В России в 1849 г. по указу царя Николая I была создана Главная физическая обсерватория. Ежедневный выпуск бюллетеней погоды она начала с 1872 г.

Рис. 1.3. Роберт Фицрой (1805–1865). Капитан знаменитого «Бигля», вице-адмирал Королевского флота, губернатор Новой Зеландии, основатель практической метеорологии. Фото сделано ок. 1860 г.

Итак, мы располагаем непрерывными метеонаблюдениями примерно за полтора века. Причем их трудно назвать исчерпывающими как по количеству параметров, так и по географическому охвату. Ситуация значительно улучшилась с началом космической эры, когда появилась возможность со спутников непрерывно контролировать площадь облаков, размеры ледников, температуру поверхности океана, содержание хлорофилла в морской воде и т. д. Как же узнать о том, что было 200, 300 и более лет тому назад? Ведь без этого невозможно оценить масштаб нынешних климатических изменений и выяснить их причины. Отчасти в этом нам могут помочь исторические документы. Информацию о климате более далекого прошлого можно получить по косвенным данным, исследуя осадочные породы, донные отложения, ледники. Подробнее об этом см. раздел «Элементы климатической науки» в данной главе.

Изучение климата планеты естественно начать с ее энергетического баланса. Земля получает энергию от Солнца. Тепловой поток из недр Земли невелик, от сотых до десятых долей ватта на квадратный метр. Составляя тепловой баланс, им можно пренебречь; это же касается и космического излучения.

Любое тело является источником электромагнитного теплового излучения. Оно возникает из-за движения атомов и молекул. Длина волны, при которой поток теплового излучения максимален, обратно пропорциональна температуре тела (так называемый закон смещения Вина). То есть чем горячее тело, тем выше энергия теплового излучения. Так, человеческое тело температурой 37 °C излучает в инфракрасном диапазоне с максимумом длины волны около 10 мкм. Именно это позволяет наблюдать людей с помощью приборов ночного видения. Тела с более высокой температурой, например раскаленная лава или лампочка накаливания, излучают в видимом диапазоне. Температура нити накаливания лампочки существенно ниже температуры фотосферы Солнца, потому излучение ее сдвинуто в красную область спектра в сравнении с дневным светом.

Солнечный спектр на границе атмосферы близок к спектру тела с температурой 5250 °C. Мощность солнечного излучения в пересчете на 1 м2 на верхней границе атмосферы примерно соответствует мощности электрического чайника (1361 Вт/м2) (Kopp, Lean, 2011). Эту величину называют солнечной постоянной, хотя название вводит в заблуждение – поведение Солнца не столь уж постоянно (об этом – в главе 4). Площадь поперечного сечения планеты в четыре раза меньше площади ее поверхности (?R2 и 4?R2 соответственно). Если пересчитать энергию, приходящую от Солнца, на всю поверхность планеты, получится около 340 Вт/м2.

Около 30 % солнечной энергии отражается облаками, поверхностью Земли и рассеивается атмосферой обратно в космос. Остальные 70 % передаются климатической системе планеты. Примерно треть этой величины поглощается озоном и водяным паром, капельками воды в облаках и частицами пыли, нагревая атмосферу (рис. 1.4), а две трети – поверхностью Земли. Эта энергия передается атмосфере путем конвекции, затрачивается на испарение воды (скрытое тепло) и испускается в виде теплового излучения в инфракрасном диапазоне. Упрощенная картина радиационного баланса поверхности Земли, ее атмосферы и планеты в целом представлена на рис. 1.4.

Мы знаем, сколько энергии Земля получает от Солнца (0,7 · 340 = 238 Вт/м2). Любой бюджет должен быть сбалансирован – это необходимо для поддержания постоянных условий, в нашем случае – для сохранения постоянной температуры. Значит, столько же энергии Земля отдает в космическое пространство в виде длинноволнового излучения. Зная поток излучения, можно рассчитать [9] среднюю температуру земной поверхности. Расчет дает величину минус 19 °C. В действительности же температура гораздо выше, около +14 °C. Это происходит оттого, что атмосфера, подобно одеялу, задерживает тепло Земли. Она пропускает коротковолновое излучение Солнца внутрь и не выпускает длинноволновое излучение Земли наружу. Поглощая длинноволновое излучение, атмосфера, переизлучает его во всех направлениях, в том числе и в обратном. Это естественное явление называется парниковым эффектом. Поглощают инфракрасное излучение в основном водяной пар и углекислый газ, в меньшей степени – озон, метан, закись азота. Газы, молекулы которых состоят из двух одинаковых атомов, в том числе основные компоненты атмосферы (N2, O2), прозрачны для инфракрасного излучения. На Венере, где атмосфера в 93 раза плотнее земной и состоит почти полностью из углекислого газа, температура благодаря парниковому эффекту достигает почти 500 °С!

Рис. 1.4. Радиационный баланс Земли. Подробнее см. (Kiehl, Trenberth, 1997)

Газовая оболочка Земли – атмосфера – удерживается силой тяготения. Плотность и давление воздуха с высотой уменьшаются примерно по экспоненциальному закону. Четкой границы между атмосферой и космическим пространством нет, обычно за толщину атмосферы принимают высоту в 100 км.

Атмосфера нашей планеты состоит преимущественно из азота и кислорода. Третий по распространенности компонент – инертный газ аргон. В значительно меньших количествах содержатся углекислый газ, неон, гелий, метан, криптон, водород и закись азота, монооксид углерода (табл. 1.1). Кроме того, воздух может содержать до 5 % по объему паров воды [10] .

Газовый состав атмосферы сформировался в результате ее эволюции; об этом будет более подробно рассказано в главе 3. Состав воздуха в масштабах нашей жизни можно считать постоянным. Большинство компонентов находятся в динамическом равновесии – сколько убывает, столько же и пополняется за счет тех или иных процессов. Исключение составляют лишь те, количество которых быстро растет в результате хозяйственной деятельности человека; в первую очередь это углекислый газ и метан.

Основной источник метана – болота и тундра; образуется он при бактериальном разложении органического вещества в анаэробных условиях. Антропогенные источники атмосферного метана – это в основном сельское хозяйство и добыча нефти и газа. В морской воде метан практически не растворяется, а выводится из атмосферы за счет фотохимического окисления.

Основные компоненты атмосферы – азот и кислород – имеют биогенное происхождение. Кислород образуется при фотосинтезе, азот – в результате бактериального восстановления нитратов. Аргон образуется в основном в результате радиоактивного распада калия-40, гелий – при распаде урана и тория. Вулканы выбрасывают диоксиды углерода и серы, хлороводород, фтороводород и другие газы. Некоторые компоненты, например, озон, образуются in situ [11] , то есть в результате процессов в самой атмосфере.