Погода і клімат. Кліматоутворюючі фактори. Типи кліматів. Уявлення про біосферу.

Фізичний стан атмосфери в тому чи іншому місці в певний момент часу прийнято називати погодою. Описується фізичний стан атмосфери рядом характеристик, які називають метеорологічними елементами. До найважливіших з них належать тиск, температура, вологість повітря, напрям і швидкість вітру, хмарність. Визначають основні особливості погоди і так звані метеорологічні явища (дощ, сніг, туман тощо), а також низку оптичних і електричних явищ в атмосфері. Уявлення про погоду доповнюють дані про прозорість повітря, видимість, електричний стан, вміст солей і деякі інші відомості.

Отже, будь-яка погода характеризується дуже складним комплексом метеорологічних елементів і явищ, які тісно пов'язані між собою. Кожен конкретно спостережуваний комплекс метеорологічних елементів і явищ відображає не просто механічну їх сукупність, а певний стан повітряного середовища — випадок погоди, який з часом зазнає тих чи інших змін. Погода є зовнішнім проявом радіаційних і циркуляційних умов, впливом на них підстилаючої поверхні.

Оскільки зміни погоди за короткі проміжки часу незначні, то спостереження за її характеристиками ведуть не безперервно, а через деякі інтервали часу або ж визначають її як середнє з кількох спостережень за певний проміжок. За найменший проміжок часу в метеорологічній практиці беруть годину. Такі відомості важливі, наприклад, для авіації і не мають значення для сільського господарства. Іноді метеорологічні спостереження за погодою ведуть кожні три години. На всій земній кулі прийнято здійснювати чотириразові обов'язкові спостереження в одні й ті самі години доби — о 3-й, 9-й, 15-й і 24-й. Це не тільки дає можливість порівняти фізичний стан атмосфери в різних районах планети, а й створює необхідні передумови для складання прогнозів погоди.

Мінливість є найбільш характерною рисою погоди. Вона змінюється протягом доби, тижня, місяця, року. І все ж, незважаючи на її часті "примхи" і сезонні особливості, ми знаємо, що в Середній Азії погода тепліша і сухіша, ніж у нашій країні. В Західній Європі зими звичайно м'якші, ніж у Сибіру, в тропічних широтах ніколи не випадає сніг (за винятком розташованих там високих гір), а в полярних районах не буває тропічних злив.

Кожній місцевості притаманні свої погодні умови, певні межі, в яких можуть змінюватися температура, опади тощо. Так, в Україні стовпчик термометра ніколи не піднімався вище +40,7 °С (така температура була зафіксована вперше на станції Сарата Одеської області в серпні 1927 р., а вдруге — рівно через три роки на станції Клепініно в Криму), а взимку не опускався нижче ніж -40,7 °С (м. Луганськ, 8 січня 1935 p.). Цікаво, що в тому ж серпні 1927 р. на метеопосту в смт. Нижанковичі Львівської області було зареєстровано аж 696 мм опадів протягом одного календарного місяця — рекордна кількість. Отже, нестерпна спека в одному регіоні і незвичайно рясні дощі (як у Черапунджі!) в іншому дали про себе знати майже одночасно. Варто додати, що найбільша річна кількість опадів — 2361 мм — у нашій країні була зареєстрована в Українських Карпатах на високогірній станції Плай (висота 1332 м над рівнем моря) в Закарпатській області у 1974 р.

Погода скрізь на Землі дуже різноманітна і весь час змінюється. Проте якою б не була вона мінливою, існує певне поєднання метеорологічних елементів і явищ, які найчастіше зустрічаються і повторюються з року в рік. їх сукупність утворює клімат — багаторічний режим погоди, який характеризується її середніми статистичними показниками для кожного конкретного місяця на Землі. Вивченням клімату займається спеціальна наука — кліматологія. Це наука про клімат, тобто про сукупність атмосферних умов, властивих тому чи іншому місцю в залежності від його географічного положення. Клімат є, таким чином, однією з фізико-географічних характеристик місцевості.

Клімат будь-якого району залишається практично сталим, хоча його погода може різко змінитися за день чи навіть за кілька годин, а також незважаючи на суттєві відхилення погодних умов в окремі сезони року. Так, в помірних широтах зима може виявитись дуже суворою чи безсніжною, літо може бути надміру дощовим або, навпаки, посушливим у порівняні з попереднім. І все ж було б неправильно стверджувати, що клімат одного року відрізняється від клімату іншого. Уявлення про клімат ми звичайно дістаємо на основі узагальнень відомостей про погоду, що спостерігалася в даній місцевості протягом багатьох десятиліть, а також про характер мінливості погоди й можливі межі цих змін у даному районі.

Для більш конкретного з'ясування умов формування клімату проводять аналіз кліматоутворюючих факторів. До них відносять радіаційні і циркуляційні фактори, а також вплив підстилаючої поверхні.

Вплив радіаційного фактора відповідає географічному розподілу сумарної радіації і теплового балансу. Розподіл сонячної радіації на поверхні Землі є дуже складним, оскільки він залежить не тільки від географічної широти, а й від хмарності, альбедо поверхні, висоти над рівнем моря, експозиції схилів та інших умов. Радіаційний фактор визначає такі важливі процеси на Землі, як кругообіги тепла та вологи, загальну циркуляцію атмосфери. З радіаційним фактором пов'язаний прояв кліматичної зональності.

Циркуляційні фактори проявляються на фоні широтного розподілу радіаційного балансу. З ним пов'язаний обмін повітряних мас та їх адвекція. Внаслідок цього спостерігається відхилення літніх і зимових ізотерм від широтного положення. Значною є роль циркуляції атмосфери в зволоженні материків. Вона ускладнює схему широтних змін клімату — наприклад, створюються суттєві відмінності у розподілі тепла і вологи на західних і східних частинах материків.

Специфічні риси підстилаючої поверхні є також дуже важливим географічним фактором. її вплив обумовлений розподілом суші та моря, наявністю морських течій, рельєфом поверхні суші, станом рослинного покриву.

З особливостями поверхні океану і суші пов'язано формування двох різних типів клімату: морського і континентального. Водна поверхня і суша мають різні теплоємність і альбедо: теплоємність води у 2—3 рази перевищує теплоємність ґрунту, а альбедо води на 20 % менше за альбедо суші. Слід відмітити значний вплив суші на трансформацію морських повітряних мас.

Суттєва роль у формуванні клімату належить океанічним течіям. Вони охолоджують повітря або, навпаки, роблять його теплішим над територіями, біля яких протікають, а також впливають на розподіл атмосферних опадів. Внаслідок цього океанічні течії створюють великі відмінності як у температурному режимі, так і в особливостях погоди. Карти ізотерм, наприклад, відображають вплив теплої течії Гольфстрім на клімат Західної Європи. Найбільш потужна холодна Перуанська течія доходить до самого екватора і знижує температуру води на 4 °С. У деяких регіонах планети над холодними течіями часто утворюються тумани (зокрема, над Лабрадорською течією біля острова Ньюфаундленд). Над холодними течіями в зоні пасатів порушується конвекція і різко зменшується хмарність. Саме це є головною причиною формування пустель Атакама і Наміб, розташованих безпосередньо на океанічних узбережжях материків.

Суша відрізняється від океану значно більшою різноманітністю підстилаючої поверхні та рельєфу. Особливо великим і багатостороннім є вплив на клімат гір, де з висотою дуже швидко змінюються всі метеорологічні елементи. Внаслідок цього формується вертикальна поясність ґрунтів і рослинності. Над нагрітими схилами посилюється конвекція повітря і утворення хмар. Із цими атмосферними процесами часто пов'язане випадання літніх дощів на схилах південної експозиції в горах субтропічних та помірних широт (Альпи, Кавказ, Тянь-Шань).

Перевалювання повітряних мас через гірські хребти призводить до різкої зміни кількості атмосферних опадів. Так, на навітряних схилах Чилійських Анд Тихоокеанського узбережжя випадає до 3000 мм у рік, а на підвітряних схилах східної експозиції — не більше 200 мм. Аналогічна картина в розподілі опадів має місце в Кордильєрах, Скандинавських і Кримських горах, Західних Гатах та ін. Зі збільшенням висоти часто зростає кількість снігових опадів і тривалість збереження снігового покриву.

Сніговий покрив як у горах, так і на рівнинах виявляє великий вплив на формування клімату. Велике альбедо снігу посилює розсіювання радіації, що збільшує сумарну радіацію. Маючи низьку теплопровідність, сніговий покрив зменшує втрату тепла. Водночас він сильно охолоджується випромінюванням уночі. Навесні на танення снігу витрачається велика кількість тепла, тому температура повітря над його поверхнею близька до нуля.

Будь-який клімат має виняткове значення в розвитку природи планети. Він зумовлює густоту річкової сітки, режим рік, озер, боліт, льодовиків, впливає на формування рельєфу суші. Залежно від клімату утворюються певні осадові гірські породи і ґрунти. Жодне інше явище природи так тісно і безпосередньо не пов'язане з життям людини, як погода і клімат. Від них залежить здоров'я людей, навіть особливості одягу, житла, промислових споруд тощо. Клімат надзвичайно впливає на видовий склад рослинності та характер використання землі в різних частинах планети.

Типи клімату. Підтипом клімату розуміють сталу сукупність кліматичних показників, характерних для певного періоду часу і певної території. Такими показниками є: а) кількість сонячної радіації; б) середня температура найтеплішого та найхолоднішого місяців, річна амплітуда коливання температур; в) переважаючі повітряні маси; г) середньорічна кількість опадів та режим їх випадання.

Екваторіальний, антарктичний та арктичний кліматичні пояси мають лише один тип клімату, оскільки характеризуються сталими впродовж року повітряними масами. Так, дуже вологе жарке екваторіальне повітря майже не змінює своїх властивостей упродовж року й однакове над океаном і материком. Клімат льодових просторів Антарктиди цілорічно формується під впливом сухого і морозного антарктичного повітря. Арктичне повітря, хоча й формується над просторами океану, також сухе й холодне.

У тропічному, помірному поясах та у всіх кліматичних субпоясах у зв'язку з чергуванням суходолу та океану визначають ще й кліматичні області. Кожна з них має свій тип клімату.

Екваторіальний кліматичний пояс. На екваторі, де Сонце двічі на рік буває у зеніті, впродовж року — високі температури повітря (плюс 26—28 °С). Річна амплітуда мала, приблизно2— З °С. Тут переважають вологі екваторіальні повітряні маси. Щоденні зливи складають велику річну кількість опадів — близько 2000— 3000 мм. Вони Йдуть рівномірно протягом року.

Тропічні пояси. Над тропічними широтами Сонце теж буває в зеніті. Сухість тропічних повітряних мас, які переважають у цьому поясі, спричиняє високу прозорість атмосфери. Велика кількість сонячної радіації зумовлює тут дуже високі температури повітря. Пересічна температура найтеплішого місяця +30 °С, найхолоднішого — плюс 15—16 °С. Влітку над суходолом температура повітря може досягати найвищого значення наземній кулі — близько +60 °С, але взимку навіть у тропічних пустелях поверхня дуже швидко охолоджується. Тому, наприклад, у Сахарі на нагір'ях випадає сніг.

Залежно від кількості опадів у тропічному поясі спостерігають різкі кліматичні контрасти. На заході та у внутрішніх районах материків формується область тропічного пустельного типу клімату.

Н а територіях з таки м ти пом кл і м ату внаслідок переважаючих низхідних рухів повітря випадає за рік менш ніж 100 мм опадів. На сході тропічних поясів материків — область вологого тропічного типу клімату. Тут панують морські тропічні повітряні маси, шо надходять з пасатами з океанів. Завдяки цьому на східних узбережжях, зокрема в горах, може випадати впродовж року кілька тисяч міліметрів опадів.

Помірні пояси. У помірних широтах кількість сонячної радіації коливається залежно від прозорості атмосфери. Тут у продовж року переважають помірні повітряні маси. У системі західного перенесення повітря над величезними просторами безперервно проходять циклони та антициклони. У помірних поясах яскраво виражені пори року.

Помірному поясу властиві суттєві кліматичні відмінності, зумовлені характером підстильної поверхні й особливостями циркуляції повітряних мас. Тут визначають кілька кліматичних областей з відповідними типами клімату.

Область морського типу клімату формується над океанічними просторами та на західних окраїнах материків. Для цієї області характерні велика кількість опадів (понад 1000 мм) і мала річна амплітуда температур. Океан згладжує коливання температури. Літо цього типу клімату прохолодне, зима — м'яка.

Внутрішні райони материків, віддалені від океану, знаходяться в області континентального клімату. Для цієї області характерна мала кількість опадів і значна річна амплітуда коливання температури. У районах з різко континентальним помірним кліматом, наприклад у Сибіру, різниця між літніми і зимовими температурами становить близько 100 °С (+40 °С влітку, -60 °С узимку).

Область помірно континентального клімату властива для території України. Розглянемо, наприклад, клімат Києва. Тут усе помірне: середня температура січня —7 °С, червня +19 °С, кількість опадів — 660 мм за рік.

Дуже своєрідний клімат на східних окраїнах материків у помірному поясі. Тут формується область мусонного типу клімату. Для нього характерне щорічне чергування двох сезонів — теплого вологого та холодного сухого. На вологий з рясними дощам и (літній)сезон припадає в десятки разів більше опадів, ніж на сухий. Наприклад, на Тихоокеанському узбережжі Рос" і Північно-Східного Китаю влітку подекуди випадає до 95 % річної кількості опадів. Середня липнева температура перевищує +20 °С, взимку — опускається нижче - 20 °С.

В арктичному та антарктичному поясах подібні кліматичні умови. Кількість сонячної радіації дуже велика в полярний день, проте через високе альбедо в цих поясах домінують холодні та сухі арктичні або антарктичні повітряні маси. Температури впродовж року переважно мінусові. Опадів буває менш ніж 200 мм на рік.

Отже, основні типи кліматів Землі змінюються зонально. Але неоднорідність земної поверхні, зокрема розподілу суходолу та океану, значною мірою впливає на формування клімату, зумовлюючи його різноманітність.

Сучасні уявлення про біосферу та її межі.

Живі істоти (рослини, тварини, мікроорганізми) живуть на поверхні Землі, в її атмосфері, гідросфері, верхніх шарах літосфери, утворюючи оболонку або сферу життя — біосферу. Вперше цей термін вжив австрійський вчений Е. Зюсс у 1875р., але поширився він після праць нашого видатного вченого, засновника та першого президента Академії наук України, В. І. Вернадського. Він довів, що живі організми відіграють дуже важливу роль у процесах, котрі відбуваються у всіх сферах Землі. «Якби на Землі було відсутнє життя,— писав учений,— обличчя її було б таким же незмінним і хімічно інертним, як нерухоме обличчя Місяця, як інертні уламки небесних світил». За мільярди років існування Землі живі істоти рішуче змінили склад її атмосфери, гідросфери й літосфери, створивши, по суті, зовсім нове середовище життя.

Людина, як біологічна істота, також є складовою частиною біосфери. Вона не може існувати в іншому середовищі, ніж те, що склалось на планеті за її довгу історію — не може дихати повітрям іншого складу, не може пити води, забрудненої шкідливими домішками, не може жити при іншому, ніж сьогоднішнє, напруженні планетного магнітного поля і т. д. Негативно діє на здоров'я й психіку людини зміна звичайних умов її існування, заміна природних ландшафтів "кам'яними джунглями" міст — перенаселених, перенасичених хімічним смогом, електромагнітними полями, шумом, насильством.

Пристосовуваність живих організмів вражає. Живі бактерії виявлено в гарячих гейзерних джерелах з температурою води 980С, а також в тріщинах антарктичних льодовиків, де температура рідко коли піднімається вище 0°. Бактерії живуть у глибинних водах Чорного моря, насичених сірководнем, деякі бактерії виявлено навіть в атомних реакторах. Живу спору бактерії було виявлено в одній із трубок американської космічної станції, яка три роки перебувала на поверхні Місяця — вона потрапила туди з Землі й зберегла життєздатність, незважаючи на перебування в умовах космічного вакууму, різких коливань температури й високого рівня радіації.

Одним з проявів біологічної активності організмів є швидкість їх розмноження. За ідеальних умов (теоретично) вона може досягти швидкості звуку. Французький вчений К. Лінней якось підрахував, що три мухи можуть з'їсти тушу антилопи з такою ж швидкістю, як це робить лев (враховуючи швидкість розмноження мух). Одноклітинна водорость діатомея теоретично здатна за вісім днів створити масу живої матерії, що дорівнює земній, а протягом наступного дня подвоїти її.

Суха маса живої речовини на Землі оцінюється у 2—3 трлн т. Це порівняно з основними сферами планети дуже мала величина: вона в 1000 разів менша за масу тропосфери, в 10 млн разів — земної кори і в мільярд — за масу Землі. Проте жива речовина відрізняється від неживої надзвичайно високою активністю, зокрема дуже швидким круговоротом речовин. Уся жива маса біосфери оновлюється за 33 доби, а фітомаса (тобто маса рослин) — щодня. Життєдіяльність тварин, рослин і мікроорганізмів супроводжується безперервним обміном речовин між організмами та середовищем їхнього життя, внаслідок чого всі атоми земної кори, атмосфери й гідросфери за історію Землі багаторазово входили до складу живих організмів. Образно кажучи, ми п'ємо воду, що колись входила до складу тканин юрських папоротей і кембрійських трилобітів, і дихаємо повітрям, яким дихали не лише наші далекі предки, а й, скажімо, динозаври.

Жива та нежива речовина на Землі становлять гармонійне ціле, що, власне, й називається біосферою. Згідно з образним виразом російського вченого М. Вассоєвича, «біосфера — це й мешканці, й дім, і ми в нім». Крім тих живих істот, що живуть сьогодні на Землі, В. І. Вернадський включав у біосферу істоти минулих епох, від яких до нашого часу дійшли товщі гірських порід органічного походження (такі, як вапняки чи вугілля); їх вчений називав "палеобіосферами".

Живі істоти Землі складають три типи організмів:

1. Продуценти, або автотрофи,— організми, що створюють (продукують) органічну речовину з води, вуглекислого газу й мінеральних солей, використовуючи для цього сонячну енергію. У цю групу входять також зелені рослини, їх на Землі налічується близько 350 тис. видів.

2. Консументи, або гетеротрофи,— організми, що отримують життєву енергію, харчуючись рослинами чи іншими тваринами. Це травоїдні тварини, хижаки, паразити, хижі рослини (такі, як росянка) та гриби. Таких організмів на Землі найбільше — близько 1,5 млн видів.

3. Редуценти — організми, що розкладають органічну речовину продуцентів і консументів до простих сполук — води, вуглекислого газу й мінеральних солей, замикаючи таким чином кругообіг речовин у біосфері, їх на Землі близько 75 тис. видів; це — мікроорганізми.

Вчені оцінили також кількість усіх живих особин, що населяють Землю,— 1027 (одиниця з 27 нулями після неї). Вся ця величезна маса живих істот перебуває в надзвичайно складних взаємовідносинах між собою і з неживою речовиною біосфери. Кількість можливих зв'язків між членами якої-небудь екологічної системи визначається за формулою:

A=N(N – 1) / 2

де А — число зв'язків, N — число видів в екосистемі. Якщо, наприклад, у якійсь екосистемі знаходиться 1 тис видів, то число зв'язків і взаємозалежностей між ними буде обчислюватися як, 1000 x 999 / 2 тобто становитиме приблизно 500 тис. Серед цих численних зв'язків є малосуттєві, а є надзвичайно важливі, незамінні. Втручання людини в біосферні взаємозв'язки, про значення яких вона здебільшого не має правильного уявлення, часто приводить до негативних наслідків. Наприклад, у 30-ті роки в Норвегії було вирішено відстріляти хижих птахів (полярних сов та яструбів), які, як вважалося, винищували багато цінних промислових птахів — полярних куріпок. Оголошені пільги та премії сприяли повсюдному відстрілу мисливцями хижих птахів. Одразу ж після цієї акції серед куріпок спалахнула епідемія, що майже повністю знищила їх популяцію. Як з'ясувалося, сови та яструби в природі виконували роль санітарів, що поїдали в першу чергу хворих, ослаблених куріпок (їх легше ловити) і таким чином запобігали поширенню епідемії.

У цілому біосфера дуже схожа на єдиний гігантський суперорганізм, у якому автоматично підтримується гомеостаз — динамічна сталість фізико-хімічних та біологічних властивостей середовища та стійкість його основних функцій. З точки зору кібернетики (теорії керування), в кожному біоценозі, тобто сукупності організмів, що населяють певну ділянку суші чи водойми, є керуюча й керована підсистеми. Роль керуючої підсистеми виконують консументи. Вони не дають рослинам занадто розростатися, поїдаючи «зайву» біомасу. За травоїдними пильно «стежать» хижаки, запобігаючи їх надмірному розмноженню й знищенню рослинності. Керуючою підсистемою для хижаків є інші хижаки та паразити, якими в свою чергу «керують» надпаразити (хвороботворні мікроорганізми), і т. д. Тому на Землі так багато видів живих організмів. Серед них нема «зайвих» чи «шкідливих», такі епітети їм дає людина. Особливістю зв'язків у біосфері є й те, що керуюча й керована підсистеми в ній часто міняються місцями. Так, зменшення кількості рослинного корму спричинює зниження чисельності хижаків і паразитів через механізм зворотного зв'язку.

Біосферні зв'язки складалися протягом дуже тривалого часу. В екосистемах немає нічого зайвого, непотрібного. Тому нічого, крім обурення, не навіює картина приміського осіннього лісу, після того, як там пройшли грибники. Збираючи «корисні» гриби — маслюки, лисички, опеньки та ін., грибники пошкоджують «шкідливі» гриби — мухомори, поганки, їм невтямки, що мухомори й поганки є необхідною ланкою в екосистемі лісу, оскільки їх міцелій розкладає ті органічні рештки, якими не харчуються інші гриби, отже, вони підтримують рівновагу екосистеми лісу.

Узагальнюючи результати досліджень у галузі геології, палеонтології, біології та інших природничих наук, В. І. Вернадський дійшов висновку, що біосфера — це «стійка динамічна система, рівновага в якій встановилася в основних своїх рисах... з археозою й незмінно діє протягом 1,5—2 мільярдів років». Стійкість біосфери, за Вернадським, виявляється в сталості її загальної маси (1019 т), маси живої речовини (1015 т), енергії, зв'язаної з живою речовиною (1018 ккал), і переднього хімічного складу всього живого. Оскільки всі функції живих організмів у біосфері не можуть виконуватись організмами якогось одного виду, а лише їх комплексом (подібно до того, як якась клітина в організмі не може діяти сама по собі, а лише в складі всього організму), то звідси випливає важливе положення, розроблене Вернадським: біосфера Землі з самого почату сформувалася як складна система з великою кількістю видів організмів, кожен з яких виконував свою роль у загальній системі. Без цього біосфера взагалі не могла б існувати, тобто стійкість біосфери була з самого початку обумовлена її складністю.

Вернадському належить відкриття й такого основного закону біосфери: «Кількість живої речовини є планетною константою з часів архейської ери, тобто за весь геологічний час». За цей час живий світ Землі морфологічно змінився невпізнанне, але ці зміни не вплинули ні на загальну кількість живої речовини, ні на її валовий склад.