На поверхности нашей планеты выделены географические зоны на основе учета комплекса характеристик: геоботанической, тепловой, энергетической, условий увлажнения. Географических зон, согласно такой классификации, насчитывается 13: с отрицательным радиационным балансом – одна (вечный снег); с радиационным балансом до 209 • 10³ Дж/(год • см²) – четыре (арктическая пустыня; тундра – тайга – смешанные леса – лиственный лес и лесостепь; степь; полупустыня умеренного пояса, пустыня умеренного пояса); с радиационным балансом от 209 • 10³ до 314 • 10³ Дж/ (год • см²) – четыре (субтропические болота и дождевые леса; жестколистные субтропические леса и субтропическая степь; субтропическая полупустыня; субтропическая пустыня); с радиационным балансом больше 314 • 10³ Дж/(год • см²) – четыре (экваториальные болота и леса; сухая саванна; опустыненная саванна; тропическая пустыня). Указанная классификация географических климатических зон предложена А. А. Григорьевым и М. И. Будыко (1962). Она достаточно полно и детально характеризует все разнообразие географических зон земного шара, давая каждой из них объективные количественные критерии наряду с качественными характеристиками.

Хотя распределение растительности по поверхности земного шара само по себе – убедительный довод в пользу выделения геоботанических зон: тундры, лесов, степей, полупустынь и пустынь, – для каждой из зон можно указать и количественные критерии, характеризующие их климатические особенности, которые в конечном счете и определяют условия развития растительности. Один из таких критериев – предложенный М. И. Будыко (1955) радиационный индекс сухости, представляющий собой безразмерную величину – отношение радиационного баланса земной поверхности к затратам тепла на испарение годовой суммы осадков R/Lr, где R – радиационный баланс Дж/ (год • см²), L - теплота испарения воды, r – годовая сумма выпадающих осадков.

Геоботанической зоне тундры соответствуют значения индекса меньшие 0,35, леса – от 0,35 до 1, степи – от 1 до 2, полупустыни – от 2 до 3, пустыни – большие 3.

Более детальное деление лесной зоны на тропическую, влажной саванны, субтропическую, лиственную умеренных широт и хвойную, а степной зоны – на саванну, степь (прерию) возможно по дополнительному показателю – радиационному балансу R, значения которого могут колебаться от 0 до 418 • 10³ Дж/(год • см²).

Известно, что выпадающие на земную поверхность осадки частично испаряются, а частично стекают через гидрографическую сеть (реки, озера, болота, каналы и т. п.) в океан. Разность между количеством выпадающих осадков и испарением составляет величину стока, которая связана также с радиационным режимом. Отношение величины стока к количеству выпадающих осадков называется коэффициентом стока. Чем меньше испаряемость осадков, тем больше коэффициент стока, который в геоботанических зонах убывает по мере роста радиационного индекса сухости, то есть ухудшения условий увлажнения

В тундре коэффициент стока больше 0,7, в лесной зоне он равен 0,3-0,7, в степной зоне 0,1-0,3, а в полупустынях и пустынях он менее 0,1. Абсолютная величина стока с ухудшением условий увлажнения, или с ростом значений радиационного индекса сухости, также убывает от 200-50 см/год в лесной зоне до 20-5 см/год в степной зоне и менее 1 см/год в пустынях. Все указанные данные приведены для равнинной местности. В горах значения могут быть существенно иными.

Граница распространения лесов в средних широтах северного полушария проходит по линии, соответствующей годовой сумме температур воздуха за все дни, когда она превышала 10°C, равной 600-700°C. В горных районах лес поднимается до высот с гораздо более низкими температурами воздуха. Сумма температур воздуха за все дни периода вегетации, когда она превышала 10°C, составляет здесь всего 200-300°C. Как установили Ф. Ф. Давитая и Ю. С. Мельник (1962), важную роль в распространении леса играет не только температура воздуха, но и условия радиационного нагрева растений: и в горах, и на равнине, независимо от широты места, граница леса соответствует одной и той же сумме температур на поверхности растительного покрова.

Годичные кольца на спиле дерева (рис. 21) – своеобразная летопись условий роста и развития растения.

21. Годичные кольца на спиле дерева

В благоприятные, то есть в теплые и богатые осадками, годы годовой прирост ствола дерева больше, чем в неблагоприятные, холодные и засушливые.

Еще Леонардо да Винчи обнаружил прямую связь между шириной годичных колец и осадками. Двумя столетиями позже, в XVIII веке, шведский естествоиспытатель Карл Линней установил существование зависимости между шириной колец деревьев, растущих на севере Европы, и температурой воздуха в летние сезоны. В середине нашего столетия рядом ученых была замечена также связь между шириной колец деревьев и продолжительностью солнечного сияния.

Вместе с тем оказалось, что метеорологические условия произрастания деревьев сказываются не только на ширине годичных колец, но и на плотности весенней и летней древесины каждого кольца. Для анализа плотности древесины колец понадобилась разработка специальной методики, основанной на использовании рентгеновских лучей.

Таким образом, изучая годичные кольца на срезе дерева, можно судить о климате прошлых лет, его изменениях.

Это наука, изучающая взаимосвязь между годичными кольцами деревьев и метеорологическими величинами – температурой, осадками и солнечным сиянием. Возникла она на основе развития другой научной дисциплины – дендрохронологии, занимающейся определением возраста лесов путем исследования годичных колец деревьев.

Поскольку некоторые деревья живут многие сотни и даже тысячи лет (например, мамонтово дерево в Калифорнии, как показал срез его пня, имело возраст более 3000 лет, а остистая сосна, росшая в предгорьях Уайт-Маунтинс в Северной Америке и спиленная в 1956 году, имела возраст более 4500 лет!), изучение их годичных колец позволяет судить о климате прошлого, о колебаниях температуры, режима осадков и солнечного сияния. Кроме того, сопоставление свежих срезов «живых» деревьев со срезами погребенных деревьев более ранних времен открывает возможность продления хронологии изменения климата далеко за пределы возраста современных деревьев. Для Северной Америки и Средней Европы по годичным кольцам остистой сосны, дуба, лиственницы, ели и кедровой сосны восстановлена непрерывная хронология за период, превышающий 8000 лет, хронология с некоторыми пробелами – почти за 12 000 лет.

Численными методами с использованием ЭВМ была рассчитана количественная связь между данными ежегодных измерений характеристик древесины и летними температурами. Расхождение с фактическими данными оказалось меньше одного градуса. Удалось также сопоставить данные о колебаниях климата (а именно, о колебаниях температуры) с данными об изменениях фронта ледников в Альпах. Согласованность между всеми этими изменениями очень хорошая, что говорит о перспективности методов дендроклиматологии.