Общая характеристика климата России

Учебное пособие: Общая характеристика климата России и солнечная радиация

1. Ключевые концепции и теоретический материал

1.1. Географическое положение и климатические пояса

Россия — одна из самых северных стран мира. Основная часть территории страны расположена в средних широтах (от $41^\circ$ до $77^\circ$ с. ш.). Климат на большей части территории суровый, с продолжительными зимами, чему способствует географическое положение и открытость территории к Северному Ледовитому океану.

Территория России охватывает четыре климатических пояса:

Климатический пояс · Географический охват · Температурные условия и особенности сезонов · Население и хозяйственная деятельность

• Арктический — Острова Северного Ледовитого океана; Зима длится круглый год, температуры отрицательные, снег не тает.; Постоянное население отсутствует. Работают только учёные — исследователи Арктики на научных и метеостанциях.
• Субарктический — Северные окраины страны; Короткое лето (с конца июня до середины августа) с температурами $+0\dots+10^\circ\text{C}$ и таянием снега. Вдоль побережья тает морской лёд, начинается навигация по Северному морскому пути.; Постоянное население: стойбища оленеводов, посёлки газовиков и нефтяников, небольшие порты в устьях крупных рек.
• Умеренный — Основная территория России; Ярко выражены все сезоны года (зима, весна, лето, осень). Лето достаточно тёплое, зима морозная со снежным покровом.; Проживает более 95% населения страны.
• Субтропический — Узкая полоса побережья Чёрного моря; Холодный период непродолжителен, круглый год преобладают положительные температуры. Зимой возможны отрицательные температуры и снег, который быстро тает, не образуя покрова.; Густонаселённый район с мягкими климатическими условиями.

1.2. Пространственные и сезонные климатические различия в умеренном поясе

Большая протяжённость России как с севера на юг, так и с запада на восток обусловливает значительные различия климатических показателей даже внутри умеренного пояса.

Сравнительные климатические показатели регионов и городов:

• Температура июля (Север — Юг):
• • Мурманская область: $+12^\circ\text{C}$
  • Астраханская область: $+24^\circ\text{C}$
• Продолжительность зимнего (снежного) периода:
• • На севере: до 6 месяцев
  • На юге: до 2 месяцев
• Континентальность и осадки (Запад — Восток):
• • Москва: средняя температура января $-7^\circ\text{C}$, среднегодовое количество осадков — $600\text{ мм}$.
  • Якутск: средняя температура января $-39^\circ\text{C}$, среднегодовое количество осадков — $200\text{ мм}$.

1.3. Астрономические факторы и поступление солнечной радиации

Ярко выраженная сезонность и холодная продолжительная зима объясняются условиями поступления солнечной радиации в средних и высоких широтах.

1. Зависимость от широты: Количество солнечной радиации на единицу площади напрямую зависит от угла падения солнечных лучей, который определяется географической широтой местности.
2. Наклон земной оси: Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом $66^\circ 33'$ и перемещается в течение года параллельно самой себе. По этой причине к Солнцу поочерёдно обращено больше Северное или Южное полушарие, что формирует годовой цикл колебаний солнечной радиации.

Максимальные углы падения солнечных лучей («высота» Солнца над горизонтом):

Наблюдаемый пункт (широта) · Зимнее солнцестояние · Равноденствие · Летнее солнцестояние

• Мурманск ($69^\circ\text{ с. ш.}$)** — $0^\circ$ (Полярная ночь — солнце не восходит); $21^\circ$; $44{,}5^\circ$ (Полярный день — солнце не заходит)
• Москва ($55^\circ 30'\text{ с. ш.}$)** — $11^\circ$; $34{,}5^\circ$; $58^\circ$
• Сочи ($46^\circ\text{ с. ш.}$)** — $21^\circ$; $44^\circ$; $67^\circ$

1.4. Виды солнечной радиации и нагрев земной поверхности

Солнечная радиация (излучение) — это энергия Солнца, излучаемая в виде тепла и света. Она пронизывает атмосферу, практически не нагревая её напрямую. Нагревание воздуха происходит за счёт теплового излучения Земли, поглотившей солнечную энергию.

```
[ Солнечная радиация ]
│
┌───────────────┴───────────────┐
▼ ▼
Ясная погода: Пасмурная погода:
[Прямая радиация] [Рассеянная радиация]
(доходит без изменений) (рассеивается паром/пылью)
│ │
└───────────────┬───────────────┘
▼
[Суммарная радиация]
│
┌───────────────┴───────────────┐
▼ ▼
[Отражённая радиация] [Поглощённая радиация]
(зависит от поверхности) (нагревает Землю)
│
▼
[Тепловое излучение Земли]
│
▼
[Нагрев воздуха у земли]
```

Математическая формула суммарной радиации:

$\text{Суммарная радиация} = \text{Прямая радиация} + \text{Рассеянная радиация}$

Отражательная способность подстилающих поверхностей (Альбедо):

Подстилающая поверхность по-разному отражает и поглощает солнечную энергию:

• Снег: отражает до $80\%$ радиации (максимальный показатель, препятствует прогреву зимой).
• Леса и поля: отражают $10\dots20\%$ радиации.
• Влажный чернозём: отражает всего $5\%$ радиации (поглощает $95\%$).

Суммарная солнечная радиация на карте измеряется в килокалориях на $\text{см}^2$ в год ($\text{ккал/см}^2\text{ в год}$) и распределяется по территории зонально — от показателей менее $70\text{ ккал/см}^2$ на крайнем севере до более $110\text{ ккал/см}^2$ на юге.

2. Вопросы с краткими ответами для самопроверки

1. В каком климатическом поясе проживает подавляющая часть населения России?
   Ответ: В умеренном климатическом поясе (проживает более 95% населения).
2. Какова продолжительность и температурный режим лета в субарктическом поясе?
   Ответ: Лето короткое — с конца июня до середины августа, с положительными температурами от $+0^\circ\text{C}$ до $+10^\circ\text{C}$.
3. Сравните средние температуры января в Москве и Якутске.
   Ответ: В Москве средняя температура января составляет $-7^\circ\text{C}$, а в Якутске — $-39^\circ\text{C}$.
4. Какова величина среднегодового количества осадков в Якутске по сравнению с Москвой?
   Ответ: В Якутске выпадает $200\text{ мм}$ осадков в год, тогда как в Москве — $600\text{ мм}$.
5. Под каким углом ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты?
   Ответ: Под углом $66^\circ 33'$.
6. Чему равен максимальный угол падения солнечных лучей в Москве в день летнего солнцестояния?
   Ответ: $58^\circ$.
7. Что такое рассеянная солнечная радиация и когда она преобладает?
   Ответ: Это радиация, изменившая направление движения и углы падения из-за столкновения с молекулами пара и пылинками в атмосфере. Она преобладает в облачную/пасмурную погоду.
8. Как рассчитывается суммарная солнечная радиация?
   Ответ: Путём сложения прямой и рассеянной солнечной радиации ($\text{Суммарная} = \text{Прямая} + \text{Рассеянная}$).
9. Какая подстилающая поверхность обладает наибольшей отражательной способностью?
   Ответ: Снег, который отражает до $80\%$ поступающей солнечной радиации.
10. Почему при прохождении через атмосферу солнечные лучи почти не нагревают её напрямую?
    Ответ: Солнечная радиация свободно пронизывает прозрачную атмосферу; нагрев воздуха происходит снизу — от теплового излучения земной поверхности, поглотившей солнечную энергию.

3. Темы для аналитических эссе

1. Зависимость хозяйственной деятельности и расселения населения от климатических поясов России.
   Направление для мысли: Проанализируйте переход от полного отсутствия постоянного населения в арктическом поясе (где работают только исследователи на станциях) к временным/промысловым поселениям субарктики (оленеводы, нефтяники, газовики, порты) и концентрации более $95\%$ населения в умеренном поясе. Объясните влияние продолжительности зимнего периода и температурных режимов на жизнь людей.
2. Астрономические причины сезонности климата в средних и высоких широтах.
   Направление для мысли: Рассмотрите влияние географической широты ($41^\circ - 77^\circ\text{ с. ш.}$) и наклона земной оси ($66^\circ 33'$) на изменение угла падения солнечных лучей в течение года. Сопоставьте показатели высоты Солнца над горизонтом в Мурманске, Москве и Сочи во время солнцестояний и равноденствий, объяснив явления полярной ночи и полярного дня.
3. Трансформация солнечной энергии подстилающей поверхностью и её роль в формировании температурного режима.
   Направление для мысли: Опишите путь солнечного луча от верхних слоёв атмосферы до приземного слоя воздуха. Проанализируйте баланс прямой, рассеянной, поглощённой и отражённой радиации. Объясните, как соотношение снежного покрова (с альбедо $80\%$) и открытого грунта/чернозёма (с отражением $5\%$) влияет на сезонный прогрев территории.

4. Глоссарий терминов

• Арктический климатический пояс — северный климатический пояс, охватывающий острова Северного Ледовитого океана, характеризующийся круглогодичной зимой с отрицательными температурами и отсутствием постоянного населения.
• Отражённая радиация — часть суммарной солнечной радиации, которая поступает на поверхность Земли и отражается от неё обратно в пространство (до $80\%$ для снега).
• Поглощённая радиация — часть суммарной солнечной радиации, которая поглощается земной поверхностью и преобразуется в тепловую энергию.
• Подстилающая поверхность — поверхность Земли (снег, лед, почва, лес), взаимодействующая с атмосферой, обладающая разной способностью отражать и поглощать солнечную радиацию.
• Прямая солнечная радиация — солнечные лучи, доходящие до поверхности Земли в ясные дни без изменений направления.
• Рассеянная радиация — радиация, образующаяся при прохождении солнечных лучей через облачную атмосферу и столкновении с молекулами пара и пылинками, изменившая направление движения.
• Солнечное излучение (солнечная радиация) — энергия Солнца, излучаемая в виде тепла и света, являющаяся главной причиной процессов в атмосфере и гидросфере.
• Субарктический климатический пояс — пояс с коротким прохладным летом ($+0\dots+10^\circ\text{C}$), таянием снегов и таянием морского льда, открывающим навигацию по Северному морскому пути.
• Субтропический климатический пояс — узкая прибрежная полоса Чёрного моря с преобладанием положительных температур в течение всего года и непродолжительным холодным периодом без устойчивого снежного покрова.
• Суммарная радиация — общее количество солнечной энергии (сумма прямой и рассеянной радиации), достигшее поверхности Земли.
• Тепловое излучение Земли — инфракрасное излучение земной поверхности, нагретой поглощённой солнечной радиацией, выступающее основным источником нагрева приземных слоёв воздуха.
• Умеренный климатический пояс — основной климатический пояс России, характеризующийся чётко выраженными четырьмя сезонами года, тёплым летом и морозной снежной зимой.