地球大气的三大冷热源

　地球大气运动主要受到三种力量的影响，这就是由于温度不均所产生的气压梯度力、地球自转所产生的地转偏向力和地面与大气内部的摩擦力。

　　据研究，地球大气运动主要受到三种力量的影响，这就是由于温度不均所产生的气压梯度力、地球自转所产生的地转偏向力和地面与大气内部的摩擦力。其中，地转偏向力与摩擦力都是在空气流动时才发生影响，故气压梯度力是空气运动的主要动力源。

　　空气温度上升的地区叫做热源，热源是那些能够给大气热量，并使之升温的地方；那些使空气温度下降的地区叫热汇（或冷源），那里温度低于大气，并使之减温，高纬度与冰原是最重要的热汇。空气在热源受热上升，在热汇失热下沉，气流在对流层的低层从热汇流向热源，在对流层的高层则反过来，从热源流向热汇。这样的空气循环叫做热力环流，大气环流就是地球表面大范围冷热源所形成的空气热力环流系统的总称。

　　俄罗斯海洋学家舒列金形象地把热源汇系统与大气环流叫做热机，即热力发动的机器。他认为地球上有两类热机和两类环流系统，它们强度上相近，但性质与演变规律却很不相同，它们的相互作用是地球上的天气气候现象产生的重要原因。

　　行星热机主要是行星表层接收太阳的辐射热所产生的环流系统。太阳辐射收入量的多少是决定各地辐射量的主要因素，它是随着纬度的升高而减少的，所以热源主要在赤道两侧的低纬度地区；冷源则在太阳辐射收入少的极地与高纬度地区。行星环流是赤道热源与极地冷源形成的热力环流，是地球最基本的环流系统。它产生的环流叫行星环流，这是大气最主要的环流系统，即第一类热机。

　　另外，地球表层的热力性质差别很大，特别是海陆的辐射性质与热力性质的巨大差别，能够造成强大的冷热源。由于太阳辐射能够穿透并分布在几十米深的水层，海水又有巨大的热容量，热量还能随海水流动而扩散到较大的海水里，所引起的温度变化很小，冬夏温度相差不大；大陆正好相反，阳光无法穿透泥石，辐射量变化主要集中在表面薄层，所以随着辐射量变化，地表温度就会十分强烈。

　　因此，在夏天大陆的温度远高于海洋，成为热源，海洋变成热汇；冬季的情况正好反过来，大陆变成热汇，海洋却变成热源。这种冷热源冬夏交换是冬夏季风方向相反的原因。季风就是海陆热机所产生的环流系统。这就是舒列金所称的第二类热机或海陆热机。

　　不论冬夏季，半球纬度间的温度最大差值大致分别相当于中纬度地区在该季的海陆温度最大差值。所以舒列金认为，这两类热机的强度是相近的。

　　但是，由此出现一个问题。夏半球与冬半球相反，太阳辐射能收入最多的不是在赤道附近的低纬度地区，而是在夏半球极地附近的高纬度地区。夏半球平流层对此有十分明显的反映，100百帕以上高空极区有一个全球最大的高温中心和巨大的暖高压。温度与气压都是从这里向赤道下降的。这个情况同冬半球极区的巨大冷低压和行星冷源的位置是相反的。

　　然而，对流层与平流层相反，夏季和冬季却是一样，极区都是半球最冷的地方，中纬度地区仍然是西风气流，但人们习惯地把这种现象统称作是行星热源汇与行星环流，这显然是不准确的。因为盛夏季节极区的寒冷不是天文原因，而是极地冰雪形成的，所以不是行星热机。

　　在气象学里，完全根据辐射收支计算出的温度叫平衡温度，平衡温度与实际温度有明显差别。在北半球夏季的6，7两个月，北纬70度以上的北极地区的每平方厘米每月的辐射收入高于赤道约9～14焦耳之多，平衡温度则高19℃左右；而南纬70度以上地区则在漫漫极夜中，没有太阳辐射，平衡温度则低达－68℃。到了南半球夏季的12月至次年1月，南纬70度以上地区的辐射平衡则高于赤道附近的热带，达到每平方厘米每月约16焦耳之多，平衡温度约高10℃。

　　这个情况甚至可以从水星情况进一步说明。因为水星自转周期为58.6天，白天与夜晚的长度都长达近30天（地球天，下同），水星的白天能使温度上升到327k以上（也与太阳距离很近有关）；夜晚温度则下降到－163k。地球纬度70度以上的极区面积约有5万平方公里的范围内的极夜与极昼的长度比水星的昼夜都要长，因此极区夏季热于赤道就不足为奇了。

　　但是，由于多种原因地球极昼的极地温度远小于水星白天的327k。首先，虽然极昼时全天都有太阳，但在极点的太阳高度角不超过23.5°，而水星的太阳高度角大于23.5°的时间至少超过20天，水星的中午太阳直射的时间也约有10天之多。

　　但更重要的原因还在于地球极区全年都有冰雪覆盖。冬季极区堆积大量冰雪，形成广大的冰盖，它到夏季也只有部分融化。冰雪对太阳辐射有着很大的反射率，特别在太阳高度角不大时，反射更加强烈。因此，到达极地的太阳辐射虽然很多，但大部被冰雪反射回太空，而真正被地面吸收的却很少。更加上大量冰雪的融化需要极大的融解热，这又防止了温度升高的可能。

　　因此，除行星热机与海陆热机外，还存在第三类热机，这就是极冰热机。盛夏季节极地的低温就是这种热机的表现，这时中纬度的西风不是行星热机推动的环流系统，而是极冰环流系统造成的。极冰冷源到了冬季就与行星冷源重合，并不显现其特殊的作用。所以极冰热机只在夏半球存在。