезу о существовании древних праматериков и последующем дрейфе континентов поддерживали и поддерживают в настоящее время многие учёные. Однако среди геологов и геофизиков имеются активные противники этой гипотезы. Они не признают дрейфа материков и пытаются подтвердить свою правоту строгим математическим доказательством невозможности существования в природе таких сил, которые могли бы растащить материки по земному шару.

Мы не будем вдаваться в этот спор. Для нас важно лишь одно обстоятельство, признанное обеими сторонами. Заключается оно в том, что соотношение между океаном и сушей на протяжении геологической истории Земли не оставалось неизменным, а следовательно, менялся и тепловой баланс нашей планеты. Менялись географическая зональность и тепловые пояса Земли.

Исходя из этих теорий, можно сказать, что существующая в настоящее время географическая зональность была когда-то совершенно несвойственна нашей планете. Учёные утверждают, что большую часть времени на Земле не существовало ни ледников, ни ледовитых морей. Климат в умеренных и высоких широтах был гораздо теплее, чем теперь. Температурные контрасты между полюсом и экватором были очень небольшими. В Арктике росли непроходимые леса, а рептилии и амфибии заселяли всю землю. Термическая зональность возникла сначала в южном полушарии.

П. С. Воронов в своей интересной книге «Очерки о закономерностях морфологии глобального рельефа Земли» (1968 г.) приводит палеогеографическую карту южного полушария в верхнепалеозойское время. Мы воспроизвели ее на рис. 17. Посмотрите на нее внимательно. Вы увидите не только, как были объединены современные континенты южного полушария в единый праматерик Гондвану, но и то, что Антарктида, Австралия, Южная Африка и часть Южной Америки уже тогда были заняты огромным покровным оледенением. Льды покрывали и современную Индию. Южный географический и южный магнитный полюса размещались на территории Антарктиды, но совсем близко от Южной Африки и Австралии. Географические параллели тоже выглядели необычно. Через центр современной Африки проходил Южный полярный круг, современная Сахара лежала в умеренном поясе, а экватор был оттеснен далеко на север.

В северном полушарии формирование географической зональности происходило, по-видимому, гораздо позднее. Первые признаки зональности появились здесь около 70 миллионов лет назад, но основной процесс её формирования протекал в четвертичном периоде. Когда появился человек, тепловые пояса Земли уже были такими же, как и теперь: жаркий, два умеренных и два холодных, однако границы между ними менялись. Было время, например, когда граница холодного пояса проходила по территории теперешней Московской области и всё Подмосковье занимала тундра. Победа тепла над холодом всегда означала расцвет жизни, продвижение теплолюбивых растений и животных в высокие широты, естественное расширение жизненного пространства. Победа же холода вызывала омертвление природы и сужение жизненного пространства.

О существовании тепловых поясов Земли люди узнали давно. Упоминание о них мы находим у греческого историка Плибия (204-121 г. до н. э.), разделившего Землю на 6 тепловых поясов: 2 жарких (безжизненных), 2 умеренных и 2 холодных. Упоминания о странах жары и мороза встречаются и в записках путешественников.

Пифей Марсельский в 304 г. до н. э. достиг на своих судах современной Англии, названной им за белые меловые берега Альбионом (Белым островом). Пройдя Англию и проплыв на север еще несколько суток, он добрался до Земли Фула. Была это Исландия или Норвегия — осталось неизвестным. Важно, что это были уже северные земли. Дальше, пишет он, «... не было ни моря, ни Земли, ни воздуха». По всей вероятности, корабль попал в зону густых туманов.

О существовании арктических морей греки не знали. Но зато о них хорошо было известно древним норманнам.

Наличие тепловых поясов Земли люди объясняли неодинаковым поступлением солнечного тепла в высоких и низких широтах, связанным с различием угла наклона солнечных лучей к земной поверхности. Отсюда возникло и понятие климат. Чем дальше на север, тем ниже поднимается солнце над горизонтом в полуденные часы и меньше тепла посылает оно на единицу поверхности. Поэтому холоднее должен быть и климат. Эта закономерность, подмеченная около 2,5 тысячи лет назад, до самого последнего времени оставалась неоспоримой. Лишь совсем недавно такое объяснение было поставлено под сомнение. Наблюдениями в Арктике и Антарктиде было установлено, что хотя летом солнечного тепла в полярных широтах за единицу времени поступает меньше, чем в умеренных, из-за длинного дня суммарная радиация за сутки оказывается здесь гораздо большей, чем даже на экваторе.

Казалось бы, что в летний период здесь должно было быть так же тепло, как и в более низких широтах. Но в Арктике даже в разгар лета температура воздуха редко поднимается выше 10 градусов. Значит, различие в тепловом режиме холодного и умеренного поясов нельзя объяснить разницей в поступлении солнечного тепла. Читатель уже знает, что причина такого парадокса природы может быть объяснена только особенностью теплового баланса подстилающей поверхности.

Нам уже известно, что альбедо покрытой льдом и снегом земной поверхности очень велико. Снег и лёд отражают до 80-90 процентов всей падающей на них солнечной радиации, тогда как поверхности, не покрытые снегом, отражают лишь 10-20 процентов.

Если по какой-либо причине полярные льды северного полушария растают или их удастся растопить искусственным путем, альбедо поверхности Арктики уменьшится, а вместе с ним изменятся и существующие в настоящее время тепловые зоны северного полушария. Температура воды в арктическом бассейне поднимется до +10 и более градусов, а леса займут место современной тундры. Так, видимо, и шёл процесс в южном полушарии после распада Гондваны, когда произошло таяние ледников и Антарктида заняла положение, близкое к современному. Так, видимо, будет происходить и в будущем.

Однако формирование тепловых поясов на Земле зависит не только от того, сколько останется солнечного тепла в пределах той или иной зоны, но и от того, как оно будет распределено по земной поверхности и на что будет затрачено.

Формула тепла и климата

В отличие от древних греков, связывавших климат только с наклоном солнечных лучей, в современной географии и геофизике понятие «климат» включает в себя большой комплекс элементов, которые характеризуют физическое состояние атмосферы в том или ином районе земного шара. Различия в температуре и влажности воздуха, давлении, ветре, осадках и т. д. являются отличительными чертами климатов Земли. Однако если разобраться поглубже в сущности каждого из этих элементов, то становится очевидным, что природа у них одна и та же — радиация Солнца. Рассмотрим для примера температурный режим какой-либо зоны или участка земной поверхности. Мы только что говорили о формировании тепловых поясов Земли. Но даже в одном тепловом поясе может иметь место совершенно разный температурный режим. Поезжайте, например, в апреле из Москвы в Одессу. Вам на эту поездку понадобятся всего лишь сутки. Оба города находятся в пределах одного умеренного пояса. Суммарная радиация Солнца между ними в это время отличается всего на 1 ккал/см2 в месяц, а суточная радиация и того меньше. А какое различие в климате! Еще лежит кое-где снег в лесах Подмосковья. В Орловской области уже зеленеет трава. А стоит проехать Донбасс, как начинают появляться цветущие деревья. Сначала одно, стоящее где-либо на припёке, затем второе, третье. Еще 2 часа езды, и вы видите цветущие сады. Так без всякого термометра, только по виду и состоянию растений можно судить об изменении температурного режима и климата.

Ещё большее различие в температурном режиме мы будем наблюдать, двигаясь из Москвы или Одессы не по меридиану, а по широте, вдоль которой остаточная радиация, обычно совсем мало меняется. Путешествуя в апреле из Москвы в Иркутск, например, мы легко можем встретить зимний пейзаж, а попав из Одессы в Среднюю Азию, наоборот, будем наблюдать температуры воздуха, достигающие 30 градусов тепла. В чём же причина этих изменений? В какой-то мере в различии широт. Одесса расположена южнее, и остаточная радиация в апреле, как указывалось, здесь несколько больше, чем в Москве. Но эта величина не настолько большая, чтобы создать столь резкие различия в климате. Некоторое значение имеет адвекция тепла с юга. Но главная причина заключается в том, что расходуется радиационное тепло где-нибудь в районе Одессы иначе, чем под Москвой. Под Москвой только что сошёл снег, почва ещё влажная. С неё в это время происходит испарение почти так же интенсивно, как с открытого водоема, и на этот процесс тратится основная доля остаточной радиации. На нагревание воздуха почти ничего не остаётся. Иное дело под Одессой. Там уже весна в полном разгаре. Почва успела просохнуть и даже прогреться. Полным ходом идут весенние полевые работы. Конечно, там значительная доля радиационного тепла идет на нагревание почвы и воздуха. На испарение его тратится гораздо меньше. Поэтому здесь и теплее.

Не менее резкие различия в температурном режиме можно заметить, наблюдая за микроклиматом отдельного участка или поля, занятого той или иной сельскохозяйственной культурой. Для этого нам и дальняя поездка не нужна, достаточно предпринять небольшую прогулку или выехать за город. Наверно, каждый из вас, читатель, не раз наблюдал, как на одном склоне холма лежит снег, а на другом уже зеленеет трава. На одном участке рожь уже зацвела, а неподалеку только вышла в трубку. На одном поле теплолюбивые помидоры растут прекрасно, а на другом их губит заморозок. Заметьте: остаточная радиация на всех полях при этом одинаковая, а вот расход тепла разный.

Повторим, что процесс нагревания почвы, воды или какой-либо другой подстилающей поверхности регулируется двумя основными условиями: количеством солнечной радиации, падающей на земную поверхность, и свойствами самой поверхности. Какова окажется разница в поглощении солнечной радиации, настолько велико будет и различие в нагревании земной поверхности, из-за разницы в альбедо. Представим себе даже, что и альбедо и остаточная радиация одинаковы на большом пространстве. Что же, земная поверхность здесь всюду будет нагреваться одинаково? Нет. Почва обладает теплоёмкостью в три раза меньшей, чем вода, и в три тысячи раз большей, чем воздух, поэтому и нагреваться и остывать она будет втрое быстрее воды и в тысячи раз медленнее воздуха.

Почвы сухие и влажные, пористые и плотные, покрытые растительностью или оголённые при одной и той же остаточной радиации будут по-разному нагреваться и остывать. Совершенно очевидно, что и прилегающий к ним слой воздуха также будет нагрет по-разному. Над тёплыми участками больше, а над холодными — меньше. Ведь нагревание воздуха происходит не за счёт поглощения прямых солнечных лучей, а главным образом благодаря турбулентному обмену более холодного воздуха с нагретой подстилающей поверхностью, а также поглощению им теплового излучения земной поверхности.

Всё, о чем мы говорили выше, относилось к одной климатической характеристике — к температуре почвы или воздуха. Ну, а возьмите другую характеристику, например влажность воздуха. Ведь она тоже определяется солнечной радиацией и характером подстилающей поверхности. Чем влажнее подстилающая поверхность, тем сильнее происходит с нее испарение, тем больше затраты тепла на этот процесс и выше абсолютная влажность воздуха. Даже такой климатический элемент, как ветер, и тот начинает свою родословную от солнечной радиации. Правда, не прямо от нее, а через температуру воздуха. Горизонтальное различие или горизонтальный градиент температуры вызывает движение воздуха вдоль земной поверхности, но порождается он опять-таки обычно неравномерностью нагрева этой поверхности и прилегающего к ней слоя воздуха или, как говорят, особенностями циркуляции атмосферы. Нет нужды останавливаться на всех остальных элементах климата. Они так же, как и только что перечисленные, формируются под воздействием теплового баланса подстилающей поверхности или атмосферы. Из большого числа элементов климата нам достаточно более подробно разобрать только два: температуру воздуха и осадки, так как ими обычно характеризуется климат того или иного места. Недаром говорят: тёплый и влажный климат или сырой и холодный и т. д. И этих двух элементов обычно хватает, чтобы составить представление о климате. Посмотрим, что же собой представляет температура воздуха и как она количественно связана с тепловым балансом и географической зональностью.

Поскольку в природе остаточная радиация распределяется между испарением и нагреванием воздуха и почвы, то совершенно очевидно, что температура воздуха должна быть тесно связана со всеми составляющими теплового баланса или остаточной радиацией в целом. Чем большая часть остаточной радиации будет тратиться на нагревание почвы и воздуха, как это имеет место, например, в пустынях и сухих степях, тем выше будет их температура и наоборот, чем больше её будет расходоваться на испарение, тем температура воздуха и почвы будет ниже. Поэтому для того, чтобы судить о тепловом режиме той или иной области или зоны земного шара, достаточно знать величину остаточной радиации или же иметь сведения о температурах воздуха или почвы. Обе эти характеристики оказались теснейшим образом связаны между собой. Остаточная радиация за год и за вегетационный период связана с суммами среднесуточных температур выше 10 градусов примерно таким соотношением:

 

Эта хотя и приближенная, но зато простая формула позволила метеорологам определять величину остаточной радиации за месяц или сезон по данным наблюдений только за температурой воздуха. Выяснилась любопытная картина: каждой сумме остаточной радиации соответствует определённый тепловой режим, своя климатическая зона. Посмотрите, как это выглядит (табл. 9).

 

Для холодного периода года, когда тепловой режим земной поверхности формируется главным образом за счёт поступления тепла из воздуха (остаточная радиация имеет отрицательный знак, так как земля в это время больше теряет тепла, чем получает его от солнца и неба), показателем суровости климата могут служить не суммы, а средние месячные температуры воздуха или сочетание их с высотой снежного покрова на поверхности почвы (табл. 10).

Сочетание индексов, приведённое в этих двух таблицах, позволяет судить не только о тепловых условиях, но и о суровости климата в каждой зоне. Соединив, например, индексы С и В, получим такую тепловую характеристику климата: в холодной климатической зоне остаточная радиация за год составляет 13-23 ккал/см2, а сумма эффективных температур едва достигает 1000 градусов. Зима в этой зоне суровая и снежная.

Совершенно очевидно, что каждой климатической зоне будут соответствовать и свои природные географические условия. Забегая несколько вперед, скажем, что районы, где среднесуточные температуры воздуха весь год бывают ниже 10 градусов и за год их сумма близка к нулю, соответствуют зоне арктических пустынь. Изолиния сумм эффективных температур, равная 1000 градусам, совпадает с южной границей тундры. В зоне с суммой температур от 1000 до 2200° растут хвойные леса; а от 2200 до 4400° — смешанные и широколиственные леса и т. д.

Условия увлажнения на Земле

 

Объяснять формирование природной зональности и разнообразных климатов на Земле только сочетанием определённых тепловых условий было бы неправильно.

Не меньшую, а, пожалуй, даже большую роль в природных процессах играют условия увлажнения. Эти условия определяются двумя факторами: количеством выпадающих осадков и скоростью или интенсивностью их испарения. Распределение осадков по земному шару в принципе связано с географической зональностью. Среднее их количество убывает от экватора к полюсам. Однако в отличие от температуры воздуха эта закономерность существенно нарушается географическими и климатическими условиями. Во-первых, горные цепи, протянувшиеся как в меридиональном, так и широтном направлениях, препятствуя свободной циркуляции воздуха, движущегося с океанов, задерживают большую часть осадков на наветренных склонах, образуя с подветренной стороны обширные зоны пустынь или полупустынь. Во-вторых, установившаяся на земном шаре общая циркуляция атмосферы такова, что в зонах тропических широт происходит нисходящее движение воздуха из свободной атмосферы к земной поверхности, удаление его от точки насыщения и невероятное иссушение. Поэтому вдоль северного и южного тропиков вместо влажных поясов простираются обширнейшие на Земле пустыни или сухие степи, совершенно искажающие общую картину зональности осадков. Но уже выше тропиков зональность осадков быстро восстанавливается и сохраняется вплоть до самых полюсов. Среди других причин, вызывающих пестроту осадков на Земле, отметим еще большую изменчивость в распределении облачности, из-за чего даже на одной улице может выпадать разное количество осадков. Что же касается второго фактора, определяющего условия увлажнения на земном шаре — испарения, то оно, как мы знаем, целиком регламентируется величиной остаточной радиации.

Если бы поверхность материков была постоянно увлажнена, как это, например, происходит в умеренных широтах весной после таяния снега или круглый год на экваторе, то остаточная радиация почти вся тратилась бы на испарение, Тогда величина испарения на Земле всюду была бы большой, а температура воздуха, наоборот, сравнительно низкой. Высокой была бы и влажность воздуха. Примером может служить распределение температуры, влажности воздуха и испарения на экваторе и в полярных областях Земли. В экваториальной зоне, например, температура воздуха летом и зимой не так уж и высока и равна 26-28 градусам, относительная влажность даже днем редко бывает ниже 60-70 процентов. Такая же примерно картина наблюдается и за Полярным кругом, где летом высокие температуры воздуха отмечаются крайне редко, а воздух всегда насыщен влагой. Не удивительно поэтому, что в этих совершенно различных географических поясах Земли испарение в летние месяцы оказалось почти одинаковым, сравнительно большим по величине. В июле, например, оно на широте Полярного круга и в экваториальной Африке равно 70 мм. Если бы такая картина сохранялась в умеренных и субтропических широтах, тогда ни о какой географической зональности, в современном понимании этого слова, не пришлось бы и говорить. Всюду было бы сравнительно тепло и сыро, леса росли бы от экватора до побережья Арктики, не было бы ни зоны степей, ни пустынь. Величину испарения, а с ним и условия увлажнения на Земле, в этом случае рассчитать не составило бы никакого труда по величине остаточной радиации или суммам температур. Хорошим показателем интенсивности или скорости испарения служило бы отношение остаточной радиации к затратам тепла на испарение. Эту величину называют гидротермическим коэффициентом и иногда используют в географии и метеорологии и в настоящее время. Легко догадаться, что она равна единице в случаях, когда вся остаточная радиация тратится на испарение и превышает единицу, когда на испарение тратится только часть её. На самом же деле увлажнение земной поверхности убывает с севера на юг до самых тропиков. Поэтому и отношение — за тот или иной период времени возрастает по направлению к югу. В зоне тайги оно близко к 1, в степях равно 2, а в пустынях превышает 3. Иными словами, возможности испарения на юге в несколько раз больше, чем на севере. Возьмем для примера сухую степь.

Солнечной энергией напоено всё вокруг. До семидесяти градусов нагрета поверхность почвы, кажется раскаленным высушенный воздух. Но стоит создать в таких условиях орошенное поле или оазис — и все изменится. Станет прохладнее и влажнее. Выжженная земля оживет и зазеленеет. А объясняется все это просто. Ведь воздух в этих краях был раскален, и жара казалась такой невыносимой не потому, что приток тепла от солнца здесь много больше, чем на севере: тут было очень мало влаги. А оросили поле, создали оазис, и значительная часть тепла ушла на испарение. Отсюда вывод — условия увлажнения земной поверхности зависят не только от испарения, но и от количества осадков. Если их много и они выпадают регулярно в течение всего года, условия увлажнения будут одни, а если осадков мало и они носят сезонный характер, то условия увлажнения, а следовательно, и испарения, будут иными. Поэтому для оценки степени засушливости или условий увлажнения, что в принципе одно и то же, принято использовать не гидротермический коэффициент, а отношение суммы остаточной радиации к испарению суммы осадков, выпадающих в данном месте. Эту величину можно назвать и коэффициентом сухости, и показателем увлажнения А. Для каждой природной зоны его определяют по отношению годовой величины остаточной радиации к годовой сумме осадков. Очевидно, что в тех природных зонах, где осадков выпадает больше, чем их может испариться, например в тундре или лесотундре, показатель увлажнения будет меньше единицы. Наоборот, в тех зонах, где осадков выпадает мало, а остаточная радиация велика, например в степях или пустынях, коэффициент А будет намного больше единицы.

Посмотрите, как выглядят условия увлажнения в различных природных зонах (табл. 11).

 

Итак, физический смысл коэффициента А состоит в том, что он одновременно характеризует как степень увлажнения, так и степень засушливости природной зоны. Если, например, А=0,5, то это означает, что в данном месте остаточная радиация в 2 раза меньше того количества тепла, которое необходимо для испарения годовой суммы осадков. Но этот же коэффициент показывает, что такие условия характерны для очень влажной и сырой зоны. Если осадков выпадает больше, чем их может испариться, образуется излишек влаги, происходит заболачивание почв, увеличивается сток рек, формируется влажный и холодный климат. Одним словом, создаются условия, характерные для зоны избыточного увлажнения. Если же коэффициент А больше единицы, например равен 5, то это означает, что остаточная радиация в этой зоне в 5 раз превосходит количество тепла, которое тратится на испарение выпадающих здесь осадков. Следовательно, в этом месте создаются излишки тепла, почва пересыхает и трескается, среди растений преобладают эфемеры или ксерофиты (неприхотливые жители пустынь), то есть возникают условия, присущие зонам недостаточного увлажнения.

Коэффициент А в этом случае выступает уже не столько в роли географического показателя, характеризующего сухость или засушливость данной зоны, сколько является одним из важнейших составляющих климата. Он характеризует условия увлажнения воздуха, содержание в нем влаги и возможности испарения в данной зоне. А эти показатели широко используются метеорологами и гидрологами уже совсем для других целей, не связанных с вопросами географического районирования. Представим себе, что в сухой, почти безжизненной зоне надо построить канал, как это было, например, в пустыне Кара-Кум. Для того чтобы приступить к этой работе, надо было знать, сколько же воды будет испаряться с его поверхности за день, неделю, месяц или сезон. Как много воды необходимо отвести у Аму-Дарьи для поддержания постоянного водоснабжения Каракумского канала? А сколько необходимо забирать воды на орошение земель, отвоёванных у среднеазиатских пустынь? Да мало ли практических вопросов возникает постоянно у строителей, гидрогеологов, мелиораторов, агрономов и специалистов других профессий, работающих, скажем, в сухих степях или пустынях, строящих там города, занимающихся водоснабжением или мелиорацией.

Для решения всех этих вопросов необходимо знать такие климатические характеристики, как дефицит или относительная влажность воздуха, испаряемость и т. п. Но главное, возможные энергетические ресурсы, баланс тепла и влаги. И основным показателем всех этих характеристик является соотношение между остаточной радиацией и затратами тепла на испарение осадков.

Коэффициент А является важнейшим физическим показателем развития многих природных процессов.

Интенсивность же развития этих процессов будет определиться, как мы увидим дальше, еще и самой величиной остаточной радиации. Иначе говоря, если географическая зональность на Земле может быть установлена только по одному показателю увлажнения, то для оценки интенсивности развития тех или иных природных процессов в каждой зоне должна быть известна еще абсолютная величина остаточной радиации.

Формирование природных географических зон

После того как учёными Главной геофизической обсерватории был подсчитан тепловой баланс земной поверхности для всей нашей планеты и построены карты всех его составляющих, география сразу же получила прочную физическую основу. Многие из ранее открытых географами качественных закономерностей получили количественную оценку. Каждая природная географическая зона могла быть охарактеризована совершенно определёнными числовыми величинами тепла и влаги. Появилась возможность вычислять недостаток или, наоборот, избыток тепла и влаги для любого места на земном шаре.

 

Вот какие количественные характеристики получили, например, природные географические зоны европейской территории СССР (табл. 12). Само собой разумеется, что в таблице указаны только средние значения приведенных величин. На самом деле каждая из них находится в некоторых пределах, границы которых одновременно могут захватывать две соседние зоны. Например, для лесостепи А =1,0-1,30, а для степи 1,25-2,50.

Даже беглый взгляд на эту таблицу убеждает нас в том, сколь тесна связь между каждой составляющей теплового баланса и географическими зонами. Посмотрите, как связаны в этих таблицах физика и география, закон сохранения энергии и географическая зональность. Сопоставьте табл. 12 с таблицами теплового режима или условий увлажнения (табл. 9,11), характеризующими климатическую зональность Земли, и вы увидите, что каждому индексу в табл. 9 соответствует своя физика и география. Качественные географические показатели имеют количественную физическую основу.

Таблица суровости климата (табл. 10) как бы детализирует эту зональность, расширяет наши сведения о географической зоне. Сравнивая все эти таблицы с картой растительности, мы увидим, например, что в суровом климате распространена даурская лиственница, а в других местах её нет. Граница между областью умеренно суровой и умеренно мягкой зимы в лесной зоне европейской части СССР хорошо согласуется с границей между западноевропейской и восточноевропейской тайгой и т. д.

А теперь, после того как мы узнали кое-что о физических основах формирования природных зон, давайте подетальнее проанализируем связь условий увлажнения с тепловыми ресурсами природных зон. Для этого воспользуемся таблицей географической зональности, составленной А. А. Григорьевым и М. И. Будыкр (табл. 13). Она как бы подытоживает все сказанное выше о балансе тепла и влаги, об увлажнении и сухости, о природных зонах и объединяет их в одну стройную систему, названную авторами законом географической зональности. Основная энергетическая база, формирующая географическую зональность — остаточная радиация, в этой таблице расположена в крайнем левом столбце, без номера. Справа от него находятся 5 столбцов, характеризующих степень увлажнения: от крайне избыточного (столбец 1) до крайне недостаточного (столбец 5). Столбец 2 в свою очередь разбит на 5 самостоятельных граф, соответствующих возрастанию градации коэффициента увлажнения А на 0,2. Первые 4 графы соответствуют условиям избыточного увлажнения, а последняя характеризует оптимальные условия увлажнения (А = 0,8—1,0). За этой графой расположены остальные три столбца, соответствующие условиям недостаточного увлажнения.

Посмотрим повнимательнее на эту таблицу.

Прежде всего мы можем заметить, что коэффициенты увлажнения А оказываются близкими для одних и тех же географических зон, хотя они и находятся в совершенно различных тепловых поясах Земли. Для лесов, например от Сибири до тропических джунглей, коэффициент А лежит в пределах примерно от 0,5 до единицы. Для степей, от Поволжья до жарких саванн, он меняется от 1 до 2. А для пустынь, где бы они ни находились, коэффициент сухости всюду превышает 3. При этом невольно возникает вопрос, чем же в таком случае регулируется интенсивность природных процессов, происходящих в каждой природной зоне, таких, например, как испарение влаги с почвы или развитие растительности. Почему при одних и тех же показателях увлажнения А интенсивность испарения и прирост растительной массы у деревьев в зоне тропических лесов намного больше, чем в лесной зоне умеренного пояса? Ответить на этот вопрос легко, если вспомнить, что интенсивность формирования или развития природных процессов в каждой зоне зависит не только от того, влажная это зона или сухая, но еще и от количества солнечной энергии, которое приходит к поверхности Земли в каждой зоне и используется в этом процессу. На рис. 18 показана зависимость величины испарения влаги с поверхности почвы от годовых сумм остаточной радиации для различных показателей увлажнения А, то есть для различных природных зон. Как видно из этого рисунка, в зоне достаточного увлажнения, где коэффициент А близок 1, годовая сумма испарения составляет около 25-30 см. в год для тайги и 80-100 см для тропических лесов и влажных саванн, то есть разница в 3-4 раза. Для зоны степей это различие уже значительно меньше. То же самое происходит и с накоплением органического вещества растениями в каждой природной зоне. В одних и тех же условиях увлажнения или засушливости при большей остаточной радиации растения развиваются значительно лучше, чем при малой, поэтому деревья в южной зоне тайги гораздо толще и выше, чем, например, в лесотундре.

 

И еще одна особенность хорошо видна при более тщательном анализе табл. 13. Чем больше коэффициент А отличается от единицы в ту и другую сторону, тем менее благоприятны природные условия, беднее и однообразнее ландшафтные зоны. Таким образом, большое отклонение показателя сухости от единицы не только изменяет соотношение между теплом и влагой, но и нарушает нормальные условия жизни растительного мира, а вместе с ним и нормальное развитие ряда других природных процессов. Излишки тепла, как и излишки влаги, тормозят процессы почвообразования, вызывают оскудение растительности и животного мира, создают наиболее неприятные климатические условия. Конечно, кроме соотношения тепла и влаги, в развитии природных условий большую роль играет еще и сама почва. На бедных минерализованных почвах растительность будет развиваться хуже, чем на почвах, богатых органическим веществом, хотя оба вида этих почв могут находиться в условиях, когда соотношение между теплом и влагой будет близко к единице. Но это уже другой вопрос.

Подводя итог сказанному, мы можем заключить, что солнечное тепло, влага и подстилающая поверхность составляют как бы одно целое, и любой географический процесс на Земле зависит лишь от того, как эти три фактора взаимодействуют между собой.

Теперь этот вывод уже не кажется ни для кого неожиданным, но всего 10-15 лет назад он произвел сенсацию в географии, поставив эту чисто описательную науку на строгую физическую основу.

Тепло, влага и речной сток

Коэффициент сухости определяет не только величину испарения влаги в той или иной географической зоне, но и другую важную составляющую водного баланса — речной сток. Читатель уже знает, что в каждой точке земной поверхности существует не только свой баланс тепла, но и баланс влаги. Количество осадков, выпавшее в той или иной точке земного шара (приходная часть водного баланса), должно всегда быть уравновешено за счет испарения, стока и просачивания в почву (расходные составляющие водного баланса). Если такого равновесия в природе соблюдаться не будет, то есть приход превысит расход, вода будет непрерывно накапливаться, что приведёт к заболачиванию или затоплению земной поверхности.

Каждую составляющую баланса влаги можно измерить или вычислить. Расход влаги на испарение мы теперь можем определить по затратам тепла на испарение, а они, как мы знаем, зависят от тепловых ресурсов, которые отпущены природой для каждой географической зоны. А вот расход влаги при стоке и просачивании пока нам неизвестен. Правда, можно предположить, что он должен быть тесно связан с коэффициентом сухости. Чем больше будет коэффициент сухости А, тем меньше осадков будет стекать в реки и просачиваться в почву. В пустынях, где этот коэффициент достигает 10-15, ни о каком стоке или просачивании выпавших осадков говорить не приходится. Они целиком расходуются на испарение. Величина стока здесь равна нулю.

Иное дело в зоне избыточного увлажнения, где коэффициент сухости очень мал. Большая часть выпавших здесь осадков должна стекать в ручьи и реки и уноситься в озера и моря, а меньшая — просачиваться в почву и грунт, пополняя запасы подземных вод.

В зонах с умеренным и тёплым климатом потери осадков, просочившихся в почву в течение года, обычно невелики. Та часть осадков, которая просочится осенью и весной, как правило, возвращается обратно, когда происходит интенсивное высушивание почвы. Поэтому в целом за год водный баланс какого-либо участка суши в этих зонах можно записывать в следующем виде:

Осадки = Испарению + Сток, или О=И + С.

Если каждый из членов этого уравнения поделить на величину осадков (О), то уравнение будет иметь вид:

 

Легко заметить, что отношение испарения к осадкам определяется остаточной радиацией или коэффициентом сухости, а он, как мы знаем, закономерно возрастает с севера к югу, находясь для каждой природной зоны в определённых пределах.

Отношение же стока к осадкам (С/О) является чисто гидрологической характеристикой и определяется водным балансом. Таким образом, приведённое выше уравнение связывает тепловой и водный балансы в одно целое, утверждая единство процессов сохранения энергии и влаги в природе. Оно показывает, что метеорологические и гидрологические процессы на нашей планете управляются одним и тем же механизмом, которым является солнечная энергия.

Из приведенного выше уравнения следует, что коэффициент стока (С/О) характеризует не только долю осадков, уносимых реками в данном районе, но и количество тепла, которое потребовалось бы на испарение этих осадков. Оно равно разности между единицей и определенным числом, пропорциональным коэффициенту сухости. Таким образом, чисто гидрологическая величина, какой является сток, может быть рассчитана по тепловому балансу. Произведя такие расчеты, метеорологи получили коэффициенты стока для каждой природной зоны, не производя гидрологических наблюдений. На границе тундры и леса коэффициент стока оказался близок к 0,7; на границе леса и степи равен 0,2-03; на границе степи и полупустыни — 0,05-0,1; на границе полупустыни и пустыни меньше 0,05. Зная же коэффициент стока, уже не трудно определить и сам сток. Для этого достаточно определить остаточную радиацию, количество осадков и вычислить коэффициент А. На схеме (рис. 19) приведены годовые величин стока воды (в см) для различных географических зон в зависимости от остаточной радиации Б и условий увлажнения А.

Этот рисунок говорит о многом. Прежде всего он показывает, какая доля осадков, выпадающих в каждой природной зоне, не участвует в испарении, а стекает в ручьи и реки, а затем в моря и океаны. Иными словами, он характеризует водные ресурсы каждой природной зоны. В зоне тундры эти ресурсы огромны. Более 200 см воды в год выносят северные реки в моря и океаны. В степях сток составляет 5-10 см, а в полупустынях и пустынях ни на какие водные ресурсы за счет осадков рассчитывать уже не приходится.

Сток является важной гидрологической характеристикой. Он определяет водность рек в каждой природной зоне, к его показателям прибегают гидростроители, когда хотят рассчитать наполняемость водохранилищ и расход воды через плотину гидроэлектростанции, ими пользуются ирригаторы, прежде чем приступить к орошению сельскохозяйственных полей. Без учёта стока не обходится ни одно крупное строительство. Не зная величины стока, нельзя рассчитать водоснабжение не только городов, но даже посёлков.

Тепловой баланс и растительность

Растения — единственные представители живой природы, способные создавать сложные органические вещества из простых неорганических. В отличие от животных, которые получают эти вещества уже в готовом виде, за счёт других животных или растений, они создают их сами. Разнообразие растительного мира во многом обязано своим существованием очень тонкому, совершенно незаметному на глаз процессу, называемому фотосинтезом, когда под действием солнечной радиации из углекислого газа и воды в листе рождаются крахмал и сахар, то есть сложные органические продукты. Этот процесс совершается на свету, поэтому-то он и назван фотосинтезом.

В Институте биохимии Академии наук СССР однажды был проделан такой опыт. Растворенный в воде хлорофилл налили в пробирку и выставили на солнце. Вскоре жидкость начала зеленеть. Через десять минут она была совсем зеленая. Стоило пробирку унести в темноту, и хлорофилл в ней вновь восстанавливал свой обычный цвет. Пробирка с жидкостью в этом опыте была моделью живого листа, а происходивший в ней процесс являлся одной из сложных стадий фотосинтеза, совершающегося днём в листьях зелёных растений. За эту удивительную способность листа собирать солнечную энергию и, превратив ее в органические продукты, обеспечивать жизнь всего животного мира нашей планеты, К. А. Тимирязев назвал его «фокусом мира», «...точкой в мировом пространстве, в которую с одного конца идет энергия солнца, а с другого берут начало все производные жизни на земле...» «Растение — истинный Прометей,— писал Тимирязев,— похитивший огонь с неба. Поглощенный им луч солнца горит в едва мерцающей лучине и в ослепительной искре электричества...».

К. А. Тимирязев был первым учёным, положившим начало разгадке процесса фотосинтеза растений. Недаром на его памятнике в Москве высечена схема разложения углекислого газа зелёным листом под воздействием падающей на него солнечной радиации. Это наиболее короткий и в то же время самый важный результат работы великого русского учёного, обессмертивший его имя. Процесс фотосинтеза часто описывают такой простой формулой:

 

где Еасс — энергия ассимиляции, равная 112 ккал на 1 молекулу ассимилированной углекислоты или 4,9 электрон-вольта на одну молекулу СО2.

В процессе дыхания растение выделяет кислород, а воду испаряет. Хлорофилл идёт на восстановление.

Еще не до конца раскрыта тайна этой реакции, во время которой энергия поглощённых квантов света не расходуется, как это мы наблюдаем в других природных процессах (например, при изменении окраски каких-либо материалов), а накапливается, или, как говорят физики, этот процесс происходит с увеличением термодинамического потенциала. За последние годы в Институте биохимии Академии наук СССР и в ряде других институтов постепенно подходят к объяснению этой величайшей тайны природы. Решение этой задачи позволит учёным управлять жизнью растений, ускорять создание ими органического вещества и тем самым регулировать пищевые и жизненные ресурсы человечества. Но мы не будем углубляться в рассмотрение этой проблемы, так как она выходит за рамки нашей книги, а попытаемся рассказать лишь об одной её стороне — о роли теплового баланса в жизни растительного мира. Читатель, наверное, уже заметил, что доля солнечной радиации, которая расходуется в процессе фотосинтеза, нами не учитывалась при составлении уравнения теплового баланса. И это не случайно. Эта доля очень мала по сравнению с остальными его составляющими. Лишь там, где растительность особенно пышна, она может достигать 1-2 процентов от остаточной радиации.

Итак, на создание всей массы органического вещества на Земле, а она составляет около миллиарда тонн в год, тратится всего лишь доля процента солнечной радиации. В связи с этим многие считают, что энергетические ресурсы, создающие органическое вещество на земном шаре, практически безграничны. Сколько бы его ни требовалось, как бы ни увеличивал человек свои поля, сады и леса, солнечной радиации всегда хватит с избытком. Иными словами, урожайность не регламентируется энергетическими ресурсами, а зависит только от земных условий, которыми может управлять человек (от плодородия почвы, приёмов агротехники, качества семян и т. д.). Давайте посмотрим, так ли это на самом деле.

Мы уже говорили, что в процессе фотосинтеза происходит своеобразный газовый обмен между растением и воздухом. Растение через свои устьица в листьях отдает водяной пар и кислород, а взамен получает из воздуха углекислоту. Этот обмен, как известно, происходит только на свету. Именно в процессе фотосинтеза получают они вещества, необходимые для своего роста и развития. Образуются же они только за счёт той части солнечной энергии, которая была зааккумулирована растением в светлое время суток путем фотосинтеза. Реакцию процесса дыхания, в отличие от приведённой выше реакции фотосинтеза, можно написать в следующем виде:

 

Как видите, в процессе дыхания часть ассимилированного за день углерода расходуется обратно на создание углекислоты, которую растение выделяет в воздух, и на создание энергии ассимиляции, которая переходит в форму тепловой энергии и тратится на нагревание растений и окружающего воздуха. В процессе дыхания затраты органического вещества могут достигать 20-25 процентов от общего количества органических соединений, образующихся в процессе фотосинтеза. Заметим, что доля этих расходов возрастает с ухудшением метеорологических условий (повышением температуры, понижением влажности, уменьшением освещённости и т. д.).

Для того чтобы процессы фотосинтеза и дыхания протекали нормально и накопление органических веществ шло быстрее, чем их расход, растению необходимы не только солнечная энергия, но и плодородие почвы и, что не менее важно, плодородие воздуха. «Плодородие», пожалуй, самое подходящее слово для выражения способности «родить плоды», то есть создавать наиболее благоприятные условия для жизни растений и формирования урожая. Для почвы основными показателями плодородия являются её качество и наличие в ней достаточного количества необходимых для растений питательных веществ. Показателем воздушного плодородия служит уже «качество воздуха», то есть содержание в нём необходимого количества углекислоты, его температура, влажность, условия перемешивания и т. д. Как бы, например, ни была удобрена почва, сколько бы в ней ни скопилось питательных веществ, но если она бесструктурна и суха, то растения всё равно расти не будут. Необходимо, чтобы почва имела хорошую структуру, была увлажнена, содержала достаточное количество питательных веществ. То же самое и для воздуха. Сколько бы в нём ни было углекислоты, необходимой для питания растений, но если метеорологические условия окажутся неблагоприятными, то процесс фотосинтеза замедлится, органического вещества будет накапливаться мало и растения станут плохо расти. Нормальная жизнь растений обеспечивается только совокупностью благоприятных почвенных и атмосферных условий — действует так называемый закон минимума, оптимума и максимума. Сущность этого закона сводится к тому, что если хотя бы один из факторов, обеспечивающих рост и развитие растений, или даже один элемент питания растений, будет в недостатке или в избытке (что в равной степени неблагоприятно отражается на жизни растений), то величина урожая будет определяться именно этим фактором. Отсюда следует, что для нормальной жизни растений необходимо не только достаточное количество питательных веществ в почве и в воздухе, но нужна и безотказная работа механизма, который доставляет эти вещества растению и обеспечивает их переработку в органические продукты. Работа же этого механизма регулируется балансом тепла и влаги, энергетическими и климатическими ресурсами.

Попытаемся разобраться в этом.

Рассматривая географическую зональность, мы видели, как зависят условия каждой природной зоны от показателя увлажнения и остаточной радиации. Леса распространены от Полярного крута до экватора, но только там, где коэффициент А близок к единице; они не растут, например, в сухих степях, где индекс сухости превышает 2. А раз так, то мы уже можем заключить, что накопление органического вещества в абсолютном весе (продуктивность растений) происходит наиболее интенсивно там, где индекс сухости будет ближе всего к единице. Чтобы убедиться в этом, давайте проследим, как меняется растительность при движении, например, с востока на запад вдоль одного широтного круга, где годовая сумма остаточной радиации приблизительно одинакова, а индекс сухости меняется. Начнём двигаться, например, от 52 до 25 градусов восточной долготы вдоль 48-49 параллели северного полушария, то есть примерно от низовьев реки Урал до предгорий Карпат. В начале нашего пути мы окажемся в сухих приуральских степях, переходящих на востоке в полупустыню со свойственной ей растительностью. Здесь коэффициент сухости будет высок — более трех. По мере приближения к Волге он уменьшается до 2, и южнее Волгограда мы попадем в зону донских и сальских степей с типичной степной растительностью: ковылём, маками и множеством диких тюльпанов. Правда, в настоящее время эти степи, как и сухие степи Казахстана, распаханы и засеяны сельскохозяйственными культурами, но еще и теперь всюду можно найти небольшие участки с естественной растительностью. Особенно хороши они ранней весной, когда покрываются пестрым ковром разнотравья. Еще далее на запад, начиная примерно с 30 градуса восточной долготы, степи сменяются обширными широколиственными лесами, которые тянутся до самых Карпат. Коэффициент сухости здесь становится близок к единице. Посмотрите, например, каково его значение для различных лесных массивов, растущих на территории Украины (по данным Л. И. и Л. Н. Сакали):

Ель на Украине, как вам известно, растет уже в горных районах, то есть в зоне, где много осадков.

Если бы мы, пропустив горные районы Европы и Атлантический океан, продолжили наше движение по тому же широтному кругу, но теперь уже в западном полушарии, начиная от побережья Ньюфаундленда и вплоть до Скалистых гор, то мы бы заметили такое же четкое изменение коэффициентов А, а вместе с ним и растительных зон, но только уже в обратном порядке. На Ньюфаундленде мы обнаружили бы тундровую растительность. И это не поразило бы нас, ведь коэффициент А в этом районе близок к 0,30. По мере движения на восток тундра сменяется лесотундрой, а затем лесами и степями. Показатель увлажнения при этом соответственно увеличивается вначале до 1,00—1,20, а затем до 1,70. Итак, вывод ясен — мощь растений и их продуктивность достигает наибольших значений при близких к единице соотношениях между испарением и осадками. Отклонение коэффициентов А в ту и другую сторону от единицы ведет к: уменьшению и даже исчезновению лесов, место которых занимают другие растительные сообщества. Каждому виду растений будут соответствовать, как мы уже говорили, определенные соотношения тепла и влаги, свои коэффициенты А. Для лесов — это 0,5-1, для степной растительности — 1-2, для полупустынной — 2-3, а для пустынной— превышает 3. Совершенно очевидно, что в каждой ботанической зоне определенному виду растительности будет соответствовать свой оптимальный энергетический и тепловой баланс, своя зона комфорта, свой коэффициент А, при котором происходит наилучшее накопление органического вещества и достигается наибольшая продуктивность этого вида растений. Разумеется, условия «комфорта», необходимые для одного вида растительности, будут отличаться от условий комфорта, наиболее благоприятных для другого вида растительности. Существенно различны будут и коэффициенты А.

Посмотрите, например, каковы оптимальные коэффициенты сухости для некоторых сельскохозяйственных культур (табл. 14).

 

Из этой таблицы видно, что лён, например, прекрасно может расти и в лесной зоне, где А близко к единице, а вот озимая пшеница или подсолнечник в этой зоне вызревать уже не будут. Им не хватит тепла.

Мы еще мало знаем, чем определяются условия комфорта для каждого вида растений и каково при этом взаимодействие между физиологическими и физическими факторами. Удивительная разборчивость растений в тепле и влаге связана, конечно, прежде всего с физическими особенностями самих растений.

Однако значительную роль при этом играют и оптимальная обеспеченность растений теплом и влагой.

Мы только что проследили, как при одном и том же количестве солнечного тепла, но при разных условиях увлажнения (переменных коэффициентах А) происходит смена растительности. Она меняется от степной до тундровой.

Можно предполагать, что наибольшая продуктивность растений в каждой зоне должна приходиться на её середину, на границах зон растительность уже более угнетена и это угнетение, по-видимому, является одной из причин смены зональности. Совершенно бесспорен тот факт, что из всех растительных зон продуктивнее будет лесная зона, а не степь или тундра, потому что только в этой зоне растения получают так много тепла и влаги, что его хватает на то, чтобы накопить достаточно большую массу органического вещества. В смежных с лесной зонах (степной и тундровой) избыток тепла, но недостаток влаги, или, наоборот, избыток влаги, но недостаток тепла уже ограничивают процесс фотосинтеза и накопление больших масс органического вещества. В этих условиях фотосинтез будет протекать благоприятно только у определённых видов растений, характерных для данной зоны. Но пока все наши рассуждения касались зависимости растений от соотношения между теплом и влагой при одной и той же величине остаточной радиации. Ведь, как помнит читатель, мы рассматривали изменение растительных зон при движении вдоль одной параллели, где приход солнечной радиации примерно одинаков.

А теперь попытаемся оценить и роль самого энергетического фактора в накоплении растениями органического вещества. Для этого рассмотрим изменение продуктивности растительности, живущей в таких условиях, когда коэффициент А остается одинаковым, а остаточная радиация меняется. Это можно, например, сделать, сравнив продуктивность одного гектара леса в зоне умеренного пояса и тропиков (коэффициент А там и тут близок к 1) или гектара степной растительности где-либо в наших приволжских степях и саваннах, где коэффициенты А равны 1,5-2. Учёные подсчитали, что годовая продуктивность органического вещества в тропическом лесу составляет около 100-200 тонн на гектар, тогда как продуктивность лесов умеренной зоны в несколько раз меньше (примерно 30-50 тонн). Соотношение между продуктивностью лесов в разных климатических зонах колеблется от 2 до 5. Такое же примерно соотношение будет и между продуктивностью степной растительности в указанных выше зонах.

Исходя из всего сказанного, мы можем теперь заключить, что тепловой баланс не только играет основную роль в формировании ботанических зон на земном шаре, но, что не менее важно, управляет жизненными системами растений, регулирует их рост, развитие и накопление органического вещества, поддерживает фотосинтез, формирует урожай. Причем все эти процессы регулируются в основном количеством энергии, получаемой от солнца (остаточной радиацией), и распределением её, то есть соотношением между затратами тепла на испарение и нагревание самих растений и окружающего их воздуха. Чтобы лучше понять эту сторону взаимодействия между растениями и солнцем, нам придётся снова рассмотреть механизм связи растения с внешней средой и прежде всего с энергетическими и водными ресурсами.

Мы уже говорили, что основная часть солнечной радиации, которая остаётся растениям после отражения и излучения, расходуется ими на испарение. Испарение воды растениями протекает несколько иначе, чем, например, с увлажнённой поверхности почвы или воды.

Вода в растение попадает, как известно, через корневую систему, благодаря так называемому осмотическому давлению. Но хотя это давление и действует с достаточной силой, оно никогда не могло бы одно поставлять столь огромное количество влаги всем частям растений. Их верхушки и кончики листьев всегда испытывали бы недостаток в воде и пребывали в вялом состоянии, если бы корням не помогали листья.

Читатель знает ещё из элементарного курса ботаники, что на поверхности листьев расположены миллионы микроскопических отверстий, называемых устьицами, которые выполняют одновременно две функции: через них испаряется вода и происходит дыхание растений. Благодаря тому, что в устьицах упругость водяного пара почти всегда близка к полному насыщению, а в воздухе обычно недостает влаги, поверхность листьев является основной испаряющей поверхностью растительного покрова. С неё испаряется почти столько же воды, сколько с поверхности открытых водоемов или сильно увлажнённой почвы. Только сам процесс испарения с растений, повторяем, происходит иначе. Растения подобны насосам. Они как бы перекачивают воду от корней к листьям, точнее, перегоняют или транспортируют её из почвы в воздух. Поэтому и испарение растениями называется транспирацией.

Транспирация у растений происходит днём и ночью, за исключением тех случаев, когда воздух сам полностью насыщен влагой. В это время перепада во влажности между растением и воздухом нет, и испарения с листьев не происходит. Наоборот, вследствие более низкой температуры листьев на их поверхности может наблюдаться конденсация влаги из воздуха. Тогда листья покрываются капельками росы, которая иногда может впитываться растениями, являясь дополнительным источником влаги.

Итак, из устьиц листьев испаряется вода. Транспирация растений как раз и является той силой, которая помогает подниматься влаге от корней к листьям, обеспечивая одновременно питание всем частям растения и снабжая листья водой, столь необходимой как для прохождения реакции фотосинтеза, так и для поддержания дыхания растения. А поскольку скорость испарения определяется прежде всего энергетическими ресурсами, то и интенсивность роста и развития растения, а также накопление ими органического вещества при достаточных запасах влаги и питательных веществ в почве будут прежде всего регулироваться остаточной радиацией. Остаточная же радиация в умеренной зоне в 2—3 раза меньше, чем в тропиках, поэтому двух-трехкратное повышение продуктивности тропических лесов и степей по сравнению с лесами и степями умеренного пояса представляется вполне закономерным явлением.

Не последнюю роль в процессе фотосинтеза играет тепловой режим растений. Поверхность растений (растительный покров), поглощая солнечную радиацию и превращая ее в тепло, сама становится деятельной поверхностью, воздействуя на температурный режим непосредственно прилегающего к ней слоя воздуха. Именно эти две составляющие теплового баланса: тепло, поглощаемое растениями и почвой (П), и тепло, затрачиваемое на нагревание воздуха путем турбулентного теплообмена (В), и являются основными факторами, формирующими микроклимат растений или, как его иначе называют, фитоклимат. Наиболее важные черты фитоклимата, отличающие его от климата окружающего района, это режим температуры, влажности и перемешивания воздуха внутри растительного покрова.

Эти элементы создают условия комфорта для растений и обеспечивают плодородие воздуха. Само собой разумеется, что эти черты фитоклимата у различных растительных сообществ; имеют едой особенности. Климат леса совершенно отличён от климата хлебного поля, а климат поля, занятого пшеницей,— от климата рисовых полей или хлопковых плантаций. Рассматривать эти особенности фитоклимата мы не будем, заметим только, что у каждого из них имеются общие черты, которые как раз и связывают жизненные процессы, происходящие в растениях, с окружающей средой.

Одной из таких общих черт фитоклимата является температурный режим растений.

Мы уже упоминали об эффективных температурах растений, нижний предел которых обычно принимают равным 10 градусам, а верхний, для большинства растений, 30-35 градусам. Только в этом диапазоне температур происходит нормальное развитие растений, то есть наиболее интенсивно протекает процесс фотосинтеза, происходит накопление органического вещества и нормализация дыхания, спеют плоды и формируется урожай. Посмотрите, как, например, связана продуктивность фотосинтеза растений с температурой воздуха и фотосинтетически активной радиацией — ФАР (рис. 20). Сначала проследим, как меняется продуктивность фотосинтеза только от температуры воздуха. Возьмите, например, величину ФАР=0,3 ккал/см2мин и проведите от этой величины черту, параллельную оси абсцисс. Вы увидите, что при повышении температуры воздуха уровень продуктивности фотосинтеза сначала увеличивается, но, достигнув цифры 15—20 градусов, приостанавливается, а при более высоких температурах падает. А теперь проследите, как меняется та же продуктивность при одинаковых температурах воздуха, но при разных количествах фотосинтетической радиации. Оказывается, что хотя при температурах ниже и выше 15-20 градусов с увеличением ФАР продуктивность фотосинтеза возрастает, процесс этот происходит гораздо медленнее, чем при температурах воздуха 15-20 градусов.

Отсюда вывод: рост и развитие растений, накопление ими органического вещества связаны с солнечной радиацией и температурой воздуха сложной зависимостью. Выяснилось, например, что растение накапливает одно и то же количество органического вещества при температуре воздуха +5 градусов и радиации ФАР, равной 0,5кал/см2/мин., и при температуре воздуха 15 градусов, но радиации ФАР в 3 раза меньшей. Иными словами — для растений, как и для людей или животных, имеется своя зона теплового комфорта, в которой они лучше всего живут и развиваются. Выше и ниже этого предела продуктивность растений снижается. Правда, если температура воздуха начинает отличаться от оптимальной, растения сами несколько регулируют свой тепловой режим. Когда солнечная радиация велика, а воздух холодный, листья растений бывают значительно теплее окружающего воздуха. И наоборот, в жару температура листьев обычно ниже, чем температура воздуха.

Каким же образом происходит такая терморегуляция растений? Листья могут менять, своё положение по отношению к солнечным лучам, благодаря чему иной становится скорость испарения устьицами и происходит изменение физиологических свойств растений. Однако в жизни растений роль такой саморегуляции обычно невелика. В отличие от человека или теплокровных животных, которые поддерживают постоянство температуры своего организма не только регулированием внешних условий, но ещё и внутренней терморегуляцией путем принятия пищи, растения оказываются беззащитными при наступлении резко неблагоприятных условий погоды. Они сами не могут защититься ни от заморозков, ни от засух, ни от горячих степных суховеев, ни от пыльных бурь. Их защитный физиологический аппарат не способен выдержать сколько-либо продолжительного действия вредных для них метеорологических условий и отказывает в работе. Тогда растения ожидает гибель. Но если метеорологические условия отклоняются от нормальных не очень сильно, растения всегда могут несколько подрегулировать свой тепловой режим.

Особенностью фитоклимата, общей для всего растительного мира, является и повышенный режим влажности внутри растительного покрова. Для большинства растений оптимальными условиями влажности в периоды их наибольшего роста можно считать относительную влажность, лежащую в пределах 60-80 процентов. При такой влажности растениям не грозит засуха. Их стебли и листья находятся в наиболее благоприятном режиме, их устьичный аппарат прекрасно работает, процессы транспирации, фотосинтеза и дыхания протекают наиболее нормально. Но если в это время влаги в почве становится мало (наступает почвенная засуха), устьица листьев сужаются, и транспирация растений резко сокращается. Однако одновременно с уменьшением испарения уменьшается и поступление углекислоты из воздуха к растениям, которое происходит через те же самые устьица. Растения как бы приостанавливают процесс фотосинтеза, а с ним вместе и дыхание. При этом, конечно, прекращается и накопление органического вещества. При дальнейшем ослаблении притока влаги из почвы устьица могут сузиться настолько, что транспирация прекратится, а вместе с этим приостановится поступление углекислоты из воздуха. Растениям становится нечем дышать. Они начинают походить на животное или человека, которому закрыли нос и рот. В таких случаях растениям грозит гибель, причём не только от недостатка воды, но и в не меньшей степени и от «удушья». Если же засуха будет наблюдаться не в почве, а в воздухе (такая засуха может возникнуть в результате продолжительного действия суховеев), тогда растения, чтобы поддержать оптимальные условия своего водоснабжения и благоприятный режим влажности внутри растительного покрова, вынуждены будут увеличить отверстия устьиц. Но устрица не могут расширяться бесконечно. Достигнув определенного предела, устьичный механизм перестанет действовать: устьица так и останутся открытыми. Это вызовет усиленную транспирацию и неминуемо приведёт к быстрому истощению запасов влаги в почве. В результате подача влаги из почвы прекратится, растения потеряют тургор и завянут. Кроме того, во время почвенной засухи и суховеев, когда нарушаются нормальные условия транспирации растений, изменяется и нормальное соотношение между расходными статьями теплового баланса растений. Большая часть остаточной радиации вместо того, чтобы тратиться на испарение, будет поглощаться растениями и пойдет на нагревание их самих и окружающего воздуха. Этот процесс неминуемо вызовет перегрев растений, резкое повышение их температуры, что приведет к быстрой потере ассимилированного углерода и засыханию растений.

Последней из особенностей фитоклимата, характерной для всей растительности, является турбулентное перемешивание воздуха внутри растительного покрова. На первый взгляд значение этого фактора не кажется очень существенным. На самом же деле его роль в обеспечении углекислотой нижних ярусов листьев растений является решающей. Дело в том, что углекислота в атмосфере распределена неравномерно. Больше всего её находится у поверхности почвы, где она образуется в результате разложения и гниения органических веществ. Являясь весьма тяжёлым газом, углекислота не может быстро распространяться вверх, если не будет перемешивания воздуха. А раз это так, то у поверхности листьев, и особенно у верхушек растений, где больше всего тепла и света, будет наблюдаться нехватка этого важнейшего для растений питательного вещества, и реакция фотосинтеза окажется замедленной. Чем ближе к земле, тем больше углекислоты, но зато из-за недостатка света ее ассимиляция ослабеет. Получается некий замкнутый круг: там, где много света, недостает углекислоты, а где много углекислоты, мало света. Чтобы каким-то образом устранить это несоответствие, растения вынуждены тянуться вверх, к солнцу. Нижние ветви и листья у них сохнут и отмирают. Тем самым растения как бы сами регулируют густоту своих посевов, создавая условия для усиления движения воздуха внутри растительного покрова и формируя тем самым оптимальный режим для газообмена между нижними и верхними слоями воздуха.

Ну, а как же быть в случае, когда создаются искусственные плантации посевов и посадок? Ответ напрашивается сам собой. Они не должны быть густыми. Излишнее их загущение, так же как и большая разрежённость, одинаково неблагоприятно сказываются на получении максимальной продуктивности. Конечно, фитоклимат любой растительности, как и всякий другой природный процесс, формируется под воздействием количества приходящей солнечной радиации и затратами или распределением этого тепла разными растениями. Обычно чем теплолюбивее растение, тем больше солнечной радиации оно расходует на свое нагревание и меньше на испарение. Если лён, например, 3/4 остаточной радиации тратит на испарение и только 1/4 её на нагревание, то сахарная свекла на нагревание расходует уже 1/3 остаточной радиации, подсолнечник — более половины. На первый взгляд даже не верится, что подсолнечник, каждое растение которого за лето испаряет бочонок воды, затрачивает на нагревание в 2 раза больше тепла, чем лен или даже пшеница.

 

Систематические наблюдения за тепловым балансом различной растительности, и особенно сельскохозяйственных культур, показали, что в каждый период их жизни, в каждую фазу развития, соотношение в потребностях тепла и влаги оказывается совершенно разным. Посмотрите на рис. 21, где показано изменение теплового баланса в течение вегетационного периода на поле, засеянном пшеницей. В начальный период развития пшеницы, примерно от фазы кущения до колошения, растения 2/3 остаточной радиации тратят на испарение. И это понятно. В это время им надо быстро расти, накапливать органическое вещество, образовывать мощную листовую поверхность, чтобы обеспечивать фотосинтез. Но вот пшеница выросла, заколосилась, потом зацвела. Наступила фаза восковой спелости. Вода теперь стала уже не нужна растению в больших количествах. Теперь для созревания плодов нужно больше тепла, чем влаги. И картина резко меняется. 2/3 остаточной радиации тратится на нагревание пшеницы и только 1/3 идет на испарение. Если в это время измерить температуру листьев растений, то окажется, что она на 3-4 градуса выше температуры воздуха, тогда как в первую половину вегетационного периода она была примерно на 1 градус ниже ее.

Подводя итог сказанному, мы можем уже теперь совершенно определенно утверждать, что климат любой растительности (фитоклимат) не есть только результат непосредственного взаимодействия солнечной радиации с деятельной поверхностью, но что он сам является важнейшим механизмом, благодаря которому создается и поддерживается оптимальный режим, связывающий растения и среду, именно он часто определяет условия роста и развития растений и всю их жизнь.

Тепловое равновесие в природе, животный мир и человек

Каждому, кто живёт в средней полосе России, приходилось, видимо, не раз наблюдать, как весной, после нескольких тёплых дней, вдруг появляется откуда-то масса комаров и мошек, а немного позднее ещё и слепни, оводы, мухи и множество других насекомых. Они быстро размножаются, давая за лето несколько поколений, а затем, с наступлением периода с более низкими температурами воздуха, так же быстро исчезают. Экологи, занимающиеся изучением условий жизни насекомых, достаточно хорошо изучили все стадии их развития как в естественных условиях, так и в камерах с искусственным климатом. Оказалось, что в условиях жизни этих животных и растений есть очень много общего: прежде всего их объединяет отношение к солнечному теплу. Жизнь холоднокровных животных, куда мы относим всех насекомых, червей, многих пресмыкающихся и т. д. полностью регулируется тепловым балансом. Они бодрствуют только тогда, когда тепловой баланс их тела положительный, то есть когда суммы температур воздуха или её средние значения бывают достаточно высокие (во всяком случае, выше нуля). В периоды с отрицательным тепловым балансом и низкими температурами все эти животные впадают в анабиоз или погибают совсем.

Зная тепловой баланс поверхности кожи человека или животного, можно найти температуру этой поверхности. Для холоднокровных животных, температура которых близка к температуре воздуха или той поверхности, на которой они находятся, такие расчеты выполнить совсем просто. А вот для теплокровных животных, у которых потеря тепла с поверхности кожи компенсируется внутренним теплом благодаря циркуляции крови, такие расчёты произвести труднее. Чтобы изучить тепловой баланс у большинства видов животных, учёные вынуждены или искусственно имитировать «тело» животного на специальных манекенах, или рассчитывать составляющие теплового «баланса животных на основании определенных физических соображений. Кстати, человек с незапамятных времён научился измерять температуру поверхности своего тела и регулировать свой тепловой баланс. В холода он надевал теплую одежду, лучше питался или укрывался в тёплом помещении. А когда было жарке, он надевал лёгкую одежду или раздевался совсем, мало ел, больше пил. Примерно то же происходит и с животными. К зиме они обрастают густой шерстью, весной линяют, а те из них, кому не свойственна такая смена шерстного покрова, овцы, например, регулируют тепловой баланс своего тела с помощью дыхания.

Как же выглядит тепловой баланс поверхности тела человека и вообще любого теплокровного животного? В приходную его часть помимо остаточной радиации (Б) будет входить еще одна составляющая (Т) — теплопродукция, вырабатываемая самим человеком или животным и определяющаяся калорийностью потребляемой им пищи. А вот расходные статьи останутся те же, что и в известном нам уравнении теплового баланса для обычных поверхностей. Это — расход тепла на испарение с поверхности тела (аИ) и на теплообмен с воздухом (В). Затратами тепла на нагревание самого животного (П) в случаях, когда мы рассматриваем тепловой баланс за длительный период, можно пренебречь, так как при постоянстве температуры животного это тепло расходуется за счёт других статей баланса. Если бы такого расхода не было, то организм животного быстро бы перегрелся, что привело бы к тепловому удару.

Итак, в условиях стационарного режима, когда температура тела человека или животного мало меняется во времени, уравнение теплового баланса будет иметь вид:

Б+Т=аИ+В

Для человека одетого или животного, обросшего шерстью, когда поверхность кожи защищена от солнца, её тепловой баланс будет иметь более простой вид:

Т=аИ+в

В этом случае поступление тепла к поверхности тела происходит только за счёт внутренней теплопродукции, распределяемой по телу вместе с циркуляцией крови. Зато для поверхности одежды или шерстного покрова можно составить свое уравнение баланса. Само собой разумеется, что так же как и в известном нам ранее уравнении теплового баланса для обычных поверхностей, расходные статьи аИ и В в определенных случаях могут изменить свой знак и становиться приходными. Возьмем, например, случай, когда температура воздуха, окружающего человека, будет выше, чем температура поверхности кожи. Тогда составляющая баланса В превратится из расходной в приходную и перейдет из правой части уравнения в левую. В таких случаях расходной статьей в тепловом балансе человека останется только затрата тепла на испарение. При жаркой погоде у человека происходит обильное выделение пота, который быстро испаряется с поверхности тела. Так как на испарение будет затрачиваться тепло, приносимое из воздуха, то температура его вблизи поверхности кожи понизится, и приход тепла из воздуха уменьшится. В таких случаях человеку лучше всего снять с себя лишнюю одежду или даже раздеться совсем. Если жара будет велика, а влажность воздуха окажется высокой, что часто наблюдается, например, в условиях влажных субтропиков, то приход тепла к поверхности тела превысит его расход. Наступит разбалансирование. Наше тело начнёт перегреваться и, если не принять необходимые меры, то может последовать тепловой удар. Условия, когда происходит конденсация водяного пара на поверхности нашего тела и расходная статья (аИ) становится приходной, в природе наступают редко. А если и бывают, то лишь на отдельные участках тела, когда они достаточно охладились и их температура оказалась ниже температуры воздуха. Такую картину мы можем иногда наблюдать во влажную ночь, при тумане, а иногда зимой при сильном морозе, когда на сильно охладившемся лице — на бровях, усах, бороде и ресницах осаждается обильная пушистая изморозь. Но на самой коже лица этого обычно не происходит, так как её температура остается выше нуля, если только не было обморожения.

Несколько иначе складывается тепловой баланс у покрытых шерстью животных, если у них нет потовых желез или пота выделяется мало. Даже при высоких температурах затраты тепла на испарение в таких случаях будут незначительны или равны нулю. Основной расходной статьёй баланса останется затрата тепла на нагревание воздуха за счёт внешнего теплообмена и учащенного дыхания. Длинношёрстные австралийские овцы мериносы, не имеющие потовых желез, в условиях знойного климата Австралии или Южной Африки чувствуют себя ничуть не хуже, чем их короткошерстные собратья, которые имеют потовые железы. Длинношерстное руно предохраняет их от солнечной радиации, значительно повышая, а не понижая, устойчивость их организма к жаре. Температура на поверхности шерсти при этом может достигать 85 и более градусов, а разность температур между нею и кожей — более 40 градусов. В таком климате у стриженых овец дыхание обычно бывает вдвое чаще, чем у нестриженых. Но вернёмся снова к тепловому балансу поверхности человеческого тела. Приходные его статьи (Б+Т) мы можем оценить по остаточной радиации, которая нам известна, и на основании данных о калорийности потребляемой человеком пищи. Что же касается затрат тепла на испарение и теплообмен с воздухом, то для их оценки нам придётся вновь обратиться  к методам расчёта и вспомнить о том, как связана каждая из составляющих теплового баланса с условиями внешней среды. В первой главе мы уже говорили, что количество тепла, получаемое или отдаваемое той или иной активной поверхностью, зависит прежде всего от разности (градиента) температуры между этой поверхностью и прилегающим к ней воздухом, а также от степени турбулентности (коэффициента турбулентности), которая определяет скорость переноса этого тепла от поверхности к воздуху. Затраты же тепла на испарение с любой поверхности зависят от разности (градиента) во влажности между испаряющей поверхностью и воздухом и турбулентности воздуха, которая определяет скорость переноса влаги. Таким образом, зная или измеряя температуру и влажность воздуха, в котором находится человек, и температуру и влажность на поверхности его тела, а также скорость ветра, которая определяет величину турбулентности, мы можем рассчитать обе расходные статьи теплового баланса человека где-нибудь на пляже, когда большая часть тела его открыта, или в повседневной жизни, когда он в одежде. Такие же расчёты можно произвести и для поверхности тела животного. Но мы в состоянии также решить и обратную задачу, а именно: зная, например, приходные статьи теплового баланса поверхности тела и метеорологические условия, в которых находится человек или животное, определить температуру поверхности их тела, а по ней оценить тепловое состояние. А это как раз и является нашей основной задачей. Определив или рассчитав тепловое состояние человека или животного в определённых условиях, мы можем изменить их таким образом, чтобы обеспечить для людей или животных наилучшие жизненные условия.

Чтобы разобраться в том, какова связь теплового баланса поверхности тела человека или животного с его самочувствием, и оценить роль баланса в жизни теплокровных животных, мы должны совершить небольшой экскурс в науку, далекую от метеорологии.

Физиологи и медики давным-давно заметили, что тепловое ощущение человека зависит от того, сколько тепла поступает на поверхность его тела. Если этого тепла мало — человеку становится холодно. Температура поверхности кожи понижается, он чувствует озноб, появляется дрожь, сужаются кровеносные и кардиальные сосуды, ухудшается общее самочувствие. При перегревании же поверхности кожи температура тела повышается, увеличивается сердцебиение, учащаются пульс и дыхание, начинает обильно выделяться пот, и самочувствие человека тоже становится хуже. Имеется только сравнительно небольшой диапазон метеорологических условий, когда человек чувствует себя приятно. Этот диапазон называют «зоной комфорта».

Таким образом, температура поверхности тела является основным показателем теплового состояния у человека или животного. А температура любой поверхности, как мы уже знаем, целиком определяется ее тепловым балансом. От того, сколько тепла будет получать или отдавать эта поверхность и какую долю его она поглотит и затратит на нагревание, зависит и температура этой поверхности. Наблюдая за человеком, врачи обнаружили, что при нормальных комнатных условиях температура поверхности человеческого тела меняется в сравнительно небольших пределах — от 33 до 36 градусов. При неблагоприятной же обстановке она может понизиться до 20 и ниже градусов.

Вспоминаются опыты, проводимые на себе доктором Н. Р. Палеевым, зимовавшим с нами в Антарктиде. Он занимался изучением теплопотерь человека в суровых полярных условиях. Прикрепив к различным частям своего тела электрические термометры, показания которых мы могли отсчитывать, находясь на любом расстоянии от него, Палеев одевался, выходил из помещения и оставался на открытом воздухе до тех пор, пока не начинал замерзать. Такие опыты он проделывал при различных условиях погоды, в том числе при ураганных ветрах и температурах воздуха до минус 40 градусов. В зависимости от суровости погоды мы втаскивали его в помещение через разные промежутки времени и иногда еле живого. Температура поверхности его тела под, казалось бы, не продуваемой шубой или штормовым пуховым ватником понижалась до 7 градусов. Провода от прикрепленных к его телу термометров были пропущены внутрь помещения через вентиляционную трубу. Иногда, когда я сидел в тёплой комнате у гальванометра, с помощью которого отсчитывались показания этих термометров, мне казалось, что он уже потерял сознание и замерз. Только легкое постукивание о трубу, за которую он был привязан, чтобы не быть унесенным ураганным ветром, свидетельствовало о том, что мой отчаянный друг жив.

Наиболее высокая температура у человека наблюдается на коже лба, а наиболее низкая — на поверхности ступни.

На ногах температура кожи понижается сверху вниз, а на руках, наоборот, растет сверху вниз и ниже всего оказывается на плечах. Благодаря наличию такого градиента температуры на поверхности тела в человеке происходит циркуляция тепла, которая обеспечивает терморегуляцию всего организма. Когда из-за неблагоприятных метеорологических условий какой-либо участок поверхности тела сильно нагревается или охлаждается и организм не в состоянии компенсировать это нарушение, условия комфорта, а следовательно, и состояние человека заметно ухудшаются.

Люди с незапамятных времен знают, что тепло и калорийная пища оказывают большое влияние на температуру тела, но всего лишь около 20 лет тому назад учёные установили связь между теплоощущением организма и тепловым балансом поверхности человеческого тела (Бюттнер, 1952 г. и др.). Выразив тепловой баланс поверхности тела через температуру, учёные получили зависимость, связывающую тепловое ощущение человека со средней температурой поверхности его кожи (табл. 15). Но это были лишь первые шаги в совместном использовании метеорологических и физиологических данных для оценки теплового состояния человека.

Решение уравнения теплового баланса с использованием всего разнообразия радиационных и климатических условий, наблюдающихся в нашей стране, позволили ученым определить характеристики теплового состояния человека в одежде и без неё в разные месяцы года и на разной широте. Эти расчёты были выполнены в Главной геофизической обсерватории Г. В. Циценко. На основании теоретических исследований М. И. Будыко построена целая серия карт, характеризующих среднюю температуру поверхности человеческого тела в полдень, для каждого времени года в разных климатических района страны. Оказалось, что в летние месяцы (июнь — июль) средняя температура поверхности тела обнажённого человека, принимающего, например, воздушные ванны в полуденные часы на широте Полярного круга, составит около 29 градусов, а на побережье Чёрного моря, как, впрочем, и в районе Куйбышева, она будет равна 34-35 градусам. В первом случае он будет ощущать прохладу, а во втором — ему будет изрядно жарко.

Выполненные учёными расчёты позволили получить точные количественные данные, связывающие каждую из составляющих теплового баланса человека с его ощущениями.

Теплопродукция человека (Т), например, оказалась теснейшим образом связана с тепловым ощущением и температурой поверхности тела человека. По данным американских учёных Уинсла, Херингтона и др. (1937 г.), у человека, находящегося в состоянии покоя и теплового комфорта, теплопродукция почти постоянна. Она составляет 40-50 ккал/см2/час, то есть в среднем равна 0,08 кал/см2/мин. Это означает что в летнее время где-нибудь на европейской территории СССР на долю внутренней теплопродукции падает всего лишь 20-30 процентов от всей приходной части теплового баланса человека. Остальные 70-80 процентов он получает уже за счёт остаточной радиации (Б).

Совершенно иначе складывается соотношение между приходными статьями баланса, когда человек занят работой. По данным физиологов Витте и Бортона,

 

Таким образом, у работающего на открытом воздухе человека основная доли тепла создается уже благодаря внутренней теплопродукции, а не солнечной радиации. Теперь нам ясно, почему в жарких условиях, да ещё при большом напряжении солнечной радиации, человек, который долго занимался тяжелым физическим трудом, должен опасаться перегрева и теплового удара. А вот когда воздух холодный, то любая физическая работа не грозит перегревом. Хватило бы только сил, чтобы выполнять её.

Ну, а каково же соотношение между расходными статьями теплового баланса тела человека? Проведённые учёными исследования позволяют теперь ответить и на этот вопрос. По данным М. И. Будыко и Г. В. Циценко, соотношение между расходом тепла на испарение и нагревание воздуха прежде всего зависит от внешних условий, в которых находится человек и, конечно, от того, как он будет одет. Когда человек обнажен или легко одет, при высоких температурах и сухом воздухе основная часть поступающего тепла тратится им на испарение, а при низких температурах — на теплообмен с воздухом. Для жителей юго-восточной части европейской территории СССР затраты тепла на испарение, например, достигают 75-80 процентов от общего расхода тепла, а на северо-востоке на испарение расходуется всего лишь 20-25 процентов. Остальное тепло идет на теплообмен с воздухом. Для других районов СССР и земного шара это соотношение будет иным.

Учитывая, что каждая из составляющих теплового баланса (за исключением Т) связана с определёнными метеорологическими условиями (температурой и влажностью воздуха, ветром и т. д.), учёные, занятые исследованием жизнедеятельности человека (физиологи, медики, биометеорологи и др.), обычно выражают условия теплоощущения человека не через составляющие теплового баланса поверхности его тела, которые трудно определять, а через входящие в его расчёт метеорологические характеристики. И это понятно. Ведь поскольку между затратами тепла на теплообмен с воздухом и испарение существует определённое соотношение, а сумма их всегда равна приходной части теплового баланса, то такое же соотношение должно сохраняться и между температурой и влажностью воздуха, который окружает наше тело. Чем больше затраты тепла на испарение с поверхности тела, тем меньше будет его тратиться на теплообмен с воздухом, тем ниже окажется температура кожи и тем большую прохладу будет ощущать человек. Ощущение это ещё более возрастёт, если при тех же самых условиях усилится и ветер, так как турбулентные вихри будут быстрее относить от поверхности кожи нагретый воздух и приносить на его место порции более холодного воздуха.

Учитывая столь тесную связь между тремя этими составляющими, биометеорологи и медики еще в начале 50-х годов для выражения степени теплового ощущения человека придумали особую шкалу температур, названную ими эффективными температурами (ЭТ). В отличие от эффективных температур, которые используются агрометеорологами и ботаниками, эффективная температура в медицине представляет собой определенную комбинацию температуры воздуха, влажности воздуха и ветра. Наиболее благоприятное тепловое ощущение по этой шкале вызывают у человека температуры воздуха, находящегося в пределах примерно 19-22°, относительная влажность — от 30 до 70 процентов и безветрие или очень слабый (меньше 0,3 м/сек) ветер. Однако эта зона комфорта относится скорее к комнатным, чем к естественным условиям. На самом деле для жителей различных климатических областей зоны комфорта будут существенно разными. Люди ведь привыкают к своему климату и поэтому по-разному испытывают на себе его влияние. По данным английских учёных, зона комфорта для Британских островов находится в пределах от 14,4 до 20,6° С. Американцы считают, что для США она равна 20,2-26,7°, а для тропиков составляет уже 23,3-29,4° С. Пределы же относительной влажности воздуха всюду принимаются одинаковыми — 30-70 процентов и ветер тоже — меньше 0,3 м/сек.

На рис. 22 приведен график теплового ощущения человека при различных сочетаниях метеорологических элементов для умеренного пояса США, что соответствует примерно южным районам европейской территории СССР. Как видно из рисунка, зона комфорта здесь представляет собой сочетание температур воздуха от 21 до 27 градусов (примерно), относительной влажности воздуха от 10 до 60 процентов и полного безветрия. Линии ветра, показанные на графике, расширяют зону комфорта до 32 градусов и до 80-85 процентов относительной влажности. Линия 1, находящаяся в правом верхнем углу графика, отделяет зону возможного теплового удара для человека, а линия 2 — предел средней физической нагрузки. Выше этой линии физическая нагрузка приводит к резкому ухудшению самочувствия человека. Ниже этой линии ветер и влажность воздуха перестают влиять на тепловое ощущение человека.

 

Пунктирными линиями, нарисованными слева от линии 3, показаны пределы искусственного расширения зоны комфорта в сухих и жарких помещениях с помощью специального увлажнения воздуха. Цифры около каждой из этих линий показывают, какое количество воды (в граммах) надо испарить на каждый килограмм воздуха. Почти горизонтальные линии, расположенные в нижней половине графика, показывают потерю тепла человеком путём излучения при различном понижении температуры воздуха. Влажность воздуха при этом, как видно из рисунка, почти не играет роли.

Особо следует остановиться на тепловом состоянии людей (акклиматизировавшихся и неакклиматизировавшихся) при различных соотношениях температуры и влажности воздуха, то есть в зависимости от соотношения между затратами тепла на испарение и теплообменом с воздухом. Американским медикам, много изучавшим тепловое состояние людей, занятых различным трудом в жарком климате, удалось построить специальные графики предельных тепловых нагрузок для людей, работающих в этих условиях (рис. 23). Линии НА— 1 (по Бранту, 1943 г.) и НА — 2 (по Шиккеле, 1947 г.) представляют собой границы, разделяющие «тепловые условия» от «очень жарких» для неакклиматизировавшихся людей. Шиккеле даже назвал её «линией гибели от теплового удара». Линии А — 2 (по Бранту) разделяют «очень теплые условия» (когда имеется риск теплового удара) от «невыносимо жарких» (когда этот удар весьма вероятен). Зоны между НА и А означают условия, при которых наиболее часто наблюдались тепловые удары у населения.

Всё, о чём мы только что говорили, касалось людей, одетых в легкую одежду, когда тело человека получает от 30 до 40 процентов тепла от солнечной радиации.

Для человека, находящегося без одежды, поступление тепла от радиации в 2-3 раза больше, чем от собственной теплопродукции. Зато, когда человек одет тепло, например, осенью или зимой, поступление к поверхности тела тепла, получаемого от радиации, снижается до 5-10 процентов или даже прекращается совсем.

Для оценки теплозащитных свойств различного рода одежды физиологи и медики придумали даже специальную единицу. Называется она КЛО (климатическая одежда).

За КЛО=1 принято теплоизоляционное свойство одежды, равное 0,18 град/ккал м2 час, что соответствует свойствам обычной комнатной или летней одежды, в которой человек отдыхает или занимается умственным трудом.

На рис. 24 приведена карта средней температуры поверхности тела человека, находящегося в такой одежде (КЛО=1) в различных климатических зонах СССР (для летних месяцев). Как видно из этого рисунка, зона комфорта в это время (32-33,5°) занимает территории приблизительно от 55 до 65° северной широты. К югу от нее человек испытывает жару, а к северу — прохладу и даже холод. Прохладно в это время в легкой одежде и на Дальнем Востоке.

Метод теплового баланса позволил Г. В. Циценко провести районирование территории нашей страны по типам одежды для различных сезонов года. При этом выяснилось, что для тёплого периода числа КЛО меняются от ОД (для южных степей) до 2 и более (для тундры). В зоне же пустынь и районов Средней Азии любая, даже самая лёгкая одежда, оказалась дискомфортной. Она нужна лишь для предохранения тела от ожога. Зимой числа КЛО на территории нашей страны колеблются в пределах от 2-2,5 (демисезонное пальто) для районов с мягкой зимой, до 6-7 и более для районов сурового климата Сибири.

Вполне понятно, что такое же районирование территории можно выполнить и для любой части земного шара.

Таким образом, такую чисто индивидуальную на первый взгляд физическую характеристику, как тепловой баланс человека, учёные поставили на службу обществу. Он лёг в основу нормирования тепловых качеств одежды и обуви, определения потребности в питании и даже расчётов норм и правил строительства, которое развернуто в нашей стране от крайнего юга до далекого Заполярья. Совершенно очевидно, что так же, как и для человека, зоны комфорта существуют и для животных. Причём для разных животных они разные. Более того, они не одинаковы даже для одного и того же вида животных, а зависят от породы, возраста, места их обитания и т. д.

Как у людей, живущих в разных широтах и имеющих различный вид кожи, пределы зон комфорта сдвинуты в ту или другую сторону от некоторой «средней зоны» на несколько градусов, так и у одних и тех же животных, населяющих разные широты, зоны комфорта тоже имеют свои особенности.

Наши выводы справедливы не только для теплокровных, но и для холоднокровных животных.

Исследования насекомых, проводимые в камерах искусственного климата, показал, что для них существуют свои условия комфорта. Дынные и плодовые мухи, например, живут только там, где средняя суточная температура воздуха ниже 14 градусов бывает не более двух месяцев в году, то есть в условиях теплового климата. А вот всем известные нам мухи жигалки прекрасно размножаются даже в полярных широтах.

Итак, для каждого вида животных существует своя зона оптимального метеорологического комфорта, при которой они развиваются лучше всего. Чем дальше мы удаляемся от нормы, чем более неблагоприятными становятся метеорологические условия, тем большие трудности испытывает организм животного.

На этом, пожалуй, можно и закончить рассказ о тепловом балансе нашей планеты и его роли в формировании и развитии природных процессов.

Нам осталось теперь лишь одно — попытаться показать читателю, в какой мере можно воздействовать на ту или иную составляющую теплового баланса искусственным путем, чтобы активно вмешаться в «дела» природы, изменяя или регулируя ее процессы в нужном для человека направлении. Об этом и пойдёт речь в последней главе.

Проблема века

Наш век — век прогнозов. И не только прогнозов погоды, но и результатов человеческой деятельности. Прогнозируют всё: развитие науки и различных видов промышленности и сельского хозяйства, прирост народонаселения, покорение космоса, решение проблемы бессмертия. Прогнозы составляются на 10, 20, 50, 100, и более лет. Над ними размышляют в одиночку и большими коллективами. За последние годы возникла и развилась даже целая отрасль науки, названная футурологией (наука о будущем). В США ею заняты уже тысячи учёных футурологов, которые прогнозируют будущее по самому широкому кругу проблем, У нас разработкой научных прогнозов по крупнейшим проблемам нашей жизни на ближайшие 15-20 лет занимаются в настоящее время Академия наук СССР и многие отраслевые научно-исследовательские институты. Разумеется, речь идёт лишь о научном предвидении. Что же касается «самодеятельных» прогнозов, то ими занимается, пожалуй, каждый из нас. Ведь люди живут не только сегодняшним днём, а с перспективой на будущее. Значит, они обязаны рассчитывать, предполагать, прогнозировать. Прогноз отличается от плана прежде всего тем, что содержит больший элемент относительности. Он может оправдаться на 60, 70 или даже 100 процентов, а может не оправдаться совсем. Это зависит от научной обоснованности метода, который используется при его составлении.

Перед нами три прогноза будущего человеческого общества: автор первого — известный английский учёный и писатель-фантаст Кларк пытается заглянуть в будущее до 2100 года; более поздний прогноз составлен популярной американской фирмой «Рэнд корпорейшен» до 2000 года, и, наконец, недавно вышла в Москве книга агентства печати «Новости» (АПН), в которой излагаются прогнозы журналистов и учёных на будущее нашей страны через 50 лет («В 2017 году»).

Нас с вами сейчас интересуют проблемы контроля человека над атмосферой, которым отведено значительное место в каждом из этих трех прогнозов. Все сходятся примерно на одном. Задача управления погодой должна быть решена приблизительно через 50 лет, а климатом — через 100. Всех волнует также вопрос загрязнения атмосферы, особенно над городами. Американские метеорологи подсчитали, например, что если «темпы» бесконтрольного загрязнения атмосферы сохранятся такими, как теперь, то в 2025 году всё население их городов погибнет от удушья. А как это отразится на климате Земли? Ведь Америка не ограждена от мира непроницаемым забором в несколько километров высоты. Да и загрязнение атмосферы — явление, свойственное не одной этой стране. Одним словом, будущее атмосферы — важнейшая проблема века.

Использование метода теплового баланса при прогнозировании того или иного природного процесса, в том числе и изменение климата на Земле, имеет важное преимущество. Этот метод основан на законе сохранения энергии, которому всё подчинено в природе. Научное прогнозирование развития или изменения природных процессов под воздействием человеческой деятельности по существу сводится к расчёту, то есть к составлению и решению уравнения теплового баланса при определённо выбранных краевых условиях. Тут учитывается и растопление льдов Арктики, и изменение природы в ряде районов земного шара, и воздействие на циркуляцию атмосферы и океана, и даже регулирование прихода солнечной радиации, и ещё многое другое, что в наш век уже не фантазия, не мечта, а осуществимая реальность.

Следует отметить, что прогноз, основанный на тепловом балансе, в ряде случаев уже сейчас настолько достоверен, что многие работы можно планировать, наверняка зная, что результат будет положительным.

Собственно говоря, метод теплового баланса уже давно проверен жизнью. Человек пытался пользоваться им с незапамятных времён, когда еще не существовало никаких наук, только жизненный опыт поколений. В самом деле, воздействие человека на климат началось, наверное, тогда, когда он стал переходить к оседлому образу жизни. Люди вырубали леса, корчевали пни, разводили огороды, распахивали поля. Конечно, они чувствовали себя в полной зависимости от природы, которую отождествляли с «высшей силой», с божеством: пошлёт бог дождь, будет урожай, но если пошлёт засуху — урожая не будет; бог мог наказать поздними заморозками и ранними суховеями, мог погубить растения и, наоборот, вырастить тучные нивы. Но шло время, и человек обогащался опытом. Посеяв год или два подряд на отвоёванной у леса поляне яровые, пахарь убеждался, что его урожай страдает от слишком поздних (весной) или слишком ранних (осенью) заморозков, которых не было на других полях или даже на других участках того же поля. Он не мог понять, почему это происходит, но опыт уже подсказывал ему, что более теплолюбивые культуры надо сеять или сажать на более тёплых участках, а морозостойкие можно сеять и на более холодных. Из практики он узнал также, что наиболее тёплыми участками полей являются южные склоны, а морозоопасными — низины, котловины или лесные поляны. Он еще не знал, что увеличение крутизны южного склона на каждый градус как бы приближает его поле к югу на 100 км, но он видел, что снег на этих склонах сходит раньше и почва там прогревается быстрее, чем на других участках. Поэтому и сев на этих полях начинал раньше. Человек еще не имел понятия ни о тепловом или водном балансе, ни о климате поля, которое он обрабатывал, но он уже понимал, что надо ему предпринять для того, чтобы улучшить природные условия своей земли. И он улучшал эти условия.

В засушливых районах с ранней весны он задерживал снег на полях или проводил оросительные каналы. В районах же избыточного увлажнения, наоборот, копал дренажные канавы и отводил по ним излишнюю воду. В холодные ночи, боясь заморозка, укрывал ценные культуры или зажигал дымовые кучи, не задумываясь над вопросом, почему они защищают растения от заморозка, но зная из опыта, что они помогают ему сохранить будущий урожай.

А ведь это примеры уже не пассивного приспособления человека к окружающим его природным условиям, а активного влияния на тепловой и водный баланс данного места — участка поля, сада и т. д., то есть на микроклимат.

Чем больше росли населённые пункты и шире становились вокруг них поля, луга и другие сельскохозяйственные угодья, тем активнее было вмешательство человека в преобразование климата. В самом деле, когда он орошал свой участок, а соседний оставался неорошённым, то изменение климата происходило на площади всего каких-нибудь десятков или сотен кв. метров. А когда люди создали в безводной степи целые оазисы, то они изменили климат уже целого района.

Такое воздействие людей на природу и климат, вызванное самим фактом их существования, их жизненной деятельностью, продолжается и до сих пор, причем процесс этот, по мере роста народонаселения, индустриализации и энергетической оснащенности общества, будет увеличиваться лавинообразно, но, к сожалению, не всегда в нужном для человека направлении. И если человечество с помощью имеющихся в его распоряжении средств не вмешается в этот процесс и не направит его в нужное русло, он может принести обществу непоправимые бедствия.

По данным социологов, за последние годы рост народонаселения в мире удваивается примерно через каждые 20 лет. Одновременно с этим и в такой же примерно степени увеличивается и выработка энергии.

Шкловский в своей книге «Вселенная, человечество, разум» приводит график прироста народонаселения и выработки энергий за последнее столетие и экстраполирует этот рост на век вперёд (рис. 25).

Мы не будем заниматься анализом этого графика, а попытаемся лишь представить себе, как могут отразиться такие темпы роста энергии и народонаселения на тепловом балансе и климате нашей планеты.

Нам уже известно, что остаточная радиация на континентах в среднем составляет около 50 ккал/см2/год. Тепловая энергия, вырабатываемая человечеством в настоящее время, принимается равной примерно 0,02 ккал/см2 год, что составляет всего 0,04 процента от остаточной радиации Солнца.

В отлитие от солнечной радиации тепло, вырабатываемое человеком, распределяется по земному шару очень неравномерно: оно сосредоточено преимущественно в городах, больших промышленных центрах, которые пока занимают лишь 0,1 процента всей площади Земли. Но зато добавочная энергия, вырабатываемая человеком на этой площади, составляет уже не сотые доли, а несколько процентов по сравнению с солнечной энергией. Можно с уверенностью сказать, что уже теперь в крупных населенных пунктах существует избыток тепла, и жители больших городов постоянно это ощущают. В самом деле, в городе каждый дом для окружающего микрорайона играет ту же роль, что печь для комнаты. Нагретый изнутри, он через стены отдает своё тепло улице. Глядя через окно на тихо падающий снег, вы, видимо, замечали, как снежинки вблизи зданий поднимаются вверх, а не летят вниз. Это их уносят теплые конвективные токи, возникающие у стен зданий.

А сам город? Это уже громадная печь, обогревающая целый район. Недаром снег в городе сходит весной на 2-4 недели раньше, чем в пригородах.

Представим себе на минуту, что какой-либо из городов оказался бы изолирован от окружающей среды. Он даже без солнца мог бы обогревать сам себя. Сделаем простой подсчет. Один процент от остаточной радиации Солнца летом для средних широт составляет примерно 0,01 кал/см2/мин. Примерно такое же количество тепла выделяется большим городом. Если бы это тепло удалось задержать в нижнем 20-метровом слое воздуха, то, принимая теплоёмкость воздуха равной 0,0003 кал/см3, легко подсчитать, что днем за каждый час этот слой воздуха нагревался бы на 1 градус. Только наличие вертикального и горизонтального обмена в атмосфере спасает всех нас от создаваемого нами же перегрева. Но и при этом климат городов сильно отличается от окружающей местности. Даже в среднем за год он на 2-3 градуса теплее.

По мере роста населения, города и поселки расширяются и сливаются друг с другом. Уже сейчас ряд промышленных, стран с большим числом жителей представляет собой сплошной город. Возьмите, например, Голландию, Японию, Южную Англию и др. Там можно ехать сотни километров, не замечая, где кончается один город и начинается другой. Подобную ситуацию в недалёком будущем следует ожидать во многих странах. А значит, независимо от желания людей, должен всё больше и больше изменяться климат. Но теперь это будет совсем не то изменение микроклимата, о котором мы говорили в начале главы, и даже не изменение местного климата какого-либо отдельного района. Человек начинает влиять на климат в масштабе всей планеты.

Если учесть, что прирост энергии, вырабатываемой человеком, составляет 4-5 процентов в год, то есть удваивается примерно через каждые 17 лет, а в недалеком будущем начнёт увеличиваться на 9-10 процентов в год, то через каких-нибудь 150-200 лет, а возможно, и раньше, это количество энергии окажется сравнимым с энергией, получаемой от Солнца, особенно в густо населённых областях Земли.

Теперь представим себе, что приходная часть теплового баланса для всей суши на Земле, составляющая в настоящее время 50 ккал/см2/год, увеличится до 100 ккал/см2 мин., а соотношение между расходными статьями останется таким, как оно есть... Это прежде всего приведет к существенному повышению температуры воздуха и почвы и к значительному увеличению испарения на земном шаре в целом. По расчетам учёных средняя температура воздуха на Земле должна повыситься на 5-6 градусов, то есть как раз на величину, которая необходима для того, чтобы растопить льды Арктики.

Что произойдёт при этом с другими элементами климата, а вместе с ним и со всеми природными условиями, пока определить трудно. Может, например, усилится таяние покровных ледников Гренландии и Антарктиды, но может начаться и их рост за счет увеличения выпадения твёрдых осадков из приносимого сюда более тёплого воздуха. Каков при этом будет в итоге баланс самих ледников, сказать нельзя, хотя, судя по всему, он должен быть отрицательным.

Помимо роста тепловой энергии, повышению температуры на Земле в предстоящий период должны способствовать и другие факторы, возникающие в результате деятельности человека. Это прежде всего увеличение содержания в атмосфере углекислоты. Углекислота является одним из основных источников нагревания атмосферы, так как она поглощает значительную часть тепла, излучаемого Землёй. Чем больше будет в атмосфере углекислоты, тем она будет теплее сама и больше тепла будет возвращать обратно земной поверхности. Основными источниками углекислоты в атмосфере являются недра земли, а также растения. Главные же её поглотители — океаны, поверхность суши и опять-таки те же растения. В среднем в земной атмосфере количество углекислоты довольно постоянно и составляет по объёму к другим газам атмосферы всего около 0,03 процента. Но между атмосферой и подстилающей поверхностью идёт непрерывный обмен углекислотой. В одних районах земного шара её больше поглощается, чем выделяется в атмосферу, в других — наоборот. Следовательно, в одной и той же массе воздуха, в зависимости от того, над каким местом она движется, количество углекислоты будет разное. Особенно, как мы говорили, велико содержание углекислоты в атмосфере городов. Почти в каждом сколько-либо крупном городе с развитой промышленностью концентрация углекислоты может превышать обычную норму в несколько раз.

В некоторых городах содержание углекислоты в воздухе временами превышает концентрацию, предельно допустимую для нормальной жизнедеятельности человека. Воздух становится токсичным.

Наблюдая за содержанием углекислоты в атмосфере на протяжении ряда лет, удалось установить, что с начала текущего столетия оно увеличилось примерно на 10-12 процентов.

Сжигание топлива увеличивает поступление углекислоты в атмосферу ежегодно на 1010 тонн. По мнению ряда ученых, с развитием промышленности эта цифра к 2000 году может увеличиться, по крайней мере, в 5 раз.

Помимо сжигания топлива, количество углекислоты в атмосфере пополняется за счёт вырубки лесов, осушения болот, различного рода пожаров и т. д. Общее увеличение углекислоты в атмосфере от этого оценивается равным 5-10 тонн в год. Прирост углекислоты в атмосфере к концу этого столетия, по сравнению с его началом, ожидается равным уже 30 процентам, а это равносильно повышению температуры атмосферы Земли даже в среднем более чем на 1 градус за столетие. Что же касается прогнозов учёных на несколько столетий вперёд, то многие считают, что количества углекислоты в атмосфере за это время в результате человеческой деятельности увеличится в несколько раз. Не говоря уже о её токсическом влиянии на организм человека и животных, это может вызвать повышение температуры атмосферы на 5-7 градусов. Правда, другие исследователи полагают, что такого положений в природе никогда не произойдет, так как поверхность океанов будет поглощать все излишки углекислоты и существующее равновесие сохранится. Однако для такого оптимизма, судя по наблюдениям за углекислотой в городах, нет большого основания.

Другим, также нежелательным, продуктом деятельности человека является увеличение запылённости в атмосфере. Дым, пыль и другие примеси в атмосфере, особенно в больших городах, не говоря уже об их вредном влиянии на жизнедеятельность человека, уменьшают прозрачность атмосферы и служат некой преградой как для прямых солнечных лучей, так и для тепловой радиации, испускаемой земной поверхностью. Вместе с углекислотой они способствуют созданию так называемого парникового эффекта, повышая температуру воздуха в приземном слое.

По данным некоторых учёных, количество крупных дымовых частиц, способных дать такой оптический и тепловой эффект (от 0,1 до 1 мк), составляет уже в настоящее время 0,4 г/м2/год. Для крупных городов эта величина еще более значительна. Не удивительно поэтому, что эффективное излучение в городах почтив 1,5 раза меньше, а температура воздуха на 2-3 градуса выше, чем за городом.

Наконец, последней примесью воздуха, которая также будет увеличиваться, является водяной пар. Повышение температуры воздуха на несколько градусов неминуемо приводит к усилению испарения с морей и океанов и увеличению влажности воздуха, то есть к увеличению содержания в нем водяного пара. Водяной пар — самая изменчивая составляющая из всех атмосферных газов. Его количество в 1 куб. метре воздуха на разных высотах меняется от сотых долей грамма (над Антарктидой) до нескольких десятков граммов (над экватором). Он, как и углекислота, озон, пыль и другие примеси в атмосфере, обладает свойством поглощать тепловую радиацию, излучаемую земной и водной поверхностью, уменьшать эффективное излучение и тем самым повышать приходную часть теплового баланса Земли. Судя по расчетам О. А. Дроздова, при повышении температуры атмосферы на 5 градусов (правда, не в результате человеческой деятельности, а за счёт таяния арктических льдов), влагосодержание воздуха увеличивается очень значительно, а следовательно, должен существенно усилиться и парниковый эффект. Всё это, вместе взятое, даёт нам основание предполагать, что в результате постоянно возрастающей деятельности человека атмосфера Земли будет систематически теплеть, и не исключена возможность, что уже в ближайшие десятилетия перед человечеством может стать вопрос о необходимости изменений климата не в сторону потепления, а в сторону похолодания. Всего вероятнее, что уже через несколько десятков лет в крупных городах надо будет отводить излишки тепла за пределы города, не только создавать естественную вентиляцию городов, которую, кстати, архитекторы вынуждены планировать уже в настоящее время при строительстве новых кварталов или закладке будущих городов, но и устанавливать мощные искусственные вентиляторы. Впрочем, для волнений нет особых оснований, так как с ростом энергетики построить систему искусственной вентиляции городов будет не труднее, чем сейчас создать искусственный климат в комнате или квартире. Конечно, степень влияния жизнедеятельности людей на климат нашей планеты будет еще зависеть и от естественного изменения климата. Если потепление климата продолжится и дальше, так же, как это происходило в первой половине нашего столетия, то влияние человеческой деятельности значительно усилит этот процесс. Если же, наоборот, климат станет холоднее, а такая тенденция уже наметилась в 60-х годах, то человеческая деятельность смягчит этот процесс, и климатические условия на Земле останутся примерно такими же, как сейчас.

Как бы там ни было, следует иметь в виду, что влияние человека на климат действует только в одну сторону — все возрастающего потепления. Это обстоятельство должно быть учтено во всех перспективных планах развития человеческого общества, особенно градостроительства.

При рассмотрении вопроса изменения климата в результате человеческой деятельности в предстоящие несколько десятилетий мы лишь вскользь касались другой важнейшей проблемы человечества — отравления атмосферы.

Атмосфера Земли, как известно, представляет собой механическую смесь газов, основными из которых являются азот и кислород, составляющие по объему 99 процентов всей атмосферы. Только один процент приходится на все другие газы. Но, помимо этих постоянных газов в атмосферу, как мы уже говорили, поступает много других примесей, как в виде газов (водяной пар, углекислота и др.), так и в виде мелких твёрдых и жидких частичек, называемых аэрозолями.

Помимо естественных аэрозолей — морских солей, попадающих вместе с мелкими морскими брызгами, пыльцы растений и др., по мере роста промышленности в атмосферу всё больше и больше начали забрасываться газы и аэрозоли из дымовых труб фабрик и заводов, выхлопные газы от двигателей автомобилей и самолетов и огромное количество пыли, поднимаемой ветром и турбулентными вихрями с оголённых поверхностей почвы, дорог, улиц и т. д. Многие из этих примесей не просто загрязняют атмосферу и понижают её прозрачность (об этом мы уже говорили), но, что еще опаснее, делают её ядовитой. В этом случае меняется не только «физический климат» атмосферы, то есть температура, влажность, видимость и т. д., но и «химический климат», то есть сам состав атмосферы, в которой мы живём.

Особенно токсичным становится воздух над большими городами и промышленными центрами. Если вам приходилось хоть раз прилетать или улетать днём на самолете из какого-нибудь крупного города, вы, наверное, замечали над ним огромный тёмный купол. Такие газово-туманные облака можно иногда наблюдать, находясь за 200 и более км от города. Над такими промышленными странами, как например Южная Англия, эти «грязные шапки» занимают уже целые районы. И не думайте, что это только облака, нет, загрязнён весь приземный слой воздуха до высоты нескольких километров. Помимо пыля и дыма, которые, смешиваясь с капельками воды, образуют особые городские туманы, называемые смогами, в этом воздухе содержатся такие ядовитые вещества, как сернистый газ (SO2). Он жадно соединяется с влагой, образуя в воздухе мельчайшие капельки серной кислоты. Мы, горожане, часто ощущаем её запах, особенно в туманные осенние или зимние дни. Именно такие смоги особенно тяжело переносятся лёгочниками и сердечниками и вызывают иногда летальный исход. Другим вредным газом городской атмосферы является окись углерода или угарный газ. Это уже просто яд. Он выбрасывается в атмосферу автомобилями наряду с другими, не менее вредными газами, Предельно допустимая его концентрация в воздухе по объёму не должна превышать одной десятитысячной доли. Концентрация же его в некоторых местах в Лондоне, например, иногда повышается в 3 и даже в 4 раза. А при таких дозах нахождение человека в этой атмосфере в течение 5-6 часов может кончиться сильнейшим отравлением.

Токсичным в городских условиях становится даже озон. Обычно его содержание в приземном слое воздуха ничтожно, поэтому он не только не опасен, но даже полезен для человека. Но обработанные газы при реакции с азотом воздуха образуют озон в такой концентрации, которая уже вредна для человеческого организма.

Не менее вредны выделяемые при работе двигателей фенолы и другие примеси. В настоящее время в мире насчитывается уже несколько городов, которые из-за отравленной атмосферы требуют немедленного переноса на новое место или, по крайней мере, искусственной циркуляции атмосферы над ними. Особенно выделяется своей отравленной атмосферой город Лос-Анжелос в Калифорнии. Протянувшись на десятки километров вдоль берега моря и будучи защищённым от континента цепью холмов, он отличается повышенной влажностью воздуха и слабыми ветрами. Почти два миллиона автомобилей, имеющихся в городе, ежедневно выбрасывают в его атмосферу 12400 тонн различных примесей, в том числе и вредных для человека. Власти Лос-Анжелоса уже давно объявили конкурс на лучший проект очистки атмосферы над ним. Поступил ряд грандиозных проектов, но ни один из них пока не принят для реализации.

Итак, в какой бы сфере человек ни трудился, он вынужден пользоваться природными ресурсами и в то же время изменять энергетический или вещественный баланс Земли. Это воздействие, вызванное самим фактом существования человека, на первый взгляд кажется таким же естественным, как, например, влияние на эти балансы растительного и животного мира. Однако мы с вами уже убедились в том, что такое представление глубоко обманчиво. Растительный и животный мир в процессе своего развития воздействует на баланс тепла и влаги лишь пассивно, не нарушая основных соотношений между приходом и расходом тепла и влаги, установившихся в природе для каждой географической зоны. Мы видели, в сколь широком диапазоне меняется, например, взаимосвязь между теплом и влагой в процессе роста и развития яровой пшеницы (рис. 21), но мы знаем также, что пшеница не может расти ни в тундре, ни в пустыне.

Иное дело — человек. Огромная приспосабливаемость к природным условиям позволяет ему селиться даже там, где, на первый взгляд, жизнь кажется невозможной. Осваивает же он, например, центральные районы Антарктиды, где даже средние годовые температуры воздуха достигают 55-57 градусов мороза, а зимой повышаются до 90. Но суть не в этом. Человек извечно приспосабливался к природным условиям. И при этом ещё совсем недавно он находился в совершенно корректных отношениях с природой. Пользовался даровыми ее силами: солнцем, ветром, водой. Рубил лес, ловил рыбу в реках, охотился на животных, косил траву.

Природе такие потери были не страшны. Она быстро восстанавливала равновесие. Настоящее насилие над природой началось после того, как произошла промышленная революция. И еще позднее, уже на нашей памяти, когда люди необыкновенно агрессивно, хотя часто и бессознательно, пошли на «штурм природы». Все чаще стали нарушаться основные закономерности, присущие различным природным зонам, и естественное соотношение между теплом и влагой, о котором мы говорили в третьей главе, начало меняться. Массовая, часто хищническая вырубка лесов, огромные лесные и степные пожары, загрязнение и засорение атмосферы и водоёмов, неправильное использование почв, наряду с сознательным, но неумелым осушением болот или орошением пустынь, вызвали в наше время столь сильные нарушения природных процессов, что будущим поколениям исправить это будет трудно, а порой и невозможно. Особенно велики эти нарушения природных процессов в тех странах и континентах, где господствует капиталистический способ производства, погоня за прибылями, колониализм. Совсем недавно в лондонской газете «Санди тайме» («Воскресное время») была опубликована статья Питера Лори «Прогресс и природа — границы риска». В ней приводится много ошеломляющих примеров того, как необдуманные, неразумные действия людей привели к катастрофическим процессам. Тут и отравление вод одного из великих озер Америки — Эри, сточными водами и удобрениями, вымытыми дождями с полей, и засорение плодороднейших пакистанских земель в результате неправильно построенной англичанами оросительной системы в индийском штате Пенджаб, и отравление атмосферы над обширными районами Англии промышленными выбросами гигантских заводов фирмы «Ай-Си-Ай» («Империэл Кемикл Индастрис»), и прямые попытки изменить поступление на Землю прямой солнечной радиации путем искусственного рассеивания в высоких слоях атмосферы миллионов тончайших металлических игл. (Автор пишет что мировой катастрофы удалось избежать только потому, что не сработало ракетное устройство.) Если учесть, что о жадности предпринимателей, вызвавшей большинство из этих катастроф, заговорила такая консервативная газета, как «Сандй тайме», да в последнее время и вся мировая печать трубит об этом, то надо полагать, что «штурм природы» там идёт не по правильному пути.

В нашей стране многие ученые ставили вопрос о необходимости научного подхода при вмешательстве в природные процессы. Среди них были К. А. Тимирязев и Д. И. Менделеев, В. В. Докучаев и А. И. Воейков и многие другие.

После Великой Октябрьской революции решение этих вопросов было поручено ряду институтов или специально созданных государственных, комиссий, в результате чего многие проблемы преобразования природы были поставлены на научную основу. О том, как в настоящее время решаются некоторые из вопросов, связанных с преобразованием природы и климата, и пойдёт речь дальше.

Управление теплом и влагой — управление урожаем

Мы только что рассмотрели, сколь грандиозно естественное влияние человека и его жизненной деятельности на природные процессы и природу в целом. Нам теперь понятно и его предназначение — быть одновременно и хранителем природы и её преобразователем, созидателем лучших, а не худших природных комплексов.

Человеческому обществу, особенно обществу социалистическому, основанному на плановых началах, с продуманной и научно обоснованной системой организации хозяйства и контроля, решение таких задач вполне доступно. И они, как мы знаем, уже давно решаются в нашей стране, решаются последовательно и планомерно. Они предусматриваются в текущих и перспективных планах, ими занимаются многие институты нашей страны.

Физическая сущность преобразования природы и климата человеком основана на том же самом принципе оптимального соотношения компонентов теплового и водного балансов, который лежит в основе развития естественных природных процессов. Разница состоит лишь в том, что, изучив эти оптимальные условия и искусственно регулируя ту или иную составляющую теплового баланса и меняя соотношение между затратами тепла на испарение и нагревание воздуха, человек может создавать такие условия, которые в природе наблюдаются редко. Давайте вспомним еще раз уравнение теплового баланса: Б = П+В+аИ. В принципе ведь люди в состоянии изменять каждую из его составляющих. Даже остаточная радиация (Б), эта, казалось бы, недосягаемая для человека статья теплового баланса, и та поддаётся искусственному воздействию, причём менять её можно в больших пределах. В самом деле, как мы уже говорили в первой главе, остаточная радиация представляет собой разность между приходящей к земной поверхности радиацией Солнца и неба и уходящей от нее отраженной радиацией и тепловым излучением Земли. Мы говорили также, в каких широких пределах может меняться альбедо разных подстилающих поверхностей — от двух процентов над морем до 95-98 процентов над снегом. Совершенно очевидно, что человек в силах существенным образом воздействовать на величину отраженной радиации. Он может изменять альбедо той или иной поверхности. Люди в состоянии, например, на десятки процентов уменьшать альбедо снега или льда, покрывая их поверхность с самолёта пылью; они в состоянии уменьшать альбедо сухих степей или пустынь, орошая их поверхности, они могут изменять альбедо участков поля, покрывая их мульчей или пленкой. Что же касается регулирования эффективного излучения Земли, то здесь кроется еще больше возможностей, и они будут все увеличиваться и увеличиваться. Человек уже теперь в состоянии разгонять облака и некоторые виды туманов и, наоборот, создавать искусственные облака и туманы на значительных площадях. А ведь облака и туман — наиболее надёжные покрывала, предохраняющие земную поверхность от излучения. Мощный слой крупнокапельных облаков способен снижать эффективное излучение Земли до нуля. То же самое — орошение или поливы. Благодаря им не только изменяется альбедо поверхности, но и значительно уменьшается её эффективное излучение за счёт понижения температуры почвы днём и повышения её ночью. В общем, в настоящее время человек располагает десятками способов, с помощью которых он может изменять остаточную радиацию на больших территориях не только на доли, но на десятки процентов.

Но, пожалуй, самые большие возможности имеются для регулирования расходных составляющих теплового баланса.

Представьте себе выжженную солнцем степь. Вся растрескавшаяся от жары земля. Кругом, насколько видит глаз, ни одной зелёной травинки, ни кустика, ни деревца. Но вот пришли сюда люди, прорыли каналы, подвели воду, насадили деревья, распахали целину. И вся природа преобразилась. На месте безжизненной до этого степи возник оазис со своей растительностью, со своими почвами, со своим климатом. А на территории СССР только пустыни и полупустыни занимают 211 млн. га, то есть почти 10 процентов площади страны. Площади же сухих степей и того больше. В основном они расположены на территории Средней Азии и Казахстана, занятой когда-то древним морем Тетиса. От него нам в наследство остались Каспий, Аральское море да ряд крупных и мелких солёных озер. Восемь видов пустынь насчитывают учёные на этой территории: песчаные, солончаковые, такыры и др.

Люди издавна пытались отнять у пустыни земли для своих нужд. Они закрепили на этих землях ранее движущиеся пески, насадили искусственные леса из неприхотливой пустынной кустарниковой и древесной растительности, посеяли еще более неприхотливые травы, создали обширные пастбища и т. д. Они отвоевывали у пустыни эти земли шаг за шагом, метр за метром, на протяжении многих веков. Но смогли поселиться только там, где удавалось добыть хоть сколько-нибудь пресной воды. Добыть любым способом: запасти её с ранней весны в глубоких водохранилищах, когда еще текут ручейки и реки, и пополнять эти запасы при каждом дожде; отнять часть воды от текущей поблизости реки или умело достать её из-под земли.

Вода решала всё. Она была предметом купли и продажи, кабалы и рабства. Вода и жизнь были синонимами.

Но то, что отвоёвывал человек у пустыни веками, в наше время стало возможно выполнить за несколько лет. В настоящее время у пустынь уже отвоевано и орошено около 4 млн. га площади. Правда, это всего лишь 2 процента от пригодных для освоения земель. Они расположены главным образом там, где легче всего было построить ирригационную сеть. Однако при современной технике человеку под силу построить сеть каналов на всех пригодных для освоения землях. Если для орошения их не будет хватать местной воды или даже воды таких рек, как Сырдарья или Амударья, придется повернуть вспять верховья Великих северных рек, повысить сток местных рек за счет искусственного стаивания части горных ледников или вывести на поверхность воду подземных озер. Кроме того, предполагается построить тысячи колодцев и ряд крупных водопроводов. Намеченное только в Туркменистане, например, строительство 1700 колодцев и нескольких водопроводов позволит снабдить водой 6,5 млн. га пастбищ. А обводнение пастбищ — это травы, это другая, уже не пустынная подстилающая поверхность, иной тепловой баланс и климат.

Конечно, осуществление подобных проектов требует больших усилий, но как бы велики они ни были, они оправдают себя, потому что в сельскохозяйственном отношении зона сухих степей чрезвычайно благодатна. Пригодные для освоения почвы — плодородны,  обилие солнечного тепла и света позволяет выращивать здесь самые теплолюбивые и дорогостоящие культуры.

Пока эти почвы не орошены, температура воздуха в этих районах летом может достигать 50 градусов жары, а на почве повышается до 75-80 градусов. Даже в среднем за месяц температуры воздуха в пустынях достигают 30 и более градусов. Воздух здесь настолько сух, что современные метеорологические приборы часто не в состоянии определить его относительную влажность. Она падает до 2-5 процентов. Высохший и измельчённый песок не только легко движется по почве, образуя песчаные позёмки, но так же легко и поднимается вверх сильными конвективными токами. Прозрачность воздуха при этом нередко понижается вдвое, и солнце кажется через пыльную пелену красноватым диском. Прямая радиация бывает ослаблена почти так же, как при высоких слоистых облаках. Взвешенная пыль, обладая гораздо большей теплоемкостью по сравнению с воздухом, сама является дополнительным источником нагревания и иссушения воздуха. Всё кругом кажется вымершим. А посмотрите теперь более детально, как меняются метеорологические условия в этих районах после того, как сюда пришла вода и те же пустыни оказались орошенными. Вот как, например, изменился тепловой баланс поверхности Голодной степи (Узбекская ССР) днём после орошения при одной и той же суммарной радиации (кал/см2 мин). Знаком (+) показаны приходные, знаком (—) расходные статьи баланса.

 

Вы видите, даже остаточная радиация на орошенных полях из-за уменьшения альбедо стала иной. Она увеличилась, почти на 30 процентов. Всё тепло стало тратиться на испарение, а не на нагревание воздуха. Почва и воздух стали менее горячими и более влажными. На месте сухой безводной степи расцвели сады, зазеленели поля, изменился облик земной поверхности. Взгляните, насколько различным стал климат орошённых полей в совхозе Пахта-Арал и неорошаемых земель, расположенных рядом в Голодной Степи (табл. 16). Различие в температуре почвы достигает 10-15 градусов. Там, где можно было испечь яйцо, начали выращивать хлеб, хлопок, овощи. Стал прохладнее воздух, вдвое увеличилась его влажность.

Изменение теплового баланса сказалось не только на климате оазиса. Здесь в сухой и безводной степи возник совершенно особый физико-географический район, со своим гидрологическим режимом, растительностью, почвами и т. д. Влияние оазиса не ограничилось только близлежащим к поливным землям слоем воздуха. Вот какие различия в температуре и относительной влажности возникли между оазисом и окружающей его пустыней (табл. 17).

 

Как видно из таблицы, влияние оазиса распространяется больше чем на 200 метров вверх и на несколько сот метров в окружности.

Такова картина разумной и полезной деятельности человека. А представим себе, что вместо одного оазиса будет орошена вся Голодная степь! Да что там Голодная степь. В предстоящие два десятилетия в нашей стране предполагается увеличить площадь орошаемых земель только в Средней Азии и Казахстане более чем на 12 млн. га, то есть втрое по сравнению с существующей. Кроме того, возрастут площади орошаемых земель на юге европейской территории нашей страны. Около 1 млн. га засушливых земель будет орошено после пуска на полную мощность Волжской ГЭС, 1,5 млн. га напоит Каховская ГЭС; 2,5 млн. га — Волгоградская ГЭС. А впереди манит цифра 20 млн га — на Украине, 25 млн. га — в Поволжье. Вопрос уже стоит об изменении климата не в одном каком-либо оазисе площадью в несколько десятков или даже сотен тысяч га, а в целых областях, размеры которых намного превышают площади иных государств.

Ну, а как изменится в этом случае климат, вправе спросить читатель.

Предварительные расчеты показывают, что, несмотря на то что соотношение между составляющими теплового баланса сохранится примерно таким же, как: и в отдельном оазисе, температурный эффект в целом для района будет несколько меньше. Чуть ниже окажется и влажность воздуха. Но климат в целом будет значительно мягче. И это только решение одной проблемы — орошения.

А сколько впереди других задач, связанных с освоением тех же пустынных районов. Одна из них — фитомелиорация, которой занимается в настоящее время ряд научных и производственных организаций в нашей стране. Сущность её состоит в том, чтобы уберечь от песчаных заносов сельскохозяйственные поля, пастбища, дороги, населённые пункты, то есть закрепить движущиеся пески. Для этого на песках искусственно сеются укрепляющие их растения, а вместе с ними и кормовые травы, чтобы превратить одновременно эти бесплодные земли в пастбища. Следует отметить, что это мероприятие также будет способствовать смягчению и увлажнению климата, перераспределению поступающей солнечной энергии. Дело в том, что растения пустынь обладают одним удивительным свойством — они способны доставать воду всеми возможными способами, в том числе и из глубины иногда в несколько десятков метров. Особенно в этом отношении славятся так называемые псаммофиты — растения, живущие на рыхлых, а иногда и на подвижных песках. Даже будучи засыпаны песком, они не погибают. Стоит песку чуть увлажниться, и совсем засохшее растение пускает придаточные корни, а ветви его начинают быстро расти и пробиваться к свету. Корни псаммофитов уходят на глубину иногда 20-25 м.

К таким растениям относятся саксаул, песчаная акация, кандым и другие. Но первым, пожалуй, для закрепления движущихся песков поселяют многолетний злак селин. Соревноваться с ним может и песчаная осока — илак, отличающаяся очень разветвлёнными и густыми, как войлок, корневищами. Илак, хоть и принадлежит к эфемерам, то есть к растениям с коротким периодом вегетации, но в течение сухого и жаркого лета не погибает, а лишь переходит в состояние покоя. Прольются первые дожди, и он снова оживает. Корневая система его уходит на глубину 40-50 м. Это растение служит основным кормом животных, пасущихся в песчаных пустынях.

Постепенно осваиваются и каменистые пустыни. Они заселяются так называемыми растениями-эдификаторами (боялыч, биюргун и др.), способными расти и создавать себе почву на гипсах и других твердых породах.

А теперь обратимся к западным районам страны. В Белорусской ССР, например, и в Прибалтийских республиках в больших масштабах проводится осушение болот и заболоченных земель. Тепловой баланс при этом меняется в противоположную сторону. Остаточная радиация, из-за некоторого увеличения альбедо, а главным образом вследствие повышения эффективного излучения, становится несколько меньше той, какая была до осушения. Климат в этих районах становится теплее и суше.

Проведенные учёными Главной геофизической обсерватории экспедиции в эти районы показали, что разница в температурах воздуха и почвы между осушёнными и неосушёнными землями достигает 2 градусов. Однако и после осушения на этих полях температура оказывается холоднее на 5-10 градусов, а ночью — на 3-4 градуса по сравнению с минеральными почвами. Причина кроется в теплофизических особенностях почв. Отвоеванная от болот почва обладает большой теплоёмкостью. Верхний торфянистый слой её задерживает большую часть поступающего к ней солнечного тепла. Такие почвы требуют в дальнейшем минерализации.

За последние годы в нашей стране создаётся целый ряд крупных и мелких водохранилищ. Они не только обеспечивают работу гидротурбин ГЭС и служат водоёмами, питающими оросительные систем, но играют еще одну важную роль — формируют новый тепловой и водный баланс окружающей местности. Результаты этой «невидимой» деятельности уже сказываются теперь и, видимо, ещё больше дадут себя знать в недалёком будущем, изменив гидрологический режим почв и грунтов, да и весь географический ландшафт этих районов.

Давайте посмотрим, как это происходит. Вода, в отличие от почвы и снежного покрова, имеет малые альбедо и при высоком стоянии Солнца поглощает почти всю солнечную радиацию. В полуденные часы теплового периода года отражённая радиация Солнца составляет для поверхности воды всего 3-5 процентов от суммарной. Обладая большой теплоёмкостью, вода задерживаем почти всё тепло в тонком верхнем слое. Значительная часть его идет на нагревание более глубоких слоёв воды путем механического перемешивания. Особенно заметен этот процесс при сильных ветрах. Недаром после шторма вода в море или озере становится много холоднее. А вот на нагревание воздуха над водоёмом тратится совсем мало тепла. Основная его часть идёт на испарение с поверхности водоёмов. В средних широтах с каждого водоёма испаряется 40-60 мм воды в месяц, а сумма испарения за весь тёплый период составляет 20-30 см. Чем меньше водоём, тем больше с него испаряется воды. Однако величина испарения, как мы знаем, не может быть бесконечной. Она всегда лимитируется приходом солнечной радиации. Большие затраты «тепла на испарение с водоёмов приводят к понижению температуры воды, а следовательно, и к понижению температуры прилегающего к ней воздуха. Водоёмы размером 8-10 километров в поперечнике понижают, например, температуру в окружающем районе на 3-5 градусов. В тех районах, где ветры слабые, а водоемы и водохранилища невелики, их влияние на температуру окружающего воздуха уменьшается до 1-2 градусов. Неглубокие водоемы и пруды успевают за лето накопить солнечного тепла так много, что оказываются даже перегретыми по сравнению с сушей и до поздней осени превращаются в своеобразные тепловые очаги. А в холодное полугодие такими тепловыми очагами для окружающей местности становится большинство водоемов. На побережье Цимлянского водохранилища, например, зимой теплее, чем в открытой степи, на 0,5 градуса, а летом — холоднее почти на 2 градуса. Относительная влажность воздуха над водоемами и вблизи них бывает на 15-20, а иногда и на 30 процентов выше, чем вдали от них. В районе водоёмов формируется и своя местная циркуляция воздуха—возникают небольшие бризы, дующие днём с водоёма на сушу, а ночью наоборот. Если берега достаточно круты, то ночной бриз усиливается за счёт стока холодного воздуха вниз по склону, температура воздуха над таким водоёмом может понизиться на 5-7 градусов. Гладкие и ровные поверхности водоемов из-за малой шероховатости не препятствуют, а скорее способствуют разгону движущегося над ними воздуха. Поэтому и скорости ветра над искусственными водоёмами и вблизи них намного сильнее, чем были когда-то в этих местах. Так, например, скорость ветра в районах Рыбинского и Цимлянского водохранилищ увеличилась, по сравнению со средней скоростью ветра для этих районов, почти вдвое.

Мы пока не имеем данных, каким из-за подпора воды стал уровень грунтовых вод в районах водохранилищ, как изменилась влажность почв, их засоленность и все другие гидрофизические характеристики, так как эти процессы происходят со значительным запозданием по сравнению с изменением климата. А свидетельств того, что возникновение иного теплового и водного балансов в районе водохранилищ привело к изменению климата, растительного покрова и других характеристик ландшафта уже более чем достаточно.

Надо сказать, что еще бывают случаи, когда строительство водохранилища влияет на природный комплекс далеко не в лучшую сторону. Недаром поэтому, прежде чем приступать к реализации того или иного крупного гидротехнического проекта, его передают Главной геофизической обсерватории на заключение о возможных климатических переменах.

Но, пожалуй, наибольший положительный эффект от мелиорации получается тогда, когда осуществляется одновременно большой комплекс мероприятий: насаждение лесных полос и создание прудов и водоёмов.

На протяжении ряда лет нам пришлось изучать влияние этого великого эксперимента по преобразованию природы и климата в южных районах европейской территории нашей страны. Объектом изучения были обширные поля, перегороженные вековыми полосами леса, посаженного еще самим В. В. Докучаевым в Каменной степи, лесные полосы разных конструкций, созданные на протяжении последних лет в сальских степях, комбинации из лесных полос и ирригационных систем в Поволжье и еще многие другие объекты. Здесь каждое из проведённых человеком мероприятий воздействовало на природный процесс по-своему, поэтому установить общий эффект в изменении теплового и водного балансов было особенно трудно. Но, тем не менее, учёным удалось оценить эффективность этих мероприятий по преобразованию природы юга России, и она оказалась значительной. Летнее количество осадков в этих районах увеличивается на 30-40 миллиметров, а при проведении орошения ряда степных районов — на 50-55 мм. Значительно изменяется и температурный режим. Благодаря повышению остаточной радиации над орошенными землями на 20-30 процентов и увеличению испарения дневные температуры в верхнем слое почвы понижаются на 10-15 градусов, а температура воздуха — на 1-3 градуса. Относительная влажность воздуха, наоборот, увеличивается на 20-30 процентов. Наличие лесных полос ослабляет ветер и уменьшает турбулентный обмен на полях, благодаря чему там возникает сочетание климатических условий, наиболее благоприятствующих развитию растений (высокая влажность с повышенной температурой). Средняя же скорость ветра над этими районами понижается наполовину. В полтора раза увеличивается высота снега на обсаженных лесными полосами полях, уменьшается весенний сток, повышается влажность почвы.

Эффективность этих мероприятий уже доказана на примерах многих колхозов и совхозов нашей страны, а лесные полосы из абрикосов и акаций стали обычным элементом ландшафта когда-то совершенно сухих и безлесных степей (рис. 26).

В настоящее время наиболее доступно активное воздействие на природу в локальных масштабах, но и оно должно быть организовано на известных читателю научных принципах.

Ускорить таяние снега на полях и удлинить сроки вегетации культурных растений или ускорить таяние льда на судоходных реках и расширить период навигации, разморозить необходимый для строительства участок вечной мерзлоты — все это доступно людям без больших затрат сил и энергии, но с большим экономическим выигрышем. В большинстве случаев положительный эффект достигается тем, что меняется альбедо этих поверхностей и увеличивается приходная часть теплового баланса.

Каждый колхоз и совхоз в состоянии оросить землю, задержать снег на полях, не дать талым водам бесполезно стечь в реки, наполнить ими балки и овраги, сделать искусственные водохранилища и таким образом изменить соотношение в расходе солнечного тепла. Этим самым он изменит не только микроклимат на своих полях, но тепловой и водный режимы почвы, условия для роста и развития растительности, а вместе с этим постепенно преобразует и. географический ландшафт своего района в целом.

Менять тепловой и водный балансы следует, по-видимому, не сразу на всей территории, а по участкам, создавая различные препятствия, уменьшающие скорость ветра и турбулентность в приземном слое.

В последнее время белорусские хозяйственники стали жаловаться на то, что их осушенные земли начали страдать от засух, более того, даже на прилегающих к ним неосушенных почвах после осушения соседних болот значительно понизился уровень грунтовых вод, появились признаки засушливости. Ясно, что при проведении мелиоративных мероприятий были допущены технологические ошибки, выразившиеся, по-видимому, в закладке глубоких канав и отведении воды не только с близких от поверхности слоёв почвы, но и из более глубоких горизонтов, которые до этого пополняли грунтовые воды на неосушаемых территориях. Подобных примеров можно привести много.

А теперь попробуем представить себе, что произойдёт, когда человек, научившись в недалёком будущем управлять погодой и климатом, сумеет защитить урожай от влияния неблагоприятных метеорологических условий, потери от которых в настоящее время составляют в разных странах в среднем от 10 до 30 и более процентов. Тогда, при достаточном минеральном питании и обеспечении растений влагой, размер урожая будет целиком определяться только энергетическими ресурсами. Какой же можно получить в этом случае урожай, например, зерновых культур с одного гектара? В настоящее время растения поглощают около половины приходящей к ним солнечной радиации, но используют в процессе фотосинтеза в среднем всего лишь 0,3 процента. У культурных растений этот процент повышается до 1-2. В средних широтах, где суммарная радиация за вегетационный период составляет около 40 ккал/см2 в месяц в северной части, до 100 и более ккал/см2 в месяц в южной части, фото-синтетически активная радиация (ФАР) соответственно будет равна примерно 20-50 ккал/см2 в месяц. Или 2-5 ккал на один гектар посева (рис. 27).

Мы уже говорили, что, несмотря на кажущееся обилие радиации, летом только верхние части растений получают ее в достаточном количестве. Чем дальше вглубь растительного покрова, тем меньше достаётся растению солнечных лучей, тем большее радиационное голодание оно испытывает. Представим себе, что человек, учтя эту особенность растений, будет так формировать посевы и посадки сельскохозяйственных культур, что процент усвоения радиации ФАР растениями при прочих равных условиях возрастёт с 1 до 5. Советский учёный А. А. Ничепорович подсчитал, что в этом случае при условии полного обеспечения растений водой и питанием на широте 55° можно снимать с гектара до 100-120 центнеров зерна. Надо сказать, что отдельные опытные хозяйства урожай пшеницы в 70-100 центнеров с га снимают и в настоящее время. При таких урожаях даже существующие в настоящее время на земном шаре сельскохозяйственные площади могут прокормить 20-30 млрд. человек.

Советские ученые М. И. Будыко, Л. С. Гандин и Н. А. Ефимова, использовав данные о величинах радиации ФАР и средних температур воздуха на разных широтах, определили возможные урожаи (при оптимальных агротехнике и обеспечении водой и питанием) для европейской территории СССР (рис. 28). Цифры на этой карте (центнеры на гектар) относятся к некой средней сельскохозяйственной культуре (продуктивности зерновых культур близки между собой), выражаются в массе усвоенной углекислоты на 1 га посева. По известным уравнениям фотосинтеза их нетрудно пересчитать на килограммы сухой массы любой культуры, для которой будут известны физиологические параметры растений и коэффициенты их дыхания. Если учесть, что доля зерна составляет всего лишь около 1/3 или даже 1/4 от веса сухого вещества, то в переводе на урожай приведённые на рисунке цифры будут означать примерно 30 центнеров зерна с гектара на севере и 200 центнеров на юге. Если сравнить эти цифры с максимальными урожаями зерна с гектара, получаемыми в настоящее время передовыми хозяйствами страны (до 70-100 ц/га), то они не покажутся нам неправдоподобными и будут служить веским доказательством того, что даже существующие посевные площади, при соответствующей их обработке, могут прокормить население примерно в 8-10 раз большее, чем то, которое имеется в настоящее время. А если еще размер посевных площадей увеличить в 2-3 раза за счет окультуривания так называемых бросовых земель и орошения пустынь, то для человечества не будет необходимости прибегать к уничтожению лесов или других ценных естественных угодий, составляющих его благосостояние. Но мы бы чрезвычайно сузили перспективу, если бы не упомянули здесь еще об одной возможности обеспечить все растущее население планеты всеми необходимыми ему продуктами питания. Речь идет о так называемом искусственном земледелии.

Итак, искусственно изменяя тепловой баланс и климат, человек может создавать искусственным путём условия, которые открывают в будущем бесконечные перспективы для увеличения пищевых ресурсов. Уже в настоящее время предпринимаются широкие попытки в этом направлении. Во многих странах мира существует целая отрасль сельского хозяйства, которая занимается выращиванием культур так называемым гидропонным способом, то есть без всякой почвы. Рост и развитие растений и формирование урожая в этом случае определяются исключительно тремя указанными факторами: светом, теплом и влагой. Питание растения получают уже не из почвы, а из воды. В этом случае вместо почвы может использоваться любой наполнитель, в котором будет развиваться корневая система растений: песок, галька, кусочки раздробленного камня или известняка и даже шлак. Основную роль при выращивании растений здесь играет водный раствор, который время от времени подаётся к корням растений, обеспечивая их питание. В перерывах между подачей воды в поры наполнителя поступает свежий воздух. Этот водно-воздушный режим и заменяет плодородную почву, обеспечивая невиданные до сих пор урожаи. «Гидропонное земледелие» имеет целый ряд преимуществ перед обычным земледелием, так как исключает появление сорняков и многих видов болезней у растений, не говоря уже о том, что не требует трудоемких затрат, связанных с обработкой почвы. Такой способ используют иногда не только в тепличных условиях для выращивания овощей, цветов и ягод, но и для создания под открытым небом больших плантаций зерновых культур, винограда и даже хлопчатника. Зная законы, связывающие физиологические характеристики растений с тепловым балансом и условиями освещения, на основании приведенной на рис. 28 карты мы можем сказать, какой урожай можно получить при гидропонном земледелии в естественных условиях. И те урожаи, которые получают уже теперь хозяйства, применяющие этот метод, весьма близки к максимальным, теоретически рассчитанным данным. Так в Армении, например, урожаи помидор, выращенных гидропонным способом, оказываются в три раза выше обычных, а урожаи моркови в 8-10 раз превышают средние. В будущем, при достаточных количествах электроэнергии, могут быть созданы искусственные гидропонные фабрики по выращиванию наиболее ценных культур.

Оранжереями с искусственно поддерживаемым тепловым балансом и климатом можно заполнить любые пещеры, заброшенные шахты, карьеры и узкие горные ущелья, конечно, защитив их от излучения искусственными покрытиями. Многоярусные туннели могут быть вырыты в земле, причём на таких глубинам, где температурный режим будет постоянным и оптимальным за счет внутриземного тепла. Такие искусственные туннели — оранжереи можно создавать, уже не считаясь с географическими условиями. В Арктике и на Кавказе тепло, влага и свет могут быть в них совершенно одинаковыми.

Опыты, проведенные в различных странах по выращиванию сельскохозяйственных культур в искусственных условиях, показали, что урожаи при этом будут близки к оптимальным. Культуры могут выращиваться круглый год, а сроки вегетации при этом сильно сокращаются. Томаты, например, в искусственных условиях дают урожай в 2-3 раза выше, чем в естественных (10-15 кг с одного м2 против 5-10 кг), а созревают они за 55-65 вместо 95-100 дней в естественных условиях. Редис весом 20-30 г вырастает в искусственных условиях через 10-15 дней, тогда как на огороде или в поле он созревает через 30 дней, а вес корнеплодов бывает вдвое меньше. Да и урожаев редиса за год можно вырастить не 1-2, а 2-4. Томаты можно будет снимать 6 раз в год в одной оранжерее. Иными словами, используя закономерности роста и развития растений, человек, искусственно управляя климатом, путем регулирования длины дня, интенсивности тепла и света, при достаточном обеспечении растений питательными веществами и водой, может получить оптимальные урожаи различных культур и управлять не только количеством, но и качеством урожая. И тогда человечество освободится от страха перед голодом, как бы ни возросло население на земном шаре. И опять-таки для этого не потребуется сводить леса или коренным образом изменять другие естественные условия жизни на нашей планете.

Проблемы активного и сознательного влияния на климат, которых мы касались до сих пор, в большей степени универсальны (ибо они подчиняются одному и тому же закону, распространяющемуся на все природное процессы), но в то же время это и частные проблемы. Частные в смысле своих пространственных масштабов.

Речь шла в сущности о возможностях улучшения климата в отдельных районах, на. сравнительно набольших участках суши или воды.

Но, параллельно с этим, человеческая мысль бьётся, особенно в последнее время, над решением глобальных проблем, предусматривающих серьёзные климатические перемены для целых стран, даже континентов, для всей нашей планеты. Уже в настоящее время имеется целый ряд грандиозных и смелых проектов, возможность реализации которых не за горами. Познакомимся хотя бы с одним из таких проектов, с проектом, выполнение которого изменило бы природу и климат северного полушария и повлияло бы на природные процессы на всем земном шаре.

Искусственное таяние арктических льдов и его последствия

Проблема искусственного изменения климата Арктики начала занимать учёных совсем недавно. Пожалуй, пионером идеи был известный теперь всему миру советский инженер П. М. Борисов, предложивший около 15 лет тому назад проект строительства плотины через Берингов пролив. В случае реализации этого проекта из Ледовитого океана в Тихий каждые сутки перекачивалось бы 500 куб. км воды, что было бы равнозначно понижению уровня воды в Северном Ледовитом океане на 20 метров в год. Разница в уровнях между Ледовитым и Атлантическим океанами неминуемо изменила бы циркуляцию вод во всем северном полушарии. По мнению автора, теплое Северо-Атлантическое течение должно было продлить свой путь вдоль побережья Арктики вплоть до Чукотки, и повышение температуры воды в Ледовитом океане неминуемо привело бы к растоплению арктических льдов.

Примерно в то же время инженером Шумилиным было сделано аналогичное предложение, предусматривающее перекачку воды из Тихого океана в Чукотское море и использование для потепления Арктики теплого течения Куро-Сиво.

Проект П. М. Борисова широко обсуждался научной общественностью не только в нашей стране, но и за границей и хотя не получил единодушного одобрения, однако привлёк внимание многих учёных к этой проблеме. После этого она уже не сходила со страниц научных журналов и не раз обсуждалась на национальных и международных форумах ученых. Последний из таких симпозиумов проведён в США летом 1967 года. Следует отметить, что наряду с теоретическими на таких совещаниях обычно поднимаются вопросы практические. На одном из них стоял, например, вопрос о возможностях реализации проблемы потепления Арктики путём ускорения таяния полярных льдов. В настоящее время уже существует ряд способов решения этой задачи, и, хотя все они достаточно трудоёмки, каждый из них в принципе может быть реализован. Выше уже указывалось на один из таких способов, связанный с искусственным созданием совершенно новой системы течений в Северном Ледовитом океане путём перекачки морских вод из одного океана в другой. Этот способ технически вполне обоснован, хотя и связан с огромными затратами электрической энергии. П. М. Борисов по существу предлагает создать систему водяного отопления Арктики. Но при рассмотрении этого проекта возникло серьёзное сомнение. Система глубинных течений в Арктике до сих пор не изучена. Вдруг при откачке воды через плотину начнут двигаться не тёплые поверхностные воды с запада, а, наоборот, холодные северные воды из глубины океана. Тогда вся огромная работа окажется бесполезной. Поэтому наряду с дальнейшим изучением этого вопроса надо было искать и другие простые, дешёвые и научно обоснованные способы.

Одним из таких способов может быть изменение альбедо поверхности льдов и снега. Учёные подсчитали: достаточно измениться альбедо льдов на 10 процентов, чтобы вековые льды Арктики растаяли за 8-10 лет. Если же альбедо льдов изменится на 20 процентов, они за 2-3 года исчезнут совсем. Известно, например, что во многих районах Арктики летом цвет льда значительно меняется под влиянием развивающихся на его поверхности некоторых видов водорослей и микроорганизмов. Там, где они поселяются, лёд быстро сереет и «теплеет». Альбедо льда и снега может меняться (особенно в прибрежных районах) в связи с оседанием на их поверхности минеральных частиц, а также продуктов горения или выбросов промышленных предприятий. Каждый знает, что вблизи городов снежный покров сходит на 2-3 недели раньше, чем на расстоянии 30-40 км от города. И причина не только в тепловом влиянии города, но и в белизне снега, то есть в его отражательных свойствах.

Изменение альбедо льдов искусственным путём не требует каких-либо затрат электроэнергии и не нарушает существующей циркуляции океанических вод. Опыляя или посыпая поверхности льда и снега с самолётов тёмным порошком или пылью, подобно тому, как это делается, например, при подкормке сельскохозяйственных культур или при борьбе с вредителями, можно изменить альбедо льдов на несколько десятков процентов. Этот метод нашёл уже применение при регулировании таяния горных ледников и управлении водоснабжением горных рек; используется он и для быстрейшего освобождения ото льда устьев северных рек. Рассчитаны даже нормы высева порошков на каждый гектар, необходимые для стаивания определённого слоя льда. Что же касается средств доставки материала, то при современных авиационных возможностях это не может быть проблемой. Да, кроме того, совсем не требуется изменять альбедо на площади всего Ледовитого океана. Растопить лёд достаточно, по-видимому, на сравнительно ограниченной площади Центрального Арктического бассейна или на отдельных участках океана, а дальше процесс должен развиваться лавинообразно за счёт поглощения солнечной радиации верхним опресненным слоем воды и повышения её температуры. Правда, при использовании этого метода могут встретиться и свои трудности. Дело в том, что зачернённая поверхность льда или снега не может сохраняться сколько-либо длительное время. После первого же снегопада она вновь становится ослепительно белой, а альбедо её увеличивается сразу с 40-60 до 95 процентов.

Не исключена возможность использования метода изменения альбедо поверхности льда и снега за счет искусственного разведения на ней колоний водорослей или же создания каких-либо иных видов покрытий, например, капельных, пленочных и т. д. За последние годы в литературе появились сообщения об ускорении таяния льдов с помощью тонкого слоя мономолекулярной пленки на открытых участках воды. Пленка, расплывшись по поверхности, будет препятствовать испарению и способствовать накоплению тепла в верхнем слое воды. Температура воды повысится, и процесс таяния льдов ускорится. Само собой разумеется, что такая пленка не должна загрязнять океанические воды, как это часто бывает при попадании в воду нефти или нефтяных продуктов. Она должна быть нейтральной или даже служить источником питания для морских микроорганизмов и планктона. В последнем случае ее придется время от времени возобновлять.

М. И. Будыко произвел расчет теплового баланса для водной поверхности, покрытой такой плёнкой, и нашёл, что, в зависимости от размеров площади покрытия, повышение температуры воды под ней может достигать нескольких градусов. Наименьший эффект при этом должен наблюдаться при покрытии небольших площадей. Для площадей, имеющих размеры десятков или даже сотен кв. км, повышение температуры воды, а вместе с ней и воздуха, уже составит 5 и более градусов.

Как показывают наблюдения, в летние месяцы, когда происходит интенсивное таяние льда, температура воздуха в Арктике всюду близка к нулю градусов. Легко представить себе, что произойдет здесь при повышении температуры воздуха всего лишь на 2-4 градуса.

Л. И. Зубенок утверждает, что даже кратковременное (в течение 1 года) повышение средней температуры воздуха в Арктике на 2 градуса отодвинет к северу границу льдов на 200-300 км. А если температура воздуха здесь в течение лета повысится на 4 градуса, то многолетние паковые льды вообще исчезнут (за исключением небольшого района, расположенного вблизи Северного полюса). Вместо них в зимнее время, как сейчас в Белом или Балтийском морях, вдоль берега материков образуется лишь полоса однолетнего ледяного припая, который будет таять в течение лета. При таких условиях Арктический океан практически круглый год станет судоходен, а в зоне морских портов проход судов в зимнее время обеспечат ледоколы. В последующие годы, после такого потепления процесс таяния многолетних арктических льдов не только бы не прекратился, но даже усилился, несмотря на то что аномалия температуры воздуха при этом могла бы быть значительно меньше 4 градусов. Все дело в том, что образовавшиеся в результате предыдущего таяния обширные площади открытой воды в силу увеличения ее способности поглощать тепло стали бы играть роль аккумуляторов солнечной радиации. Поверхностный слой воды способствовал бы дальнейшему таянию многолетних льдов. Причем такой процесс из года в год увеличивался бы наподобие цепной реакции, пока весь многолетний лёд в Арктике не был бы растоплен. И такое предположение не является фантазией. Даже за последние несколько десятилетий бывали такие тёплые годы, когда средние температуры воздуха за летний период оказывались выше нормы на 2 и более градусов. Эти аномалии температур, как известно, приводили к освобождению Арктического океана ото льда на больших пространствах. Так, например, в течение тёплого лета 1921 года, когда температура воздуха в Арктике была значительно выше обычной, толщина льда здесь уменьшилась с 5-6 до 3-4 метров. Еще 2-3 таких тёплых года, и арктические льды исчезли бы. Это повышение температуры не было достаточно долгим. На смену ему пришли холодные сороковые годы, и арктические льды восстановили свою мощность и размеры.

Похолодание климата Арктики продолжается и в настоящее время.

Искусственное ускорение таяния льдов неминуемо приведёт к тому, что тепловой баланс Арктики после этого станет совершенно иным. Учёные Главной геофизической обсерватории (М. И. Будыко, Л. Р. Ракипова и др.) рассчитали независимыми методами, насколько изменится температура воздуха и воды в Арктике в случае таяния полярных льдов, и получили одинаковый результат. В центре Арктического бассейна средние годовые температуры воды и воздуха при отсутствии льдов будут равны примерно 5 градусам тепла. Разница между летними и зимними температурами воды и воздуха должна быть незначительна. Даже зимой на Северном полюсе температуры воды и воздуха не опускались бы ниже нуля градусов.

Но что же произойдёт с природой всего северного полушария после того, как растают полярные льды? Не вызовет ли это преобразование природы нежелательных последствий? На первый взгляд, казалось бы, вопрос решается однозначно. Да, природные условия изменятся в лучшую сторону. Будет теплее в Арктике, будет теплее и в умеренных широтах. Тропики с их благоприятным климатом, растительным и животным миром продвинутся на север. И почти до Полярного круга расширится зона земледелия. Перестанет существовать мало полезная для человека зона тундры. Исчезнет вечная мерзлота. Ну, а главное, потеплеет климат, забудутся суровые зимы, и у человека сразу же пропадет множество связанных с этим забот. Однако более углубленное изучение проблемы потепления Арктики показало, что в ней минусов не меньше, чем плюсов, причем каждый из них заставляет насторожиться. Группа ученых Главной геофизической обсерватории под руководством профессора О. А. Дроздова попыталась решить второй из важнейших вопросов этой проблемы: как же изменятся осадки в северном полушарии после того, как исчезнут полярные льды и потеплеет климат Арктики. Ведь осадки, как и температура, как мы знаем, являются тем рычагом природы, от которого зависит как развитие процесса оледенения Земли, так и, наоборот, расширение засушливых зон. Из палеогеографии известно, что в межледниковые периоды засушливые и пустынные зоны подвигали свои границы далеко на запад, по сравнению с современным их положением. Климат нынешнего Казахстана, например, распространялся на всю Центральную Европу. Не возникнут ли такие же нежелательные изменения и после уничтожения льдов Арктики? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте попытаемся построить хотя бы качественно схему, по которой должны развиваться физические процессы в атмосфере северного полушария после того, как растают полярные льды и Арктика сильно потеплеет. Повышение температуры на Земле, как мы уже знаем, может явиться только результатом увеличения приходных статей теплового баланса подстилающей поверхности. В Арктике это произойдет вследствие того, что солнечная радиация, ранее на 9/10 отражавшаяся ледяной и снежной поверхностью обратно в атмосферу и мировое пространство после исчезновения льдов будет большею частью поглощаться водой и пойдет на её нагревание. Температура поверхности океана зимой с 30-35 градусов мороза, какой она является в настоящее время, поднимется выше нуля. Повышение температуры неминуемо приведет к увеличению испарения в холодное время года, а следовательно, и к увеличению содержания водяного пара в атмосфере (хотя относительная влажность при этом может, как и теперь оставаться высокой). Значительно увеличится испарение и в тёплое время года, особенно над Центральным Арктическим бассейном, который теперь и в летний период покрыт льдом. Однако это, казалось бы, благоприятное обстоятельство, по-видимому, не изменит режим осадков в лучшую сторону. И вот почему. Уменьшение контраста между температурами воздуха северных и южных широт должно неминуемо ослабить атмосферную циркуляцию в северном полушарии. Арктика перестанет быть для умеренных широт той «кухней погоды», которой она часто является в настоящее время. И это понятно. Ведь если температуры воздуха за окном и в комнате одинаковы, то оттого, открыта форточка или закрыта, комната проветриваться не будет. Иное дело, когда на улице холодно, а в комнате жарко. Тогда никакого вентилятора не надо. Холодный воздух улицы через форточку стремительно идет в комнату, вытесняя теплый комнатный воздух.

Ослабление циркуляции между полярной и умеренной зонами неминуемо должно нарушить и существующую в настоящее время широкую циркуляцию в северном полушарии, то есть перенос тёплого и влажного воздуха с Атлантического океана на материк Европы и с Тихого океана на восток Азии. Это будет вызвано тем, что сильно ослабеют, а возможно, даже исчезнут совсем, существующие в настоящее время постоянные «центры действия» в атмосфере — области минимумов атмосферного давления вблизи Исландии (Исландский минимум) и над Алеутскими островами в Тихом океане (Алеутский минимум). Они возможны только благодаря наличию контраста температур воздуха между умеренными и полярными широтами и существованию в атмосфере, на границе раздела между тёплым и холодным воздухом так называемого полярного фронта. Исчезнет этот фронт, прекратится и возникновение на нём бесчисленных воздушных вихрей — циклонов, приносящих в Европу и на восток Азии влажную и дождливую погоду. В умеренной зоне Европы станет гораздо суше, чем в настоящее время! Засуха здесь будет явление, по-видимому, столь же частое, как сейчас на юге России или в Казахстане. Что же касается южных районов европейской территории СССР, то здесь также должно стать гораздо суше, чем теперь.

Иные условия установятся в прибрежных широтах Арктики, где будет развиваться своя местная муссонная циркуляция, такая, примерно, как сейчас на Дальнем Востоке. Возникновение муссонов на арктическом побережье будет связано с увеличением контраста температур между сушей и свободным от льдов океаном. В настоящее время зимой между покрытым льдом Арктическим бассейном и заснеженными материками контрасты температур невелики. А представьте себе, насколько они увеличатся, если Ледовитый океан освободится от льда и воздух будет на 30 градусов теплее, чем теперь? Тогда здесь, должен господствовать зимний муссон с сильными, сухими и холодными ветрами, дующими с суши в сторону моря.

Иначе будет выглядеть и летний муссон. Он принесет на побережье Арктики обильные осадки, сильные ветры, непогоду. О. А. Дроздов, много лет занимавшийся вопросами изучения кругооборота водяного пара между поверхностью Земли и атмосферой, нашел, что в результате увеличения влагосодержания атмосферы Арктики, количество осадков должно было бы увеличиться во всем северном полушарии, вплоть до экватора. В полярном бассейне этот прирост осадков может достигнуть 300-400 процентов, а на экваторе всего лишь несколько процентов или десятков процентов. Однако уменьшение контраста в температурах воздуха между широтами и связанные с этим изменения в общей циркуляции вносят существенные поправки в эти цифры, а главное — совершенно по-другому распределяют осадки на земной поверхности. Дело все в том, что принесенный с моря на материк влажный воздух, удаляясь от побережья, постепенно нагревается и высушивается, приобретая свойства того воздуха, который до этого был в данном районе. Это изменение свойств пришедшего воздуха метеорологи называют трансформацией воздушной массы. Так вот эта трансформация и зимой и летом приводит к уменьшению осадков по мере того, как влажный воздух продвигается от побережья моря вглубь материка.

Поскольку после исчезновения полярных льдов тёплые и сухие зоны материков расширятся, то и влияние их на трансформацию воздушных масс, идущих с моря, будет сказываться сильнее, чем теперь, так как поступающий с моря влажный воздух будет иссушаться и удаляться от точки насыщения гораздо ближе к побережью, чем в настоящее время. Центральные области материков окажутся более сухими, а побережья морей более влажными, чем в настоящее время.

О. А. Дроздов нашёл, что внутриматериковые области, бедные осадками, при потеплении Арктики должны расширяться и приближаться к побережью прямо пропорционально уменьшению контрастов температуры. Тогда повышение температуры пришедшей с моря воздушной массы всего лишь на 2 градуса, например для Индии, равносильно будет понижению относительной влажности с 80 до 64 процентов или уменьшению осадков на 12 процентов. При большем повышении температуры иссушение воздуха пойдёт еще быстрее. Многие из старожилов Средней России, да и всей Европы, помнят лето 1921 года, когда, как мы говорили, наблюдалось сильное потепление Арктики и быстрое таяние её вековых льдов. Этот год был, как известно, необычайно тяжёлым. Засуха охватила всю Европейскую Россию и ряд стран Европы.

На рис. 29 показано, насколько изменится количество осадков над северным полушарием в холодный (а) и теплый (б) периоды года при потеплении Арктики на 5 градусов. Изолинии на картах проведены зимой через 25 или 50, а летом— через 100 мм. Знаком плюс (+) показано увеличение, а знаком минус (—) уменьшение осадков. Если внимательно посмотреть на карту возможных изменений осадков в холодный период, то можно заметить на ней чередование сухих и влажных зон. Во всей Арктике, начиная к северу от Полярного круга для европейской и азиатской её части и почти от 50 градуса в Американском секторе будет более влажно, чем теперь. Максимальные увеличения осадков для этой зоны должны наблюдаться над Исландией (на 100-150 мм) и Аляской (150-200 мм). В зоне умеренных широт (примерно от 45 до 65, а в Америке даже до 50 градуса) должно наблюдаться уменьшение количества осадков в зимний период. Северная граница зоны малоснежных зим протянулась бы от севера Скандинавии до севера Уральских гор в Европе и далее на восток почти до Японских островов. А южная её граница проходила бы от Франции через Южную Европу до северного побережья Каспийского и Аральского морей и далее к Тихому океану, захватив Корею, Северный Китай и Японию.

В Америке она заняла бы юг Канады и север США. Наиболее сухими районами в этой зоне были бы северо-запад Европы, юго-восток Японии и юго-восток Северной Америки, где сумма осадков за полугодие должна была бы быть меньше современного на 100-150 миллиметров. К югу от этой зоны, то есть как раз там, где в настоящее время проходит пояс сухих степей и великих пустынь, наоборот, наблюдалась бы вторая зона увеличения осадков. Она заняла бы юг Европы, Среднюю Азию, юг Аравийского полуострова и почти всю Индию и государства, расположенные на полуострове Индокитай. В Америке она распространилась бы на большую часть США, Мексику и Центральную Америку.

Наибольшее увеличение осадков в этой зоне, превышающее 400 мм/год, имело бы место в Южном Китае и Вест-Индии. Исключение составлял бы север Африки, Сахара, северная часть Аравии и Армянское нагорье, где зимой было бы еще суше, чем в настоящее время. Более сухим был бы и юго-восток Азии, а также север Южной Америки.

В тёплый период картина вырисовывалась бы еще более чётко. Зона повышенного увлажнения, помимо Арктики, распространилась бы на всю азиатскую территорию Советского Союза и почти на всю Северную Америку. Причем количество осадков над Среднесибирским плоскогорьем и районом Великих озер Северной Америки увеличилось бы на 200-300 мм. Зато вся Западная Европа, большая часть европейской территории СССР, значительная часть Казахстана, Монголия, север Кореи, вся южная и Юго-Восточная Азия, юг Мексики и Центральная Америка превратились бы в засушливую зону. Наибольшее уменьшение осадков (до 400 и более мм) произошло бы на Кубе и в северной части Южной Америки/а в Азии — на западе Индокитай и юге Китая (на 500 и более мм). А вот в соседнем с ними районе — крайнем юго-востоке Азии, например, на Филиппинах, должно быть в этот период чудовищное увеличение осадков — более чем на 800 мм. Примерно такое же увеличение осадков произошло бы и на востоке Африки.

Таким образом, исследования О. А. Дроздова приводят нас к далеко не оптимистичном выводам. Они показывают, что потепление Арктики может, пожалуй, принести человечеству больше вреда, чем пользы, так как существенно ухудшит климатические условия наиболее густо населённых областей Земли. Столь резкое изменение климата неминуемо приведёт к изменению растительного и животного мира, почвообразования, гидрологического режима рек и озер и т.д.

Неясным остаётся и вопрос о том, что же может произойти с жизнью ледников в северном полушарии при таком потеплении Арктики. Ведь согласно предположениям Юинга и Данн, Стокса и Шеготы и других авторов между потеплением Арктики и оледенением Европы существует теснейшая связь. Как только Ледовитый океан начинает освобождаться от льда так, по их мнению, начинается рост ледников в горных районах Европы. Расчеты О. А. Дроздова также подтверждают такое предположение. Правда, по его данным, над Скандинавскими горами в течение всего года получается недобор осадков, но зато над Полярным Уралом они увеличатся почти в полтора раза. А это уже может привести к быстрому росту имеющихся там ледников. Могут начать расти и ледники, находящиеся на Арктических островах, Аляске, в Исландии и, конечно, в Гренландии. Иными словами, могут вновь создаться благоприятные условия для оледенения высоких широт северного полушария. Поэтому прежде чем решиться на такой ответственный шаг, как растопление льдов Арктики, учёным еще предстоит провести множество расчётов, составить не один тепловой и водный баланс для каждого из районов, которые могут подвергнуться наибольшим изменениям.

По-видимому, еще много раз будут собираться симпозиумы, конференции, совещания по этой проблеме. Пока же полезность и целесообразность искусственного растопления арктических льдов и изменения климата северного полушария остаётся под вопросом. Поскольку человечество ожидает изменение климата в результате собственной жизнедеятельности, вопрос о том, надо ли искусственным путём таять полярные льды, по-видимому, еще более отодвигается. Изменение теплового баланса Арктики и её потепление в ближайшие несколько десятков лет может произойти само собой, помимо воли человека, но под его непосредственным влиянием.

На этом и закончим книгу. Разумеется, мы не могли осветить в ней все вопросы и проблемы, решение которых прямо или косвенно связано с тепловым балансом. Да мы и не ставили перед собой этой задачи. Мы хотели бы лишь одного: чтобы читатель мог сам разобраться в многих процессах и явлениях природы, казавшихся ему непонятными или необъяснимыми. И если он когда-либо воспользуется методом теплового баланса — этим ключом для познания природы, мы будем считать, что наша книга достигала своего назначения.

Комментарий И. Амелина

Хочется сказать, что роль Солнца на Земле далеко не исчерпывается влиянием на биосферу планеты. Сама по себе книга “Солнце на Земле” написанная простым и доступным языком, демонстрирует потрясающие возможности человеческого разума в познании и преобразования природы. Необходимо отметить, что процесс развития человеческих знаний неразрывно связан с окружающей нас природой, нашим Учителем. Сколько изобретений человек сделал путём “подсматривания” за растительным и животным миром нашей планеты! Растительный покров – могучая производительная сила, которая эффективнее любого самого современного химического производства, производство растительной биомассы является безотходным  производством, поскольку явного вреда нашему здоровью не приносит.

Рассмотрим агротехнические приемы земледельца в условиях сурового климата (наиболее яркий пример – Зепп Хольцер), которые меняют тепловую инерционность почв на своих участках (террасирование, рыхление, устройство водоемов, камни на южных склонах). При росте тепловой инерционности поверхности (это значит, что поверхность обладает большой удельной теплоемкостью и плотностью, но плохой теплопроводностью) возрастает средняя температура приземного слоя воздуха в вегетационный период. Все это при условии достаточной увлажненности позволяет не только увеличивать урожаи, но и улучшить питание людей за счет выращивания более теплолюбивых плодовых культур – яблони, груши, черешни и т.п.

Коренные жители юга Кузбасса – шорцы тоже знакомы с принципами управления тепловым балансом. Как правило, в конце февраля - начале марта на юге Сибири устанавливается безоблачная солнечная погода. Интенсивность солнечной радиации такая, что можно загорать в одной майке, однако из-за большой отражательной способности снега ночью температура нередко падает до -15…-20°C. На возвышенных участках, в утренние часы температура воздуха на 5-10°C выше, поскольку на наклонных поверхностях воздух не застаивается и при охлаждении скатывается в распадки под действием силы гравитации. Раскапывая небольшие участки от снега (оставляют слой 5-10 см) на южных склонах гор, аборигены черневой тайги накрывают оголившуюся талую землю полиэтиленовой плёнкой. В результате колебания ночных и дневных температур у земли сглаживаются. За счёт тёплых ночей среднесуточные температуры становятся положительными, появляются условия для роста холодостойкого лука победного или черемши. Вот так шорцы кушают свеженькую зелень на месяц раньше ее обычного появления.

Что означают действия земледельца на языке теплового баланса - тепловая инерционность почвы меняет количество отражённого в космос тепла на крошечном участочке Земли, альбедо Земли становится чуть меньше. Тем не менее, такой крошечный вклад в увеличение теплового баланса планеты достаточен, чтобы одна человеческая семья, элементарная ячейка нашего общества, была обеспечена здоровым полноценным питанием.

Если же представить, что рост эффективности использования солнечной энергии произойдет на глобальном уровне – неумолимо уменьшатся затраты энергии на борьбу с болезнями, недоеданием, войнами - человечество перейдет к состоянию Ноосферы. Земля превратится в самодостаточную планету, которая благодаря более эффективному расходованию солнечной радиации сможет накапливать значительные излишков энергии на своей поверхности в виде творческого потенциала человечества. Благодаря возможности превращения солнечной энергии в энергию мысли мы освоили океаны, атмосферу, вышли в космос и стали самым многочисленным видом на Земле. Пока человечество обладает данной способностью, мы можем доказать наше право на существование в суровом космическом вакууме.

Научившись сознательно менять климат, производя большую часть электроэнергии из возобновляемых источников, изменив питание большинства людей с мясного на растительное, создав сложные биоценозы из человеко-ориетнированных растений на основе принципа сотрудничества (лес-огород), человек сможет получать стабильные и высокие дивиденды со своего главного наличного капитала - солнечной энергии. Освободившиеся энергетические возможности позволят регулировать движения астероидов километровых размеров. Мы станем действительно взрослой и независимой цивилизацией, по крайней мере, в нашей Солнечной системе.

Источник: http://big-archive.ru/

Комментарии (0)
Сады Сибири © 2016

Сады Сибири

Внимание Ваш браузер устарел!

Мы рады приветствовать Вас на нашем сайте! К сожалению браузер, которым вы пользуетесь устарел. Он не может корректно отобразить информацию на страницах нашего сайта и очень сильно ограничивает Вас в получении полного удовлетворения от работы в интернете. Мы настоятельно рекомендуем вам обновить Ваш браузер до последней версии, или установить отличный от него продукт.

Для того чтобы обновить Ваш браузер до последней версии, перейдите по данной ссылке Microsoft Internet Explorer.
Если по каким-либо причинам вы не можете обновить Ваш браузер, попробуйте в работе один из этих:

Какие преимущества от перехода на более новый браузер?