Кратко — климатические пояса и экстремальные зоны формируются сочетанием распределения солнечной энергии и динамики атмосферы/океана, дополненным локальными факторами. Основные факторы:
1. Солнечная инсоляция (геометрия Солнца)
- Количество энергии зависит от широты и наклона оси: чем выше широта, тем меньше средняя потоковая плотность. В упрощении средняя инсоляция пропорциональна косинусу широты: $$S(\phi )\approx S_0\cos \phi ,$$ где $\phi$ — широта, $S_0$ — солнечная постоянная.
- Наклон оси вызывает сезоны и смещение зон нагрева в течение года.
2. Атмосферная циркуляция и конвективные ячейки
- Глобальные ячейки (Hadley — тропики, Ferrel — средние широты, полярная ячейка) перераспределяют тепло и влагу; у быстрой рециркуляции тёплого и влажного воздуха образуется осадки, у нисходящих потоков — засушливые зоны. Hadley‑ячейка вызывает нисхождение воздуха около $\sim 30^{\circ }$ N/S → субтропические пояса высокого давления и пустыни.
3. Кориолисов эффект
- Отклонение потоков из‑за вращения Земли: параметр $f=2\Omega \sin \phi$ влияет на направление ветров и положение струйных течений, что меняет осадки и температуру.
4. Океаны и морские течения
- Перенос тепла вдоль побережий (тёплые/холодные течения) модифицирует климат: холодные течения снижают испарение и способствуют пустынизации берегов; тёплые — увеличивают влажность и смягчают зиму.
5. Континентальность и рельеф
- Внутренние районы континентов имеют большие годовые амплитуды температур (жёсткие зимы → возможность вечной мерзлоты). Горы создают орографические осадки на наветренной стороне и дождевые тени (пустыни) на подветренной.
6. Альбедо и био‑криосферные обратные связи
- Снежно‑ледяные площади имеют высокое альбедо, отражают больше энергии → похолодание и устойчивость вечной мерзлоты; растительный покров уменьшает альбедо и увеличивает испарение.
7. Атмосферный состав и парниковый эффект
- Концентрация парниковых газов определяет фоновые температуры планеты, влияя на границы климатических поясов.
Как эти факторы создают экстремальные зоны:
- Пустыни
- Главная причина — нисходящие массы в субтропических зонах Hadley (около $\sim 20^{\circ }-30^{\circ }$ N/S): сухой, прогретый воздух подавляет конденсацию → мало осадков.
- Холодные океанические течения вдоль западных побережий уменьшают испарение (пример: пустыни на побережьях Перу, Намибии).
- Орографические тени (пример: Сьерра‑Невада/Анды) создают локальные пустыни.
- Результат: низкая влажность, большие суточные/годовые колебания температуры.
- Вечная мерзлота (пермафрост)
- Причина — низкая средняя годовая температура, недостаточная для оттаивания грунта: критерий прост — среднегодовая температура грунта $\le 0^{\circ }C$.
- Обнаруживается в высоких широтах (малая инсоляция, долгие полярные ночи) и в высоких горах (адъюстация по вертикали: температура падает с высотой примерно $\Gamma \approx 6.5^{\circ }C/\text{км}$ средний градиент).
- Континентальность усиливает холод зим, малое количество океанского тепла → устойчивый холод. Высокое альбедо снега/льда усиливает охлаждение (положительная обратная связь).
Краткая суть: распределение энергии от Солнца задаёт базовую широтную градацию; атмосферная и океаническая динамика перераспределяет тепло и влагу; рельеф, альбедо и состав атмосферы локально сдвигают границы. Комбинации нисходящих сухих потоков, холодных течений и дождевых теней создают пустыни; малое поступление тепла (широта/высота) плюс обратные связи — вечную мерзлоту.