Wpływ ruchów Ziemi na klimat

Energia promieniowania słonecznego jest motorem większości procesów zachodzących na Ziemi, w tym także tych, które decydują o cechach klimatu i ich strefowym rozkładzie. Do zjawisk i procesów klimatycznych zależnych bezpośrednio i pośrednio od dopływu ciepła należą między innymi: temperatura powietrza, parowanie, zachmurzenie, opady atmosferyczne, ruch mas powietrza, rozkład ciśnienia atmosferycznego i wiele innych elementów klimatu. Te z kolei determinują warunki wegetacji i rytm biologiczny organizmów żywych, w tym człowieka.

Jakie czynniki decydują zatem o wielkości dopływu energii promieniowania słonecznego? Są to przede wszystkim czynniki astronomiczne związane z obiegowym i obrotowym ruchem Ziemi. Powodują one bowiem, że niektóre zjawiska klimatyczne na Ziemi mają charakter okresowy i powtarzają się cyklicznie. Kulisty kształt Ziemi oraz jej położenie w stosunku do Słońca powoduje, że wysokość Słońca nad horyzontem oraz kąt padania promieni słonecznych zmniejszają się od równika ku biegunom. W konsekwencji wraz z szerokością geograficzną zmienia się także ilość docierającej energii cieplnej do powierzchni Ziemi. Szacuje się, że obszary równikowe, gdzie kąt padania promieni słonecznych jest duży, otrzymują od 4 do 5 razy więcej ciepła niż obszary okołobiegunowe, do których promienie słoneczne docierają pod małym kątem. Oddziaływanie tego czynnika jest na tyle znaczące, że powoduje przestrzenną segregację elementów klimatu przejawiającą się w układzie równoleżnikowych, symetrycznych względem równika stref klimatycznych. Konsekwencją zróżnicowanego oświetlenia Ziemi jest także strefowy układ wielu powiązanych z klimatem zjawisk przyrodniczych.

Obiegowy i obrotowy ruch Ziemi i nachylenie jej osi do powierzchni ekliptyki, eliptyczny kształt orbity, położenie Ziemi względem Słońca w dniach przesilenia i równonocy są podstawowymi przyczynami sezonowych, krótko i długookresowych zmian wielkości dopływu energii cieplnej do powierzchni Ziemi i wykształcenia cech klimatu charakterystycznych dla danej strefy. Nierównomierny dopływ energii promieniowania słonecznego powoduje zróżnicowanie temperatury powietrza – najwyższe jej wartości występują w pasie międzyzwrotnikowym i stopniowo maleją ku biegunom. Natomiast cyrkulacja powietrza, a przede wszystkim kierunek ruchu mas powietrza jest w znacznym stopniu uwarunkowana siłą Coriolisa będącą efektem ruchu obrotowego Ziemi.

W strefie położonej między zwrotnikami, gdzie kąt padania promieni słonecznych, a zatem i dostawa energii cieplnej należą do największych, w skali globalnej występują najwyższe wartości temperatury powietrza oraz małe ich amplitudy roczne i dobowe. W strefie tej istnieje jedna, termiczna pora roku. Nachylenie ziemskiej osi powoduje tu dwukrotne w roku górowanie Słońca na każdym południku. Towarzyszą temu ulewne deszcze zenitalne niespotykane w innych szerokościach geograficznych. Występuje tu również znaczne parowanie, wpływające na dużą prężność pary wodnej i wysoką wilgotność względną oraz intensywna konwekcja. Ogrzane powietrze unosi się, powodując powstanie pasa niskiego ciśnienia w rejonie równika i jest transportowane w górnych warstwach troposfery w kierunku zwrotników. Towarzyszą temu opady wzrastające w okresie górowania Słońca. W szerokościach podzwrotnikowych suche powietrze spływa ku powierzchni ziemi. Związane jest z tym powstanie pasa wysokiego ciśnienia i brak opadów. Masy powietrza przy powierzchni ziemi kierują się jako pasaty w stronę równika. Ich kierunek nie jest jednak prostopadły do równoleżników, ale modyfikowany przez siłę Coriolisa związaną z obrotowym ruchem Ziemi. Na półkuli północnej pasaty są wiatrami północno-wschodnimi, na półkuli południowej zaś południowo-wschodnimi.

W średnich szerokościach geograficznych, czyli w strefach umiarkowanych kąt padania promieni słonecznych na powierzchnię jest mniejszy niż w strefie międzyzwrotnikowej. Słońce nigdy nie góruje tu w zenicie, zmienia się natomiast jego wysokość nad horyzontem – im jest większa, tym więcej ciepła dostarczane jest do powierzchni Ziemi. Jego sumaryczna ilość jest jednak znacznie mniejsza niż w strefie równikowej i sezonowo zmienna w zależności od położenia Ziemi względem Słońca. Powoduje to wyodrębnienie wyraźnych pór roku o skontrastowanych warunkach termicznych i zróżnicowanej długości dnia i nocy, rozdzielonych punktami kardynalnymi równonocy jesiennej i wiosennej oraz przesilenia letniego i zimowego. Wartości amplitudy temperatury, zarówno rocznej, jak i dobowej są tu znacznie większe w porównaniu ze strefą równikową.

W strefach leżących między wyżami zwrotnikowymi a niżami strefy umiarkowanej następuje transport ciepła w kierunku biegunów. Powietrze przemieszcza się przy powierzchni ziemi, skręcając pod wpływem wspomnianej siły Coriolisa nieco na wschód, a odpływa w wyższych partiach troposfery w stronę zwrotników, skręcając na zachód. Z tego względu w umiarkowanych szerokościach geograficznych przeważają wiatry zachodnie.

W strefach okołobiegunowych kąt padania promieni słonecznych na powierzchnię i dostawa energii cieplnej są najmniejsze w skali globalnej, czego odbiciem są utrzymujące się przez niemal cały rok małe, często ujemne wartości temperatury powietrza. Parowanie jest niewielkie, jednak niska temperatura powietrza sprawia, że powietrze jest bliskie stanu nasycenia. Występuje tu zjawisko dnia i nocy polarnej. W czasie nocy polarnej powierzchnia ziemi się ochładza. Nagrzewa się w czasie dnia polarnego, ale tylko nieznacznie, bowiem Słońce znajduje się nisko nad horyzontem.

Chłodne powietrze opada ku powierzchni Ziemi, dzięki czemu tworzą się wyże polarne. Przy powierzchni Ziemi powietrze przemieszcza się na zewnątrz układów wysokiego ciśnienia. I tu ponownie wspomniana siła Coriolisa powoduje zmianę ich kierunku. Powstaje okołobiegunowa strefa wiatrów wschodnich.

Czynniki astronomiczne i solarne powodują nie tylko generowanie cyklu rocznego i dobowego w przebiegu zjawisk klimatycznych, ale także określonych cykli wieloletnich. Należy do nich między innymi 11-letni cykl słoneczny, ale też cykle o okresach dłuższych: 22 i 76 lat. Prowadzone obserwacje plam słonecznych, będących miernikiem aktywności Słońca, wyraźnie wskazują na wprost proporcjonalną zależność między liczbą zaobserwowanych plam a ilością energii cieplnej docierającej do powierzchni Ziemi i wpływającej na zmiany temperatury powietrza. Porównanie liczby plam słonecznych ze zmianami temperatury na Ziemi pozwoliło na stwierdzenie, że zarówno ocieplenie klimatu w IX-XIII wieku, jak i „mała epoka lodowcowa” w XV-XVIII wieku oraz ocieplenie w XX wieku były skorelowane z aktywnością Słońca.