Table of Contents

Тропические регионы характеризуются постоянно высокими температурами и угнетающей влажностью, которые формируют как природные экосистемы, так и жизнь человека. Понимание причин этих климатических условий имеет важное значение для сельского хозяйства, городского планирования, туризма и общественного здравоохранения. В то время как многие люди интуитивно связывают тропики с теплом и влагой, основные механизмы - от солнечной геометрии до океанических течений до атмосферной циркуляции - сложны и взаимосвязаны. В этой статье рассматриваются основные природные и географические факторы, которые объединяются, чтобы произвести знойный климат, типичный для экваториального пояса.

Поскольку термин тропики может быть определен либо астрономически (между тропиком Рака и тропиком Козерога), либо климатологически (на основе температурных моделей), причины, обсуждаемые здесь, широко применимы к низкоширотным регионам. Во всех случаях ключевыми ингредиентами являются интенсивное солнечное излучение, обильное влагоснабжение и атмосферная динамика, которые улавливают тепло и водяной пар вблизи поверхности. Изучая каждый фактор подробно, мы можем понять, почему тропический климат настолько различен и почему они остаются горячими и влажными круглый год.

Географическое положение и солнечная геометрия

Прямой солнечный свет в течение всего года

Единственным наиболее важным фактором высоких тропических температур является наклон оси Земли и ее орбитальное положение относительно Солнца. Экватор получает солнечный свет под почти перпендикулярным углом почти каждый день в году. Поскольку солнечные лучи ударяют по поверхности под крутым углом, то такое же количество солнечной энергии концентрируется на меньшей площади по сравнению с более высокими широтами. Эта прямая инсоляция приводит к значительно более высокому нагреву поверхности. На экваторе Солнце находится прямо над головой два раза в год (во время равноденствий), и даже в солнцестояниях оно никогда не опускается далеко от вертикали. Результатом является круглогодичный избыток энергии, который сохраняет средние температуры между 25 ° C и 30 ° C (77 ° F до 86 ° F) в большинстве низменных тропических зон.

Напротив, регионы за пределами тропиков испытывают сезонные изменения, потому что угол Солнца резко меняется. Геометрическое преимущество тропиков означает, что существует небольшое сезонное изменение температуры; вместо этого год обычно делится на влажные и сухие сезоны. Это отсутствие тепловой сезонности является отличительной чертой тропического климата и происходит непосредственно из последовательной солнечной геометрии.

Длинная стабильность

Еще одним следствием малоширотной географии является минимальное изменение длины дня. Около экватора дневные часы зависают около 12 часов в течение года, редко отличаясь более чем на несколько минут. На широте 40°N летние дни могут составлять 15 часов, а зимние дни сокращаются до 9 часов, вызывая большие колебания в вводе солнечной энергии. Тропические регионы избегают таких колебаний. Устойчивый 12-часовой день означает, что каждый день получает примерно одинаковое количество солнечной энергии, что приводит к стабильному теплому базовому уровню. Эта консистенция также влияет на суточный температурный диапазон: тропический суточный температурный диапазон (ночь на день) часто больше, чем сезонный, но суточные максимумы остаются высокими.

Интенсивность солнечного света, продолжительность и поверхностное нагревание

Высокие значения солнечного излучения и инсоляции

Солнечная радиация в верхней части атмосферы довольно постоянна (солнечная постоянная), но количество, которое достигает поверхности — инсоляции — зависит от угла и атмосферных условий. В тропиках значения инсоляции являются одними из самых высоких на Земле. Чистое небо, которое часто преобладает в начале дня, позволяет интенсивному коротковолновому излучению проникать на землю. Эта энергия быстро нагревает поверхность земли, которая затем излучает длинноволновое (инфракрасное) тепло обратно в нижнюю атмосферу. Чистым результатом является сильный парниковый эффект в пограничном слое, еще больше повышая температуры.

Кроме того, эффект альбедо играет роль. Тропические леса имеют относительно низкое альбедо (они поглощают больше солнечного света, чем отражают), особенно по сравнению со льдом или пустынными поверхностями. Плотные тропические леса поглощают большую долю поступающей солнечной энергии, преобразуя ее в тепло и влагу посредством эвапотранспирации. В то время как часть этого тепла компенсируется облачным покровом, общий энергетический баланс благоприятствует высоким температурам поверхности.

Быстрое отопление земли и воды

Поверхности суши в тропиках быстро нагреваются под интенсивным солнцем. Во многих тропических регионах максимальные температуры днем могут превышать 35 °C (95 °F) даже в тени. Океаны и моря также теплые, но вода имеет более высокую удельную теплоемкость, поэтому она нагревается медленнее. Однако обширные тропические океаны, такие как Индийский океан, западная часть Тихого океана и Атлантика, хранят огромное количество тепловой энергии. Эта теплая вода действует как резервуар, который приводит к испарению и поддерживает высокую влажность. Взаимодействие между быстрым нагревом суши и более медленным потеплением океана создает динамическую систему, которая влияет как на температуру, так и на уровень влаги.

Океанические источники влаги и влажности

Высокая влажность в тропиках не просто продукт высоких температур. Для этого требуется обильное количество водяного пара, а основным источником является океан. Тропические океаны покрывают около 75% экваториального пояса, обеспечивая почти безграничное снабжение влагой. Скорость испарения высока, поскольку температура теплой воды (часто выше 27°C или 80°F) увеличивает давление насыщения паров воздуха, контактирующего с поверхностью. Чем теплее вода, тем больше водяного пара может удерживать находящееся над ней воздух, в соответствии с соотношением Клаузиус-Клапейрон.

Торговые ветры и влажный транспорт

торговые ветры (восточные) дуют из субтропических поясов высокого давления в сторону зоны межтропической конвергенции (ITCZ). Пересекая теплые тропические океаны, они подхватывают огромное количество водяного пара. По достижении суши эти влагозагруженные ветры вынуждаются вверх топографией, конвекцией или конвергенцией, что приводит к конденсации и сильным осадкам. Даже в регионах, которые не испытывают ежедневных дождей, преобладающие ветры сохраняют относительную влажность высокой (обычно 70-90%), потому что они непрерывно пополняют воздух влагой.

Эвапотраспирация из плотной растительности

Помимо океанического испарения, тропические леса вносят значительный вклад в влажность благодаря эвапотранспирации. Дождевые леса и другая пышная растительность поглощают большое количество воды из почвы и выделяют её через листовые устьицы в атмосферу. Дождевые леса Амазонки, например, перерабатывают около 50—80% собственных осадков через эвапотранспирацию. Этот процесс поддерживает высокий уровень влажности даже далеко внутри страны, распространяя влияние океанической влаги на континентальные интерьеры. Сочетание испарения из морей и транспирации из растительности создаёт положительную обратную связь: высокая влажность помогает поддерживать леса, а леса поддерживают высокую влажность.

Атмосферная циркуляция и зона межтропической конвергенции (ITCZ)

Хэдли-Клетка и поднимающийся воздух

Клетка Хэдли представляет собой крупномасштабный атмосферный рисунок циркуляции, который доминирует в тропической погоде. Теплый воздух на экваторе поднимается из-за интенсивного солнечного нагрева. По мере его подъема он адиабатически охлаждается, заставляя водяной пар конденсироваться в облака и осадки. Эта поднимающаяся конечность клетки Хэдли отвечает за полосу гроз и дождя вдоль ITCZ. Нисходящие конечности происходят около 30°N и 30°S, где сухие условия высокого давления создают основные пустыни мира. В тропиках преобладающее движение вверх поддерживает атмосферу нестабильной и влажной, гарантируя, что любое повышение температуры сопровождается высоким содержанием влаги.

Конвергенция и облачное покрытие

Там, где встречаются торговые ветры из Северного и Южного полушарий (ITCZ), конвергенция заставляет воздух подниматься вверх. Получающаяся глубокая конвекция производит возвышающиеся кучево-дождевые облака, которые могут простираться более чем на 15 километров в атмосферу. Эти облака блокируют некоторый поступающий солнечный свет, который слегка смягчает поверхностные температуры, но они также улавливают исходящее длинноволновое излучение, способствуя парниковому эффекту ночью. Чистый эффект - очень небольшое ежедневное колебание температуры и устойчиво грубые условия. Многие тропические места имеют суточный температурный диапазон всего 5-10 ° C по сравнению с 15-20 ° C в засушливых регионах.

Поскольку ITCZ мигрирует сезонно (после склонения Солнца), пояс самых высоких осадков сдвигается на север и юг, создавая отчетливые влажные и сухие сезоны во многих тропических районах. Однако даже в сухой сезон влажность остается повышенной из-за затяжного присутствия теплых, влажных воздушных масс и уменьшенного, но все еще значительного облачного покрова.

Покрытие земли, растительность и микроклимат

Леса как регуляторы тепла и влаги

Тропические тропические леса часто называют «легкими планеты», но они также действуют как регуляторы климата. Плотный навес снижает скорость ветра вблизи земли, захватывая влажный воздух под листьями. Отпад органического вещества выделяет дополнительное тепло и влагу. Низкое альбедо тропического леса означает, что больше солнечной энергии поглощается, но большая часть ее используется для испарения, а не для чувствительного тепла - это означает, что воздух чувствует себя горячим и липким, но фактическая температура может быть немного ниже, чем в очищенной области. Обезлесение нарушает этот баланс: очищенная земля нагревается быстрее и без транспирации воздух высыхает, но парадоксально, местные температуры могут подняться еще выше (эффект саванны).

Тем не менее, общий вклад тропических лесов в региональную влажность значителен. Только из Амазонки выделяется от двух до трех миллиардов метрических тонн водяного пара в день, что влияет на характер осадков далеко за пределами бассейна. Эта влагопереработка является критическим компонентом тропической климатической системы.

Высота и местные вариации

Не все тропические места одинаково жаркие и влажные. Высота изменяет температуру: более высокие области возвышения (например, Анды, гора Кения, Эфиопское нагорье) испытывают более прохладные температуры, даже если они находятся в тропиках. На каждые 1000 метров восхождения температура падает примерно на 6,5 ° C. Однако влажность может оставаться высокой в таких местах, если они находятся вблизи океанов или на пути торговых ветров. И наоборот, тропические пустыни (например, Сахара, Аравийский полуостров) являются горячими, но сухими, показывая, что наличие влаги - не только солнечное излучение - имеет важное значение для влажности. Сочетание широты и местной географии определяет конкретный климат любого тропического места.

Сезонные и дневные модели температуры и влажности

Влажный сезон vs. сухой сезон

В большинстве тропических регионов выделяются два сезона: влажный сезон, связанный с накладными расходами ITCZ и сухой сезон, когда ITCZ уходит. В сезон дождей облака и дождь умеренные дневные температуры, но относительная влажность остается около насыщения. Сухой сезон часто видит более высокие дневные температуры из-за более чистого неба, но влажность немного ниже. Однако даже в сухой сезон влажность редко опускается ниже 60% во влажных тропических зонах, благодаря испарению из влажной почвы и растительности. В таких регионах, как Юго-Восточная Азия, муссон приносит дополнительную влагу из океана, что приводит к экстремальным осадкам и влажности в летние месяцы.

Ежедневный ритм

Типичный тропический день начинается с ясного неба и повышения температуры. К позднему утру развивается конвекция, а к полудню случаются сильные ливни — особенно в районах тропических лесов. После дождя влажность повышается еще больше, поскольку земля и навес выделяют водяной пар. Ночное охлаждение ограничено, потому что атмосфера остается влажной и облака (если присутствуют) изолируют поверхность. Этот ежедневный цикл усиливает ощущение постоянной мутности. В городах эффект городского теплового острова усиливает ночное тепло, поскольку бетон и асфальт хранят солнечную энергию и выделяют ее медленно, сохраняя городские районы на несколько градусов теплее, чем окружающие сельские зоны.

Влияние человека на тропический климат

Урбанизация и изменение микроклимата

Деятельность человека изменяет местную температуру и влажность в тропических регионах. Урбанизация заменяет растительность непроницаемыми поверхностями, которые поглощают тепло и уменьшают испарение. Следовательно, в городах наблюдается более высокая дневная и ночная температура. Повышенная влажность может возникать в городах из-за выбросов от кондиционеров, промышленных процессов и снижения вентиляции, но в некоторых случаях отсутствие растительности делает городские районы более сухими. Чистый эффект часто является более угнетающим тепловым индексом, поскольку температура и влага могут быть повышены.

Вырубка лесов и изменение землепользования

Обезлесение оказывает очевидное влияние на тропический климат. Когда большие площади тропических лесов очищаются, потеря транспирации уменьшает ввод водяного пара в атмосферу, потенциально уменьшая местные осадки и увеличивая продолжительность сухого сезона. В то же время очищенная земля имеет более высокое альбедо в краткосрочной перспективе, но отсутствие затенения и испарения может вызвать повышение температуры поверхности на 2-5 ° C. Это нарушает естественные петли обратной связи, которые поддерживают влажность и могут вызвать региональную сушку. Исследования Амазонки предполагают, что продолжающееся обезлесение может подтолкнуть регион к переломной точке, превращая большие части тропических лесов в саванну.

Изменение климата и его усиление

Глобальное потепление усиливает естественные причины тропической жары и влажности. Поскольку тропическая атмосфера теплая для начала, она может удерживать больше водяного пара (примерно на 7% больше на градус по Цельсию, после Клаузиус-Клапейрон отношения). Это увеличивает потенциал для экстремальных событий влажности и более интенсивных осадков. Более высокие температуры поверхности моря также питают более сильные циклоны и муссоны. Сочетание повышения температуры и повышения влажности делает тепловой стресс в тропиках более опасным для здоровья человека, поскольку способность человеческого тела охлаждаться через потоотделение нарушается, когда температура влажной балки приближается к 35 ° C (95 ° F). Некоторые климатические прогнозы показывают, что части тропиков могут испытывать условия, которые граничат с непригодными для жизни к концу века, если выбросы парниковых газов не будут значительно уменьшены.

Внешние ссылки для дальнейшего чтения

Заключение

Высокие температуры и влажность тропических регионов вызваны не одним фактором, а сочетанием географических, атмосферных, океанических и биологических процессов, работающих согласованно. Прямая и последовательная солнечная радиация вблизи экватора обеспечивает постоянный избыток энергии, в то время как обширные тропические океаны и густая растительность обеспечивают влагу, необходимую для поддержания высокой влажности. Клетка Хэдли и ITCZ организуют конвекцию и осадки, создавая климат, который является одновременно жарким и влажным. Деятельность человека, особенно обезлесение и урбанизация, изменяют эти естественные закономерности и могут усугубить тепловой стресс в будущем. Понимание этих причин жизненно важно, поскольку мы сталкиваемся с потеплением мира, где тропический климат станет еще более экстремальным, затрагивая миллиарды людей, которые живут в этих регионах. Ценяя взаимодействие солнца, моря и атмосферы, мы можем лучше предсказать изменения и адаптироваться к вызовам жизни в тропиках.