Астрономические факторы – первые из естественных причин, к которым естественно (тавтология…) обратиться за объяснением колебаний погоды и климата. Самые наглядные астрономические факты – вращение Земли вокруг своей оси и вращение Земли вокруг Солнца – являются соответственно причинами суточной и сезонной изменчивости погоды. Но наше дневное светило – само по себе сложнейший объект, подверженный колебаниям и ответственный за многолетнюю изменчивость земных метеорологических условий. "И на солнце есть пятна!" – такое восклицание нередко приходится слышать в оправдание людских слабостей. Пятна на Солнце достаточно легко наблюдаются, их обнаружили еще в древности, а их непостоянство стало очевидным показателем сложной солнечной деятельности. По числу и характеру пятен стали судить об активности процессов на Солнце. Вошел в обиход термин "солнечная активность" и возникла самостоятельная метеорологическая проблема "солнечно-земные связи в погоде и климате".
В поисках объяснений климатических колебаний было установлено, что периоды (циклы) потеплений близко совпадают с максимумом солнечных пятен (пик активности), а похолоданий – с минимумом. В среднем продолжительность цикла пятен оказалась равной 11 годам, изменяясь, впрочем, в довольно широких пределах: 8– 14 лет между соседними низшими значениями и 7– 17 лет между соседними пиками. Такие широкие диапазоны колебаний смещали 11-летнюю цикличность к другим значениям – 22 года, 80 лет, хотя эти циклы часто признавались самостоятельными. Важно лишь то, что колебания метеорологических условий в различных районах земного шара, засухи, наводнения, суровые зимы и другие опасные явления повторяются с подобной же цикличностью. Солнечную активность и ее изменчивость во многих исследованиях стали считать главной причиной колебаний погоды и климата. По солнечно-земным связям стали составлять долгосрочные прогнозы, приводились примеры их высокой оправдываемости. Однако более строгие подходы обнаружили неустойчивость связей и низкое качество многих предсказаний. Сейчас признано влияние солнечных процессов на земную атмосферу, но не раскрыт физический механизм такого влияния. Проблема солнечно-земных связей в погоде и климате, как и большинство метеорологических проблем, остается открытой.
Длительные колебания климата, включая даже происходившие в прошлые эпохи истории Земли, были вызваны астрономическими причинами другого происхождения. В пределах многих сотен и тысяч лет не оставались постоянными параметры земной орбиты, расстояния от Земли до Солнца, положение земной оси, угол ее наклона к Солнцу. Все эти колебания изменяли количество солнечной энергии поступавшей к земной поверхности. Соответственно наша планета переживала различные климатические эпохи – потепления, оледенения, понижения и повышения уровня Мирового океана и другие. Долгопериодные астрономические факторы продолжают свое воздействие на земные явления, которые в далеком будущем могут по-разному повлиять на существование человечества. Но в обозримом будущем астрономические факторы представляются вполне устойчивыми, можно даже сказать незыблемыми…
Колебания погоды и климата зависят не только от вселенских астрономических причин. Есть причины более близкие, связанные со свойствами собственно Земли как планеты. Эти причины называют геофизическими. Размеры Земли, ее масса и строение, характер земной поверхности, скорость вращения вокруг своей оси и вокруг Солнца – все эти факторы влияют на погоду и климат. Некоторые из них уже обсуждались. Заметим, кстати, что по некоторым данным в последние 30-40 лет наблюдается ускорение вращения Земли. Можно добавить, что на атмосферные процессы влияют и далекие, на первый взгляд, геофизические факторы. Например – внутренняя энергия Земли, расположение вулканов, движение литосферных плит и дрейф континентов, положение магнитных полюсов. Все эти – есть еще и другие – факторы чрезвычайно интересны, они активно изучаются геофизиками различных специализаций, и ни один из них не исследован полностью. А главное – их влияние на наблюдаемые колебания погоды и климата все же второстепенны.
Рассмотрев далекие астрономические и более близкие геофизические причины колебаний климата, обратимся к причинам, находящимся совсем рядом, точнее даже – внутри самой атмосферы, которые являются главными и определяющими климатический режим и его изменчивость. Их называют циркуляционными причинами (или факторами) колебаний климата. Общая циркуляция атмосферы, о которой уже упоминалось, это система воздушных течений над земным шаром, круговорот воздушных масс над планетой Земля. Общая циркуляция совместно с непосредственно поступающей на земную поверхность солнечной энергией формируют климат. Общая циркуляция перераспределяет тепло по планете, создает неравномерности теплового режима и региональные аномалии погоды и климата. Очень важно, что общая циркуляция атмосферы поддается – в отличие от большинства астрономических и геофизических факторов – прямым непосредственным аэрологическим измерениям путем радиозондирования (вспомним Павла Александровича Молчанова – изобретателя радиозонда). К сожалению, такими измерениями охвачено не более 20% поверхности Земли. В океанах и труднодоступных районах суши регулярные наблюдения практически не производятся, но большие надежды возлагаются на спутниковую метеорологию.
Метеорологи установили множество ситуаций, когда при достаточно устойчивом потеплении возникали экстремальные холода и напротив – при похолоданиях в отдельных районах наступало тепло. Например, жестокая зима 1941-1942 гг. у нас и в северной Европе случилась в период максимального потепления в северном полушарии. Преобладание западного переноса воздушных масс в 1920-е гг. вызвало аномально мягкие зимы на европейском континенте. Жаркие летние сезоны в 1970-х гг. объяснялись антициклоническими типами циркуляции над западной и центральной Европой. При пониженной активности атмосферной циркуляции наблюдались холодные зимы, при повышенной – теплеет в Арктике, усиливается вынос льдов, облегчаются навигации. За последние 20 лет над европейской территорией России отмечена перестройка приземных атмосферных потоков: сократилась повторяемость западного переноса. Все эти примеры свидетельствуют о необходимости тщательного учета особенностей общей циркуляции атмосферы для понимания климатических колебаний.
Астрономическими, геофизическими и циркуляционными факторами исчерпываются естественные причины колебаний погоды и климата. Обратимся к фактору человеческому, по научному – антропогенному.
Человек, едва став на ноги (в буквальном смысле), начал воздействовать на природу вообще, на погоду и климат – в частности. С первобытных времен заселялись берега рек, озер и морей, вырубались и выжигались леса, осваивались и распахивались земли, создавались искусственные водохранилища, осушались болота, приручались и истреблялись животные, – всех видов человеческой деятельности не перечислить. Человечество прошло через разные стадии развития, люди овладели огнем, изобрели колесо, научились использовать энергию пара, электричества, атома. И все эти достижения отрицательно отражались на природе даже в спокойные мирные времена. А если учесть, что войны в истории преобладали, и противоборствующие стороны преднамеренно наносили ущерб окружающей среде, то станут понятными природные аномалии из-за человеческой деятельности. "Зачем ты сделала, война, ржаное поле полем брани?" – вопрошалось в одной из наших послевоенных песен. Причем каждая из сторон, перейдя к "холодной войне", по корыстным идеологическим соображениям объявляла свою деятельность полезной, не позволяя объективно оценить ее.
Теперь, в начале третьего тысячелетия, никто уже не может отрицать, что люди заметно негативно воздействуют на природу. Самыми ранимыми природными объектами являются воздух и вода, атмосфера и гидросфера. Примерно с середины XIX в. в мире неуклонно растет производство и потребление энергии (некоторый спад происходил в годы Второй мировой войны). Источниками топлива служат уголь, нефть и газ, причем преобладает уголь, хотя разговоры идут больше о нефти и газе. От сгорания топлива в атмосферу и Мировой океан поступают соединения серы, сажа, углекислый газ, окислы азота и еще немало других примесей. Углекислому газу – двуокиси углерода – уделяется особое внимание, поскольку его содержанием определяется, в основном, парниковый эффект. Являясь продуктом окисления всех органических соединений, углекислый газ влияет на процессы излучения и поглощения солнечной радиации. Его содержание зависит от сложного и непрерывного обмена между сферами – воздушной, водной и биологической. По некоторым оценкам, концентрация углекислого газа в атмосфере резко увеличилась за последние 50 лет. Другие соединения разрушают озоновый слой, защищающий нас от космического излучения.