Климатические зоны являются фундаментальными рамками для понимания распределения жизни, погоды и экосистем по всей Земле. Эти зоны, определяемые долгосрочными моделями температуры, осадков и атмосферного давления, создают различные экологические оболочки, которые формируют ландшафты нашей планеты. От пышных, влажных пространств тропических лесов вблизи экватора до суровых, замороженных пустынь полярных регионов климатические зоны диктуют, какие виды растений и животных могут процветать, как человеческие общества развивают свое сельское хозяйство и где возникают крупные городские центры. Учет причин этих климатических моделей и динамики, которая может смещать их с течением времени, имеет важное значение для планирования устойчивой инфраструктуры, управления природными ресурсами и прогнозирования широкомасштабных последствий глобального изменения климата.

Факторы, влияющие на формирование климатической зоны

Создание и распределение глобальных климатических зон регулируется сложным взаимодействием географических и астрономических факторов, которые работают вместе, чтобы создать предсказуемый, но разнообразный набор климатов, найденных по всей планете.

Широта и солнечное излучение

Единственным важнейшим фактором, управляющим глобальным климатом, является широта, определяющая угол и интенсивность поступающего солнечного излучения. На экваторе (0° широты) солнечные лучи ударяют по Земле наиболее непосредственно, концентрируя энергию над небольшой площадью поверхности и производя стабильно высокие температуры круглый год. По мере движения к полюсам солнечное излучение прибывает под более низким углом и должно проходить через большее количество атмосферы, распространяя такое же количество энергии на гораздо большую площадь. Этот геометрический принцип создает фундаментальный энергетический дисбаланс между экватором и полюсами, приводя в движение двигатель глобальной атмосферной и океанической циркуляции. Наклон оси Земли (23,5°) еще больше усложняет это, создавая сезонные колебания в длине дня и солнечном углу, которые становятся более выраженными на более высоких широтах.

Глобальная атмосферная циркуляция

Дисбаланс солнечного нагрева приводит к массивным, планетарным циркуляционным моделям в атмосфере. Теплый воздух поднимается на экваторе, создавая пояс низкого давления, известный как зона межтропической конвергенции (ITCZ). Этот восходящий воздух охлаждает, выделяет влагу в виде проливного дождя, а затем расходится высоко в атмосфере, перемещаясь в сторону полюса. Он опускается примерно на 30° северной и южной широты, создавая пояса высокого давления - эти регионы являются домом для основных субтропических пустынь мира. Эта петля называется клеткой Хэдли. Подобные клетки - клетка Феррела и полярная клетка - работают в средних и высоких широтах, соответственно. Эти циркуляционные клетки генерируют преобладающие ветровые системы планеты: торговые ветры, дующие с востока на запад около экватора, Вестерли, дующие с запада на восток в средних широтах, и полярные Пасхали. Эти ветры отклоняются от эффекта Кориолиса, формируя глобальный перенос тепла и влаги.

Океанские течения и близость к воде

Океаны действуют как массивная тепловая батарея, поглощая и высвобождая тепло гораздо медленнее, чем материки. Этот сдерживающий эффект создает резкий контраст между морским климатом и континентальным климатом. Крупномасштабные океанские течения, обусловленные ветровыми моделями и термохалинной циркуляцией, перераспределяют огромное количество тепла по всему миру. Например, Гольфстрим переносит огромное количество тропической воды на север вдоль побережья Европы, давая Западной Европе гораздо более мягкий климат, чем его высокая широта могла бы предположить. И наоборот, Калифорнийский поток приносит холодную воду на юг от северной части Тихого океана, охлаждая побережье Калифорнии и способствуя прибрежному туману. Удельная теплоемкость воды означает, что прибрежные районы имеют меньшие температурные диапазоны (более прохладное лето, более теплые зимы) по сравнению с внутренними районами на той же широте.

Высота и топография

Поднятие играет мощную роль в создании отчетливых локальных климатических зон. В среднем температура снижается примерно на 6,5°C на 1000 метров (3,6°F на 1000 футов) прироста высоты, явление, известное как скорость падения окружающей среды. Именно поэтому вершины высоких гор могут быть покрыты снегом и льдом даже при расположении вблизи экватора. Топография также создает дождевые тени. Когда преобладающие ветры сталкиваются с горным хребтом, воздух вынужден подниматься, охлаждаться и конденсировать свою влагу в виде осадков на наветренной стороне. К тому времени, когда воздух опускается на подветренной стороне, он сухой и теплый, создавая гораздо более сухой климат, часто характеризующийся пустынными или полузасушливыми ландшафтами. Этот эффект резко виден в диапазоне Сьерра-Невада, где западные склоны пышны, а восточные склоны засушливы.

Распределение суши и моря

Расположение континентов и океанов оказывает глубокое влияние на глобальные климатические модели. Большие массивы суши в средних широтах быстро нагреваются летом и быстро охлаждаются зимой, что приводит к экстремальным сезонным колебаниям температуры, которые характеризуют континентальный климат. Напротив, районы, окруженные водой, такие как острова и прибрежные полуострова, испытывают гораздо более умеренные годовые температурные диапазоны. Этот дифференциальный нагрев между сушей и морем также приводит к сезонным сдвигам ветра, известным как муссоны. Наиболее ярким примером является азиатский муссон, где Тибетское плато интенсивно нагревается летом, создавая сильную систему низкого давления, которая привлекает влажный воздух из Индийского океана, что приводит к интенсивным сезонным осадкам.

Основные климатические зоны: подробный обзор

Наиболее широко используемой системой классификации климатических зон является климатическая классификация Кёппена, разработанная Владимиром Кёппеном в конце XIX века и позднее усовершенствованная Рудольфом Гейгером, которая группирует климаты в пять первичных групп, основываясь на сезонной температуре и характере осадков, которые сильно коррелируют с распределением биомов растительности.

Тропический климат (группа А)

Тропический климат находится вблизи экватора, обычно между 25° северной и южной широты. Для них характерны стабильно высокие температуры (средняя месячная температура выше 18°C/64,4°F) и обильные осадки. В эту группу входят три основных подтипа:

  • Тропические тропические леса (Af):] Эти регионы получают высокие осадки круглый год (часто превышающие 2000 мм / 80 дюймов в год) из-за постоянного присутствия ITCZ. Не существует четкого сухого сезона. Бассейн Амазонки, бассейн Конго и острова Юго-Восточной Азии являются яркими примерами. Полученные экосистемы являются самыми биоразнообразными на Земле, с плотными слоями навеса и быстрым циклом питательных веществ.
  • Тропический муссон (Am): Эти климаты испытывают короткий сухой сезон, но получают огромное количество осадков во время сезона дождей из-за смены муссонных ветров. Западное побережье Индии, части Филиппин и побережье Западной Африки демонстрируют этот климат. Растительность часто представляет собой смесь тропических лесов и лиственных лесов.
  • Тропическая Саванна (Aw): Эти регионы имеют отчетливый влажный сезон и длинный, ярко выраженный сухой сезон (зима). Классический ландшафт — это пастбища с разбросанными деревьями, поддерживающие большие стада пастбищных животных. Серрадо Бразилии, равнины Серенгети Африки и большая часть Индийского субконтинента попадают в эту категорию.

Сухой климат (группа B)

Сухой климат охватывает самую большую географическую область любой климатической группы. Они определяются отсутствием осадков - испарение превышает осадки. Они встречаются в двух основных подтипах:

  • Пустыни получают менее 250 мм (10 дюймов) дождя в год. Горячие пустыни (BWh), такие как пустыни Сахара, Аравийская и Соноранская, находятся около 30° широты, где опускающийся, согревающий воздух в клетке Хэдли подавляет образование облаков. Холодные пустыни (BWk), такие как пустыня Гоби в Азии, происходят в более высоких широтах из-за экстремальной континентальности и дождевых теней. Температура может резко колебаться от дня к ночи и в разные сезоны.
  • Степпе (BSh/BSk): Полузасушливые степи получают больше осадков, чем пустыни, но недостаточно для поддержки лесов. Они часто граничат с настоящими пустынями и характеризуются лугопастбищными и кустарниковыми угодьями. Сахельская область к югу от Сахары, Североамериканские Великие равнины и степи Центральной Азии являются ключевыми примерами.

Умеренный климат (группа С)

Умеренный климат встречается в средних широтах (примерно между 30° и 60° северной и южной широты). Они отличаются мягкой зимой и теплым летом, с отчетливыми сезонными изменениями. В эту группу входят несколько важных подтипов:

  • Средиземноморский (Csa/Csb): Эти климаты встречаются на западных сторонах континентов, характеризующихся жарким, сухим летом и мягкой, влажной зимой. Они контролируются сезонной миграцией субтропического пояса высокого давления. Сам средиземноморский бассейн, прибрежная Калифорния, центральная Чили, Кейп-регион Южной Африки и юго-западная Австралия являются основными местами. Эти регионы известны высоким биоразнообразием и сельским хозяйством, таким как оливки, виноград и цитрусовые.
  • Гумидные субтропические (Cfa/Cwa): Найденные на восточных сторонах континентов, эти климаты имеют жаркое, влажное лето и мягкую, чтобы охладить зимы с осадками круглый год (часто от гроз и тропических систем). Юго-восточные Соединенные Штаты, восточный Китай, южная Бразилия и части восточной Австралии являются классическими примерами. Они поддерживают сельское хозяйство и густые леса.
  • Морское Западное побережье (Cfb/Cfc): На эти климаты сильно влияет океан, в них прохладное лето и мягкие зимы с частым облачным покровом и осадками круглый год. Они встречаются на западных побережьях континентов в более высоких средних широтах, таких как Западная Европа, Тихоокеанский Северо-Запад США и Новая Зеландия.

Континентальный климат (группа D)

Континентальный климат в основном встречается в Северном полушарии, во внутренних районах крупных континентов, таких как Северная Америка, Европа и Азия. Они характеризуются экстремальными сезонными колебаниями температуры - очень холодными зимами и теплыми до жаркого лета.

  • Гуманный континентальный (Dfa/Dfb/Dwa/Dwb): Эти регионы испытывают четыре различных сезона, включая холодные зимы со значительным снегопадом и теплое до жаркого лета. Диапазон температур большой. Северо-восточные Соединенные Штаты, область Великих озер, южная Канада и большая часть Восточной Европы и центральной России имеют этот климат.
  • Субарктика (Dfc/Dfd/Dwc/Dwd): В этих климатах короткое, прохладное лето и длинные, горько холодные зимы. В них преобладают бореальные леса (тайга) и наблюдаются одни из самых больших температурных диапазонов на Земле. Восточная Сибирь, большая часть Канады и Аляска известны своим экстремальным субарктическим климатом, при этом температура в таких местах, как Верхоянск, падает ниже -50 ° C (-58 ° F) зимой.

Полярный климат (группа Е)

Полярные климаты являются самыми холодными на Земле, характеризуются средними температурами ниже 10 ° C (50° F) круглый год. Они получают очень мало осадков и часто считаются холодными пустынями.

  • Тундра (ET): Найдена на краях Арктики и Антарктики, на высоких альпийских возвышенностях.Определяющей особенностью является вечная мерзлота (постоянно замёрзшая земля), препятствующая глубокому корневому росту, в результате чего образуется ландшафт мхов, лишайников и низких кустарников. Лето короткое и прохладное, позволяющее кратковременно вспыхнуть жизни. Северные побережья Канады и России являются классическими тундровыми зонами.
  • Ледяной покров (EF): Климат внутренней части Гренландии и высокого плато Антарктиды. Средняя температура самого теплого месяца остается ниже 0°C (32°F). Ландшафт покрыт массивными, постоянными ледяными щитами. Никакой растительности не существует.

Климат высокогорья (группа H)

Не входящие в первоначальные пять групп, высокогорные климаты часто классифицируются отдельно. Они описывают сложные климатические зоны, обнаруженные в высоких горных хребтах (например, Гималаи, Анды, Скалистые горы). По мере вертикального увеличения высоты климатические модели имитируют широтные изменения от умеренных до полярных зон. Это создает вертикальную зонацию, где различные экосистемы, такие как облачные леса, альпийские луга и постоянная снежная линия, существуют в различных полосах вверх по одному склону горы.

Динамические закономерности и наблюдаемые изменения в климатических зонах

Хотя климатические зоны обеспечивают стабильную основу для понимания глобальных моделей, они не являются статическими. Как естественная изменчивость, так и антропогенные изменения заставляют эти зоны смещаться, расширяться или сокращаться с течением времени.

Естественная изменчивость климата

Несколько природных циклов вызывают краткосрочные и долгосрочные изменения в климатических моделях:

  • Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO): Это цикл потепления (Эль-Ниньо) и охлаждения (Ла-Нинья) тропической части Тихого океана, который резко меняет погодные условия по всему земному шару. Он смещает расположение ITCZ, нарушает торговые ветры и может вызвать засухи в некоторых регионах, в то время как затопляют другие.
  • Тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO) и Атлантическое многовековое колебание (AMO): Эти долгосрочные модели температуры поверхности моря действуют в течение десятилетий и могут влиять на частоту и интенсивность штормов, засух и регионального климата.
  • Циклы Миланковича:] За десятки тысяч лет изменения орбитальной формы Земли (эксцентриситет), наклона (наклон) и колебания (прецессия) изменяют распределение и количество солнечного излучения, достигающего Земли. Эти циклы являются основными движущими силами ледниково-межледниковых циклов, резко смещающих ледяные щиты и климатические зоны на континентах.

Наблюдаемые изменения из-за изменения климата

Нынешний период быстрого, вызванного деятельностью человека изменения климата приводит к наблюдаемым сдвигам в глобальных климатических зонах беспрецедентными темпами.

  • Надлежащее расширение тропиков:] Ученые заметили, что тропический пояс расширяется со скоростью примерно 0,5° до 0,8° за десятилетие. Это расширение толкает субтропические сухие зоны в сторону полюса, то есть регионы, которые когда-то были умеренными, становятся более засушливыми.
  • Миграция биомов:] По мере повышения средних глобальных температур идеальные условия для многих экосистем смещается в сторону полюсов и к более высоким высотам. Бореальные леса посягают на тундру на севере, в то время как умеренные леса сместятся в прежнюю область бореальных лесов. Однако миграция видов не всегда может идти в ногу с темпами изменения климата.
  • Интенсификация гидрологического цикла: Более теплая атмосфера удерживает больше влаги, что приводит к интенсификации водного цикла. Это приводит к более интенсивным и частым экстремальным осадкам в некоторых влажных регионах, в то время как сухие регионы испытывают более сильные и продолжительные засухи. Это эффективно делает сухие зоны более сухими, а влажные зоны более влажными.
  • Полярное усиление:] Арктика нагревается более чем в два раза быстрее, чем в среднем по миру. Это приводит к быстрому таянию морского льда и ледников, что меняет эффект альбедо (заменяя отражающий лед темной водой, которая поглощает больше тепла) и оказывает глубокое воздействие на полярный климат и экосистемы, угрожая таким видам, как белые медведи, и изменяя средства к существованию коренных народов.

Влияние на глобальные экосистемы и человеческие системы

Сдвиг климатических зон имеет ощутимые последствия. В Шестом оценочном докладе МГЭИК подробно описывается, как эти изменения уже влияют на продовольственную безопасность, доступность воды и здоровье человека. Традиционные сельскохозяйственные зоны меняются; например, винодельческие регионы движутся к более высоким широтам и высотам. Прибрежные зоны сталкиваются с комплексными угрозами от повышения уровня моря и изменения штормовых трасс. Понимание сил, которые формируют климат нашей планеты и динамичный характер этих зон, является не просто академическим упражнением - это практическая необходимость для построения устойчивой и устойчивой цивилизации в быстро меняющемся мире.

Для дальнейшего изучения этих тем ресурсы из подразделения НАСА по изменению климата и National Geographic предоставляют отличную, подробную информацию о глобальных системах и их продолжающейся эволюции.