Распределение солнечного тепла на поверхности Земли

Проф. Мушкетов говорит, что теплота, доставляемая на Землю солнечными лучами, распределяется весьма неравномерно на земной поверхности в зависимости от астрономических и физических условий.

Прежде всего распределение ее зависит от положения Земли относительно Солнца, именно от расстояния Земли от Солнца, синуса угла падения солнечных лучей на Землю и продолжительности дня, т. е. времени, когда Солнце над горизонтом. В течение короткого времени всего более получается тепла от Солнца между тропиками в те дни, когда солнечные лучи падают отвесно на Землю в полдень. Но вследствие краткости дня между тропиками самое большое количество тепла в сутки получается на полюсах в дни летнего солнцестояния каждого полушария, так как в эти дни Солнце находится над горизонтом целые сутки и его лучи падают под углом почти в 23°5′. Так как в нашу зиму (в январе) Земля находится всего ближе от Солнца, то всего более тепла в одни сутки получает Южный полюс.

Исходя из указанного положения, что количество теплоты, получаемое в сутки данной местностью, зависит от среднего синуса угловых высот Солнца над горизонтом (угол падения лучей), размера видимого солнечного диска (расстояние от Земли до Солнца) и продолжительности пребывания Солнца над горизонтом, и допуская, что изменение высоты Солнца как до, так и после полудня происходит равномерно, что хотя и не совсем точно, но недалеко от истины, мною вычислена нижеследующая таблица (табл. 1) количества тепла, получаемого в сутки полюсами и точками экватора и параллелей 15, 30, 45, 60 и 75° обоих полушарий, приняв за 100 единиц тепла количество его, получаемого точкой экватора при склонении Солнца — 0°, т. е. в дни равноденствий.

Аргументами таблицы служат параллели через каждые 15° от полюса до полюса и склонение Солнца через каждый 1°. Против каждого склонения показаны даты года, когда данное склонение имеет место. Последний столбец «Число дней» дает число дней в году, когда данное склонение с точностью до целых градусов имеет место. Искомым в таблице является количество тепла в сутки, получаемое точкой в данной широте, принимая за единицу тепла, как уже сказано, одну сотую того количества тепла, которое получает точка экватора в дни равноденствий. Вся таблица составлена при помощи альманаха 1928 г. (Последнее обстоятельство, к сожалению, но другого альманаха я в Кобе найти не мог.)

Из табл. 1 мною вычислена еще одна (табл. 2).

Из этих таблиц мы можем сделать следующие выводы.

В теплое время года полюса получают очень много солнечного тепла, причем в самые жаркие дни в 1,5 раза больше, чем в те же дни экватор: за четыре наиболее теплых месяца каждый из полюсов получает столько же тепла, сколько за то же время экватор, а за те полгода, что они освещены Солнцем, каждый из полюсов получает в среднем в сутки почти столько же тепла, сколько экватор в дни соответствующего солнцестояния.

В среднем за год каждый из полюсов получает столько же тепла в сутки, сколько одноименная 30-я параллель — в сутки в течение ее самого холодного месяца или 60-я параллель — в дни равноденствия.

Если к этим таблицам еще добавить то, что 67-я северная параллель получает в сутки в среднем зимой 9, летом 77, а за год 43 единицы тепла, то можно сделать вывод, что количество тепла, получаемого в среднем за сутки полярными областями, весьма равномерно на всем их пространстве, особенно летом.

Таблица 1. Распределения солнечного тепла на Земле (в относит. ед.)

Таблица 1. (окончание)

Таблица 2. Количество тепла, получаемого в среднем в сутки (в относит. ед.)

Астронормальная температура на Земле

Так как температура на земной поверхности обусловливается исключительно согревающим действием солнечных лучей (внутренняя теплота Земли, как доказано учеными, не играет практически никакой роли), то температуру в каждой местности, которая соответствовала бы количеству получаемой данной местностью солнечной теплоты, можно бы назвать просто нормальной. Но такой упрощенный термин может, понятно, повести к недоразумениям, поэтому я назвал ее астронормальной температурой на Земле.

Понятно, что астронормальная температура на Земле была бы в том случае, если бы Земля имела поверхность, быстро нагревающуюся под влиянием солнечных лучей и быстро теряющую тепло при их отсутствии. Такая поверхность — это земная суша пустынного характера. Атмосфера задерживает и нагревание и охлаждение поверхности Земли и способствует переносу тепла с места на место, почему совершенно астронормальную температуру мы получили бы только, если Земля оказалась бы в условиях Луны. Но так как атмосфера есть неотъемлемая принадлежность Земли, окружающая ее всегда и повсеместно, то астронормальной будем считать ту температуру Земли, которую она бы имела, если бы была повсеместно сушей пустынного характера при наличии сухой атмосферы и случайных ветров.

Теперь допустим:

1) Что серединная часть тропической Сахары достаточно удалена от моря, чтобы иметь неизмененную морем астронормальную годовую температуру. Сахара — пустыня и имеет сухой климат, почему мы ее и берем. Эту годовую температуру на 15° с. ш. мы допустим +32° (такая годовая температура где-то существует в этих местах). По табл. 2 это 86 единиц тепла.

2) Что северный полюс во время полярной ночи (при сухости его зимнего климата и бесспорной пустынности) имеет ту температуру, которую бы имел, если бы Азия и Америка на месте полярного океана соединялись сушей, т. е. тоже астронормальную (ибо чем зимой в смысле охлаждения поверхность льда отличается от всякой другой твердой поверхности?), причем среднюю зимнюю температуру полюса допустим —40°. По табл. 2 — это 0 единиц тепла.

Сделав эти два достаточно правдоподобных допущения, мы можем рассчитать астронормальную температуру на Земле для любой широты и любого времени года: при 0 единиц тепла — минус 40°, при 86 единицах тепла — плюс 32°, остальные температуры рассчитываются по пропорции.

В соответствии с этим мною и вычислена следующая таблица (табл. 3).

Для 67° с. ш. мы имеем среднюю летнюю +26°, среднюю зимнюю —32°, среднюю годовую —4°. В этой табл. 3 опять обращает на себя внимание ровность средних температур в больших широтах. За шесть летних месяцев средняя температура, начиная с 60-й параллели, остается без изменения, годовые же температуры за полярным кругом меняются только на 2°, тогда как в умеренных широтах на 15° широты приходится 12° изменения годовых температур.

Все эти температуры, однако, совершенно не сходятся с теми, которые мы в наш век наблюдаем.

Поищем же причины этого.

Таблица 3. Астронормальные температуры на Земле (в градусах С)

Отклонение температур на Земле от астронормальных

Факторы, отклоняющие температуры на Земле от астронормальных, следующие:

1) Высота местности над уровнем моря. Мы уже видели, что с подъемом температура понижается приблизительно на 1° на каждые 200 м высоты.

2) Господствующие ветры, которые могут и повышать и понижать температуру в некоторых местах Земли против астронормальной.

3) Влажность климата, которая всегда понижает температуру против астронормальной, ибо, во-первых, водяные пары в атмосфере задерживают часть солнечных лучей, во-вторых, не все достигающие Земли лучи идут на нагревание поверхности, так как часть их расходуется на таяние весной снега и на испарение с влажной почвы. Сказывается это понижение температуры особенно летом и в тропических странах, так как при температуре ниже 0° затрата тепла на испарение очень мала. Вследствие влажности климата мы нигде, кроме пустынь, не можем наблюдать тех очень высоких летних температур, которые полагаются астронормально.

4) Океаны, действие которых на температуру двояко:

а) Основное действие океана на температуру — это уменьшение ее амплитуды.

Если мы посмотрим на таблицу астронормальных температур на Земле (см. табл. 3), то увидим, что в тропиках температуры довольно равные круглый год, но чем дальше к полюсам, тем значительнее становятся их годовые амплитуды. Из этого следует, что основное действие океанов — уменьшение амплитуд температуры — должно проявляться тем сильнее, чем в более высокой широте расположен океан. Особенно сильное влияние должны оказывать полярные океаны, достаточно большие и глубокие, чтобы они не успевали покрыться льдом за полярную ночь. На поверхности такого океана нельзя себе представить ни зимней температуры много ниже 0°, ни какой-нибудь особенной жары летом. На полярном незамерзающем океане мы не обнаружим ни полюса летней жары, ни полюса зимнего холода, как это полагается астронормально, а, наоборот, будем иметь довольно ровную температуру круглый год.

Если такой океан представить себе полностью или частично замерзающим на некоторое время зимой, то уменьшение им амплитуд температуры выразится в меньшей степени — за все время года, пока океан не будет покрыт льдом, оно будет проявляться полностью, в остальное же время года в частях океана, покрытых льдом, будет наблюдаться тенденция к астронормальной температуре, ибо, как мы уже говорили, поверхность льда ничем, в смысле потери тепла, не отличается от любой другой твердой поверхности. В среднем за год это, понятно, даст уменьшение годовых амплитуд, но меньшее, чем при незамерзающем вовсе океане.

б) Второе влияние океанов на температуру обусловливается горизонтальным перемещением воды — течениями.

Нетрудно понять, что полюса никакого течения, кроме теплого, иметь не могут — все направления к ним идут от экватора, а к экватору, наоборот, направляются холодные течения. В промежуточных широтах вероятность теплого течения тем большая, чем выше широта места. Отсюда обобщение, что в низких широтах океаны должны понижать годовую температуру против астронормальной, а в высоких — ее повышать.

Таким образом, океаны (в смысле их влияния на климат) надо считать фактором весьма благоприятным, способствующим равномерности климата как в пространстве, так и во времени.

5) Ледяные лишаи надо признать фактором зловредным в отношении климата, ибо легко понять, что поверхность ледяного лишая может охлаждаться столько, сколько ей полагается астронормально, нагреться же выше температуры тающего льда она не может. Если имеется ледяной лишай в полярной области, то зимой на нем будет астронормальная температура, а летом — около 0°. На ледяном лишае в низких широтах днем мы всегда наблюдали бы температуру около 0°, но ночью и там имели бы значительный мороз вследствие потери тепла ледяной поверхностью при отсутствии солнечных лучей.

Теперь обратимся к нашей северной полярной области и посмотрим, как отклонялась там температура от астронормальной в миоцене и как она отклоняется теперь.

Предварительно рассмотрим, чем современная континентальная температура отличается от астронормальной.

Легко понять, что современная температура, наблюдаемая в континентальных местах, отклоняется от астронормальной благодаря факторам, указанным выше (кроме океанов), т. е. высоте местности, господствующим ветрам, влажности климата и ледяным лишаям. Пренебрегая первыми тремя факторами, скажем, что современную континентальную температуру можно, с некоторым допущением, считать за астронормальную, искаженную ледяным лишаем, имеющимся в нашей полярной области.

Рассуждая приблизительно также, мы придем к выводу, что современная океаническая температура — это доледниковая океаническая температура, тоже искаженная тем же ледяным лишаем. Отсюда напрашивается вывод, что при сравнении температур — астронормальной и доледниковой океанической — мы можем до известной степени руководствоваться сопоставлением температур — континентальной и океанической — в наши дни.

Мы уже знаем, что океаны в высоких широтах повышают температуру, поэтому наиболее континентальной температурой мы вправе считать ту температуру, которая является наинизшей на данной широте.

В наш полярный океан вливается и, вероятно, вливался и в миоцене Гольфстрим. Насколько последний повышает годовую температуру по сравнению с континентальной, видно из того, что в наши дни, например, годовая температура на 60-градусной широте равна над Гольфстримом +8°, а в Якутии —5°, в тех же областях 70-градусной широты — соответственно +4° и —15°, что дает разницу в 13 и 19 °C.

Смотря на эти величины повышения годовой температуры Гольфстримом против континентальной в наши дни лишь как на выражение идеи о том, насколько доледниковый Гольфстрим мог повышать температуру полярной области против астронормальной, и приняв последнюю (по табл. 3) равной —6°, мы вполне можем допустить, что доледниковая полярная область имела годовую температуру +10° или около того, которая ей приписывается в миоцене. Никакого другого объяснения миоценового режима в полярной области и не требуется.

К этому же можно подойти и другими рассуждениями, минуя абсолютные величины астронормальных температур в табл. 3. Мы видим, что в наши дни при наличии в полярной области ледяного лишая Гольфстриму все же удается поднять годовую изотерму +5°

Почти до 70-й параллели, т. е. в ту область, где астронормальные годовые температуры уже почти не меняются с увеличением широты места. Дальнейшее понижение годовых температур по направлению к полюсу в наши дни можно объяснить наличием ледяного лишая, не будь которого и на 70-й параллели была бы годовая температура не +5°, а выше. Она и дальше уменьшалась бы весьма медленно, ибо количество годового солнечного тепла там уже почти не меняется с приближением к полюсу.

Таким образом, полярный океан являлся в миоцене фактором, весьма резко изменявшим климат по сравнению с астронормальным: вместо чередования на Северном полюсе холода и жары мы получаем там довольно ровную и значительно повышенную температуру.

Теперь посмотрим, как должен был измениться климат полярной области, когда Гренландский ледяной лишай захватил полярный океан.

Мы уже говорили, что в зимнее время поверхность ледяного лишая в смысле охлаждения ничем не отличается от любой другой твердой поверхности, и следовательно, в зимнее время на ледяном лишае будет отмечаться тот самый мороз, который положен данной местности по таблице астронормальной температуры.

В летнее же время картина резко изменится. В то время как по табл. 3 астронормальная температура в данной местности, не покрытой, однако, лишаем, должна быть очень высокой, она не поднимется выше 0° — температуры тающего льда.

Понятно, что годовая температура при наличии лишая в полярной области понижается не только по сравнению с таковой при наличии там незамерзающего океана, но и астронормальной. В соответствии с данными табл. 3 современная, т. е. при наличии лишая, годовая температура Северного полюса окажется равной —21°,5, эта величина близка наблюдающейся в наше время.

Был ли когда-нибудь в нашей северной полярной области большой материк, притом не покрытый лишаем, я не знаю. Но если он и существовал, то там должна была быть весьма своеобразная флора и фауна — чрезвычайно стойкая против и жары и холода, или сезонная.

Но незамерзающий океан в нашей полярной области определенно был — об этом свидетельствует миоценовая флора, находимая на современном побережье полярного океана.

Доледниковое распределение температуры и положение снегонулевой поверхности

Теперь, когда мы разобрали астронормальную температуру на Земле и ее отклонения, можно представить себе довольно ясно распределение ее в доледниковое время.

По миоценовой флоре, следы которой встречаются по берегам полярного океана, можно судить, что океан этот не покрывался льдом. Ничего невероятного в этом и нет. Океан этот обогревался летом Солнцем, а зимой Гольфстримом. Гольфстрим производил в нем непрерывную циркуляцию воды, не давая ей там застаиваться и выгоняя охладившуюся воду обратно к югу.

Следовательно, на океане, на небольших островах его и в прибрежной полосе Азии, Америки и Гренландии должен был быть мягкий, ровный климат.

Но по мере удаления от берегов полярного океана в глубь Азии, Америки и Гренландии, смягчающее действие океана на климат должно было, понятно, уменьшаться, уступая место все приближающимся к астронормальным температурам, т. е. очень жарким летам и очень холодным зимам в этих широтах.

Поэтому было бы совершенно ошибочно думать, что если на полярных островах находят в миоцене магнолии и виноград, то в Сибири должен был быть климат вроде современного в Египте. Нет, в Сибири, в Канаде, в центральной части Гренландии и в миоцене были настоящие зимы, в русском смысле этого слова, с морозом, ледоставом на реках и снегом. Правда, эти зимы не были так суровы, как теперь, ибо смягчающее действие незамерзающего полярного океана сказывалось на весьма значительные расстояния, как это видно по миоценовой флоре Европы, но все же это были, повторяю, настоящие русские зимы.

Снегонулевая поверхность в полярной области стояла вообще низко — теплый океан должен был давать обильные зимние испарения, что способствовало влажному зимнему климату и обильным за долгую зиму осадкам. Летняя же жара умерялась действием полярного океана. Допустив, что влажность климата там была такая же, как в тропической области, а годовая температура — около +10°, можно предположить, что снегонулевая поверхность находилась километра па три ниже, чем в тропиках, где она проходила, вероятно, и в миоцене приблизительно на той же высоте, что и теперь. Таким образом, горы 1,5–2 км высотой могли иметь уже снеговые области.

Над океаном и небольшими островами, а также во всей прибрежной полосе суши осадки выпадали круглый год, по-видимому, в виде дождя, но над окружающими материками, там, куда еще достигал влажный морской ветер, но где температурные условия уже приближались к астронормальным, бывал, вероятно, обильный за зиму снегопад.

Например, в Гренландии, площадь которой (около 2 млн. км2) достаточно большая, чтобы иметь в центральной части более или менее астронормальную зимнюю температуру, но недостаточно большая, чтобы через нее не могли гулять океанские ветры, снег по побережью или не выпадал вовсе или выпадал в весьма незначительном количестве. Но в глубине острова его выпадало больше, даже если он представлял из себя совершенную низменность, ибо чем дальше от берега, тем астронормальнее становилась зимняя температура, а астронормальная зимняя температура, как видно из табл. 3, очень низка в этих широтах. Поэтому зимний снежный покров Гренландии должен был нарастать от центра к периферии и мощность скоплявшегося за зиму снега увеличивалась по мере приближения к центру острова; оттаивание этого снега летом должно было, понятно, происходить в обратном порядке — от периферии к центру.

В предыдущем разделе мы уяснили, что полярный океан градусов на 15 повышал на своей поверхности температуру против астронормальной. Следовательно, в центре Гренландии, где благодаря удалению от океана температура стремилась к астронормальной, она уже от одного этого обстоятельства должна была бы быть ниже, чем над океаном. Но тут надо принять в расчет еще одно обстоятельство. Чтобы получить в среднем за год астронормальную температуру, надо предположить, что летом в этих широтах была очень высокая температура, как оно астронормально и полагается. Но астронормальная летняя температура может начаться только после того, как стает снег, ибо до этого температура выше 0° над снежным покровом подняться не может. А если благодаря окружению Гренландии теплым океаном снега в центральной части острова выпадало много и он долго таял летом, то надо допустить, что там в миоцене температура имела тенденцию не к астронормальной, а к современной температуре — зимой лучеиспускание, а летом таяние снега. Конечно, современной она не была, ибо полярный океан и в центральную часть острова доставлял не только влагу, но и тепло, но тенденция такая была. Из этих рассуждений кажется во всяком случае правдоподобным, что годовая температура над Гренландией была значительно снижена против таковой над океаном, а это обстоятельство, понятно, вызывало над Гренландией конусообразное снижение снегонулевой поверхности, проходившей и над окружающим океаном не очень-то высоко, как мы выше уяснили.

Нет сомнения, что был такой период в жизни Гренландии перед ледниковой эпохой, когда снегонулевая поверхность в центральной части острова проходила так близко над поверхностью земли, что снег в том пункте, где он оттаивал позже всего, оттаивал всего на несколько часов в году.

Пока это так было, миоценовое благополучие в полярной области не нарушалось. Но вот, может быть, самое ничтожное эпейрогеническое движение земной коры — и этот пункт острова всего на несколько часов в году стал не успевать освобождаться от снега, потому что поднялся чуть-чуть выше снегонулевой поверхности, и Гренландия сделалась ледородной возвышенностью, зародив ледяной лишай, перевернувший всю жизнь северного полушария Земли.