Структурное формирование в мировых метеосистемах; двигатели атмосферы

Плотный холодный воздух непрестанно стекает с ледяных пиков северного полюса. Воздух под высоким давлением или нисходящий поток по спирали покидает полярную область уже как восточные ветры, которые сами оказывают воздействие в высоких широтах (60 – 80°) возле полярных льдов. Длинные струи этого воздуха изгибаются наружу до широты 30°.

В то время, как сама спираль захвачена (и образована) вращением Земли, эти холодные воздушные камеры увлекают за собой ряд противоположно вращающихся воздушных камер низкого давления (поворачивающихся по часовой стрелке в южном полушарии и против – в северном полушарии). Эти камеры затем смешиваются с другими вращающимися спиралями воздуха высокого давления, поднятого у экватора, и опадают в широтах 15 - 40°.
Камеры с воздухом высокого давления средних широт разворачиваются против часовой стрелки в южном полушарии и по часовой – в северном.

Рис 5.1 (стр. 108 книги)
КЛАССИФИКАЦИЯ ТИПОВ КЛИМАТА ПО КОППЕНУ

Основная мировая классификация; подуровневая классификация дана в более подробных картах или справочных материалах.

English	Русский
Climates of the Earth modified after Koppen-Geiger. Pohl	Климаты Земли Классификация по Коппен-Гейгеру Полю.
A). Tropical rainy climates Trop. rainforest (Af.Aw) Trop. savannah (A)	А). Влажные тропические климаты Влажный тропический лес (Af.Aw) Тропическая саванна (Aw)
B). Dry climates Steppe (BS) Desert (BW)	Б). Сухие климаты Степь (BS) Пустыня (BW)
С). Humid mesothermal climates   Warm + dry winter (Cw) (monsoon + ??? savannah) Warm + dry summer (Cs) (Mediterrannean) Humid temperate (Cf)	C). Влажные мезотермальные климаты Тёплый+сухая зима (Cw) (сезон дождей + ??? саванна) Тёплый+сухое лето (Cs) (средиземноморский) влажный умеренный (Cf)
D). Humid microthermal climates Cold + moist winter (Df) Cold + dry winter (Dw) (monsoon type)	D). Влажные микротермальные климаты Холодный+влажная зима (Df) Холодный+сухая зима (Dw) (по типу сезона дождей)
E). Polar climates Tundra (ET) Perpetual frost (EF)	E). Полярные климаты Тундра (ET) Вечная мерзлота (EF)
Scale at 35° lat. Sea	Масштаб на 35° широты Уровень моря
Flat polar quartic equal area projection	Плоская полярная равновеликая проекция четвёртого порядка

Рис. 5.2 (стр. 109 книги)

МАТРИЦА БИОМОВ ПО ХОЛДРИДЖУ.

Этот анализ соответствует классификациям перечня растений. Таблица представляет широкий охват областей, рассматриваемых в данной книге.

English	Russian
Key – major climate classifications used in this handbook	Ключ – основные климатические классификации, используемые в этой книге
Arid, subtropical, tropical, cold temperature, frost line, critical temperature line	Засушливый, субтропический, тропический, низкотемпературный, линия промерзания, линия критической температуры
Latitudinal regions: polar, subpolar, boreal, cool temperate, warm temperate, subtropical, tropical	Широтные регионы: полярный, приполярный, арктический, холодный умеренный, тёплый умеренный, субтропический, тропический
*mean annual biotemperature in degrees centigrade	*среднегодовая биологическая температура в градусах по Цельсию
Potential evapo-transpiration ratio	Коэффициент потенциальной транспирации и испарения
Humidity provinces (само разделение на типы неразборчиво !)	Классификация районов влажности
Altitudinal belts: naval, alpine, subalpine, montane, lower montane	Высотные пояса: морской, альпийский, приальпийский, гористый, низкогорный
Average total annual precipitation (mm)	Среднегодовой осадок (мм)
Mean annual potential evapo-transpiration in millimeters	Среднегодовой потенциальный коэффициент испарения и транспирации в мм
BIOMES: area land mass %, plant mass %	БИОМЫ: площадь суши %, растительный массив %
Tundra, boreal forest, chapparal, temperate grassland, temperate forest, desert, tropical shrub and woodland, tropical savannah and grassland, tropical deciduous forest, tropical evergreen forest	Тундра, северный лес (тайга), чапарель, прерия, лес умеренного пояса, пустыня, тропический лес и кустарник, тропическая саванна и прерия, тропический лиственный лес, тропический вечнозелёный лес
TOTAL	ИТОГО
HUMAN CROPLANDS	ПАХОТНЫЕ ЗЕМЛИ

Таблица 5.1

ЗОНЫ МОРОЗОСТОЙКОСТИ

ЗОНА	Среднегод. миним. T °F	Среднегод. миним. T °C	Примечания
	Ниже -50	Ниже -45	Арктическая тундра
	От-50 до -40	От-45 до -40	Холодные прерии и хвойные леса
	От-40 до -30	От-40 до -34	Хвойные и смешанные леса
	От-30 до -20	От-34 до -29	Холодные внутренние области континентов
	От-20 до -10	От-29 до -23	Смешанные леса и прохладные прерии
	От-10 до 0	От-23 до -18	Широколиственные и лиственные леса
	От0 до 10	От-18 до -12	Широколиственные леса
	От10 до 20	От-12 до -7	Засушливые степи, саванна
	От20 до 30	От-7 до -1	Полузасушливые побережья и бассейны водоёмов
	От30 до 40	От-1 до 4	Субтропические, пальмовые побережья
	От40 до 50	От4 до 10	Тропические леса, пустыни
	Выше50	Выше10	Экваториальные дождевые леса, сезоны дождей

Таким образом, в широтах 50°-20° и в “ревущих сороковых” вокруг Земли происходит вращение 15-18 больших воздушных камер (переменных – то высоких, то низких), при этом все они являются небольшими спиральными системами, вращающимися вокруг большой полярной спиральной системы (Рис 5.3). На западных побережьях смена полярных холодных и тёплых воздушных масс высокого давления происходит примерно с интервалом в 10 дней, хотя всё же большие воздушные камеры застывают на месте, перекрывая западное направление движения ветров, и создают статические океанические условия, влияющие на океанический круговорот и, как следствие, на рыбный промысел (например, эффект Эль Ниньо).

Эти большие вереницы подвергаются воздействию континентов и отталкиваются ими, настойчивые тёплые воздушные камеры высокого давления - поверх холодных воздушных континентальных масс, и, при относительной интенсивности воздушных камер, происходит одностороннее распределение неравномерных холодных-тёплых воздушных фронтов. Так же, как холодный полярный ветер иногда уносится к экватору массами низкого давления, так и тёплые тропические воздушные массы вовлекаются во внешнее вращение на высотах и приносят обильные тёплые дожди на полюсы. Высотные струи могут ускорять или препятствовать этой веренице, и сами струи способны распадаться при нагрузках, вызванных сдвигающими усилиями.

Возмущения и сопротивление в системе вызывают взаимное нагромождение холодных фронтов и их отталкивание от воздушных камер высокого давления в сторону полюсов и в результате – череда дождей тёплого и холодного фронтов (циклонные или спиральные дожди).

Все эти ветровые пояса ежегодно передвигаются за солнцем в сторону севера и юга, на что в меньшей степени также влияет 18,5-летний лунный цикл, что в свою очередь периодически вызывает дополнительные дожди и ветровые потоки. Система кажется хаотичной и прогнозируемой лишь на короткие сроки, но недавно мы научились оценивать некоторые эффекты долговременных циклов.

Большой спиральный круговорот областей Южного полюса показан на Рис. 5.3. Около 12-18 холодных фронтов (облачные полосы) вращаются с запада на восток вокруг полюсов и прибывают к побережьям этого региона каждые 10 дней как “циклонные фронты”. Они воздействуют на области вплоть до 30° южной широты с сопутствующими четырьмя большими фронтами (и, вероятно, несущими) с облачными полосами до 10° южной или северной широты в основном по западным границам Южной Америки, Африки и южной Атлантики. Теперь мы знаем, что именно океаническое круговращение перемещает воздушные массы, а не наоборот.

Фронты перемещаются по дуге на запад по мере того, как Земля совершает обороты на восток. Каждый облачный фронт является плодом встречи холодного полярного фронта и тёплых приполярных воздушных масс или воздушных камер высокого давления. Области низкого давления вращаются по часовой стрелке, области высокого давления – против часовой в виде череды зубцеобразных спиралей или торов, обходящих вокруг полюсов каждые 3-4 месяца. В Северном полушарии вращение происходит в обратном порядке. Холодный, плотный и сухой полярный воздух, подметающий ледниковые шапки, и горячий восходящий неподвижный воздух экватора вращают эти огромные колёса; вторжения прозрачных воздушных масс (нисходящие) состоят из горячих сухих и холодных сухих континентальных воздушных масс (Австралия, Африка) или воздушная масса, спускающаяся с соответствующего экваториального региона (восходящий поток) (Рис. 5.4).

В следующих разделах этой главы я буду рассматривать КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ в нижеследующем порядке:

- осадки (дождь, туман, роса, испарение – 5.4)

- излучение (свет, тепло, мороз, солнечная активность - 5.5)

- ветра (обычные ветра, ураганы и торнадо – 5.6)

- характер местности (высота, долины, крутизна уклона – 5.7)

- факторы широты – высоты (5.8).

5.4

ОСАДКИ

Осадки состоят в основном из двух составляющих: снег, дождь и град (ВОДНЫЕ ОСАДКИ из облаков) и КОНДЕНСАЦИЯ (конденсированная вода или вода, задерживаемая прохладными поверхностями в туманах или иногда в чистом воздухе). Несмотря на то, что последний тип осадков может быть весьма важен для склонов, выходящих на море, и высотной местности (горных влажных лесов), но единственно надёжным и широко распространённым источником осадков являются дождевые осадки. Среднемировой уровень выпадения осадков составляет 86 см (34 дюйма). В то время как мы можем принять 50 см (20 дюймов) осадков или меньше за полузасушливый уровень, а норму в 25 см (10 дюймов) и меньше за пустынную или засушливую, мы можем наблюдать местную сезонную засушливость по причине долговременных циклов и погодных эффектов, вызванных периодическими изменениями воздушных потоков и океанских течений в любом климате. Более длительные периоды повышенной засушливости также могут стать результатом вырубки лесов в местном или более крупном масштабе.

Именно потенциальная возможность изменения количества осадков заставила нас уделить так много внимания способам сохранения и сбережения воды в последующих главах. Вода обещает стать главным ограничивающим фактором для выживания и развития и будущей основной расходной статьёй для ведения сельского хозяйства и содержания садов и огородов. Таким образом, любая приемлемая стратегия для получения, сбережения и хранения воды является жизненно важной для проектирования пермакультурного хозяйства. Любой огородник знает, что средние годовые нормы выпадения осадков являются в лучшем случае самыми общими ориентирами. Гораздо более надёжным подходом было бы проследить за тем, чтобы подбор видов культур и способов добычи и сохранения воды основывались бы на возможности получения урожая и в условиях повышенной засушливости. В конце концов, рыба, на час лишённая воды, такая же потеря, как и её полное вымирание вследствие годовой утечки воды.

Рис. 5.3
СПИРАЛЬНЫЕ ВОЗДУШНЫЕ КАМЕРЫ ВОКРУГ ЮЖНОГО ПОЛЮСА

(Earth spin – вращение Земли, cloud front – облачный фронт).
Облачные полосы (затенённые) приносят с собой дожди на восточные - северо-восточные стороны высокого давления и на южную сторону области низкого давления воздушных камер. Вращение Земли создаёт эффект затягивания. Это структурное образование влияет на климат до 25 ° широты, когда циклоны вовлечены в систему.

Наши ежегодные садовые и огородные урожаи также восприимчивы к кратковременным изменениям поступления воды. Люди живут и занимаются садоводством при среднегодовых осадках в 10 см (4 дюйма) и меньше, умудряясь снимать урожаи, достаточные для собственного обеспечения и излишка. Сторонняя вода (неместного происхождения) поступает в сухие регионы в виде рек и подземных водоносных горизонтов, что позволяет благоразумно использовать её, восполняя действительный недостаток дождевых осадков, применяя великое множество различных способов, уместных в данном регионе.
Средние нормы выпадения осадков служат скорее индикатором широкого диапазона, нежели точно определяемыми ограничителями. Гораздо большее значение для нас имеет ожидаемое РАСПРЕДЕЛЕНИЕ осадков (включая такие предельные значения, как самое большое наводнение, наблюдавшееся за 100 лет) и данные по ИНТЕНСИВНОСТИ дождей, так как они влияют на размер придорожных водоотводов, водоотводных каналов плотин, хранилищ воды, призванных обеспечивать нас в засушливые времена. Сами наводнения устанавливают на местности границы, которых необходимо придерживаться при строительстве домов, разбивке площадей под посадки, установке оград и заборов, поэтому важно внимательно отслеживать записи о таких наводнениях, чтобы в будущем избежать разорительных последствий. Если упустить из виду возможность наводнений, жизнь может подвергнуться ненужному риску во время выпадения обильных дождевых осадков.

При увеличении уровня осадков уменьшается количество доступного света. Поэтому в промышленных регионах с чрезвычайно влажным облачным климатом, щедрым на туманы и облачность, свет становится ограничителем возможности выращивать те или иные растения до их созревания или даже цветения. В конце сезона выпадения осадков, когда наступает сухая пора (когда средний уровень выпавших осадков достигает 50 см или 20 дюймов), солнца достаточно и испарение преобладает над осадками, что в свою очередь и становится ограничивающим фактором. Этот фактор определяет наши стратегии хранения воды на засушливых землях так же, как, например, сезонное промерзание грунта и ледяной покров определяют стратегии ретикуляции воды в холодных климатических зонах. Осадки весьма удобно характеризуются причинами, их вызывающими:
- ОРОГРАФИЧЕСКИЕ: охлаждение воздуха при его подъёме над вершинами холмов или гор;

- ЦИКЛОННЫЕ или ФРОНТАЛЬНЫЕ: преобладание холодных и тёплых воздушных масс над полярным круговоротом;

- КОНВЕКЦИОННЫЕ: колонны тёплого воздуха, восходящего их пустынь и океанов в более холодные слои воздуха.
Кроме дождя существуют роса и туман. РОСА появляется обычно в конце ночей с ясным небом, в результате моментальной тепловой потери, а также в результате выпадения из влажной воздушной массы на побережьях и холмах. Чаще роса выпадает в пустынях с ясным небом, чем в облачных местностях, плюс небольшая скорость ветра (1-5 км/ч) способствует образованию большего количества росы. Однако неподвижный воздух и сильные ветры снижают выпадение росы. Наибольшая степень интенсивности выпадения росы составляет от 3 до 100 см выше уровня земли, высота выпадения росы зависит от высоты сухой земли, при этом, чем влажнее земля, тем ниже выпадает роса, т.к. она медленнее охлаждает.

Не нужно путать выпадение росы (вследствие быстрой теплопотери земли в ночное время с ясным небом) с влагой на листве над тёплой и влажной землёй в облачные ночи. Это явление либо ВЫПОТЕВАНИЯ ЛИСТЬЕВ (вода, проступившая через поры листьев), либо ДИСТИЛЛЯЦИИ поднимающихся от земли паров; что не привносит ни капли в общую копилку осадков. Влага от выпотевания листьев задерживается на кончиках листьев, а роса – на всей поверхности листа. Только в пустынях с 4-5 см (1-2 дюйма) выпадения росы в год роса имеет какой-то вес в общем количестве осадков. Роса в пустынях может рассматриваться как дополнение, а не замещение капельно-струйной ирригации. Росу можно улавливать с помощью груды свободно положенных друг на друга камней, когда ночные низко дующие ветры охлаждают каменистые поверхности и роса может собираться, увлажняя землю внизу. В пустыне Негев и других засушливых местностях некоторые растения могут существовать только близ таких мест конденсации росы. Каждая такая груда камней содержит достаточно влаги, чтобы напитать одно дерево (Рис 5.5). Очень большие улавливатели тепла, такие, как Ланцароте на Канарских островах (Рис. 5.6), способны дать всё необходимое для выращивания целой виноградной лозы в каждом из своих отверстий.
Самыми лучшими ловушками для росы считаются отдельно стоящие кусты высотой 1-2 метра. Группы или отдельные растения с травой хуже накапливают росу, что позволяет объяснить дискретное расположение растений в пустыне, когда происходит до 40% больше выпадения росы на разрозненно стоящие кусты, чем собиралось бы в неподвижном воздухе или под закрытым куполом крон деревьев и другой растительности.

Можно устанавливать изгороди из сетки-рабицы высотой около 1 м, чтобы использовать их в качестве первичных конденсаторов росы в пустынях, выращивая кусты вдоль линии капельного орошения, и передвигать изгородь дальше после того, как кустарниковые растения выросли. В Морокко такие изгороди предлагаются в обезлесенных прибрежных районах.

ТУМАН образуется там, где испаряется тёплая вода или испарение от тёплого дождя поднимается в холодный воздух, или же прохладная земля остужает поток тёплого воздуха и конденсирует влагу. Чанг (1968 г.) сознательно разделяет следующее:

1. ПРИЗЕМНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ТУМАН – образуется в ясные ночи в низинах, плато и логах, где происходит быстрое остывание, образующее туман во многом по тому же принципу, что и морозы зимой.

2. АДВЕКТИВНЫЙ ТУМАН – образуется там, где холодные морские течения вдали от берега конденсируют влагу в тёплых потоках морского воздуха. Это прибрежные и морские туманы, обволакивающие многие побережья, например, Ньюфаундленд и часть северо-запада Европы.

3. ОРОГРАФИЧЕСКИЙ ТУМАН ИЛИ ТУМАН СКЛОНОВ – образуется там, где тёплые влажные воздушные потоки уносятся вверх по склонам и сжижают влагу при охлаждении воздуха.

В отличие от росы туман даёт большое количество влаги. Чанг приводит следующие цифры осадков только из туманной капели: 329 см (128 дюймов) на горе Тейбл Маунтин (“Столовая гора”) в Южной Африке и 127 см (50 дюймов) на горе Ланай на Гавайях.

Рис 5.4. Направление ветра и камеры давления.

ENGLISH	РУССКИЙ
Polar ice cap high pressure	Высокое давление полярной ледовой шапки
Polar easterlies	Полярные восточные ветры (пассаты)
Interpolar calms	Межполюсные штилевые полосы
Horse latitudes	Широты штилевого пояса
NE Trades	СВ (северо-восточные) пассаты
Summer monsoon	Летний муссон
Horse latitudes high pressure calms	Штилевые полосы высокого давления широт штилевого пояса
Roaring forties (westerlies)	"Ревущие сороковые широты" (западные ветры)
Sub polar low pressure calms	Приполярные штилевые полосы низкого давления
A.A. Primary cold air cells driven by ice chilling at the poles	А.А. Первичные камеры холодного воздуха, влекомые охлаждающим воздействием льда на полюсах
B.B.Secondary cells driven by A and C cells	В.В. Вторичные камеры, движимые камерами А и С.
C.C.Primary hot air cells driven by equatorial heat	С.С. Первичные камеры горячего воздуха, движимые экваториальным воздухом

Рис. 5.5 Груды камней под деревом (уловитель влаги).

Груды свободно наваленных камней высотой менее 1 метра конденсируют влагу из ночных потоков воздуха. Предусмотрено свободное прохождение воздушного потока между камней.

ENGLISH	РУССКИЙ
Stone mulch in discrete piles	Раздельные груды камней
Drip line	Линия выпадения осадков (капели)

Рис. 5.6 Уловитель влаги Ланцароте

Прохладный воздух попадает в эти ямки с золой и влага выпадает на золу.

ENGLISH	РУССКИЙ
Cinder layer	Слой золы
Volcanic cinder	Вулканический пепел

В таких районах даже полевые культуры могут расти и расцветать без полива. Как правило, на новообразовавшихся почвах и голых камнях с морской стороны холмов растут лишь мхи и лишайники, а дождевые тропические леса предпочитают более богатые почвы. На большей части Новой Зеландии характер местности обуславливает осадки в основном из туманов склонов, и, если их не сожгут или не сведут до туссоковых пастбищ, густые леса будут разрастаться и дальше. Разрозненные кроны таких лесов являются прекрасными туманоуловителями. Даже при отсутствии видимого тумана деревья собирают значительное количество влаги на морских склонах из ветров, дующих внутрь материка с тёплых морей и встречающих на своём пути прохладную лиственную крышу леса.

В очень влажных условиях туманных лесов гигантские деревья могут накапливать так много влаги и суммарное испарение так неэффективно при наличии туманов и неподвижного воздуха, что у дерева отваливается больше крупных ветвей в неподвижном воздухе, чем при сильных ветрах (которые чаще сносят отжившие ветки, чем живые). После нескольких дней неподвижных туманов бывает довольно жутко услышать “бахх” неожиданно шумного падения крупной ветви в спокойном лесу. Почти постоянная конденсация туманов покрывает верх океанских островов в верхних широтах, там быстро разрастаются висячие мхи и эпифиты (грибковые паразиты), как они разрастаются у подножья водопадов по тем же самым причинам (частицы влаги в воздухе).

5.5

ИЗЛУЧЕНИЕ

СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Поступающее глобальное излучение имеет две составляющие:

ПРЯМОЕ СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, пронизывающее атмосферу от самого Солнца, и РАССЕЯННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ НЕБА. Последнее имеет значение в высоких широтах (38° и выше), где может достигать до 30% от всего поступающего тепла. Возле полюсов такое рассеянное излучение достигает 100% всей энергии. Мы располагаем надёжными средствами измерения только прямого солнечного излучения, так как лишь немногие метеостанции замеряют рассеянное излучение, которое появляется только при наличии тумана, облаков или пасмурного неба.

Свет и тепло измеряются в ДЛИНАХ ВОЛН, каждый набор измерений которых имеет свои особенные характеристики. Необходимо понимать основы этого излучения, чтобы проектировать дома, обогреватели, посадки растений, выбирать места для закладки поселений и виды растений для выращивания в них. Таблица 5.2 помогает понять воздействия волн различной длины.

Меньшим составляющим земного излучения на поверхности Земли является тепло, получаемое при охлаждении самой Земли. Большая часть той силы, влияющей на нас каждый день, поступает от Солнца.

Из поступающего или коротковолнового излучения (за 100% принимается излучение у внешней границы атмосферы):

• 50% никогда не достигает Земли напрямую, но рассеивается в газах, пыли и облаках самой атмосферы.

Из этих 50% :

- половина отражается от верхних слоёв облаков и пыли обратно в космос,

- половина преобразуется (поглощается) в длинноволновое излучение или тепловые волны в среде пыли и облаков, которые действуют в качестве изолирующее покрывала Земли.

• 50% достигает Земли в виде прямого излучения, попадающего в основном на поверхность океанов. Из этих 50%:

- 6%, теряется небольшое количество в виде обратного отражения в космос, а

- 94% поглощаются морем, сушей и нижними слоями атмосферы и излучаются обратно в виде тепла или преобразуются на своё дальнейшее увеличение.

Таблица 5.2 Некоторые длины волн и их воздействия.

Длина волны (миллимикроны)	Описание	Примечание
0-400	Актиничное или ультрафиолетовое; только 1,5-2% достигает Земли, большая часть поглощается озоновым слоем Земли.	Вызывает солнечные ожоги, рак кожи. Может увеличиваться вследствие разрушения озонового слоя.
400-626	Видимый свет (белый), состоящий из:	Цвета радуги, видимые благодаря испаряемой влаге или водяной призме. Около 41% достигает Земли.
400-435	Фиолетового
436-490	Синего
491-574	Зелёного
575-595	Жёлтого
595-626	Оранжевого
627-5000	Тепло (длинноволновое излучение) и радиоволны	Излучается от тел, нагретых сжиганием, или от тел, поглотивших коротковолновое излучение. Около 50% излучения добирается до поверхности Земли.
627-750	Красный
751-3000	Крайний красный
3001+	Инфракрасный

Из исходящего, земного излучения (поглощенное солнечное излучение и тепло земли, включая добавочное тепло, высвобождённое биологической и промышленной деятельностью и конденсацией) тепло, приводящее в движение атмосферный круговорот, может быть разложено следующим образом:

• около 67% вновь излучённого в космос и потерянного в виде тепла. Таким образом, в атмосфере большая часть тепла получается из такого отражённого от поверхности Земли тепла.

• 29% высвобождается из конденсируемой воды в виде физически ощутимого тепла.

Озон в верхней части атмосферы поглощает большую часть ультрафиолета, вредоносного для жизни. Доля двуокиси углерода, составляющая теперь от 3 до 4% атмосферы, по предварительным расчётам должна достигнуть 6% и вызвать повышение температуры поверхности Земли на 3°С к 2060 году. Очевидно, что этот процесс уже влияет на мировой климат в виде глобального потепления и вызовет изменение уровня моря.

Как показано в таблице 5.3, воздействие излучения на растения различно в зависимости от длины волны. Другие источники света на Земле: Луна (отражённый солнечный свет) и свет звёзд. Несмотря на свою слабость, эти источники света также влияют на рост растений, и даже сравнительно небольшое искусственное освещение способно повлиять на выращивание животных и растений. Главными воздействиями излучения являются:

• ФОТОСИНТЕЗ в растениях, основа всей жизни на Земле.

• ТЕМПЕРАТУРНОЕ воздействие на живые и неорганические формы, имеет большое значение при проектировании домов.

• ЦВЕТЕНИЕ или ПРОРАСТАНИЕ, - воздействует на растения, способствуя распространению семян определённых групп растений; включает в себя влияние протяжённости светового дня.

Растения активно приспосабливаются к высоким уровням излучения, используя различные стратегии, позволяющие добиться необходимой эффективности фотосинтеза. Они могут удерживать равновесие между энергиями света и тепла, принимая диапазоны солнечного света для встраивания в условия определённой среды (серебряные или сверкающие листья там, где уровень теплового излучения высок; красные листья там, где поглощается в основном зелёный спектр; и нужно меньше тепла). Листья могут поворачиваться краями вверх при слишком высоком уровне теплового и светового излучения или значительно увеличивать площадь своей поверхности под тенистой кроной. На нижних ярусах листья деревьев обладают большей площадью.

ЦВЕТ

Когда мы смотрим на какой-либо объект, мы видим длины волн света, которые он ОТРАЖАЕТ или поглощает. Таким образом, многие растения отражают зелёные/синие длины волн, а белые цветы отражают более широкий спектр света, становясь очень заметными на земле. Около 10% света проникает сквозь листву или передаётся листвой, несмотря на то, что кроны многих дождевых лесов в очень влажных областях (тропических или умеренных) способны пропускать лишь 0,01% света до лесной почвы. Поглощённый свет, как и тепло, вновь излучается или используется для роста.

В дополнение к цвету листьев цвет коры растений колеблется от почти белого до почти чёрного, при этом последний хорошо поглощает и излучает тепло, а первый хорошо отражает. Поверхность листьев может варьироваться от твёрдой и блестящей до мягкой, грубой или ворсистой. Обычно восковая поверхность листьев встречается на побережьях или в холодных краях, а также у некоторых растений подлеска, в то время, как ворсистая поверхность листвы чаще встречается в пустынях и высокогорьях. Восковое покрытие придаёт больше отражательной силы вне зависимости от цвета, тогда, как тёмны и грубые поверхности свет поглощают. Таким образом, тёмные вечнозелёные деревья становятся хорошими излучателями тепла.

Все эти факторы (цвет, отражение, теплоизлучение) имеют такое же значение в проектировании, какое они имеют в устройстве природы, и могут неотъемлемо использоваться в садах и на полях как вспомогательные средства для улучшения микроклимата.

АЛЬБЕДО (ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ) и ПОГЛОЩЕНИЕ

Альбедо растений (значение отражённого света) и естественных поверхностей определяет то, как они поведут себя, принимая излучение. Свет отражённый возвращается в атмосферу или поглощается близлежащими поверхностями или такими строениями, как теплицы. Свет поглощённый преобразуется в длинноволновое излучение и вновь излучается в виде тепла (Рис. 5.10). Почвы и материалы подобной плотности обычно поглощают тепло дневного излучения до глубин 51 см или около того.

Таблица 5.3. Различные воздействия излучения на растения в зависимости от длины волн.

ДЛИНА ВОЛНЫ (миллимикроны)	ОПИСАНИЕ	ВОЗДЕЙСТВИЕ
0-280 (УФ)	УФ или актиничный	Убивает растения и животных. Обеззараживающий.
81-315 (УФ)	УФ или актиничный	Вредоносный для растений и роста.
…16-400	Фиолетовый	Растения становятся короче, а листва толще.
…10-510	Фиолетово-зелёный	Сильное поглощение, усиление роста растений. Хороший фотосинтез. Передаётся стеклотканью и другими видами пластика.
…11-610	Зелёно-оранжевый	Медленный рост и фотосинтез, световое поведение – зависимость от длины светового дня.
...11-720	Оранжево-красный	Усиление поглощения и фотосинтеза.
…1-1000	Красный – крайний красный	Растения удлиняются, важен для прорастания семян, цветения, светозависимости, окрашивания плодов.
1000+	Инфракрасный	Поглощается и преобразуется растениями в тепло; не оказывает значительного воздействия на рост.

Рис. 5.7 Поступающее коротковолновое облучение.

English	Русский
Lost to space	Потеряно в пространство
0% reflected	0% отражено
Absorbed in land	Поглощено почвой
Transmitted	Передано
Diffuse radiation (scattered)	Рассеянное излучение
Absorbed in sea	Поглощено морем
Direct radiation	Прямое излучение
Ice Gas Dust	Лёд Газ Пыль

Происходящее с излучением в разных средах.

Так как это занимает определённое время, образование тепла в почве отстаёт от смены температур. На повторное излучение также необходимо время, поэтому такие впитывающие тепло поверхности теряют его медленно с отставанием от температур воздуха. Вот почему самые низкие температуры почвы приходятся на время сразу после рассвета. В условиях неподвижного воздуха потеря излучения ночью вызывает заморозок (в низинах, на равнинах и на обширных полянах и просеках в лесу длиной от 9 до 30 и более метров). Некоторые заморозки (АДВЕКТИВНЫЕ заморозки) распространяются по мере того, как холодный воздух спускается по склонам холмов и собирается в долинах. Заморозок появляется очень быстро на плоскогорьях. Плотные осенние туманы часто обозначают степень морозности будущей зимы и хорошо видны с высоких обзорных площадок.

В своих проектах мы используем водные поверхности и другие отражатели, системы разных растительности на окраинах лесов. Таблица 5.4 приводит такие значения диффузных отражателей как альбедо. Совершенный отражатель отталкивает 100% света (например, зеркала); совершенный поглотитель – ЧЁРНОЕ ТЕЛО, поглощающее весь свет и преобразующее его в тепло.

Дальнейшее преобразование поступающих волн, встречающихся на своём пути с каким-либо объектом или любой материей:

- ОТРАЖЕНИЕ – отведены почти в неизменённом состоянии, как свет от плоского зеркала или белой стены;

- ПРЕЛОМЛЕНИЕ – отведены под резким углом или сильно искривлены как свет в воде, изображение на искривлённом стекле или морские волны вокруг мыса;

- ПОГЛОЩЕНИЕ – вобраны как чёрный объект вбирает свет. Это изменяет длину волны (преобразует свет в тепло или делает короткую волну длинной). Весь поглощённый свет становится теплом.

- ПЕРЕДАЧА – проходят через объект.

Различные объекты передают или являются “проницаемыми” для длин волн света в зависимости от своей молекулярной структуры.
Таким образом, выбор цвета, формы и произведённого или природного материала компонентов помогает выгодно использовать энергию на нашем участке. Мы можем перенаправлять, преобразовывать или передавать поступающую энергию дальше. Предмет излучения настолько же взаимосвязан с областями технологии, как и с окружающими природными системами. Данный раздел рассмотрит эффекты воздействия в обеих областях.

Земля сама по себе выступает в качестве “чёрного тела”, принимающего короткие волны от Солнца и после их поглощения излучающего длинные волны от поверхности и из атмосферы. Таблица 5.2 разбирает в основном короткие длины волн, т.к. они поступают на Землю в виде света и тепла от Солнца. Те длинные волны, с которыми мы обычно имеем дело, являются заново отражёнными на Землю от атмосферы или излучёнными горячим земным ядром. Любопытен тот факт, что снег также является чёрным телом с точки зрения теплоизлучения. Такие чёрные тела, как вороны или древесный уголь могут служить хорошими отражателями, если их блестящие поверхности настроить на отражение излучения (ворона чёрная только под определёнными углами к поступающему свету).

ТЕПЛО

(длинноволновое излучение)

Трудно сохранить тепло в течение длительного срока в полевых условиях, хотя это возможно посредством изолированных масс воды или твёрдых тел, например, камней или земли. Каждый день поступает определённое количество тепла, которое либо излучается Солнцем, либо попадет на землю в качестве рассеянного небесного света. Средняя температура почвы - 5°С, воздуха и приземного уровня – 14°С, внешних слоёв атмосферы – от - 50°С до - 80°С. Как правило на каждые 100 метров набора высоты теряется 1°С.

Рис. 5.8 Глобальное излучение

Большая часть тепла усваивается влагой, пылью или газами в атмосфере; небольшая часть излучается самой Землёй.

English	Русский
Axis, Earth, atmosphere	Ось, Земля, атмосфера
Sun emits 300-2200 µm Mean temp 5793°K Radiating at 0.47µ (max.)	Солнце излучает от 300-2200 мкм Средняя температура: 5793°K излучение от 0,47 мкн (макс.)
Solar or extra-terrestrial radiation varies 7% as Earth orbit changes annually and 3% in the ultraviolet bands as the Sun fluctuates in 11 years cycles	Диапазон внеземного или солнечного излучения колеблется в пределах 7% при ежегодной смене орбиты Земли и в пределах 3% в ультрафиолетовом диапазоне излучения Солнца во время 11-летних циклов
Mean temp: 5°C Radiating at 10µ (max.)	Средняя температура: 5°C Излучение при 10мкн (макс.)
Note that from 2.2-6.8µ neither the Sun nor the Earth radiates more than 5% of the total radiation.	Примите во внимание, что в диапазоне от 2,2-6,8 мкн ни Солнце, ни Земля не излучают более 5% от общего излучения.

Рис. 5.9 Спектр солнечного света (0 – 5000 А).

Рост растений (фотосинтез) зависит от двух узких диапазонов света и подвергается разрушению под воздействием жёсткого ультрафиолетового излучения или длин волн тепла.