Климатическая система – сложная, интерактивная система, состоящая из атмосферы, земной поверхности, снега и льда, океанов, других водных пространств и живых существ. Атмосферный компонент климатической системы наиболее очевидно характеризует климат; климат часто определяют как «среднюю погоду». Обычно климат описывают такими показателями, как средняя температура, изменчивость температуры, количество осадков и ветер за некоторый период времени, длительностью от несколько месяцев до миллионов лет (классический период – 30 лет). Климатическая система развивается со временем под влиянием собственной динамики и вследствие изменений во внешних факторах, которые влияют на климат (их называют воздействиями»). Внешние воздействия включают явления природы, такие как извержения вулканов и изменения солнечной активности, а также антропогенные изменения в составе атмосферы. Солнечное излучение питает климатическую систему. Есть три основных пути изменения радиационного баланса Земли: 1) изменение поступающей солнечной радиации (например, вследствие изменений в орбите Земли или в самом Солнце); 2) изменение той доли солнечной радиации, которая отражается (ее называют «альбедо», например, вследствие изменений в облачном покрове, атмосферных частицах или растительности); 3) изменение длинноволнового излучения Земли обратно в космос (например, путем изменения концентраций парниковых газов). Климат, в свою очередь, реагирует на такие изменения как прямо, так и косвенно, посредством самых разнообразных механизмов обратной связи.
Количество энергии, достигающее верхнего слоя атмосферы Земли, в расчете на один квадратный метр поверхности, обращенный к Солнцу, в дневное время составляет около 1370 Вт в секунду, а количество энергии на квадратный метр в секунду в среднем по всей планете равно четвертой части этой величины (см. рис. 1). Около 30% солнечного света, достигающего верхних слоев атмосферы, отражается обратно в космос. Приблизительно на две трети эта отражательная способность обусловлена облаками и мелкими частицами в атмосфере, известными как «аэрозоли». Светлые цветные участки Земли – в основном снег, лед и пустыни – отражают остальную треть солнечного света. Наиболее существенное изменение обусловленной аэрозолями отражательной способности имеет место, когда в результате извержений больших вулканов высоко в атмосферу выбрасываются различные материалы.
Дождь, как правило, вычищает аэрозоли из атмосферы за одну-две недели, но когда в результате интенсивного извержения вулкана разные вещества выбрасываются выше самых высоких облаков, эти аэрозоли, как правило, влияют на климат в течение одного года или двух лет, и лишь потом выпадают в тропосферу и переносятся на поверхность с осадками. Поэтому сильные извержения вулканов могут вызывать падение средней глобальной температуры поверхности приблизительно на полградуса Цельсия, что может продолжаться месяцами и даже годами. Некоторые искусственные аэрозоли также существенно отражают солнечный свет.
Энергия, которая не отражается обратно в космос, поглощается поверхностью Земли и атмосферой. Это количество составляет около 240 ватт на квадратный метр (Вт/м2). Чтобы уравновесить поступающую энергию, Земля сама должна излучать обратно в космос в среднем то же самое количество энергии. Земля делает это путем излучения уходящей длинноволновой радиации. Такое количество энергии человек чувствует от огня; чем теплее объект, тем больше тепловой энергии он излучает. Чтобы излучить 240 Вт/м2, земной поверхности пришлось бы иметь температуру около -19°C. Это гораздо холоднее тех условий, которые актически существуют на поверхности Земли (глобальная средняя приземная температура – около 14°C), тогда необходимые – 19°C наблюдаются на высоте около 5 км от земной поверхности.
Причина, по которой поверхность Земли настолько теплая, состоит в присутствии парниковых газов, которые действуют как частичный покров для длинноволнового излучения, поступающего с земной поверхности. Это явление известно как естественный парниковый эффект. Самые важные парниковые газы – водяной пар и углекислый газ. Два наиболее распространенных компонента атмосферы – азот и кислород – такого эффекта не имеют. Облака, с другой стороны, оказывают покровный эффект, схожий с действием парниковых газов, однако этот эффект нивелируется их отражательной способностью, так что в среднем облака, как правило, оказывают на климат охлаждающее действие (хотя можно локально почувствовать и нагревающее действие: облачными ночами погода, как правило, остается более теплой, чем ясными ночами, так как облака излучают длинноволновую энергию обратно на земную поверхность).
Деятельность человека усиливает покровный эффект вследствие выбросов парниковых газов. Например, объем выбросов углекислого газа в атмосферу в индустриальную эпоху увеличился приблизительно на 35%, причем, как известно, этот рост вызван деятельностью человека, главным образом, сжиганием ископаемых топлив и вырубкой лесов. Таким образом, человечество радикально изменило химический состав атмосферы Земли, что существенно повлияло на климат.
Поскольку Земля представляет собой сферу, то в тропиках на данную площадь поверхности приходится больше солнечной энергии, чем в более высоких широтах, где солнечный свет падает на атмосферу под меньшим углом. Энергия переносится из экваториальных областей в более высокие широты посредством атмосферной и океанической циркуляции, в том числе штормовыми системами. Энергия необходима также для испарения воды с морской или земной поверхности, и эта энергия, называемая скрытой теплотой, высвобождается, когда водяной пар конденсируется в облаках (см. рис. 1). Атмосферная циркуляция вызвана, главным образом, высвобождением этой скрытой теплоты. В свою очередь, атмосферная циркуляция вызывает большую часть океанической циркуляции, благодаря действию ветров на поверхностные воды океана, а также вследствие изменений температуры поверхности и солености океана из-за осадков и испарения.
Вследствие вращения Земли атмосферная циркуляция ориентирована больше с востока на запад, чем с севера на юг. Присущие средним широтам западные ветры – это крупномасштабные погодные системы, благодаря действию которых тепло переносится к полюсам. Эти погодные системы – знакомые нам мигрирующие области низкого и высокого давления и связанные с ними холодные и теплые фронты. Из-за температурных контрастов между сушей и океаном и таких преград, как горные хребты и ледниковые щиты, атмосферные волны циркуляционной системы планетарного масштаба, как правило, географически фиксируются континентами и горами, хотя их амплитуда может со временем изменяться. Из-за такой волновой картины особенно холодная зима в Северной Америке может быть связана с особенно теплой зимой в другом месте северного полушария. Изменения в различных аспектах климатической системы, таких как размер ледниковых щитов, тип и распределение растительности, температура атмосферы или океана, будут влиять на крупномасштабные циркуляционные характеристики атмосферы и океанов.
В климатической системе присутствует множество механизмов обратной связи, которые могут либо усиливать («положительная обратная связь»), либо ослаблять («отрицательная обратная связь») эффекты изменения климатического воздействия. Например, по мере потепления климата Земли из-за повышающихся концентраций парниковых газов снег и лед начинают таять. В результате этого таяния обнажаются более темные земные и водные поверхности, которые были скрыты под снегом и льдом, и эти более темные поверхности поглощают больше тепла Земли, вызывая дальнейшее потепление, что вызывает дальнейшее таяние, и так далее, т.е. имеет место самоусиливающийся цикл. Этот контур обратной связи, известный как «обратная связь между льдом и альбедо», усиливает первоначальное потепление, вызванное повышением уровней концентрации парниковых газов. Выявление, понимание и точное измерение климатической обратной связи находится в центре большого количества исследований, проводимых учеными, разгадывающими сложные загадки климата Земли.