Давньогрецький астроном Гиппарх (2 в. до н.е.) умовно розділив поверхню Землі паралелями на широтні зони, що відрізняються по висоті полуденного стояння Сонця в самий довгий день року. Ці зони були названі кліматами (від греч. klima – нахил, що спочатку означали «нахил сонячних променів»). У такий спосіб було виділено п'ять кліматичних зон: одну жарку, дві помірних і дві холодних, – які і склали основу географічної зональності земної кулі. Більш 2000 років термін «клімат» уживався саме в такому змісті. Але після 1450, коли португальські мореплавці перетнули екватор і повернулися на батьківщину, з'явилися нові факти, що зажадали перегляду класичних поглядів. У числі зведень про світ, придбаних під час подорожей першовідкривачів, минулого і кліматичні характеристики виділених зон, що дозволило розширити сам термін «клімат». Кліматичні зони вже не були лише математично розрахованими по астрономічним даним районами земної поверхні (тобто пекуче і сухо там, де Сонце піднімається високо, а холодно і сиро там, де воно стоїть низько, а тому слабко гріє). Було виявлено, що кліматичні зони не просто відповідають широтним поясам, як це представлялося раніше, а мають досить неправильні обриси. Сонячна радіація, загальна циркуляція атмосфери, географічний розподіл материків і океанів і найбільші форми рельєфу – головні фактори, що впливають на клімат суші. Сонячна радіація є найважливішим чинником климатообразования і тому буде розглянута більш докладно.

РАДІАЦІЯ. У метеорології термін «радіація» означає електромагнітне випромінювання, до якого відносять видиме світло, ультрафіолетове й інфрачервоне випромінювання, але не включають радіоактивне випромінювання. Кожен об'єкт у залежності від своєї температури випускає різні промені: менш нагріті тіла – головним чином інфрачервоні, гарячі тіла – червоні, більш гарячі – білі (тобто ці кольори будуть переважати при сприйнятті нашим зором). Ще більш гарячі об'єкти випускають блакитні промені. Ніж сильніше нагрітий об'єкт, тим більше він випромінює світлової енергії. У 1900 німецький фізик Макс Планк розробив теорію, що пояснює механізм випромінювання нагрітих тел. Ця теорія, за якої в 1918 він був визнаний гідним Нобелівської премії, стала одним з наріжних каменів фізики і поклала початок квантовій механіці. Але не усяке світлове випромінювання випускається нагрітими тілами. Існують і інші процеси, що викликають світіння, наприклад флюоресценція. Хоча температура усередині Сонця складає мільйони градусів, колір сонячного світла визначається температурою його поверхні (біля 6000° С). Електрична лампа накалювання випускає світлові промені, спектр яких істотно відрізняється від спектра сонячного світла, тому що температура нитки розжарення в лампочці складає від 2500° С до 3300° С. Переважним типом електромагнітного випромінювання хмар, дерев або людей є інфрачервоне випромінювання, невидиме для людського ока. Воно є основним способом вертикального обміну енергією між земною поверхнею, хмарами й атмосферою.Метеорологічні супутники оснащені спеціальними приладами, що виконують зйомку в інфрачервоних променях, що випускаються в космічний простір хмарами і земною поверхнею. Більш холодні, чим земна поверхня, хмари випромінюють менше і, отже, виглядають в інфрачервоних променях темніше, ніж Земля. Велика перевага інфрачервоної фотозйомки полягає в тім, що її можна проводити цілодобово (адже хмари і Земля випромінюють інфрачервоні промені постійно).

Кут інсоляції. Величина інсоляції (вхідної сонячної радіації) міняється в часі і від місця до місця відповідно до зміни кута, під яким сонячні промені падають на поверхню Землі: чим вище Сонце над головою, тим вона більше. Зміни цього кута визначаються в основному обертанням Землі навколо Сонця і її обертанням навколо своєї осі. Інтенсивність інсоляції в будь-якій точці земної кулі в будь-який день року залежить також від часу доби. Це пояснюється, звичайно, тим, що за 24 год. Земля робить повний оберт навколо своєї осі.

Обертання Землі навколо Сонця не мало б великого значення, якби земна вісь була перпендикулярна площини орбіти Землі. У цьому випадку в будь-якій крапці земної кулі в те саме час доби Сонце піднімався б на однакову висоту над обрієм і виявлялися б тільки невеликі сезонні коливання інсоляції, обумовлені зміною відстані від Землі до Сонця. Але насправді земна вісь відхиляється від перпендикуляра до площини орбіти на 23°30', і через це міняється кут падіння сонячних променів у залежності від положення Землі на орбіті.

Альбедо – частка сонячної радіації, відбита об'єктом (звичайно виражається у відсотках або частках одиниці). Альбедо снігу, що тільки випав, може досягати 0,81, альбедо хмар у залежності від типу і вертикальної потужності коливається від 0,17 до 0,81. Альбедо темного сухого піску – ок. 0,18, зеленого лісу – від 0,03 до 0,10. Альбедо великих акваторій залежить від висоти Сонця над обрієм: чим воно вище, тим менше альбедо. Альбедо Землі разом з атмосферою змінюється в залежності від хмарності і площі сніжного покриву. З усієї сонячної радіації, що надходить на нашу планету, біля 0,34 відбиває в космічний простір і губиться для системи Земля – атмосфера.

Поглинання атмосферою. Близько 19% сонячної радіації, що надходить на Землю, поглинається атмосферою (по усереднених оцінках для всіх широт і всіх часів року). У верхніх шарах атмосфери ультрафіолетове випромінювання поглинається переважно киснем і озоном, а в нижніх шарах червона й інфрачервона радіація (довжина хвилі більш 630 нм) поглинається в основному водяною парою й у меншому ступені – вуглекислим газом.

Випромінювання Землі. Незважаючи на безперервний приплив сонячної енергії в атмосферу і на земну поверхню, середня температура Землі й атмосфери досить постійна. Причина цього полягає в тім, що майже така ж кількість енергії випромінюється Землею і її атмосферою в космічний простір, в основному у виді інфрачервоної радіації, оскільки Земля і її атмосфера набагато холодніші, ніж Сонце, і лише мала частка – у видимій частині спектра. Випромінювана інфрачервона радіація реєструється метеорологічними супутниками, обладнаними спеціальною апаратурою. Багато супутникових синоптичних карт, які демонструються по телебаченню, являють собою знімки в інфрачервоних променях і відображають випромінювання тепла земною поверхнею і хмарами. Тепловий баланс. У результаті складного енергетичного обміну між земною поверхнею, атмосферою і міжпланетним простором кожний з цих компонентів одержує в середньому стільки ж енергії від двох інших, скільки втрачає сам. Отже, ні земна поверхня, ні атмосфера не продукують ні збільшення, ні убування енергії.

Екваторіальна штильова зона, розташована поблизу екватора, характеризується слабкими вітрами, зв'язаними з зоною конвергенції (тобто сходження потоків повітря) стійких південно-східних пасатів Південної півкулі і північно-східних пасатів Північної півкулі, що створювало несприятливі умови для руху вітрильних суден. При повітряних потоках, що сходяться, у цьому районі повітря повинно або підніматися, або опускатися. Оскільки поверхня суші або океану перешкоджає його опусканню, у нижніх шарах атмосфери неминуче виникають інтенсивні висхідні рухи повітря, чому сприяє також сильне прогрівання повітря знизу. Повітря, що піднімається, остигає, і його вологоємність знижується. Тому для цієї зони характерні щільна хмарність і часті опади.

Кінські широти – області з дуже слабкими вітрами, що розташовуються між 30 і 35°.пн.ш. і пд.ш. Імовірно, ця назва походить із епохи вітрильного флоту, коли судна, що перетинали Атлантику, часто попадали в штиль або затримувалися в шляху через слабкі перемінні вітри. Тим часом запаси води виснажувалися, і команди суден, що перевозили коней у Вест-Індію, були змушені викидати їх за борт. Кінські широти розташовані між областями пасатів і переважного західного переносу ( що знаходяться ближче до полюсів) і є зонами дивергенції (тобто розбіжності) вітрів у приземному шарі повітря. У цілому в їхніх межах переважають спадні рухи повітря. Опускання повітряних мас супроводжується прогріванням повітря і збільшенням його вологоємності, тому для цих зон характерні невелика хмарність і незначна кількість опадів.

Субполярна зона циклонів розташована між 50 і 55° пн.ш. Вона характеризується штормовими вітрами змінних напрямків, зв'язаними з проходженням циклонів. Це зона конвергенції переважних у помірних широтах західних і характерних для полярних районів східних вітрів. Як і в екваторіальній зоні конвергенції, тут переважають висхідні рухи повітря, щільна хмарність і випадання опадів на великих площах.

ВПЛИВ РОЗПОДІЛУ СУШІ І МОРЯ

Сонячна радіація. Під впливом змін у приході сонячної радіації суша нагрівається й остигає значно сильніше і швидше, ніж океан. Це визначається різними властивостями ґрунту і води. Вода більш прозора для радіації, чим ґрунт, тому енергія розподіляється в більшому обсязі води і приводить до меншого нагрівання одиниці її обсягу. Турбулентне перемішування розподіляє тепло у верхньому шарі океану приблизно до глибини 100 м. Вода має більшу теплоємність, чим ґрунт, тому при однаковій кількості тепла, поглиненій однаковими масами води і ґрунту, температура води підвищується менше. Майже половина тепла, що попадає на водну поверхню, витрачається на випаровування, а не на нагрівання, а на суші відбувається висушування ґрунту. Тому температура поверхні океану за добу і за рік змінюється значно менше, ніж температура поверхні суші. Оскільки атмосфера нагрівається й остигає переважно за рахунок теплового випромінювання поверхні, що підстилає, відзначені розходження виявляються в температурах повітря над сушею й океанами.

Температура повітря. У залежності від того, чим формується клімат - в основному під впливом океану або суші, його називають морським або континентальним. Морські климати характеризуються істотно меншими середніми річними амплітудами температур (більш тепла зима і більш прохолодне літо) у порівнянні з континентальними. Острова у відкритому океані (наприклад, Гавайські, Бермудські, Піднесення) мають добре виражений морський клімат. На окраїнах материків можуть формуватися климати того або іншого типу в залежності від характеру переважних вітрів. Наприклад, у зоні переважання західного переносу морський клімат панує на західних узбережжях, а континентальний – на східних. Це показано в табл. 3, де порівнюються температури по трьох метеостанціях США, розташованим приблизно на одній і тій же широті в зоні переваги західного переносу. На західному узбережжі, у Сан-Франциско, клімат морський, з теплою зимою, прохолодним літом і малою амплітудою температур. У Чикаго, у внутрішній частині материка, клімат різко континентальний, з холодною зимою, теплим літом і значною амплітудою температур. Клімат східного узбережжя, у Бостоні, не дуже сильно відрізняється від клімату Чикаго, хоча Атлантичний океан робить на нього пом'якшуючий вплив завдяки вітрам, що іноді дують з моря (морським бризам).