Причины экстремальных температурных колебаний в пустынных районах

Оригинальное название: The Remarkable Diurnal Temperature Swings of Deserts

Регионы пустыни определяются не только их засушливостью, но и их экстремальными колебаниями температуры между днем и ночью. В то время как дневные температуры могут парить выше 50°C (122°F) в некоторых пустынях, ночные температуры могут погружаться вблизи или ниже замерзания, создавая суточный диапазон от 30°C до 40°C или более. Это явление обусловлено сочетанием географических, атмосферных и радиационных факторов, которые взаимодействуют для создания этих драматических колебаний. Понимание этих причин имеет важное значение для понимания экологии пустыни, динамики климата и адаптации человека в этих суровых условиях. В этой статье исследуются основные механизмы этих экстремальных температур, опираясь на научные принципы и реальные примеры.

Географические особенности и характеристики поверхности земли

Минимальное вегетативное покрытие

Одним из важнейших факторов является дефицит растительности в пустынях. В отличие от лесов или лугов, в пустынях отсутствует толстый навес растений, способный смягчать температуру за счет обеспечения тени и транспирации. Растительность поглощает солнечную энергию и медленно высвобождает ее за счет эвапотранспирации, которая буферизирует температурные изменения. В пустынях голая земля подвергается непосредственно солнцу, позволяя быстро нагреваться днем. Ночью без растительности удерживать тепло, поверхность быстро охлаждается за счет радиационных процессов. По данным USGS, пустыни характеризуются низкой биомассой, что напрямую способствует их экстремальному термическому поведению.

Состав почвы и теплопроводность

Пустынные почвы обычно песчаные, каменистые или состоят из грубых частиц. Эти материалы имеют низкую теплоемкость, но высокую теплопроводность в поверхностном слое. Песок быстро нагревается при интенсивном солнечном излучении, потому что его частицы плотно упакованы и эффективно проводят тепло в верхние несколько сантиметров. Однако это тепло не проникает глубоко, поэтому, когда солнце садится, накопленное тепло быстро излучается обратно в атмосферу. Удельное тепло сухого песка составляет около 0,8 Дж/г°С по сравнению с 4,2 Дж/г°С для воды, то есть песок требует гораздо меньше энергии для повышения своей температуры. Это свойство усиливает температурные колебания. Например, в пустыне Сахара температура поверхности может превышать 80°С (176°F) в жаркий день, но опускается до 15°С (59°F) или ниже к рассвету.

Эффект Альбедо

Альбедо пустынных поверхностей варьируется, но во многих пустынях есть светлый песок или скала, которые отражают значительную часть поступающего солнечного излучения. Например, белые пески пустыни Намиб имеют альбедо около 40-50%, то есть они отражают половину солнечного света. Однако более темные пустынные поверхности, такие как лавовые поля или открытая основа, имеют более низкое альбедо (10-20%) и поглощают больше тепла, что приводит к еще более высоким дневным температурам. Общий эффект заключается в том, что баланс поверхностной энергии сильно искажен, с чистым увеличением коротковолнового излучения в течение дня и чистыми потерями длинноволнового излучения ночью. Этот дисбаланс является ключевым фактором дневных температурных экстремальных явлений.

Атмосферные условия и влажность

Низкая атмосферная влажность

Пустыни определяются низкими осадками и сухим воздухом. Влажность в пустынных атмосферах обычно ниже 10%, а часто около 1-2% в гиперзасушливых регионах. Водяной пар является самым распространенным парниковым газом на Земле, улавливая исходящее длинноволновое излучение и нагревая планету за ночь. В пустынях недостаток влаги означает, что атмосфера почти прозрачна для инфракрасного излучения. В результате после захода солнца тепло уходит прямо в космос, не будучи захваченным водяным паром. Это явление, известное как радиационное охлаждение, может вызвать падение температуры на 10°C до 20°C в час в первые несколько часов после наступления темноты. Обсерватория Земли НАСА объясняет, что сухой воздух является основным фактором быстрого охлаждения в пустынных регионах.

Ограничение парникового эффекта

Парниковый эффект значительно ослабляется в пустынных атмосферах из-за нехватки водяного пара и других парниковых газов, таких как углекислый газ (хотя CO2 хорошо смешанный в глобальном масштабе, локальная концентрация водяного пара имеет наибольшее значение). Днем энергия солнца нагревает поверхность, но ночью атмосферное окно остается открытым, позволяя теплу свободно уходить. Напротив, влажные регионы, такие как тропические леса, испытывают сильный парниковый эффект, где водяной пар улавливает тепло и поддерживает относительно теплые ночи. В пустынях этот эффект настолько минимален, что ночные температуры могут приближаться к радиационной температуре неба, которая близка к -20 ° C в ясных условиях. Вот почему пустыни испытывают одни из самых холодных ночных температур на Земле относительно их широты.

Чистое небо и облачное покрытие

Пустыни славятся своим ясным небом. Облачный покров редок, потому что воздух слишком сухой, чтобы образовывать облака, за исключением редких дождевых событий. Облака действуют как одеяло, отражая исходящее длинноволновое излучение обратно на поверхность. Отсутствие облаков максимизирует радиационное нагревание в течение дня (поскольку солнечный свет достигает поверхности беспрепятственно) и радиационное охлаждение ночью (поскольку нет облачного покрова, чтобы улавливать тепло). В пустыне Атакама, одном из самых сухих мест на Земле, ясное небо сохраняется в течение нескольких месяцев, что приводит к ежедневным диапазонам температуры 30 ° C или более.

Солнечное излучение и широта

Интенсивная инсоляция

Многие из крупнейших пустынь мира расположены между 20° и 30° широты в обоих полушариях, вблизи тропика Рака и тропика Козерога. Это размещение означает, что они получают почти прямой солнечный свет круглый год, с высокими углами возвышения Солнца. Солнечная постоянная (около 1361 Вт/м2) лишь слегка ослабляется чистой атмосферой пустыни, поэтому наземная инсоляция может превышать 1000 Вт/м2 в полдень. Этот интенсивный вход энергии быстро нагревает землю, часто превосходя 70°C (158°F) на голых поверхностях. Энергетический поток намного выше, чем в умеренных или полярных регионах, усиливая дневные температуры.

Длительность дня и сезонная изменчивость

В то время как пустыни около экватора имеют примерно равную дневную и ночную длину круглый год, субтропические пустыни испытывают более длинные летние дни и более короткие зимние дни. В течение лета расширенные дневные часы позволяют больше поглощения энергии, толкая дневные температуры к крайностям. Зимой более короткие дни и более низкие углы солнца уменьшают нагрев. Однако ясное небо и сухой воздух все еще позволяют значительное ночное охлаждение, поэтому зимние суточные диапазоны могут быть даже больше, чем летние. Например, в пустыне Гоби зимние дневные температуры могут достигать 10 ° C (50° F), но опускаются до -30 ° C (-22 ° F) ночью, диапазон 40° C (104 ° F).

Высоковысотные эффекты

Некоторые пустыни, как Атакама и Тибетское плато, расположены на больших высотах. Атмосфера тоньше на более высоких высотах, что ещё больше снижает парниковый эффект и увеличивает радиационное охлаждение. Тибетское плато, часто называемое «Третий полюс», имеет один из самых больших суточных температурных диапазонов на Земле, часто превышающий 30°C зимой. Тонкий воздух содержит меньше водяного пара и меньше частиц, чтобы улавливать тепло, поэтому дневное солнечное отопление интенсивное, но ночное охлаждение ещё более выражено. Высота слагает засушливость для создания экстремальных тепловых колебаний.

Дополнительные факторы, способствующие

Ветровые шаблоны и адвекция

Ветер может либо умеренно, либо усугублять колебания температуры. В прибрежных пустынях, таких как Намиб, прохладные океанские течения (например, Бенгельский поток) производят стабильные береговые бризы, которые снижают дневные температуры и уменьшают суточную продолжительность. И наоборот, в континентальных пустынях, таких как австралийская глубинка, ветры часто приносят теплый воздух из внутренних районов, поддерживая высокие дневные температуры. В течение ночи катабатские ветры (холодный, плотный воздух, текущий вниз по склону) могут вызывать быстрое падение температуры в пустынных бассейнах. Взаимодействие ветра и топографии создает местные изменения температурных экстремальных явлений.

Океанские течения и близость к воде

Холодные океанические течения вдоль западных пустынных побережий (например, Гумбольдтское течение у Атакамы, Канарское течение у Сахары) подавляют осадки и охлаждают морской слой. Однако эти течения также умеренные прибрежные температуры, уменьшая суточные диапазоны вблизи берега. Внутренние пустыни, далекие от любого океанического влияния, испытывают самые экстремальные колебания. Например, пустыня Лут в Иране, которая находится далеко от водоемов, зафиксировала температуру поверхности 80,8 ° C (177,4 ° F) в 2018 году, с ночными минимумами около 15 ° C (59 ° F). Отсутствие теплового буферизации от водоемов является критическим фактором.

Топография и эффекты бассейна

Многие пустыни расположены в бассейнах или долинах, окруженных горами. Ночью холодный воздух стекает в эти низменные районы, объединяясь и охлаждаясь дальше. Это явление, известное как бассейн холодного воздуха, может производить некоторые из самых холодных температур пустыни. В пустыне Соноран, например, в бассейнах, таких как Долина Смерти (которая ниже уровня моря), могут наблюдаться температуры, взлетающие до 57 ° C (134 ° F), но затем опускаются до 10 ° C (50° F) ночью. Топография бассейна захватывает холодный воздух, усиливая ночной охлаждающий эффект. Кроме того, горные хребты могут блокировать влагозахватывающие ветры, усиливая засушливость и ясное небо.

Почвенная влага и теплохранилище

Даже в пустынях случайные осадки могут влажнее на короткое время влажной почвы имеет более высокую теплоемкость, чем сухой песок, поэтому она нагревается и остывает медленнее. Однако, поскольку смачивание редкое и мелкое, эффект временный. Большую часть времени пустынные почвы костно-сухие, с содержанием влаги менее 1%. Эта сухость означает, что температура почвы очень низкая, поэтому температура поверхности близко следует за коротковолновым излучением входа. Кроме того, теплопроводность в сухом песке намного ниже для более глубоких слоев, поэтому суточная температурная волна проникает только на несколько сантиметров. Это мелкое теплохранилище обеспечивает быстрое ночное охлаждение.

Последствия экстремальных температурных колебаний

Влияние на экосистемы пустынь

Например, многие пустынные рептилии эктотермичны и полагаются на грейки на солнце, чтобы достичь температуры активности, а затем отступают в норы, чтобы избежать холодных ночей. Кактусы используют фотосинтез метаболизма крупуляцевой кислоты (CAM), который позволяет им принимать углекислый газ ночью, когда температура ниже, а потеря воды минимизирована. Крайние колебания также влияют на микробную активность почвы, которая ограничена короткими окнами на рассвете и в сумерках, когда температура умеренная. Понимание этих колебаний имеет решающее значение для сохранения и прогнозирования того, как пустынные экосистемы могут реагировать на изменение климата.

Обитатели и инфраструктура человека

Человеческие поселения в пустынных регионах должны бороться с этими колебаниями температуры. Традиционная архитектура часто использует толстые грязи или каменные стены с высокой тепловой массой для поглощения тепла днем и высвобождения его ночью, смягчая температуры в помещении. Бедуинские палатки спроектированы с легкими отражающими материалами для защиты от дневного тепла, позволяя при этом радиационное охлаждение ночью. Современная инфраструктура, такая как шоссе и трубопроводы, должна быть спроектирована так, чтобы выдерживать расширение и сокращение от теплового стресса. В таких городах, как Феникс, Аризона, эффект городского теплового острова может повышать ночные температуры, уменьшая суточную продолжительность, но увеличивая общий тепловой стресс. NOAA сообщает , что городское развитие в пустынях может изменить местные климатические модели.

Изменение климата соображения

Ожидается, что изменение климата усилит экстремальные температуры во многих пустынных регионах. Повышение глобальных температур из-за увеличения парниковых газов повысит базовые температуры, но суточный диапазон может изменяться неравномерно. Некоторые модели предсказывают, что ночные минимальные температуры будут расти быстрее дневных максимумов, уменьшая суточный диапазон. Однако в гиперзасушливых пустынях продолжающееся отсутствие влаги и ясное небо могут сохранять большие диапазоны. Более того, изменения в атмосферной циркуляции, такие как расширение клеток Хэдли, могут сместить границы пустыни и изменить частоту экстремальных тепловых явлений. NASA документально подтвердило, что экстремальные температуры Долины Смерти становятся все более частыми и интенсивными.

Вывод: деликатный баланс факторов

Крайние колебания температуры в пустынных регионах являются результатом тонкого взаимодействия географических особенностей, атмосферных условий, солнечной радиации и местных факторов, таких как высота и топография. Минимальная растительность, сухие почвы, низкая влажность, чистое небо и интенсивный солнечный свет, все вместе создают одни из самых суровых тепловых условий на Земле. Хотя эти условия суровы, они также поддерживают уникальные экосистемы и человеческие культуры, которые адаптировались на протяжении тысячелетий. По мере изменения глобальных климатических моделей понимание механизмов, лежащих в основе этих колебаний температуры, становится все более важным для прогнозирования будущих изменений и управления ресурсами в этих хрупких ландшафтах. Изучение климата пустыни продолжает раскрывать понимание планетарного энергетического баланса и пределов жизни на Земле.