Глава 3 Солнце — главный источник энергии для поверхности Земли
О солнце, ты живот и красота природы,
Источник вечности и образ божества!
Тобой живет земля, жив воздух, живы воды,
Душа времен и вещества!
А. П. Сумароков
Из большого числа возможных источников энергии, имеющихся у нашей планеты, первое место, несомненно, следует отдать солнечному потоку, который поддерживает необходимые температурные условия Земли (чтобы мы не испарились, перегревшись, или не замерзли, переохладившись).
Культ Солнца был развит у большинства народов, населяющих Землю, и недаром поток солнечной энергии составляет основу всех потоков энергии на нашей планете (рис. 3).
К внешней границе тропосферы подводится поток солнечной радиации примерно 1000 ккал/(см2·год) (или около 2 ккал/(см2·мин)). Из-за шарообразности Земли на единицу поверхности внешней границы тропосферы в среднем поступает четвертая часть — примерно 250 ккал/(см2· год). Треть этого потока отражается, и, следовательно, Земля поглощает 167 ккал/(см2· год). Из них 59 ккал/(см2· год) поглощает атмосфера, и на долю поглощения земной поверхностью приходится 108 ккал/(см2·год). Эта энергия «перерабатывается» различными способами. В виде длинноволнового инфракрасного излучения с поверхности Земли уходит 36 ккал/(см2· год).
Рис. 3. Укрупненная схема энергетического баланса Земли
(составляющие энергетического баланса, ккал/(см2 ·год)) [Будыко, 1984].
Благодаря парниковому эффекту поверхность Земли получает около 72 ккал/(см2·год) радиационной энергии, часть которой — 60 ккал/ (см2·год) — идет на испарение воды (нижний кружок на рис. 3), а часть — 12 ккал/ (см2·год) — возвращается в атмосферу через турбулентные потоки воздуха.
Основной передатчик тепла между космосом и Землей — атмосфера — получает от Земли «свои» 60 ккал / (см2·год) за счет конденсации водяных паров (верхний кружок на рис. 3), упомянутые 12 ккал/(см2·год)— за счет турбулизации и непосредственно от радиации Солнца — 59 ккал/(см2 · год). Итог: приход равен 131 ккал/ (см2·год). И соответственно расход тепла через эффективное излучение — той же величине —131 ед. Вместе с результирующими 36 ккал/(см2·год) длинноволнового излучения от земной подстилки мы и получим расход в целом — 167 ккал/ (см2·год), в точности равный приходу энергии с потоком солнечной радиации.
Таким образом, на нашей планете работает «система жизнеобеспечения» с определенным интервалом температур. Среднегодовая температура составляет 14,25°С, при этом в Северном полушарии средняя температура 15,2°С, а в Южном — только 13,3°С из-за высокой отражательной способности ледового панциря Антарктиды.
Из 72 ккал, поглощаемых каждым квадратным сантиметром земной поверхности в год, океан «забирает» почти вдвое больше, чем суша, — 90 и 50 ккал соответственно. Это объясняется большой теплоемкостью воды и ее подвижностью. Океаносфера является мощным аккумулятором солнечного тепла, она накапливает в 21 раз больше того количества тепла, которое за год поступает от Солнца ко всей поверхности Земли (7,6 · 1023 ккал по сравнению с потоком в 3,65 · 1020 ккал/год). Поэтому ее взаимодействием с атмосферой определяется погода на земном шаре. Тепло, поглощаемое в тропиках, переносится течениями в высокие широты, смягчая климат умеренных и полярных областей. Один Гольфстрим несет в 22 раза больше тепла, чем все реки суши.
В целом гидросфера работает под влиянием накачки солнечной энергии как гигантская тепловая машина. Можно даже оценить ее коэффициент полезного действия. «Чистая» энергия движения, перемещения воздушных и водных масс, т. е. та часть, которая может совершать нужную нам работу, оказывается совсем небольшой: для атмосферы (со средней скоростью ветра, несколько превышающей 10 м/с у поверхности Земли)— всего 1,6% от поглощаемого солнечного тепла, а для океаносферы (со средней скоростью течения во всей толще вод, равной 3,2 см/с) — еще на пару порядков ниже. Конечно, одна из наиболее серьезных энергетических затрат — это затрата энергии на физический круговорот воды, прежде всего на испарение. Ее тоже можно оценить по уже приведенным данным. Около 55% — таков расход энергии, дошедшей до земной поверхности, на испарение.
В атмо- и гидросфере сложное переплетение циклов, различающихся по пространству и времени существования, определяет и мгновенное состояние — погоду в любой точке Земли и климат в каждой зоне. Климат есть результат усреднения прошлых погод каждого дня в каждой точке. Не затрагивая очень спорного, но злободневного вопроса о прогнозировании погоды, подчеркнем только, что само понятие о климате было введено еще учеными Древней Греции. Слово это греческого происхождения (klima) и означает «наклон». То есть еще в то время греки хорошо понимали, что климат местности зависит от среднего наклона солнечных лучей к поверхности Земли. Молодцы, древние греки! Представление о первоисточнике движения у них было самое верное.