Исследование показывает, что температура поверхности суши подчиняется простой физике, вероятно, из-за сложности вовлеченных процессов

Вариации температуры на континентах в значительной степени формируются излучением, но испарение и турбулентный перенос тепла также играют свою роль. Эти процессы по своей природе сложны. Однако, согласно новому физическому подходу, наблюдаемые температурные паттерны следуют относительно простым и предсказуемым правилам.

Ученые из Института биогеохимии Макса Планка в Йене (Германия), опубликовавшие новое исследование в Proceedings of the National Academy of Sciences, использовали новый подход для определения вклада испарения и турбулентного переноса тепла в температуры на континентах. Температуры на суше отражают баланс нагрева и охлаждения. Поверхность нагревается солнечным излучением и излучением, испускаемым атмосферой вниз (атмосферный парниковый эффект). Это нагревание балансируется охлаждением за счет собственного излучения поверхности, испарения воды и переноса тепла в атмосферу посредством конвективного, турбулентного движения.

В то время как излучение хорошо изучено и обычно наблюдаемо, степень охлаждения за счет испарения и движения контролируется множеством факторов, и для их описания часто используются полуэмпирические подходы.

Авторы использовали иной подход, основанный на базовой физике: для приведения в движение необходим источник энергии, подобно тому, как двигатель приводит в движение автомобиль. В случае атмосферы нагрев поверхности обеспечивает эту энергию. Но также необходимо учитывать последствия самого движения.

«При большем движении вы сильнее охлаждаете поверхность. Это похоже на то, как вы дуете на горячий суп — чем сильнее дуете, тем быстрее он остывает», — объясняет ведущий автор исследования Сарош Алам Гауси. Однако это охлаждение, в свою очередь, делает процесс выработки энергии менее эффективным, что приводит к снижению ее максимально возможного количества. Этот максимум можно рассчитать и использовать для количественной оценки охлаждающих эффектов испарения и движения.

Исследователи использовали спутниковые данные об излучении и математически применили подход максимума мощности для оценки скоростей нагрева и охлаждения на континентах в разные сезоны. С его помощью они предсказали температуры, испарение и потоки тепла, которые удивительно хорошо совпали с наблюдениями. Затем они использовали этот подход, чтобы понять, почему температуры на континентах различаются, уделив особое внимание роли доступности воды. Но результат оказался неожиданным.

«Я думал, что нехватка воды делает пустыни более теплыми, — говорит Гауси, имея образование гидролога. — Но мы обнаружили, что максимизация мощности важнее, чем нехватка воды. Недостаток воды компенсируется таким образом, что больше тепла передается в атмосферу».

Более высокие температуры в пустынях были объяснены двумя эффектами. Во-первых, в пустынях меньше облаков, поэтому больше солнечного света сильнее нагревает поверхность по сравнению с тропическими лесами. Второй эффект менее очевиден: пустыни обычно расположены в субтропиках, где атмосфера переносит тепло горизонтально посредством так называемой циркуляции Хадли. Это тепло добавляется не к поверхности, где оно могло бы приводить в движение «двигатель», а к атмосфере выше.

Это делает процесс выработки энергии на поверхности менее эффективным, что приводит к меньшему охлаждению и более теплой поверхности. Эти два фактора позволили авторам объяснить вариации температуры от тропических лесов до пустынь.

«Наши выводы действительно удивительны, потому что обычно испарение считается ключевым фактором охлаждения окружающей среды. И я полагаю, что этот подход действительно может продвинуть науку вперед, установив новый золотой стандарт и улучшив современные эмпирические подходы к моделированию испарения», — отмечает соавтор работы, профессор гидрологии Карлсруэского технологического института Эрвин Цее.

Старший автор исследования, руководитель группы в Институте биогеохимии Макса Планка Аксель Клейдон, интерпретирует результаты более широко: «Не совсем понятно, почему этот простой, но физический подход работает так хорошо. Один из способов понять это — признать, что процессы настолько сложны, что предельное ограничение, с которым они сталкиваются, заключается в физике генерации мощности».

Авторы ожидают, что смогут применить свой подход более широко для выявления основных механизмов, формирующих климат вокруг нас, и их реакции на глобальное потепление.