Як Сонца ўплывае на клімат Зямлі
Сонца — асноўная крыніца энергіі Зямлі. Амаль усе працэсы, якія фарміруюць надвор'е і клімат — ад выпарэння акіяна і ўтварэння аблокаў да цыркуляцыі ветру і фотасінтэзу — пачынаюцца з таго, што сонечная радыяцыя дасягае атмасферы і паверхні нашай планеты. Аднак уплыў Сонца на клімат не такі просты, як «чым ярчэй сонца, тым гарачэй яно становіцца». Існуе мноства ўзаемазвязаных механізмаў: варыяцыі сонечнай энергіі, тое, як атмасфера паглынае і адлюстроўвае радыяцыю, роля акіянаў як паглынальнікаў цяпла і нават змены арбіты Зямлі на працягу вельмі доўгага часу. У гэтым артыкуле даследуецца, як Сонца ўплывае на клімат Зямлі з розных бакоў.
1. Сонечная энергія як кліматычны «рухавік»
Клімат — гэта, па сутнасці, доўгатэрміновае сярэдняе значэнне ўмоў надвор'я. Штодзённае надвор'е можа хутка змяняцца, але клімат вызначаецца энергетычным балансам: колькі паступаючай сонечнай энергіі выпраменьваецца і колькі выпраменьваецца назад у космас. Паступаючая энергія — гэта ў асноўным караткахвалевае выпраменьванне (бачнае, ультрафіялетавае і блізкае інфрачырвонае святло). Частка энергіі паглынаецца паверхняй і атмасферай, а частка адлюстроўваецца назад аблокамі, аэразольнымі часціцамі і яркімі паверхнямі, такімі як лёд.
Затым Зямля перавыпраменьвае энергію ў выглядзе даўгахвалевага (інфрачырвонага) выпраменьвання. Тут уступае ў гульню парніковы эфект: такія газы, як вадзяная пара, вуглякіслы газ, метан і закіс азоту, паглынаюць частку гэтага інфрачырвонага выпраменьвання і перавыпраменьваюць яго, робячы паверхню цяплейшай, чым яна была б без зямной атмасферы. Іншымі словамі, Сонца забяспечвае энергію, а атмасфера вызначае, як доўга гэтая энергія «захоўваецца» ў кліматычнай сістэме.
2. Альбеда: роля адлюстравання ў рэгуляванні тэмпературы
Адным з ключоў да разумення ўплыву Сонца з'яўляецца альбеда, працэнт сонечнай радыяцыі, якая адбіваецца назад у космас. Светлыя паверхні, такія як снег і лёд, маюць высокае альбеда, адлюстроўваючы больш святла і імкнучыся астудзіць Зямлю. І наадварот, цёмныя акіяны або густыя лясы паглынаюць больш энергіі, награваючы Зямлю.
Альбеда таксама істотна залежыць ад аблокаў. Густыя аблокі могуць значна адлюстроўваць сонечную радыяцыю (ахаладжанне), але яны таксама могуць затрымліваць інфрачырвонае выпраменьванне, якое выпраменьваецца Зямлёй (пацяпленне). Канчатковы эфект залежыць ад тыпу аблокаў, вышыні і таўшчыні. Паколькі Сонца з'яўляецца крыніцай радыяцыі, якая адлюстроўваецца ад аблокаў і лёду, змены альбеда — адзін са спосабаў, якім Сонца ўскосна «рэгулюе» клімат.
3. Змены сонечнай актыўнасці: сонечныя плямы і 11-гадовы цыкл
Сонца не з'яўляецца пастаянным свяцілам. Яно мае цыкл магнітнай актыўнасці, найбольш вядомы з якіх — прыкладна 11-гадовы цыкл, які характарызуецца зменамі колькасці сонечных плям. Па меры павелічэння актыўнасці адбываюцца невялікія змены ў агульнай энергіі, якая выпраменьваецца Сонцам, вядомай як агульная сонечная радыяцыя (АПРА). Змены АПРА на працягу гэтага цыклу адносна невялікія (каля дзясятай долі працэнта), але яны ўсё яшчэ могуць уплываць на верхнія пласты атмасферы і пэўныя заканамернасці цыркуляцыі.
Акрамя TSI, змены ультрафіялетавага (УФ) выпраменьвання могуць быць больш значнымі, чым змены агульнай энергіі. УФ-выпраменьванне істотна ўплывае на хімію атмасферы, асабліва на ўтварэнне і змены азону ў стратасферы. Змены азону могуць змяніць размеркаванне тэмпературы ў стратасферы, і пры некаторых умовах іх наступствы могуць "пранікаць" у трапасферу, дзе адбываецца надвор'е. Гэта азначае, што ўплыў сонечнай актыўнасці ажыццяўляецца не толькі праз прамое награванне, але і праз змены ў структуры атмасферы.
4. Уплыў сонца праз акіяны: найбуйнейшы рэзервуар цяпла
Акіяны паглынаюць большую частку сонечнай энергіі, якая дасягае паверхні. З-за сваёй велізарнай цеплаёмістасці акіяны дзейнічаюць як кліматычныя «батарэі», захоўваючы цяпло на працягу пэўных перыядаў і павольна вызваляючы яго. Акіянічныя плыні дапамагаюць перамяшчаць цяпло з тропікаў у больш высокія шыроты, тым самым ураўнаважваючы глабальныя тэмпературныя адрозненні.
Узаемадзеянне сонца, акіяна і атмасферы таксама відавочна ў такіх з'явах, як Эль-Нінья і Ла-Нінья. Нягледзячы на тое, што гэтыя з'явы не выклікаюцца непасрэдна зменамі на сонцы, сонечная энергія, якая паглынаецца акіянам, з'яўляецца асноўным палівам для гэтай дынамікі. Варыяцыі паглынання цяпла, змены пасатаў і цеплаабмен паміж акіянам і атмасферай могуць змяніць рэжым выпадзення ападкаў і тэмпературу па ўсім свеце.
5. Нахіл восі Зямлі і поры года: размеркаванне сонечнай энергіі
Людзі часта думаюць, што поры года змяняюцца з-за змены адлегласці Зямлі ад Сонца. Аднак асноўнай прычынай змены пор года з'яўляецца нахіл восі Зямлі прыкладна на 23,5 градуса. З-за гэтага нахілу інтэнсіўнасць і працягласць сонечнага святла змяняюцца на працягу года на розных шыротах. Калі Паўночнае паўшар'е нахілена да Сонца, настае лета: дні даўжэйшыя і вугал падзення прамянёў больш прамы, што прыводзіць да большай энергіі на адзінку плошчы. І наадварот, калі Зямля нахілена ўбок, настае зіма.
Гэтае нераўнамернае размеркаванне сонечнай энергіі стымулюе глабальную цыркуляцыю атмасферы: цёплае паветра падымаецца ў тропіках, рухаецца ў больш высокія шыроты, а потым зноў апускаецца, утвараючы цыркуляцыйныя ячэйкі, такія як Хэдлі, Ферэл і Палярная. Вятры і акіянічныя плыні — гэта «інструменты», якія Зямля выкарыстоўвае для размеркавання сонечнай энергіі, каб яна не назапашвалася толькі ў тропіках.
6. Доўгатэрміновыя арбітальныя змены: цыклы Міланковіча
У маштабе ад тысяч да соцень тысяч гадоў на клімат Зямлі таксама ўплываюць змены арбіты і арыентацыі Зямлі, вядомыя як цыклы Міланковіча. Існуюць тры асноўныя кампаненты:
1. Эксцэнтрычнасць: форма зямной арбіты змяняецца з больш круглай на больш авальную.
2. Нахіл: вугал нахілу зямной восі змяняецца нязначна.
3. Прэцэсія: «ваганне» зямной восі змяняе час змены сезонаў адносна становішча Зямлі на арбіце.
Гэтыя цыклы не абавязкова істотна змяняюць агульную колькасць сонечнай энергіі, якая атрымлівае Зямля, але яны змяняюць размеркаванне энергіі па сезонах і шыраце. Гэтыя змены ў размеркаванні могуць справакаваць або спыніць ледавіковыя перыяды, у першую чаргу з-за зваротных сувязей, такіх як змены ў плошчы лёду і альбеда.
7. Кліматычнае ўздзеянне: узмацненне або паслабленне ўплыву Сонца
Уплыў Сонца часта ўзмацняецца або памяншаецца зваротнымі сувязямі ў кліматычнай сістэме. Напрыклад, калі невялікае пацяпленне выклікае раставанне лёду, альбеда памяншаецца, паглынаецца больш сонечнай энергіі, і пацяпленне павялічваецца — гэта называецца станоўчай зваротнай сувяззю. І наадварот, некаторыя механізмы могуць выступаць у якасці адмоўных зваротных сувязяў, такіх як павелічэнне інфрачырвонага выпраменьвання, якое выпраменьваецца Зямлёй па меры павышэння тэмпературы, што дапамагае збалансаваць сістэму.
Хмары, вадзяная пара і лёд з'яўляюцца найважнейшымі кампанентамі, бо яны непасрэдна ўплываюць на тое, як сонечная энергія паступае і апрацоўваецца. Складанасць гэтых зваротных сувязяў тлумачыць, чаму рэакцыя клімату на невялікія змены сонечнай радыяцыі не заўсёды лінейная.
8. Сонца і сучаснае змяненне клімату: якая яго роля?
У дыскусіях пра сучаснае змяненне клімату важна адрозніваць натуральны ўплыў Сонца ад уплыву дзейнасці чалавека. Навукоўцы прызнаюць, што змены сонечнай актыўнасці спрыяюць зменлівасці клімату, але дадзеныя назіранняў сведчаць аб тым, што глабальнае пацяпленне з сярэдзіны 20-га стагоддзя нельга растлумачыць толькі зменамі сонечнай актыўнасці. Моцная тэндэнцыя да пацяплення, характар пацяплення атмасферы (напрыклад, пацяпленне трапасферы ў той час як стратасфера мае тэндэнцыю да астывання) і павелічэнне канцэнтрацыі парніковых газаў сведчаць аб дамінуючай ролі антрапагенных фактараў.
Аднак гэта не азначае, што Сонца «няважнае». Сонца застаецца асноўнай крыніцай энергіі, і разуменне яго змен мае вырашальнае значэнне для аддзялення прыродных сігналаў ад тых, што выкліканыя дзейнасцю чалавека, а таксама для павышэння дакладнасці кліматычных мадэляў.
Выснова
Сонца ўплывае на клімат Зямлі рознымі шляхамі: як асноўная крыніца энергіі, праз змены альбеда, праз варыяцыі магнітнай актыўнасці і ультрафіялетавага выпраменьвання, а таксама праз рэгуляванне размеркавання энергіі з дапамогай нахілу восі і доўгатэрміновых арбітальных цыклаў. Акіяны і атмасфера затым апрацоўваюць гэтую энергію праз складаную цыркуляцыю, назапашванне цяпла і зваротныя сувязі. Разумеючы гэтыя механізмы, мы можам бачыць, што клімат Зямлі з'яўляецца вынікам дынамічнага ўзаемадзеяння паміж энергіяй Сонца і зямной сістэмай, і што невялікія змены ў любым адным кампаненце могуць выклікаць вялікія змены, калі яны ўзмацняюцца пэўнымі зваротнымі сувязямі.
