Почему на одной широте климат разный?

Якутск стоит примерно на той же широте, что юг Аляски или юг Скандинавии, — солнце им достаётся почти поровну. А климат совершенно разный: средняя январская в Якутске около −37 °C, в норвежском Бергене около +2…+3 °C. Разница доходит почти до 40 градусов — при одинаковом солнце. Откуда?

Главная причина — теплоёмкость, то есть сколько энергии нужно, чтобы нагреть вещество на градус:

$$ Q = c\, m\, \Delta T $$

модель

У воды теплоёмкость $c \approx 4200$ Дж/(кг·°C), у сухого грунта — всего около $800$. Вода запасает примерно в 5 раз больше тепла, чем столько же земли. Океан — это гигантский тепловой аккумулятор: летом он медленно копит тепло, зимой медленно его отдаёт, сглаживая погоду побережья. А суша такого буфера лишена.

1. море запасает тепло
2. суше запасать нечем
3. у моря: размах за год небольшой
4. внутри материка: от −50 до +35

Якутск же стоит глубоко внутри материка — до ближайшего океана тысячи километров. Буфера нет, и температура мечется от лютого мороза до летней жары.

Дело не только в самой теплоёмкости воды, но и в том, какая масса участвует. Летнее солнце прогревает у суши лишь тонкий верхний слой — метр-два грунта. А в океане волны и течения перемешивают десятки и сотни метров воды: фактически нагревается и остывает колоссальный резервуар. Прикинем: если за лето прогреть 100 м воды или 1–2 м грунта, запасённое тепло отличается на порядки. Поэтому у моря температура меняется медленно и плавно, а в глубине материка — резко.

Меру этой резкости — континентальность — задаёт годовая амплитуда температуры:

$$ \Delta T = T_{\max} - T_{\min} $$

модель

Чем она больше, тем континентальнее климат. В прибрежных городах $\Delta T$ — десятки градусов, а в Якутии она превышает 80 °C: от −50 зимой до +35 летом. Это один из самых резкоконтинентальных климатов на планете¹.

Где работает тот же закон?

Тот же тепловой буфер объясняет, почему на острове или у моря мягко и ровно, а в степи и пустыне — и жара, и морозы. На нём же стоит и строительная физика: толстые каменные стены и вода в системах отопления работают «тепловым маховиком», сглаживая суточные качели температуры в доме.

Насколько глубоко прогревается суша и насколько — океан Разница климатов начинается с простого вопроса: какой слой вещества участвует в сезонном ходе температуры. Для суши это тонкая корка. Глубина, на которую заметно проникает годовая волна тепла, оценивается через температуропроводность грунта $a$:

$$ d \sim \sqrt{\frac{a\,\tau}{\pi}}, $$

модель

то есть глубина растёт как корень из периода колебания. Подставив типичные для суглинка $a \approx 5\cdot 10^{-7}$ м²/с и годовой период $\tau \approx 3{,}15\cdot 10^{7}$ с, получаем порядка 2 метров. Именно в этих двух метрах и запасается всё тепло, которым суша распоряжается зимой.

В океане перемешивание волнами и течениями вовлекает в сезонный обмен слой в 50–100 метров. Прибавьте, что удельная теплоёмкость воды вчетверо выше, чем у грунта ($4{,}2$ против $\approx 1$ кДж/(кг·К)), — и разница в тепловом запасе получается не в разы, а на два порядка. Суша остывает, как чашка чая; океан — как батарея отопления.

Что предполагается

1. Теплообмен идёт вертикально, теплопроводностью; горизонтальный перенос в грунте не учитывается.
2. Свойства грунта считаются однородными по глубине и не зависящими от температуры.
3. Годовой ход температуры на поверхности принимается синусоидальным — это огрубление, но для оценки порядка глубины его достаточно.

Цифры Якутии Годовая амплитуда $\Delta T = T_{\max} - T_{\min}$ и есть мера континентальности. В Верхоянске держится один из мировых рекордов: от −67,8 °C зимой до +37,3 °C летом, размах свыше 105 градусов. Для сравнения, в Калининграде на той же широтной полосе Европы амплитуда около 60 градусов, а в Рейкьявике, который стоит ещё севернее, — менее 30: там рядом тёплое течение, и океан не даёт ни выстыть, ни перегреться.

Вечная мерзлота как след этой амплитуды Двухметровая волна тепла объясняет и то, что лежит ниже. Летом успевает оттаять только верхний слой — деятельный слой, в Центральной Якутии от 0,5 до 3 метров в зависимости от грунта и растительности. Всё, что глубже, круглый год остаётся мёрзлым; под Якутском мерзлота уходит на 300–400 метров. Это не остаток ледникового периода в бытовом смысле, а текущий баланс: столько отдаёт зима и столько успевает вернуть лето.

Где рассуждение перестаёт работать

• Снег меняет всё. Формула описывает голый грунт, а снежный покров — теплоизолятор: 40 сантиметров рыхлого снега поднимают температуру почвы под ним на 10–15 градусов относительно воздуха. Поэтому в малоснежные зимы грунт промерзает глубже, чем в морозные, но снежные, — вопреки одной только температуре воздуха.
• Фазовый переход не учтён. При замерзании вода отдаёт теплоту кристаллизации, и фронт промерзания на этом «зависает». Простая формула теплопроводности такого не знает; в точных расчётах решают задачу Стефана с подвижной границей.
• Рельеф и застой воздуха. Рекорды Верхоянска и Оймякона — во многом заслуга котловин, где выхоложённый плотный воздух скапливается и не сдувается. Это уже не про теплоёмкость суши, а про местную циркуляцию: в тридцати километрах, на склоне, зимой бывает на 10–15 градусов теплее, чем на дне долины.

Что остаётся спорным Судьба мерзлоты при потеплении оценивается по-разному. Одни модели дают постепенное углубление деятельного слоя на сантиметры в год, другие предсказывают резкое ускорение: оттаявший торф начинает разлагаться, выделяя метан и углекислый газ, те усиливают потепление, и петля замыкается сама на себя. Насколько сильна эта обратная связь — вопрос открытый, и разброс оценок выброса углерода из мерзлоты к 2100 году составляет несколько раз.

Проверяемый вопрос Годовая волна тепла проникает в грунт на два метра. На какую глубину проникает суточная — и почему на дне метровой ямы летом прохладно даже в самый жаркий день?