Зажариться днем, ночью умереть от холода: почему в пустынях такие большие перепады температуры
Причина изменчивого климата
На долю пустынь приходится 35 % от общей суши Земли. И погода практически везде одинакова: днем стоит сильная жара, а ночью — холод. Как утверждают ученые, причина этого заключается в песке и влажности. Но как именно они влияют на климат?
В отличие от земли, песок плохо сохраняет тепло. Днем он очень быстро нагревается, а ночью — остывает. Об этом была рассказано еще в 2008 году учеными из Лаборатории реактивного движения NASA. Они на протяжении всего дня наблюдали за излучением солнечной энергии песком и изменением температуры воздуха. В докладе говорилось, что песок быстро отдает накопленное за день тепло, которое быстро уходит в атмосферу. Однако это в полной степени не объясняет столь резкое падение температуры.
Основная причина заключается в практически нулевой влажности. В пустынях в воздухе нет влаги, которая и задерживает тепло вблизи от земли. Ей требуется больше времени для нагревания, но и температуру она отдает намного дольше. А в пустынях тепло попросту уходит в атмосферу и рассеивается, из-за чего происходит быстрый нагрев и охлаждение.
Адаптация к экстремальным условиям
Несмотря на сильную жару и холод, животные хорошо выживают в пустынях. По словам физиолога окружающей среды из Университета штата Аризона Дейла Денардо, для них основная проблема — это поиск пропитания и воды.
Наиболее распространенной группой пустынных животных являются рептилии. Это связано с тем, что они хладнокровные, что позволяет им лучше адаптироваться в экстремальных условиях. Им не нужно тратить энергию на поддержание температуры тела, что позволяет более эффективно охотиться.
Но как удается выживать более крупным эндотермическим млекопитающим, таким как верблюды? По словам Дейла Денардо, они поддерживают постоянную температуру тела как днем, так и ночью благодаря густому меху и жировым запасам, находящимся в горбах. А вот птицы используют испарительное охлаждение. В их телах отвод тепла осуществляется благодаря воде, которую они способны находить, перелетая на большие расстояния.
Хуже всего приходится растениям, которые более уязвимы в экстремальных климатических условиях. Для выживания они выработали у себя ряд защитных механизмов, например шипы и токсины, позволяющие им защищать влагу внутри себя от животных.
Изменение климата
Глобальное потепление оказывает большое влияние на погоду в пустынях и жизнедеятельность всех живых организмов. Согласно официальным прогнозам, ежегодно средняя температура увеличивается на 1,7-2,2 градуса. Но самой большой проблемой является снижение атмосферных осадков, от которых зависят растения и животные.
Из-за дефицита влаги многие виды могут в будущем оказаться на грани полного вымирания. Остается только надеяться, что природа не сыграет с нами в злую шутку.
Почему в пустынях днём невыносимо жарко, а по ночам ужасно холодно
Документальные кадры Второй мировой войны о боевых действиях в Африке довольно часто демонстрируют солдат Роммеля, использующих для приготовления яичницы вместо сковороды поверхность собственного танка. Даже простоявший на месте несколько часов под палящим пустынным Солнцем танк раскалялся до такой степени, что никакой огонь для приготовления немудрящей пищи не требовался. При этом, корпус (позднее армия) «Африка» снабжался шортами. А танкисты, да и другие немецкие воины, кляли интендантов за их недалекость и мечтали о теплых кальсонах. Снабженцы и в самом деле были недалекие, они не знали, что по ночам в африканской пустыне бывает весьма холодно.
Прежде чем объяснять резкие суточные перепады температуры в пустыне, следует вспомнить, что кроме тропических пустынь бывают и арктические, а там чаще всего холодно и днем, и ночью. Но мы поговорим именно о тропических пустынях. Главной составляющей поверхности тропических пустынь является песок. Растительности там немного, да и сосредоточена она, в основном, в оазисах. А еще там очень мало воды. Воздух чрезвычайно сухой и практически не содержит водяного пара.
Вода является самым теплоемким веществом в природе. В привычном нам климате, водяной пар содержащийся в атмосфере поглощает значительную часть солнечной радиации и тем препятствует нагреву почвы и воздуха. Зато ночью водяной пар отдает накопленное тепло, сдерживая тем самым падение температуры воздуха.
Важную роль отыгрывают в температурном регулировании облака. Они поглощают солнечное излучение днем не давая поверхности перегреваться, а ночью укрывают землю подобно одеялу, не давая тепловому излучению от поверхности уйти в космическое пространство. Но над тропическими пустынями облака бывают нечасто.
Еще более важным фактором, чем отсутствие водяного пара, является поверхность почвы. Песок, да и галька, обладают низкой теплоемкостью и плохой теплопроводностью Эти характеристики приводят к тому, что нагревается только поверхностный слой песка, а прогрев вглубь практически не происходит. Зато поверхностный слой, под падающими почти отвесно лучами Солнца нагревается очень быстро и до высоких температур.
Нагретый песок начинает нагревать приповерхностный воздух, который также обладает низкой теплоемкостью (ведь водяного пара практически нет!), и температура очень быстро растет. В полдень в такой пустыни будет уже реально жарко. А ночью песок также быстро отдаст накопленное тепло, оно уйдет в воздух, а в воздухе тепло удерживать нечем, нет ни водяного пара, ни облаков. Поэтому ночью происходит быстрое охлаждение до температур немногим превышающих 0 градусов по Цельсию. А бывает и до заморозков.
И еще одним фактором определяющим большой перепад суточных температур в тропических пустынях является отсутствие растительности. Днем растения часть солнечного излучения отражают, а часть поглощенной энергии уходит на испарение водяного пара, что замедляет рост температуры воздуха у поверхности. Но поскольку в пустынях растительности нет, а та что есть (верблюжья колючка) испаряет мало влаги, то и этот фактор сказывается на резких суточных колебаниях температуры.
Итак, перечислим факторы влияющие на резкие контрасты температур в тропических пустынях в порядке возрастания важности: практически полное отсутствие растительности, малое количество пара, поверхность с малой теплоемкостью и плохой теплопроводностью (песок, галька).
Пустыни — это места с максимальными перепадами температуры в течение суток. Там, где днем стоит испепеляющий зной, ночью хочется укутаться в пуховик.
В любой природной зоне температура главным образом определяется балансом приходящего излучения Солнца и уходящего теплового излучения поверхности. Однако есть один важный фактор — особенности общей циркуляции атмосферы, то есть процессов перемещения воздушных масс и связанных с ними полей атмосферного давления (в первую очередь циклонов и антициклонов).
Самые большие пустыни мира располагаются в регионах, где преобладают антициклоны, то есть области с повышенным атмосферным давлением. Нисходящие движения не дают воздуху подняться до уровня конденсации, за счет чего облаков в таких районах практически не бывает. Следовательно, днем солнечному излучению ничего не мешает достичь земли и нагреть ее до рекордных значений.
Представьте, если бы человек вскипятил чайник, а вода в нем остыла, допустим, не за три часа, а всего за 30 минут!
Так, в Сахаре днем вполне обычной считается температура выше +35–37 °С (для сравнения, в Москве абсолютный максимум составляет «всего лишь» +38,2 °С).
Ночью эффект безоблачного неба работает в обратном направлении: ничто не задерживает тепло, и оно беспрепятственно уходит в космос в виде теплового излучения поверхности. (Ранее мы рассказывали, где и когда была зафиксирована самая низкая температура на Земле.)
Но это еще не все. На суточные перепады температуры влияет и материал, которым покрыта пустыня. В основном это песок, а он быстро нагревается и так же быстро остывает. Его теплоемкость оценивается в 800 Дж/кг·°К, что примерно в пять раз меньше, чем теплопроводность воды (4200 Дж/кг·°К). То есть песок нагревается и остывает в пять раз быстрее воды. Представьте, если бы человек вскипятил чайник, а вода в нем остыла, допустим, не за три часа, а всего за 30 минут! Еще одной особенностью песка является его низкая способность проводить тепло. Поэтому Солнце и прогревает только верхний слой.
Конечно, не все пустыни покрыты исключительно песком. Есть пустыни каменистые (например, Мохаве и Овайхи в Северной Америке), есть солончаковые (к примеру, Большая Соляная и Деште-Лут в Иране). Вот только щебень и галька обладают такими же свойствами.
Итак, за счет сильного солнечного излучения и отсутствия облаков днем поверхность пустынь нагревается быстро, но так же быстро и остывает (в некоторых предгорных районах почва в темное время суток может даже промерзать!). Все потому, что прогрев не распространяется глубоко в почву, а ночью в пустынях нет источника тепла. Облака способны замедлить охлаждение, но, как говорилось ранее, в пустынях они бывают крайне редко.
Как получается, что днем в пустыне можно умереть от жары, а ночью — замерзнуть насмерть!
Основная причина заключается в сочетании двух факторов: песка и влажности. Песок не очень хорошо сохраняет тепло. Когда солнечный свет падает на песчаную поверхность, крошечные песчинки в верхних слоях поглощают его, однако быстро отдают его обратно в воздух. Так воздух очень сильно перегревается в течение дня. Но ночью большая часть тепла в песке быстро улетучивается, а поскольку солнце больше не светит, песок становятся холоднее, как и воздух вокруг.
Однако само по себе это явление не объясняет столь резкого падения температуры. В конце концов, когда вы находитесь после заката на пляже, вы не накладываете на себя пальто.
Еще одна причина — это сухость. В засушливых пустынях, таких как Сахара и Атакама, влажность практически равна нулю, а в отличие от песка, вода обладает огромной способностью накапливать тепло.
Водяной пар в воздухе задерживает тепло вблизи поверхности, как гигантское невидимое одеяло, и не дает ему рассеиваться в атмосфере. Воздух с высокой влажностью также требует больше энергии для нагрева, а это означает, что для рассеивания этой энергии и охлаждения окружающей среды требуется больше времени. Поэтому недостаток влажности в пустынях быстро нагревает эти места, и быстро остужает их.
Если вы отправляетесь в однодневную поездку в пустыню Сахара в Северной Африке, вам понадобится много воды и солнцезащитного крема. Но если оставаться на ночь, то лучше взять с собой удобный спальный мешок.
Жара и влажность
Пустыни покрывают около 35% суши, а причина, по которой они могут быть и жаркими и холодными заключается в сочетании двух ключевых факторов: песка и влажности.
Однако одно это явление не объясняет столь резкое падение температуры. В конце концов, когда солнце садится, то на тропическом пляже вам не понадобится зимнее пальто.
Другая причина в том, что воздух пустыни чрезвычайно сухой. В засушливых пустынях, таких как Сахара и Атакама влажность практически равна нулю. Как известно водяной пар в воздухе задерживает тепло у земли, как гигантское невидимое одеяло, и не дает ему рассеиваться в атмосфере. Воздух с высокой влажностью также требует больше энергии для нагрева, а это означает, что требуется больше времени для остывания.
Адаптация к экстремальным температурам
Несмотря на эти резкие перепады температур, животные пустынь хорошо приспособлены.
«Как правило, это относительно небольшая проблема для них», — сказал Дейл ДеНардо, экологический физиолог из Университета штата Аризона, специализирующийся на животных пустыни. «Более серьезная проблема — получить достаточно еды и воды, чтобы выжить».
Рептилии, самая многочисленная и разнообразная группа животных в пустыне, им не нужно тратить энергию для поддержания постоянной температуры тела, а могут использовать ее, например, на охоте. Небольшой размер играет немаловажную роль.
Однако крупные теплокровные выживают благодаря толстому и густому меху, который не дает им слишком сильно нагреваться днем и не потерять слишком много тепла ночью.
Растения более уязвимы к экстремальным температурам. Перед ними стоит гораздо большая проблема, потому что они не могут двигаться. Вот почему кактусы разработали ряд средств защиты, таких как шипы и токсины, чтобы защитить свою драгоценную воду от хищников. Однако низкие температуры ночью могут быть смертельными для растений, потому что вода замерзает и расширяется в их тканях, что может вызвать необратимые повреждения. Именно поэтому они растут только в местах, где температура воздуха не опускается ниже нуля более чем на пару часов каждую ночь.
Сейчас исследователей интересует вопрос изменения климата и как это может повлиять в засушливых местах на организмы.
