2. Zemes klimats un to veidojošie faktori

Galvenie faktori, kas nosaka Saules enerģijas daudzumu, ir

• starojuma veiktais attālums;
• leņķis, kādā Saules starojums sasniedz Zemi;
• atmosfēras sastāvs, Saules un kosmiskās telpas starojuma mijiedarbība ar Zemes atmosfēru veidojošām gāzēm.

Iemesls Saules staru krišanas leņķa un dienas garuma izmaiņām ir nepārtrauktās Zemes stāvokļa izmaiņas attiecībā pret Sauli un Zemes griešanās ass slīpuma ilglaicīgās svārstības. Zemes griešanās ass ir par 23,5 grādiem novirzīta no vertikāles pret Zemes orbītas plakni. Zemei riņķojot ap Sauli, tās ass stāvoklis būtiski nemainās. Dažādos orbītas posmos pret Sauli vairāk tiek pavērstas dažādas Zemes puslodes, tādēļ mainās gadalaiki. Ar Zemes griešanās ass slīpuma leņķi ir cieši saistīts klimats. Ja Zemes rotācijas ass būtu perpendikulāra orbītas plaknei, tad visu gadu Saule apgaismotu Zemi vienādi, gadalaiki nemainītos, un, piemēram, ekvatoriālajos platuma grādos vienmēr būtu ļoti karsts, bet polārajos – ļoti auksts. Ja Zemes griešanās ass slīpuma leņķis būtu lielāks nekā pašlaik, gadalaiku izmaiņas būtu krasākas (ziemā aukstāks, vasarā karstāks), bet atšķirības starp klimatiskajām zonām nebūtu tik izteiktas.

2.3. att. Elektromagnētiskā spektra sadalījums pa viļņu garumiem. Redzamās gaismas spektrs ir no 0,40 līdz 0,71 mikrometram (µm).

Zemi sasniedz gan pilna spektra Saules elektromagnētiskais starojums, gan jonizētu daļiņu plūsma (piemēram, ūdeņraža vai hēlija atomu kodoli), kā arī elementārdaļiņas un kosmiskās telpas daļiņu un starojuma plūsma (kosmiskais starojums). Zemes klimatu galvenokārt ietekmē elektromagnētiskā starojuma plūsma. Zemes atmosfēras ārējos slāņus sasniedz starojums, kura spektrālais sastāvs atbilst melna ķermeņa starojumam, kura temperatūra ir ≈ 6000 K (sk 2.4. att.). Zemi sasniedz pilns Saules elektromagnētiskā starojuma spektrs: ultravioletie stari, rentgenstarojums, γ stari, kā arī redzamā gaisma, radioviļņi un infrasarkanais starojums (sk. 2.3. att.). Elektromagnētiskā starojuma enerģija samazinās, palielinoties viļņu garumam, un lielākajai daļai starojuma, kas sasniedz Zemi, ir augsta enerģija un relatīvi īss viļņu garums.

Redzamās gaismas viļņu garums ir aptuveni no 0,40 līdz 0,70 μ. Redzamā gaisma nodrošina enerģiju, kas ir vajadzīga zaļo augu fotosintēzei, bet dzīvniekiem tā regulē reprodukcijas laiku, migrāciju un daudzas citas dzīvības norises.
Infrasarkanajam starojumam (siltumstarojumam) ir ievērojami mazāka enerģija, tomēr šis starojums ir nozīmīgs Zemes klimata izveidē, jo nodrošina atmosfēras apakšējo slāņu un Zemes virsmas uzsilšanu.

Dažas mikroviļņu frekvences tiek lietotas radiosakaros, mikroviļņu krāsnīs, arī laikapstākļu noteikšanai ar radariem.
Radioviļņi ir zemas enerģijas viļņi pie elektromagnētiskā starojuma spektra augšējās robežas. Šo viļņu garuma amplitūda ir no dažiem centimetriem līdz simtiem kilometru, un to frekvences var būt līdz miljardiem hercu.

2.4. att. Saules un Zemes starojuma intensitāte un spektrs (UV – spektra ultravioletā daļa; IR – infrasarkanais starojums.

Attēls modificēts pēc Jacobson, 2002.

Ievērojama daļa Saules starojuma (γ stari, rentgenstari un ultravioletais starojums ar īsu viļņu garumu) Zemes virsmu nesasniedz, bet tiek saistīta atmosfēras augšējos slāņos vai arī atstarota kosmiskajā telpā. Augstas enerģijas Saules starojuma pārvērtības Zemes atmosfērā nosaka γ staru, rentgenstarojuma un īsu viļņu garumu ultravioletā starojuma mijiedarbība ar atmosfēru veidojošām gāzēm.

Saules konstante ir lielums, kas raksturo Saules enerģijas pieplūdi Zemes  atmosfēras sistēmā. To izsaka kā Saules radiācijas daudzumu, kas krīt perpendikulāri Saules staru krišanas leņķim, Zemei atrodoties vidējā attālumā no Saules. Vārds „konstante” ir mazliet neprecīzs, jo Saules enerģija gada laikā svārstās procenta desmitdaļu robežās.

Gada laikā vislielākais Saules enerģijas daudzums sasniedz Zemi, kad tā ir vistuvāk Saulei (perihēlijā), bet vismazākais – kad Zeme atrodas ahēlijā. Perihēlijā mūsu planēta saņem par 6,7% vairāk radiācijas (1421 W/m²) nekā ahēlijā.

Perihēlija un ahēlija kontrasti Saules radiācijas sadalījumā, kā arī sezonālās starojuma izmaiņas spēj ietekmēt globālo klimatu.
Tiešais starojums ir Saules staru enerģijas daudzums, kas nonāk uz Zemes virsmas vienu laukuma vienību noteiktā laika vienībā un ir aprēķināts horizontālai virsmai vai virsmai, kas atrodas perpendikulāri Saules staru krišanas leņķim. Piemēram, skaidrā laikā jūras līmeņa augstumā tiešais starojums vidēji ir 1045 W/m2, bet kalnos (4–5 km augstumā) ≈ 1184 W/m².

Saules starojuma enerģija ir gandrīz līdzsvarā ar Zemes virsmas atstarotās enerģijas daudzumu (sk. 2.5. att.). Enerģijas plūsma, kas sasniedz Zemes atmosfēras augšējos slāņus, ir ≈ 1370 W/m². Lielākā daļa no šīs enerģijas tiek atstarota kosmiskajā telpā vai arī tiek absorbēta, mijiedarbojoties ar Zemes atmosfēru veidojošām gāzēm. Enerģijas plūsma, kas sasniedz troposfēru, ir vairs tikai  342 W/m².

2.5. attēls. Zemes enerģijas bilance, W/m².

Atļauja pēc „Climate Change 2007: The Physical Science Basis”, IPCC.

Aptuveni 30% Saules starojuma tiek atstaroti Visumā, turklāt daļu šīs enerģijas atstaro mākoņu sega un smalkās daļiņas, kas atrodas atmosfērā, proti, aerosoli. Gaišākie Zemes virsmas apgabali – sniegs, ledus un tuksneši – atstaro 1/3 Saules starojuma. Zemes virsma absorbē 51% Saules starojuma, un šī enerģija tiek izlietota iztvaikošanas procesos (23%), konvekcijas un advekcijas (no lat. advection – gaisa masu horizontāla pārvietošanās, kas no rajona uz rajonu pārnes siltumu, mitrumu, putekļainumu u.tml.) procesos (7%) un Zemes virsmas infrasarkanā starojuma veidā (≈ 21%).

Lielas izmaiņas klimata sistēmā var izraisīt vulkānu izmestais materiāls – aerosoli, kas paceļas lielā augstumā. Katastrofiski vulkānu izvirdumi var pazemināt globālo virsmas temperatūru uz vairākiem mēnešiem vai pat gadiem. Arī cilvēka veidotie aerosoli var ietekmēt Saules gaismas atstarošanu.

Zemes klimatu ietekmē Zemes virsmas spēja atstarot starojumu. Radiācijas daļu, kas tiek atstarota no Zemes virsmas, raksturo virsmas albedo (virsmas albedo ir virsmas atstarotās elektromagnētiskā starojuma plūsmas attiecība pret plūsmu, kas krīt uz šo virsmu. Parasti to attiecina uz redzamo gaismu. (Sk. 2. tabulu).

kur R_a – atstarotā radiācija,
R_s – summārā radiācija.

Saules enerģija sasilda troposfēru un Zemes virsmu. Kad gāzes (gaiss) sasilst, tās izplešas. Uzsilušais gaiss ir mazāk blīvs un tāpēc ceļas augšup, un tā vietā ieplūst aukstāks gaiss. Šāda veida atmosfēras cirkulācija – siltuma enerģijas izkliede atmosfērā – ir galvenais mehānisms, kas nosaka klimatiskos apstākļus. Klimatu ļoti lielā mērā ietekmē arī okeānu straumes, un īpaši liela nozīme ir tā sauktajai termohalīnajai cirkulācijai. Saules gaismas enerģija visvairāk tiek saņemta tropu platuma grādos, kas tālāk tiek transportēta uz lielākiem platuma grādiem ar atmosfēras un okeāna cirkulācijas sistēmas starpniecību. Enerģija arī tiek patērēta iztvaikošanā un pārvēršas latentā enerģijā (veido mākoņus). Šīs abas cirkulācijas sistēmas mijiedarbojas.

2.2. tabula. Dažādu virsmu albedo vērtības