"По сведениям Гидрометцентра..." - фрагменты книги

Наша жизнь - уникальное явление не только в пределах Галактики, но, возможно, и во Вселенной. Эта точка зрения находит все больше сторонников: установлено, что для возникновения и развития жизни на Земле требовалось одновременное и потому чрезвычайно редкое сочетание нескольких независимых событий в ее геологической и астрономической истории, а также в эволюции Солнца и живого вещества планеты. Так что мы с вами - великая случайность природы. Столь же уникально и наше воздушное окружение. Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на таблицу:

Характеристики планет земной группы

Несмотря на сходство астрономических характеристик ближайших к Земле планет (планет земной группы) химический состав их атмосфер и физические условия на поверхности существенно различаются. В атмосфере Венеры и Марса преобладает углекислый газ (С0₂), помимо этого в ее состав входит небольшое количество азота (N₂). На Земле, наоборот, углекислого газа мало и основным газом является азот. Кроме того, в атмосфере нашей планеты относительно много водяного пара (Н₂0), но главное - 21% ее объема составляет кислород (0₂), которого на других планетах земной группы практически нет. Нет его и в атмосферах планет-гигантов - Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, где господствуют водород и гелий.

Чтобы понять причины таких различий, необходимо вспомнить историю Солнечной системы. По современным представлениям, она сформировалась из однородного газово-пылевого облака. Под действием сил гравитации облако разбилось на отдельные сгустки, которые сжимаясь превратились в известные нам планеты и их спутники. Однако на этот процесс пошло не более 10% массы газово-пылевого облака, остальное вещество сформировало Солнце.

В процессе образования планет тяжелые химические элементы стремились к центру сжатия, а легкие оставались на периферии. Таким образом, к тому времени, когда возникли планеты, у каждой из них уже была первичная атмосфера, состоявшая из наиболее легких, летучих газов - водорода и гелия. Но удержать вокруг себя первичные атмосферы смогли лишь планеты-гиганты, обладавшие мощными гравитационными полями, а планеты земной группы утратили водородно-гелиевые оболочки около 5 миллиардов лет назад. Одновременно с этим твердые недра планет разогревались за счет их гравитационного сжатия и медленного распада радиоактивных элементов - урана и тория. Примерно через 1 миллиард лет от момента образования планет земной группы температура в их центрах достигла 1000 - 1500 °С, что, конечно, привело к расплавлению недр. Выделявшиеся газы и пары сформировали вторичные атмосферы планет.

Сейчас мы уже можем ответить на вопрос, какой была вторичная атмосфера Земли. Для этого нужно заглянуть в жерла современных вулканов, через которые, как и миллиарды лет назад, продолжается выделение газов - дегазация земных недр.

Продукты дегазации вулкана Килауэа (он находится на острове Гавайи и является одним из самых активных на земном шаре вулканов) состоят из 71% водяного пара, 13% углекислого газа, 5% азота, 9% двуокиси серы, а также некоторых других примесей. Судя по этим данным, которые считаются достаточно показательными не только для Земли, но и для других планет земной группы, вторичные атмосферы Венеры, Земли и Марса должны, были состоять в основном из углекислого газа и водяного пара. На Земле пары воды имели возможность конденсироваться во вторичной атмосфере и выпадать на поверхность в виде дождя, и в результате этого медленно, но необратимо формировался современный Мировой океан. На Венере вследствие ее близкого положения к Солнцу происходил быстрый разогрев атмосферы, при котором вода не могла существовать в жидком состоянии, и если на этой планете и был когда-то первичный океан, то он быстро испарился. На удаленном от Солнца Марсе низкая температура поверхности способствовала частичному оледенению планеты, и там также не мог образоваться океан. Климатологи доказали, что если бы Земля была ближе к Солнцу на расстояние, равное всего 5% современного, она не избежала бы участи Венеры и имела бы тяжелую углекислую атмосферу и очень высокую температуру поверхности. При удалении Земли от Солнца на расстояние, равное 1%, возникли бы условия, близкие к марсианским, за тем лишь исключением, что оледенение Земли было бы полным. Это ли не впечатляющее доказательство уникальности жизни на Земле?!

Очень большую роль в становлении земной атмосферы сыграл Мировой океан. Если химический состав атмосфер Венеры и Марса остался таким же, как и 3 – 3,5 миллиарда лет назад, то на Земле сформировалась совершенно новая, уже третья по счету, кислородно-азотная атмосфера. Как же это произошло? Прежде всего, Мировой океан - прекрасный поглотитель углекислого газа. Мощные геологические пласты известняка и мела, которые находят на суше повсеместно, - это отложения карбонатов на дне древних морей, образовавшиеся вследствие растворения углекислого газа в морской воде и соединения его с кальцием. Если превратить весь углерод, который имеется в известняковых отложениях Земли, в углекислый газ, то его получится ровно столько, сколько в настоящее время содержится в атмосфере Венеры, и это является одним из доказательств идентичности вторичных атмосфер рассматриваемых планет. Океаны Земли «выкачали» почти весь СО₂ из атмосферы.

Именно в океане зародилась жизнь. Около 2 миллиардов лет назад в верхних слоях океанской толщи появились простейшие одноклеточные - органеллы, предки нынешних синезеленых водорослей, которые стали снабжать атмосферу кислородом. Так было положено начало самому замечательному на Земле биохимическому процессу - фотосинтезу. Благодаря этому процессу сформировался весь наличный кислород атмосферы, причем особенно интенсивное поступление фотосинтетического кислорода началось около 600 миллионов лет назад, когда на голые палеозойские скалы выбрались из моря первые растения.

Борьбу между углекислым газом и кислородом в атмосфере можно представить во времени с помощью данных, полученных при изучении осадочных горных пород. Если вычислить отношение mх = М_х^геол/ М_х^совр (где М_х^геол - масса газа х по геологическим данным, а М_х^совр - масса того же газа в настоящее время) для О₂ и СО₂, то изменения их относительного количества в атмосфере Земли за время ее существования будут выглядеть следующим образом:

Сначала количество углекислого газа в атмосфере Земли уменьшалось очень быстро, затем этот процесс стал протекать все медленнее, так как масса поглощаемого океаном СО₂ пропорциональна массе СО₂, содержащегося в атмосфере.

Кислород в атмосфере Земли появился между 1 миллиардом и 600 миллионами лет назад, и в этот период фотосинтез «набрал темпы», близкие к современным.

Азот - основной газ той смеси, которую мы называем воздухом. По своим химическим свойствам он близок к инертным газам: плохо вступает в реакции и поэтому долго сохраняется в атмосфере. Если кислород и углекислый газ обновляются в атмосфере каждые 5 - 5 лет, то время одного цикла круговорота азота - примерно 2 миллиарда лет. Понятно, что дегазированный из недр Земли азот все время накапливался в атмосфере, поскольку скорость его поглощения океанами, почвой и живыми организмами была очень мала.

Из малых по содержанию газовых компонентов воздуха самый важный и интересный - озон. Этот газ обладает чрезвычайно высокой способностью поглощать ту часть солнечной радиации, которая называется ультрафиолетовой. Если собрать весь озон, содержащийся у поверхности земли, то он покроет планету слоем толщиной всего 0,3 - 0,5 см. Однако этого вполне достаточно, чтобы предохранить все живое на Земле от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения. Сохранение озонного слоя в атмосфере - одна из важнейших задач человечества, вот почему в последнее время заговорили о разрушительном воздействии на озон реактивных двигателей, ядерных взрывов, холодильных установок и ...баллончиков с аэрозолями. Последние, безобидные, на первый взгляд, спутники цивилизации выбрасывают в атмосферу фреоны - содержащие фтор и хлор вещества, используемые для мелкого распыления многих жидкостей. Хотя пагубное влияние фреонов на озоносферу доказано уже несколько лет назад, производство аэрозольных баллончиков в 1988 г. составляло 8,6 миллиарда штук. Производство и использование фреонов нужно строго контролировать, лучший же выход из создавшейся ситуации - применение их заменителей. Летом 1989 г. в газетах сообщалось, что Джон Лесли из Хобарта (остров Тасмания) предложил заменить фреоны в аэрозольных баллончиках на обыкновенный азот. По мнению специалистов, с помощью азота можно успешно распылять до 65% всех жидкостей, которые обычно содержатся в аэрозольных упаковках.

Итак, в результате длительной эволюции Земли вокруг нее образовалась уникальная кислородно-азотная оболочка, простирающаяся до высоты... Хотелось бы назвать здесь определенное число, чтобы читатель мог представить пространственные масштабы атмосферы, но это невозможно - атмосфера не имеет четко выраженной верхней границы. Воздух хорошо сжимается, и поэтому его плотность сильно зависит от давления. С высотой давление в атмосфере падает, плотность воздуха также постепенно уменьшается и наконец где-то на высоте 2000 - 2500 км от поверхности земли становится равной плотности межпланетного газа (1 молекула в 1 см³). Атмосфера незаметно переходит в космос. Но мы тем не менее условимся считать. что уровень верхней границы атмосферы, вернее, того ее слоя, который интересен нам с точки зрения прогнозов погоды, находится на высоте 80 - 100 км. Здесь движение воздуха, а следовательно, и формирование погоды подчиняются законам термодинамики и гидродинамики. Выше 80 - 100 км однородность химического состава атмосферы нарушается: солнечное излучение разбивает значительную часть молекул на электрически заряженные частицы - ионы и электроны, движение которых в весьма значительной степени зависит от магнитных полей. Здесь, в ионосфере, заканчивается область применения закономерностей синоптической метеорологии и начинают действовать законы аэрономии - науки о физике верхней разреженной атмосферы.

ПРЕВРАЩЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛА

Солнце - практически единственный источник тепла и всех известных форм движения материи на Земле. Внутренние области нашего светила недоступны наблюдениям, однако современные теоретические модели Солнца представляют его в виде гигантского термоядерного котла. В центре этого котла давление достигает 10 млрд. атм., а температура - 14 млн. °С. При таких физических условиях солнечное вещество является плазмой, то есть состоит из протонов (ядер водорода), электронов и небольшого числа ядер гелия (четырех объединенных протонов). Основная химическая реакция, протекающая в недрах Солнца, - это переработка водорода в гелий путем ядерного синтеза, в процессе которого часть энергии атомных ядер освобождается и рассеивается в космическом пространстве в виде электромагнитного излучения.

Солнечный «реактор» отличается большой стабильностью: за 100 лет наблюдений не было замечено никаких серьезных изменений общего потока солнечного излучения. Судя по результатам теоретического моделирования Солнца, скорость протекания ядерных реакций в его недрах очень устойчива, любые ее изменения быстро компенсируются за счет соответствующих изменений температуры и давления.

Благодаря стабильности потока солнечного излучения была установлена фундаментальная метеорологическая величина - солнечная постоянная (то есть количество энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы при среднем расстоянии Земли от Солнца). По последним данным, она составляет 1,36 кВт/м². Много это или мало? Судите сами: примерно такое же количество энергии исходит от 50 лампочек по 60 Вт при освещении площадки в 1 м². Во всяком случае, энергии Солнца вполне достаточно и для поддержания жизни, и для непрерывной работы разнообразных природных механизмов Земли.

Излучение Солнца слагается из потоков энергии, которые несут с собой электромагнитные волны различной длины. Солнечный спектр начинается со сверхкоротких рентгеновских лучей с длиной волны около одной миллиардной доли метра и заканчивается радиоволнами длиной несколько десятков метров. Нас интересует более узкий диапазон спектра, в котором сосредоточена основная часть энергии излучения Солнца, простирающийся от 0,2 до 2,4 мкм (мкм - единица длины, равная 10-6 м). В данном диапазоне выделяется прежде всего видимая нами область солнечного спектра с длинами волн X от 0,4 до 0,7 мкм, заключенная между фиолетовыми и красными лучами.

Слева от этого диапазона находится небольшой участок жесткой ультрафиолетовой радиации с длинами волн 0,18 - 0,4 мкм, а справа - довольно значительная область инфракрасного излучения с длинами волн 0,73 - 2,4 мкм. Оба вида излучения неразличимы глазом, но вполне ощутимы: ультрафиолетовые лучи биологически активны (им мы обязаны загару), инфракрасные лучи переносят тепло. Максимальная мощность солнечного излучения приходится на видимый, или оптический, диапазон спектра, на голубые и зеленые лучи, но в этом диапазоне заключено всего 40% суммарной энергии излучения. Больше всего энергии, 50%, содержит инфракрасный диапазон, на ультрафиолетовую радиацию приходится 10%.

От того, как распределяется солнечное тепло в атмосфере, полностью зависят и климат, и атмосферные движения, и погода. Проследим путь солнечного луча от верхней границы атмосферы до поверхности земли.

Самая жесткая часть излучения - рентген - теряется еще в ионосфере. До высоты 100 км свободно доходят все лучи солнечного спектра, начиная с тех, длина волны которых составляет 0,15 мкм. В слое 30 - 70 км полностью поглощается ультрафиолетовая радиация в диапазоне 0,15 - 5,29 мкм. Не будь этого, все живые организмы на Земле погибли бы в результате разрушения клеток жестким ультрафиолетовым излучением. Однако именно благодаря ультрафиолетовому излучению сильно нагревается верхняя атмосфера, создаются ее тепловые запасы и формируется своеобразная циркуляция воздуха.

Поглощаются ультрафиолетовые лучи не кислородом и даже не азотом, который имеется в атмосфере в изобилии, а озоном. Следы озона можно уловить уже на высоте 80 км, и по мере снижения высоты его становится все больше. Максимум содержания озона в атмосфере приходится на слой, находящийся между 20 и 25 км, а ниже этого слоя содержание озона вновь уменьшается. Однако наибольшее поглощение солнечной радиации озоном наблюдается не на высоте 20- 25 км, как следовало бы ожидать, а значительно выше - на уровне 55 км, где содержание озона примерно в 100 раз меньше. Этот факт свидетельствует о чрезвычайно активном поглощении озоном радиации в диапазоне 0,15 - 1,29 мкм. Она практически вся поглощается в слое 40 - 80 км, где озона относительно мало. На высоте 55 км озон может нагревать атмосферу на 10 - 12 °С в сутки. Именно на этой высоте отмечается первый на пути солнечных лучей к нашей планете максимум температуры в атмосфере: здесь так же тепло, как у поверхности земли в зимнюю оттепель .

Сильное снижение интенсивности видимой части солнечного излучения при прохождении через атмосферу связано не с поглощением его какими-либо газами, а с рассеянием. Встречаясь с молекулами воздуха или частицами атмосферной пыли - эрозолями, солнечный свет как бы разлетается в разные стороны, причем молекулы воздуха наиболее интенсивно рассеивают голубые лучи, а аэрозоль (довольно равномерно) - все лучи видимого спектра. Цвет неба обусловлен рассеянием радиации, поэтому в прозрачном воздухе небо насыщенно-голубое, а в запыленном - белесоватое.

В инфракрасном диапазоне солнечного излучения вновь начинает работать механизм поглощения солнечной радиации, но уже другими составляющими воздуха, главная из которых - водяной пар. Поглощение радиации водяным паром носит избирательный характер: инфракрасная радиация поглощается лишь в отдельных спектральных полосах.

Какая же часть радиации достигает в итоге поверхности земли? Если принять всю солнечную радиацию на верхней границе атмосферы за 100%, то оказывается, что 7% общего количества радиации рассеивают молекулы воздуха и аэрозоли, около 3% поглощает озон и примерно 10% - водяной пар. Следовательно, поверхности земли достигает 80% всего направленного к нашей планете солнечного излучения. При наличии облачности весьма значительная часть радиации (в среднем около 45%) отражается обратно в космос и поглощается облаками (10%), в рассматриваемом случае поверхности земли достигает лишь 25% солнечного излучения.

Земная поверхность также является важным аккумулятором тепла в системе Земля - атмосфера. Количество поглощаемой солнечной энергии во многом зависит от природных свойств поверхности. Например, свежевыпавший снег отражает до 90% падающей на него радиации, песок - 35%, а лес и трава - только 10 - 25%. Наиболее сильно поглощается солнечная радиация водой: штилевое море отражает всего 2% радиации.

Водные пространства Земли обладают замечательным свойством. Хотя солнечная радиация поглощается практически целиком в слое воды толщиной 10 - 15 м, солнечное тепло переносится и дальше, распространяясь вглубь на десятки метров вследствие ее вертикального перемешивания. Перемешивание воды осуществляется ветровыми волнами, конвекцией, вертикальной составляющей течений. Добавим, что теплоемкость воды, то есть ее способность поглощать тепло, в несколько раз больше теплоемкости любого другого природного материала. Благодаря этим свойствам природных вод самым мощным накопителем солнечного тепла является Мировой океан. Суша в этом отношении сильно проигрывает. Например, в почву тепло проникает до глубины 5 - 6 м, причем ее теплоемкость в пять раз меньше, чем теплоемкость морской воды.

Колоссальное количество солнечного тепла, запасаемое верхним слоем Земли, расходуется на поддержание высокой температуры ее поверхности. Здесь, в зоне контакта Земли и воздуха, отмечается второй максимум температуры атмосферы, которая в среднем за год по всему земному шару равна 15° С.

Итак, в атмосфере есть два уровня, на которых происходит наиболее интенсивное нагревание воздуха - 55 и 0 км. Теперь нетрудно объяснить, как формируется в атмосфере распределение температуры воздуха с высотой (см. рис. выше): если на указанных уровнях температура максимальна, то по мере удаления от - них она монотонно понижается (как вверх, так и вниз). Самая низкая температура обычно отмечается в слоях атмосферы 10 - 12 км (в тропиках - 17 - 18 км) и 80 - 90 км. В соответствии с характером температурного профиля в атмосфере выделяют слои (сферы) и тонкие переходные зоны между ними (паузы).

Выше 100 км обычными методами температуру измерить нельзя, так как слишком мала плотность воздуха, поэтому ее вычисляют по скорости движения молекул - определенная таким способом температура называется кинетической. Кинетическая температура воздуха с высотой непрерывно растет, поскольку плотность атмосферных газов становится все меньше, а скорость молекул за счет этого - все больше.

Для анализа процессов формирования погоды и климата очень важно, прежде всего, разобраться в том, как поверхность земли «обогревает» атмосферу. Обогрев атмосферы земной поверхностью осуществляется тремя различными способами, в зависимости от вида теплообмена. Первый вид теплообмена Q_P определяется разностью температур земной поверхности и воздуха: атмосфера нагревается от Земли, как от батареи парового отопления, и полученное ею тепло переносится выше мелкими вихревыми движениями воздуха - турбулентностью.

Второй вид теплообмена Q_E связан с испарением влаги с поверхности земли. Данный процесс требует очень больших затрат тепла. Попробуйте вскипятить и полностью испарить чайник воды на электроплите. Это удовольствие будет стоить не менее 15% обычной месячной платы за расход электричества в двухкомнатной квартире. Немало, правда? Так вот, все тепло земной поверхности, которое тратится ею на испарение, вместе с водяным паром уносится в атмосферу, где при конденсации пара в капли воды, образующие облака, непосредственно отдается воздуху. Это очень мощный вид теплообмена, и именно таким образом «обогревает» атмосферу океан. Подсчитано, что поток тепла Q_E в среднем за год по Мировому океану превышает поток тепла Q_P в четыре раза.

Наконец, поверхность земли, как и поверхность всякого другого тела, температура которого выше абсолютного нуля ( - 273,2 °С), излучает тепловую инфракрасную радиацию в диапазоне электромагнитных волн от 4 до 40 мкм. Механизм взаимодействия инфракрасной радиации с атмосферой довольно сложен. Часть энергии инфракрасной радиации Q_R в интервале 8 - 14 мкм (кстати, именно это излучение используется в целях определения температуры поверхности земли со спутников) свободно проходит в космос, другая же ее часть полностью поглощается водяным паром и углекислым газом. Атмосфера тоже испускает инфракрасные лучи, теряя при этом определенное количество тепла q_R. Разность Q_R - q_Rназывается длинноволновым балансом атмосферы, в среднем за год эта величина в любом уголке земного шара отрицательна.

Очень важное для метеорологии уравнение теплового баланса атмосферы можно представить в виде
(Q_R-q_R)+Q_E + Q_P = 0.

Однако фактические данные показывают, что в таком виде тепловой баланс атмосферы нигде не соблюдается, то есть приходные статьи приведенной формулы, Q_R, Q_E, Q_P, как правило, не уравновешивают расходную статью q_R. В тропических и субтропических районах баланс нарушен в положительную сторону, и в этих районах атмосфера накапливает тепло. В умеренном поясе и за полярным кругом, напротив, происходит охлаждение атмосферы: радиационная отдача тепла q_R здесь больше, чем сумма всех приходных статей уравнения теплового баланса.

Из всего сказанного следует, что в тропиках температура атмосферы должна непрерывно повышаться, а в приполярных районах - все время падать. На самом деле разность температур экватор - полюс из года в год остается примерно одинаковой. Значит, в уравнении теплового баланса не хватает еще одного члена, который бы выравнивал нарастающие контрасты содержания тепла в атмосфере тропиков и полярных районов. Таким членом может быть только адвекция тепла qa, то есть перенос его с воздушными течениями из тропических районов в полярные. Тогда уравнение теплового баланса будет выглядеть так:
(Q_R-q_R)+Q_E + Q_P = q_a

и соблюдаться для любого уголка земного шара. Правда, рассчитать адвективный поток тепла q_a очень непросто: во-первых, он сильно изменяется во времени, а также в зависимости от широты, долготы и высоты; во-вторых, адвективный перенос тепла из низких широт в высокие осуществляется не только в атмосфере, но и в океане, причем, по самым последним оценкам, роль океана и атмосферы равноценна.

Но если пока не принимать во внимание эти частности, то в результате анализа уравнения теплового баланса можно сделать важный вывод: на Земле, освещаемой Солнцем, неизбежно должна возникать глобальная циркуляция атмосферы. Посмотрим теперь, как она формируется.

Погода самым непосредственным образом связана с циркуляцией атмосферы. Можно говорить о типичной погоде пояса пассатов, о муссонной погоде, о погоде западного переноса, но даже внутри одной циркуляционной зоны она очень изменчива, иначе вряд ли бы вообще существовала проблема ее прогноза. В первом, самом грубом, приближении для описания типичной погоды циркуляционных поясов мы воспользуемся понятием климата... Когда вы возвращаетесь домой из отпуска, первое, о чем вас обычно спрашивают: повезло ли с погодой? А вот если вы сами рекомендуете знакомым отдохнуть в том месте, где бывали много лет подряд, то, наверное, скажете: „Там очень хороший климат". Таким образом, климат — это средний режим погоды в определенном месте, выявленный за многие годы наблюдений. Характеристики климата, такие, как температура воздуха и ветер, количество осадков и влажность, облачность и продолжительность солнечного сияния, складываются из огромного числа конкретных, мгновенных состояний атмосферы, из множества разнообразных „погод".

Хотя мы широко пользуемся понятием „климат", на самом деле это лишь некоторый статистический результат. Выйдя на крыльцо, вы никогда не увидите в точности то, что называют климатом здешних мест, а будете наблюдать конкретную погоду, характеристики которой в данный момент могут быть близки к климатической температуре, влажности и т. д. Однако для большинства районов земного шара можно все-таки выделить несколько типичных синоптических ситуаций, характерных погодных условий, сумма которых является климатом.

В результате работы климатологов появилось множество классификаций климатов Земли, но лишь одна из них тесно связала климат и циркуляцию атмосферы. Эта классификация была предложена в 1941 г. видным советским климатологом Б. П. Алисовым, идеи которого быстро завоевали мировое признание. Принципиальные положения классификации Б. П. Алисова сводятся к тому, что на Земле существует четыре основных и три переходных типа климата. Основные типы — экваториальный, тропический, умеренный и полярный — наблюдаются в тех районах земного шара, которые в течение года постоянно находятся в одном и том же поясе общей циркуляции атмосферы. Экваториальный климат свойственен внутритропической зоне конвергенции, тропический климат формируется в зоне пассатов и южной части субтропических антициклонов, умеренный климат— порождение западного переноса, полярный климат имеет две разновидности: арктическую и антарктическую, так как условия циркуляции атмосферы в Северной и Южной полярных областях Земли существенно различаются.

Если бы не было сезонных изменений общей циркуляции атмосферы, то для описания климатов Земли, очевидно, хватило бы этих четырех типов. Но мы еще раньше установили, что циркуляционные пояса в тече ние года смещаются по широте. Таким образом, на земном шаре существуют районы, находящиеся летом в одном, а зимой в другом циркуляционном поясах. Это и есть районы с переходными типами климата: субэкваториальным, субтропическим и субполярным. В основных типах климата погода, конечно, меняется от зимы к лету, но не так резко, как в переходных. В последних погода может изменяться от сезона к сезону буквально на 180° (это особенно заметно по режиму ветра), и тогда говорят о муссонном характере климата.

Распределение климатов на Земле, конечно, сложнее приведенной выше схемы, и это связано с неоднородностью земной поверхности, с наличием океанов и континентов. Так, экваториальный климат представлен в трех крупных регионах планеты: во влажных тропических лесах Амазонки, Конго и Малайского архипелага с прилегающими к ним частями океанов. В азиатском секторе северного полушария нет области тропического климата, в южном полушарии плохо выражен субполярный климат. Кроме того, чередование океанов и континентов приводит к появлению разновидностей одного и того же типа климата. Различают климаты океанический, континентальный, а также западных и восточных окраин материков.

Ну а теперь — в путь! От экватора к полюсу, чтобы почувствовать, какой бывает погода в разных климатических поясах Земли.

Пейзаж в зоне экваториального климата многим хорошо знаком по приключенческой литературе. Это бесконечный, непроходимый и опасный для непривычного человека лес. Джунгли... Сельва... „Европейцу трудно себе представить эти деревья. Они растут повсюду, куда ни обратишь взор, и все собой закрывают. Подобно мачтам линии высокого напряжения близ промышленного города, они производят впечатление незримой мощи. И каждый из нас сознавал, что за этими деревьями стоят миллионы других... Индеец знает, что в джунглях все располагается по вертикали, а не по горизонтали. Деревья борются друг с другом за клочок неба, ползучие растения, извиваясь, тянутся ввысь, потом пускают ростки к земле и, наконец, посылают к солнцу еще один упрямый побег" (А. Кауэлл „В сердце леса").

Расточительная щедрость экваториального леса связана отнюдь не с плодородием земли (здесь преобладают малопродуктивные красные почвы), а исключительно с обилием солнечной радиации и очень большим количеством осадков. В среднем в этих районах земного шара выпадает около 2000 мм осадков в год, а если на пути влажного воздуха встает гора, то за год на нее может вылиться 10-метровый слой воды (10 000 мм), как обычно и бывает на западных склонах вулкана Камерун в Африке. Для сравнения вспомним, что в дождливых Петербурге и Лондоне количество осадков в год в среднем составляет всего 600 мм.

Но самое интересное для метеоролога — это происхождение осадков. Когда подсчитали количество влаги, испаряющейся в экваториальном поясе с поверхности океанов и суши, то оказалось, что оно не составляет и половины количества выпадающих здесь осадков. Значит, влага приносится к экватору извне. Источником ее являются пассаты северного и южного полушарий. На пути к экватору они собирают колоссальное количество влаги с необозримых просторов тропических океанов. По причинам, которые мы рассмотрим ниже, влага пассатов не может обратиться в мощные облака и выпасть в виде дождя, она почти вся переносится к экватору, где конвергируют пассаты, а насыщенный ею воздух устремляется вверх, и в нем образуются мощные кучево-дождевые облака.

Практически все мощные дожди экваториальной зоны связаны с облачностью ВЗК- Скопления облаков СЬ, хорошо различимые на фотографиях из космоса, в течение года мигрируют вместе с ВЗК с юга на север и обратно, поэтому в экваториальном климате выделяют два сезона относительно сухой погоды, в которые ВЗК удаляется от экватора, и два сезона сильных дождей, в которые она находится как раз над экватором. Например, в Яунде (3°49' с. ш.), столице Камеруна, максимумы осадков обычно отмечаются в апреле (230 мм), когда ВЗК проходит этот город, перемещаясь на север, и в октябре (260 мм), при ее возвращении в южное полушарие. В январе и июле дождей меньше, но они дают около 50 мм осадков в месяц.

Вот как обычно начинается дождливый сезон в Амазонии:

"В первой декаде октября со стороны Атлантического океана стали появляться черные тучки, они проходили над нами, направляясь к Андам. Постепенно в восточной части неба стала собираться темная громада туч, и хотя от нее отрывались, уплывая вперед на разведку, небольшие облачка, основная масса оставалась по-прежнему черной и день ото дня росла и принимала все более угрожающий вид, с каждым утром все ближе придвигаясь к нам... Орландо сказал, что новый сезон начнется с урагана. В это время года всегда проносятся сильнейшие бури и грозы. Бебкуче говорил мне, что „небо будет кричать и посылать на землю длинный огонь, чтобы убить индейцев"...

...Однажды мы ходили около часу, как вдруг хляби небесные разверзлись. Над джунглями разразился ураган, и шатер леса у нас над головой, казавшийся прочным, как купол собора Святого Павла, заколебался, словно началось землетрясение. Гнилые деревья, неподвижно стоявшие больше пяти месяцев, с треском падали на землю; щепки, листья, ветви, целые стволы летели во все стороны... День обратился в ночь. Затем последовало несколько ослепительных вспышек молнии, канонада взрывов, и снова стало светло, как днем... У наших ног падали огромные куски деревьев, лианы со свистом рассекали воздух; нас охватил ужас. Как готовые на смерть солдаты, мы ринулись сквозь заслон напрямик в лагерь. Оставшиеся там люди отчаянно пытались спасти лодки. Могучие волны швыряли их о берег. В двух ярдах от моего гамака на землю рухнул ствол дерева. Пошел дождь. Он хлестал сплошными потоками, словно великий первобытный лес Шингу признавал лишь то, что было под стать его свирепой силе".
А. Кауэлл «В сердце леса»

Не следует думать, что такой кошмар повторяется в период дождей в Амазонии каждый день. Здесь описана ситуация, связанная с ливневым штормом, который наблюдается у экватора не так уж часто. Специальный эксперимент по наблюдению за выпадающими из облаков ВЗК осадками, проведенный в Венесуэле в июне 1969 г. с привлечением данных густой сети метеорологических радаров и осадкомерных станций, показал, что ливневые штормы прошли 2, 7, 8, 10 и 22 июня, причем настоящий потоп был только 8 и 22 июня, а в остальные дни месяца дожди были умеренными или слабыми. В связи с наличием продолжительных периодов спокойной, безветренной погоды ВЗК получила еще одно название — „зона экваториального затишья". Следует отметить, что затишье в этой зоне гораздо чаще отмечается на океанах. Неслучайно феномен экваториального затишья был открыт именно моряками. На суше за счет хорошо развитой дневной конвекции атмосфера возмущена, или турбулизи-рована, больше, и послеполуденные грозы, при которых происходит усиление ветра, там явление обычное.

На океанах дожди менее обильные, чем на материках, они выпадают равномернее, часто бывают ночью. На материках в ночные часы за счет слабого, но все-таки достаточного охлаждения приземного слоя воздуха ослабевает термическая конвекция и облака ВЗК оказываются развитыми в значительно меньшей степени, чем днем. Над океанами ночная конвекция остается такой же интенсивной, как и дневная, и даже усиливается, потому что вода из-за большой тепловой инерции ночью совсем не охлаждается.

Однако на суше роль ливневых штормов также исключительно велика: на их долю приходится до 80% всех осадков, выпадающих из облаков ВЗК. Например, за июнь 1969 г. в Венесуэле выпало 200 мм осадков, из них 150 мм — в течение всего 4 суток, в которые отмечались ливневые штормы. Таким образом, несмотря на относительное постоянство процесса конвергенции пассатов развитие облачности и осадков в ВЗК ото дня ко дню происходит крайне неравномерно. Оно зависит от ряда факторов, главными из которых считают завихренность воздушных течений и интенсивность конвекции воздуха над прогретой землей. Ливневые штормы — результат „благоприятного" сочетания двух этих факторов.

Конечно же, интенсивность дождей в экваториальной зоне поражает воображение, но еще более необычной кажется их ежедневная регулярность, как, впрочем, и регулярность других атмосферных явлений в этой зоне. Вот, например, как описывается погода на берегах Гвинейского залива:

„Как правило, до 8 часов утра сильный туман господствует над низменностью. В 9 часов из пасмурного, влажно-серого покрова облаков показывается солнце, в 11 часов жара становится тягостной. В 1 или в 2 часа пополудни небо покрывается темными грозными облачными массами. Приблизительно к 5 часам разражается гроза с сильным дождем... Почти 10 месяцев в году господствует это время дождей. Солнце по неделям прячется за облаками; безжалостно и равномерно льет дождь, и земля принимает в себя совершенно невероятные количества влаги. Бесчисленные ручьи и речки в лесу не в состоянии вместить этот гигантский паводок и вскоре выходят из берегов. При нескончаемо идущем дожде влажность воздуха необычайно велика, и это в сочетании с высокими температурами действует на человека крайне неприятно".
И. Блютген „География климатов"

Температура воздуха в экваториальном поясе исключительно устойчива. Здесь нет не только зимы, но и вообще сезонов года в привычном для нас смысле (есть лишь периоды усиления и ослабления дождей). Так, в Манаусе на Амазонке средняя температура воздуха в течение года изменяется на 1,8 °С (25,7 °С в апреле и 27,5 °С в сентябре). На островах Гилберта в Тихом океане сезонные „контрасты" температуры впечатляют еще больше: если в самом теплом месяце, октябре, она составляет 28,7 °С, то в самом „холодном", июле,— 28,1 °С. Суточные колебания температуры в экваториальном поясе всегда больше годовых.

Кстати, при большой влажности воздуха понижения температуры на 1—2 °С вполне достаточно, чтобы образовались ночные и утренние туманы — очень распространенное явление в зоне экваториального континентального климата.

„Теплый туман — неизменная принадлежность Гвинейского залива. Мы едем к реке Сасандре... Дорога пролегла через огромный лес... Среди деревьев, здесь и там, располагались большие затопленные участки. Туман наползает именно с этих затопленных мест, никогда не просыхающих из-за беспрестанных сезонных дождей. Окутанная туманом дорога и сама ведет себя странно, словно мы очутились в сказочной стране. Она вдруг вертикально устремляется вниз, в пустоту, и столь .же внезапно взбегает круто вверх, снова в пустоту... Наконец туман улетучивается, но не волнами, как это происходит в Европе, а опадает с леса, словно покрывало с торжественно открываемого величественного памятника".
А. Моравиа „Письма из Сахары"

Кучево-дождевые облака, главная достопримечательность экваториального неба, вздымаются подобно башням на высоту до 18 км, до тропопаузы, задерживающей дальнейший их рост. На этой высоте постоянно наблюдается отрицательная, причем очень низкая температура воздуха (до — 80° С), поэтому вершины облаков СЬ состоят не из капель, а из ледяных кристаллов, образующих красивый шлейф полупрозрачных перистых облаков (Cirrus, сокращенно Ci). Облака Ci растекаются под тропопаузой в стороны, часто принимая форму наковальни. Такие „наковальни" можно видеть и в наших широтах, так как механизм образования облаков СЬ во всех частях света примерно одинаков, только «наши»

Механизм образования осадков из кучево-дождевых облаков тесно связан с их внутренней структурой (рис. 31). Конвергенция воздуха и его нагревание от поверхности земли приводят к бурному подъему воздушных масс, при этом воздух непрерывно расширяется, так как по мере подъема попадает в слои атмосферы со все меньшим давлением. При расширении воздуха без дополнительного нагревания извне (солнце не успевает его нагреть, поскольку он поднимается вверх с большой скоростью) температура понижается, причем в строгой закономерности: 1 °С на каждые 100 м подъема. Наконец на некоторой высоте (для тропиков около 700 м) температура поднимающегося воздуха становится настолько низкой, что начинается конденсация содержащегося в нем водяного пара в капли воды. Эта высота и является нижней границей облака, его основанием.

От основания и до высоты, на которой температура воздуха достигает —10 °С, облако СЬ состоит из капель воды разного диаметра, в среднем 10—20 мкм. В экваториальных облаках СЬ вследствие их большой водности значительную долю составляют крупные капли размером 40—50 мкм. Вода в облаке не замерзает и находится в переохлажденном состоянии, потому что для ее кристаллизации недостаточно отрицательной температуры; нужно, чтобы в воздухе было достаточно мелких твердых частиц — центров кристаллизации, вокруг которых формируются ледяные иглы. Концентрация таких частиц — аэрозолей — максимальна у вечно пылящей поверхности земли и быстро уменьшается с высотой. Таким образом, из-за дефицита аэрозоля средняя часть облака СЬ представляет собой переохлажденный капельно-жидкий туман.

Только выше изотермы —10 °С среди капель воды появляются первые ледяные кристаллы. Здесь облако СЬ уже состоит из смеси воды, находящейся в двух разных фазах — жидкой и твердой. Это обстоятельство решительным образом влияет на процесс формирования осадков. Дело в том, что и капли, и ледяные кристаллы окружены невидимыми облачками водяного пара, причем его плотность надо льдом меньше, чем над водой. Начинаются перетекание водяного пара на ледяные кристаллы и его сублимация, то есть осаждение на лед. Первоначально очень небольшие, ледяные кристаллы за несколько минут вырастают до крупных капель (размером 50—60 мкм) и начинают объединяться друг с другом — коагулировать, попутно захватывая намерзающие на них переохлажденные капли воды. При этом содержание свободного водяного пара в облаке, естественно, уменьшается и сохранившиеся еще капли испаряются. Водяной пар вновь сублимируется на ледяных кристаллах. Так происходит непрерывная перегонка воды с капелек на кристаллы, за счет которой образуются наконец ледяная крупа или град. Диаметр ледяных крупинок составляет 0,3—5 мм, а диаметр градин в мощных облаках СЬ может достигать 10 см.

Крупа и град не выпадают вниз до тех пор, пока их в состоянии поддерживать восходящие движения воздуха. Сам размер градин свидетельствует о том, какой большой скорости могут достигать восходящие движения в облаке. В самом обычном облаке СЬ воздух поднимается вверх со скоростью 3—б м/с (отмечалась и скорость 25 м/с). Но все-таки наступает такой момент, когда масса крупы или града становится больше критической, и они, преодолевая сопротивление восходящего воздушного потока, падают вниз.

Далее все зависит от температуры нижележащего слоя воздуха. Если она велика, градины тают и превращаются в дождь; если температура достаточно низка, что часто бывает при холодных воздушных вторжениях в средних широтах, то на землю выпадает слегка оплавившийся град.

В экваториальных кучево-дождевых облаках, где положительная температура воздуха распространяется до достаточно большой высоты, параллельно действует другой, более простой механизм образования осадков. Он заключается в слиянии, то есть коагуляции капель воды: они движутся с разной скоростью, и мелкие капли, наталкиваясь на крупные, присоединяются к ним. Непрерывный рост капель приводит к тому, что через полчаса-час в облаке остаются одни крупные дождевые капли и восходящий поток воздуха уже не в силах удерживать всю эту массу воды.

С кучево-дождевыми облаками связаны такие эффектные, но опасные явления погоды, как грозы и шквалы.

В облаках СЬ практически независимо от того, в каком географическом поясе они образовались, формируется своя система циркуляции воздуха. Поскольку масштаб этой циркуляции измеряется километрами, ее называют мезоциркуляцией. В передней части облака теплый и влажный воздух интенсивно втягивается в него и устремляется вверх, отдавая свою влагу и охлаждаясь. Впереди Облака, на расстоянии нескольких километров от него, этот же воздух вновь опускается к земле, и, таким образом, возникает гигантское циркуляционное кольцо. В передней части кольца за счет нисходящих движений воздуха довольно сильно растет давление. На барограммах при этом хорошо виден всплеск давления, так называемый грозовой нос — в данной части циркуляционного кольца образуется знаменитая зона затишья перед грозой. В облачной части большого циркуляционного кольца, там, где поднимается теплый воздух, давление, наоборот, падает, и туда устремляется воздух из тыловой части облака, уже охлажденный испаряющимся дождем. В зоне контакта теплого и холодного воздуха, почти у самой земли, возникает вихрь с горизонтальной осью и скоростью ветра в нем 20—40 м/с. Это так называемый шкваловый ворот, несущий разрушения и бедствия... И только после шквала на землю обрушивается мощный грозовой ливень. Знакомая картина, не правда ли?

В душном воздухе молчанье,
Как предчувствие грозы —
Жарче роз благоуханье,
Звонче голос стрекозы...
Жизни некий преизбыток
В знойном воздухе разлит,
Как божественный напиток,
В жилах млеет и горит!
Ф. И. Тютчев

И вдруг отрывный и глухой
Промчится грохот над рекой,
Уже спокойной и дремучей,—
И вдруг замолкнет... Но вдали,
На крае неба, месяц полный
Со всех сторон заволокли
Большие облачные волны...

Уже безмолвие лесное
Налетом ветра смущено;
Уже не мирно и темно
Реки течение ночное...

Тьма потопила небеса;
Пустился дождь; гроза волнует,
Взрывает воды и леса,
Гремит, и блещет, и бушует.

Мгновенья дивные! Когда
С конца в конец по тучам бурным
Зубчатой молнии бразда
Огнем рассыплется пурпурным...
Н. М. Языков „Тригорское"

С грозовыми облаками тесно связано и такое явление, как смерч. Смерчи наблюдаются практически везде, где есть условия для образования мощных кучево-дождевых облаков: от Норвегии до экватора и вокруг всего земного шара. Особенно часты они там, где теплый и влажный морской тропический воздух вступает в контакт с сухим и холодным континентальным воздухом. Такая ситуация зачастую отмечается на юге США, здесь смерчи образуются по нескольку сотен в год и называются торнадо. В нашей стране район наибольшей повторяемости смерчей — Черноморское побережье Кавказа. Смерч — это вихрь с вертикальной осью и диаметром от нескольких десятков метров на море до сотен метров на суше; он представляет собой темную воронку или столб, спускающийся к земле из облака. Вот как описывают довольно сильный смерч, прошедший, правда, не у экватора, а через русский город Иваново 9 июня 1984 г.:

«В 15 часов 45 минут появилось новое, очень темное облако с напоминающим воронку выступом, который опускался к земле, раскачиваясь из стороны в сторону. Почти коснувшись поверхности, воронка стала быстро расширяться и всасывать в себя предметы. Нижний конец ее приподнимался и вновь опускался. Было хорошо видно, что „хобот" стремительно вращается, выбрасывая на высоте втянутые в него предметы. Слышался сильный свист и гул, словно от реактивного самолета. Воронка внутри светилась, и все это напоминало кипящий котел. От „хобота" отделялись рукава, то удалявшиеся от воронки, то вновь приближавшиеся к ней...»

Воздух внутри смерча не только вращается, но и стремительно поднимается вверх, увлекая с земли пыль, песок, воду и всякие предметы, поэтому на фоне неба он выглядит темным. Скорость ветра в смерче, судя по разрушениям, которые он производит, достигает . 50—125 м/с. Для сравнения вспомним, что скорость ветра, который мы обычно воспринимаем как сильный, составляет 10—15 м/с.

Неудивительно, что смерчи легко срывают крыши домов, переносят людей и животных, машины и железнодорожные вагоны, что из них выпадают необычные дожди, например... рыбные. Случаи выпадения рыбных дождей не раз отмечались в исторических хрониках, а один из последних таких случаев произошел недавно, в 1985 г., в Белоруссии. Смерч прошел по руслу небольшой речки вблизи сел Беседки и Птичь, высосал из нее всю воду вместе с рыбой и обрушил на соседний луг.

Механизм образования смерчей окончательно не выяснен. Скорее всего, смерч — это возникающий впереди облака СЬ шкваловый ворот, ось которого по каким-то причинам превратилась из горизонтальной в вертикальную.

Кучево-дождевые облака практически всегда сопровождаются грозами, причем чем мощнее облако и, главное, чем сильнее выпадающий из него дождь, тем яростнее гроза. Из. этого следует, что максимальные частота и интенсивность гроз на Земле должны отмечаться во внутритропической зоне конвергенции. Действительно, в экваториальных районах повторяемость гроз является наибольшей: они наблюдаются около 80, а кое-где — даже до 120—150 дней в году. Для сравнения укажем, что на Европейской части России таких дней в году бывает всего 10—20, а в Арктике гроза — вообще уникальное явление. Однако где бы гроза ни гремела, ее физическая природа всюду одинакова.

Облачные капли всегда несут на себе электрический заряд. Электризация капель, снежинок и града происходит разными путями; она может быть обусловлена соударением облачных частиц, захватом ими ионов воздуха, разбрызгиванием капель и разламыванием ледяных кристаллов, замерзанием воды в облаках. Однако в целом облако остается электрически нейтральным (положительные и отрицательные заряды его элементов перемешаны), пока в нем не происходят образование и выпадение осадков. Крупные и мелкие частицы осадков обычно заряжены противоположно, и когда начинается выпадение крупных частиц, происходит гравитационное разделение зарядов: в облаке образуются зоны положительного и отрицательного электричества, между которыми возникает разность потенциалов, иногда достигающая 1000 в/см². В нижней части облака СЬ, как правило, локализуются отрицательные заряды, а земля под облаком в соответствии с принципом электромагнитной индукции приобретает положительный заряд. Так формируется разность электрических потенциалов „облако — земля".

Воздух — хороший диэлектрик (плохо проводит электричество), но если разность потенциалов „облако — земля" достигает критических значений, происходит его пробой искрой, на время уменьшающий разность потенциалов. Так возникает молния, которая сопровождается громом — звуковым явлением, обусловленным сжатием воздуха.

Некоторые атмосферные явления, связанные с. грозовым электричеством, в частности шаровая молния, до сих пор не получили окончательного физического объяснения. Более подробно об электрических явлениях в атмосфере можно узнать, прочитав книгу И. М. Имянитова.

Севернее экваториального пояса ливневые штормы и сильные грозы тоже не редкость, но в годовом цикле они случаются „по расписанию" — в период летнего муссона.

Рейтинг публикации:

0




Комментарий от VP:
а сейчас для нас наиболее интересна информация - на последней странице.

Комментарии (0) | Распечатать

Добавить новость в: