"По сведениям Гидрометцентра..." - фрагменты книги

Публикуется с любезного разрешения автора - Александра Ивановича Угрюмова

При цитировании этих материалов в других источниках ссылка на первоисточник (Угрюмов А.И. По сведениям ГИДРОМЕТЦЕНТРА…— СПБ: Гидрометеоиздат, 1994) и сайт Гидрометцентра России meteoinfo.ru обязательна.

Почему и для кого написана эта книга

Прислушайтесь к разговорам на улице: что чаще всего мы обсуждаем, что нас волнует? Среди самых популярных тем наших бесед - о жизни, о здоровье, о квартире - есть одна, вызывающая, может быть, и кратковременный, но постоянный интерес, - это погода. В обычных ситуациях горожане обращают на нее не так уж много внимания. Но вот вы собрались в срочную командировку, а самолеты не летают - «погоды нет». Это чувствительный и неожиданный удар по вашим планам. А теперь представьте себе, что в большом городе мороз «под 40» и отопительная сеть где-то не выдержала. Это уже драма для тысяч людей, ведь они к ней совершенно не подготовлены. Вот и получается: если говорить об одном человеке, то погода важный, но, как правило, не решающий фактор жизни; если же об обществе в целом, то она оказывается одним из самых «влиятельных» факторов, которые необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации производственных объектов и принятии многих решений.

Существует мнение, что с ростом научно-технического прогресса наша зависимость от погоды уменьшается. Это неверно. Представьте себе сильную бурю над одним и тем же промышленным районом во второй половине XIX века и сейчас. Совершенно ясно, что в настоящее время, при необычайно сложном и разветвленном хозяйстве, размеры экономического ущерба будут значительно большими, чем раньше. Крупная авария на мощной линии электропередачи способна полностью парализовать жизнь целого города. Промышленность, транспорт, городское хозяйство - все это работает на электрической энергии.

О сельском хозяйстве можно было бы и не говорить - настолько очевидна его зависимость от погоды. Но все-таки... знаете ли вы, насколько снижается урожай зерновых культур при засухах? При слабых засухах, которые в том или другом районе Земли возникают почти каждый год,- примерно на 20%, при сильных на 20 - 40%, а при очень сильных засухах, которые редки, но охватывают обширные площади, - более чем на 50% по сравнению с нормой. Это лишь средние цифры, на отдельных полях погибают все растения.

Для того чтобы грамотно использовать прогнозы погоды (а правильных, прогнозов больше, чем думают обычно), нужно знать, хотя бы в общем, как живет и движется атмосфера, какие законы управляют изменениями погоды. В этой книге сначала мы совершим путешествия в разные климатические пояса Земли, посмотрим, какая там бывает погода и от чего она зависит. Чтобы было легче представить себе все многообразие состояний атмосферы, вызвать зрительный образ погоды (а это очень помогает освоению научного материала), обратимся к произведениям писателей, поэтов и художников с их острым видением природы. Затем обсудим проблему составления прогнозов погоды, выясним, как они используются в практической жизни и какова их оправдываемость, узнаем о перспективах в этой области.

Очень хотелось в этой книге донести до читателя исследовательский дух метеорологии - науки об атмосфере. Сделать это было нелегко, но здесь помогала сама история, которая неистощима на увлекательные сюжеты. Итак, эта книга написана для всех. В ней немало простых для восприятия страниц, однако есть и такие, которые заставят читателя вспомнить основные законы физики из школьного курса. В целом же книга построена так, чтобы каждый мог найти в ней интересное и полезное для себя - и тот, кто по роду своих занятий часто зависит от погоды, и тот, кто просто любит смотреть на небо. Автор будет считать свою задачу выполненной, если к словам «По сведениям Гидрометцентра...» вы будете прислушиваться с большим пониманием, чем раньше, а значит - и с большим доверием к трудной, подчас неблагодарной, но очень нужной людям работе синоптиков. Предвижу короткий диалог с читателем: — Мы бы и рады полностью довериться синоптикам, - скажете вы, - но где же точные прогнозы погоды, такие, чтобы верить им безоговорочно? — Пока еще метеорология не все может. — А почему, собственно, не все? Научились же люди посылать космические корабли к другим планетам и даже возвращать их обратно. Это, наверное, потруднее!

Ответ метеоролога будет звучать парадоксально, на первый взгляд, но вполне обоснованно с точки зрения науки: рассчитать космическую траекторию в принципе легче, чем дать точный прогноз погоды. Для расчета траектории межпланетных полетов сейчас используется весь теоретический арсенал небесной механики - науки о движении небесных тел в гравитационных полях Солнечной системы. Однако абсолютно точное (аналитическое) решение уравнений движения космического корабля можно получить только в том случае, если он находится в гравитационном взаимодействии с одним или, максимум, двумя небесными телами. При современных космических запусках такое допущение не снижает точности полета. Если же надо будет рассчитать траекторию космического корабля, находящегося под воздействием трех небесных тел и более, задачу придется решать приближенно - численно, как говорят математики. Таким образом, и небесная механика «не все может», хотя для удовлетворения наших практических нужд ее уровень пока достаточен.

При прогнозе погоды приходится рассчитывать результаты взаимодействия значительно большего числа «тел». Во-первых, сама атмосфера состоит не из одного, а из нескольких объектов, совокупность которых называется климатической системой. Самые знакомые из них для многих - циклоны и антициклоны, гигантские воздушные вихри (за день на земном шаре их можно насчитать до 20-30). В результате взаимодействия этих вихрей происходят самые быстрые, кратковременные изменения погоды, продолжительностью от нескольких часов до 4-5 сут. Во-вторых, атмосфера тесно соприкасается с поверхностью земли, а наверху она незаметно переходит в космос. И если мы захотим узнать погоду на месяц и более продолжительный срок, придется рассчитывать, что будет при взаимодействии атмосферы с солнечным излучением, с континентами и океанами, с лесами и пустынями, с теплыми и холодными морскими течениями, ледниковыми покровами Арктики и Антарктики, с горными хребтами - всего и не перечислить.

Замечательный русский ученый С. И. Вавилов назвал прогноз погоды среди трех самых сложных и вместе с тем самых актуальных задач мировой науки. Две другие - лечение злокачественных опухолей и создание управляемого термоядерного синтеза. Эту мысль С. И. Вавилова можно считать главной во введении в книгу: не оценив по достоинству грандиозность и сложность проблемы прогноза погоды, нельзя до конца понять, какими неимоверными усилиями дается каждый шаг на пути ее решения.

Масштабы погоды

С ЮЖНЫХ ГОР ДО СЕВЕРНЫХ МОРЕЙ

Правила хорошего тона у англичан всегда предусматривали разговоры о погоде («Прекрасная погода, сэр, не правда ли?»). Действительно, настоящая английская погода в любой день предоставит обильный материал для обсуждения даже незнакомым людям. Погода объединяет, как общая беда или общая радость.

Интересуются погодой также и в Москве, и в Токио, и в Нью-Йорке, и в Париже... Можно перечислить много самых разных городов и стран, которые, однако, будет объединять одно - их географическое положение. Все они лежат в обширной полосе умеренных широт северного полушария, примерно от 40 до 70° с. ш. Здесь, пожалуй, самая изменчивая погода на Земле.

А вот жителей Сахары погода разнообразием не балует. Дожди здесь, например, бывают раз в несколько лет. Не поймут вежливых разговоров о погоде и обитатели Огненной Земли на крайнем юге Южной Америки. Хотя Огненная Земля тоже находится в умеренных широтах (55° ю. ш.) и осадков здесь даже больше, чем в Англии, но выпадают они 300 - 330 дней в году в виде унылых моросящих дождей. Даже ветер здесь настолько постоянный по направлению, что редкие чахлые деревья наклонены все в одну сторону, на северо-восток. Признайтесь, что наша неустойчивая погода - дар Божий по сравнению с огненноземельской!

Но и в пределах нашей страны есть области с большей или меньшей изменчивостью погоды, и прежде чем начать разговор о том, как прогнозируют погоду, установим, где такие области находятся. Поможет нам в этом один из разделов метеорологии - климатология, которая изучает географию погоды, повторяемость и вероятность различных состояний атмосферы на материках и океанах, то есть климаты Земли.

«Единственная особенность москвичей, которая до сих пор остается мной не разгаданной, - это их постоянный, таинственный интерес к погоде... - Тише! - вскрикивает вдруг кто-нибудь и подымает голову к репродуктору. - Погоду передают! Все затаив дыхание слушают передачу...»

Попробуем на минуту забыть, что перед нами образец мягкого, доброжелательного юмора замечательного писателя Фазиля Искандера, и отнесемся к этой фразе серьезно. Выходит, что в Абхазии меньше интересуются прогнозом погоды на завтра, чем в Москве. Почему? Наверное, изменчивость погоды в Москве больше. Попробуем проверить.

Для этого нужно выбрать какую-нибудь показательную характеристику погоды. Чаще всего мы интересуемся температурой воздуха и осадками. На рис.1 показано, насколько в среднем изменяется температура воздуха в течение 5 дней в различных частях нашей страны зимой и летом; значками отмечены районы большой повторяемости сильных ливневых дождей и снега, которые бывают только при очень изменчивой погоде.

Похоже, что наша гипотеза отчасти подтверждается: в районе Черноморского побережья Кавказа, где живут земляки писателя, и зимой и летом наблюдается минимум изменчивости температуры. В Москве эта изменчивость в полтора-два раза выше. Значит ли это, что прогнозы погоды в Москве нужнее, чем в Абхазии? Прогнозы температуры воздуха - да. Сильные же осадки на побережье Кавказа выпадают чаще, чем в Москве: сказывается влияние Черного моря. Зимой в Сухуми за месяц бывает обычно 7-8 дней с осадками более 5 мм, а в Москве - только 2-3 дня. Значит, в Абхазии прогнозы температуры воздуха не очень актуальны, зато важны прогнозы дождя и снега, к тому же здесь горный район и последствия сильных осадков могут быть катастрофическими.

На рис.1 можно видеть, что области малой изменчивости температуры воздуха вообще приурочены к берегам морей, которые сглаживают ее колебания, так как летом море холоднее суши, а зимой теплее. Но здесь же из-за увлажнения воздуха над водой увеличиваются количество осадков и вероятность сильных дождей. На территории России нет областей чисто морского климата с относительно теплой зимой и прохладным летом, лишь крайняя северо-западная часть ее по характеру погоды напоминает Англию - страну классических туманов и дождей.

Средние изменения температуры воздуха за 5 дней зимой и летом

Рис. 1. Средние изменения температуры воздуха (°С) за 5 дней зимой (а) и летом (б). 1 - траектории циклонов, 2 - ливневые дожди, 3 - ливневый снег. Уникальна погода на Дальнем Востоке. Летом сюда поступает влажный воздух с моря, здесь много дождей, в том числе и сильных, и в целом нежарко - типичный морской климат. Зима же в Приморье сухая и малооблачная, она проходит под знаком северо-западных ветров, несущих сибирские холода. Такие сезонные изменения характерны для муссонного климата (муссоном называется ветер, меняющий свое направление от зимы к лету на противоположное). Вообще же муссонные области Земли лежат в тропическом поясе, поэтому погода Дальнего Востока уникальна.

Максимальная изменчивость температуры в течение года отмечается на побережье Северного Ледовитого океана. Объяснить этот феномен нельзя, если не рассматривать крупные, планетарные перемещения воздушных масс. В Арктику и зимой и летом приходят гигантские атмосферные вихри - циклоны. Чтобы нагляднее представить себе циклоны, надо сопоставить их горизонтальные размеры (1000-2000 км) и вертикальную протяженность (2-10 км). Оказывается, циклоны - это почти плоские горизонтальные вихри. Далее мы познакомимся с ними подробнее, а сейчас нужно запомнить лишь следующее: циклоны - это атмосферные вихри, которые приносят с собой ненастье и резкие изменения температуры. В северном полушарии воздух в циклоне вращается против часовой стрелки и при этом слегка стремится к центру вихря, таким образом, что траектории отдельных частиц воздуха напоминают спирали. Сходящийся к центру циклона воздух медленно поднимается вверх, а в поднимающемся воздухе всегда образуются облака, из которых выпадают либо дождь, либо снег.

В тех районах, где циклоны еще относительно «молоды» (в начале их траекторий), как раз и отмечаются зоны сильных осадков. Зимой это Прибалтика, центр Европейской части России и Украина, летом - те же районы плюс Западная Сибирь и Дальний Восток. В Арктику циклоны приходят уже в «зрелом возрасте» (здесь их диаметр достигает 2000 км), когда они дают мало осадков, но вызывают большие колебания температуры, потому что затягивают в себя одновременно воздух из арктических пустынь и с далекого юга. Области максимальной изменчивости температуры воздуха на рис.1 расположены именно там, где наиболее часто проходят циклоны.

Противоположностью циклона по всем параметрам является антициклон. Воздух движется в нем по часовой стрелке, растекаясь от центра к периферии и одновременно оседая к земле, поэтому в антициклоне никогда не бывает мощных дождевых облаков, а небо чаще всего совершенно ясное. Очень важно также, что антициклон не усиливает контрасты температуры, как циклон, а размывает их. Погода в антициклоне безветренная, сухая и малооблачная. В Евразии есть область (центр ее находится примерно в Забайкалье), которую зимой циклоны старательно обходят (рис. 1 а). С ноября по март здесь устанавливаются обширные малоподвижные антициклоны с очень холодной и сухой погодой. Иногда сфера их влияния расширяется до Урала и Волги, иногда распространяется даже дальше: отсюда приходят в коренную Россию сибирские морозы.

Антициклоны возникают и летом. В летних антициклонах стоит ясная и жаркая погода, а порой отмечаются даже засухи. Антициклоническая погода может устанавливаться практически в любом регионе нашей страны, определенной географической привязки летние антициклоны не имеют. Возникнув, антициклон может держаться на одном месте и неделю, и месяц, и даже целый сезон. Такие ситуации чреваты сильными засухами, и их предсказание - одна из главных задач долгосрочного прогноза погоды.

Итак, попутно с изучением географии погоды мы установили одну из главных причин ее изменений - это крупномасштабные движения воздуха, или, как говорят иначе, циркуляция атмосферы. Зависимость погоды от циркуляции атмосферы характерна для всего земного шара, особенно для районов умеренных и высоких широт. Зимой циркуляция атмосферы обусловливает практически все заметные перепады тепла и холода, заряды снега и потоки дождя, непосредственно с ней связана и изменчивость направления ветра. Летом ведущая роль крупных атмосферных вихрей сохраняется, однако обозначается еще один фактор погодных изменений, который зимой проявляется не столь отчетливо. На рис.1б видно, что летом циклоны движутся по более северным траекториям, чем зимой. На Кавказе устанавливается антициклонический тип погоды, которая так влечет нас на желанный юг! И, тем не менее, сильные дожди с грозами здесь не редкость; в основном необходимые для них условия складываются там, где потоки воздуха, перемещающиеся даже с относительно небольшой скоростью, встречают на своем пути горные хребты. Колхидская низменность, плотно окруженная горами, - настоящая ловушка дождей; гремят грозы и на северных склонах Кавказского хребта. В равнинных пустынях Средней Азии летний дождь - большое событие, а в горах Тянь-Шаня с мая по июль гроза и дождь - нормальное явление. На южном побережье Крыма летом дожди редки, потому что воздух, поступающий сюда в основном с запада и северо-запада, теряет влагу на северных склонах Крымской гряды - Яйлы.

Влияет рельеф и на колебания температуры воздуха: в горах они усиливаются. На рис.1б изолиния 5°С четко очерчивает Урал и Восточно-Сибирское плоскогорье (область повышенной изменчивости температуры), над равнинами Западной Сибири изолинии изменений температуры уходят на север (область пониженной изменчивости). Горы Тянь-Шаня и Кавказа также проявляются в поле изолиний. Какой же главный вывод следует из анализа географии погоды на обширной территории Евразии? Очевидно, он таков: если рассматривать колебания погоды как комплекс изменений температуры воздуха, осадков и атмосферных явлений, то районов с постоянной погодой мы практически не найдем. Прогнозы погоды нужны везде и во все сезоны. Другое дело, что в зависимости от района и времени года изменяется потребность в прогнозе различных составляющих погоды. Итак, на погоду в наших широтах влияют три основных фактора: циркуляция атмосферы, рельеф земной поверхности и море.

МЕСТАМИ И «КОЕ- ГДЕ»

Наличие зависимости погоды от циркуляции атмосферы приводит к мысли о примерной технологии прогноза погоды на завтра. По картам погоды, которые составляются от 2 до 6 раз в сутки в зависимости от типа карты, надо установить, сколько циклонов и антициклонов существует на сегодняшний день и где они расположены, затем предсказать путь их перемещения к завтрашнему дню, а также стадию развития. Тогда прогноз температуры воздуха представляется очень простым: в восточной половине циклона будет тепло, поскольку в этой его части воздух затягивается с юга, а в западной половине - холодно, так как там дуют северные ветры. В антициклоне все будет наоборот. Остается посмотреть, какая при этом будет температура воздуха и какое количество осадков принесут северные и южные ветры (возможное влияние моря будет учтено автоматически). Например, если мы знаем, что завтра центр циклона диаметром 1000 км будет располагаться над Москвой, то надо давать прогноз относительно теплой погоды в Тамбовской, Рязанской, Нижегородской и Владимирской областях, то есть во всех областях к востоку от меридиана Москвы в радиусе 500 км. Холодно же будет на западе Центрального района России.

В принципе так прогнозы погоды и делаются, но наша схема пока еще очень упрощенная, в ней не учтены многие важные процессы, протекающие внутри самих циклонов и антициклонов. И еще: совершенно не учтен рельеф Земли, а ведь погода существенно зависит от его особенностей, что, конечно, усложняет ее прогноз.

«…По области туман», - слышите вы по радио. Чтобы ясно представить себе погоду в области, надо хорошо знать географические особенности этой области. Вот два примера зимних туманов: один относится к югу Европейской части России и Украине, другой - к Предбайкалью. Зимние туманы на юге Европейской части России, Украине и в Предбайкалье

Рис. 2. Зимние туманы на юге Европейской части России и Украине (а) и в Предбайкалье (б). Цифры обозначают число дней с туманами в месяц.

Туманы на Украине, Северном Кавказе и в Нижнем Поволжье образуются при внезапном переходе от холодной погоды к теплой. Как правило, это происходит в тех случаях, когда в восточную часть циклона воздух затягивается со Средиземного и Черного морей (он не только теплый, но еще и влажный). И вот невидимый водяной пар, охлаждаясь над промерзшими украинскими пашнями и калмыцкими степями, начинает конденсироваться в мельчайшие капельки и становится видимым - превращается в туман. Обратите внимание на распределение по территории повторяемости этих туманов на рис.2. Изолинии наибольшей повторяемости туманов плавно очерчивают территорию Днепропетровск - Волгоград. Именно сюда чаще всего попадает влажный теплый воздух юго-восточной части циклонов, выходящих со Средиземноморья на Украину (траектория этих циклонов видна на рис.1а). Плавность изолиний означает, что туманы при такой циркуляции бывают повсеместно, они равномерно расстилаются над большой территорией. Это и неудивительно: при обычном диаметре циклона 1000 км теплая воздушная масса захватывает полосу протяженностью несколько сотен километров. И еще важно вот что: характер местности здесь равнинный и рельеф не может существенно влиять на локальные усиления или ослабления туманов.

Совсем по-другому выглядят зимние туманы в Предбайкалье. Южная часть Иркутской области расположена на Лено-Ангарском плато, прорезанном долинами рек и окруженном довольно высокими горными хребтами. Ландшафт и циркуляция атмосферы здесь совершенно не такие, как на юге Европейской части России. По-другому, естественно, образуются в этих местах и зимние туманы.

Мы уже знаем, что погоду в Предбайкалье определяет обширный зимний антициклон. В ясные безоблачные ночи, которые обычно наблюдаются в антициклоне, воздух у поверхности земли очень сильно охлаждается, потому что она щедро излучает в мировое пространство тепло в виде длинноволновой радиации. Минимальная температура воздуха может достигать здесь - 55°С. Особенно холодно становится в долинах и других понижениях рельефа: сюда стекает охлажденный воздух со склонов. Такой низкой температуры иногда достаточно для того, чтобы даже те «крохи» водяного пара, которые обычно содержатся в холодных воздушных массах, стали конденсироваться в ледяные кристаллики тумана. В верховьях Ангары, на которой стоит Иркутск, туман усиливается вследствие испарений с поверхности реки. Да, да - испарений! На некоторых перекатах Ангара такая быстрая, что не успевает замерзать даже в сибирские морозы. Речная вода, температура которой составляет 1 – 3 °С, отдает влагу сухому морозному воздуху. Именно здесь, в Иркутске, повторяемость зимних туманов самая высокая по всему Предбайкалью. На остальной его территории она зависит от рельефа: в долинах туманы отмечаются чаще (Зима, Жигалово), на плоскогорье - реже, а на хребтах их почти не бывает. «Рисунок» повторяемости тумана настолько сложен, что его и не воспроизвести на карте!

Прогноз тумана на юге Европейской части России и на Украине дать легче. Для этого нужно правильно рассчитать траекторию циклона, температуру и влажность теплого воздуха, которые более или менее одинаковы на больших пространствах. В Предбайкалье необходимо не только «увидеть» будущий антициклон, но и сделать для каждого пункта сложный расчет ночного понижения температуры, зависящего от множества местных факторов. В Иркутске дело осложняет еще и испаряющая влагу Ангара. Вот как влияет на погоду пересеченный рельеф! Вот отчего появляются в прогнозах слова «местами» и «кое-где». Однако даже и в тех случаях, когда речь идет о прогнозе погоды для равнинной местности, обойтись без этих слов нельзя. Например, в жаркий летний полдень вы тревожно смотрите на надвигающееся грозовое облако, предполагая, что вскоре разразится гроза и вы попадете под сильный дождь. Однако даже если ветер несет облако в вашу сторону, дождя может и не быть - это зависит от влажности воздуха, «возраста» облака и встречающихся на его пути лесов, озер, полей...

Если по радио говорят, что какое-то атмосферное явление будет отмечаться местами или кое-где, знайте, что речь идет о крайне сложном процессе, ход которого точно рассчитать для любого пункта пока нельзя.

В НАШЕМ ГОРОДЕ ДОЖДЬ

До сих пор мы рассматривали погоду как бы с орбиты искусственного спутника Земли (ИСЗ), проносясь над целыми регионами. А что если ограничить область прогноза погоды, например, одним городом, ведь на карте страны он выглядит точкой и площадь его в тысячу с лишним раз меньше площади, охватываемой обычным циклоном? Предположим, что в пределах города погода будет одинаковой. Следует ли из этого, что в сообщении о прогнозе погоды в данном случае можно обойтись без «местами» и «кое-где»? Давайте спустимся с высот ИСЗ на высоту полета обыкновенного «кукурузника» и немного полетаем над городом... Чем больше мы будем летать, тем больше будет в нас закрадываться сомнение в «одинаковости» городской погоды и простоте ее прогноза. Город - это миниатюрная страна, в которой обычные земные ландшафты заменены их микрокопиями. Высотные микрорайоны - это горные массивы, парки - леса, озера - моря, аэродромы - степи, площади - каменистые пустыни. Город так же сложен, как целый континент. И даже еще сложнее: в отличие от естественной географической среды, город не только поглощает солнечное тепло, но и вырабатывает энергию сам. Известный климатолог М. И. Будыко считает, что в большом городе с населением несколько миллионов человек вырабатывается такое количество энергии, которое превышает количество поглощаемого городом солнечного тепла! Есть и другие, более осторожные оценки, но и по таким оценкам искусственный приток тепла в городе составляет не менее 1/3 притока солнечной радиации. Разнообразные ландшафты и тепловые источники создают сложный микроклимат города, и точный прогноз погоды для него становится не менее трудной задачей, чем для больших территорий. Как же «выглядит» городская погода? Начнем, пожалуй, с дождя.

«В нашем городе дождь, он идет днем и ночью», - писал когда-то Е. Евтушенко. Это так называемый обложной дождь, который захватывает сразу тысячи квадратных километров и поэтому ни в центре, ни на окраине города больших различий не имеет. Для прогноза такого дождя нужно главным образом правильно рассчитать движение и эволюцию циклонов. А вот что такое «нормальный летний дождь», о котором тоже говорится в известной песне о Москве? В утреннем прогнозе погоды вероятность такого дождя выражается следующим образом: «Во второй половине дня местами пройдут кратковременные дожди, возможны грозы». Попробуем разобраться, что стоит за этой привычной и сухой фразой?

«Во второй половине дня...» - это понятно: в летний солнечный день к 13-14 ч поверхность почвы и асфальта, стены и крыши домов разогреваются, над городом образуется множество теплых воздушных пузырей, которые, согласно закону Архимеда, устремляются вверх. Возникающие при этом вертикальные движения воздуха называются свободной, или термической, конвекцией. Этот процесс мы ещё будем подробно разбирать, а пока запомним, что термическая конвекция - одна из главных причин образования мощных грозовых облаков высотой до 8-10 км. Такие облака формируются и за городом, но в его пределах конвекция усиливается и за счет «каменного» материала, и за счет дополнительного выделения тепла промышленными предприятиями. Весной, когда появляются первые после зимы кучевые облака, прежде всего их можно увидеть именно над городом. Сформировавшиеся к 13 - 14 ч грозовые облака (в метеорологии их называют кучево-дождевыми, или по-латыни Cumulonimbus (сокращенно Cb), имеют средний диаметр у основания около 10 км. При скорости движения облаков Cb 20 - 30 км/ч над наблюдателем такое облако будет проходить в течение 20 - 30 мин. Столько же времени будет продолжаться и выпадающий из облака ливневый дождь. Вот почему в прогнозе указаны «кратковременные дожди».

Если о дожде говорится достаточно уверенно, то в формулировке прогноза гроз используется слово «возможны». Это означает, что расчет интенсивности термической конвекции и количества ливневых осадков в настоящее время надежнее, чем расчет электрических характеристик облаков Cb.

Наконец, знаменитое «местами». Даже сравнение среднего диаметра облака Cb (10 км) со средним диаметром большого города, например Москвы (40 км), приводит к выводу, что из одного облака повсеместно дождь идти не может. Кроме того, условия для образования облаков Cb и выпадения летних ливней в разных частях Москвы разные. Самые благоприятные для них условия складываются в центре города, где наиболее плотная каменная застройка. Правда, очаг повышенной повторяемости сильных дождей есть и за городом (Немчиновка), но это объясняется наличием больших лесных массивов на юго-западе Московской области: деревья усиленно испаряют влагу, особенно в жаркую погоду, что способствует образованию облаков. В конкретных случаях распределение осадков может существенно отличаться от среднего многолетнего. Оно зависит от направления ветра, влажности почвы, температуры воздуха и даже от выброса в атмосферу дыма трубами заводов.

В целом статистика показывает, что если на вас «проливается» нормальный летний дождь где-то на юге Москвы, то вероятность одновременных осадков в центре города составляет 68%, а на севере - всего 53%. В этом и заключается весь смысл формулировки «местами пройдут дожди».

И все-таки, можно ли уже сейчас рассчитать характеристики для каждого облака Cb по отдельности и таким образом избавиться от «местами» и «кое-где»? Специалисты в области мезометеорологии - раздела метеорологии, изучающего процессы в атмосфере масштабами в несколько десятков километров, - отвечают, что теоретически к этому они готовы, но вот информация о погоде, например в окрестностях Москвы, нужна в 30 раз более подробная, чем та, которой они пока располагают.

Зимой в большом городе осадки выпадают равномернее, чем летом, зато температура воздуха может сильно меняться, особенно в тихую морозную погоду. Над городом существует «шапка тепла», обязанная своим происхождением энерговыделению предприятий, транспорта и теплосетей. Вдоль московской кольцевой дороги температура воздуха на 3-3,5° ниже, чем в центре города. Исключение составляет лишь юго-западная часть Москвы: там расположена Теплостанская возвышенность, а зимой на возвышенностях всегда теплее, чем в низинах. В отдельных случаях эти различия могут составлять 8-10°. Так что не стоит упрекать метеорологов в неточности сообщений о погоде, глядя лишь на свой термометр.

Итак, география погоды сложна, но не это главное. Как мы выяснили, все изменения погоды можно в принципе подразделить на три группы, в зависимости от пространственного масштаба. Изменения погоды в крупном масштабе - над целыми странами и континентами - во многом зависят от горизонтальной циркуляции воздуха в атмосфере. В среднем масштабе, или мезомасштабе, помимо циркуляции атмосферы на погоду существенно влияет рельеф земной поверхности, особенно горы; кроме того, ее изменения в значительной мере обусловлены воздействием вертикальных движений воздуха - конвекцией. В мелком масштабе, или микромасштабе, изменения погоды связаны с бесконечным разнообразием местных ландшафтов и даже с влиянием человека - антропогенным фактором. Следовательно, чем меньше территория, по которой дается прогноз погоды, тем, оказывается, он сложнее!

Понять эту простую для метеоролога истину неспециалисту довольно трудно. В самом деле, сказать, что будет на территории площадью 2 - 3 тысячи квадратных километров, конечно, сложнее, чем предсказать погоду в городе или поселке, - так думают многие. В действительности это неверно.

Вот простой пример из жизни, жизни армейской. Командир авиационного полка, хороший летчик, грамотный специалист, а следовательно человек, знакомый с за конами метеорологии, приказывает дежурному синоптику дать прогноз: будет ли туман над аэродромом ровно через неделю в 8 часов утра, к началу учебно-тренировочных полетов? Приказ не обсуждают, поэтому молодому лейтенанту приходится его выполнять. Но как? Он знает, что есть долгосрочный прогноз Гидрометцентра, согласно которому через неделю ожидается антициклоническая погода, а значит, возможен и туман. Но ведь достоверность такого прогноза всего 60-70%. Это первая неопределенность. Вторая заключается в том, что для прогноза тумана лейтенанту нужно точно знать направление ветра: ведь если ветер принесет влажный воздух с морского залива, туман будет, если же его направление изменится всего на 30-40° и он подует из степи, тумана может и не быть. Это чисто местные особенности, и для их прогноза нужно точно знать положение антициклона через неделю, что невозможно и на сутки вперед.

Как же вышел лейтенант из такого положения? Помогла армейская смекалка. Никакого прогноза он, конечно, не составлял, а просто взял климатический справочник и увидел, что, по многолетним данным, в этот сезон года утренние туманы бывают довольно редко. Начальству же он доложил следующее: все прогнозы погоды, составленные по разным современным методам, говорят о том, что тумана на аэродроме в 8 часов утра через неделю не будет (лейтенант, кроме того, знал, что командир очень хочет провести полеты!). Прогноз оправдался, но, конечно, чисто случайно. И лейтенант понимал это, так как знал, что к прогнозу местных условий погоды путь лежит только через прогноз крупномасштабной циркуляции атмосферы.

Наибольшие успехи сейчас достигнуты в крупномасштабных прогнозах погоды, которые мы далее и рассмотрим. Но сначала немного истории.

От частного к общему (из истории метеорологии)

ИСТОКИ

Тому, кто не знаком с метеорологией, трудно понять, отчего наука об атмосфере и прогнозах погоды так называется. И в самом деле, метеориты - это космические тела, падающие на Землю, а метеоры - их светящиеся следы на небе. Но причем же здесь все-таки погода?

Слово «метеорология» - научный анахронизм, дошедший до нас со времен Аристотеля, крупнейшего греческого мыслителя IV в. до н. э., автора «Метеорологики» - трактата о небесных явлениях. В те времена считалось, что на небе все изменения происходят в одной природной сфере и, значит, должны изучаться одной наукой. Аристотель подобрал ей название, исходя из греческого выражения "та метеора" - предметы в воздухе. К этим «предметам» ученый причислял дожди и кометы, град и метеоры, радуги и полярные сияния, правда, гидрометеоры, то есть «предметы», со стоящие из воды или льда (в этом виде определение Аристотеля используется и сейчас), он выделял в особую группу. Звезды к метеорологии, по его мнению, не относились: они считались тогда неподвижными и неизменными.

Для современного человека очевидно, что представления Аристотеля о ряде природных явлений, о которых он размышлял в своем трактате «Метеорологика», были ошибочными, однако рождение науки об атмосфере и погоде, бесспорно, связано именно с этим трактатом.

Любая естественная наука состоит из трех органически связанных частей: наблюдение, эксперимент и теория. История показывает, что если пренебрегают одной из них, наука неизбежно обедняется, а иногда ведет к неверным выводам, то есть по существу самоликвидируется как средство познания. И до Аристотеля люди внимательно наблюдали за погодой, о проявляемом к ней интересе могут свидетельствовать многочисленные отрывки из поэм Гомера, древнекитайских трактатов, индийской героической поэмы «Рамаяна»... Однако прежде никто не пытался понять, почему происходят изменения погоды. Аристотель же стремился создать систему объяснений наблюдаемых фактов, то есть теорию. Следует отметить, что он не чуждался и эксперимента. Например, для выяснения вопроса, имеет ли воздух вес, ученый поочередно взвесил надутый и пустой бычий пузырь и обнаружил, что надутый пузырь весит больше пустого. Значит, рассуждал он, воздух действительно имеет вес. Однако надутый пузырь плавает на воде, а ненадутый тонет... Результаты последнего опыта вроде бы противоречили первому, и Аристотель делает странный для нас вывод об абсолютной легкости воздуха, об отсутствии у него веса.

С высоты современных знаний нетрудно заметить погрешности в рассуждениях ученого (ведь он еще не знал о переменной плотности воздуха и о принципе Архимеда!), но разве в этом дело? Науку и теперь можно представить себе в виде цепи бесконечных и нередко бесплодных попыток постичь истину. Главное же, несомненно, заключается в том, что Аристотель стремился понять причины природных явлений, и это приводило его к настоящим открытиям. Вот что, например, он писал о воде:

«Мы всегда ясно видим, как вода, поднявшаяся в воздух, опускается снова. Даже если то же самое количество не возвратится в течение года и именно в этой стране, то через определенный срок все, что было унесено вверх, будет возвращено».

Совершенно очевидно, что речь идет о круговороте воды в природе!

В вопросе о происхождении ветра Аристотель вновь заблуждается (по его мнению, воздух - это дым, который выдыхает Земля), а вот его вывод о связи характера погоды с направлением ветра - снова великое прозрение...

«Апарктий, Траский и Аргест, рассеивая плотные облака, приносят ясную погоду... Аргест и Эвр - сухие ветры, последний сух лишь вначале и влажен в конце... Нот, Зефир и Эвр горячи. Кайкий покрывает небо мощными облаками».*
 

Аристотель «Метеорологика»

(* В приведенном отрывке упоминаются названия ветров, принятые в Древней Греции: Апарктий - северный, Траский и Аргест - северо-западные, Эвр - юго-восточный, Нот - южный, Зефир - западный, Кайкий - юго-западный.)

Подмеченные Аристотелем особенности хорошо укладываются в современную схему атмосферных процессов в Средиземноморье. Связь направления ветра с характером погоды, конечно в более сложном виде, и сейчас является основой методов прогноза погоды.

На примере Аристотеля, с именем которого связана первая постановка вопроса о научном исследовании природы, очень хорошо видны особенности науки как диалектического организма со всеми свойственными ей противоречиями, временными спадами и качественными взлетами, составляющими сущность весьма непростого движения от частных наблюдений к общим закономерностям.

Кстати, насколько сходны процессы, управлявшие погодой в древности, и процессы, воздействующие на нее в наши дни? Данный вопрос не следует считать праздным, ведь наиболее важные законы атмосферных движений, на которых основаны приемы прогноза погоды, установлены на материале последних 100 - 150 лет, и, если эти законы со временем изменяются, то нельзя быть уверенным, что метеорологию не придется когда-нибудь полностью пересматривать. Ответить на него нам поможет... Гомер!

«По морю так беззащитное судно повсюду носили ветры, то быстро Борею его перебрасывал Нот, то шумящий Эвр, им играя, его предавал произволу Зефира...» (Борей - древнегреческое название северного ветра).

Нет ли в этом отрывке из «Одиссеи» чего-то уже нам знакомого? Описывается буря, при которой восточный ветер Эвр сменяется западным, Зефиром. Если циклон двигался над путешественниками с запада на восток, как чаще всего они и смещаются, то, действительно, восточные ветры после прохождения центра циклона должны были смениться западными. Значит, и в древности бурю и непогоду в умеренных широтах приносили циклоны.

Русский метеоролог Б.П. Мультановский в 1992 г. внимательно изучил все описания природы из «Одиссеи» и построил карты погоды, которая наблюдалась 3000 лет назад. На них четко выделяются циклоны и антициклоны, управляющие воздушной стихией ныне, как и в древности.

В средние века наука о природе приходит в упадок, объяснение природных явлений становится прерогативой церкви. По иронии судьбы учение Аристотеля начинает играть роль тормоза на пути развития науки: средневековые схоласты абсолютизируют его, и существование иных взглядов оказывается невозможным. В астрономии такую же роль сыграла геоцентрическая система Птолемея. На 1000 с лишним лет прекратилось всякое движение идей в метеорологии, если не считать фантазий астрологов. Была, правда, еще одна своеобразная форма обобщения метеорологических знаний - это народные приметы погоды.

ПОГОДА ПО ПРИМЕТАМ

Средневековая наука крайне противоречива. В лабораториях алхимиков наряду с философским камнем исподволь создавалось учение о химических элементах. В результате наблюдений за звездным небом рождались астрологические предсказания судеб людей и государств и одновременно накапливались факты, ставшие основой для дальнейшего развития астрономии. Что-то подобное происходило и с метеорологией: она не избежала «астрологического периода», но вместе с тем наблюдения за погодой позволили нашим предкам - землепашцам, охотникам, морякам - подметить определенные закономерности, что привело к появлению связанных с этими закономерностями правил, или примет. Многие из существующих примет подкреплены длительными наблюдениями, а потому вполне обоснованы, однако есть и приметы-недоразумения, их тоже немало.

Интерес к народным приметам погоды не иссякает. Люди, далекие от естественных наук, часто верят всем приметам подряд. В научно-популярной периодике появляются обобщения, касающиеся примет, без какого-либо - научного анализа. Авторы этих статей тоже, по существу, призывают читателя к слепой вере в приметы. Иногда метеорологам приходится слышать: «Почему вы не используете народные приметы в прогнозах погоды?»

В этом разделе мы попытаемся разобраться в наследстве, которое нам оставила средневековая метеорология, попробуем отделить «зерна от плевел» - показать, какие приметы погоды надежны, какие сомнительны, а какие просто вводят в заблуждение, и можно ли использовать их в научных прогнозах погоды. Но сначала о самом «ярком» наследстве средневековой науки - об астрометеорологии.

Для нас вера в гороскопы и в китайский календарь с драконами, буйволами и кроликами - не более чем занятная игра. Совершенно иначе смотрели на это наши предки, для которых многочисленные астрологические календари были единственным научным откровением. Такой календарь был и в России, его называли Брюсовым, по имени одного из сподвижников Петра I, графа Якова Брюса. Маловероятно, чтобы сам граф, один из образованнейших людей своего времени, имел к нему непосредственное отношение - уж слишком много сомнительного было в шести таблицах календаря! Например, там был «прогностик», содержавший предсказания погоды, урожаев, войн и болезней по положению небесных светил. Характерно, что сами составители астрологических календарей оговаривались: «…войну и мир собственно из звездочтения провещати невозможное дело».

Ну а погоду, значит, можно? «Можно!» - считали авторы календарей и печатали прогнозы, подобные тому, что приведен в «Астрономическом телескопе», изданном в 1814 г., в котором погода предсказывается на 1946 г. (на 135 лет вперед): «В этом году господствует планета Меркурий. Весна в начале студеная, снежная, немного потом суха, тепла, ветренна, к концу приятна. Лето, хотя сначала мокрое, но потом прекрасное и теплое... Осень до половины октября студеная, далее хорошая и благоприятная погода, с солнечным сиянием, к концу пасмурная и дождями кончится. Зима не холодна, вихри и ветры частые, непогоды, холодный воздух».

Не будем слишком придирчивы к предкам - они писали о чем могли: о весьма «необычной» весне, сначала холодной, а потом теплой, о странной зиме, не холодной, но с холодным воздухом и т. д. Какие-то элементы настоящего прогноза погоды есть только в приведенном нами описании осени...

В 1725 г. в Санкт-Петербурге была открыта Академия наук, которая стала издавать свои календари, свободные от астрологических «предзнаний». Но читатели требовали вернуть астрологам утраченные позиции (ведь так заманчиво знать все заранее), и академикам пришлось согласиться. Правда, они не упускали случая с улыбкой предупредить: «Мы вовсе не надеемся, что все, что мы предсказываем, сбудется. В случае частых неудач просим помнить читателя, что за немногие копейки нельзя много истины купить».

Почему истинные исследователи природы так безоговорочно отвергают астрологию и астрометеорологию? Понятно (правда, не всем, особенно в наше неспокойное время), что звезды и планеты не могут оказывать никакого влияния на исторические события и судьбы, но, может быть, гравитационное взаимодействие небесных тел и атмосферы в состоянии определять погоду? В результате тщательных измерений было установлено, например, что притяжение Луны действительно вызывает в атмосфере приливы. Эти, подобные океанским, приливы выражаются в колебаниях давления воздуха с амплитудой 0,02 мм. рт. ст. Однако тот, кто следит за погодой, знает, что при ее перемене колебания атмосферного давления могут быть гораздо большими: их амплитуда превышает 20, 30 и даже 50 мм рт. ст. Следовательно, лунные приливы, самые мощные из всех известных, не могут быть причиной изменения погоды: слишком мало их воздействие на атмосферу.

Тем не менее энтузиасты прогноза погоды по фазам Луны и положению планет все еще ждут своего часа. А ведь такой «час» был не так давно - в 1983 г.! В марте - апреле этого года произошел так называемый парад планет, когда практически все планеты Солнечной системы одновременно оказались в узком секторе пространства с угловыми размерами не более 60°, если смотреть от Солнца.

По предположению упомянутых энтузиастов, следовало ожидать, что центр массы Солнечной системы при этом сместится за пределы Солнца и оно приобретет дополнительное вращательное движение. Тогда на нем резко усилится конвекция газов, что приведет к невиданному выделению солнечного вещества в космос и необратимым, катастрофическим изменениям погоды на Земле. В общем - конец света!

Но помним ли мы 1983 г.? Скорее, нам памятны лето 1972 г. из-за небывалой засухи и зима 1978-79 г. из-за страшных и продолжительных морозов на Европейской части России, хотя никаких особых событий в космическом окружении Земли тогда не наблюдалось. То, что в 1983 г. мы все-таки остались живы, указывает на крайне малый приливный потенциал планет по отношению не только к массивному Солнцу, но и к сравнительно небольшой Земле. «Парады планет» повторяются каждые 179 лет, но в погоде такой периодичности не существует.

Иное дело - приметы погоды, основанные на многовековых наблюдениях за состоянием атмосферы. Такие приметы можно разделить на три группы:

1) характеризующие погоду определенного дня (календарные); 2) позволяющие предсказывать ее на несколько часов или на сутки вперед (краткосрочные); 3) предназначенные для предсказания характера погоды на целый сезон или даже на год (долгосрочные).

Часть примет основана на наблюдениях за растениями и поведением животных. Сразу оговоримся, что справедливость таких примет нельзя оценивать без углубления в биологию и экологию. Пусть это делают специалисты в соответствующих областях науки, мы же рассмотрим чисто метеорологические приметы, каких, кстати, значительно больше.

Самые популярные, пожалуй, приметы календарные, например такие:

«Афанасий-ломонос - береги нос» (мороз 31 января);
«На Марка небо ярко» (8 мая);
«Введенье ломает леденье» (оттепель 4 декабря).

Ловко скроенные, приметы эти хорошо запоминаются и представляют собой как бы готовый на все времена прогноз погоды. Они обязательно привязаны к церковному календарю, поскольку для подавляющего большинства населения дореволюционной России он был основным. Помните, как у И. А. Гончарова в «Обломове»:

— А когда, бишь, она уехала от нас? - спросил Илья Иванович. - Кажется, после Ильина дня?
— Что ты, Илья Иванович, всегда перепутаешь! Она и Семика не дождалась, - поправила жена.
— Она, кажется, в Петровки здесь была, - возражает Илья Иванович...
— Так это Марья Онисимовна... Да и Марья Онисимовна не до Ильина дня, а до Прохора и Никанора гостила.
Они вели счет времени по праздникам, по времени года, по разным семейным и домашним случаям, не ссылаясь никогда ни на месяцы, ни на числа.

Календарных примет много, и если бы они абсолютно точно оправдывались, то из года в год наблюдалась бы совершенно одинаковая погода и разные природные явления происходили бы в одни и те же сроки. Вот, например, приметы первого месяца весны:

6 марта - Тимофей-весновей (теплый ветер),
12 марта - Прокоп дорогу рушит (ранняя распутица),
13 марта - Василий-капельник (оттепель),
14 марта - Евдокия-плющиха (оттепель),
17 марта - Герасим-грачевник (прилет грачей), 30 марта - Алексей - с гор потоки (таяние снега).

Если верить этим приметам, то в марте всегда должно быть тепло. Но известно, что год на год не приходится. Так, дата прилета грачей в средней полосе России, по данным фенологических наблюдений, колеблется между 7 и 31 марта. Другие народные приметы допускают, что на Евдокию (14 марта), Федота (15 марта) и Алексея (30 марта) в разные годы может быть разная погода. Таким образом, календарные приметы нельзя рассматривать как прогноз погоды на конкретный день конкретного года, они могут лишь свидетельствовать об увеличенной повторяемости определенного типа погоды в какой-либо день в среднем за очень много лет, то есть характеризовать то, что мы называем климатом.

Объективны ли в этом смысле календарные приметы погоды? Существуют периоды продолжительностью в несколько дней, когда средние многолетние значения температуры либо ниже, либо выше некоторой теоретической температуры, которая могла бы наблюдаться в том случае, если бы температура воздуха зависела только от высоты солнца над горизонтом.

Отличие реальной кривой от теоретической говорит в пользу календарных примет. Действительно, в Подмосковье есть «провалы», соответствующие рождественским (7 января), крещенским (19 января) и сретенским (15 февраля) морозам. Объективность народных примет подтверждается также и климатическими понижениями температуры, которые отмечаются в дни Афанасия (31 января) и Власа (24 февраля).

Но беспристрастный глаз заметит и другое. Например, сильные похолодания 10, 14 и 26 января, 10 февраля и 15 марта, а также потепления 18 января, 3 февраля и 1 марта как-то выпадают из оставленной нам предками системы примет. Вполне допустимо, что связанные с этими днями приметы существовали, но их почему-то не помнят, хотя отмечавшиеся в последнее столетие климатические морозы 14 января и сильные оттепели 3 февраля просто нельзя было не заметить! В чем же здесь дело? Неужели наши предки были столь ненаблюдательны?

Причина здесь, по-видимому, иная, и связана она с изменениями климата от столетия к столетию. Сейчас проводятся очень большие работы по восстановлению климата всего исторического времени и даже минувших геологических эпох продолжительностью в сотни миллионов лет. Это необходимо, в частности, для прогноза возможных колебаний климата в будущем. Используется все, что может помочь делу: материалы инструментальных наблюдений прошлого, указания летописей и литературных источников, сведения о характере геологических отложений, данные по нарастанию древних ледниковых покровов Антарктиды и Гренландии, древесные кольца и многое другое. Достоверно установлено, что климат в течение последней тысячи лет, когда и могли сформироваться календарные приметы погоды, менялся очень существенно.

В начале тысячелетия климат Европы и почти неизвестных тогда в Старом Свете земель за Атлантическим океаном был весьма теплым. Максимум его потепления пришелся на 800-900 гг. н. э., когда знаменитые викинги Эрик Рыжий и Лейв Счастливый совершили морские походы с территории современной Норвегии к берегам острова, который они назвали Гренландией («Зеленой страной»). Это название красноречиво говорит о том, что климат хорошо знакомой нам ныне ледяной пустыни, по крайней мере ее побережий, был мягким. Тепло так называемой эпохи викингов сохранялось до 1400-1450 гг. В Англии и на территории современной Эстонии в этот период выращивали виноград. Примерно с 1500 до 1850-1860 гг. климат Европы был относительно холодным и дождливым. Накопление большого количества снега способствовало росту горных ледников и продвижению их в некогда цветущие долины. Это дало основание климатологам назвать XVI - XVIII века малым ледниковым периодом. С конца XIX в. началось общее потепление климата, максимум которого пришелся на 30 - 40-е годы нашего столетия.

Календарные приметы сформировались окончательно, разумеется, не в эпоху последнего потепления климата, а раньше, и происходило это, по крайней мере, в течение малого ледникового периода. Поскольку характер климата тогда был другим, то и кривая годового хода температуры воздуха могла выглядеть иначе. Возможно, рождественские и крещенские морозы были выражены тогда более отчетливо, чем сейчас.

Но все-таки... Можно ли современные календарные особенности использовать для прогноза погоды? Решим этот вопрос на примере сретенских морозов. Климатическое похолодание в целом не так уж велико: суточная температура воздуха в период 11 - 15 февраля понизилась с - 8,0 до - 11,6 °С. Однако существует определенная повторяемость сильных морозов 14 - 17 февраля. Какова же эта повторяемость? Если за сильный мороз принять понижение температуры хотя бы до - 18 °С, то окажется, что повторяемость таких условий в дни, близкие к Сретению, за 85 лет составила не более 30 - 33%, то есть они наблюдались всего лишь раз в 3 года. Морозы же до - 25 °С в это время бывают раз в 10 лет. В остальные годы погода нормальная или относительно теплая. Похожая ситуация складывается и в начале осени: знаменитое бабье лето в конце сентября повторяется не чаще одного раза в 2 - 3 года.

Приведенные данные говорят сами за себя: прогнозы погоды, основанные исключительно на календарных приметах, будут оправдываться в лучшем случае на 50%, а это равносильно игре в «орла и решку».

Но если уж руководствоваться этими приметами, нужно учитывать следующее. Во-первых, ориентируйтесь не на конкретный день, связанный с народной приметой, а на интервал времени в 2 - 3 дня. Во-вторых, календарные приметы можно использовать только там, где они родились, например, русские приметы - для центральных районов Европейской части России. За Уралом все по-другому, о чем свидетельствует годовой ход температуры воздуха в Центральном Казахстане. Еще дальше, за Енисеем, можно использовать приметы, истоки которых следует искать в устном творчестве коренных народностей.

Следующая группа примет - краткосрочных - основывается на самых надежных и, главное, наиболее достоверных с точки зрения современной науки народных наблюдениях за погодой. В который раз приходится поражаться гениальной интуиции А. С. Пушкина - среди множества разнородных примет он обратил внимание именно на эти, хотя в годы жизни поэта основные закономерности синоптической метеорологии еще не были известны:

Старайся наблюдать различные приметы.
Пастух и земледел в младенческие леты,
Взглянув на небеса, на западную тень,
Умеют уж предречь и ветр, и ясный день,
И майские дожди, младых полей отраду,
И мразов ранний хлад, опасный винограду.

Приметы («Старайся наблюдать различные приметы...»)

Краткосрочные приметы интересно сопоставить с закономерностями, выявленными благодаря достижениям современной науки, поэтому мы вернемся к ним в той главе, где разбираются типы климата и погоды на Земле. Здесь же отметим, что опытные синоптики, которые долго работают в одной местности, умеют использовать наряду с новейшими научными методами и краткосрочные приметы, или, как они их называют, местные признаки погоды.

Приметы погоды третьей группы - долгосрочные - с научных позиций следует признать наименее надежными, и вот почему. В изменениях погоды, которые происходят за несколько часов и даже за 2 - 3 сут, действительно отмечается некоторая последовательность. Часто по направлению ветра, форме облаков, оптическим явлениям в атмосфере и ряду других признаков уже утром можно с достаточно большой уверенностью предсказать погоду на следующий день, однако научные методы прогноза погоды в настоящее время позволяют делать это более точно. А вот закономерность смены «погод» в течение нескольких месяцев проявляется значительно хуже. Иначе не было бы никакой проблемы долгосрочного прогноза погоды, а она есть и стоит очень остро.

Большинство традиционных методов долгосрочного прогноза основано на изучении закономерностей постепенного развития атмосферных процессов. Предполагается, что сигналы о возможных длительных отклонениях погоды от нормы появляются в атмосфере (или вообще в природе) задолго до того, как эти отклонения происходят. Следует, значит, лишь подробно проанализировать ход погоды, скажем, за полгода до того месяца, на который составляется долгосрочный прогноз. Как показал опыт, этот метод оказывается верным примерно в 60 случаях из 100, о чем свидетельствует успешность долгосрочных прогнозов погоды не только у нас в стране, но и за рубежом, которая составляет около 60%. В остальных 40% случаев крупные месячные и сезонные аномалии погоды возникают почти внезапно, без какой-либо видимой подготовки. И здесь традиционные методы оказываются бессильными.

Все это имеет прямое отношение к распространенным среди неспециалистов взглядам на смену сезонов года. Наверное, вы не раз слышали: «Ну, раз зима была холодной, то лето ожидай жарким». В основе подобных рассуждений лежит, на первый взгляд, верная логика: должен же соблюдаться баланс в природе! Однако логика самой природы не укладывается в такую простую схему. В этом легко убедиться, ознакомившись с табл. 1, в которой на основании наблюдений за последние 25 лет показано, насколько часто лето (или зима) по температурным условиям бывает аналогично или противоположно предыдущей зиме (или лету). Из таблицы следует, что для лета распространенная примета вообще неверна: в среднем для всех городов только в 41% случаев летняя погода была противоположна зимней, скорее уж наоборот: лето было похоже на зиму (59%) случаев. Правильно предсказать зимнюю погоду по летней еще сложнее: вероятность аналогичной и противоположной лету зимы одинакова (опять игра в «орла и решку»).

Проверка еще одной популярной приметы, «Лето - на холод, зима - на мороз», показывает, что она верна лишь в 45% случаев.

У автора нет ни малейшего желания уличать народные приметы в неточности, просто их, как и любое правило, нужно количественно проверять. В науке истина утверждается не авторитетом, пусть даже народа, а опытом и практикой.

Особенно интересны многочисленные долгосрочные приметы, которые, как и календарные, ориентируются на конкретную дату, но предназначены для предсказания погоды на какой-то отрезок времени после этого дня. Классическим примером таких примет является примета, связанная с 10 июля (по народному календарю - Самсон-сеногной): «На Самсона дождь - сорок дней тож». В книге А. А. Дмитриева и В. Н. Ягодинского «Москвичу о погоде», которую можно рекомендовать всем интересующимся влиянием погоды на здоровье и самочувствие, приведены данные количественной проверки этой приметы по материалам наблюдений в Москве за 31 год. Результаты проверки показали, что в 14 годах день 10 июля прошел без дождей, а в 17 годах в этот день были осадки. Количество осадков, выпавших с 10 июля по 28 августа, в первой группе лет составило в среднем 44 мм, а во второй группе - 71 мм, то есть было в 1,6 раза больше. Выходит, примета не лишена оснований, и она была бы еще надежнее, если бы рассматривался не один ключевой день 10 июля, а несколько дней, скажем 7 - 12 июля.

В существовании закономерности, подмеченной в примете на день Самсона, нет ничего сверхъестественного. Период 1 июля - 22 августа известен метеорологам как естественный синоптический сезон второй половины лета, а в соответствии с определением естественного синоптического сезона примерно в 75% входящих в него дней должна отмечаться близкая по характеру погода. Таким образом, если первые 5 - 10 дней сезона сухие, то можно ожидать, что и весь сезон будет засушливым. Это, конечно, не исключает отдельных дождей, но общее количество осадков в сезоне будет небольшим.

Можно перечислить великое множество примет такого типа, их обзор можно найти, например, в публикациях фенолога А. Стрижева в журнале «Наука и жизнь» за 1968 г. Однако следует отметить, что очень немногие долгосрочные приметы проверены количественно. Сам этот факт свидетельствует о том, что в научных прогнозах погоды они не используются, и вот почему. Долгосрочные приметы, как и календарные, представляют собой климатическое обобщение многолетних наблюдений за погодой. Поскольку год на год не приходится, достоверность долгосрочных примет имеет вполне определенный предел, который не может быть превзойден даже при сколь угодно тщательной обработке данных наблюдений. Соответственно и успешность прогнозов погоды, основывающихся на этих приметах, будет ограниченной. Чтобы ее повысить, следует ответить не только на вопрос, как происходят изменения погоды, но и на вопрос, почему они происходят. Перспективы научного подхода к прогнозу погоды открыл XVII в., когда атмосфера впервые стала рассматриваться как физическая среда.

НАУКА ИЗМЕРЯТЬ

Предтеча современной физики, универсал и энциклопедист Леонардо да Винчи однажды высказал следующую мысль: «...Мне кажется, что те науки пусты и полны ошибок, которые не порождены опытом, отцом всякой достоверности... если их начало или середина, или конец не проходят через одно из пяти чувств". Это высказывание свидетельствовало о том, что пришло время количественного анализа природы, и „наука измерять» стала равносильной «науке побеждать» в деле постижения ее законов. Однако понадобилось еще более 100 лет, чтобы мысль Леонардо да Винчи, столь понятная нам сейчас, утвердилась и считалась неоспоримым правилом. Фактически же эта идея великого ученого раньше всего была признана в Италии, где в семнадцатом столетии герцогом Тосканским, который вел свой род от покровителя искусств и науки Лоренцо Медичи, была основана Флорентийская академия опыта.

Немалое место в деятельности Академии отводилось изучению свойств атмосферы. Впервые воздух исследовали наравне с другими физическими телами. Но перешагнуть через аристотелевскую концепцию абсолютной легкости воздуха, признать его материальным, а значит и имеющим вес телом, было нелегко. Даже на исходе XVII столетия один из авторов газовых законов, французский физик Эдм Мариотт, признавался: „...было очень трудно поверить, что он (воздух) обладает весом ...ибо, когда он располагается поверх воды и всех других жидкостей, приписывают это движение снизу вверх свойству абсолютной легкости".

Доказал, что воздух имеет вес, ученик Галилео Галилея и его друг Эванджелиста Торричелли, но для этого ему пришлось поспорить с любимым учителем... Однажды во Флоренции рыли колодец. Вода наконец показалась, но очень глубоко - на глубине более 10 м. Для ускорения подъема воды решили качать ее наверх вакуумным насосом, но она почему-то не пошла, хотя из других колодцев, правда менее глубоких, прекрасно подавалась точно такими же насосами. Для разрешения этой загадки обратились к ученым Флорентийской академии опыта (как рано стали доверять науке!), и Галилей объяснил наблюдаемое явление тем, что столб воды обрывается под собственной тяжестью. И вот тут-то Торричелли позволил себе не согласиться с ним: не столько большая тяжесть воды препятствует ее подъему, сколько недостаточная тяжесть воздуха, думал он. Когда в насосе создается разрежение, атмосфера всем своим весом «налегает на воду в колодце и заставляет ее подниматься по трубе, заполняя образовавшуюся пустоту. С каждым ходом насоса вода будет подниматься по трубе все выше, но лишь до тех пор, пока ее вес не станет равным весу такого же по диаметру столба воздуха, простирающегося от уровня грунтовых вод до верхней границы атмосферы. Столб воды при этом достигнет высоты около 10 м, и что бы мы ни делали с насосом, выше не станет: воздух уже не сможет перевесить накачанную воду.

В 1652 г. Отто фон Герике, хорошо знакомый нам еще со школьных лет по опыту с «магдебургскими полушариями», сделал следующий решительный шаг: он приспособил водяной столб, заключенный в вертикальную трубу, для измерения колебаний веса воздуха. Так родился прибор, названный потом барометром, но сам Герике любовно называл его погодным человечком. Дело в том, что на поверхности водяного столба плавала деревянная фигурка человека, она поднималась или опускалась вместе с водой в зависимости от того, росло или падало давление воздуха (то есть его вес, приходящийся на единицу площади). Рука человечка указывала на примитивную шкалу с делениями, по которой в любой день можно было узнать, какое сегодня давление, и сравнить его, например, со вчерашним. И вот тут-то открылись интересные вещи!

Оказалось, что вес воздуха над пунктом измерений не постоянный, в атмосфере проходят какие-то волны давления и, главное, эти волны довольно четко связаны с погодой: при низком давлении часто идет дождь, при высоком - светит солнце (вот почему человечек «погодный»!). Теперь-то мы знаем, что замеченные Отто фон Герике волны давления являлись следствием прохождения через пункт наблюдения циклонов и антициклонов. Немецкий физик впервые обнаружил их инструментально, хотя и не знал, что они связаны с прохождением атмосферных вихрей. Однако по уменьшению высоты водяного столба в барометре он уже смог предсказать за 2 ч приближение сильной бури к Магдебургу 9 ноября 1660 г. И она действительно разразилась!

Связь между колебаниями «высоты» барометра и резкими изменениями погоды была настолько очевидной и впечатляющей, что ученые увидели в барометре универсальный инструмент для отгадывания ее тайн. Наш знаменитый соотечественник Ломоносов надеялся, что барометр произведет в метеорологии такую же революцию, как и телескоп в астрономии. В своем «Письме о пользе Стекла» он с восторгом писал:

...Уже в Стекле нам Барометры
Хотят предвозвещать, коль скоро будут ветры,
Коль скоро дождь густой на нивах зашумит,
Иль, облаки прогнав, их солнце осушит.
Надежда наша в том обманами не льстится:
Стекло поможет нам и дело совершится.
Открылись точно им движения светил;
Чрез то ж откроется в погодах разность сил.

Характер погоды стали считать целиком зависящим от давления. На барометрах появились уверенные надписи «сушь великая», «шторм» и другие. Между тем изменения погоды связаны не только с колебаниями давления, и когда барометр «ошибается», это означает, что ошибаемся прежде всего мы сами, приписывая зависимости погоды от давления абсолютный характер. При прогнозе погоды по местным признакам надо учитывать, как минимум, изменения давления, температуры воздуха, направления ветра и форму облаков.

Работать с водяным барометром было, конечно, неудобно, поскольку основной частью этого прибора была длинная и очень громоздкая трубка. Для уменьшения длины трубки требовалось применение какой-то более тяжелой жидкости. Торричелли еще раньше предлагал для этого ртуть. Высота столбика ртути в запаянной сверху стеклянной трубке барометра новой конструкции была меньше метра (удельный вес ртути в 13,6 раза больше, чем удельный вес воды), снизу трубка погружалась в небольшую чашку со ртутью. Таким образом был создан довольно компактный прибор для измерения давления воздуха - ртутный чашечный барометр, с которым уже можно было путешествовать.

Этим не замедлил воспользоваться Паскаль: его интересовало, понижается ли давление воздуха в горах. Если мы действительно живем на дне воздушного океана, полагал ученый, то над горами он мельче, а над долинами глубже, что и должен отразить барометр. В 1647 г. Паскаль послал письмо своему родственнику Перье из Клермона, в котором попросил его провести опыт. И вот 19 сентября 1648 г. Перье отправился к подножию ближайшей горы, захватив с собой два ртутных барометра и... еще одного родственника. Перье поднялся на вершину, а его родственник остался внизу, и они одновременно сделали отсчеты со своих приборов. Оказалось, что у подножия горы столбик ртути в барометре стоял на отметке 26 парижских дюймов, а на вершине - 23 дюйма. Предположение о существовании воздушного океана подтвердилось.

Опыт Паскаля подсказывал, что с помощью барометра можно определять разность высот двух точек на земной поверхности. Барометрический способ определения высоты места применяется и сейчас, но для этой цели используется другой барометр - анероид, он менее точен, но гораздо более удобен для транспортировки, чем чашечный. В анероиде приемником атмосферного давления является гофрированная металлическая коробка, из которой выкачан воздух. При понижении давления она расширяется, при повышении - сжимается, и в результате ее деформации по шкале прибора передвигается стрелка. Идея создания анероида также возникла в богатом изобретениями XVII в. и принадлежала немецкому физику и математику Готфриду Лейбницу, однако изготовить работоспособный анероид удалось только в середине XIX в. С тех пор он стал нашим домашним прибором, но на метеорологических станциях атмосферное давление по-прежнему отсчитывают по более точному чашечному барометру.

Долгое время высоту столбика ртути измеряли в дюймах, затем перешли на единицу метрической системы мер - миллиметр. Эта единица популярна и сейчас, в частности, в газетных публикациях и радио- и телевизионных передачах, сообщая сведения об атмосферном давлении, упоминают именно миллиметры ртутного столба. Однако метеорологи уже давно применяют для измерения давления воздуха другую единицу, потому что она является настоящей физической мерой давления, ведь давление - это сила, приходящаяся на единицу площади. В Международной системе единиц (СИ) сила выражается в ньютонах (Н), а площадь - в квадратных метрах, и следовательно, единица давления равна 1 Н/м2. В честь французского ученого она названа паскалем (Па).

Атмосферное давление принято измерять в сотнях Паскалей, или гектопаскалях (гПа). Перевод миллиметров ртутного столба в гектопаскали и наоборот осуществляется очень просто:

Р (гПа) = 1,33317 Р (мм рт.ст.),
Р (мм рт.ст.) = 0,75008 Р (гПа),
или примерно
Р (гПа) = 4/3 Р (мм рт.ст.),
Р (мм рт.ст.) = 3/4 Р (гПа).

Нормальным давлением на уровне моря считается 760 мм рт.ст., или 1013,2 гПа.

В показания ртутного барометра обязательно вводятся поправки, иначе нельзя сравнивать между собой значения давления, полученные на разных станциях, а это совершенно необходимо при анализе и прогнозе погоды. Таких поправок три: на температуру, на силу тяжести и инструментальная.

Температурная поправка связана с тепловым расширением ртути (при одном и том же атмосферном давлении ртутный столбик будет тем выше, чем выше температура воздуха, а значит, и самого барометра). Показания всех барометров приводят к одной температуре, то есть исправляют их на величину, при которой столбик ртути достигает такой же высоты, какой она была бы при температуре воздуха 0°С.

Сила тяжести зависит от широты места: на полюсе она максимальна, а на экваторе минимальна. Следовательно, при одинаковом давлении воздуха ртуть будет сильнее притягиваться Землей на полюсе, и показания барометра здесь будут меньше, чем на экваторе. Чтобы ликвидировать влияние этого эффекта, показания всех барометров приводят к одной широте - 45°.

Инструментальная поправка зависит от технических характеристик конкретного прибора, например от незаметных на глаз искажений формы стеклянной трубки.

Исправленные показания барометра уже кое на что годятся. По ним можно судить о благоприятных и неблагоприятных днях для больных сердечно-сосудистыми заболеваниями, сильнее притягнастраивать бортовые высотомеры самолетов, пытаться предсказывать погоду в пункте наблюдения, но для составления карт погоды по большим территориям даже исправленных данных барометра оказывается недостаточно. Показания барометров нужно привести к давлению на уровне моря. Зачем это делается?

В горах, как установил Паскаль, давление воздуха ниже, чем на равнинах. Если нанести на карту погоды значения давления, не приведенные к уровню моря, то на ней будут в основном вырисовываться горы и равнины, а не крупномасштабные области пониженного и повышенного давления в атмосфере - циклоны и антициклоны, от которых зависит погода. Диаметр этих вихрей, как мы выяснили ранее, превышает 1000 км, и они могут одновременно охватывать и горную цепь, и обширную низменность. Понятно, что, если показания барометров не приведены к давлению на уровне моря, то из-за сложного рельефа местности очертания таких вихрей на карте будут существенно искажены, а то и вообще замаскированы.

Приведение к давлению на уровне моря основано на закономерности, открытой Паскалем. Известно, что в нижних слоях атмосферы увеличению высоты на 8 м (эти 8 м называются барической ступенью) соответствует понижение давления на 1 гПа, поэтому формула для приведения давления выглядит так:

P₀ = P_s + h/8,

где P₀ - давление на уровне моря, Р_s - давление, наблюдаемое на станции, h - высота места над уровнем моря. (Эта формула используется только для величин давления, выраженных в гектопаскалях!)

Барометр сыграл колоссальную роль в деле становления прогнозов погоды. Со времени его изобретения и до второй половины XIX столетия, то есть в течение двух веков, показания барометра были практически единственным количественным признаком изменений погоды. Сложилась целая система «предсказаний одного наблюдателя», как назвал ее историк метеорологии А. X. Хргиан. Однако следует признать, что и с позиций современной науки давление воздуха является важнейшей характеристикой состояния атмосферы, поскольку от его географического распределения полностью зависят направление и скорость перемещения воздушных масс.

В XVII в. были изобретены и сконструированы первые образцы всех основных метеорологических приборов: термометра, гигрометра - прибора для измерения влажности воздуха, дождемера, флюгера и анемометра - измерителя скорости ветра. Не имея возможности рассказать здесь обо всех этих приборах, позволим себе рекомендовать читателю интересную и единственную в своем роде книгу А. X. Хргиана «Очерки развития метеорологии». В данной же книге мы остановимся на некоторых эпизодах истории термометра, уделив особое внимание тем из них, которые связаны с созданием температурных шкал.

Первый термометр (термоскоп) создал Галилей. Это была вертикальная стеклянная трубка с полым шаром на конце, другой конец которой погружался в воду. Хотя по конструкции термоскоп был похож на первые барометры, между ними было одно принципиальное различие - воздух из трубки с шаром не откачивался. Именно он служил приемником температуры окружающей среды: при понижении температуры воздух в шаре сжимался и вода немного поднималась по нижнему концу трубки, при ее повышении происходило обратное. Нетрудно догадаться, что показания термоскопа зависели не только от температуры, но и от давления окружающего воздуха, хотя и в меньшей степени, чем показания барометра. Для исключения влияния давления нужно было сделать приемником температуры воду и заключить ее в герметический резервуар. В 1631 г. была высказана идея создания такого термометра (она принадлежит французскому врачу Жану Рею), а уже в 1641 г. во Флоренции выпускались (чуть ли не серийно!) довольно совершенные термометры, в которых воду заменили спиртом, так как температура его замерзания ниже температуры замерзания воды, а трубку сверху запаяли. Наконец, в 1715 г. немецкий физик Габриель Фаренгейт стал изготавливать ртутные термометры, показания которых очень хорошо согласовывались.

В настоящее время существует несколько видов ртутных и спиртовых термометров, с их помощью измеряют срочную температуру воздуха и почвы (то есть температуру, наблюдаемую в установленные сроки), а также минимальную и максимальную температуру за какой-либо период. Кстати, максимальный термометр всем хорошо знаком, это обычный медицинский термометр, продающийся в аптеках. У океанологов есть оригинальный опрокидывающийся термометр, фиксирующий температуру воды на заданной глубине.

Гораздо труднее далось изобретение надежной шкалы для термометров. Первым требованием, предъявляемым к приборам любого типа, является сравнимость показаний всех имеющихся экземпляров. Для этого приборы тарируют, то есть сравнивают их показания с показаниями эталона. У первых изобретателей термометров эталона, естественно, не было, и они придумали обходной маневр. Суть этого маневра заключалась в следующем: нужно было найти хотя бы один физический процесс, температура которого всегда и везде постоянна, затем отметить на еще пустой шкале высоту столбика ртути при данном процессе, а от этой точки уже и вести градуировку вниз и вверх. Лучше, если на шкале будут две опорные точки: они ограничат постоянный интервал, который можно поделить на любое удобное число градусов.

Первая опорная точка для шкалы термометра - температура таяния льда - была предложена во Флорентийской академии опыта. Вскоре появились и другие предложения: температура плавления анисового масла (Роберт Бойль), температура кипения спирта (Эдмунд Галлей, именем которого названа известная комета), температура человеческого тела (Исаак Ньютон) и даже температура глубокого погреба! Разнообразие предложений породило и разнообразие шкал. Первой температурной шкалой, надолго завоевавшей популярность, была шкала Фаренгейта. Этот искусный изготовитель термометров в 1724 г. указал три опорные точки на шкале: температура смеси воды, льда и поваренной соли (0° F), температура тающего льда (32 °F) и температура тела человека (96 °F). Температура кипения воды при этом составляла 212 °F. Хотя относительность первой и последней опорных точек очевидна, шкала Фаренгейта счастливо дожила до наших дней. Среди телеграмм погоды, поступающих из некоторых англоязычных стран, часто попадаются такие, в которых температура указывается в градусах Фаренгейта, несмотря на то что еще в 1872 г. международная конференция метеорологов в Лейпциге рекомендовала шкалу Цельсия как основную. Вот она, сила традиции!

В 1730 г. французский естествоиспытатель Рене Антуан Реомюр представил в Парижскую академию наук метод изготовления спиртовых термометров с новой 80-градусной шкалой. Опорная точка на этой шкале была одна - температура таяния льда, и относилась она к 0 °R. Выше и ниже этой точки градуировка велась пропорционально объему спирта (при условии, что его увеличение на 1/1000 соответствует повышению температуры на 1 °R). Температура кипения воды, как показывали результаты измерений, составляла 80 °R. Однако вскоре в расчете шкалы Реомюра нашли ошибки: во-первых, при разной температуре спирт расширяется неравномерно, поэтому градуировка на шкале также должна быть неравномерной; во-вторых, температуру кипения воды (верхний предел шкалы) Реомюр определял с незапаянным термометром, отчего спирт испарялся и установить ее правильно было невозможно. К счастью, в 70-х годах XVIII в. появились ртутные термометры с 80-градусной шкалой Реомюра, у которых отмеченные недостатки были устранены, и они на долгие годы стали основным термометрическим прибором в некоторых странах Европы, в том числе и у нас в России. В Главной физической обсерватории в Петербурге - первом метеорологическом институте в России (теперь Главная геофизическая обсерватория) - термометры Реомюра использовались до 1869 г.

Шкала Андерса Цельсия, профессора астрономии из Упсалы (Швеция), в конечном итоге одержавшая победу над всеми остальными шкалами, число которых быстро дошло до шестидесяти, была предложена им в 1742 г. Этот же ученый окончательно обосновал преимущества ртутного термометра и, главное, остановился на двух надежных опорных точках - температуре таяния льда (100°) и температуре кипения воды (0°). Да, да, здесь не опечатка: первая шкала Цельсия была перевернутой, и отрицательных значений температуры на ней не было. Однако уже в 1745 г. известный ботаник Карл Линней поменял опорные точки местами и термометр Цельсия приобрел знакомый нам вид.

Унификация наблюдений за температурой воздуха и переход всех метеорологических служб к наблюдениям по термометру Цельсия продвигались с трудом и не закончены по сей день. Поэтому прежде чем использовать, скажем в научной работе по изучению колебаний климата, богатые данные, накопившиеся за последние 250 лет, надо привести их к «общему знаменателю».

Формулы перевода значений температуры Т по шкалам Реомюра (° R) и Фаренгейта (° F) к шкале Цельсия (° С) следующие:

Т °С = 5/9 (Т °F - 32),
T °F = 1,25 T°R.

Казалось бы, достаточно шкал! Но есть еще одна, причем она является основной при изучении атмосферы с помощью строгого математического аппарата современной физики. Это термодинамическая шкала английского физика Уильяма Томсона (Кельвина), в которой абсолютный нуль (0 К) - он соответствует - 273,16° C - присвоен самой низкой физически возможной температуре вещества. Эта температура достигается при полном прекращении теплового движения молекул, и следовательно, температуры ниже абсолютного нуля в принципе быть не может. Эксперименты по сверхнизким температурам показали, что и абсолютного нуля достичь невозможно: в любых условиях сохраняется хотя бы ничтожная часть кинетической энергии молекул. Абсолютный нуль - все-таки самая надежная опорная точка, потому что температура кипения и температура замерзания воды - величины отнюдь не постоянные. Точка кипения в значительной мере зависит от давления воздуха. Существует даже способ определения высоты места над уровнем моря по температуре кипения воды. Температура замерзания воды, в свою очередь, зависит от ее химического состава: чем больше солей в воде, тем ниже эта температура.

Таким образом, два с половиной века были потрачены учеными на изобретение надежных метеорологических инструментов и разработку единых правил метеорологических наблюдений. Но без этих усилий, без создания точных термометров и барометров, дальнейшее движение науки о прогнозах погоды было бы совершенно невозможным.

Как ни хорош был барометр для предсказания изменений погоды, метеорологи прекрасно понимали, что наблюдений за давлением в одном пункте явно недостаточно. Ведь области пониженного и повышенного давления, с которыми связана погода, имеют очень большие размеры и перемещаются в соответствии с определенными законами. Для того чтобы лучше понимать сущность этих законов, нужно научиться обозревать погоду сразу на большом пространстве - строить карты погоды.

Еще герцог Тосканский поручил Флорентийской академии опыта заняться этим вопросом, и его секретарь иезуит Антинори с 1654 г. сумел организовать наблюдения на девяти станциях Европы (в основном это были итальянские станции), самая далекая из них находилась в Варшаве. Организованная Антинори сеть станций работала до 1667 г., когда была закрыта и Академия. Неизвестно, были ли сделаны в результате наблюдений какие-нибудь выводы, но важен сам факт создания первой сети метеорологических станций.

Следующую попытку создать метеорологическую сеть предприняли англичане в 1723 г. В то время они ближе всех стояли к решению проблемы кооперации науки: еще в XVII в. было основано Лондонское королевское общество для организации и поощрения в стране научных исследований. Секретарь общества, врач и физик Дж. Джюрин обратился к ученым разных стран с «Приглашением», в котором содержался призыв вести метеорологические наблюдения и отсылать их результаты в Лондон. В этом документе была дана подробная инструкция, что и по каким приборам наблюдать, и даже была разработана стандартная форма таблицы наблюдений. Что же в ней было? Высота ртути в барометре в дюймах и температура воздуха по спиртовому термометру в неотапливаемой комнате, направление ветра и его сила в баллах (1 балл - слабое движение воздуха, а 4 - сильная буря), общий вид неба и «история» погоды и, наконец, толщина слоя выпавших осадков в дюймах. Неплохой список для начала! Плохо было только одно: Джюрин не установил единых сроков наблюдений, поэтому данные такой сети станций годились исключительно для изучения климата, никакой карты погоды - этого моментального «снимка» атмосферы - по наблюдениям, проведенным в разное время, не составить. Сеть Джюрина, которая держалась только благодаря добровольному сотрудничеству ученых, в том числе и русских, успешно проработала до 1735 г.

Примерно в то же время в России возникла своя сеть станций, причем в совершенно неожиданном месте - в Сибири. Великая Северная экспедиция, задуманная еще Петром I, охватила наблюдениями огромные пространства от Екатеринбурга до Якутска. Инструкция для наблюдателей была составлена в 1732 г. самим Даниилом Бернулли - членом Петербургской Академии наук, одним из основоположников гидродинамики, принципы которой широко применяются в современных методах прогноза погоды. Благодаря наблюдениям, проводившимся на сибирской сети станций, были получены ценные научные материалы (станция в Якутске, например, действовала до 1749 г.), однако сохранилась лишь незначительная их часть, и эти материалы - единственное свидетельство о климате Сибири в XVIII столетии.

Казалось бы, довольно логично было потребовать от наблюдателей единых сроков наблюдений, но такое решение было принято лишь в 1781 г. в тихом городке Мангейме на берегах Рейна. В этом городе произошло важное для метеорологии событие - в Академии наук и изящной словесности курфюрста Пфальцского было основано первое в истории метеорологическое общество. Деятельность общества с самого начала ориентировалась на широкое международное сотрудничество: по его программе действовало 39 станций - от Кембриджа в США до Урала (каковы масштабы для XVIII века!). Но главное, в этой программе были указаны четыре единых срока наблюдений - 7, 11, 14 и 21 ч. Кроме того, общество снабжало добровольных наблюдателей одинаковыми по конструкции и шкалам приборами, что было очень важно (вспомним о разнообразии методов и средств наблюдений за температурой воздуха в те времена).

В 1799 г. мангеймское метеорологическое общество прекратило свое существование. Началась эпоха наполеоновских войн, надолго разъединившая Европу. Было не до наблюдений, но даже если они и велись, работа почты - единственного канала связи - постоянно нарушалась из-за бесконечных изменений государственных границ и возникновения все новых политических коалиций. Однако, несмотря на кратковременность своего существования, мангеймское общество по сути сумело заложить основные принципы работы современной метеорологической сети: единовременность и единообразие наблюдений по стандартным приборам. Не было лишь одного - быстрого способа сбора информации. Если бы он существовал, то уже тогда можно было бы начать серьезный разговор об использовании единовременных наблюдений в прогнозах погоды. Эту возможность принес XIX в. спустя семьдесят с лишним лет после принятия мангеймской программы. Толчком к организации постоянной и оперативно действующей сети метеорологических станций послужили драматические события на юге России - Крымская война и, в частности... Но предоставим слово очевидцам.

Вот что пишет один русский путешественник в газете «Одесский вестник» за 1854 г.:

«В этот день находился я верстах в 60-ти от Симферополя, в степной части Крыма, и собирался возвратиться в город... На рассвете, 2-го ноября (по старому стилю. - А. У.), после небольшого дождя, было тепло и тихо; к юго-западу только виднелась, вдали, полоса черных туч. Ветра почти не было, но с восьми часов подул сперва восточный ветер, быстро превратившийся в юго-западный, тучи быстро находили, засверкала ослепительная молния, раздались удары грома и, вслед за ужаснейшим ветром, полился такой ливень, что по ровной степи в несколько минут образовались реки... Ветер на несколько минут утих, будто для того, чтоб собраться с силами и пронестись ужаснейшею, всеразрушающею бурей, такой бурей, которой, повторяю, никто не припомнит. Эта буря в степях началась около десяти часов утра и продолжалась до шести часов вечера...»

Силу ветра тогда оценили в 30 - 35 м/с.

А вот письмо французского флотского офицера с фрегата «Санэ», помещенное в газете «Северная пчела»:

«Сначала дело шло не очень дурно. Правда, что фрегат прыгал как щепка, но мы продвигались вперед. Но в десяти часах от Херсонеса встретила нас буря, какую я только видел у мыса Горна. Вы можете себе составить о ней понятие, когда я скажу, что одна из наших 30- фунтовых пушек... была подхвачена волною и с лафетом и со всеми принадлежностями переброшена за борт...»

У скалистого входа в Балаклавскую бухту, где стояли все морские силы экспедиционного корпуса англичан и ветер дул прямо на берег, было еще хуже. «Всякая мысль о горизонтальной поверхности моря, вся правильность волнения, казалось, были утрачены в кипящей и клокочущей массе, которая с громом разбивалась о неподвижные скалы... Среди этой ужасной пучины находилось около тридцати судов», - вспоминает в журнале «Морской сборник» командир английского корабля. Далее он с хладнокровием профессионального моряка описывает сцены гибели каждого судна... Всего англо-французский флот у берегов Балаклавы, Херсонеса, Качи и Бельбека потерял в этот день около 60 судов, убытки составили более 2 миллионов фунтов стерлингов, моральное состояние армии, осаждавшей Севастополь, по словам современников, не поддавалось описанию.

Знаменитая Балаклавская буря 2 (14) ноября 1854 г. нанесла такой ущерб англо-французской армии, что на метеорологию впервые обратили внимание не только ученые, но и государственные деятели. Собственно, это обстоятельство и стало решающим: метеорологическая служба получила твердое финансирование, кроме того, перед ней были поставлены ясные цели, главной из которых был, конечно, прогноз, предсказание стихийных бедствий.

Хотя французы пострадали меньше англичан, именно они первыми сделали правильные выводы. Военный министр Франции Вальян узнал, что эта буря за день до того, как она разразилась над Балаклавой, прошла над Средиземным морем, а значит, была не такой уж внезапной и при наличии средств оповещения ее можно было предсказать. С просьбой изучить все обстоятельства возникновения Балаклавской бури он обратился к известному астроному Урбену Леверье.

Судьба Леверье, талантливого и энергичного человека, была счастливой. Закончив в 1833 г. Политехническую школу в Париже, он целиком отдался проблемам небесной механики и в 1846 г. завершил большое исследование гравитационных возмущений движения самой далекой по представлениям того времени планеты Уран. Оказалось, что эти возмущения можно объяснить, предположив, что за орбитой Урана лежит орбита другой, еще неизвестной планеты. Так, чисто теоретически, «на кончике пера» был открыт Нептун. Параллельно идея о существовании Нептуна была высказана англичанином Джоном Адамсом, но Леверье оказался предприимчивее: он вычислил положение Нептуна на конкретные дни (эфемериды) и сообщил его координаты немецкому астроному Иоганну Галле, который в первую же ночь нашел планету на небе. Медлительный и основательный Адаме сначала рассчитал фундаментальные характеристики орбиты Нептуна, а эфемерид планеты передать астрономам-наблюдателям не успел, и только поэтому, несмотря на свой колоссальный труд и недюжинную научную интуицию, оказался лишь вторым в беспримерном научном марафоне XIX в.

Открытие Нептуна принесло Леверье неслыханную славу, и хотя его заслуги перед метеорологией вряд ли были меньшими, они остались как бы в тени великого астрономического достижения. А ведь именно Леверье суждено было стать основоположником современной службы погоды и впервые увидеть на географической карте те самые циклоны и антициклоны, о существовании которых раньше исследователи только догадывались... В 1854 г. во Франции не было более достойного претендента на пост директора Парижской астрономической обсерватории. Это первоклассное научное учреждение всегда занималось метеорологическими проблемами, поэтому изучение Балаклавской бури явилось естественным продолжением прежних работ обсерватории. Запросив метеорологов и астрономов всех стран Европы о погоде 12 - 16 ноября 1854 г., Леверье получил 250 ответов и на их основании проследил путь Балаклавской бури. После этого эксперимента необходимость постоянной сети метеорологических станций, которая позволяла бы быстро осуществлять сбор информации и оперативно оповещать моряков о надвигающихся бурях, стала для Леверье бесспорной.

Уже 16 февраля 1858 г. он представил проект такой сети станций императору Наполеону III и получил одобрение. А чтобы не быть голословным, энергичный астроном с помощью главного директора почт и телеграфа 19 февраля собрал метеорологические сведения по Франции и вечером того же дня представил Французской академии карту погоды на 10 ч утра! Это была первая в истории оперативная карта погоды. Телеграф наконец оживил метеорологические данные, достойно завершив труды, начатые еще во Флорентийской академии опыта. До сих пор синоптики всех стран называют свою работу живой, подчеркивая ее главное отличие от застывших на века климатологических обобщений, правда, и климат на Земле непостоянный, но об этом пусть расскажут другие.

Что же дала науке и практике оперативная карта погоды? Прежде всего, на карте видно, как выглядит область низкого давления, которую уже давно связывают с плохой погодой. Изобары - линии одинакового давления воздуха - очерчивают почти симметричный воздушный вихрь гигантских размеров. О том, что это именно вихрь, можно судить по оперенным стрелкам, показывающим направление ветра. На западе области низкого давления, над Англией ветры северные и северо-западные, в южной части они постепенно переходят к западным, на востоке и севере, хотя данных и мало, явно видны юго-восточные и восточные ветры. Таким образом, перед нами вихрь, воздух в котором вращается против часовой стрелки, а давление в центре понижено, - циклон. Название это, происходящее от греческого слова «циклос» (круг), появилось, правда, несколько раньше, в книге английского метеоролога Пиддингтона «Морская роговая книга законов штормов во всех частях света», вышедшей в 1842 г. Роговой она была названа, потому что к ней прилагались две прозрачные роговые пластинки, на которых были изображены схемы ветров, характерных для циклонов северного и южного полушарий. Приложив пластинку к навигационной карте, моряк по первоначальному направлению ветра мог определить, что его ждет в дальнейшем. Однако регулярное исследование циклонов по реальным ежедневным данным стало возможным лишь с появлением оперативных карт погоды.

Для предсказания будущего положения циклона достаточно иметь карты погоды за два последовательных срока. По таким картам определяется направление и скорость движения циклонов, а затем в зависимости от его типа прикидывается примерная траектория, на которой отмечается будущее положение центра вихря.

Карты погоды окончательно подтвердили одно очень важное правило, открытое чуть раньше голландским метеорологом Христофором Бёйс-Балло. Оно называется барическим законом ветра и связывает его направление с распределением атмосферного давления: если встать спиной к ветру, то центр циклона будет находиться слева и несколько впереди от наблюдателя (Помимо этого направление ветра, особенно в тех случаях, когда он слабый, зависит не только от распределения давления, но и от рельефа местности. Другое дело на высоте. Но во времена Бёйс-Балло о процессах в верхних слоях атмосферы практически ничего не знали).

Со времени составления первой карты погоды и до середины 30-х годов XX в. метеорологи пользовались только приземной информацией, что, как мы теперь знаем, чрезвычайно осложняло прогноз погоды. Однако и в этих условиях метеорологам удалось открыть множество общих и частных правил, которые легли в основу первого научного метода краткосрочного прогноза погоды, названного изобарической синоптикой. Изобарической, потому что исследовались атмосферные процессы примерно на одном уровне давления, то есть у поверхности земли. Синоптикой, или синоптической метеорологией, со второй половины XIX в. стала называться наука о закономерностях крупномасштабных процессов в атмосфере и прогнозах погоды. Этот термин появился одновременно с началом регулярного составления прогнозов, а следовательно, и синоптических карт, построенных по данным одновременных наблюдений («синопсис» по-гречески означает «одновременно обозреваемый»), и ввел его в научный лексикон человек с яркой и трагической судьбой, английский моряк и метеоролог Роберт Фицрой.

КАПИТАН ФИЦРОЙ

...Он родился в год Трафальгарского сражения, в год наивысшей славы английского флота. Эта слава далась Англии нелегко - она была оплачена жизнью одного из самых талантливых флотоводцев мира и самого почитаемого адмирала страны, Горацио Нельсона. Тогда, в 1805 г., в роду Фицроев еще свято чтились славные морские традиции предков, и, хотя родители будущего синоптика были людьми, совершенно несвязанными с морем, сама судьба указала Роберту путь моряка. На этом пути ему суждено было отдать свою жизнь, но не в бою за отечество, а в борьбе за научную идею, опередившую время, и за право сострадания и практической помощи своим собратьям по трудной и опасной профессии.

Морская карьера Фицроя началась блестяще. Двадцати трех лет от роду, едва став лейтенантом, он получил в командование гидрографический корабль «Бигль», но за это адмиралтейство потребовало от Фицроя действительно усердной службы. «Бигль» отправили производить картографическую съемку берегов в один из самых мрачных районов планеты - на Огненную Землю. Съемку приходилось вести на вельботах и баркасах под проливными дождями, даже костюмы из промасленного брезента, так затруднявшие каждое движение, промокали насквозь. Но главное - пронизывающий, сильный, монотонный ветер. Ветер и волны, ветер и волны... А сверху, задевая мачты, несется серая мокрая вата облаков. И так день за днем и месяц за месяцем... Предыдущий капитан «Бигля», Стоке, не вынес гнетущей атмосферы этих мест и после ряда странных поступков покончил с собой.

Фицрой был крепче, а может, просто моложе. Почти два года провел одинокий «Бигль» у южных берегов Америки, лишь изредка заходя в небольшие порты. Ревматизм, простуды, легочные заболевания считались на «Бигле» обычным явлением. Подступала цинга. Но молодой капитан был неизменно тверд, упорен и изобретателен на всякие предприятия, хотя бы и временно отвлекавшие измученных людей от повседневного кошмара.

Наконец 6 августа 1830 г. «Бигль» вышел из Рио-де-Жанейро, направляясь домой, в Англию. Репутация Фицроя как капитана была уже прочной, и адмиралтейство решило вторично послать его на «Бигле» к Огненной Земле. Но как бы в награду за перенесенные трудности Фицрою было предписано после гидрографических съемок этого неприветливого архипелага выйти в Тихий и Индийский океаны для точного определения географической долготы ряда точек на земном шаре, в чем очень нуждалась навигация. Вернуться в Англию исследователи должны были через Атлантический океан, и, таким образом, им предстояло кругосветное путешествие.

Биограф Фицроя Г. Е. Меллерш приводит в своей книге «Фицрой - капитан «Бигля»« следующую фразу из письма капитана: «Боясь упустить случай собрать ценные материалы и сведения во время экспедиции, я попросил главного гидрографа найти ученого, который захотел бы разделить все удобства и неудобства нашего плавания ради возможности посетить отдаленные и почти не изученные страны». Так встретились молодой, но уже достаточно опытный капитан Фицрой и еще более молодой выпускник богословского факультета Кембриджского университета Чарлз Дарвин...

Почему же Фицрой сделал именно такой выбор? Богослов был явно неординарен. Раньше он учился на медицинском отделении Эдинбургского университета и, как пишет в том же письме Фицрой, «очень увлекался геологией, как, впрочем, и всеми прочими отраслями естествознания». Итак, сам Фицрой выбрал Дарвина в попутчики, и уже этого было бы достаточно, чтобы прославить имя капитана на века.

Но вместе им было нелегко. Дело в том, что знаток Священного писания Дарвин родился на свет, чтобы опровергнуть его догмы, а для моряка Фицроя слово Библии было желанной истиной. Правда, в то время и такие, казавшиеся незыблемыми, истины подвергались проверке (в Англии многие священники занимались естественнонаучными исследованиями именно в этих целях). Как считал Г. Е. Меллерш, Фицрой неслучайно остановил свой выбор на Дарвине: он тайно надеялся, что верующий человек, являвшийся одновременно подающим надежды натуралистом, поможет найти геологические доказательства справедливости библейской легенды о сотворении мира... Какая поразительная ирония судьбы! Ведь результаты наблюдений, которые Дарвин проводил именно во время этого плавания, и привели его к созданию революционной теории происхождения видов, биологической эволюции на Земле, опровергавшей библейские догмы.

Уже на первой стоянке в Южной Америке Фицрой неоднократно пытался привлечь внимание Дарвина к некоторым геологическим объектам, возникшим, как предполагалось, вследствие всемирного потопа. Однако очень быстро выяснилось, что Дарвин не помощник капитану в его религиозных начинаниях, и только большая внутренняя культура обоих исследователей, несмотря на вспыльчивость Фицроя и юношеский задор Дарвина, позволила им остаться соратниками в этой экспедиции. Серьезные разногласия между ними возникли позднее, после плавания.

Дарвин испытывал к Фицрою глубокое уважение, его поражала, прежде всего, целеустремленность и воля капитана: «Мне раньше не доводилось встречать человека, которого я мог бы вообразить Нельсоном или Наполеоном... ему по силам любое высокое и великое деяние. Его власть над людьми поразительна: если его не знать, просто невозможно представить, какое действие оказывает на всех, и матросов и офицеров, его малейшее порицание или похвала... Его прямота и искренность беспримерны, но почти таковы же (употреблю его собственные слова) «тщеславие и раздражительность». Эти последние качества я уже почувствовал на себе, но ему все прощаешь... В целом он - самая сильная личность из всех, с кем мне довелось встречаться в жизни». В этом письме Дарвина, конечно, чувствуется молодая восторженность, но уберите ее - и перед вами предстанет образ типичного первопроходца, каковым Фицрою суждено было стать через 20 лет.

Историческое плавание «Бигля» продолжалось 4 года 9 месяцев и закончилось 3 октября 1836 г. После этого подолгу в море Фицрой уже не бывал. Он был членом парламента, старейшиной английской лоцманской ассоциации, исполняющим обязанности инспектора управления по охране рек и лесов (как рано осознали в Англии необходимость экологических мер!) и даже губернатором Новой Зеландии. На последнем посту, который отнюдь не был предназначен для честного и откровенного человека, Фицрой не преуспел. Лучше всех высказался об этом бывший начальник Фицроя адмирал Кинг: «Бедняга, он оказался жертвой своих принципов». Добавим - принципов гуманизма. Еще с дороги Фицрой писал Кингу: «Мы с женой едем туда по доброй воле, уповая на Всевышнего и горя желанием принести пользу коренным новозеландцам. Не думаю, что с ними возникнут какие-нибудь затруднения, зато от белых я не жду ничего хорошего». Для колониального губернатора такая позиция, конечно, была непростительной. Лишь два года продержался Фицрой в Новой Зеландии, да и то потому, что очень далека она от Англии.

В 1853 г. после конференции главных морских держав в Брюсселе, на которой обсуждались принципы и виды метеорологических наблюдений на море, в Англии было принято решение открыть должность метеоролога-статистика и дать в его распоряжение несколько помощников. Лондонское королевское общество, в котором Фицрой к тому времени состоял как гидрограф, безоговорочно высказалось за назначение на этот пост именно его. Так открылась последняя страница жизни капитана - блестящая и трагичная.

Сначала Фицрой действительно занимался статистикой морских наблюдений и на основании полученных данных составил климатические описания различных районов Мирового океана, уделив особое внимание направлению и силе ветра. Сопоставляя сведения о повторяемости ветров различных направлений, он построил серию диаграмм, названных им «звезды ветров» (теперь говорят «розы ветров»). Основную пользу для моряков от этих «звезд» Фицрой видел в том, что они позволяют проложить оптимальный курс корабля и, главное, увеличить безопасность мореплавания. Надо сказать, что последнее особенно заботило Фицроя-метеоролога, поскольку на первом месте для него всегда был человеческий фактор, а затем уже - научный интерес. Он не мог не понимать, что польза от занятий климатологией весьма ограниченна, и мечтал о предсказаниях погоды, хотя это выходило за рамки официально установленных задач метеоролога-статистика.

На свой страх и риск, используя средства частных благотворителей, Фицрой налаживает производство барометров для рыбаков и составляет руководство, в котором общедоступным языком описывает способ наблюдений за давлением с помощью этих приборов и объясняет правила прогноза погоды по изменениям давления.

Осенью 1859 г. произошел случай, который окончательно увел Фицроя от метеорологической статистики: в Ирландском море, около острова Англси, жестокий шторм разбил на прибрежной мели корабль «Ройял чартер», погиб весь экипаж. Эта трагедия, случившаяся у берега, вблизи крупных портов, глубоко потрясла Фицроя, утвердив его в мысли о том, что необходимо срочно организовать государственную службу штормовых предупреждений. Ему пришлось проявить необычайную настойчивость и употребить все свое влияние (к тому времени Фицрой был уже контр-адмиралом), чтобы добиться разрешения на организацию сети из 24 метеорологических станций, связанных телеграфом с Лондоном.

Как только сеть заработала и были построены первые английские карты погоды, названные Фицроем синоптическими, он сразу же приступил к составлению прогнозов погоды на ближайшие несколько дней и распространению их с помощью телеграфа. Ему хотелось, чтобы как можно больше людей знало о надвигающихся штормах, и вот уже солидная «Тайме» впервые в истории человечества помещает на своих страницах ежедневные прогнозы погоды. Оптимизм и энергия адмирала увлекают буквально всех, его служба погоды становится популярной не только в Англии, но и на континенте, сама королева Виктория обращается к нему с просьбой предсказать погоду на период увеселительной прогулки, а уж о рыбаках и говорить нечего - вся их работа строится на прогнозах Фицроя. Воодушевленный успехом, он за четыре месяца пишет «Книгу о погоде», в которой с жаром доказывает свой основной тезис: синоптические карты составляются не для того, чтобы знать погоду сегодня, а для того, чтобы предвидеть ее на завтра. Фицрой понимал, что наука еще несовершенна, но был уверен, что она должна, обязана приносить людям пользу сейчас, а не в далеком будущем.

Прав ли был Фицрой? Нужно ли было спешить с прогнозами погоды, имея на руках лишь очень несовершенную синоптическую карту? Это трудный и больной вопрос. Не только для метеорологов времен Фицроя, но и для нас - специалистов, имеющих на вооружении электронную вычислительную технику, метеорадары, спутники и многое другое. Имеем ли мы право ежедневно обнадеживать людей прогнозами, заведомо зная, что определенный процент их не оправдается?

Если отвлечься от эмоций, на этот вопрос можно дать точный, количественно взвешенный ответ: да, мы имеем это право, если использование наших прогнозов в хозяйственной деятельности дает в среднем положительный экономический эффект. Ну а если такого эффекта нет, зато спасено несколько человеческих жизней?.. В свое время мы еще вернемся к проблеме экономической эффективности прогнозов погоды, здесь же подчеркнем, что для Фицроя не существовало такого понятия. Он измерял ценность прогнозов не фунтами стерлингов, а спасенными жизнями. Фицрой хорошо понимал ограниченность своей научной методики, но не чистый разум, а совесть и сердце руководили поступками уже стареющего капитана... И если этого не понять, столь же необоснованными могут показаться усилия всех последующих поколений синоптиков. В том-то и заключается историческая драма метеорологии, что практические запросы всегда опережали ее научные возможности. Лишь в самое последнее время они вышли примерно на один уровень, да и то в ограниченной области прогнозов погоды на небольшие сроки.

Первые грозовые облака критики над головой Фиц-роя появились спустя два года после начала публикации прогнозов. «Тайме» писала: «…каждое утро мы делаем попытку предсказать погоду на ближайшие два дня. Не вменяя себе в заслугу отдельные успехи, мы вместе с тем не желаем нести ответственности за частые неудачи этих прогнозов. В последнюю неделю природа, видимо, получила особенное удовольствие, опровергая догадки науки». Отдавая себе отчет в несовершенстве методов Фицроя, нельзя не признать упрек газеты справедливым. Разве что тон заметки... Его трудно назвать доброжелательным. Именно это и раздражало Фицроя: неужели, думал он, нельзя понять, что «законы природы всегда истинны. Это неоспоримо. Просто мы еще не научились их правильно объяснять». Фицрой жаждал получить возможность спокойно продолжать начатое дело, потому что только активная работа приближает к истине.

Однако нападки газет становились все более вызывающими. Но главное, возникла угроза административной расправы с начальником метеорологического департамента, который, конечно же, нарушал данные ему инструкции: не был Фицрой метеорологом-статистиком, вернее, не ограничился этим - вот в чем состояла его «вина». Угнетало его и негативное отношение к прогнозам погоды со стороны ученых: Лондонское королевское общество благоразумно оберегало свою репутацию.

Но была и другая Англия... Вот отрывок из письма, пришедшего Фицрою из портового городка Силлот: «За текущий год метеорологическая станция в наших краях получила тридцать три телеграммы, предупреждающие о приближении шторма, и в двадцати шести случаях шторм пришел именно оттуда, откуда его ждали». В Торговый совет поступали положительные отзывы от страховой компании в Ливерпуле, из Манчестера, Гринвича, Глазго, Эдинбурга, Лита, Данди... Значит, экономически прогнозы Фицроя все-таки были полезны!

Но, видимо, было уже поздно. Психика Фицроя, надломившаяся под тяжестью многолетнего труда, газетных издевок и иронического недоверия, не выдержала... Вечером 29 апреля 1865 г. он вернулся домой как никогда возбужденный после разговора с американским гидрографом и метеорологом Мэтью Мори, долго стоял перед столом, на котором лежала развернутая газета, лег спать около 12 ночи, но наутро признался, что сон не освежил его. Еще не было 8 утра, когда Фицрой поцеловал спящую дочь, закрыл за собой дверь туалетной комнаты, взял бритву и перерезал себе горло...

Вскоре после трагической смерти Фицроя метеорологический департамент был закрыт и выпуск прогнозов погоды прекратился, поскольку, как выразились члены специальной комиссии, «еще нет научных оснований для ежедневных предсказаний».

Но современники Фицроя хорошо помнят и другое - как жены простых рыбаков и на севере Шотландии, и на юге Англии, вспоминая о «своем капитане», сокрушенно вздыхали: «Кто теперь позаботится о наших мужьях?» Это и есть самая справедливая оценка его благородного подвижничества.

СТУПЕНИ РОСТА

После блестящих успехов Леверье в организации оперативной службы погоды и пионерских усилий Фицроя в деле практического предсказания штормов во многих странах Европы и в США тоже появились государственные метеорологические службы и институты. Однако синоптическая карта с неумолимой ясностью показывала, что погода не признает государственных границ. И вот уже в 1873 г. в Вене проходит первый международный метеорологический конгресс, решения которого имели далеко идущие последствия. В метеорологии появилась единая система мер (не придерживались ее только Англия и США), были установлены единые сроки наблюдений, выработан единый телеграфный код для передачи метеосведений. Роль телеграфа в создании служб погоды оценивалась тогда настолько высоко, что синоптическую метеорологию называли метеорологической телеграфией. Наконец, на конгрессе были заложены основы Всемирной метеорологической организации, которая и сейчас координирует метеорологические исследования на Земле.

Труды Аристотеля, Галилея и Паскаля позволяют считать метеорологию древней наукой. Это действительно так, если речь идет просто о воздухе, но если говорить о прогнозах погоды, то метеорология еще совсем молода. Ведь только во второй половине XIX в. появилась реальная возможность изучать атмосферу как единую физическую среду, одновременно обозревая весь воздушный океан. Ранее для этого не было необходимых данных. Именно стремительный рост числа наблюдений, их повсеместность и рациональная организация привели впоследствии к открытию фундаментальных свойств атмосферы, о существовании которых метеорологи - одиночки прошлого не могли и предполагать.

Итак, в 1873 г. был сделан первый крупный шаг на пути к прогнозам погоды - метеорологи увидели лик атмосферы, правда пока еще туманный. А что же прогнозы погоды? С этим явно не спешили. Не все были такими альтруистами, как Фицрой, у большинства метеорологов преобладало другое и вполне справедливое чувство - они отдавали себе отчет в том, что стоят только на пороге науки, а прогноз, как правило, есть следствие, венец ее развития. Вспомним хотя бы прогноз существования планеты Нептун, сделанный на основе развития небесной механики. Или еще один пример. Можно ли было предсказать поведение ядерного реактора, да и просто сконструировать его, не зная структуры атома? Предвидение новых >химических элементов и даже их свойств стало возможным только после открытия Д. И. Менделеевым периодической системы элементов. Сложилась естественная последовательность этапов познания в науке: наблюдение - теория - прогноз.

В 70-е годы XX в. метеорология вступила лишь на первый этап познания, теории поведения атмосферы еще не существовало. И все-таки прогнозы погоды были очень нужны, поэтому сразу же после венского метеорологического конгресса специалистам был задан вопрос: наблюдение или прогноз? Часть метеорологов защищала прогноз, ибо без него метеослужба превращается в организацию, занятую исключительно самообслуживанием. Многие стояли за «простое телеграфное извещение о фактах», в лучшем случае - за предупреждение о серьезных бурях. Некоторые требовали (и не без оснований) до поры до времени категорически запретить прогнозы.

Но жизнь есть жизнь, и через 2 года 8 месяцев после смерти Фицроя вновь стали выпускаться прогнозы погоды, причем печатались они в той же «Тайме». Не отставала от своей бывшей метрополии и Америка, там дело было поставлено на коммерческую основу: бюллетени с прогнозами погоды распространялись по подписке, причем составлялись они с учетом самых разнообразных требований потребителей (иногда в ущерб точности прогнозов), чем и заслужили большую популярность. Число подписчиков бюллетеней к концу XIX в. достигло 9300. Во Франции дело подвигалось несколько медленнее. Разрешение на выпуск прогнозов погоды Леверье смог получить только через 9 лет после триумфа первой синоптической карты, после личного свидания с Наполеоном III. Но уже в 1877 г. 1230 сельских общин во Франции получали оперативные предупреждения о заморозках и других нежелательных явлениях природы.

Метеорологи других европейских стран старались уклоняться от составления прогнозов погоды либо давали их, придерживаясь крайне осторожных формулировок. Так, в Дании для прогноза существовало всего три формулировки: «хорошая погода», «неустойчивая погода» и «плохая погода». Берлинское Центральное бюро штормовых предупреждений, само название которого говорило о назначении этой организации, несмотря на давление сверху за 10 лет выпустило 9 (!) штормовых предупреждений. Только в 1876 г. реорганизованная метеорологическая телеграфная служба Германии опубликовала первый бюллетень с картой погоды и прогнозом для Северного и Балтийского морей.

Первая синоптическая карта в России, правда очень небольшая по охвату территории, была составлена в 1872 г. в Главной физической обсерватории. С самого начала деятельности обсерватории, то есть с 1849 г., она была не только местом наблюдений за погодой, проводившихся в Санкт-Петербурге, но и центром метеорологических исследований в России. К тому времени, когда в обсерватории были развернуты синоптические работы, в нее поступали телеграфные сообщения о погоде с 55 отечественных и 19 зарубежных станций. Организация службы погоды, выпуска ежедневного бюллетеня и составления штормовых предупреждений - заслуга моряка по профессии и метеоролога по призванию М. А. Рыкачева. Морское ведомство, как и во многих других странах, первым проявило, так сказать, официальный интерес к метеорологии. Еще до организации синоптических исследований в Петербурге установили штормовую сигнальную мачту, на которую при приближении шторма поднимали специальные конусы и цилиндры, а ночью - фонари.

Синоптическая карта значительно расширила возможности русской прогностической службы, ее результативность стала расти, но, конечно, постепенно - ведь для выработки правил прогноза нужно было время. В 1877 г., то есть вскоре после появления первой синоптической карты, правильный прогноз содержался в 62% всех разосланных русской прогностической службой оповещений о штормах, через 22 года число оправдавшихся прогнозов выросло до 79,5%.

Надо сказать, что приведенные цифры были характерны в то время для всех стран, в которых метеорология занимала передовые позиции. И по сей день уровень оправдываемости прогнозов погоды в развитых странах остается примерно одинаковым, хотя и растет с течением времени. Иначе и не может быть, так как эффективность метеорологических прогнозов, где бы они ни составлялись, зависит от степени изученности атмосферы над всем земным шаром, и если, скажем, плохо известны законы, управляющие погодой в тропиках, это отрицательно скажется на качестве прогнозов и в США и в России.

Следующий решительный шаг на пути к научным прогнозам погоды был сделан только через полвека после венского метеорологического конгресса. Длительный этап наблюдений за погодой и накопления фактов завершился их теоретическим обобщением. И произошло это в маленькой Норвегии, в самом конце первой мировой войны.

Со времен непоседливых викингов Норвегия жила и живет морем, поэтому, как и в Англии, прогнозы погоды на морях - важнейшее подспорье хозяйству этой страны. Между тем во время первой мировой войны Норвегия была практически лишена метеорологической информации, так как воюющие страны (а это были практически все страны Европы) держали ее в секрете.

В июле 1917 г. норвежец Вильгельм Бьеркнес, занимавшийся и ранее метеорологическими проблемами, вместе с сыном Якобом и ассистентом Сульбергом покидает геофизический институт в Лейпциге и приезжает в город Берген, расположенный на берегу неспокойного Норвежского моря, где, кстати, повторяемость циклонов самая большая в Европе. Здесь он организовывает свой геофизический институт, бывший, по его словам, «импровизированной службой погоды в Норвегии». Почему же так иронично - «импровизированной»? Дело в том, что В. Бьеркнес был теоретиком и весьма сдержанно относился к идее всякого прогноза погоды до завершения теоретического исследования атмосферы. Но, как и Фицрой, он оказался на поверку не только настоящим ученым, но и человеком, неравнодушным к трудностям своей страны. При составлении прогнозов погоды Бьеркнесу приходилось идти на известный компромисс с научной совестью - человеческий фактор вновь перевесил.

Но истинный ученый остается таковым всегда. Вместе со своим сыном, ассистентом Сульбергом и метеорологом Туром Бержероном Бьеркнес активно изучает циклоны по синоптическим картам и выделяет на этих картах две примечательные линии, на которых имеют тенденцию особенно сильно сходиться, или конвергировать, воздушные потоки. Но главное, что удается обнаружить Бьеркнесу, состоит в следующем: линии конвергенции разделяют в циклоне области теплого и холодного воздуха, более того, зоны дождей, шквалов и гроз тоже «привязаны» к этим линиям. Понятно, что открытие определенной локализации разных типов погоды внутри циклона позволило давать ее прогноз более точно. Как же удалось норвежскому исследователю и его сподвижникам увидеть на карте то, что скрывалось от других синоптиков более полувека? Все объясняется очень просто: здравым научным подходом к проблеме и, главное, тем, что в распоряжении Бьеркнеса имелись самые подробные в мире синоптические карты. Изолированной от источников метеорологической информации Норвегии не оставалось ничего другого, как организовать на своей маленькой территории очень частую сеть метеорологических станций. Это блестящий пример влияния количества информации на развитие метеорологии и качество прогнозов. Проблема информации тогда себя лишь обнаружила, а проявилась во всей полноте уже в наше время.

Итак, если на картах Леверье циклон выглядит однородным атмосферным образованием, то на картах, построенных норвежскими учеными, появился сложный рисунок распределения температуры воздуха, облачности и осадков (см. рис. после этого абзаца). Оказалось, что теплый воздух затягивается в циклон не по всей его восточной (правой) половине, а в достаточно ограниченном секторе, расположенном в южной и юго-восточной частях циклона между двумя линиями конвергенции. Облачность и осадки распределены в циклоне неравномерно. Обложные дожди выпадают преимущественно перед первой (восточной) линией сходимости воздушных потоков, а также в центре циклона.

Рис. Схема циклона и вертикальный разрез воздушных масс для теплого полугодия. Обозначения: 1 - центр циклона, 2 - изобара (линии равного давления), 6 - теплый фронт, 7 - холодный фронт, 8 - зоны сплошной облачности, 9 - морось, 10 - обложной дождь, 11 - ливневой дождь, 12 - гроза, 13 - шквал, 14 - туман; Cb, Ns, As, Cs, Ci - формы облаков.

Открытие и изучение линий конвергенции в циклоне, на которых резко меняются свойства воздушных масс, - главное научное завоевание норвежской метеорологической школы. Эти линии по аналогии с линиями на картах военных действий, еще очень памятных в послевоенные 1919 - 1921 гг., назвали атмосферными фронтами. Поскольку в умеренных широтах циклоны обычно перемещаются с запада на восток, через пункт наблюдений сначала проходит восточный фронт циклона, за которым поступает теплый воздух, поэтому этот атмосферный фронт был назван теплым. Затем к наблюдателю приближается западный, холодный фронт циклона, при прохождении которого температура воздуха резко падает.

Открытие атмосферных фронтов, прежде всего, позволило улучшить качество прогнозов погоды: зная направление и скорость смещения циклона, можно заранее вычислить время прохождения фронтов и сопутствующих им погодных явлений через пункт, для которого составляется прогноз. В научном плане работы норвежцев открыли эпоху фронтологического анализа погоды и стали основой фронтальной теории зарождения и развития циклонов. Принципы фронтологического анализа явились высшим достижением изобарической синоптики и были главной научной базой прогнозов погоды вплоть до конца 40-х годов нашего столетия.

Ступени роста, упомянутые в названии этого раздела книги, на нем видны очень ясно. Период 1935-1940 гг. дает представление о средней успешности прогнозов погоды, основывавшихся на принципах изобарической синоптики и фронтологического анализа. Она составляет всего лишь 60% несмотря на все перечисленные достижения науки. В технике прогнозов не хватало чего-то очень важного, что появилось в конце 40-х годов. Именно с этого времени отмечался бурный рост оправдываемости синоптических прогнозов: за 7 лет (1947 - 1953 гг.) она поднялась на 15%! Что же произошло?

Научно-технические достижения не рождаются на пустом месте, и в данном случае такой резкий скачок успешности прогнозов был предопределен исследованиями, начавшимися еще в XVIII в. В 1754 г. М.В. Ломоносов предлагает проект «аэродромической машинки», по существу представлявшей собой летательный аппарат тяжелее воздуха, «которая поднимала бы вверх термометры и другие малые инструменты метеорологические». Подняться в воздух этой «машинке» было не суждено, но идея не пропала, и уже в 1783 г. французский физик Шарль на воздушном шаре братьев Монгольфье проводит первые наблюдения за температурой и давлением воздуха до высоты 3467 м. Результаты наблюдений Шарля и других отважных ученых поражали: с высотой температура понижалась, а ветер усиливался и менял направление; внизу шел дождь, а вверху сияло солнце. Не следует сравнивать данные цифры, характеризующие оправдываемость прогнозов погоды, с приведенными ранее, так как они считались по разным методикам.

Во второй половине XIX в. разносторонний русский гений Д.И. Менделеев предпринял попытку установить общие законы изменения погоды с высотой, но до объективных оснований для открытия этих законов и тем более до их применения в прогнозах погоды тогда было еще далеко: требовались массовые и регулярные наблюдения в высоких слоях атмосферы.

История этих наблюдений, называемых аэрологическими, богата интересными техническими решениями: метеорологические приборы поднимали в воздух на воздушных шарах, аэростатах, воздушных змеях и самолетах. К 1930 г. многое из жизни верхней атмосферы было известно, но наблюдения все еще оставались эпизодическими и не использовались в прогнозах погоды. Оперативными и полезными для службы прогнозов их сделало радио, так же как за полвека до этого телеграф «оживил» информацию о наземной погоде, ставшую ос новой синоптической метеорологии. Но на сей раз важное для метеорологии событие произошло не в Париже, а под Ленинградом, в Павловске, где 30 января 1930 г. поднялся в небо первый в мире радиозонд, сконструированный П. А. Молчановым. Справедливости ради следует отметить, что мы были первыми, хотя и с минимальным преимуществом. Идея радиозондирования возникла одновременно в нескольких странах в связи с изобретением вакуумных радиоламп и легких радиопередатчиков - в мае того же 1930 г. метеорологические радиозонды поднялись в воздух под Парижем и Берлином. Однако достаточно частую мировую сеть аэрологических станций удалось создать лишь после второй мировой войны.

Именно это достижение и отражает первая ступень роста оправдываемости прогнозов погоды в 1946-1953 гг. Оперативный анализ трехмерной структуры атмосферы позволил открыть такие закономерности ее жизни, без понимания которых современная синоптика немыслима. Стало, например, значительно легче прогнозировать направление и скорость перемещения циклонов. Оказалось, что приземные барические центры движутся в соответствии с направлением ветра на высоте 5 км со скоростью, в два раза меньшей скорости высотного воздушного потока. Изучение вертикальной структуры атмосферных фронтов привело к созданию новых методов прогноза дождей и снега. Наконец, были открыты струйные течения - довольно узкие протяженные скоростные потоки на высоте 8-12 км, связанные все с теми же фронтами, что имело чрезвычайно важное значение для авиации.

Итак, в конце 40-х годов в синоптике были пересмотрены физические представления о формировании погоды, и то, что эти представления приблизились к истине, немедленно сказалось на качестве прогнозов.

Следующий резкий скачок качества прогнозов погоды приходится на 1961 - 1967 гг. К этому времени метеорологической информации стало так много, что синоптики не успевали ее обрабатывать за то короткое время, которое отведено на подготовку прогноза. Помощниками человека стали электронные вычислительные машины (ЭВМ). Сначала ЭВМ использовались для подготовки информации к прогнозу, но вскоре они стали составлять прогнозы погоды по схеме, разработанной человеком. Эта схема основывалась на применении теоретических законов гидромеханики и термодинамики для условий земной атмосферы. Таким образом, метеорология обрела свою теорию, которая оказалась, как свидетельствуют графики оправдываемости прогнозов, достаточно эффективной.

Без ЭВМ использование метеорологической теории в целях прогноза погоды невозможно, потому что для решения уравнений гидро- и термодинамики в современных условиях, при которых прогноз дается хотя бы даже на сутки вперед, требуется выполнить несколько миллиардов операций (арифметических действий). Причем такой трудоемкий счет нужно произвести всего за 2-3 часа, иначе прогноз погоды на следующий день будет составлен очень поздно и никому уже не понадобится.

Ровный ход оправдываемости прогнозов в течение 70-х годов означает, что несмотря на повышение уровня вычислительной технологии и даже появление метеорологических ИСЗ был достигнут некоторый предел возможностей метеорологической науки. В чем же здесь дело?

Для всякой численной схемы прогноза погоды необходима очень подробная информация о состоянии атмосферы в начале счета прогноза. ... Сеть аэрологических станций позволяет получать такую информацию, но только на суше. На океанах же среднее расстояние между такими станциями (островными и специальными кораблями погоды) в лучшем случае 1000—1500 км, а в некоторых районах — намного больше. Значит, на океанах наша информация о состоянии всей толщи атмосферы носит самый приблизительный характер. Вспомнив, что доля площади, занимаемой океаном, составляет на Земле 71%, мы поймем главную причину отсутствия прогресса в оправдываемости прогнозов погоды с конца 60-х годов: не хватает данных. Везде говорят об информационном взрыве, а метеорологи — об информационном голоде!

Вполне логично связать дальнейший прогресс оправдываемоести прогнозов с использованием данных метеорологических ИСЗ, ведь с их помощью можно собирать информацию со всей поверхности планеты, и даже океан им не помеха. Первые метеорологические ИСЗ были запущены еще в 60-х годах, и автор этой книги вместе с другими метеорологами искренне радовался первым изображениям облачности циклонов и фронтов, полученным из космоса. Наконец-то предмет твоих исследований непосредственно виден на фотографии! Но очень долгое время таким „взглядом со стороны" и приходилось ограничиваться. Дело в том, что телевизионная аппаратура ИСЗ способна наблюдать только за такими параметрами состояния атмосферы, как облачность и туманы. Конечно, и этого уже много. Спутниковые фотографии позволили, например, заблаговременно обнаруживать над морем тропические циклоны (тайфуны) — источник самых разрушительных бурь на Земле, по форме облаков можно уточнять положение атмосферных фронтов над океаном, прогнозировать перемещение циклонов, рассчитывать скорость ветра. Но все-таки тех данных, которые очень нужны для расчетов на ЭВМ,— о температуре, давлении и влажности воздуха на разных уровнях в атмосфере — с ИСЗ долгое время получать не могли. Только в самые последние годы появилась аппаратура (многоканальные радиометры), которая позволяет по излучению атмосферы в разных участках инфракрасной части спектра восстанавливать вертикальные профили давления, температуры и влажности воздуха. Таким образом, ИСЗ теперь в состоянии заменить радиозонды и собирать данные о вертикальной структуре атмосферы над любым участком поверхности земли. В этом заключается наиболее ценный вклад ИСЗ в решение проблемы прогноза погоды. Рост успешности прогнозов в 80-х годах в значительной степени был связан именно с передовой технологией сбора метеорологической информации. Справедливости ради следует отметить и заслуги ученых, создающих новые схемы прогноза погоды и продолжающих изучение атмосферы. Как бы совершенны ни были ЭВМ и ИСЗ, без понимания механизма формирования погоды ее прогноз будет малоуспешен. К анализу атмосферы как физической среды мы приступим в следующей главе.

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.

Каждый год в мае — июне индийцы беспокойно поглядывают на небо... Но пока оно чисто, зимний северо-восточный муссон и жаркое солнце совершенно иссушают почву, в которой уже лежат семена будущего урожая. Еще немного, и они погибнут, увлекая в бездну голода и отчаяния десятки миллионов людей... Но вот внезапно наступает долгожданное затишье, ветра почти нет, а со стороны Аравийского моря поднимаются гряды ослепительно белых облаков. Под порывы юго-западного ветра они торжественно вступают на древнюю землю Индии. Молния, удар грома — и водопад тропического ливня обрушивается на все живое и страждущее... Несколько тысячелетий истории Индии прошли под знаком ежегодного ожидания этого благодатного дождя, о чем свидетельствуют многие страницы великой древнеиндийской эпической поэмы «Рамаяна».

Индийцы различают три времени года: лето, или жаркий сезон (апрель — июнь), период дождей (июнь — сентябрь) и зима, или холодный сезон (сентябрь — март). Зимой над Индостаном преобладают северные, северо-восточные и восточные ветры, дующие на периферии мощного азиатского антициклона; воздух в это время здесь сухой и прохладный, в утренние часы температура его может понижаться до 3—5 °С, а к 14—15 ч он как бы нехотя прогревается до 20—25 °С. Для Индии, однако, это не жара: по-настоящему знойные дни наступают позже, когда начинается перестройка атмосферной циркуляции с зимнего режима на летний.

„В Пенджабе... с апреля по июнь, как правило, дождей не бывает. Преобладает западный ветер. Он приходит с перегретой поверхности бассейна Инда и постепенно превращается в настоящий сирокко (сирокко называется теплый южный или юго-восточный ветер в Средиземноморье, дующий из пустынных районов. И. Блютген, используя этот термин, подчеркивает, что описываемый им западный ветер имеет иссушающий характер). У нас, в умеренной зоне, невозможно даже представить себе тот иссушающий, поистине палящий зной, который приносит с собой западный ветер. Впечатление такое, будто стоишь лицом к открытой духовке. Те 2—3 месяца, пока длятся сирокко, температура в тени поднимается до 40—45° (50—56 °С.— А. У.). Чтобы подышать свежим воздухом, нужно выходить на улицу на утренней заре, между 4—5 часами, так как сразу же после восхода солнца вновь начинается жара... Трава сожжена до самых корней. Кусты и деревья как будто вымерли. Почва приобретает твердость мостовой. Глинистые грунты растрескиваются".
И. Блютген „География климатов"

И вот наконец

Воинственные тучи грозовые
Блистают, словно кручи снеговые.

Как стяги — их зарницы огневые,
Как рев слонов — раскаты громовые.

Обильны травы там, где ливень, хлынув
На лес, из туч, небесных исполинов,
Заворожил затейливых павлинов,
Что пляшут, опахалом хвост раскинув.

Сверкают мириады капель, бьющих
По чашечкам цветов, нектар дающих.
По сотням пчел, роящихся и пьющих
Медовый сок в кадамбы мокрых кущах.
Рамаяна, ч. 28 „Слово Рамы о поре дождей"

Это чудесное превращение погоды случается в конце мая — начале июня. Как оно происходит и откуда берут силу животворные дожди? На этот вопрос пробовали найти ответ еще авторы древнеиндийского эпоса и, надо сказать, подошли к истине довольно близко.

На горы походят, клубясь, облака в это время,
Живительной влаги несущие дивное бремя.
В себя океаны устами дневного светила
Всосало брюхатое небо и ливни родило.
Рамаяна, ч. 28 „Слово Рамы о поре дождей"

Действительно, влага, выпадающая с муссонными дождями, является испарившейся водой Аравийского моря, но чтобы эта вода смогла достичь берегов Индии и даже дойти до предгорьев Гималаев, требуется значительная перестройка циркуляции атмосферы над Индийским океаном, и происходит она следующим образом. Зимний северо-восточный муссон генерируется зимним сибирским максимумом давления. По пути к Индии он огибает Тибет и Гималаи и непосредственно над ее территорией иногда принимает чисто восточное или даже западное направление (на западе полуострова Индостан). В Индии с приходом северо-восточного муссона устанавливается сухая и малооблачная погода, в Южный Китай, на Филиппины и в Малайзию он приносит дождь.

С апреля внутритропическая зона конвергенции, расположенная над Индийским океаном, начинает смещаться к северу вслед за солнцем. Южнее ее устанавливаются юго-западные ветры, представляющие собой пассат южного полушария, который пересек экватор и отклонился вправо от своего начального направления под действием силы Кориолиса.

Когда ВЗК занимает наконец в июле крайнее северное положение на линии юг Аравии — пустыня Тар — предгорья Гималаев, колоссальные пространства Индии, Аравийского моря и Бенгальского залива оказываются охваченными юго-западными ветрами. Именно эти ветры, летние муссоны, и переносят океаническую влагу на континент.

Главная проблема прогноза поведения юго-западного муссона заключается в правильном предсказании срока его наступления (судя по многолетним данным, он колеблется в диапазоне трех недель), а также ожидаемого количества осадков, которое может отклоняться от нормы на 20—25%; кроме того, желательно знать, когда наступят наиболее дождливые периоды внутри уже установившегося муссона. Муссонные осадки выпадают, как и положено для ВЗК, в периоды отдельных ливневых штормов. Первый шторм наступает внезапно (он называется „взрыв муссона"), а последующие группируются в более или менее компактные дождливые периоды.

В промежутках между ливневыми штормами стоит очень влажная и жаркая погода. „...Становится очень душно и жарко — настолько, что эта жара угнетает больше, чем в жаркий сезон, при значительно более высокой температуре. Воздух кажется тяжелым теплым одеялом... Все, что сделано из дерева, разбухает, и лишь с трудом удается закрывать двери и окна. Обувь и вообще все кожаные изделия покрываются толстым слоем плесени. Плесневеют книги, бумага отсыревает, белье в шкафах становится влажным, и часто при этой гнетущей жаре необходимо все же поддерживать огонь в камине, чтобы хоть в какой-то степени нейтрализовать воздействие влажности".
И. Блютген „География климатов"

Климат тех областей земного шара, в которых преобладают муссонные изменения циркуляции атмосферы и погоды, называется субэкваториальным: на океанах погода, типичная для ВЗК, зимой сменяется погодой, характерной для пояса пассатов, на материках чередуются зимний и летний муссоны. Субэкваториальный климат проявляется на обширных пространствах Южной Америки, Африки, Южной Азии, Северной Австралии, на необозримых просторах трех океанов в зоне примерно между 10—15° северной и южной широты от экватора. Интересно наблюдать за погодой на внешней границе субэкваториального пояса, где летний режим неустойчив. Например, на Панамском перешейке между Северной и Южной Америкой практически ежедневно можно видеть, как борются между собой ВЗК и зона пассатов.

„Я находился в Бокас-дель Торо, и мне предстояло проплыть сорок миль в направлении города Колон, чтобы попасть на побережье залива Чирики. Я очень торопился... а добраться можно было только на парусной лодке — каяке. Но каяки ходят без расписания и обычно дожидаются ветра, однако ветра не было — солнцестояние загнало меня в тупик... Пассатные ветры сдвинулись к северу, а на широту Панамского перешейка переместилась экваториальная штилевая полоса... Бывали дни, когда чередовавшаяся дневная жара и ночная прохлада создавали грозовой цикл морских и сухопутных бризов, но влажный штилевой воздух продолжал висеть над землей. Бывало и так, что пассатные ветры возвращались, и тогда обезумевшие челноки, не дожидаясь, пока ослабнет ветер, устремлялись туда, куда им надо было доплыть. Проходили дни, а порой и недели, когда ветра не было, и под неподвижным воздухом поверхность моря выглядела как лакированная, а солнце казалось совсем рядом и неистово жгло сквозь тонкую дымку".
А. Карр „Наветренная дорога"

Погода в зоне субэкваториального климата в большей или меньшей степени напоминает погоду индийского муссона, причем последствия запаздывания летнего муссона или малого количества осадков в хозяйственном отношении тоже сходны с тем, что происходит в Индии. Особенно бедствуют в таких ситуациях так называемые страны Сахеля в Африке. Если в Индию летний муссон приходит каждый год, то в странах Западной Африки, лежащих примерно между 12 и 17° с. ш., летних дождей может вообще не быть год, два, а то и семь лет подряд. Тогда здесь наступает бесконечная засуха, несущая с собой голод, болезни, смерть. Так было в 1969—1973 гг. в Чаде, Нигере, Буркина-Фасо (до августа 1984 г. Верхняя Вольта), Мали и Сенегале. Великая засуха XX в. была связана с тем, что ВЗК, обычно продвигающаяся сюда в летние месяцы с Гвинейского залива, в те годы почему-то не пошла дальше прибрежных районов. В Либерии, Гане, на юге Нигерии шли проливные дожди, а всего в 600 км от побережья Гвинейского залива за несколько лет с неба не упало ни капли. А ведь это районы, „привыкшие" получать с летним муссоном по 500—1000 мм осадков в год!

Пейзаж Сахеля — полупустыни и травянистые саванны. В короткие периоды летних дождей все это оживает и зеленеет. В остальное время деревья саванны сбрасывают листву, трава желтеет и сохнет... Именно так выглядел Сахель шесть долгих лет Великой засухи (1969—1974 гг.). Немудрено, что жители этих районов — и кочевники, и оседлое население — двинулись на юг, навстречу благодатным дождям. Север Сахеля обезлюдел, в южной его части выросло множество городов и поселков, из-за чего возникли большие трудности в снабжении населения продовольствием. Был создан специальный „Межправительственный комитет по борьбе с засухой в странах Сахеля". От засухи пострадало около 25 миллионов человек.

Засуха 1969—1974 гг. относится хотя и к редким, но не совсем уникальным явлениям природы. Например, в Чаде близкие условия несколько раз отмечались в периоды 1893—1924 и 1936—1947 гг., а в 1926—1936 и 1950—1964 гг. здесь прошла серия проливных дождей и наводнений. Вообще климат и погода субэкваториального пояса Земли склонны к большим контрастам, что делает жизнь в этих местах очень нелегкой.

„Когда трагедия, вызванная многолетней засухой, достигла апогея, пошел дождь. На всей территории Сахеля небо обрушилось на землю. Люди сходили с ума от счастья, бегали под струями дождя, смеялись, кричали. Но радость продолжалась недолго: огромные пространства земли в Чаде, Нигере, Верхней Вольте, Мали и Сенегале оказались покрыты водой. Посевы были уничтожены, бесчисленные деревни унесены потоками воды... и самое страшное — оказались перерезанными дороги, по которым можно было доставить продовольствие в голодающие провинции".

Это отрывок из книги О. Будревича „Эта проклятая засуха". Далее в той же книге приводится философский ответ старосты селения Уэлесебугу в Мали на вопрос о будущей погоде, заданный ему в самый разгар засухи: „Будет не слишком плохо, если прекратится засуха и пойдут нормальные дожди. Однако слишком хорошо тоже не будет, потому что, когда пойдут нормальные дожди, прилетит муха цеце..."

Эта краткая характеристика субэкваториального климата является простым, но очень убедительным доказательством ошибочности представлений о тропических странах как о „райских кущах".

Чем дальше от экватора, тем суше становится климат. Если в субэкваториальном поясе еще есть дождливый сезон, вызванный летним смещением ВЗК, то в странах тропического климата, куда она не доходит, такого сезона нет и весь год длится как бы одна непрерывная засуха. Никто и никогда здесь не ждет дождя, а если он и случается, то его воспринимают как чудо, на которое всерьез полагаться нельзя. Пустыни Сахара, Калахари и Намиб в Африке, безжизненная Атакама в Америке, Аравийская пустыня в Азии и, наконец, практически лишенные воды районы Центральной Австралии — все это порождение тропического климата Земли, особых условий циркуляции атмосферы.

Для тропического пояса характерны устойчивые пассатные ветры, дующие по периферии субтропических антициклонов, обращенной к экватору. На континентах воздух пассатов очень сухой, в основном потому, что он проходит над выжженными пустынями. Над океанами пассат жадно впитывает морскую влагу, однако она не может подняться выше 1,0—1,5 км и образовать мощные дождевые облака, поэтому здесь осадков тоже почти никогда не бывает. В этом смысле влияние тропических пустынь распространяется и на океан. Причиной слабого развития облачности в пассатах является так называемая пассатная инверсия, которая зарождается в субтропических антициклонах и усиливается затем процессами взаимодействия океана и атмосферы.

Инверсия — это обратное нормальному распределение температуры воздуха с высотой. Обычно в тропосфере по мере удаления от земной поверхности на каждые 100 м температура уменьшается на 0,6°С. Однако нередко в тоопосфере обоазуются особые слои, в которых температура воздуха изменяется мало (слой изотермии) или даже увеличивается с высотой (слой инверсии). Инверсия примечательна тем, что она является существенным препятствием для развития в атмосфере восходящих движений воздуха, которые переносят влагу из нижних слоев атмосферы в высокие и приводят к образованию мощной облачности, поэтому слой инверсии часто называют задерживающим.

Эффект задерживающего слоя инверсии понять несложно. Представим себе поднимающуюся вверх ограниченную массу воздуха, которая не получает тепла извне и не отдает его. Так бывает, например, в хороший летний день при развивающейся конвекции, когда от поверхности земли отрываются пузыри перегретого воздуха и устремляются вверх. Процессы без обмена теплом с окружающей средой называются в метеорологии адиабатическими и часто наблюдаются при кратковременных изменениях погоды. Попадая во все более разреженные слои атмосферы, поднимающаяся воздушная масса непрерывно расширяется, а ее температура при этом все время понижается: первоначальный запас тепла воздушной массы распределяется по все большему объему.

Адиабатическое понижение температуры с высотой в условиях земной атмосферы — величина строго фиксированная и для сухого воздуха составляет 1 °С/100 м. Таким образом, поднявшись на 100 м, воздушная масса адиабатически охладится на 1 °С и окажется при этом на 0,4 °С холоднее окружающей ее „спокойной" атмосферы, потому что в последней, как мы знаем, с высотой температура уменьшается всего на 0,6°С/100 м.

Понятно, что Архимедовы силы плавучести потянут воздушную массу вниз, но она все-таки будет подниматься за счет динамических, турбулентных движений, поскольку различие температур поднимающегося и „спокойного" воздуха в данном случае невелико.

При изотермии разность температур адиабатически поднимающегося воздуха и окружающей атмосферы в нашем случае составит 1 °С, а при сильных инверсиях она может достигать и 2 °С. В этих условиях Архимедовы силы, которые подавляют восходящие движения воздуха, становятся очень велики, и поступающие в атмосферу с поверхности земли водяной пар и пыль задерживаются под слоем инверсии.

Температурная инверсия, свойственная пассатам, зарождается внутри субтропических антициклонов.При общемдинамическом опускании воздуха в центре антициклона происходит его адиабатическое нагревание, то есть процесс, обратный описанному выше. Если при обычном распределении температуры воздуха с высотой (0,6°С/100 м), или, как говорят метеорологи, при нормальной стратификации, отмечаются нисходящие движения в слое А — В, то кривая температурной стратификации довольно быстро приобретает характерный зигзагообразный изгиб. В области этого изгиба и находится адиабатически нагретый при опускании воздух. Выше и ниже этого слоя атмосфера сохраняет свою первоначальную температуру. Антициклоническая инверсия при растекании воздуха от центра вихря к периферии передается пассатам и усиливается в них. На суше это происходит при ночном радиационном понижении температуры приземного воздуха, а на море — при охлаждении приводных слоев воздуха над относительно прохладным океаном.

Несмотря на однообразие и устойчивость атмосферной циркуляции в зоне тропического климата, погода на суше, в открытом океане и прибрежных районах существенно отличается. В континентальных тропических пустынях преобладает восточный ветер, при котором отмечается очень низкая влажность. В Сахаре его называют харматаном. Относительная влажность воздуха при хар-матане редко достигает 60%, а чаще составляет 20—30%. Это означает, что в воздухе содержится в 3—5 раз меньше влаги, чем ее потребовалось бы для образования всего лишь слабого тумана. Облаков и осадков при харматане не бывает, инверсия же температуры поддерживается постоянно. Особенно сильна она в утренние часы: за ночь приземный слой воздуха охлаждается до 0 °С, поэтому жители Сахары часто простужаются и болеют ревматизмом — типичной болезнью северян. Низкие ночные температуры связаны с исключительно малым содержанием в воздухе водяного пара и, следовательно, с большой прозрачностью воздуха. Тепловое инфракрасное излучение пустыни практически свободно уходит в космос.

Днем пустыня вновь прогревается безжалостным тропическим солнцем до 40, а иногда даже и до 50 °С, при этом возрастает неустойчивость воздуха и то тут, то там вверх взметываются небольшие песчаные вихри — так называемые „танцующие джины". Харматан переносит большое количество песка и красной пыли, которые уносятся пассатом на тысячи километров, подхватываются западным переносом и выпадают в виде „кровавых дождей" где-нибудь в Европе. В самой же пустыне насыщенность воздуха частицами пыли порождает любопытные явления, в частности сильную электризацию этих частиц при их соударениях. Наблюдавший это явление в пустыне Калахари известный английский путешественник Давид Ливингстон писал в своей книге „Путешествия и исследования в Южной Африке":

„Когда дует этот горячий ветер... то благодаря сильной насыщенности атмосферы электричеством, при малейшем движении каросса, или плаща, который носят туземцы, на поверхности его вызывается целый поток маленьких искр. Я наблюдал это явление первый раз, когда однажды вместе со мной ехал в повозке один вождь. Увидев, что мех его плаща при каждой встряске повозки совершенно ясно светился, я провел рукой по нему и увидел, что он мгновенно испустил целый поток ярких искр, сопровождающихся отчетливым треском".

Но настоящие песчаные бури бывают в тех случаях, когда харматан, в общем-то не очень сильный ветер, сменяется противоположным по направлению воздушным потоком. В Сахаре он называется шехили и появляется при приближении к берегам Северной Африки циклона со стороны Атлантического океана, случайно „забредающего" в эту пустыню из более северных широт либо образующегося между двумя субтропическими антициклонами. С приходом циклона неустойчивость воздуха возрастает и возникают действительно сильные ветры.

„При начале песчаной бури ветер резко принимает юго-западное направление, сила его растет с каждой минутой, затмевается солнце, а горизонт закрывается стеной песка. Сама буря поднимается тогда, когда песчаные скопления на почве начинают сильно передвигаться. В этот злосчастный момент надо как можно скорее сложить багаж и укрыться под палаткой, а если во что бы то ни стало надо двигаться, то приходится идти вслепую, стремясь лишь не потерять из виду ближайшего спутника. Если картины караванов, засыпанных песком, относятся к области легенд, то картины отдельных засыпанных людей и животных вполне реальны... Обычно ураган утихает с заходом солнца, в течение ночи ветер стихает или же слабо дует у земли... Буря вновь может начаться на следующий день, но чаще ветер становится северо-западным, затем северным, небо очищается, путник вновь может коченеть от холода и испытывать облегчение, хотя буря не принесла ни капли дождя".
Р. Капо-Рей „Французская Сахара"

Не правда ли, знакомая картина прохождения циклона, но только без осадков?.. А вот более современное описание бури:

„В тот день над Нуакшотом (столица Мавритании.— А. У.) свирепствовала песчаная буря... Улицы, тянувшиеся вдоль узких стен, были засыпаны белым песком, словно снегом. На узких полосках асфальта образовались песчаные сугробы. Ветер гнул жалкие, чахлые кустики, грохотал в ставнях, свистел в телеграфных проводах. Время от времени сквозь песчаные тучи проглядывало бледное, испуганное солнце. Медленно и осторожно с зажженными фарами двигались автомобили. Редкие прохожие шли согнувшись в три погибели и прижимаясь к стенам. В сухом, пыльном, раскаленном пространстве свободно прыгали только беззаботные козы".
О. Будревич „Эта проклятая засуха"

С такими циклоническими вторжениями связаны здесь и дожди, поскольку именно циклоны приносят влагу и разрушают пассатную инверсию. Но дожди выпадают очень редко, и для этого необходимо уникальное для Сахары сочетание нескольких факторов. Трудно даже представить себе, насколько мала повторяемость дождей в сердце тропической пустыни. Так, около Айн-Салаха и Таман-рассета в Центральной Сахаре за 10 лет прошел всего один дождь, если не считать нескольких капель, выпавших в разные годы. В литературе попадаются сообщения, что в том или ином месте пустыни за несколько лет выпало 80, 35, а то и 12 мм осадков. Зато как они выпадают!

„Одной из основных, самых характерных и поразительных черт сахарских дождей, сопровождающихся часто градом, является их необычная сила. Ливни в Сахаре — это зачастую настоящие потопы... Широкие сухие долины в течение нескольких часов превращаются в мощные потоки. Паводки бывают очень кратковременными, но исключительно бурными и внезапными. Вода, не задерживаемая и не рассеиваемая растительностью, почти мгновенно стекает... И как ни странно и ни парадоксально, но одна из серьезнейших опасностей, которым подвергаются в Сахаре,— это опасность утонуть".
О. Бернар „Северная и Западная Африка"

Объяснить это явление в общих чертах несложно. Интенсивность осадков зависит от контрастов температуры и влажности воздуха на фронте циклона. Во время сахарских дождей горячий и сухой воздух харматана взаимодействует с холодными и влажными атлантическими воздушными массами — отсюда и необычайная интенсивность конвекции на фронте циклона, и исключительная сила дождя.

Теперь перенесемся из центра тропической пустыни на запад, к побережью океана. Здесь сухой континентальный пассат взаимодействует с поверхностью воды, охлажденной мощными холодными течениями. В Атлантическом океане это Канарское течение у берегов Марокко, Западной Сахары и Мавритании, а также Бенгельское течение, омывающее берега Намибии и Анголы, в Тихом океане — Перуанское, проходящее вдоль длинной береговой полосы Чили, и Калифорнийское, около Мексики. В этих районах за счет значительного охлаждения приземного слоя воздуха наиболее ярко выражена пассатная инверсия, которая часто начинается на высоте всего 350—500 м от поверхности воды.

Странный здесь климат. Воздух насыщен океанской влагой, но она не может подняться выше слоя инверсии и часто конденсируется в низкие плотные облака или морские туманы, практически никогда не развиваясь в мощную облачность. Несмотря на довольно высокую влажность воздуха (до 85%) дожди в этих местах так же редки, как и в Сахаре. Например, на мысе Кап-Блан в Западной Африке выпадает 39 мм осадков в год, а в Икике на севере Чили — только 2 мм в год!

Усилению засушливости климата тихоокеанского побережья Южной Америки способствует также мощная стена Кордильер, которые задерживают влажный воздух юго-восточного пассата, поступающий на континент с Атлантического океана. Именно здесь узкой полосой пролегает самая сухая и безжизненная пустыня мира — Атакама. К северу от нее, в Перу, климат не лучше.

«Прибрежная пустыня... интересна не только тем, что простирается узкой полосой. Она отличается высокой влажностью и низкими температурами. Из-за частой дымки, закрывающей солнце, здесь примерно на десять градусов холоднее, чем на той же широте Атлантического побережья... Ночью бриз дует с суши на холодное море и образуется туман, который днем с морским бризом „возвращается" на берег. Морские бризы никогда не приносят дождя, ибо они охлаждены океаном. Все же в Лиме (столица Перу.— А. У.) плотная водяная пыль — морось, называемая „гаруа", закрывает солнце с июня по декабрь и влага неизменно покрывает ветровые стекла машин. Многие дома имеют глиняные крыши, которые все развалились бы, если бы пошел дождь».
М. Эндрюс „Полет кондора"

Вот какой климат бывает в тропиках...

В океаническом пассате инверсия температуры поднимается до высоты 1 —1,5 км, небо становится голубым и покрывается белой ватой легких кучевых облаков, ветер усиливается до 8—10 м/с и с удивительной точностью сохраняет одно и то же направление. Многие яхтсмены-одиночки в этих широтах океана бросают руль, закрепляют паруса, и яхта сутками сама бежит вперед по заданному направлению.

«Североатлантический пассат способствовал быстрому и упорядоченному плаванию. Только в первые шесть дней выхода из Лас-Паль-маса он крутился между северо-восточным и северо-западным направлением. Но поскольку я решительно спускалась к югу, в сторону островов Зеленого Мыса, в чем мне помогало Канарское течение, плавание было приятным и быстрым... на безоблачном небе светило солнце, временами голубизну над головой разнообразили белые барашки... „Мазурка" помчалась вперед на своих белых крылышках еще быстрее. Простой подсчет показывал, что если я трачу по четыре часа на установку и спуск пассатных стакселей, то выгодно нести их хотя бы трое суток. Яхта несла их три недели. С этого момента атлантический пассат окончательно определил свое направление: ровно две недели дул силой четыре балла (примерно 8 м/с.— А. У.) с северо-востока, а на последней, четвертой неделе плавания — с востока, усилившись до пяти баллов. Когда на компасе курс 270—280°, о лучшей погоде нельзя и мечтать. Не зря многие яхтсмены называют пассат Северной Атлантики самым чудесным ветром в мире».
К. Хойновская-Лискевич „Первая вокруг света"

Пассатные облака, обычно вытягивающиеся в гряды, кажутся приплюснутыми сверху и осадков не дают — они ограничены инверсией. Испарения океана скапливаются в подынверсионном слое, влажность воздуха поднимается до 95%, и хотя дышать воздухом морского пассата тяжело, это состояние полностью искупается разнообразными и красивыми закатами. Влажный, плотный, но по-морскому чистый воздух океанского пассата, подобно гигантской призме из оптического стекла, раскладывает лучи солнца на все мыслимые и немыслимые цвета, а затем вновь смешивает их в необычайные сочетания.

Самая приятная в пассате погода бывает там, где он натекает на гористые берега островов: выпадают дожди, влажность воздуха становится меньше, пассат освежает и радует. Такие острова — поистине жемчужины тропического пояса Земли, изнывающего от зноя и суши пустыни. Поэтому можно понять путешественника, отдающего должное погоде таких уголков, например в Карибском море.

«...Поезжайте по истосковавшейся по дождю местности и сверните к наветренному берегу. Вы ощутите его сразу по наклону как бы плывущих навстречу вам деревьев, по живительному бьющему в лицо потоку воздуха. Вы увидите волны, гонимые океанским ветром, а на берегу — остатки каменных стен древнего поселения, разрушенного ураганами сотни лет назад. И вы скажете: „Вот оно, настоящее место!"»
А. Карр „Наветренная дорога"

Однако жизнь природы, как и жизнь человека, не бывает абсолютно гладкой. В конце лета размеренный покой пассатной циркуляции Атлантического океана внезапно нарушается...

„Ветер стих на рассвете. Полосы тумана поднимались, плыли, редели и исчезали в неразличимом слиянии моря и неба. Слабая мертвая зыбь булькала о форштевень стоявшей на якоре шхуны... Промысловый сезон подходил к концу — ветры, устремившиеся в Карибское море, могли в один миг превратиться в ураган. Сети были расставлены совсем близко от шхуны, с тем чтобы их можно было быстро выбрать, если только барометр начнет падать".
А. Карр „Наветренная дорога"

Так в августе — сентябре рыбаки тропической Атлантики ждут приближения самого мощного и разрушительного крупномасштабного вихря атмосферы. Здесь он называется ураганом (от индейского обозначения жестокого ветра), на Дальнем Востоке — тайфуном (от китайского „тай фын"—большой ветер), у берегов Австралии — вилли-вилли, в Океании — вилли-вау, на Филиппинах — багио, а жители Индии именуют его циклоном. Последнее название точнее всех других отражает физическую сущность этого явления. Ужасающей силы ветер, скорость которого достигает 50—80 м/с, а при порывах и 100 м/с, охватывающий огромные территории (их радиус составляет 250—300 км), действительно порождается тропическими циклонами. Эти циклоны во многом отличаются от циклонов средних широт и. похожи на них только направлением вращения воздуха. Диаметр тропических циклонов в 2—3 раза меньше диаметра среднеширотных, зато их кинетическая энергия в 3—4 раза больше, чем у циклонов средних широт.

Тропические циклоны всегда возникают над пустынными районами океанов между 10 и 20° широты, затем, углубляясь, идут на запад и одновременно смещаются по направлению к полюсу, а потом, набрав силу, обрушиваются на прибрежные страны. Здесь они обычно останавливаются, несколько дней „топчутся" на месте, круша все вокруг, и только после этого поворачивают к востоку и медленно уходят, опять замирая где-то в океане. Неожиданность появления, капризный нрав и необузданная „ярость во гневе" тропических циклонов подсказали метеорологам мысль называть все циклоны, дошедшие до стадии урагана, женскими именами. На просторах тропических океанов ежегодно рождалось 60—70 „очаровательных созданий": Камилла, Джильда, Полли, Эвелин, Ширли, Бетси...

Почему же тропические циклоны довольно долгое время называли только женскими именами? Д. Драммонд, автор книги «Патруль в Атлантике», отвечает на этот вопрос так: «А как бы вы еще назвали бешеную бурю, которая неожиданно свалилась на вас невесть откуда и потом, тихо воркуя, ушла неизвестно куда?»

С 1978 г. по настоятельному требованию прекрасной половины человечества Всемирная метеорологическая организация рекомендовала также присваивать циклонам мужские имена. Одними из первых циклонов с мужскими именами стали Андрее, Боб и Карлос — так была восстановлена справедливость (но согласитесь — какой-то элемент притягательности и своеобразия тропической атмосферы при этом все же исчез!).

Для выяснения происхождения тропических циклонов необходимо учитывать два обстоятельства. Во-первых, эти вихри образуются только над поверхностью океана, температура которой обычно не ниже 27 °С. Во-вторых, время их наибольшей повторяемости приходится в северном полушарии на август — сентябрь, а в южном — на январь—февраль, когда внутритропическая зона конвергенции наиболее удалена от экватора.

Мы знаем, что ВЗК представляет собой цепочку отдельных облачных скоплений, в которых сильно развиты восходящие движения. Значительный подъем воздуха в этих облачных скоплениях приводит к тому, что под ними понижается давление, то есть возникают локальные депрессии. Когда ВЗК отходит от экватора, под воздействием возрастающей силы Кориолиса движения воздуха внутри депрессии закручиваются в циклонический вихрь. Одновременно океан отдает новорожденному циклону огромное количество влаги, которая быстро превращается в мощные облака, достигающие высоты 10—12 км, а выделяющееся при этом тепло способствует дальнейшему падению давления в центре циклона, росту барических градиентов и в конечном итоге усилению ветра до ураганного.

Таким образом, главным энергетическим источником тропического циклона является поверхность океана. Правильность этого вывода подтверждается одним очень старым правилом: тропический циклон хорошо развивается только над морем; попадая на сушу, он быстро теряет силу.

Облачный массив тропического циклона представляет собой множество слившихся воедино грозовых облаков, из которых извергаются ливневые дожди — самые сильные из всех известных дождей. В среднем из одного циклона выпадает примерно 500 мм осадков, в экстремальных случаях их количество может достигать 2500 мм! Представьте себе местность, на которую за 12 ч вылилось 2,5 м воды, и вы сможете оценить размер бедствий в зоне действия циклона. Ливневые паводки, ураганные ветры и обрушивающиеся на берег гигантские морские волны ежегодно уносят человеческие жизни и сильно подрывают экономику многих стран тропической зоны. Циклон Дэвид, свирепствовавший над Карибским морем осенью 1979 г., практически полностью нарушил экономику Доминиканской Республики и нанес большой ущерб другим государствам региона, оцениваемый в 1,5 миллиарда долларов. Это, конечно, экстремальный случай, но и „обычные" тропические циклоны несут большие беды. Один только средней силы циклон Одри, захватив 27 ноября 1957 г. прибрежную зону Техаса и Луизианы, причинил этим штатам убытки, составившие 150—200 миллионов долларов, и погубил около 400 человек.

В самом центре тропического циклона находится знаменитый и загадочный глаз бури, четко выделяющийся на фотографиях, сделанных с ИСЗ. Это свободное от облаков пространство диаметром 20—25 км, в котором ветер резко ослабевает. Попав в глаз бури, человек оказывается как бы в гигантской штилевой воронке или в сосуде. Внутри этого сосуда погода безветренная и солнечная, а по его краям, представляющим собой плотную грозовую облачность, бушует ураган. По словам очевидцев, резкий переход от темноты и урагана к безмятежной солнечной погоде действует очень угнетающе, особенно если знаешь, что через час-другой вновь окажешься в кромешном аду.

Происхождение глаза бури выяснено еще неокончательно, но в принципе понятно, что ветер в тропическом циклоне сильно отличается от геострофического. Большая кривизна траекторий воздушных частиц и огромные скорости ветра в тропическом циклоне способствуют тому, что центробежная сила (а она всегда возникает при круговых движениях) становится соизмеримой по величине с силами Кориолиса и барического градиента. Центробежная сила Fu = И2/ч тем больше, чем меньше радиус вращения воздушной частицы г. На внешних границах циклона Fy еще невелика и воздух движется по обычным спиральным траекториям, устремляясь к центру. По мере приближения к нему частицы воздуха испытывают все возрастающее воздействие центробежной силы Fy, так как уменьшается радиус их вращения. Эта сила стремится отбросить воздушные частицы к периферии и наконец на границе глаза бури становится настолько велика, что удерживает всю массу бешено вращающегося воздуха от дальнейшего продвижения к центру циклона, где и наступает штиль.

Тайфуны Дальнего Востока иногда задевают и территорию Приморья. В 1980 г. тайфун Орхид из тропической части Тихого океана сместился в Южную Корею и Японию, а затем прошел в Хабаровский и Приморский края, а также на Сахалин. Здесь сила его была, конечно, меньше, чем в тропиках, но скорость ветра местами все-таки достигала ураганной (33 м/с) и повсюду шли сильные дожди. Такие тропические „сюрпризы" изредка случаются и в средних широтах.

В начале эры научно-технического прогресса, в 1836 г., в Англии построили железную дорогу между Лондоном и Бристолем. Буквально спустя два года талантливый инженер Брунель сумел продлить ее до... Нью-Йорка, спроектировав для этой цели „Грейт Вестерн" — один из первых трансатлантических пароходов. Теперь из Англии в Америку и наоборот можно было попасть всего за две недели. В переводе с английского „Грейт Вестерн" означает „Великий Западный",— такое же название получил и весь новый путь сообщения между Лондоном и Нью-Йорком.

И в те годы, и намного позднее, когда на морских дорогах появились паротурбинные трансатлантики, время перехода через океан в сторону Европы в среднем оказывалось несколько меньшим времени, затрачиваемого на переход в обратном направлении. Для пароходов типа „Грейт .Вестерн" это различие достигало 2—3 суток, гигантские же лайнеры XX в. „прибегали" из Америки в Европу хоть на полчаса-час, но быстрее, чем из Европы в Америку. Почему?

Поскольку мы уже знаем структуру общей циркуляции атмосферы, на этот вопрос ответить несложно: суда, идущие в Америку, тормозятся встречными морскими волнами, которые поднимает колоссальный воздушный поток, огибающий земной шар с запада на восток,— планетарный западный перенос. По своим масштабам и значению он в неизмеримо большей мере, чем скромный пароход прошлого, достоин называться Великим Западным, потому что является практически главнейшим фактором, определяющим характер погоды на огромных территориях, которые раскинулись от субтропиков до полярных широт.

Итак, каков он, Великий Западный? Анализируя общую циркуляцию атмосферы, мы могли убедиться в том, что он не является однородным потоком воздуха чисто западного направления. Даже при осреднении за много лет на картах давления видны крупномасштабные волны, искажающие западный перенос и придающие ему меридиональные составляющие. На ежедневных картах погоды западный перенос маскируется циклонами и антициклонами, в которых наблюдаются самые разнообразные по направлению ветры, однако подавляющее большинство атмосферных вихрей смещается с запада на восток, и поэтому при осреднении данных наблюдений за ветром за длительный срок все-таки вырисовывается неплохая картина общего западного переноса воздушных масс. Пользуясь знакомыми аналогиями, Великий Западный перенос можно образно уподобить медленно текущей реке с множеством больших и малых водоворотов.

Циклоны в области западного переноса возникают, как правило, на атмосферных фронтах — длинных линиях раздела теплых и холодных воздушных масс. В средних широтах главными фронтами являются полярный, разделяющий умеренную и тропическую воздушные массы, и арктический, образующийся между арктическим и умеренным воздухом. На полярном фронте, где отмечаются более резкие контрасты температуры, циклоны формируются чаще.

Механизм формирования циклонов связан с возникновением на главном атмосферном фронте огромных, длиной около 1000 км, волн. Причин волнообразования на первоначально невозмущенном фронте много, но главная из них — динамическая неустойчивость границы раздела постоянно перемещающихся воздушных масс. Однако для синоптиков важнее другое: всякая крупная волна на атмосферном фронте обязательно превращается в циклон. Как только возникает волна, теплый воздух в ней идет на север, а холодный устремляется на юг. Кроме того, за счет действия силы трения эти потоки начинают сходиться к центру волнового возмущения и, сталкиваясь, подниматься вверх. Конвергенция и подъем воздушных масс неизбежно приводят к обострению температурных контрастов в зоне фронта и падению давления воздуха у вершины волны. В результате этого возникает циклон.

Восточный участок главного фронта в циклоне называется теплым фронтом, потому что здесь теплый воздух наступает на холодный; западный участок — холодным фронтом, так как тут теплый воздух вытесняется холодным. Для каждого фронта в циклоне характерна своя система ветров, облачности и осадков, то есть определенный тип погоды. Вне фронтов, в однородных воздушных массах, также формируются определенные погодные условия. Когда проходит циклон, можно наблюдать, как чередуются различные типы погоды. Совокупность всех этих погодных условий называют циклонической погодой. Чтобы представить себе, как изменяются условия погоды при прохождении циклона, рассмотрим его трехмерную (пространственную) структуру.

В окрестностях теплого фронта теплый воздух активно наступает на линию фронта, движется практически перпендикулярно к ней, а холодный воздух переносится почти параллельно этой линии, то есть медленно от нее отступает. Следовательно, теплая воздушная масса догоняет и перегоняет холодную. Представим себе этот процесс в пространстве. Теплый воздух натекает на клин холодного, как это изображено на рис. 16. Поверхность, разделяющая теплую и холодную воздушную массы, поднимается от приземной линии фронта на восток, но ее наклон к горизонту очень мал: на каждые 200 км по горизонтали приходится 1 км по вертикали (на рис. 16 вертикальный масштаб сильно увеличен). Таким образом, приземная линия фронта на синоптической карте — это линия, на которой поверхность раздела теплого и холодного воздуха пересекается с поверхностью земли. Скорость подъема теплого воздуха не очень большая — около 5—10 см/с (средняя горизонтальная скорость ветра 5—10 м/с), но вполне достаточная, чтобы содержащаяся в нем влага начала конденсироваться в капли воды и могли бы образоваться облака.

Впереди теплого фронта появляется протяженная облачная система. Вдали от линии фронта, на востоке, возникают легкие перистые облака (Cirrus, или Ci), ближе к ней они сменяются сплошной пеленой тонких перисто-слоистых облаков (Cirrostratus, или Cs), через которые просвечивают Солнце и Луна. Еще ближе к линии фронта небо застилают высоко-слоистые облака (Altostratus, или As). Они незаметно переходят в слоисто-дождевые облака (Nimbostratus, или Ns), из которых и выпадает дождь или снег.

Итак, сначала через пункт наблюдения проходит облачная система теплого фронта. Осадки, выпадающие перед фронтом, продолжительные (6—8 ч), но не очень сильные. Как только линия фронта минует наблюдателя, температура воздуха быстро повышается. Зимой при прохождении теплого сектора циклона наступает оттепель, небо становится серым и тяжелым; летом — жаркая и душная погода, мгла застилает горизонт, так как в воздухе содержится большое количество водяного пара и пыли.

Около холодного фронта динамика атмосферы иная: холодный воздух догоняет теплый и стремительно вытесняет его вверх. Здесь скорость подъема теплого воздуха очень велика (достигает нескольких метров в секунду), что порождает сильную турбулентность — вихревое движение воздуха, а следовательно, и значительное усиление ветра, вплоть до шквала. Летом быстрый подъем теплого воздуха сопровождается образованием кучево-дождевых облаков, зимой—мощных слоисто-дождевых облаков.

Облака СЬ, возникающие на холодном фронте в средних широтах, отличаются от своих экваториальных „собратьев" меньшей высотой (10—12 км). Они наступают непрерывной полосой, от горизонта до горизонта. В наших краях катастрофические ливни, град, наиболее сильные порывы ветра и смерчи связаны именно с фронтальной облачностью СЬ. Зимой самые обильные снегопады дают фронтальные облака Ns.

Особенно эффектно облачная стена холодного фронта, свинцово-синяя внизу и ослепительно белая вверху, выглядит на открытом месте. Она появляется почти внезапно, потому что ширина облачной системы относительно невелика, а скорость ее движения довольно большая. Обычно еще за час-полтора до прохождения фронта ничто не предвещает резкой перемены погоды. Лишь иногда на небе появляются одинокие чечевицеобразные облака верхнего яруса — Altocumulus lenticularis (Ac lent.), имеющие правильную эллипсовидную форму, что подчас сбивает с толку энтузиастов поиска неопознанных летающих объектов.

После прохождения холодного фронта наступает резкое похолодание, небо быстро проясняется, ветер не утихает и меняет направление на северо-западное или северное. Очень часто в холодном воздухе образуются быстро бегущие слоисто-кучевые облака (Stratocumulus, или Sc), вытянутые в довольно правильные гряды и перемещающиеся параллельно направлению ветра.

Циклон имеет несколько стадий развития, и на синоптической карте иногда можно видеть сразу несколько циклонов, находящихся на разных стадиях. Сначала на полярном (или арктическом) фронте образуется крупномасштабная волна, затем формируется молодой циклон с хорошо выраженными теплым и холодным участками главного фронта. Для следующей стадии характерно постепенное смыкание теплого и холодного фронтов, которое начинается от центра циклона: холодный фронт вследствие большой скорости перемещения догоняет теплый. Этот процесс носит название окклюзии, а формирующийся в результате объединенный фронт — фронта окклюзии. Фронт окклюзии разделяет холодные воздушные массы передней и тыловой частей циклона. Между этими воздушными массами сохраняется температурный контраст (именно поэтому фронт окклюзии и называется фронтом), но он гораздо меньше, чем контрасты температуры в молодом циклоне.

В процессе окклюзии теплый воздух циклона постепенно вытесняется вверх. На приземных синоптических картах хорошо видно, что при этом происходит неуклонное сокращение теплого сектора, который наконец совсем исчезает. Наступает стадия полностью окклюдированного циклона. На этой стадии однородный вихрь холодного воздуха уже не имеет энергии для дальнейшего развития и вскоре разрушается, распадаясь на более мелкие вихри.

Продолжительность отдельных стадий развития циклона непостоянна, но его полный жизненный цикл в среднем составляет 4—5 дней, а изредка достигает недели. На рис. 40 показано развитие циклона по данным спутниковых изображений облачности в инфракрасном излучении, которая выглядит белыми пятнами, полосами и спиралями. Хорошо видно, что циклон — это круговой вихрь, его изображение немного напоминает фотографии галактик со спиральными рукавами. Только в циклоне эти рукава состоят не из звезд, а из облаков и связаны с атмосферными фронтами.

Циклоническая погода в средних широтах — настолько частое явление, что в русской литературе она выступает порой как одно из главных действующих лиц, помогая понять настроения и переживания людей. Зимой после жестоких зимних морозов в теплом секторе циклона часто бывают оттепели.

Оттепель после метели.
Только утихла пурга,
Разом сугробы осели
И потемнели снега.

В клочьях разорванной тучи
Блещет осколок луны.
Сосен тяжелые сучья
Мокрого снега полны.

Падают, плавятся, льются
Льдинки, втыкаясь в сугроб.
Лужи, как тонкие блюдца,
Светятся около троп.
Н. Заболоцкий „Оттепель"

В зимнее время с потеплением связаны и высокая влажность воздуха, и низкие облака, и слякоть. Все это, конечно, сказывается и на настроении людей.

„А еще помню я много серых и жестких зимних дней, много теплых и грязных оттепелей, когда становится особенно тягостна русская уездная жизнь, когда лица у всех делались скучны, недоброжелательны,-- первобытно подвержен русский человек природным влияниям! — и все на свете, равно как и собственное существование, томило своей ненужностью..."
И. А. Бунин „Жизнь Арсеньева"

Летом в теплом секторе циклона устанавливается жаркая, душная и мглистая погода, которая, хотя и по-своему, но тоже „давит" на человека.

Бывало солнце без лучей
Стоит и рдеет в бездне пара,
Тяжелый воздух полон жара;
Вода чуть движется; над ней
Склонилась томными ветвями
Дерев безжизненная тень;
На поле жатвы, меж скирдами,
Невольная почиет лень,
И кони спутанные бродят,
И псы валяются; молчат
Село и холмы; душен сад,
И птицы песен не заводят...
Н. М. Языков „Тригорское"

После сырой оттепели или духоты похолодание всегда желанно, особенно осенью, когда приход зимы задерживается и дожди становятся невыносимыми.

„Темнота шyмeлa за стенами плеском дождя и ударами ветра, и страшно было подумать о тех, кого, может быть, застигла эта ненастная ночь в непроглядных лесах.

Однажды ночью я проснулся от странного ощущения. Мне показалось, что я оглох во сне. Я лежал с закрытыми глазами, долго прислушивался и наконец понял, что я не оглох, а попросту за стенами дома наступила необыкновенная тишина... Я открыл глаза. Белый и ровный свет наполнял комнату. Я встал и подошел к окну — за стеклами все было снежно и безмолвно. В туманном небе на головокружительной высоте стояла одинокая луна, и вокруг нее переливался желтоватый круг... большая серая птица села на ветку клена в саду. Ветка закачалась, с нее посыпался снег. Птица медленно поднялась и улетела, а снег все сыпался, как стеклянный дождь, падающий с елки".
К- Г. Паустовский „Прощание с летом"

Холодный фронт циклона приносит с собой похолодание и прояснение. Внезапный переход от мглы и сырости к морозной и солнечной погоде — одно из наиболее эффектных явлений природы. Пожалуй, наиболее яркую картину этого явления и его влияния на настроение человека нарисовал Пушкин:

Вечор, ты помнишь, вьюга злилась,
На мутном небе мгла носилась;
Луна, как бледное пятно,
Сквозь тучи мрачные желтела,
И ты печальная сидела —
А нынче... погляди в окно:

Под голубыми небесами
Великолепными коврами,
Блестя на солнце, снег лежит;
Прозрачный лес один чернеет,
И ель сквозь иней зеленеет,
И речка подо льдом блестит.

Вся комната янтарным блеском
Озарена. Веселым треском
Трещит затопленная печь.
Приятно думать у лежанки.
Но знаешь: не велеть ли в санки
Кобылку бурую запречь?
„Зимнее утро"

Прекрасны и лаконичны описания погоды в японской поэзии. Япония — тоже страна циклонов, и еще в средние века в ней появляются хокку — трехстишья, в которых воссоздаются неподражаемые образы природы. Так, известный японский поэт XVII в. Басе очень точно передает состояние природы буквально в первые минуты после прохождения холодного фронта в летнее время:

Луна летит меж туч,
Кругом деревьев ветви
Еще роняют дождь.

Вслед за серией циклонов, как правило, приходит антициклон. При этом почти всегда небо становится безоблачным, зимой наступает мороз, а летом жара, вплоть до засухи. Лишь иногда в утренние часы все пространство, занятое антициклоном, покрывается плотной однородной пеленой тумана. Это случается и зимой и летом, когда воздух внутри антициклона достаточно влажен. Возникновению условий для образования утреннего тумана способствует безоблачная ночь, в течение которой приземный слой воздуха дополнительно охлаждается вследствие беспрепятственного излучения тепла земной поверхностью. К утру температура воздуха достигает критических значений, и содержащаяся в нем влага начинает конденсироваться в мельчайшие капли, составляющие туман. Температура, при которой начинается конденсация влаги, называется точкой росы, а утренние туманы в антициклонах получили название радиационных, так как охлаждение приземного слоя воздуха осуществляется за счет излучения поверхностью земли инфракрасной радиации.

Бывают особые виды антициклонической погоды, связанные с внезапной остановкой антициклона. Как уже отмечалось, обычно в зоне западного переноса барические образования, в том числе и антициклоны, хотя скорость их движения меньше, чем у циклонов, перемещаются с запада на восток. Когда один из центров высокого давления вдруг останавливается, в атмосфере возникает ситуация, которую синоптики называют блокирующей. Действительно, антициклон как бы закрывает дорогу идущим вслед за ним циклонам, и они тоже останавливаются или начинают огибать антициклон с севера или с юга. „Напирая" на неподвижный антициклон, циклоны способствуют резкому росту градиентов давления на его западной периферии, и тогда в этой части антициклона наступает ветреная и жаркая погода.

„Был жаркий и ветреный полдень: сильный, шелковисто-горячий, то затихающий, то буйно растущий шум сада вокруг дома, тень и блеск в деревьях, мотанье туда и сюда мягко гнущихся ветвей... Когда ветер, густо шумя, рос, приближался, он вдруг раскрывал всю эту древесную зелень, окружавшую окна тенистого кабинета, показывал в ней знойно-эмалевое небо, и тотчас раскрывалась и тень на белом потолке — потолок, светлея, становился фиолетовым. Потом опять затихало, ветер, убегая, терялся где-то вдали сада, над обрывом к прибрежью".
И. А. Бунин „Жизнь Арсеньева"

В центре неподвижных, стационарных антициклонов медленно иссушается земля, желтеют травы и наконец наступает настоящая засуха. Ее формированию помогают ветры восточной периферии антициклона — знаменитые суховеи, приносящие прохладный воздух северных широт. Влажность принесенного суховеями воздуха невелика, и точка росы в нем соответственно довольно низка. В условиях солнечной погоды за несколько дней этот воздух нагревается на 10—15 °С, и поэтому точка росы в нем никогда не достигается, даже при периодическом ночном охлаждении. Создаются очень засушливые условия: многие дни на небе нет ни облачка, а на землю не выпадает ни капли росы, не говоря уже о дожде.

Теперь, когда нам известны основные типы циркуляции воздуха и условия погоды в циклонах и антициклонах, вернемся еще раз к народным приметам краткосрочных изменений погоды. Эти приметы, в отличие от примет долгосрочных, более достоверны и тесно связаны с закономерностями синоптической метеорологии. Они почти все имеют разумное физическое объяснение и позволяют предсказывать погоду на несколько часов вперед по местным признакам.

Представим себе, что мы находимся в условиях летнего антициклона (безоблачно, безветренно, жарко) и вдруг поднимается легкий, постепенно усиливающийся ветер.

Примета: „Если стояло долгое затишье и подул ветер — будет дождь".

Действительно, усиление ветра вызывается ростом градиентов давления воздуха, а это означает приближение циклона и, следовательно, переход к дождливой погоде.

Можно предсказать наступление ненастья по облакам и световым явлениям в атмосфере.

Примета: „Перистые облака предвещают ненастье на два дня и более".

Эта примета тоже связана с приближением циклона. Перистые когтевидные облака (Cirrus uncinus, или Ci unc.) — самые первые видимые предвестники теплого фронта. Еще более надежным признаком приближения циклона являются перисто-слоистые облака. Проходя через них, солнечный и лунный свет преломляется ледяными кристалликами облаков, или испытывает дифракцию. При этом наблюдаются очень эффектные оптические явления: гало и венцы. Гало — это возникающие вокруг светил, в основном вокруг Солнца, белые тонкие окружности с угловым радиусом 22 и 46 градусов. Венцы представляют собой концентрическое сияние, непосредственно прилегающее к Луне или Солнцу, малые круги.

Гало и венцы можно видеть довольно часто. Если Солнце просвечивает как бы сквозь легкую пелену, закройте его видимый диск рукой, и вы увидите хотя бы часть гало, а иногда и полный его круг.

Приметы: „Круги вокруг Солнца — к дождю или снегу";
„Месяц с кругом несет воду в своем роге".

Эти приметы следует уточнить. Если сначала видны малые круги, а потом большие, значит, кристаллы облаков растут, облачность развивается и вероятность дождя или снега очень велика; если же сперва наблюдается гало, а затем венцы,— облачность размывается и теплый фронт может пройти без дождя.

Перисто-слоистые облака отмечаются примерно на расстоянии 500—600 км от приземной линии теплого фронта, следовательно, по их появлению можно прогнозировать момент прохождения теплого фронта (при скорости движения циклона 30—50 км/ч он наступает через 12—14 ч), а также начало выпадения дождя или снега из слоисто-дождевых облаков (примерно через 5—7 ч).

Осадки теплого фронта обычно умеренные и идут монотонно, долго... Но вот поднимается ветер и начинает, как говорят в народе, разгонять облака. Значит, близка приземная линия теплого фронта, у которой всегда растут градиенты давления и усиливается ветер. Проходит фронт — и дождь прекращается, система фронтальных облаков перемещается дальше на восток. Таким образом, говорить, что ветер „разгоняет облака", было бы неточно: на самом деле вслед за его усилением прекращается дождь, и эти явления связаны одной цепью синоптических процессов.

Примета: „Сильный ветер во время дождя предвещает хорошую погоду".

Повышение температуры воздуха в теплом секторе циклона происходит не скачком, а постепенно. О том, что оно действительно произойдет, зимой можно судить, например, по поведению дыма.

Примета: „Дым из труб опускается вниз и стелется по земле — жди оттепели".

Физическая сущность явлений, связанных с этой приметой, заключается в том, что повышенная влажность теплого воздуха обусловливает интенсивную конденсацию водяного пара на частицах дыма, которые становятся тяжелыми и опускаются к земле. В антициклоне, где влажность воздуха невысока, дым поднимается вверх столбом.

Примета: „Дым столбом — к морозу, к вёдру".
Летом в теплом секторе циклона вследствие высоких влажности и температуры воздуха часто бывают сильные послеполуденные грозы.

Примета: „Духота без града не обойдется".

Как уже говорилось выше, холодный фронт циклона приближается и проходит быстро и этому процессу практически не сопутствуют видимые предвестники. Поэтому и народных примет, позволяющих предсказывать похолодание после теплой погоды и зимой и летом, найти не удалось. Зато приметы установления ясной погоды после прохождения холодного фронта есть.

Приметы: „Звезды мерцают — к холоду";
„Рога Луны остры и ярки — к вёдру".

Холодный воздух циклона намного прозрачнее, чем теплый, так как в нем мало влаги и пыли, поэтому после прохождения холодного фронта резко улучшается видимость удаленных предметов, в том числе и небесных тел.

Самыми популярными из народных примет погоды являются, пожалуй, те, которые связаны с цветом неба при закате Солнца.

Приметы: „Багровые зори — к ветрам";
„Если закат красный — будет ясно";
„Если закат красный — будет дождь".

Приметы явно противоречивые. Какую же из них можно считать правильной?

Если мы наблюдаем красный закат после прохождения холодного фронта, то верна первая примета, потому что в холодной воздушной массе циклона погода не только ясная, но и ветреная.

Цвет вечернего неба зависит от состояния воздуха. Если воздух влажный, то к вечеру при его охлаждении влага частично конденсируется и образуются мельчайшие капельки тумана или дымки. В этом случае преобладает равномерное рассеяние солнечного света на каплях тумана, небо становится беловатым или желтоватым, то есть принимает цвет не разложенного на отдельные составляющие солнечного света. Если же воздух сух — преобладает рассеяние солнечного света на молекулах воздуха, в этом случае оно избирательно: больше всего рассеиваются коротковолновые голубые и зеленые лучи. Но вечером до поверхности земли они не доходят, потому что на закате, когда Солнце стоит низко над горизонтом, им приходится преодолевать очень большой слой воздуха (в 5—10 раз более мощный, чем в полдень), зато красные лучи почти беспрепятственно пронизывают сухую вечернюю атмосферу. Таким образом, небо и Солнце становятся в нашем восприятии красными. Следовательно, верной нужно считать также и вторую примету, а третью — неверной.

Как же объяснить существование третьей приметы? Возможно, здесь произошло некоторое смещение понятий. Дело в том, что по отношению к утренней заре (не к вечерней!) эта примета, как правило, верна. Красный цвет утреннего неба, так же как и вечернего, свидетельствует о том, что в нижних слоях атмосферы нет тумана или дымки. Но после ясной ночи, когда земная поверхность и нижние слои воздуха должны, как правило, сильно охлаждаться, появление тумана или дымки почти неизбежно. При красном цвете утренней зари что-то предохраняет приземный воздух от охлаждения в течение нони. Это могут быть или облака, или высокая влажность воздуха в средних и верхних слоях атмосферы. Однако на небе почти нет облаков, раз видна заря, и остается заключить, что именно высокая влажность „не выпускает" ночью тепловую радиацию Земли в космос. Значит, в целом атмосфера является влажной и вероятность дождя в данном случае велика.

Таким образом, краткосрочные приметы погоды, имеющие надежное научное объяснение, можно успешно использовать для предсказания изменений погоды на несколько часов.

Физические условия вблизи полюсов Земли — в Арктике и Антарктике — весьма своеобразны. Сложился определенный стереотип суждений об этих районах как о мрачном царстве холода и льда. Но в том-то и дело, что, во всяком случае, летом мрачными эти края назвать нельзя. Например, в июне в центральных районах Арктики суммарная солнечная радиация даже при достаточно пасмурной погоде достигает 800—850 МДж/м² (в Индии, где летом также устанавливается облачная погода, в июне количество радиации, достигающей поверхности земли, составляет всего 450—500 МДж/м², то есть почти в два раза меньше). В Антарктике разгар лета приходится на декабрь, и в это время суммарная солнечная радиация достигает здесь беспрецедентных для всего земного шара значений — 1200 МДж/м². Это объясняется высокой прозрачностью атмосферы, большой высотой антарктической поверхности над уровнем моря (в среднем 2300 м, как в горах), незначительной облачностью и, конечно, непрерывным 24-часовым солнечным сиянием в течение полярного дня.

Перистые облака (Cirrus)—самые высокие из всех видов облаков. Они образуются в слое атмосферы 7—12 км, где в течение всего года температура воздуха ниже 0 °С, и состоят целиком из ледяных кристаллов. Из перистых облаков, особенно из плотных, которые выглядят как однородная белая масса, могут выпадать осадки, но они полностью испаряются в воздухе на большой высоте, не достигая поверхности земли. На фотографии представлена наиболее часто встречающаяся форма перистых облаков — нитевидные перистые облака (Cirrus filosus), которые имеют вид тонких нитей причудливых очертаний.

Перисто-кучевые облака (Cirrocumulus), изображенные на снимке, образуются на высоте 6—8 км, обычно под слоем инверсии. Это самые „нежные" на вид и самые эфемерные из облаков основных форм: они быстро появляются на небе и столь же быстро исчезают. Полупрозрачная частая сетка перисто-кучевых облаков удивительно красива, но прямой связи с изменениями погоды такие облака не имеют. Осадки из них не выпадают. Перисто-слоистые облака (Cirrostratus) никогда не имеют четких очертаний и представляют собой туманную пелену, равномерно застилающую все небо, сквозь которую хорошо видны Солнце и Луна. Форма ледяных кристаллов, составляющих перисто-слоистые облака, способствует такому преломлению солнечных и лунных лучей, что в этих облаках часто наблюдаются гало, венцы, ложные солнца, световые столбы и кресты. На фотографии хорошо заметна часть круга гало. Чтобы его зафиксировать, фотографу пришлось дать очень небольшую экспозицию, и в результате этого небо на снимке получилось темным. Перисто-слоистые облака, наблюдающиеся на высоте 6—8 км, являются надежным предвестником приближения теплого фронта циклона и наступления дождливой погоды. Осадки из них выпадать могут, но они никогда не достигают поверхности земли.

Высоко-кучевые облака (Altocumulus) образуются на высоте 2—4 км, обычно в слое температурной инверсии, на границе раздела холодного (снизу) и теплого (сверху) воздуха. Когда вдоль границы раздела пробегают гравитационные волны, на их гребнях формируются облака, а в ложбинах безоблачно. При этом высоко-кучевые облака вытягиваются в параллельные гряды. Довольно часто облака этой формы группируются в беспорядочно расположенные ячейки, между которыми может просвечивать солнце. При уплотнении облаков солнце через них не просвечивает. Осадков эти облака не дают и определенного прогностического значения не имеют.

Высоко-кучевые чечевицеобразные облака (Altocumulus lenticularis) отличаются от других разновидностей высоко-кучевых облаков своей исключительно правильной формой и чаще всего напоминают эллипсоид, в связи с чем несведущие наблюдатели часто принимают их за неопознанные летающие объекты. Особенно эффектны они утром и вечером, когда трудно разглядеть облачную, волокнистую структуру эллипсоида. Чечевицеобразные облака образуются в атмосфере над подветренными склонами гор или впереди быстро движущегося холодного фронта циклона. Так же, как и другие разновидности высоко-кучевых облаков, они формируются вследствие возникновения гравитационных волн в воздушном потоке.

Слоисто-кучевые облака. Слоисто-кучевые облака (Stratocumulus) характерны для прохладной ветреной погоды. В приземном слое воздуха 0,2—1,5 км возникает своеобразная циркуляция: чередуются полосы восходящих и нисходящих движений, параллельные воздушному потоку. В полосах восходящих движений формируются гряды плотных кучевообразных облаков. Несмотря на угрожающий вид темно-серых с фиолетовым оттенком облачных масс, осадков они, как правило, не дают, только зимой из них иногда выпадает слабый снег, да и то непродолжительное время. Слоисто-кучевые облака возникают вследствие сильного ветра и интенсивного турбулентного перемешивания приземного слоя воздуха, поэтому их называют также облаками динамической конвекции, в отличие от настоящих кучевых облаков, связанных с термической конвекцией — подъемом нагретого воздуха.

Плоские и средние кучевые облака. Кучевые облака (Cumulus) — типично летние облака. В результате дневного прогрева поверхности земли от нее отделяются теплые воздушные пузыри — термики, которые устремляются вверх. В термиках конденсируется влага, что способствует образованию кучевых облаков, беспорядочно разбросанных по небу. Если атмосфера в целом устойчива, формируются лишь небольшие плоские кучевые облака (Cumulus humiiis) — облака хорошей погоды, если же атмосфера неустойчива, плоские кучевые облака быстро превращаются в средние (Cumulus mediocris) и мощные (Cumulus congestus) кучевые облака. На фотографии представлен момент превращения плоских кучевых облаков в средние. При обычной летней погоде, когда довольно часты послеполуденные грозы, этот процесс наблюдается утром, около 11 ч.

Кучево-дождевое облако. Кучево-дождевые облака (Cumulonimbus) обычно образуются в летние дни на заключительной стадии развития кучевой облачности. Они также составляют основную массу облачной системы холодного фронта циклона. Из кучево-дождевых облаков выпадают самые интенсивные осадки и град, что происходит из-за большой толщины облаков (8—10 км, в тропиках — до 16—18 км) и наличия в них смеси водяных капель и ледяных кристаллов. По внешнему виду различают кучево-дождевые волосатые облака (Cumulonimbus capillatus), которые покрыты волокнистой пеленой перистых облаков, часто имеющей форму наковальни, и кучево-дождевые лысые облака (Cumulonimbus calvus), у которых гладкая вершина.

Однако почти вся поступающая на поверхность южных и северных полярных районов радиация отражается обратно в мировое пространство снегом и льдом. Отражательная способность снега и льда очень велика, особенно в глубинных континентальных районах Антарктиды, где альбедо снежного покрова достигает 85—90%. Именно поэтому географические полюса Земли одновременно являются и постоянными глобальными полюсами холода. Если бы ледяной покров в Арктике и Антарктиде растаял, то, помимо повышения уровня Мирового океана на 60 м, произошли бы полная перестройка атмосферной циркуляции, особенно в южном полушарии, и непредсказуемые изменения погоды. Так что энтузиастам мелиорации климата Земли, мечтающим об уничтожении полярных льдов, следует как можно скорее об этом забыть.

Климат южных и северных полярных районов довольно сильно различается. В Центральной Арктике зимой воздух охлаждается в среднем до —35...—40 °С, а летом нагревается до 0—5 °С. В центре Антарктиды температурный режим намного жестче. Лето здесь в этом отношении эквивалентно арктической зиме (—30...—35 °С), а зима вообще уникальна: от —65...—70 °С при кратковременных понижениях температуры до —80...—85 и даже до —89,5 °С, как было однажды на станции Восток.

Основная причина столь больших различий заключается в том, что Арктика — это море, окруженное сушей, а Антарктика — суша, окруженная морем. И здесь Арктика „выигрывает" вдвойне. Во-первых, тепло океанических вод, проходя через толщу плавучего льда, отчасти смягчает зимние холода. Даже летом океан часто бывает теплее арктического воздуха. Это приводит к тому, что на разводьях и открытой воде образуются столь характерные для летней Арктики низкие плотные туманы или сильная мгла.

„Солнце с северной стороны горизонта, низко, градусов пятнадцать; небо в зените безмятежное и голубое, ниже сплошное кольцо серости и мрачности, море — чистейший холодный ультрамарин, и в густой синеве клинья сверкающего хирургически-белого накрахмаленного льда".
В. Конецкий „Вчерашние заботы"

Во-вторых, через ледяные равнины Арктики свободно проходят рождающиеся в умеренных широтах циклоны, которые часто затягивают сюда относительно теплый воздух. Погода в Арктике носит преимущественно циклонический характер, хотя погодные контрасты здесь по сравнению с контрастами средних широт заметно обострены. Особенно значительны они на окраинах арктических пустынь ранней весной и поздней осенью, когда вслед за пургой и морозом подчас приходит сильная оттепель.

„Разразилась ужасная непогода с громом и молнией. Дождь так и лил... В становище был полный развал: болото, оттаявшее торфяное месиво, иссеченное дождем, бездонная слякость рыхлого снега и бесчисленные ручьи, выбивавшиеся на поверхность и растекавшиеся по всем направлениям. Обувь из тюленьих шкур хлюпала и чвокала у нас на ногах всякий раз, как мы вынуждены были выходить, чтобы поправить палатку, положить еще камней на парусину и тем помешать ей улететь по ветру; но все-таки наше положение было сносно в сравнении с положением наших соседей — эскимосов, живших в своих снежных хижинах. Стены последних были уже не из снега, а из какой-то желтоватой массы, в которой дождь просекал все новые дыры, и обитатели тщетно пытались заткнуть их своей обувью, штанами, шубами... Непогода продержалась два дня. Третий день принес с собой холод и пургу как раз с противоположной стороны".
К. Расмуссен „Великий санный путь"

При снижении циклонической активности, а стало быть, при безветрии и отсутствии облачности воздух надо льдами Центральной Арктики из-за сильного теплового излучения поверхности быстро охлаждается, становится плотным и тяжелым, растет давление. Так в приполярном пространстве образуется гигантская „капля" холодного воздуха диаметром около 1000 км и высотой 2—2,5 км. Она называется арктическим антициклоном и чаще всего появляется во время полярной ночи, когда условия для радиационного выхолаживания воздуха особенно благоприятны.

Арктический антициклон влияет на характер погоды не только в полярных районах: довольно часто отдельные „порции" этой холодной „капли" затягиваются в тыловые части северных циклонов и обрушиваются на центральные и южные районы умеренных широт и даже на субтропики. Именно так приходят к нам арктические холода.

Если вспомнить, что говорилось о сибирском антициклоне в главе „Масштабы погоды", то можно окончательно установить два источника холодов в Центральной России — арктические и сибирские морозы. По силе воздействия на погоду в средних широтах арктический и сибирский антициклоны примерно равноценны, но арктические похолодания случаются все-таки чаще.

В Антарктиде холодный полярный антициклон — явление почти постоянное, что объясняется большой высотой Антарктического континента. Как уже упоминалось, средняя высота этого континента над уровнем моря составляет 2300 м, причем очень большие пространства ледникового щита, особенно в Восточной Антарктиде, поднимаются до высоты 3000—4000 м. Таким образом, массив Антарктиды является естественным барьером на пути циклонов умеренных широт Южного океана. Поскольку эти циклоны не проникают в глубь материка, там постоянно существует еще более холодный, чем в Арктике, и еще более высокий (до 3—4 км) полярный антициклон.

Это не означает, однако, что погода в Антарктиде всегда тихая и солнечная. Напротив, другого такого ветреного места с такими свирепыми метелями, как в Антарктиде, нигде на Земле найти нельзя. Однако механизм формирования этих буранов совершенно иной, нежели в средних широтах и в Арктике.

„Пронесшаяся над лагерем буря была самым обычным ветром с юга, но на этот раз он был нам исключительно неприятен, потому что длился на редкость долго... Барометр нам сейчас ни к чему. Мой опыт убеждает в том, что если ртуть поднимается, значит, буря станет сильнее, а если падает, то ветер будет крепчать. Ну а если барометр стоит на месте, то и буря лютует с прежней силой. Забавно, не правда ли?"
Р. Пристли „Антарктическая одиссея"

В этих словах, написанных, верно, с горькой усмешкой, вся антарктическая погода. Действительно, на противоположном полюсе, в Арктике, холодный воздух антициклона, чтобы превратиться в буран, должен быть захвачен интенсивной циклонической циркуляцией, потому что в антициклоне ветры, как мы знаем, слабы. Следовательно, в Арктике бураны являются строго „геострофическими", то есть подчиняются распределению атмосферного давления и могут быть предсказаны с помощью наблюдений за показаниями барометра.

Для того чтобы начался буран в Антарктиде, в циклонах необходимости нет, да они и не появляются в центральных районах материка. Воздух, охлажденный над обширными и высокими ледниковыми плато, из-за большой плотности скатывается, стекает к побережью, захватывая массу снежной пыли и превращаясь по пути в ураган, силу которого трудно вообразить не бывавшему в Антарктиде человеку. Эти ветры называются стоковыми (катабатическими).

Долгое время природу стоковых ветров установить точно не удавалось. Выдвигались различные теории, пока не появились достаточно длительные ряды наблюдений за этими ветрами, проводившихся на многих антарктических научных станциях. Теперь имеются точные расчеты направления ветра над Антарктидой, которые показывают, что оно действительно совпадает с направлением наибольшего уклона антарктической поверхности. Отмечается также небольшой поворот ветра влево от генерального направления, что объясняется воздействием силы Кориолиса на движущуюся массу воздуха (в южном полушарии она должна отклоняться именно влево). Значит, можно с полным основанием считать антарктические ураганы стоковым ветром.

Максимальной скорости стоковый ветер достигает на побережье материка. Вот данные о самых сильных его порывах по наблюдениям на прибрежных станциях:

Молодежная (СССР) — 51 м/с,
Дюмон-д'Юрвиль (Франция) —73 м/с,
Кейси (Австралия) — 80 м/с,
Моусон (Австралия) — 84 м/с.

При стоковых ветрах несущаяся с огромной скоростью масса воздуха наполнена взметенным снегом и поэтому обладает громадной живой силой. Некоторое представление об этой силе могут дать многочисленные описания антарктических буранов.

„Утром всюду виднелись следы необычайной ярости пронесшейся над мысом бури. С хижины Борхгревинка, превращенной нами в склад, сорвало крышу. Соединенные треугольником деревянные балки, каждая размером три дюйма на шесть при длине 12 футов, которые мы смогли поднять только общими усилиями всей партии, ветер сорвал и отнес на 30—40 ярдов... Нам необычайно повезло, что никто не был ранен, хотя во время бури по воздуху, должно быть, носились десятки предметов. Не говоря уже об опустошенных ящиках и бесчисленных банках, весь берег был усеян обломками. Метеорологическая служба понесла значительно более серьезные потери. Кроме легко заменимых гелиографа и флюгера, камень угодил точно в актинометр, находившийся, по-моему, в затишке, проделал две аккуратные дырочки во внешнем вакуумном шарике и отбил кусочек от зачерненного шарика внутри. Камень двигался, очевидно, с огромной скоро.стью — на уцелевшем стекле почти не было трещин".
Р. Пристли „Антарктическая одиссея"

Конечно, стоковые ветры дуют непостоянно, иначе жизнь в Антарктиде вряд ли была бы возможна. Из данных карты (см. выше) следует, что имеются также участки побережья, куда потоки холодного воздуха устремляются наиболее часто. Но даже и на этих участках ветры дуют с перерывами. Определенной периодичности появления стоковых ветров не наблюдается, их непрерывная продолжительность тоже очень изменчива.

Стоковые ветры делают невозможными любую работу, любое целенаправленное действие вне укрытия. Литература об Антарктиде, особенно о первых героических годах ее освоения, изобилует драматическими описаниями неравной борьбы человека с этим явлением природы, о чем свидетельствуют дневники и записки Э. Шеклтона, Р. Скотта, Р. Амундсена и Д. Моусона. Яростный ветер, при котором можно только лежать или ползти на четвереньках, совершенно необычные условия видимости в буране, вызывающие так называемую белую слепоту и полную потерю ориентировки, невозможность сделать полноценный вдох и пронизывающий леденящий холод -вот примерный перечень того, что чувствует человек в ка-табатическом потоке.

Но стоят ли того Арктика и Антарктика? Какие такие клады скрываются в их глубинах? И если с точки зрения обыденной логики ответа на эти вопросы, пожалуй, найти невозможно, то чувства многих поколений людей, по-настоящему преданных полюсу, лучше всего выражают, наверное, простые слова полярника Званцева, записанные журналистом на борту ледореза „Федор Литке" в 1930 г. и опубликованные в книге 3. Рихтер „У белого пятна":

„Вы не испытали еще полярной зимовки и все равно не поймете. Арктика притягивает. Кто раз побывал в Арктике, тот на всю жизнь отравлен ею. Сами убедитесь в этом".