ИК-ФАКТОР ИЗМЕНЕНИЙ ГЛОБАЛЬНОГО КЛИМАТА

В.М. Федоров

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

На основе связи широтного распределения годовой инсоляции и приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) рассчитаны годовые инсоляционные температуры на период с 1900 по 2016 гг. Показано, что многолетние изменения ПТВ определяются многолетними изменениями контрастности инсоляционных температур и инсоляционной контрастностью. Многолетние изменения инсоляционной контрастности обобщенно (по областям источника и стока тепла) отражают многолетние изменения меридионального градиента инсоляции. Меридиональным градиентом инсоляции регулируется меридиональный перенос тепла в системе океан – атмосфера. Показано, что инсоляционная контрастность линейно связана с наклоном оси вращения Земли. Из этого следует, что многолетнее увеличение аномалии ПТВ и наблюдаемое глобальное потепление климата, в основном, определяются естественными причинами, и связаны с уменьшением наклона оси вращения Земли.

Представлена общая схема механизма изменения температурного режима Земли и полушарий. Определено, что при увеличении контрастности инсоляционных температур температурная контрастность в северном полушарии уменьшается, а в южном полушарии увеличивается.

Ключевые слова: инсоляция, инсоляционные температуры, приповерхностная температура воздуха, контрастность температур, тенденции.

Введение

Проблема изменения климата и, прежде всего его температурного режима, в настоящее время становится одной из важнейших проблем человеческой цивилизации. Эта проблема затрагивает многие сферы жизни человека и общества: здоровья, психологические, социально – экономические и политические аспекты. Этим определяется особая научная актуальность проблемы, связанной с изменением климата, причинами изменений и последствий этих изменений. Вопрос о причинах наблюдаемого глобального потепления является ключевым в исследованиях климатических изменений и прогнозировании изменении климата (Монин, 1982; Кондратьев, 1987, 1992; Монин, Шишков, 2000).

Известно, что основным источником энергии природной системы Земли является лучистая энергия Солнца. Климат является характеристикой состояния природной среды. Солнечной радиацией определяется радиационный и тепловой баланс Земли (Будыко, 1968; Монин, Шишков, 1979; Кондратьев, 1980). На поверхности Земли лучистая энергия частично отражается и поглощается, трансформируясь в тепловую энергию, а также в потенциальную и кинетическую энергию водных и воздушных масс. Дальнейшее перераспределение тепла в природной системе Земли (в атмосфере и океане) связано с механизмами теплообмена: меридиональным переносом тепла, теплообменом в системе океан – материк, связанного с реверсивной сезонной сменой областей холода и тепла, теплообменом в системе океан – атмосфера и др. (Шулейкин, 1953).

С XX века отмечается тенденция повышения глобальной приповерхностной температуры воздуха (ПТВ). Широко распространено мнение о том, что основной причиной потепления глобального климата является «парниковый» эффект, связанный, главным образом, с эмиссией парниковых газов, определяемой антропогенным фактором (Climate Change, 2013). В то же время, не подвергается сомнению то, что солнечная радиация имеет важнейшее значение в генезисе климата. Кроме того, известно, что основным парниковым газом является водяной пар. При отмечаемом глобальном потеплении увеличивается испарение и содержание водяного пара в атмосфере. Содержание водяного пара в атмосфере на 3–4 порядка превышает содержание СО₂ связанного с деятельностью человека. Приблизительно ³/₄ длинноволновой радиации удерживается в атмосфере водяным паром и только около 0,4% двуокисью углерода антропогенного происхождения. Таким образом, солнечная радиация и парниковый эффект планеты (связанный в основном с содержанием водяного пара в атмосфере) являются главными климатообразующими факторами. В динамике этих факторов следует и искать причины изменений современного глобального климата Земли (Федоров, 2018).

Целью работы является определение связи многолетних изменений приповерхностной температуры воздуха Земли и полушарий с многолетними изменениями контрастности инсоляционной температуры (ТК_И) и инсоляционной контрастности (ИК) в глобальном масштабе.

Методика исследований

Проведен расчет годовой приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) на основе данных инсоляции. Основная задача, связанная с расчетами годовой инсоляционной приповерхностной температуры воздуха, – определение влияния инсоляции и ее изменений, определяемых небесно-механическими процессами (орбитальным движением Земли и изменением, влияющих на инсоляцию Земли, характеристик этого движения), на формирование и изменение годовых ПТВ Земли и полушарий. Таким образом, из общей совокупности влияющих на термическое состояние природной системы Земли факторов выделяется и исследуется инсоляционный фактор, определяется его роль в формировании и изменении глобальных годовых ПТВ, отражающих состояние и динамику термического режима природной системы Земли.

В качестве исходных климатических данных при расчетах принимались средние для широтных зон значения ПТВ за базовый период 1961–1990 гг., приведенные в массиве абсолютных температур университета Восточной Англии и метеобюро Хедли (Jones, et al., 1999; Jones, et al., 2001; Brohan, et al., 2006; Jones, et al., 2012; Temperature data…) (табл. 1). Климатическая норма ПТВ за период 1961–1990 гг. отражает свойственные ей характеристики парникового эффекта, солнечной активности и механизмов теплообмена, участвующих в формировании среднемесячной и среднегодовой температуры и ее распределении механизмами теплообмена по широтам и сезонам. Однако при расчетах годовых инсоляционных ПТВ в прошлое и будущее учитывались только изменения инсоляции (приходящей на верхнюю границу атмосферы солнечной радиации). Изменение парникового эффекта, солнечной активности и механизмов теплообмена (меридиональный перенос тепла, теплообмен между океаном и атмосферой и др.) за пределами климатической нормы 1961–1990 гг. не учитывалось.

Таблица 1. Распределение годовых норм ПТВ (Temperature data…) и инсоляции (Солнечная радиация и …) по широтным зонам (среднее за период с 1961 по 1990 гг.)

Рассчитанные для 5-ти градусных широтных зон земного эллипсоида (без учета атмосферы) значения инсоляции (Солнечная радиация и…) (средние за период с 1961 по 1990 гг.) сопоставлялись с климатической нормой ПТВ за период 1961–1990 гг. (рис. 1, табл. 1).

Рис. 1. Распределение инсоляции относительно среднего для 5-ти градусной широтной зоны значения (1) и абсолютных значений ПТВ (2) по широтным зонам (среднее за период с 1961 по 1990 гг.) (Солнечная радиация и…)

Распределение ПТВ по широтным зонам характеризуется тесной корреляционной связью с распределением приходящей на земной эллипсоид солнечной радиации (рис. 1). Коэффициент корреляции (R) климатической нормы ПТВ (1961–1990 гг.) и приходящей солнечной радиации по всему широтному диапазону (90°с.ш. – 90°ю.ш.) характеризуется значением 0,942, для северного полушария – 0,997, для южного полушария – 0,942.

Уравнения регрессии определялись на основе раздельной аппроксимации трех широтных диапазонов Земли (так достигалась оптимальная аппроксимация). Для аппроксимации годовых значений ПТВ в диапазоне широтных зон от 85°–90° с.ш. до 10°–15°с.ш. использовался полином 6-й степени. В диапазоне от 5°–10°с.ш. до 55°–60° ю.ш. и в диапазоне от 60°–65° ю.ш. до 85°–90°ю.ш. – полиномы 3-й степени.

Значения коэффициента детерминации (R2) оказались всех трех широтных диапазонов равным 0,99. Это согласуется с результатами сопоставления рассчитанных по данным наблюдений и осредненных по полушарию и за год изменений планетарного радиационного баланса, связанных с облачностью. Оказалось, что имеет место практически полная компенсация. То есть, при глобальном масштабе усреднения влияние облаков на радиационный режим мало (Мохов, 1982). Широтные диапазоны аппроксимации отражают неоднородную структуру подстилающей поверхности Земли в полушариях (различные соотношения континентов и океанов в полушариях, ледовый континент Антарктида), проявляющуюся в характере связи приповерхностной температуры воздуха с инсоляцией (Fedorov, Grebennikov, 2017).

По полученным полиномиальным уравнениям регрессии для 5-ти градусных широтных зон по данным инсоляции (Солнечная радиация и …) были рассчитаны (учитывающие только изменение инсоляции) годовые значения ПТВ для периода с 1900 по 2016 гг.

Исходными астрономическими данными для расчетов инсоляции были склонение и эклиптическая долгота Солнца, расстояние от Земли до Солнца, разность хода равномерно текущего (координатного времени – СТ) и всемирного корректируемого времени (UT) (Giorgini, et al., 1996; NASA, Jet Propulsion …). Поверхность Земли аппроксимировалась эллипсоидом (GRS80 – Geodetic Reference System, 1980) с длинами полуосей равными 6378137 м (большие) и 6356752 м (малая). В общем виде алгоритм расчетов можно представить выражением:

где I – приходящая солнечная радиация за элементарный n-й фрагмент m-го тропического года (Дж); – площадной множитель (м²), с помощью которого вычисляется площадной дифференциал – площадь бесконечно малой трапеции – ячейки эллипсоида; – часовой угол, – географическая широта, выраженные в радианах; H – высота поверхности эллипсоида относительно поверхности Земли (м); – инсоляция в заданный момент в заданном месте поверхности эллипсоида (Вт/м²), t – время (с). Шаги при интегрировании составляли: по долготе 1°, по широте 1°, по времени 1/360 часть продолжительности тропического года (Climate Change, 2013). Значение солнечной постоянной (среднее многолетнее значение TSI) принималось равным 1361 Вт/м² (Jones, et al., 2012). Изменение активности Солнца не учитывалось (Федоров, 2018, 2019а; Federov, 2013; Fedorov, Grebennikov, 2017).

Рассчитанные значения инсоляции для 5-ти градусных широтных зон для периода с 1900 по 2016 гг. использовались в полученных уравнениях регрессии в качестве аргумента. Расчет инсоляционной температуры полушарий и Земли состоял в следующем. По уравнениям регрессии и данным инсоляции рассчитывались средние (для выбранной нормы) значения температуры для 5-ти градусных широтных зон (табл. 1). Эти значения умножались на средний косинус широты каждой зоны (cos ). Затем (делением на 18 – число широтных зон в полушарии) находилось среднее для 5-ти градусной широтной зоны значение для полушария, которое затем делилось на среднее по всем широтным зонам полушария значение cos (cos 45°). При расчете, таким образом, учитывается изменение площади широтной зоны в зависимости от географической широты и кривизны поверхности. Так рассчитывалась инсоляционная температура полушарий. Для Земли инсоляционная температура рассчитывалась как среднее по полушариям (Rudolf, Scheider, 2004).

Рассчитанная с использованием уравнений регрессии по данным инсоляции годовая норма ПТВ для периода с 1961 по 1990 гг. составляет 13,97°C для Земли, 14,54°C для северного и 13,40°C для южного полушария. По данным архива абсолютных температур, нормы ПТВ (фактические нормы) на интервале с 1961 по 1990 гг. составляют для Земли – 13,97°C, для северного полушария – 14,59°C, для южного – 13,36°C. Разность между фактическими и рассчитанными значениями составила 0,003 для Земли, 0,044 – для северного полушария и -0,04 – для южного полушария (ошибки аппроксимации).

Рассчитанные, с учетом изменения только инсоляционного фактора (изменений инсоляции, определяемых небесно-механическими процессами), годовые ПТВ названы нами годовыми инсоляционными температурами.

Таким образом, инсоляционная ПТВ – это приповерхностная температура воздуха при стационарной и неизменной по составу атмосфере. Инсоляционные ПТВ отражают роль только инсоляционного фактора, учитывают парниковый эффект, солнечную активность, механизмы теплообмена и состояние природной системы характерные для нормы 1961–1990 гг., и не учитывают предшествующие и дальнейшие изменения солнечной активности, парникового эффекта (связанного с составом атмосферы) и механизмов теплообмена. В связи с тем, что основным источником энергии гидрометеорологических процессов является приходящая от Солнца радиация, теоретическая оценка радиационного фактора формирования и многолетних изменений ПТВ, отражающей состояние термического режима современного глобального климата, представляется важной.

Результаты исследований и их обсуждение

По найденным уравнениям регрессии (Fedorov, Grebennikov, 2017) рассчитывались годовые инсоляционные ПТВ для каждого года в интервале с 1900 по 2016 гг., обеспеченном достоверными метеоданными (Jones, et al., 1999; Jones, et al., 2001; Brohan, et al., 2006; Jones, et al., 2012; Climatic Research Unit …,). Также рассчитывались абсолютные значения годовой ПТВ (для полушарий и Земли). Эти расчеты выполнялись алгебраическим сложением значений аномалии ПТВ, представленных в массиве HadCRUT4 (Met Office Hadley …,), с рассчитанной по массиву абсолютных температур нормой ПТВ для базового периода 1961–1990 гг. (рис. 2).

Рис. 2. Фактические (ломаные линии) и инсоляционные (прямые линии) годовые ПТВ:
1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Земля.

В северном полушарии в среднем фактические ПТВ превышают инсоляционные температуры. В южном полушарии, наоборот, фактические ПТВ в среднем уступают инсоляционным температурам. Вычитанием из фактических значений ПТВ (для периода с 1900 по 2017 гг.) соответствующих значений инсоляционной ПТВ находилась разность между абсолютными значениями фактической и инсоляционной ПТВ. Полученные значения разности фактической и инсоляционной ПТВ сравнивались с данными аномалии ПТВ (Climatic Research Unit …), представленными в массиве HadCRUT4 (рис. 3).

Оказалось, что аномалия ПТВ (рис. 3) и разность фактических и инсоляционных ПТВ (рис. 4) корреляционно тесно связаны (коэффициент корреляции равен 0,999). Вычитанием рассчитанной разности фактических и инсоляционных ПТВ (рис. 4) из соответствующих фактических значений аномалии ПТВ (рис. 3) (Climatic Research Unit …) были получены характеристики их различий. Для Земли расхождение в среднем составляет -0,003°C, для северного полушария -0,044°C, для южного полушария 0,04°C.

Рис. 3. Изменение аномалии ПТВ по данным HadCRUT4 (Climatic Research Unit …); 1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Земля

Рис. 4. Разность между фактическими и инсоляционными годовыми значениями ПТВ (1 – северное полушарие, 2 – южное полушарие, 3 – Земля).

Рассчитанная для периода 1961–1990 гг. инсоляционная норма ПТВ в южном полушарии превышает фактическую норму ПТВ этого периода на 0,04°C. В северном полушарии она уступает ей на 0,044°C. Фактическая норма ПТВ Земли оказалась на 0,003°C выше рассчитанной для нее инсоляционной нормы. Таким образом, среднее расхождение между фактическими значениями аномалии ПТВ и разностью фактических и инсоляционных ПТВ совпадает по абсолютным значениям с отмеченными выше ошибками аппроксимации. Изменение знака в разности фактических значений аномалии ПТВ и разности фактических и инсоляционных ПТВ (относительно отмеченных при аппроксимации нормы 1961 – 1990 гг.) связано с тем, что инсоляционные ПТВ северного полушария и Земли слабо уменьшаются, а инсоляционные ПТВ в южном полушарии в период с 1900 по 2016 гг. слабо увеличиваются.

В среднем по модулю значения фактической аномалии ПТВ составляют 0,234°C, 0,254°C и 0,238°C для Земли, северного и южного полушария соответственно. Средние для интервала (1900–2016 гг.) аномалии ПТВ составляют для северного полушария +0,048°C, для южного полушария -0,063°C, для Земли -0,007°C. Таким образом, средние значения аномалии ПТВ в полушариях имеют противоположные по знаку значения.

Рассчитывалась контрастность годовых инсоляционных температур (ТК_И) как разность годовых инсоляционных ПТВ в экваториальной (0°–5°) и полярной (85°–90°) зонах. Температурная контрастность (ТК_И) в северном полушарии (рис. 3) увеличивается с 1900 г. по 2016 г от 43,44°C до 43,48°C (на 0,04°C, или на 0,09%). В южном полушарии ТК_И увеличивается от 70,73°C до 70,87°C (увеличение составляет 0,14°C, или 0,20%). То есть, увеличение ТК_И в период с 1900 по 2016 гг. в южном полушарии почти в 3,5 раза превышает увеличение ТК_И в северном полушарии (рис. 5).

Рис. 5. Изменение ТК_И в северном (1) и южном (2) полушарии

Представленные на рис. 3 временные ряды фактической аномалии ПТВ имеют высокую положительную корреляцию (вероятность 0,99) с соответствующими временными рядами годовых значений ТК_И. В северном полушарии коэффициент корреляции (R) равен 0,794, в южном полушарии 0,869. Для Земли (ТК_И находилось как среднее по полушариям) R равен 0,843. Сходные значения коэффициента корреляции характерны и для рядов разности фактической и инсоляционной годовой ПТВ и ТК_И. Они имеют значения R, равные 0,794 и 0,871 и 0,844 соответственно. Следовательно, изменения аномалии ПТВ во времени определяются изменением ТК_И (рассчитанной по инсоляции и являющейся аналогом меридионального градиента инсоляции), что подтверждается тесной и положительной корреляционной связью между ними.

Проведен корреляционный анализ рядов фактической годовой ПТВ и аномалии ПТВ в диапазоне от 1900 до 2016 гг. с приходящей солнечной радиацией и инсоляционной контрастностью (ИК) (табл. 2). Под инсоляционной контрастностью (ИК) нами понимается разность годовой инсоляции в широтном диапазоне 0°–45° и в широтном диапазоне 45°–90° в полушариях. Эта величина отражает разность инсоляции в области, являющейся источником тепла и инсоляции в области стока тепла. ИК обобщенно (по областям источника и стока тепла) отражает изменение меридионального градиента инсоляции (Федоров, 2018).

Таблица 2. Значения коэффициента корреляции годовой инсоляции, ИК и ТКИ c годовой ПТВ и аномалией ПТВ

Во временных рядах фактической ПТВ, ее аномалии и инсоляции Земли и полушарий связь не обнаруживается (R<0,01). Одновременно отмечается тесная положительная связь временных рядов фактической годовой ПТВ, ее аномалии и инсоляционной контрастности (табл. 2).

Средние значения аномалии фактических ПТВ имеют противоположные значения в северном и южном полушарии. Это указывает на то, что механизм меридионального переноса тепла по-разному проявляется и, влияет на температурный режим в полушариях. То есть, эффекты от перераспределения приходящего от Солнца тепла, определяемого меридиональным переносам тепла, в полушариях имеют существенные различия.

Меридиональный перенос тепла (МПТ) осуществляется как регулярным переносом в ОЦА (общая циркуляция атмосферы) – ячейки Хэдли, Ферреля, полярная ячейка, так и вихревыми образованиями (тропические и внетропические циклоны) (Федоров, 2018, 2019б). Из-за большей неоднородности подстилающей поверхности в северном полушарии там, в значительно большей степени, чем в относительно однородном южном полушарии, МПТ осуществляется тропическими и внетропическими циклонами. Кроме того, как показывают выполненные ранее исследования (Федоров, 2018, 2019б), увеличение меридионального градиента инсоляции (которым регулируется МПТ) отмечается в зимние полугодия в полярных ячейках, а в летние полугодия она снижается. Увеличение годового меридионального градиента инсоляции (переноса тепла) отмечается в областях локализации циркуляционных ячеек Хэдли и Ферреля. Неоднородность подстилающей поверхности в полушариях характеризуется соотношением площади континентов и океанов. В северном полушарии 39,3% его площади приходится на сушу и 60,7% на океан, в южном полушарии площадь суши составляет – 19,1%, площадь океана 80,9%. Так ежегодное количество тропических циклонов в северном полушарии (северная Атлантика и северо-западная часть Тихого океана) в среднем составляет около 60. В южном полушарии тропических циклонов значительно меньше – 6–8 (Федоров, 2018). В южном полушарии меридиональный перенос тепла блокируется мощным западно-восточным переносом «ревущие сороковые», существование которого связано с однородностью полушария и высоким меридиональным градиентом температуры (значительно превышающим меридиональный градиент температуры в северном полушарии). Так же МПТ в южном полушарии блокируется циркумполярным антарктическим течением. Поэтому, несмотря на более высокие значения меридионального градиента температуры (и ТК_И) в южном полушарии, эффект меридионального переноса тепла здесь выражен слабее, чем в северном полушарии.

Многолетние изменения фактической ПТВ (ее аномалии) не связано с изменением инсоляции, но тесно связано с изменением ТК_И и ИК. При этом отмечается линейная связь ТК_И и ИК (рис. 6)

Рис. 6. Связь ТК_И и ИК в северном (1) и южном (2) полушарии

Многолетние изменения фактической ПТВ, аномалии ПТВ и разности фактической и инсоляционной ПТВ (по сути равной аномалии ПТВ) тесно связаны с многолетними изменениями ТК_И и ИК, которые линейно связаны между собой. Из этого следует, что многолетние изменения аномалии ПТВ, в основном определяются многолетними изменениями ИК. Показатель инсоляции (ИК), обобщенно (по областям источника и стока тепла) отражает изменение меридионального градиента инсоляции на ВГА. ИК линейно связана с изменением наклона оси вращения Земли (Федоров, 2018, 2019а, 2019б; Федоров, Костин, 2019). Поскольку солнечная радиация является основным источником энергии гидрометеорологических процессов, отмеченные корреляционные связи следует считать и причинно – следственными.

Как следует из проведенного анализа годовые инсоляционные ПТВ уменьшаются, но увеличивается температурная контрастность (ТК_И). Анализ изменения фактических годовых ПТВ в областях, являющихся источниками (0°–45°) и стока (45°–90°) тепла показывает, иной характер распределения фактических ПТВ (массив HadCRUT4 (Met Office Hadley …)). Для фактических ПТВ (в отличие от инсоляционных ПТВ) в период с 1900 по 2016 гг. отмечается тенденция к увеличению.

Оценка распределения фактических ПТВ проводилась по данным с 1960 года, которые признаются наиболее достоверными в массиве HadCRUT4. Этот период имеет меньше пропусков данных как по месяцам, так и по 5-ти градусным широтным зонам, чем представленный в массиве более ранний период. По данным массива рассчитывались годовые значения глобальной ПТВ для областей, являющихся источником (0°–45° широты) и стоком (45°–90° широты) тепла в каждом полушарии. Расчеты для этих областей выполнялись аналогично расчетам годовых инсоляционных ПТВ для полушарий. Однако, в этом случае среднегодовые температуры находились для «половинок» каждого полушария. Полученные для широтных зон среднегодовые значения ПТВ умножались на средние для 5-ти градусных широтных зон косинусы широты. Затем находилось среднее для 5-ти градусной широтной зоны (по 9-ти зонам) значение, которое делилось на косинус 22,5° для расчетов температуры в области источника тепла и на косинус 62,5° при расчетах температуры в области стока тепла (Rudolf, Scheider, 2004).

Из анализа полученных результатов следует, что фактические годовые ПТВ в северном полушарии увеличиваются как в области являющейся источником тепла, так и в области стока тепла (рис. 7).

Рис. 7. Изменение годовой ПТВ в северном полушарии
(1 – в области источника тепла, 2 – в области стока тепла)

Также в северном полушарии на протяжении этого периода уменьшается температурная контрастность годовых фактических ПТВ (ТК_Ф) – разность годовых фактических ПТВ в экваториальной (0°–5°) и полярной (85°–90°) зонах полушария (рис. 8).

Рис. 8. Изменение температурной контрастности (ТК_Ф) в северном полушарии

Это связано с тем, что в северном полушарии увеличение ПТВ в области стока тепла превосходит увеличение ПТВ в области источника тепла. В южном полушарии наблюдается несколько иная картина. Фактические годовые ПТВ также увеличиваются как в области источника тепла, так и в области стока тепла (рис. 9).

Рис. 9. Изменение годовой фактической ПТВ в южном полушарии
(1 – в области источника тепла, 2 – в области стока тепла)

Однако, температурная контрастность здесь, в отличие от северного полушария увеличивается (рис. 10).

Рис. 10. Изменение температурной контрастности (ТКФ) в южном полушарии

Это связано с тем, что увеличение ПТВ в области источника тепла превосходит увеличение ПТВ в области его стока. Отмечается высокая корреляционная связь многолетних изменений фактической годовой ПТВ с многолетними изменениями годовой ИК в северном полушарии. В области источника тепла R равен 0,827. В области стока тепла – 0,841. В южном полушарии соответствующие значения R равны 0,876 и 0,307.

Из сравнения результатов расчетов годовых инсоляционных ПТВ с полученными данными следует, что фактические ПТВ в северном полушарии изменяются в противофазе с инсоляционными ПТВ. Также в противофазе изменяются ТК_И и ТК_Ф. Годовые значения инсоляционной ПТВ уменьшаются, а значения фактической ПТВ увеличиваются (как в области источника, так и в области стока тепла). Годовая ТК_И увеличивается в северном и южном полушарии. Годовая ТК_Ф уменьшается в северном полушарии и увеличивается в южном. В северном полушарии годовая ИК (линейно связанная с ТК_И), таким образом, увеличивается, а температурная контрастность между областями являющимися источником и стока тепла сокращается (из-за усиления меридионального переноса тепла, определяемого увеличением меридионального градиента инсоляции или ИК линейно связанной с наклоном оси вращения). В южном полушарии фактические ПТВ слабо увеличиваются в области источника и стока тепла, но ТК_Ф возрастает (при возрастании и ТК_И). Это определяется тем, что в южном полушарии эффект меридионального переноса тепла (МПТ) выражен слабее, чем в северном полушарии. Это, как отмечалось выше, связано с блокирующим зональным переносом («ревущие сороковые»), циркумполярным антарктическим течением, наличием ледового континента Антарктида и океаничностью южного полушария, небольшим числом тропических циклонов.

Увеличение ПТВ в области источника тепла является следствием увеличение прихода солнечной радиации в эту область (Федоров, 2018, 2019а). Увеличение ПТВ в областях стока является следствием усиления меридионального переноса тепла (Федоров, 2019а, 2019б, 2019в). При этом МПТ (при сходной годовой инсоляции и ИК) имеет существенные полушарные различия, которые связаны с отмеченными полушарными отличиями в природной системе Земли. В общем, изменение полушарных температур, вероятно, определяется соотношением меридионального температурного градиента или разностью температур экватор – полюс (ТКФ) и меридионального градиента инсоляции, обобщенной (по областям источника и стока тепла) характеристикой которого является ИК. ИК линейно связана с ТК_И. Следовательно, меридиональный перенос тепла (и температурные режим полушарий и Земли), в основном, определяется соотношением ТК_И и ТК_Ф. В настоящее время меридиональным градиентом инсоляции (МГИ или ИК) определяется меридиональный перенос тепла (МПТ) и, в основном многолетние изменения ПТВ. Однако со временем, при ослаблении МГИ это соотношение может измениться, прежде всего, в северном полушарии, где меридиональный градиент температуры уменьшается. Отмечаемое для северного полушария уменьшение перепада температур экватор – полюс может способствовать снижению скорости генерации и уменьшению общего числа вихрей в атмосфере (Мохов и др., 1992). Следствием этого может быть понижение ПТВ в северном полушарии. Для определения характеристик и хронологии возможного понижения ПТВ в северном полушарии необходимо физико-математическое моделирование климатических процессов. Необходимость моделирования определяется, во-первых, разнородностью компонентов природной системы. Во-вторых, сложностью и многообразием связей (прямых и обратных) между компонентами системы. В-третьих, постоянным изменением состояний, как отдельных компонентов, так и природной системы в целом, в пространстве и во времени. В-четвертых, изменением во времени и в пространстве связей между компонентами природной системы. Однако, радиационные блоки существующих физико-математических моделей климата нуждаются в модернизации (Федоров, 2019а).
В общем виде механизм изменения температурного режима Земли и полушарий можно представить схемой (рис. 11).

Рис. 11. Принципиальная схема радиационного теплообмена в атмосфере

Три связанных нижних блока в схеме представляют собой климатический детектор, приводящий к усилению глобального потепления. Кроме того, процесс потепления усиливается и обратными положительными связями из-за сокращения площади морских льдов и ледников и уменьшения планетарного альбедо. Повышение температуры в областях стока тепла связано не только с меридиональным переносом тепла (явное тепло), но и с процессами конденсации водяного пара в атмосфере (скрытое тепло) при меридиональном движении воздушных масс.

Схема подтверждается отмеченными тесными связями ПТВ с ТК_И и ИК, тесными связями ИК с углом наклона оси вращения и логикой климатических знаний. Схема может быть использована в качестве понятийного алгоритма в физико-математических моделях климата.

Заключение

Инсоляционные годовые ПТВ отличаются от фактических годовых ПТВ на величину аномалии ПТВ. Многолетние изменения аномалии ПТВ, отражающие многолетние изменения глобального климата (его температурного режима), в основном, определяются многолетними изменениями ТК_И и ИК. Иными словами, изменение глобальной температуры в XX столетии и в настоящее время определяется распределением приходящей солнечной радиации по широтам – инсоляционной контрастностью.

Многолетние изменения инсоляционной контрастности обобщенно (по областям источника и стока тепла) отражают многолетние изменения меридионального градиента инсоляции. Меридиональным градиентом инсоляции регулируется меридиональный перенос тепла в системе океан – атмосфера (МПТ) (Федоров, 2018, 2019б, 2019в). ТК_И линейно связана с ИК. Инсоляционная контрастность, в свою очередь, линейно связана с наклоном оси вращения Земли (Федоров, 2018). Из этого следует, что многолетние изменения (увеличение) аномалии ПТВ и наблюдаемое глобальное потепление климата, в основном, определяются естественными причинами и связаны с уменьшением наклона оси вращения Земли.

Литература