Из сказанного выше ясно, что в данном смысле мы имеем дело со сложной системой, которая состоит из многих элементов, связанных между собой. Поэтому специалисты в наше время говорят все чаще о «климатической системе» Земли. А раз «система», то она должна обязательно подчиняться всем законам, которые определяют развитие, состояние, режим жизни систем. Если систему вывести из состояния равновесия, то понадобится определенное (но не любое) время, за которое система или вернется в прежнее состояние, или в ней установится новое состояние. Что именно произойдет при возмущении климатической системы, зависит как от характера и интенсивности возмущения, так и от того состояния, в котором в момент воздействия находилась климатическая система. Климатическая система включает в себя атмосферу, гидросферу (океан и воды суши), сушу (континенты), криосферу (снег, лед и районы многолетней мерзлоты), а также биосферу. Ведущий советский климатолог академик А. С. Монин всю свою жизнь настаивал на том, что эта система является замкнутой. Другими словами, он настаивал на том, что на климатическую систему не оказывают влияния факторы, которые находятся вне системы. Это прежде всего Солнце и его энергия. Абсурдность этого утверждения очевидна, но от позиции ведущего в стране ученого зависит (особенно сильно зависело в советское время) формирование программ и исследований других ученых и институтов. Зарубежные ученые показали, что погода и климат на Земле тесно связаны с изменением солнечной активности, с выбросом из Солнца заряженных частиц различных энергий, с направлением межпланетного магнитного поля к Солнцу или от него. Такие же результаты описаны нами в книге «Космос и погода», выпущенной в свет издательством «Наука» в 1986 году. Мы еще вернемся к этим результатам.
Центральным элементом климатической системы является атмосфера. Через нее человек воспринимает изменение других элементов. Атмосфера есть в любой точке Земли, она глобальна. Другие элементы в той или иной мере локальны. Океан занимает 70,8 % поверхности Земли. Суше остается 29,2 %. Ледники занимают чуть больше 3 % поверхности Земли. Если сюда добавить морские льды и снежный покров, то получится 11 %. Биосфера распространена в глобальных масштабах.
Атмосферный газ является всепроникающим. Он находится в состоянии непрерывного обмена с другими элементами климатической системы. Составляющие атмосферного газа растворяются в гидросфере. Из гидросферы они также поступают в воздух, проникают в поры и трещины литосферы. И в свою очередь атмосфера наполняется выбросами вулканических газов и их слабыми потоками из литосферы. В ледниковых покровах также сохраняются атмосферные газы. При таянии льдов в виде пузырьков они освобождаются и поступают обратно в атмосферу. Атмосфера обменивается газами с биосферой в процессе дыхания. Мы далее убедимся в том, что именно биосфера создала в атмосфере кислород. Атмосфера как элемент климатической системы является самой подвижной из всех других элементов.
Надо ли говорить о том, как важна гидросфера, прежде всего Мировой океан, для образования климата? Тепло, масса и энергия движения передаются от атмосферы водам Мирового океана и наоборот. Они соприкасаются друг с другом на 2/3 поверхности Земли. Влагооборот образуется за счет того, что с поверхности океана в атмосферу испаряется значительное количество воды. Поверхностные течения в океане формируются атмосферными ветрами, которые переносят большое количество тепла. Океан является гигантским аккумулятором тепла. Масса океанической воды в 258 раз больше массы атмосферного газа. Для того, чтобы повысить температуру атмосферного газа на 1 °C, океанической воде надо отдать то же количество тепловой энергии, в результате которого температура воды уменьшится всего на одну тысячную долю градуса. Такие изменения температуры даже трудно измерить.
К сожалению, Мировой океан изучен слабо. Только недавно обнаружены очень важные особенности циркуляции воды в океане. Так, были обнаружены океанические вихри, подобные циклонам и антициклонам в атмосфере. Диаметр этих вихреобразных кольцевых структур достигает 100 километров. Свойства воды в пределах этих вихрей сильно отличаются от свойств воды окружающей их. Обнаружены также поверхностные океанические движения воды (рис. 2). Установлено, что и на больших глубинах вода находится в движении. Таким образом, гидросфера является очень подвижной средой, хотя по сравнению с атмосферным газом скорость движения здесь в десять — сто раз меньше. Средняя скорость океанических движений составляет несколько сантиметров в секунду, тогда как скорость ветра достигает нескольких (а то и десятков) метров в секунду. В верхних слоях атмосферы эти скорости достигают сотен метров в секунду.
Снег и лед (криосфера) также очень важны для формирования климата. Покрывая земную поверхность, они сильно увеличивают отражательную способность Земли. В результате до 90 % приходящей от Солнца тепловой энергии этим зеркалом отражается обратно в космос. Усвояемость солнечной энергии участками Земли, которые покрыты снегом и льдами, значительно ниже, чем обнаженных.
Основная масса льда сосредоточена в Антарктиде. Там находится 90 % всего льда, который имеется на планете. Но в данном случае главную роль играет не масса льда, а площадь поверхности Земли, на который он рассредоточен. А наибольшую площадь на Земле занимают морские льды и сезонный снежный покров. Морской лед Северного Ледовитого океана сохраняется летом на площади около 8 миллионов квадратных километров. Зимой эта площадь увеличивается более чем в два раза. Она в два раза превышает площадь Австралии. Морской лед зимой вокруг Антарктиды покрывает еще большую площадь (почти 20 квадратных километров). Летом площадь, занятая там льдами, в 10 раз меньше.
Снег в среднем за год покрывает до 60 миллионов квадратных километров поверхности Земли. Границы как снежного покрова, так и морского льда находятся в непрерывном движении. Непрерывно перемещаются ледники.
Сушу можно считать пассивным элементом климатической системы. Она за короткие промежутки времени меняется мало. Ее изменяют процессы почвообразования, выветривания, эрозии, опустынивания. За десятки и сотни миллионов лет происходит дрейф континентов, что совершенно меняет лик Земли. И не только лик. Меняются все компоненты климатической системы. Скорость дрейфа континентов составляет несколько сантиметров в год.
Биосфера является весьма активным компонентом климатической системы. Действует она на изменения климата по-разному. Так, в периоды вегетации растительного покрова, смены растительных сообществ, расширения и сокращения площади, занятой растительностью, увеличения или уменьшения биомассы ее влияния на изменения климата проявляются по-разному, они проявляются в разных масштабах времени.
Если климатическую систему сравнить с живым организмом, то можно сказать, что роль крови в нем выполняет вода. Она находится в любых фазовых состояниях (пар, жидкость, снег, лед). Вода является переносчиком массы и энергии в климатической системе. Климатическая система, по мнению специалистов, является в большинстве случаев системой саморегулирующейся. Это значит, что многие внешние и внутренние изменения (возмущения) гасятся, затухают.
Самым подвижным компонентом климатической системы является атмосфера. В ней происходят слабые и сильные движения воздуха, а также конвекция. В ней формируются циклоны и антициклоны, зарождаются торнадо и ураганы. В атмосфере дуют устойчивые и неустойчивые ветры, возникают атмосферные волны и с огромной скоростью несутся струйные течения. Атмосфера является наименее инерционным компонентом климатической системы. Она влияет на изменение погоды за секунды, недели, месяцы и годы.