Главная
Зарубежная образовательная литература
Клэр Насир
Чем пахнет дождь? Ясные ответы на туманные вопросы о климате и погоде
Читать онлайн бесплатно

Чем пахнет дождь? Ясные ответы на туманные вопросы о климате и погоде бесплатное чтение

Саймон Кинг, Клэр Насир
Чем пахнет дождь?

Саймон

Моей жене Эмме – за поддержку и наших прекрасных детей Ноа и Нелл

Клэр

Моему лучшему критику Сиенне и моему невероятному мужу Крису

What Does Rain Smell Like?

Originally published in the English language in the UK by 535, an imprint of Bonnier Books UK Limited, London. The moral rights of the author have been asserted

Введение

Все мы – предсказатели погоды. Каждый день, даже каждый час большинство из нас стремится оценить погодные условия. Это заложено в человека как биологический вид: наблюдение и понимание постоянно меняющегося неба оставило на нас неизгладимый отпечаток.

Наш мир основан на тонком равновесии между принятием стихий и борьбой с ними. Поэтому вполне естественно смотреть на небо, стремясь найти закономерности, которые могли бы подсказать, что произойдет далее. Тона и оттенки, завитки и формы, танцующие над горизонтом, подсказывают нам, что произойдет, когда мы выйдем из дома. Начиная с первых тысячелетий существования человечества и вплоть до нынешнего экономического и экологического воздействия и изменения климата, погода остается непременной частью нашей жизни. Но наши отношения с погодой не ограничиваются постоянными попытками приспособиться к текущим условиям, мечтами о снеге на Рождество или о солнце на ближайшие выходные. Возможность пролить свет на метеорологический кавардак, который происходит в мире, ценна сама по себе и служит причиной тому, что многие из нас делают это занятие своей профессией. Книга, которую вы держите в руках, – для тех, кто, как и мы, интересуется метеорологией.

Для нас метеорология – настоящая страсть и важная часть жизни на протяжении последних десятилетий. Саймон увлекся погодой, когда ему было семь лет, и Великая Буря 1987 года прошлась по Южной Англии, причинив серьезный ущерб и вызвав панику. Для Клэр понимание закономерностей в атмосфере и океанах посредством математики и физики тоже стало занятием на всю жизнь еще в детстве. Мы оба – профессиональные метеорологи, сотрудники метеорологической службы Великобритании, и мы очень много говорим о погоде. И нас постоянно спрашивают о погоде!

Эта книга – прекрасное дополнение к любому разговору о погоде. Она полна потрясающих фактов и цифр и дает ответы на многие часто задаваемые вопросы о метеорологии. Мы освещаем самое интересное, стараясь обратить внимание на наименее известные и порой несколько удивляющие загадки погоды и климата. Давайте же вместе отправимся в путешествие, погрузившись в сложный, прекрасный и восхитительный мир погоды!

Саймон Кинг, Клэр Насир
Сентябрь 2019

Солнце

Отчего небо голубое?

В повседневной жизни мы принимаем тот факт, что небо голубое (конечно, если оно не затянуто облаками!) Воздух, разумеется, не голубой, но, если говорить упрощенно, свет от Солнца, проходя через атмосферу, кажется нам голубым. Чтобы понять это, потребуется впоследствии разобраться с тем, как именно свет распространяется по воздуху. Хоть Солнце и кажется нам желтым или оранжевым диском в небе, исходящий от него свет на самом деле белый. Белый свет состоит из всего спектра цветов радуги: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Каждый из этих цветов обладает своей энергией, с которой распространяется в небе: мы называем этот показатель длиной волны. Когда белый свет от Солнца проходит сквозь нашу атмосферу, лед, водяные капли и молекулы газа разлагают свет на указанные выше разные цвета. Этот процесс известен как рэлеевское рассеяние – в честь британского физика XIX века лорда Рэлея. Голубой цвет рассеивается значительно сильнее, чем все остальные, и наши глаза более привычны к тому, чтобы определять более короткие длины волн (с этой стороны спектра и находится голубой). В ясный солнечный день голубой будет казаться более ярким ближе к Солнцу, а не к горизонту. Дело в том, что белый свет рядом с Солнцем проходит меньший путь и не так сильно рассеивается, как рядом с линией горизонта, где он кажется более светлым, почти молочным.

Как солнце влияет на погоду и климат на Земле?

Солнце играет важнейшую роль в существовании Земли и всей Солнечной системы. Эта звезда влияет на погоду и климат на Земле во многих отношениях: она обеспечивает нас светом и теплом, а от ее огромной силы притяжения зависят орбиты планет. Поверхность Солнца – это кипящий котел, где яростные, беспокойные газы выделяют в окружающее пространство невероятное количество энергии, которая порой поступает в слои земной атмосферы. Но прежде чем разобраться с волшебным воздействием солнечной энергии на жизнь на Земле, давайте рассмотрим саму нашу звезду. Радиус Солнца составляет 695 510 км, а радиус Земли – 6371 километр. Иначе говоря, в Солнце может уместиться 1 миллион 300 тысяч таких планет, как Земля. Большинство ученых полагают, что возраст Солнца составляет 4,6 миллиарда лет, то есть оно лишь немногим старше Земли, которой 4,5 миллиарда. Наша звезда на 92 % состоит из водорода и всего на 8 % – из гелия и других элементов, которые имеются в следовых количествах: кислород, углерод и азот. Давление и температура просто невероятные, именно поэтому Солнце ведет себя как гигантский реактор ядерного синтеза. Однако оно имеет внутреннюю и атмосферную структуру, хотя и является газовым шаром, работающим на ядерном топливе. Вдали от раскаленного ядра температура Солнца охлаждается с 15 млн °C до всего лишь двух миллионов – этого недостаточно для запуска процесса ядерного синтеза. А поверхность Солнца, откуда и исходит видимый свет звезды, еще прохладнее: 5500 °C. Однако внешние слои солнечной атмосферы снова оказываются намного горячее: температура опять достигает 2 млн °C.

Зоны Солнца

Структура Солнца
Ядро: гравитационное притяжение в ядре приводит к огромному давлению и температуре до 15 млн °C. В процессе ядерного синтеза образуется гелий – при слиянии атомов водорода; образующаяся энергия излучается вовне, попадает во внешние слои Солнца, а затем и в космос.

Зона лучистого переноса: она окружает солнечное ядро и играет ключевую роль в излучении энергии синтеза в форме фотонов (волн или частиц света). Любому отдельно взятому фотону требуется на это несколько сотен тысяч лет, поскольку процесс включает в себя постоянное поглощение и новое излучение фотонов солнечными газами. Этот слой составляет 45 % солнечного радиуса и охлаждается по мере отдаления от ядра. При контакте с внешней конвективной зоной этот слой теряет около 13 млн °C.

Конвективная зона: ее температура составляет около 2 млн °C, это самая отдаленная из зон внутреннего строения Солнца. Энергия, полученная из соседней зоны лучистого переноса, передается на поверхность Солнца посредством конвекции (повышения и понижения температуры). Это можно увидеть на поверхности Солнца, где чередуются темные (более холодные области) и светлые (более теплые) пятна. Когда фотоны достигают поверхности Солнца, порождается свет – его-то и видно с Земли. Как зона лучистого переноса, так и конвективная зона холоднее, чем ядро.

Есть ли у солнца атмосфера?

Как и у Земли, у Солнца есть атмосфера, которую можно разделить на три слоя.

• Фотосфера – внутренний слой атмосферы, который излучает свет при температуре около 5500 °C. Толщина этой сферы составляет около 500 км, там можно увидеть извергающуюся плазму и более темные и прохладные пятна на Солнце.

• Хромосфера более горячая, чем фотосфера, увидеть ее можно только во время солнечного затмения – она выглядит как красное сияние. Температура хромосферы увеличивается с высотой до 20 000 °C.

• Солнечная корона – самый горячий слой атмосферы, здесь в 300 раз жарче, чем в фотосфере: до 2 млн °C. Обычно корону с Земли не видно, однако иногда ее можно рассмотреть во время полного солнечного затмения: это белые завитки или полоски ионизированного газа, испускаемые этим слоем. Охлаждаясь, этот газ становится солнечным ветром. Существуют разногласия относительного того, почему самым горячим оказывается внешний слой солнечной атмосферы, но некоторые ученые предполагают, что взрывы на поверхности короны высвобождают большое количество энергии, эквивалентное взрыву водородной бомбы в десять мегатонн, причем каждую секунду происходят миллионы таких взрывов.

Солнце кружится, вращается вокруг своей оси, летит по орбите или колеблется?

Оно колеблется, но лишь незначительно. Дело в том, что гравитационные силы планет оказывают некоторое влияние на их звезду – Солнце. Оно вращается вокруг своей оси, но не так, как планеты. Земля, например, вращается как твердый структурированный геоид, большая часть которого остается на месте, в то время как Солнце, огромный газовый шар, при вращении ведет себя не как твердое тело. В различных областях Солнца различен и уровень вращения. Кроме того, Солнце вместе со всей Солнечной системой движется по орбите галактики Млечный Путь: Солнечная система находится в одном из ее рукавов. В свою очередь, галактика Млечный Путь движется по направлению к галактике Андромеды.

Как воздействует на землю солнечный свет?

В течение года на Землю поступает постоянный поток солнечного излучения. Однако интенсивность его попадания на земную поверхность зависит от времени года и широты (то есть удаленности конкретной точки от экватора). Чтобы земля и вода могли нагреться, солнечный свет должен быть преобразован в тепло или инфракрасную энергию. Это преобразование происходит, когда свет встречается с поверхностью. Отражающая поверхность будет переизлучать меньше энергии, чем поглощающая. Показатель того, сколько света отражается от поверхности, называется альбедо. Интересно, что очень немногие поверхности на Земле можно назвать полностью отражающими (альбедо = 1) или полностью поглощающими (альбедо = 0). Например, альбедо свежевыпавшего снега равно 0,8, а альбедо леса – около 0,15. Облака частично блокируют и отражают солнечный свет. От поверхностей белого цвета – к примеру, снега, свет в основном отражается, в то время как более темные поверхности, такие как леса и океаны, поглощают больше света. Свет, попадающий на Землю, либо отражается, либо поглощается, но чаще всего происходит нечто среднее, потому что редко можно говорить о полном отражении или поглощении. Глубина воздействия солнечного света зависит от того, на какую поверхность он попадает. Если свет падает на твердую почву, то глубоко он не продвигается и обогревает этот неглубокий слой в значительно большей степени, чем, например, слои жидкости, как в море, где солнечный свет проникает гораздо глубже и поглощается, обращаясь свет в тепло, распределяемое по значительно большему объему. Вот почему температура в пустынях днем невыносимо высокая, а после наступления сумерек опускается до 0 °C: ночью поверхность быстро отдает тепло. Море же постепенно нагревается за весенние и летние месяцы и тепло отдает медленно. Это оказывает огромное влияние на снижение колебаний температуры воздуха – как над водными массами, так и над прилегающей сушей. В прибрежных районах обычно более мягкие зимы, минимальные температуры не так экстремальны, как в континентальных районах, а летние месяцы менее жаркие, с меньшими максимумами. Когда свет отражается, и полученное тепло вновь излучается в атмосферу, оно начинает циркулировать по земному шару. Земная атмосфера играет роль одеяла, которое удерживает значительную часть этого тепла. Это объясняет, почему Луна такая холодная: солнечный свет поступает на ее поверхность, но там нет атмосферы, которая задерживала бы тепло. Солнечный свет преобразуется не только в теплоту, но и в химическую энергию посредством фотосинтеза растений – еще один жизненно важный для Земли процесс.

Какизменяется количество солнечного света на земле от севера к югу?

Положение Земли относительно Солнца подразумевает, что больше всего солнечного излучения приходится на экватор. Солнце непосредственно оказывается над экватором во время весеннего и осеннего равноденствия (когда день и ночь длятся одинаково), так что прямые солнечные лучи падают на экватор. В самой северной и самой южной точке Солнце оказывается во время летнего и зимнего солнцестояния. Летнее солнцестояние – самый длинный день в Северном полушарии, а зимнее – кратчайший, поскольку в это время Солнце достигает самой южной точки Южного полушария.

Полярный день

На полюсах максимальный уровень солнечного излучения наблюдается во время летнего солнцестояния, но, в отличие от экватора, солнечные лучи на полюсах косые и падают под углом. В это время тьма не наступает – светло круглые сутки. Летом к северу от Северного полярного круга и к югу от Южного полярного круга наступает так называемый полярный день, причем длительность полярного дня увеличивается в высоких широтах. С 12 июня по 1 июля на Северном полярном круге светло круглые сутки. За Южным полярным кругом полярный день длится более двух недель – неделю до 21 декабря и неделю после.

Полярная ночь

В районе зимнего солнцестояния, наоборот, на несколько недель Солнце полностью исчезает за горизонтом, погружая высокие широты Земли в полную тьму – долгую «полярную ночь». Именно в это время устанавливаются рекорды низких температур. Нынешний мировой рекорд с момента ведения записей установлен в Антарктиде: –89,2°C. По спутниковым данным ученые определили, что в некоторых частях Восточной Антарктиды температура может опускаться и ниже – например, в июле 2004 года она упала до –98.6 °C. Хотя во время осеннего равноденствия Солнце и начинает полностью исчезать за горизонтом, некоторое время в сутках все еще имеются сумерки – все более темные, – и, наконец, не остается ни малейшего намека на свет. На Северном полюсе это происходит в середине ноября и длится до конца января. Солнце вновь появляется во время весеннего равноденствия. Можно сказать, что для Северного полюса полдень соответствует летнему солнцестоянию, а полночь – зимнему.

Почему на земле четыре времени года?

Времена года определяются интенсивностью солнечного излучения. Дело не в том, насколько близко Земля подходит к Солнцу, хотя справедливо утверждать, что орбита Земли представляет собой эллипс. Причина смены времен года в том, что ось вращения нашей планеты наклонена; сейчас этот наклон составляет 23,4 градуса (хотя со временем показатель немного изменяется). Когда Земля совершает оборот вокруг Солнца за год, этот наклон сохраняется, в результате каждое полушарие отклоняется от Солнца зимой и приближается к Солнцу летом. Когда полушарие наклонено в сторону Солнца, падающие на него солнечные лучи гораздо более концентрированны, и поэтому воздух более теплый. Зимой же происходит обратный процесс. Для регионов, прилегающих к экватору, все сводится к смене сухих сезонов влажными, поскольку ветер реагирует на изменения интенсивности солнечного излучения и распределения тепла у поверхности. В средних широтах это приводит к переходу от осени к холодному зимнему сезону, а потом к весне и лету. Без наклона Земли не было бы и времен года.

Что такое ультрафиолетовое излучение?

Ультрафиолетовое излучение – это часть электромагнитного спектра излучения. Слово «излучение» означает электромагнитную энергию, испускаемую Солнцем. Его можно разделить на части в зависимости от длины волны и частоты излучения. Солнце испускает широкий и постоянный спектр волн. Они подразделяются на несколько категорий.

Радиоволны: самая низкая частота и наименьшая энергия. Диапазон длин волн, соответственно, от 1 см до 100 км. Их можно использовать для коммуникации: они способны переносить информацию или сигналы из одного места в другое. Радио– и телевизионные станции, как и компании сотовой связи, используют для передачи сигналов именно радиоволны. Звезды и планеты тоже испускают радиоволны, которые могут уловить радиотелескопы на Земле, принимающие радиочастоты электромагнитного спектра.

Микроволны: следующая по частоте часть спектра. Их длина составляет от 1 мм до 30 см. Они могут проходить через объекты, вызывая колебания воды и жира и повышение температуры, почему их и используют в микроволновых печах, а также для передачи данных – в мобильных телефонах и WiFi.

Инфракрасное излучение: средняя часть электромагнитного спектра испускает инфракрасную энергию, которая, по сути, является невидимым теплом. Однако не вся инфракрасная энергия вырабатывает тепло. В широком смысле длина волны в этой части электромагнитного излучения варьируется от нескольких миллиметров до 750 нанометров, или 0,75 микрон. Более короткие волны используются в технологиях создания изображения, а более длинные испускают тепло. Радиация – один из трех способов перемещения тепла по Земле (два других – конвекция и проводимость). В этом случае солнечный свет, попадая на поверхность Земли, излучается обратно как инфракрасная тепловая энергия.

Видимый свет: свет, который может различить человеческий глаз. Эта часть спектра делится по цветам радуги: от более низких частот, излучающих красный цвет, до более высоких, дающих голубой, синий и фиолетовый. Объекты поглощают и отражают световые волны разной длины. Цвет, который мы видим, связан с соотношением поглощения и отражения. Например, черный объект, поглощающий все волны видимого света именно поэтому выглядит черным, в то время как белый предмет отражает все световые волны, вследствие чего кажется белым. В промежутке возможны самые разнообразные сочетания.

Ультрафиолетовое излучение: электромагнитное излучение, о котором пишут, вероятно, чаще всего. Оно невидимо невооруженным глазом, его нельзя почувствовать, но ультрафиолетовые (УФ) лучи – причина загара кожи и ее сгорания при слишком длительном пребывании на солнце. Однако небольшое количество УФ-лучей – важное условие выработки организмом необходимой дозы витамина D. Кроме того, они используются в промышленных и медицинских целях для уничтожения бактерий и создания флуоресценции.

Рентгеновское излучение: волны с очень высокой частотой и огромной энергией, которые испускает солнечная корона. Рентгеновские лучи излучаются только очень горячими газами. Они не проходят сквозь атмосферу Земли, которая играет роль плотного экрана, но испускаются некоторыми объектами на Земле. Например, рентгеновский аппарат направляет интенсивные пучки электронов в небольшое пространство, что дает достаточно энергии для выработки рентгеновских лучей. Эти лучи с легкостью проходят через мягкие ткани, но не через кости, что позволяет диагностировать переломы.

Гамма-лучи: самые короткие волны, обладающие самой высокой частотой и, следовательно, самой высокой энергией. Эти лучи далеко не распространяются. Доходя до внешних слоев атмосферы Солнца, они поглощаются плазмой и испускаются заново с менее высокой частотой. Отличить рентгеновские лучи с наивысшей частотой от гамма-лучей практически невозможно, однако происхождение двух этих видов волн различно. Гамма-лучи излучаются ядрами атомов в процессе распада ядра, а рентгеновские лучи испускаются электронами.

Все эти волны излучают энергию на Землю и в космос. В то время как воздух, звук и вода передают энергию посредством механических волн или возмущений, им нужна среда для распространения.

Электромагнитным волнам среда не нужна: они распространяются в виде волн или частиц света (фотонов) и могут проходить через космический вакуум. Характеристики всех этих электромагнитных волн различны, однако они движутся в пространстве с одинаковой скоростью – около 300 тысяч километров в секунду. Когда же они достигают атмосферы Земли, все меняется: только волны определенной длины способны проникнуть в атмосферу, а еще меньше – дойти до земной поверхности. Хотя атмосфера Земли кажется нам прозрачной, ее слои непроницаемы для рентгеновского и гамма-излучения, и это хорошо, потому что такие лучи опасны для людей.

Атмосфера Земли проницаема только для световых волн определенной длины: можно провести аналогию с открытыми, закрытыми или приоткрытыми окнами.

Видимый свет, конечно, добирается до поверхности. Некоторым радиоволнам это тоже удается, другие отражаются от ионосферы (слоя атмосферы Земли на расстоянии более 85 км от земной поверхности, где высока концентрация ионов и электронов, отражающих часть радиоволн). То же верно и для инфракрасного и ультрафиолетового излучения: одни лучи проходят, другие отражаются обратно в космос, третьи поглощаются верхними защитными слоями атмосферы.

Что такое озоновый слой?

Большая часть ультрафиолетового излучения поглощается озоновым слоем. Эта невероятно тонкая прослойка состоит из газа озона, располагается в верхних слоях стратосферы – в 10–50 километрах от поверхности Земли, и весьма эффективно защищает нас от большей части ультрафиолетовых лучей. В XX веке потребовалось несколько десятилетий, чтобы понять, что чрезмерное использование хлорфторуглеродов (ХФУ) разрушает озоновый слой стратосферы. В нем обнаружились озоновые дыры, и после бурных дискуссий в мире запретили использовать ХФУ в холодильниках и аэрозолях, чтобы компенсировать причиненный ущерб. Сейчас, когда мы давно уже живем в XXI веке, некоторых ученых беспокоит то, что слишком тонкий озоновый слой впоследствии может чересчур увеличить количество ультрафиолетовых лучей, которые достигают Земли.

Как на нас воздействуют разные типы ультрафиолетового излучения?

Ультрафиолетовое излучение (УФ-лучи) можно разделить на подтипы: ультрафиолет А, ультрафиолет В и ультрафиолет С, имеющие разную длину волны.

• Ультрафиолет А (315–400 нм) – ближнее УФ-излучение, длинноволновой диапазон, проходит сквозь атмосферу;

• Ультрафиолет В (280–315 нм) – среднее УФ-излучение, 90 % поглощается озоновым слоем, 10 % проходит сквозь атмосферу;

• Ультрафиолет С (100–280 нм) – дальнее УФ-излучение, коротковолновый диапазон, полностью поглощается озоновым слоем и не доходит до поверхности Земли.

На жизнь на Земле главным образом влияет ультрафиолетовое излучение типа А (на его долю приходится около 95 % от всего УФ-излучения). Именно оно используется, в частности, в соляриях и вызывает загар. Известно, что чрезмерная доза ультрафиолета А приводит к раку кожи. Если ультрафиолет А способен глубоко проникать в кожу (в дермис и подкожные слои), то ультрафиолет В может попадать лишь на поверхность кожи (эпидермис). Однако именно воздействием ультрафиолета В объясняются ожоги и покраснение внешнего слоя кожи. Он также играет ключевую роль в развитии рака кожи, а наибольшую активность проявляет в районе полудня.

Что такое УФ-индекс?

Мы не можем увидеть или почувствовать УФ-лучи на нашей коже, но они играют важную роль в развитии рака кожи у людей во всем мире. Когда в прогнозе погоды сообщается о том, что ожидается высокий уровень УФ-излучения, нужно принять меры предосторожности, чтобы защитить кожу от вредоносных лучей Солнца. Уровень УФ-излучения, достигающего поверхности, вычисляется при помощи компьютерных моделей, которые учитывают не только интенсивность солнечного излучения на земной поверхности и над ней, в том числе в облаках, но и толщину озонового слоя стратосферы, высоту поверхности над уровнем моря и другие факторы – например, время суток и газовый состав нижних слоев атмосферы. В 1992 году Всемирная организация здравоохранения и Всемирная метеорологическая организация ООН ввели шкалу прямо пропорциональную интенсивности УФ-излучения. Низший уровень – 1 (нет/очень мало излучения – обычно ночью); высший – 11+ (чрезвычайный риск вредоносного УФ-излучения).

Как различается уровень ультрафиолетового излучения?

Уровень УФ-излучения, достигающего Земли в определенное время или в определенном месте, колеблется в течение года в зависимости от расположения Солнца на небе. Над экватором Солнце большую часть года находится высоко, поэтому уровень УФ-излучения здесь обычно тоже высок. Но чем дальше от экватора, тем сильнее уровень УФ-излучения зависит от времени года. Зимой Солнце стоит на небе низко, и уровень УФ-излучения, достигающего поверхности, ниже, чем летом, когда Солнце стоит высоко, и УФ-лучи находят более прямой путь сквозь атмосферу Земли (а также проходят через более тонкий слой озона), тем самым сохраняя большую часть своей энергии. Для стран, находящихся в умеренных широтах, таких как Великобритания, самый высокий уровень УФ-излучения наблюдается в июне, когда Солнце выше всего стоит в небе. В это время самый высокий в Великобритании индекс УФ-излучения – обычно 7, в редких случаях – 8. Уровень ультрафиолета в апреле сопоставим с августовским, а ведь весной в целом холоднее, чем летом. Поэтому в апреле люди обычно более уязвимы к солнечному излучению, чем, например, в августе из-за ложного ощущения, что Солнце не такое мощное: хотя на улице не так тепло, уровень УФ-излучения практически одинаковый. Важную роль играет и время суток: с 10 утра до 3 дня Солнце достаточно высоко, чтобы уровень УФ-излучения поднялся. Среди других факторов, определяющих этот показатель – облачный покров, высота, почвенный покров и атмосферный озон.

• Облачный покров: в очень облачные дни уровень УФ-излучения может сильно сократиться (иногда облака слишком тонкие, так что УФ-излучение все еще достаточно сильное).

• Высота: с каждыми 300 метрами подъема уровень УФ-излучения повышается на 2 % из-за разрежения воздуха.

• Почвенный покров: земная поверхность различной структуры по-разному отражает ультрафиолетовое излучение. На пляже морская вода отражает примерно на 10 %, а песок – до 15 % больше УФ-лучей, чем более темные поверхности – трава или скалистые местности. Белая же поверхность, такая как снег и лед, отражает на 80 % больше УФ-лучей. Все это приводит к повышенному риску обгорания.

• Атмосферный озон: озон в атмосфере задерживает УФ-лучи, так что отслеживание толщины озонового слоя необходимо для определения интенсивности УФ-излучения, которое в итоге достигнет поверхности Земли. Количество озона над нашими головами колеблется в зависимости от широты, долготы и времени года. Иногда озоновый слой в какой-либо из частей неба существенно истончен. Озоновые дыры порой могут формироваться в определенное время года – например, весной над Антарктикой.

Как вращение Земли влияет на погоду?

В космосе вращается все – от астероидов и планет до звездных систем и галактик. Это называется сохранением углового количества движения, которое досталось нам со времен образования Вселенной, когда газ и пыль образовали Солнце и планеты вокруг него. Объекты в космосе продолжают свое движение с тех пор, как начали двигаться. Это явление известно как инерция. Земля не только вращается вокруг Солнца – она обращается и вокруг собственной оси. И это обращение необходимо для поддержания существования жизни на Земле: без него все было бы совершенно иначе. Без центробежной силы возобладала бы сила тяжести, океаны передвинулись бы к полюсам, где притяжение сильнее всего, а обнажившаяся суша доходила бы от экватора до умеренных широт. Земной год длился бы примерно столько же, как сейчас, а вот день на Земле равнялся бы году. Уже эти два фактора полностью изменили бы климат на Земле, и это стало бы катастрофой для привычной нам жизни. Обращение Земли вокруг своей оси удерживает в равновесии океаны и атмосферу, благодаря ему в игру вступают другие силы, помимо гравитации. Например, сила Кориолиса – это сила инерции, которая отклоняет жидкости на вращающейся системе координат (Земле). Она действует перпендикулярно оси вращения и считается «кажущейся силой», поскольку отмечается наблюдателем на Земле, а не испытывается собственно движущейся жидкостью.

Поверхность Земли движется не с той же скоростью, что и атмосферный воздух. То, что мы сверху воспринимаем как прямой поток воздуха, у поверхности будет отклоняться, поскольку Земля продолжает вращаться. В Северном полушарии это отклонение направо, то есть к западу. Сила Кориолиса наиболее отчетливо чувствуется у полюсов: чем ближе к экватору, тем меньше она оказывает влияние на погоду. Сила Кориолиса создает спирали из облаков и воздуха, которые переносят влагу и тепло по планете. Области низкого давления в средних широтах, напоминающие доску для дартса, обусловлены силами, связанными с вращением Земли: теплый воздух, движущийся на север, сталкивается с холодным воздухом, распространяющимся на юг. Когда эти воздушные массы смешиваются, начинается циркуляция. На спутниковых изображениях видны великолепные вихри циклонов с четко различимым «глазом» в центре и вращающимися облаками на периферии – это свидетельство существования силы Кориолиса. Знаменитые пассаты^[1] на тридцатых широтах – еще один пример того, как сила Кориолиса формирует погоду на планете. Северо-восточные ветры к северу от экватора сближаются с юго-восточными ветрами к югу от экватора. Те и другие отклоняются от прямого движения к северу или югу силой Кориолиса (вправо – в Северном полушарии, влево – в Южном). Район, где встречаются эти ветры, носит название тропической зоны конвергенции; именно она порождает пояс низкого давления, который окружает атмосферу Земли близ экватора.

Что такое солнечные бури и какое влияние они оказывают на Землю?

Солнце кажется с Земли лишь далеким огненным шаром, однако его влияние не ограничивается светом и гравитационным притяжением. Поверхность Солнца активна и полна энергии, высокозаряженные частицы с нее постоянно прорываются в космос, и Земля порой оказывается на линии огня.

Солнечный ветер

Это нескончаемый поток высокозаряженных частиц, испускаемых Солнцем. Во время мощных вспышек плазмы, известных как корональные выбросы массы, постоянный поток солнечного ветра изменяется. Плазма выбрасывается во всех направлениях, разгоняется до скорости 3000 километров в секунду и разогревается до температуры 1 млн °C. Но самое невероятное ее свойство в том, что эта плазма обладает магнитным полем и притягивается к магнитному полю Земли, причем сильнее всего это притяжение в районе Северного и Южного полюсов. Иногда эти высокозаряженные частицы устремляются к Земле, опоясывая планету; сильнее всего – опять же у полюсов. Голубые, зеленые, красные лучи порой образуют неясную цветную завесу, порой же – четкий спектр вихрей. Все это – свидетельство того, что солнечные газы подобрались к нам ближе, и находятся не в 150 миллионов километрах (расстояние от Земли до Солнца). Солнечный ветер, притянутый магнитным полем Земли, поглощается и смешивается с газами из внешних слоев атмосферы Земли – термосферы. Столкновение заряженных солнечных частиц с кислородом приводит к образованию красного и зеленого свечения, а с азотом – фиолетового и розового. Эта захватывающая картина танцующего света бывает видна близ полюсов, и возможность увидеть ее – предмет желаний многих людей. Сияния наблюдаются только в темные и холодные месяцы; летом у Полярного круга Солнце почти не покидает небосвода.

Протуберанцы и корональные выбросы массы

Протуберанцы – это крупные выбросы электромагнитного излучения с поверхности Солнца. Они испускают в космос высокозаряженные солнечные частицы, но есть и другие, более серьезные события, которые оказывают сильное воздействие на жизнь на Земле. Речь о корональных выбросах массы – более мощном и значительном варианте солнечных вспышек. Эти солнечные вихри достигают Земли за 3–4 дня: достаточный срок, чтобы подготовиться к тому вреду, который они способны нанести. Энергия этих частиц проникает сквозь внешние слои атмосферы, где образуются полярные сияния. Они воздействуют на магнитное поле Земли и мешают работе электросетей, радиосвязи и спутников.

Буря Кэррингтона

В 1859 году, в конце августа, в солнечной короне произошел корональный выброс массы, и частицы отправились к Земле с помощью чрезвычайно сильного солнечного ветра. В Северном и Южном полушариях были видны сияния – очень необычный случай, поскольку, как правило, они наблюдаются в районе полюсов. В данном же случае их можно было видеть в австралийском Квинсленде и на Кубе. Однако последствиями этой геомагнитной бури были не только великолепные визуальные явления в верхних слоях земной атмосферы. Телеграфные сети в Северной Америке и Европе отказали: со столбов летели искры. Хоть подобные события и редки, буря Кэррингтона – не единичный случай в истории. Совсем недавно, в 2012 году, корональный выброс массы лишь немного разминулся с Землей. В нашу цифровую эпоху солнечный ветер такой интенсивности возымел бы значительно более серьезные и дорогостоящие последствия. За двадцать лет до того корональный выброс массы мощностью в 20 миллионов атомных бомб выпустил в космос облако протонов и электронов. С помощью солнечного ветра, это облако добралось до Земли и вывело из строя электросеть канадской компании Hydro-Quebec, отвечающей за производство, транспортировку и сбыт электроэнергии: 6 миллионов человек в течение 9 часов оставались без электричества. Хотя это событие имело меньший масштаб, чем буря Кэррингтона, оно напомнило о том, что солнечные бури – реальность, и что они происходят каждые несколько дней.

Пятна на солнце и солнечные циклы

Каждый солнечный цикл длится 11 лет. Он достигает своего пика, солнечного максимума, и постепенно скатывается к солнечному минимуму. Каждый цикл связан с силой магнитного поля Солнца: наибольшая – во время солнечных максимумов, именно тогда и образуется основная часть солнечных пятен. Во время солнечных минимумов пятна на Солнце встречаются редко, таким образом, количество солнечных пятен – это хороший индикатор солнечной активности, а также отклика Земли на это возмущение.

Что такое пятна на Солнце?
Цвет: пятна на Солнце – темные пузырьки или области, которые возникают на поверхности Солнца. Они состоят из двух частей: тени (более темной) и окружающей ее полутени.

Расположение: при более пристальном рассмотрении оказывается, что солнечные пятна расположены в фотосфере – внутреннем слое солнечной атмосферы, более холодном, чем ее внешние слои (хромосфера и корона).

Температура: имеют более низкую температуру, чем окружающее их пространство – около 3700 °C, то есть примерно на 1000 °C холоднее, чем вся фотосфера.

Размер: могут быть во много раз больше Земли.

Образование: возникают благодаря внутреннему магнитному полю Солнца, которое «выдувает» поток частиц на поверхность, формируя таким образом пятно.

Появление: показываются в определенных районах сферы Солнца – в 15–20 градусах от солнечного экватора. Они никогда не встречаются к северу или югу от 70-й широты.

Время: обычно появляются во время солнечного максимума, то есть наибольшей активности Солнца.

Пятна на Солнце – надежный признак высокой солнечной активности: рядом с ними происходят вспышки плазмы, что приводит к образованию протуберанцев и самых страшных чудовищ – корональных выбросов массы. Солнечный ветер переносит эту массу высокозаряженных частиц в космос, где поток, привлеченный ее магнитным полем, иногда направляется в сторону Земли. С 1645 по 1715 год наблюдался солнечный минимум – активность солнечных пятен была почти нулевой. Это совпало с малым ледниковым периодом. Данный период получил название минимума Маундера, однако среди некоторых ученых до сих пор ведутся жаркие дебаты насчет того, почему именно было так холодно. Стала ли погода следствием солнечного минимума? Нужно заметить, что малый ледниковый период случился примерно в то же время, что и увеличение вулканической активности, в результате которого в верхние слои атмосферы попали частицы, блокировавшие солнечные лучи и еще сильнее уменьшившие воздействие Солнца. Более общий вопрос звучит так: есть ли какие-то доказательства влияния изменений в активности Солнца на климат? В каком-то отношении – безусловно: со временем количество солнечной энергии увеличивается и уменьшается, и солнечный максимум ассоциируется с более высоким уровнем УФ-излучения, которое влияет на жизнь на Земле и на происходящее в атмосфере. Во время солнечных минимумов, когда активность пятен на Солнце наименьшая, УФ-излучение тоже слабее. Конечно, все это оказывает свое воздействие, однако следует учитывать и значительное увеличение уровня загрязнения, в том числе парниковыми газами, и реакцию Земли на это загрязнение, так что отделить влияние солнечной активности от влияния изменения климата и его естественных флуктуаций практически невозможно.

Стихии

Солнце определяет погоду на Земле на всех уровнях. Влияние Солнца, расположенного в 150 миллионах километров от нас, пронизывает каждый слой атмосферы, приводя к изменениям освещенности, температуры, влажности и атмосферного давления. Постоянно изменяющиеся в связи с этим свойства воздуха в разных сочетаниях и пропорциях создают природные стихии. В первую очередь это ветер, облака и осадки. За этим кроется множество более конкретных природных явлений всех форми видов – например, снег, туман и струйные течения. Рассмотрев их, мы сможем точно узнать, как именно они влияют на мир вокруг нас.

Ветер: самая влиятельная погодная стихия на Земле

Ветер – вероятно, самая значительная из погодных стихий на Земле. Часто мы отмахиваемся от него как от неприятности, из-за которой портится прическа, дождь летит прямо в лицо или – что более серьезно – происходят массовые разрушения, когда ветер переходит в ураган или торнадо. Однако эта стихия невероятно важна как в глобальном, так и в локальном масштабе. В первом случае ветер необходим для перемещения теплого воздуха с экватора на полюса, чтобы регулировать температуру. Стихия также распределяет по земному шару влажность – без него не существовало бы круговорота воды в природе. В локальном масштабе ветер – одна из основных причин почти любых погодных явлений. При этом он важен не только для метеорологии, но и для географии и природных ландшафтов, которые тоже сформированы ветром: от эрозии гор до распространения пыльцы цветов и растений.

В метеорологии ветер определяется очень просто – поток воздуха. Поток может быть вертикальным, восходящим или нисходящим, или горизонтальным, распространяющимся в любом направлении. В обычном метеорологическом прогнозе вам сообщают скорость и направление ветра. При этом направление указывается исходящее: юго-западный ветер дует не на юго-запад, а с юго-запада. Скорость ветра может колебаться от спокойных 0–5 м/с до ураганных – более 33 м/с и, наконец, до реактивных потоков, например, в торнадо, где скорость достигает 134 м/с.

Чтобы понять, как движется воздух, нужно учесть температуру и давление. Когда Солнце нагревает воздух, атомы и молекулы возбуждаются, они начинают колебаться и беспорядочно двигаться, и между ними увеличивается пространство. Этот разогретый воздух тем самым расширяется и начинает подниматься вверх. В более холодном воздухе, соответственно, атомы и молекулы приближаются друг к другу, воздух становится более плотным и опускается вниз. Это движение вверх и вниз и определяет атмосферное давление: поднятие теплого воздуха снижает давление у поверхности, а холодный воздух, опускающийся вниз – увеличивает. Когда на каком-то участке атмосферы возникает разность давления, воздух естественным образом перетекает из области высокого в область более низкого давления, где воздуха меньше. Это движение воздуха и есть ветер. Чем больше разность давления между двумя участками воздуха, тем сильнее ветер. Зоны низкого давления создают влажную и ветреную погоду: воздух быстро движется к центру низкого давления, создавая сильный ветер, а при восхождении образует облака и дождь.

Конечно, все не так просто, как изложено здесь. В глобальном масштабе нам известно, что Солнце нагревает экватор сильнее, чем полюса. Это значит, что воздух у экватора тоже нагревается, а следовательно, расширяется и поднимается. Когда воздух доходит до пределов атмосферы и не может двигаться дальше, он начинает продвигаться в сторону одного из полюсов – к северу или к югу. В процессе воздух начинает остывать и вновь опускается к поверхности. Достигнув ее, он вновь перенаправляется на север или на юг. Воздух, попавший опять на экватор, со временем нагревается – и процесс возобновляется. Сам процесс, как вы, возможно, уже знаете, называется циркуляцией. Это так называемая циркуляционная ячейка Хэдли^[2]. В средних широтах находится ячейка Феррела^[3], а у полюсов – полярная ячейка^[4]. Именно благодаря этим циркуляционным ячейкам на экваторе не так жарко, а на полюсах не так холодно.

Усложним. Земля вращается вокруг своей оси, совершая один оборот за 24 часа. Это вращение создает силу Кориолиса, которое отклоняет ветры при их движении на север или юг вправо или влево – в зависимости от полушария. У поверхности сочетание глобальных циркуляционных ячеек и силы Кориолиса порождает так называемые пассаты. В районе экватора и тропиков в Северном полушарии они дуют с востока на запад (поэтому ураганы начинаются на западе Африки и движутся на запад же – к США и Карибскому морю). В средних широтах Северного полушария направление пассатов западное: они дуют в Европу через северную часть Атлантического океана. Эти доминирующие ветры порой препровождают ураганы с восточного побережья США на восток в океан. Это обстоятельство – главная причина того, что в Великобритании ветер дует в основном с юго-запада.

Каждый раз, когда вы слушаете прогноз погоды или самостоятельно смотрите на карту ветров, вы можете определить, в каком направлении дует ветер, посмотрев на отмеченные на карте области высокого и низкого давления. Мы уже объясняли, что ветер дует из области высокого давления в область низкого, но тут в игру вступает и сила Кориолиса: ветер не движется по прямой, а закручивается вокруг этих областей высокого и низкого давления: по часовой стрелке в первом случае и против часовой – во втором.

Семейство струйных течений

Если у поверхности при встрече двух циркуляционных ячеек образуются пассаты, в верхних слоях атмосферы на этих границах дуют другие типы ветров – струйные течения. По сути это узкая полоска сильных ветров, которые могут начинаться, заканчиваться или разделяться, струясь в атмосфере вокруг земного шара. Существует два основных струйных течения: субтропическое, которое находится между ячейками Хэдли и Феррела, и полярное – между ячейкой Феррела и полярной ячейкой. Последнее движется довольно хаотично, но в целом направлено с запада на восток в зональном (прямо с запада на восток) или в меридиональном направлении (отклоняясь в сторону оси север – юг). Скорость струйных течений может быть различной, но обычно воздух движется со скоростью от 18 до 75 м/с. Высота струйных течений в атмосфере – 7–12 км, а ширина – всего 100 км. Метеорологи особенно интересуются струйными течениями, поскольку по ним проходит граница между теплым и холодным воздухом, а смена их скорости и направления непосредственно влияет на погоду у поверхности. Полярное струйное течение наиболее важно для живущих в умеренных широтах. Оно вызывается температурными различиями между холодным воздухом у полюсов и теплым воздухом в субтропиках. Течение наиболее выражено зимой по всей Северной Америке, Атлантике и Северной Европе. По мере того как Полярная струя петляет и меняет форму, она может приводить к переменным погодным условиям в Великобритании день ото дня, неделя за неделей. Это один из первых факторов, который анализируем мы, метеорологи. Если полярное струйное течение проходит к северу от Великобритании, воздух обычно теплее среднего, поскольку он приходит из субтропиков. Если оно проходит к югу от острова, то воздух может быть холоднее, поскольку ветры дуют с севера, из Арктики. Когда струйное течение проходит близко к Великобритании и Северной Европе, шансы на влажную и ветреную погоду значительно выше.

Воздействие субтропического струйного течения не так очевидно, как воздействие полярного, поскольку разница температур между субтропиками и тропиками не так велика. Субтропическое струйное течение тоже неравномерно в течение года: зимой оно сильнее, а летом практически отсутствует. Хотя это течение не так сильно влияет на погоду, как полярное струйное течение, с ним связано явление индийских муссонов^[5].

Еще одно важное течение – африканское восточное струйное течение. Оно несколько отличается от двух основных, поскольку располагается ниже в атмосфере – на высоте примерно 3 км. В отличие от полярного и субтропического струйных течений, африканское направлено с востока на запад: оно начинается в Восточной Африке и дует через весь континент в сторону Атлантического океана. Оно вызывается разностью температур между раскаленной пустыней Сахарой на севере и более холодными водами Гвинейского залива. Сильнее всего африканское восточное струйное течение поздним летом и ранней осенью, когда распространяется от Эфиопии до Гамбии. Хотя максимальная скорость ветров африканского восточного струйного течения составляет всего 11–13 м/с, оно играет важную роль в зарождении тропических штормов и ураганов над Атлантикой.

Местные ветры

Горы могут интересным образом влиять на образование и распространение ветров. Такие крупные объекты отклоняют направление ветров – те распространяются либо вокруг гор, либо над их вершинами. В этом случае воздух направляется туда, куда не собирался: изменяются его давление, влажность, температура, а иногда и сила потока.

Один из местных ветров с официальным названием в Великобритании – хелм^[6], который дует над Пеннинскими горами на севере Англии. Когда воздух стабилен, вертикального движения практически нет. Дело в том, что верхние слои воздуха не пускают ветер выше, служа своеобразной крышкой. Если этот верхний слой находится в 300 метрах от вершины горы, восходящие потоки воздуха сжимаются и приобретают ускорение, так что когда ветер спускается с другой стороны гор, он становится сильнее. В Камбрии, когда ветер дует с северо-востока, этот эффект наблюдается на высшей точке Пеннинских гор – горе Кросс-Фелл. В результате на ее юго-западном склоне образуется сильный ветер хелм. Проходя над вершиной Кросс-Фелла, воздух создает волновые потоки, в итоге образуется большое облако. Это облако тоже известно как хелм – оно существует постоянно, это темная, угрожающего вида туча, которая сползает с вершины Кросс-Фелла.

Эффект фёна

Эффект фёна^[7] может приводить к созданию совершенно различных погодных условий по обе стороны горного хребта. Этот эффект можно наблюдать в самых разных уголках земного шара, но в Великобритании он заметнее всего над горами Шотландии и Уэльса. Воздух с Атлантики, теплый и влажный, попадает в гористую местность. В это время температура воздуха может достигать приблизительно 10 °C. Воздух поднимается вверх по горам, охлаждается, образует тяжелые тучи, которые могут пролиться дождем. Когда воздух доходит до вершины горы и спускается по склону с обратной стороны, он становится более сухим и теплым. Это происходит потому, что насыщенный влагой воздух, поднимаясь и опускаясь в атмосфере, ведет себя не так, как сухой. Вот почему с подветренной стороны горы в небе не так облачно и температура достигает 18 °C, а с другой стороны погода совершенно иная.

Мистраль

В южной Франции и на побережье Средиземного моря порой случаются сильные холодные северные или северо-западные ветры, известные как мистраль. Чаще всего они бывают весной или зимой, но встречаются практически в любое время года: дуют со скоростью до 27 м/с в течение недели или даже больше. Иногда мистраль разгоняется до 50 м/с, нанося значительный ущерб. Этот ветер образуется, когда в Бискайском заливе существует область высокого давления, а в районе Корсики или Сардинии – низкого. В этом случае северный или северо-западный ветер стремится через долину французской реки Роны к средиземноморскому побережью. Ветер оказывает воздействие далеко не только на долину Роны: он затрагивает Прованс, Лангедок, даже Корсику и Сардинию. Часто мистраль дует после прохода над регионом холодного фронта – в этом случае после мистраля устанавливается более свежая и солнечная погода, хотя так бывает и не всегда. Но если это случается, то видимость улучшается настолько, что небо кажется еще более лазурным, а Альпы видны на расстоянии в полторы сотни километров.

Вода

Примерно 71 % поверхности Земли покрыто водой – это около 1,386 миллиона квадратных километров. Именно поэтому наша планета из космоса выглядит голубой. Дело в том, что океаны состоят из молекул воды, которые поглощают волны определенной длины эффективнее других. Более длинные волны красного цвета поглощаются у самой поверхности воды. Чем глубже вода, тем больше поглощаются волны других цветов – оранжевые, желтые, зеленые, остается только голубой. Невероятно, но 96,5 % всех запасов воды на Земле сосредоточено в океанах – это соленая вода. Остальная часть, чуть более 3 %, пресная. Она существует в различных формах: водяной пар (газ), жидкая вода, которая течет в ручьях, реках и озерах и просачивается под землю, где либо впитывается в почву, либо накапливается в подземных озерах и водоносных пластах. Вода содержится во всех формах жизни – от людей до растений.

Вода существует и в твердой форме – это лед, который в виде ледников, снега или собственно льда содержит в себе большую часть пресной воды на Земле – около 68 %. Из этого количества 90 % приходится на Антарктику – около 30 миллионов квадратных километров. Иными словами, если бы все льды Антарктиды растаяли, уровень воды в Мировом океане поднялся бы на 58 метров. Существенен ледяной покров и над Гренландией: около 99 % льда на Земле сосредоточено в этих двух регионах. Эти ледяные покровы образуются, когда зимой падает снег; до лета включительно он остается лежать в твердой форме, затем слои снега накапливаются и уплотняются, сжимая нижние слои.

Вода на Земле движется в любом агрегатном состоянии. Водяной пар, будучи газом, движется с большой скоростью – его переносят земные ветры. Жидкая вода движется медленнее всего: ее запасы на поверхности Земли пополняются сверху. Ледяной покров движется постоянно, дрейфуя под собственным весом вниз и в сторону моря. Тающий лед восполняется идущим сверху снегом, и система сохраняет баланс. Это движение воды в различных агрегатных состояниях, постоянный обмен между океаном и воздухом, называется гидрологическим циклом, или круговоротом воды в природе. Пресная вода перерабатывается и возобновляется благодаря следующим процессам: испарение, транспирация, конденсация, выпадение осадков, инфильтрация и водослив.

• Испарение: вода в жидкой форме переходит в газ или водяной пар (например, когда высыхает лужа).

• Транспирация: это испарение не из водоемов, а из листьев растений.

• Конденсация: переход воды из газообразного состояния в жидкое; ее можно наблюдать ежедневно – так образуются облака.

• Выпадение осадков: конденсация приводит к выпадению осадков: дождь, снег, град или изморось – вода выпадает на поверхность Земли в жидком или твердом виде.

• Инфильтрация: вода просачивается в почву, где либо поглощается, либо пробивается дальше через камни, что порой приводит к образованию подводных озер и водоносных пластов.

• Водослив: вода переносится по поверхности земли, образуя резервуары-озера или попадая в реки, которые со временем впадают в море.

В чем разница между дождем и ливнем?

В целом можно считать, что вся вода, которая льется с неба – это дождь. На этом можно бы и остановиться, но есть причины разграничивать типы осадков, например, различать дождь и ливень. Фундаментальная разница состоит в типах облаков, которые приводят к образованию дождя. Посмотрите на небо, и вы увидите самые разные облака. Выделяют около девяти различных типов на основании их формы, структуры и высоты, хотя обычно все эти типы не встречаются в одно и то же время.

Нас будут интересовать два основных вида облаков: слоистые и кучевые. Слоистые облака образуются при слиянии и конденсации двух воздушных масс, из которых одна холоднее другой. По сравнению с кучевыми эти облака не отличаются большой глубиной. Образование слоистых облаков связано с горизонтальным движением воздуха, известным как адвекция и создающим вереницу из множества облаков, которые могут струиться, но не поднимаются высоко. Слоистые облака обычно плотно затягивают небо на десятки, а то и сотни километров во всех направлениях. В них постепенно накапливаются и растут облачные капельки, и со временем облака проливаются дождем. Собственно говоря, это и есть дождь с метеорологической точки зрения. Небо кажется налитым тяжелыми сгущающимися тучами, дождь идет продолжительное время, солнечные лучи не пробиваются. Иногда дождь сильный, иногда прерывистый, а после ухода облаков устанавливается более сухая погода, и небо становится более ясным.

Ливневые облака образуются иначе. Они называются кучевыми облаками и могут перерастать в значительно более мощные и крупные грозовые, или кучево-дождевые облака. Это огромные величественные создания, которые словно взрываются в небе, доходя вверх до невидимого потолка тропосферы. Такое облако кажется гигантской наковальней в небе.

Кучевые облака образуются в результате вертикальных движений воздуха – так называемых термиков, потоков, которые поднимаются от локальных очагов разогретой земли, а не благодаря столкновению воздушных масс разной температуры, образующему слоистые облака. Этот процесс называется конвекцией. Воздух поднимается вверх, потому что он теплее, а следовательно, и легче окружающей среды. Теплый воздух поднимается, если он окружен более холодным. Верно и обратное: холодный воздух не может подниматься вверх, если его окружает более теплый воздух.

Метеорологи не без оснований проводят различие между дождем и ливнем: дело в индивидуальном восприятии влажной погоды. Дождь обычно начинается медленно, обретает интенсивность и медленно заканчивается – эта модель действует не всегда, но чаще всего. Облака затягивают небо так, что Солнце исчезает. Ливневый же дождь – это более короткий период влажной погоды, сопровождаемый шквалистым ветром и временным понижением температуры. При этом Солнце виднеется на небосводе. Итак, дождь продолжителен, ливень краток и силен. Иногда ливень следует за дождем, как в классической норвежской модели циклонов^[8]: сперва появляются слоистые облака (дождевые), а за ними идут кучевые (ливневые). От толстого слоя облаков, затянувших все небо, до свободной конвекции, когда каждое облако отделено от соседей, так что остаются свободные участки голубого неба. Отсюда и английское выражение sunshine and showers – грибной дождь.

Когда чаще идет ливень, а когда – чаще дождь?

Распределение кучевых облаков колеблется в течение года. Зимой ливни формируются над морем и затрагивают лишь прибрежные регионы. Дело в том, что в море тепло сохраняется дольше, чем на суше. Сочетание сравнительно теплого моря и источника холодного воздуха (например, ветер из Арктики) приводит к столкновениям восходящих теплых потоков и более холодной воздушной среды в верхних слоях. Через месяц-полтора после зимнего солнцестояния солнечные лучи набирают силу, и первые робкие кучевые облака начинают появляться над сушей. В Великобритании это может происходить в феврале и служит верным признаком того, что весна уже на подходе.

К апрелю солнечное излучение вступает уже в полную силу и в сочетании со все еще очень холодным воздухом вверху приводит к образованию крупных кучевых облаков, которые вызывают сильные, а порой и частые апрельские ливни. Ливень – это общее название для любых осадков, вызванных кучевыми облаками. Когда воздух очень холодный, эти осадки могут иметь форму снега или снежной крупы. Если в воздухе присутствует много энергии, и на горизонте преобладают грозовые облака, идет ливневый град с большой вероятностью грозы: град, гром, молния, шквальный ветер. Кроме того, конечно, апрельские ливни порой обещают радугу…

Стены дождя из перистых облаков в значительно большей степени связаны с системами низкого давления, которые изначально образуются над океаном и переносятся по небу струйными течениями. Хотя в средних широтах лето может выдаться влажным, температурный контраст между Арктикой и тропиками гораздо сильнее выражен как раз не в летние месяцы. Эта разность температур не только порождает более сильное струйное течение; сильные высотные ветры обычно формируются на полпути между Исландией и Азорскими островами, то есть в умеренных широтах. Именно поэтому осенью и весной здесь нередки шторма: мощное струйное течение порождает области низкого давления над всей Средней Атлантикой и проявляется в виде дождя и ветра в Великобритании и Северо-Западной Европе.

Какую форму имеет капля дождя?

Традиционно каплю дождя изображают в виде слезы с заостренным верхом и нижней частью в виде луковицы. Но существует ли эта классическая форма в атмосфере? Чтобы понять, как выглядит капля дождя, падающая с неба, важно обратиться к ранним этапам ее образования. Облако формируется из скопления мельчайших частиц воды в результате того, что водяной пар охлаждается и переходит из газа в жидкость, при этом центром конденсации служат микроскопические частицы пыли. Водяные капли в облаке мельче дождевых в 10–1000 раз. Средний размер водяной каплив облаке – 10–15 микрон (микрон – 1/1000 мм). Она имеет сферическую форму и практически невесома: легко удерживается в состоянии суспензии внутри парящего в воздухе облака. Когда концентрация сферических капель в облаке доходит до определенного предела, они начинают сливаться друг с другом. При рождении типичная дождевая капля – результат объединения 10 тысяч капель облака. На этом этапе они все еще сферические, но по мере того, как дождевая капля присоединяет к себе все больше мелких капелек, начинается битва между двумя силами: силой поверхностного натяжения, которая удерживает капельки вместе, и силой воздушного потока, сквозь которую она летит; в результате капля падает на земную поверхность. Чем больше капля, тем больше из-за сопротивления воздуха давление на ее нижнюю часть, и эта восходящая сила делает каплю плоской. Из-за перепада давления верхняя часть капли получается закругленной, а нижняя плоской – нечто вроде расплющенного маффина. Чем больше объем капли, тем больше скорость падения и сопротивление воздуха. В результате капля не обретает классическую форму слезы – воздух разделяет ее на ряд более мелких капелек, многие из которых возвращаются к сферической форме, прежде чем вновь увеличиться или долететь до поверхности Земли.

Почему не все облако сразу проливается дождем?

Среднее кучевое облако весит около полумиллиона килограммов, то есть примерно как сто слонов. Трудно представить себе, как такое тяжелое образование может висеть в воздухе. Однако облако состоит не только из мелких капелек, но и из большого количества воздуха (представляющего собой смесь газов, в том числе водяного пара). Равновесная скорость этих микроскопических капелек – около 10 метров в час. Таким образом, с высоты, скажем, 2000 метров облачная капелька будет лететь до поверхности Земли 200 часов. Сопротивление воздуха и воздушные потоки, например, восходящие, имеют большую скорость. Облака формируются, плывут и наращивают свой объем в воздухе, который движется вверх. Только когда капельки сливаются в крупные дождевые капли и становятся в 300 раз больше, их равновесная скорость, то есть скорость падения, возрастает, так что они добираются до поверхности Земли за несколько минут.

Вернемся к облаку. Как мы уже выяснили, облака – это скопление мельчайших частиц воды или льда, именуемых облачными капельками. В облаке таких капелек триллионы триллионов, и чем темнее облако, тем ближе друг к другу расположены эти капельки. Внутри облака дуют ветры, которые сталкивают или соединяют их так, что образуются более крупные облачные капельки – этот процесс называется коалесценцией (слипанием). Облако с высокой плотностью капелек обычно серого цвета. Когда достаточное количество этих капелек сливается воедино, образуется дождевая капля, достаточно тяжелая, чтобы упасть на землю. Не все дождевые капли образуются и падают одновременно, поэтому интенсивность ливней может быть различной. Пока воздух не станет более сухим, процесс образования облачных капелек из водяного пара и центра конденсации и формирования из них дождевых капель идет непрерывно. Дождевые капли растут с разной скоростью и падают только тогда, когда становятся достаточно тяжелыми, чтобы преодолеть восходящие потоки воздуха. Конечно, в этом им помогает сила притяжения. Поэтому дождь идет, но, поскольку каждая капля имеет собственное время образования, все капли в облаке падают в разное время. Если имеется постоянный приток влажного воздуха, то процесс формирования капель дождя продолжается, а сам дождь идет с новой силой.

Чем пахнет дождь?

Дождь приобрел запах с тех времен, когда на планете от океанов отделился первый континент, грозовые облака разошлись и солнечный свет наполнил воздух энергией, прогрел моря и осушил показавшуюся из них землю. Но только в 1964 году запах дождя обрел название – петрикор. Это запах земли до, во время и после дождя, особенно после продолжительной засухи. Это современное название древнего жизнеутверждающего запаха: «петра» переводится как камень, а «ихор» – «кровь из вен божества», то есть дословно петрикор – «божественная кровь камня». Первое научное исследование петрикора было проведено в 1960-е годы двумя австралийскими учеными, которые проанализировали все стадии процесса образования этого запаха. Перед дождем повышенная влажность высвобождает содержащиеся в почве соединения, что позволяет газам и частицам из сухой почвы распространиться в атмосфере. Когда начинается дождь, падение капель на сухую почву приводит к выбросу газов из пор в камнях и земле, то есть частички земли улетают в воздух. Запах становится более интенсивным. Когда дождь заканчивается, его запах задерживается во влажном воздухе. Этот процесс имеет механическую (воздействие падающих капель) и химическую (высвобожденные пузырьки газа и частицы земли, попавшие в воздух) составляющие.

Петрикор – это запах, с которым знакомы многие поколения, особенно в тех местах планеты, где сезоны делятся на сухой и дождливый. Сезонов дождей ждут – они несут с собой воду, урожай и отдохновение от жаркого, пыльного климата. Это ежегодное предвкушение очень хорошо знакомо жителям Индийского субконтинента. Предмуссонная жара усиливается в марте, апреле и мае. Палящее солнце приводит к температурам порядка 40–50 °C. От душного, жгучего и загрязненного воздуха нет спасения. Несложно представить себе облегчение миллионов жителей, которое сопровождает муссонные дожди: воздух очищается, а спекшаяся земля охлаждается. В атмосфере разливается пьянящий аромат, который преобразуется в свежий запах, знакомый всем жителям Индии. Петрикор – запах, который обещает, что реки вновь наполнятся, а урожая хватит на следующий год. Этот запах настолько почитаем, что небольшая парфюмерная фабрика в деревне Каннаудж штата Уттар-Прадеш выпускает только продукцию с этим небесным ароматом. Сотни лет многие поколения старались поймать и воспроизвести этот землистый запах. Эфирные масла, которые используются на фабрике, извлекаются из сухой земли, в которую проник влажный воздух и капельки воды. Это позволяет поймать нужный оттенок аромата. Это важнейший запах Индии, запах жизни.

В западном мире более известен геосмин – такое название дали запаху, который получается при падении капель дождя на почву и асфальт: это смесь органических веществ, бактерий почвы и озона.

Что такое «зимние осадки»?

В Великобритании зимой или даже весной порой в прогнозе погоды можно услышать «зимние осадки», и это выражение может оставить в недоумении. Осадки – это общее слово для всего, что падает с неба, будь то дождь, слякоть, град или снег. Хотя для многих осадки – прежде всего дождь, в холодную погоду осадки часто оборачиваются снегом, слякотью и ледяным дождем.

Как образуется град?

Град выпадает в любое время года, но в Великобритании чаще всего это происходит зимой и ранней весной. Однако самый серьезный град может идти поздней весной и летом, когда в атмосфере достаточно энергии для формирования грозовых или кучевых мощных облаков. Эти облака собираются в верхних слоях атмосферы, где температура воздуха ниже точки замерзания. В этих облаках переохлажденные водяные капельки движутся вверх-вниз, переносимые восходящими и нисходящими потоками воздуха. Оказываясь в верхней части облака, эти капельки замерзают, образуямаленькие льдинки града. Процесс продолжается, когда они начинают падать и попадают в слои воздуха, температура которых выше точки замерзания и в которых достаточно своих водяных капелек. Так льдинки покрываются тонким слоем воды, после чего восходящие потоки воздуха вновь возносят их в холодную часть облака, где они снова замерзают. Этот цикл повторяется много раз, пока градина не становится достаточно тяжелой, чтобы противостоять восходящим потокам воздуха. В этот момент она начинает падать на поверхность земли. Если бы нам удалось рассечь градину напополам, мы увидели бы концентрические слои, образованные в процессе движения, подобные годовым кольцам деревьев.

Размер градины зависит от того, сколько раз она подвергалась замораживанию, а это, в свою очередь, обусловлено силой восходящих и нисходящих потоков воздуха внутри облака. Если очень теплым летним днем на небе появилось большое грозовое облако, то восходящие потоки воздуха, скорее всего, сильны – в этом случае градины будут оставаться в облаке довольно продолжительное время и подвергнутся нескольким циклам таяния и повторного замораживания. Тогда и градины будут большими: некоторые из них могут достигать размера мяча для гольфа, и воздействие они оказывают совершенно невероятное. Крупнейшая в истории наблюдений градина имела диаметр 20,3 см. Она упала на землю в Южной Дакоте летом 2010 года и ее масса составляла 880 граммов! Конечно, такие огромные градины могут нанести серьезный ущерб. Можно считать, что град – одна из самых недооцененных стихий в плане потенциального урона. Когда в США случались мощные шквалы с градом, машинам, посевам и зданиям наносился значительный вред, а страховые выплаты исчислялись миллионами долларов.

В апреле 2013 года град напомнил о своих разрушительных возможностях: в аэропорту Кандагара в Афганистане на летное поле обрушился тридцатиминутный шквал; градины достигали размера мяча для гольфа. На военной базе град разбил лобовые стекла автомобилей и повредил все, что находилось под открытым небом, в том числе британские и американские самолеты. Ремонт и списание имущества обошлись британскому правительству в 13 млн фунтов стерлингов^[9]. Кроме того, значительно пострадала боеспособность армии, поскольку самолеты вышли из строя.

Ледяной дождь: ведь это просто лед, правда?

Возможно, вам не доводилось слышать про ледяной дождь – это довольно редкий природный феномен. Однако он может быть одним из самых опасных типов осадков зимой. В зимнее время осадки зарождаются в виде либо переохлажденных капелек жидкой воды, либо снега, либо мелких шариков льда в облаке. Если нижняя часть атмосферы, известная как пограничный слой, очень холодная (ее температура ниже 2 °C), осадки выпадают в виде снега или мокрого снега. Однако в некоторых случаях ближе к поверхности располагается тонкий слой теплого воздуха. Проходя через него, осадки слегка разогреваются и превращаются в дождь, но, выходя из этого тонкого слоя теплого воздуха и подлетая к поверхности, где воздух холоднее, осадки вновь охлаждаются – получаются переохлажденные капельки жидкой воды. Переохлажденная вода – это жидкая вода, существующая при температуре ниже нуля. Продолжая падать, эти переохлажденные капельки попадают на поверхность и мгновенно замерзают. Такой ледяной дождь приводит к тому, что на поверхности образуется слой льда – гололед. Машины, дороги, линии электропередач и железнодорожные пути покрываются льдом, и это чрезвычайно опасно. В Великобритании гололед образуется не так часто, а вот в США могут идти настоящие ледяные ливни, после чего все покрывается льдом. Ледяной дождь превращает дороги в ледяные катки, так что по ним очень опасно ездить. Порой даже деревья и линии электропередач прогибаются под весом образовавшейся наледи.

Мокрый снег

Это, наверное, самый простой для объяснения тип зимних осадков, поскольку он не уникален. Собственно говоря, в метеорологии мокрый снег даже не выделяется отдельно. В официальных погодных сводках мы называем его «смесью снега и дождя». Когда снег и ледяные шарики попадают из облака в чуть более теплый (0–2 °C) воздух у поверхности Земли, снег и лед начинают таять, образуя капли жидкой воды, то есть дождь. Если более теплый слой воздуха в этом случае недостаточно плотный, процесс может не завершиться полностью до падения осадков на землю, и в этом случае на поверхность попадает смесь частично растаявшего снега, ледяных шариков и дождевых капель.

Снег

В метеорологии снегу дается простое определение – «твердые осадки в форме ледяных кристаллов». Если вы когда-нибудь видели снег под микроскопом, или, по крайней мере, вам попадались его увеличенные фотографии, то вы можете понять, насколько он прекрасен. Природа порой завораживает, и то, как образуется снег и как он преобразует нашу среду обитания – один из примеров ее поразительной работы. Кроме того, снег пробуждает ребенка внутри многих из нас (если только мы не спешим по делам во время сильного снегопада).

Снег образуется из облаков при температуре ниже нуля, так что водяной пар переходит из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое и образуя ледяные кристаллы. Количество кристаллов постоянно увеличивается, как и частота их столкновений. В результате этого процесса появляются снежинки. Наступает момент, когда снежинка становится слишком большой и тяжелой. Восходящие потоки воздуха, действующие в облаке, уже не могут ее удержать, и сила притяжения побеждает: снежинка летит к Земле. Если воздух на всем протяжении ее пути от облака к земной поверхности тоже имеет температуру ниже нуля, то снежинка и при падении сохранит свою структуру ледяного кристалла. А если поверхность тоже достаточно холодная, то снег не будет таять. В том случае, когда земля теплее необходимого, начинается процесс таяния. Однако при большой интенсивности снегопада снежинок на землю попадает столько, что они не дают начаться процессу таяния, и образуется снежный покров. В этом объяснении слишком много «если», к тому же видно, что, когда температура воздуха близка к нулю, снег идет редко, что создает проблемы любому метеорологу!

Действительно ли все снежинки уникальные?

Поскольку процесс образования снежинок очень сложен и зависит от весьма незначительных различий в температуре, давлении и влажности, почти все снежинки разные. Крайне маловероятно, что вам удастся найти две абсолютно одинаковые, однако у всех них есть несколько общих черт: они шестиугольные и имеют шесть сторон. У одних стороны гладкие, как у шестиугольной тарелки, у других из каждой стороны выходит по лучу – с такой решетчатой формой у нас чаще всего и ассоциируются снежинки. Если сфотографировать первые моменты жизни снежинок, когда водяной пар охлаждается и становится ледяным кристаллом, то все они будут выглядеть практически одинаково – как плоский шестиугольник. Двигаясь в облаке, этот шестиугольник подвергается воздействию самых разных температур, изменяется и влажность, что приводит к дальнейшему изменению формы. Собственно говоря, не у всех снежинок можно отчетливо выделить шесть углов. У снежинок имеется восемь основных форм: звездчатые дендриты, столбики и иголки, увенчанные столбики, папоротниковидные звездчатые дендриты, кристаллы алмазной пыли, треугольные кристаллы, двенадцатилучевые снежинки; иней и снежная крупа.

Форма снежинки зависит главным образом от температуры и влажности. Например, плоские тарелочки образуются в более сухом воздухе, чем дендриты, а простые тарелочки и столбики – в более теплом воздухе (выше 20 °C), чем сложные структуры, которые формируются в более холодных условиях. Как видите, под микроскопом снег очень сложен!

Чаще всего фотографируют снежинки в форме звездчатых дендритов, у которых из центрального шестиугольника исходит по шесть лучей. Именно лучи снежинок делают каждую из них уникальной. Путь, который проделала из облака и внутри него каждая снежинка, формирует эти лучи независимо один от другого, хотя все лучи одной снежинки выглядят примерно одинаково, поскольку условия их образования были одними и теми же.

Типы снежинок

Бывает ли слишком холодно для снега?

Этот вопрос нам задают очень часто. Каждый раз, когда столбик термометра падает ниже нуля и прогнозируется снег, он действительно выпадает. Теоретически ответ – нет, а практически – да. Например, не может быть ситуации, когда снег падает, условно говоря, при температуре –6 °C, а при похолодании он внезапно заканчивается. Нет такой температурной точки, при которой снег бы резко начинал или переставал падать.

Вы запутались? Давайте разбираться.

Снежинки образуются в той части облака, где температура ниже нуля. Чтобы снег стал падать на поверхность, воздух между нею и облаком тоже должен иметь температуру ниже нуля, иначе все растает. При этом температура воздуха просто должна быть ниже точки замерзания – теоретически не имеет значения, насколько именно. Однако значение имеет влажность – количество влаги, необходимое для образования снежинок. Чем холоднее воздух, тем меньше влаги он может удержать, и тем меньше образуется снежинок. Таким образом, правильный вопрос должен звучать так: «Бывает ли слишком сухо для снега?»

Прекрасное доказательство этой теории можно найти в том месте, в котором, как вы, возможно, полагали, снег должен идти постоянно – в Антарктиде. Этот пустынный, холодный, ветреный и ледяной континент кажется снежным и белым. Формально он классифицируется как пустыня. В Антарктиде так холодно, что в атмосфере над ней содержится очень мало водяного пара, так что и осадков выпадает крайне мало. Но когда снег все-таки идет, он ложится на ледяной покров и накапливается там десятками и сотнями лет.

Правда ли, что снег – самая важная стихия на Земле?

Снег очень важен для жизни на Земле, и это несмотря на то, что слишком сильный снегопад может спровоцировать транспортный коллапс, закрытие школ и всеобщий хаос. В наших городах он, возможно, не так уж и нужен, но где-то его наличие точно необходимо. К счастью, каждый год на полюсах и на вершинах гор снега в изобилии – около 46 млн квадратных километров. Поскольку снег кажется белым, он служит отличным зеркалом. Это важно, поскольку он отражает большую часть энергии Солнца обратно в космос. В метеорологии это свойство называется альбедо. Альбедо белых поверхностей равно единице, а черных – нулю. Снег может отражать до 90 % поступающих солнечных лучей. Хотя его количество в течение года может быть разным, особенно в Северном полушарии, снег регулирует температуру Земли, охлаждая планету и держа под контролем ее среднюю температуру. Это одна из причин проблем, вызванных глобальным потеплением: тает больше снега, и Земля отражает меньше солнечного излучения.

Снег играет большую роль и в локальном масштабе: он важен для местных сообществ и экосистем. Люди, живущие в гористых районах, рассчитывают на весеннее и летнее таяние снегов как на источник питьевой воды и орошения посевов. А многим растениям и животным снежный покров обеспечивает защиту зимой, изолируя почву и сохраняя ее тепло, подобно одеялу.

Лед

Если вы вдруг сомневались, то лед – это вода в твердом агрегатном состоянии. В большинстве случаев лед образуется, когда вода замерзает до 0 °C и ниже. Мы говорим «в большинстве случаев», поскольку, как уже упоминалось, вода может оставаться жидкостью и при температуре ниже 0 °C – это так называемая переохлажденная вода.

Она замерзает, когда молекулы водорода и кислорода (H₂O) становятся такими холодными, что замедляются и слипаются друг с другом, образуя твердый кристалл. Одна из самых интересных характеристик льда заключается в том, что он, хотя и твердый, на самом деле менее плотный, чем жидкая вода. Мы не будем вдаваться в подробности, но на молекулярном уровне во льду больше воздушных карманов между связанными водородом и кислородом, чем в жидкой воде. Вот почему лед плавает в воде и не тонет. Представьте себе, что было бы, если бы молекулярная структура льда была такова, что он бы не плавал, а шел ко дну сразу после образования. Условия жизни в океанах были бы совершенно иными, не появлялось бы полярных льдов и айсбергов. Планета выглядела бы совершенно иначе, а тех форм жизни, которые населяют ее сейчас, вероятнее всего, просто не существовало бы.

Насколько важен лед?

Совокупность замороженной воды на всем земном шаре называется криосферой. Этот термин охватывает все запасы льда на суше и на море, включая Антарктиду, Арктику, ледники, ледовые шапки, айсберги, вечную мерзлоту и замерзшие реки и озера. В течение года общее количество льда на Земле меняется со сменой сезонов. Наибольшим изменениям подвергается количество морского льда в Арктике и Антарктике: летом лед там активно тает. В Арктике зимой площадь ледяного покрова достигает 14–16 млн квадратных километров, а летом – только 7 миллионов. В Антарктике колебания еще более значительны: зимой это 17–20 миллионов, летом – 2–4 млн квадратных километров морского льда. Конечно, значительные запасы льда сосредоточены и на суше: в Антарктиде, например, ледяной покров простирается приблизительно на 14 млн квадратных километров, в Гренландии – 1,7 миллиона, а ледники в остальном мире занимают приблизительно 726 тысяч квадратных километров. Стоит отметить, что на Антарктиду и Гренландию приходится около 68 % мировых запасов пресной воды.

Как вы, возможно, помните из раздела этой главы о снеге, его белизна, или альбедо, очень важна для Земли, поскольку, отражая поступающие солнечные лучи, снег регулирует температуру на планете. Альбедо – это показатель отражательной способности поверхности. Черная поверхность поглощает поступающую солнечную энергию, а отражает очень мало, так что альбедо почти равно нулю. Альбедо белых поверхностей ближе к единице – они обладают очень хорошей отражающей способностью. Стоит заметить, что большинство домов в средиземноморском регионе белые, а на Ближнем Востоке – почти все машины. Дело просто в том, что белый цвет отражает большую часть солнечной энергии, так что находящимся внутри дома или автомобиля не так жарко, как было бы в черной машине или помещении.

Альбедо океанов безо льда составляет около 0,06, то есть всего 6 % поступающей солнечной энергии отражается обратно в атмосферу, а 94 % поглощается и используется для нагрева океана. Альбедо морского льда равно примерно 0,5–0,7, то есть поглощается только 30–50 % поступающей энергии, из-за чего поверхность остается более прохладной. Если на льду имеется слой снега, то альбедо еще выше – порядка 0,9, то есть поглощается всего 10 % солнечной энергии, а 90 % отражается обратно в космос. И все эти цифры действительно значимы. Летом и осенью происходит значительное нагревание этих ледовых районов, что сокращает время на восполнение запасов льда и снега за зиму. Равновесие здесь очень хрупкое. Общее альбедо снижается, система поглощает больше тепла, что ускоряет таяние льдов. Чем быстрее тают льды, тем ниже альбедо, и этот процесс вызывает значительное беспокойство, поскольку формируется положительная обратная связь. Правда, усмотреть положительные моменты здесь сложно: в системе климата таяние льдов – свой собственный злейший враг, поскольку таяние льдов вызывает еще большее таяние льдов.

Поверхность земли на 75 % состоит из воды, которая на 97 % соленая и только на 3 % пресная. Значительная часть пресной воды заключена в ледниках и ледовых шапках планеты. За лето таяние небольшого количества этого льда в горных районах обеспечивает людей необходимой пресной водой, а также снабжает сельское хозяйство, ирригационные системы, промышленность и гидроэлектростанции. Поскольку полярные области очень чувствительны к изменениям климата, а здешний лед особенно уязвим для антропогенных изменений, ученые интенсивно их изучают. Ледовые шапки и ледники сформировались здесь сотни тысяч лет назад: год за годом в этих местах выпадает и накапливается снег. Толщина некоторых ледников несколько километров. Каждый год количество выпавшего снега зависит от климата, и химия льда на молекулярном уровне может многое рассказать нам о состоянии атмосферы. Пробурив скважину в ледяном покрове и добыв ледяные керны^[10], ученые могут изучить толщину соответствующих слоев льда и присутствующие в нем пузыри. Это может многое рассказать нам о концентрации парниковых газов, продолжительности ледниковых периодов и общей стабильности климата за последние 10 тысяч лет.

Изучив ледяной керн, ученые выясняют, какое количество углекислого газа, метана и других парниковых газов было в атмосфере в определенный период. Наличие пепла, пыли или других аэрозольных частиц может свидетельствовать о вулканической активности и ее влиянии на климат того времени. Изучение молекулярной структуры ледяного керна позволяет ученым получить представление о выпадавших в прошлом осадках, что, в свою очередь, может рассказать о стоявших в то время температурах. Как археолог или палеонтолог раскапывает почву или окаменелости, чтобы узнать что-то новое о прошлом, так и палеоклиматологи «копаются» в ледяном керне, чтобы узнать, какая погода была в прежние времена. Чем глубже слой, с которого мы можем извлечь ледяной керн, тем дальше мы можем путешествовать назад во времени. Одна из скважин, которые пробурили в Антарктиде, позволила извлечь образцы льда возрастом 2,7 миллиона лет. Это невероятное вещественное доказательство давно ушедшего климата, со всеми ледниковыми периодами и изменениями концентрации углекислого газа. В Антарктиде, Гренландии, Арктике и даже некоторых ледниках пробурено множество ледяных скважин. Ученые стараются собрать как можно больше данных для построения глобальной компьютерной модели. При помощи знаний в области атмосферной физики климатологи анализируют климат прошлых эпох и строят компьютерную модель для предсказания будущих изменений климата на нашей планете.

Насколько опасно таяние льдов?

Мы уже говорили, как от таяния льдов изменяется альбедо поверхности Земли – она меньше отражает и больше поглощает солнечной энергии. Впрочем, вероятно, большинству людей не это кажется основной проблемой, связанной с таянием льдов. Одним из самых серьезных последствий глобального потепления и изменений климата считается подъем уровня моря. Однако не любое таяние льдов действительно приводит к подъему уровня моря – все зависит от того, где этот лед расположен.

Когда Саймон был еще юн и только собирался стать метеорологом, он посетил организованную Британской антарктической службой дискуссию о климате на этом огромном ледяном континенте, который простирается во все стороны от Южного полюса. Выступающие применили простой, но эффективный способ демонстрации разных типов влияния таяния плавучего льда и ледников суши. Этот эксперимент поразил его воображение и укрепил в намерениях!

Участники выступления взяли два стакана – один наполовину заполненный водой, другой – пустой. В каждый стакан бросили по паре кубиков льда и оставили таять. Многие из вас, вероятно, посчитают (как и Саймон), что уровень воды повысится в обоих стаканах. Однако когда весь лед растаял, в пустом сухом стакане появилась вода, а уровень воды во втором стакане, изначально наполненном водой наполовину, не изменился. Этот процесс можно масштабировать в миллион раз, но результат не изменится. Причина, по которой мы не видим существенных изменений уровня Мирового океана при таянии морских льдов, состоит в том, что имеющийся лед уже вытесняет определенный объем воды. А таяние – это просто восстановление того же объема воды, который был изначально вытеснен. Однако здесь есть один немаловажный факт: соленая и пресная вода имеют разную плотность. Пресная вода менее плотная, чем соленая, так что пресноводный лед обладает большим объемом, чем эквивалентная масса морской воды. Поэтому когда тает пресноводный лед, образуется больший объем воды, чем изначально вытесненный. Эта разница очень невелика – по оценкам ученых, таяние плавучего льда повышает уровень моря всего на 0,005 мм в год.

Мы имеем здесь в виду, что, хотя таяние льдов в Арктике определенно приводит к глобальному потеплению из-за снижения альбедо, уровень моря при этом почти не повышается. Но в случае с таянием континентальных ледников это не так. Главный фактор беспокойства за подъем уровня моря – разрушение и таяние ледяных щитов в Гренландии и в Антарктиде. Если растают и они, и другие континентальные ледники, то общий уровень моря может подняться на 70 метров. Последствия будут невероятными: сотням миллионов людей придется покинуть родные места, так как 40 % населения Земли живет в пределах 100 километров от морского побережья.

Может ли вода замерзнуть, но не стать льдом?

Все мы знаем, что H₂O может существовать в одном из трех состояний: газообразном (водяной пар), жидком (вода) или твердом (лед). Хорошо известно также, что если нагреть воду, то она станет паром, а если охладить ниже нуля, то превратится в лед. Но так бывает не всегда. В метеорологии мы порой имеем дело с веществом H₂O, все еще существующим в жидком состоянии при температуре до –40 °C. В таком виде она называется переохлажденной водой. Мы уже упоминали ее мельком в других главах книги, однако сейчас давайте остановимся на ней поподробнее.

При температурах ниже нуля молекулам воды, чтобы начать процесс кристаллизации в лед, нужно найти какое-либо ядро – микроскопическую пылинку, частичку грязи или пыльцы, или ледяной кристалл. Если такого ядра не находится и капелька воды остается «чистой» (содержит только молекулы водорода и кислорода), то кристаллизации не происходит. Вода не может замерзнуть сама по себе, пока не дойдет до температуры –40 °C, при которой начинается образование однородных кристаллов. Переохлажденная вода может присутствовать во многих облаках, но чаще всего – в облаках средней высоты, например высококучевых и высокослоистых, которые находятся достаточно высоко, чтобы температура в них была ниже нуля, но выше –40 °C, чтобы лед не образовывался сам по себе. Увидеть разницу можно невооруженным глазом: ледяные облака обычно имеют гладкий белый цвет и клочковатую структуру и парят очень высоко в небе.

Правда ли, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Что? Ответ очевиден – конечно, нет. Если поставить в морозильную камеру два стакана с водой – один с холодной, другой с горячей, – можно предположить, что холодная вода достигнет точки замерзания быстрее, чем горячая. Однако проводились эксперименты, в которых более горячая вода действительно замерзала быстрее, и причины этого веками ставили ученых в тупик! Возможно, вам случалось видеть один великолепный эксперимент: при очень холодной погоде чашку кипятка выплескивают в воздух, и вода немедленно замерзает, образуя мельчайшие кристаллики льда. С холодной водой в тех же условиях такое не случится.

Все началось с танзанийского школьника, Эрасто Мпембы, который в 1963 году на одном из занятий по поварскому искусству заметил, что горячая вода остывает быстрее, чем холодная. Мальчик должен был приготовить мороженое: он разогрел в кастрюле сливки и сахар, но охладить смесь не успел, поэтому пришлось класть ее в морозильник горячей. Спустя время Эрасто, к своему удивлению, заметил, что его мороженое замерзло в холодильнике быстрее, чем у одноклассников. Пораженный этим результатом, он обратился к школьному учителю, но тот только посмеялся над его заявлением. Позднее Эрасто сменил школу, в которую однажды пригласили профессора Денниса Осборна. Мальчик поделился с ним своими наблюдениями, после чего тот провел собственный эксперимент и получил схожие результаты. Нужно также отметить, что еще Аристотель, греческий философ IV века до н. э., писал: «Если вода была предварительно нагрета, она быстрее замораживается; потому что так она быстрее охлаждается». Осборн и Мпемба опубликовали результаты экспериментов совместно, и эффект получил название «Эффект Мпембы».

Ученые, однако, разделились в своем отношении к этому эффекту, поскольку в нескольких экспериментах не удалось воспроизвести результаты Мпембы, но были и удачные повторения. Существует множество теорий относительно того, как работает этот эффект, но проблема в том, что ученые не вполне уверены, что какая-то из этих теорий может служить полным и единственным объяснением, так что горячие споры вокруг явления продолжаются.

Туман

В простейшей трактовке туман – это облако у самой поверхности Земли, которое приводит к снижению видимости до 1000 метров и менее. Любое снижение видимости, вызванное облаком у земной поверхности, именуется туманом или мглой. Оно связано с тем, что облако состоит из миллиардов мельчайших водяных капелек, которые становятся на пути у солнечного света к вашему глазу. Поэтому чем плотнее туман, тем хуже сквозь него видно.

Туманы делятся на два основных типа: радиационные и адвекционные. Прежде чем объяснить разницу, нужно заметить, что способ образования тумана в обоих случаях одинаков. Воздух содержит невидимый глазу водяной пар. Чтобы убедиться в этом, прижмите ладони к лицу и несколько раз в них выдохните: вы почувствуете, что они становятся влажными, поскольку водяной пар изменяет свое агрегатное состояние, становясь жидкостью. Когда воздух охлаждается, он достигает точки, в которой водяной пар начинает конденсироваться в мельчайшие водяные капельки. Температура, при которой это происходит, называется «точкой росы», и синоптикам очень важно ее знать. Как и температура воздуха вообще, точка росы^[11] может значительно изменяться в зависимости от времени года и географического положения. Если температура воздуха становится примерно на 2 градуса ниже точки росы, наступает критический момент, и водяной пар превращается в воду. Таким образом, туман образуется, когда в воздухе у земной поверхности находится достаточно взвешенных водяных капелек, чтобы затруднить видимость.

Существуют различия в том, как именно воздух охлаждается до температуры точки росы. Наиболее распространен зимой радиационный туман. Для его образования из всех погодных условий важнее всего ветер. Для формирования радиационного тумана он должен быть очень слабым. Слишком сильный ветер – и нижняя часть атмосферы, известная как пограничный слой, становится слишком турбулентной и перемешанной (хотя в незначительной степени это и необходимо). Такой туман называется радиационным, потому что воздух у земной поверхности охлаждается тепловым излучением. Чаще всего воздух охлаждается настолько при чистом небе, когда значительная доля тепла уходит в атмосферу (при сильной облачности образуется своего рода теплое одеяло, которое не дает температуре слишком снизиться ночью). Воздух продолжает охлаждаться, температура падает до двух градусов ниже точки росы, и образуется туман, который к утру постепенно рассеивается, поскольку Солнце начинает прогревать верхний слой тумана или почву. Кроме того, рассеять туман может и поднявшийся ветер.

Адвекционный туман образуется чаще всего над поверхностью воды – над озером или морем. Физический процесс охлаждения и конденсации воздуха над поверхностью точно такой же. Однако в случае адвекции теплый влажный воздух движется поверх сравнительно более холодного воздуха над поверхностью воды. Это значит, что теплый воздух начинает охлаждаться и, наконец, перестает удерживать влагу, после чего образуются водяные капельки. Появляется туман. В отличие от радиационного тумана, для которого нужен слабый ветер, адвекционный туман может образоваться при умеренных и даже сильных ветрах: воздух перемещается над поверхностью воды. Ветер часто переносит туман вглубь суши, так что в некоторых случаях на побережье может быть туман, хотя дальше видимость полная. Адвекционный туман может держаться по нескольку часов и даже дней, если имеется постоянный приток теплого влажного воздуха поверх более холодного воздуха над поверхностью воды.

Примерно так же, как адвекционный, образуется и туман на склоне холма – в этом случае теплый влажный воздух движется вверх по холму или горе. Восходящий таким образом воздух охлаждается и конденсируется, достигая точки росы. По сути это тоже облако, формирующееся на склоне холма или горы, но в этом тумане видимость снижается еще сильнее.

Иногда в прогнозе погоды ведущий или метеоролог говорит о переохлажденном тумане. Это попросту туман, который образуется при температуре ниже точки замерзания. Водяные капельки, из которых состоит туман, могут не замерзать, а существовать в виде переохлажденной воды. Она начинает замерзать, когда капли долетают до поверхности земли, после чего запускается процесс кристаллизации. Поэтому, хотя такой тип тумана тоже характеризуется снижением видимости, можно заметить, как формируются белые льдинки – изморозь.

В случае тумана предсказать погоду где угодно довольно сложно, поскольку она становится очень фрагментированной. В некоторых случаях можно догадаться, что туман образуется на очень большой территории; в других ситуациях он формируется клочками, но при этом бывает очень плотным. Такой тип тумана – один из самых опасных: вы едете себе в условиях отличной видимости, но время от времени внезапно въезжаете в полосы плотного тумана.

Первое, что нужно знать в таких случаях синоптику – общее состояние климата. Как мы уже выяснили, для образования радиационного тумана необходим слабый ветер. Кроме того, нужно определить точку росы для воздушной массы в этом районе и спрогнозировать, насколько упадет температура. Если она достигнет двух градусов ниже точки росы, высока вероятность образования тумана, особенно если в пограничном слое будет достаточно влажно.

В долинах особенно часто образуется радиационный туман, и для подобных районов прогнозирование тумана будет более точным. Дело в том, что температура здесь может быть ниже, чем в окрестностях, так что вероятность того, что она упадет ниже точки росы, более значительна. Предсказать, когда туман рассеется, тоже очень сложно. Работая метеорологом в британских ВВС, Саймон много раз по утрам пытался объяснить летчикам, когда туман может рассеяться достаточно, чтобы можно было вылететь. Один из вариантов рассеивания тумана – повышение температуры воздуха, отчего туман «сгорает»: водяные капельки нагреваются, пока не превращаются обратно в водяной пар. Для определения температуры, при которой рассеивается туман, а затем времени, за которое установится эта температура воздуха, используются метеорологические методики и специальное оборудование. Без доступа к профессиональным методам предсказания погоды можно использовать простое, хотя и довольно общее правило. Возьмите порядковый номер текущего месяца и прибавьте два – так вы получите время, за которое рассеивается туман. Например, если на дворе сентябрь, девятый месяц, добавьте два и получите, что туман рассеется примерно в 11 утра. Но помните, что такой метод работает не всегда.

Кроме того, туман может рассеяться и при усилении ветра, который смешает слои тумана и разгонит капельки. Набежавшие ночью облака тоже могут рассеять туман: появившись над ним, они немного прогреют землю. Если же облака наплывут на туман утром, они, напротив, помешают ему рассеяться: Солнце не сможет в достаточной степени прогреть верхний слой тумана или землю. С туманом всегда сложно.

Чтобы предсказать адвекционный туман, в том числе над морем и на склоне холма, мы вновь стремимся рассмотреть более общую картину. Например, стоит задаться вопросом: не гонит ли теплый фронт в Великобританию теплый воздух? Если ответ утвердителен, мы оцениваем точку росы и предсказываем температуру. Во многих случаях, когда с запада или юго-запада через Великобританию движется фронт теплого воздуха, образуется множество низких облаков и повышается влажность, что создает предпосылки для образования адвекционного тумана над побережьями и склонами холмов. Такой тип формирования тумана предсказать несколько проще, чем радиационный.

Что такое «гороховый суп»?

Так иногда называют очень плотный туман. Этот термин появился в 1820 году, когда один художник образно назвал лондонский воздух плотным, как гороховый суп. В то время часто снижение видимости вызывал не только туман: дома отапливались углем, и в больших городах вроде Лондона существовали значительные проблемы с экологией, в воздухе висел плотный смог. В те дни, когда дул слабый ветер и образовывался туман, в сочетании со смогом он чрезвычайно затруднял видимость. Воздух был так загрязнен, что от сажи и сернистого газа становился ядовитым, что приводило к смерти пожилых людей, детей и больных с проблемами дыхательной системы. «Гороховый суп» случался настолько часто и приводил к таким плачевным последствиям, что после самого ужасного смога, когда в 1952 году в Лондоне было зафиксировано около 12000 смертей, связанных с ним, был принят Закон о чистом воздухе.^[12] Хотя сейчас в Великобритании уже нет таких серьезных проблем со смогом и загрязнением воздуха, особенно густой туман мы до сих пор иногда называем «гороховым супом».

Туманные факты
Мгла – это условия, при которых видимость не превышает 1000 метров. При тумане видимость составляет более 1000 м, но менее 8 км. Во время дымки видимость от 2 до 10 км, но влажность менее 70 % (т. е. воздух слишком сухой для ограничения видимости из-за водяных капель).

Самое туманное место на Земле, где туман стоит более 200 дней в году – Большая Ньюфаундлендская банка^[13] близ канадского острова Ньюфаундленд.

В 2006 году по всему юго-востоку Англии несколько дней стоял плотный туман, переходящий в ледяной, что вызвало хаос в этом излюбленном месте проведения рождественских каникул. За пять дней отменили несколько сотен авиарейсов.

Жители чилийской пустыни Атакама, одного из самых засушливых мест на Земле, «ловят туман» сетями. Когда туман идет с побережья, на сетях оседают водяные капельки. Они скатываются в желобки – так в пустыне собирают воду. Таким образом в день можно получать до 70 литров воды.

Плотный туман помог Джорджу Вашингтону в Войне за независимость, когда 29 августа 1776 года, через несколько недель после подписания Декларации Независимости, Вашингтон и его армия попали в осаду в Нью-Йорке. Из-за плотного тумана, окутавшего британские позиции, осаждающие не могли двигаться. Пока британцы пережидали туман, Вашингтон с девятитысячной армией выскользнул из Бруклина без единого выстрела.

Туманная радуга – это радуга, которая образуется во время тумана. Когда Солнце находится у вас за спиной, свет отражается от водяных капелек тумана точно так же, как от дождя. Цвета радуги часто очень размыты, поскольку водяные капельки тумана меньше, чем дождевые.

Молния

Насколько горяча молния?

Вряд ли вы видите молнии очень часто, поэтому, вероятно, удивитесь, узнав, что в среднем во всем мире каждую секунду поверхность Земли поражает около сотни ударов молнии. Большая часть этих ударов молнии приходится на тропики – на регионы, известные как «горячие камины» (hot chimneys), где достаточно тепловой энергии для регулярного образования больших грозовых облаков, а следовательно, и грозовых ливней. Наша атмосфера имеет электрический заряд, и даже в хорошую погоду его можно измерить у поверхности земли. При образовании грозовых туч заряд растет, и в землю начинают бить молнии. Как нам известно, в грозовых облаках действует множество нисходящих и восходящих потоков. Смесь водяных капелек и льда в облаке испытывает значительную турбулентность, столкновения частичек порождают трение, а оно, в свою очередь, приводит к образованию в облаке статического заряда. Это означает присутствие как положительно, так и отрицательно заряженных частиц, и они, естественно, отталкивают друг друга. Положительно заряженные частицы собираются в верхней части облака, а отрицательные устремляются вниз – как батарейка с плюсом и минусом. Когда накапливается достаточный заряд, атмосфера стремится к его выравниванию, так что следует мощный и быстрый удар молнии от отрицательного полюса в положительный. По большей части удар направлен снизу вверх – это так называемая внутриоблачная молния. Земная поверхность тоже имеет положительный заряд, так что если электрический потенциал достаточен, то удар молнии направляется на Землю, такая молния называется «облако – земля». Технически у самой молнии нет температуры, поскольку это просто поток электрических зарядов. Однако когда молния проходит сквозь воздух или другой материал, она нагревает этот материал. Воздух после этого становится очень горячим: температура в долю секунды поднимается почти до 27 500 °C. Это почти в пять раз горячее, чем поверхность Солнца (5500 °C). Именно в ходе этого процесса во время грозы образуется звук грома. Создается канал, который в сочетании с сильным мгновенным нагревом сразу же сжимает окружающий воздух, отчего образуются ударные волны. Именно эти сильнейшие вибрации окружающего воздуха докатываются до нашего уха и порождают звук. Если удар молнии случился неподалеку, мы словно слышим удар кнута. Если молния ударила далеко, то звук успевает исказиться и доходит до нас уже как глухое продолжительное ворчание.

Может ли молния служить человечеству?

Числа впечатляют: в одном ударе молнии около миллиарда джоулей энергии – этого достаточно для снабжения электричеством целого дома в течение месяца. Так что теоретически овладеть этой энергией и использовать ее как возобновляемый источник – великолепная идея. Однако это не сработает, и вот почему. Во-первых, хотя энергия одного удара молнии действительно огромна, она расходуется за долю секунды. У нас пока нет инженерных методик, которые могли бы помочь захватить такое огромное количество энергии в краткий промежуток времени, сохранить его и затем распределять в течение более длительного периода. Во-вторых, молния совершенно непредсказуема, так что практически невозможно указать место, куда она ударит. По большей части молнии случаются в тропических широтах, где плотность населения невелика. Но даже если бы нам удалось овладеть энергией молний, бьющих по всей Земле, то, по подсчетам специалистов, ее хватило бы для обеспечения всего лишь около 8 % домохозяйств США.

Куда молния бьет неоднократно?

Чаще всего молнии наблюдаются в тропических районах, поскольку там больше тепловой энергии, а следовательно, и конвекции, необходимой для образования мощных грозовых облаков: источников гроз, грома и молнии. Больше всего ударов молний приходится на Центральную Африку, Центральную Америку и Юго-Восточную Азию. В этих районах они чаще всего случаются в гористой местности. Гористый ландшафт обеспечивает восходящие потоки воздуха, что способствует дополнительной конвекции. Если прибавить к этому еще и озеро, то избыточная влажность легко переносится вверх, способствуя грохоту гроз и ярким вспышкам молний. В Венесуэле, где река Кататумбо впадает в озеро Маракаибо, в год случается в среднем 250 ударов молний на квадратный километр – около 28 вспышек в минуту. Еще одно место с сильным электрическим зарядом – горная деревушка Кифука в Демократической Республике Конго, где на квадратный километр ежегодно приходится 158 ударов.

Облака

Откуда появляются облака?

Каждый день облака движутся по небу, величественно плывут и куда-то исчезают. Их вечно меняющаяся форма и продолжительность существования обусловлена влиянием Солнца, суши и моря. Но не любой слой земной атмосферы может быть местом образования облаков. Выделяют семь различных слоев атмосферы, каждый из которых обладает уникальными свойствами, позволяющими защищать нашу планету. Самый нижний слой переносит воду между сушей и морем во всех ее агрегатных состояниях, поддерживая богатство и разнообразие жизни.

Тропосфера, нижний слой атмосферы, содержит кислород, активизирующий жизненные процессы, множество азота и небольшое количество крайне необходимой смеси из углекислого газа, водяного пара и других парниковых газов. Именно здесь идет постоянная работа погодной машины: тепло и вода распределяются по всему земному шару. Самое важное – то, что воздух охлаждается по мере набора высоты. Уже этот фактор приводит к конвекции, адвекции и конденсации – основным инструментам образования облаков. Оно происходит на всех уровнях тропосферы: взаимодействие, смешивание, подъем вверх и растворение в океанах.

Состав облаков

Спросите группу пятилеток, из чего состоят облака, и минимум один из них выкрикнет: «Из пуха!» В общем, так они и выглядят. Однако белое вещество, которое плывет в воздухе, образовано миллиардами микроскопических облачных капелек, которые борются между собой за пространство. В итоге они сливаются воедино и становятся белым пушистым облаком.

Если оставить в покое пух, то вообще-то основные составные части облака – водяной пар и тепловая энергия. Под действием тепла воздух, наполненный водяным паром, переносится в более холодную среду посредством адвекции или конвекции, а затем конденсация преобразует водяной пар в мельчайшие водяные или ледяные капельки. Ядра конденсации, такие как соль и пыль, тоже служат ключевым компонентом образования облачных капелек. Мельчайшие конденсированные молекулы воды собираются воедино, примыкая к аэрозолям большего размера. Ядра конденсации имеют размер около одного микрона, а молекулы воды – примерно 0,0001 микрона. По мере того как к ядру конденсации прилипает все больше водяных молекул, начинают образовываться облачные капельки, каждая вокруг своей аэрозольной частицы. Легкость облачных капелек позволяет им оставаться во взвешенном состоянии и образовывать облако, пока продолжается приток водяного пара.

Процесс образования облаков
Конвекция – подъем воздуха при нагревании

Адвекция – горизонтальный перенос тепла с движением воздуха

Конденсация – охлаждение водяного пара (газа) и его преобразование в воду (жидкость)

Подъем и спуск – Солнце разогревает Землю с разной интенсивностью. Поток воздуха сначала поднимается, затем опускается, образуя зоны высокого (опускающийся воздух) и низкого (поднимающийся воздух) давления. Эти потоки воздуха переносят воду и тепло. Это идеальная энергетическая система, которая позволяет избежать экстремального холода и жары, сухости и влажности. Дождевые леса, пустыни, тундра, полярные шапки и покрытые зеленью средние широты существуют благодаря погодной системе Земли, которая обеспечивает планету яркой палитрой голубых, зеленых, белых, коричневых и всех остальных красок.

Парад облаков

Обычно на небе происходит следующий погодный сценарий: сначала движется теплый фронт (на метеорологических картах он обозначен красными полукружиями на красной линии), а за ним – холодный (синие треугольники на синей линии). Каждый этап этого процесса характеризуется своим типом облаков, которые могут подсказать наблюдателю, какой именно фронт движется сейчас на небе. Воздушные массы неодинаковы по плотности – холодные плотнее, теплые легче, – и они не просто сливаются воедино – более теплый воздух оказывается поверх более холодного. Изначально между ними есть отчетливые границы, но затем они начинают смешиваться. Это можно видеть по изменению структуры облаков. Сначала формируются слоистые облака, затем – очень нестабильные кучевые.

• Перистые облака – высокая вуаль, сквозь которую проходят солнечные лучи. Первоначально теплый воздух огибает области холодного воздуха, примерно как ветер, который огибает ледяную глыбу. Первое смешивание происходит в верхней части тропосферы, о чем говорят тянущиеся по небу перистые облака. Эти тонкие клочковатые облака состоят из ледяных кристаллов, они могут быть сигналом того, что облака будут и дальше затягивать небо, и вскоре пойдет дождь.

• Высокослоистые облака, заслоняющие Солнце, находятся на средней высоте. Теплый воздух медленно проникает внутрь холодной воздушной массы, и в небе протягивается вереница облаков. Высокослоистые облака не меняют погоду – это предшественники более низких облаков, которые впоследствии прольются дождем.

• Слоисто-дождевые облака: из названия следует, что это облака, которые состоят из нескольких слоев и вызывают дождь. На этом этапе толстый слой из облака и влаги начинает доминировать в атмосфере, поднимаясь снизу вверх. Это именно дождевые облака, они висят в небе тяжело и низко, следуют за более высокими облаками и свидетельствуют о наступлении дождливой погоды и плохой видимости: зафиксированный теплый воздух смешивается с нижними слоями атмосферы. Эту влажную умеренную зону мы именуем теплым сектором.

• Кучевые облака: когда слоисто-дождевые облака уходят, небо очищается, говоря о том, что теплые воздушные массы сменяются более холодным и чистым воздухом. На этом этапе воздух нестабилен, и в небе начинают формироваться кучевые облака. Они свидетельствуют о приходе холодного фронта или о возвращении холодного воздуха. Их форма значительно четче очерчена, именно присутствие этих обособленных облаков приводит к прогнозу «облачно с прояснениями». Когда кучевые облака становятся крупнее – от «плоских» до «средних» и «мощных», – могут пойти ливневые дожди. Начинает дуть шквальный ветер, меняющий направление по часовой стрелке – лишнее свидетельство перехода от теплого фронта к холодному. Кучевые облака не всегда образуются низко над землей – они могут формироваться и в верхней части тропосферы, где воздух столь же неустойчив. Такие облака называются высококучевыми, если они образуются в среднем слое тропосферы, и перисто-кучевыми – если формируются в самом верхнем ее слое.

Образование, развитие и движение этого семейства облаков прекрасно фиксируют спутниковые снимки. На них можно увидеть вихри, закручивающиеся к центру низкого давления и простирающиеся на сотни километров. На подобных изображениях легко распознать гладкие формы облачного слоя и неплотные неравномерные, все в мелких волнах узоры кучевых облаков, что тоже свидетельствует об изменениях воздушных масс.

Проще говоря, эти крупные погодные системы – результат противостояния различных воздушных масс. Представьте себе огромную массу холодного воздуха, направляющуюся на юг из ледяного северного царства, и массу теплого, наполненного тропической влагой воздуха, пробивающую себе путь на восток. В какой-то момент они сталкиваются над океаном – два огромных массива воздуха, каждый со своими характеристиками. Это битва севера и юга, холода и тепла, полюса и тропиков. Слоистые облака, возможно, не приводят в восхищение тех, кто фотографирует и рисует небо или просто любит на него смотреть, но их взаимодействие с кучевыми облаками в некотором отношении можно считать окончанием рассказа о развитии облаков. Их совместный марш по небу – это нечто мощное и необозримое. Это объединение двух крайностей – тропиков и полюсов. Низкое давление и связанные с ним системы погодных фронтов необходимы для перераспределения тепла и воды по земному шару. Каждое облако вносит свой вклад: от тонких перистых облаков – первого признака того, что воздушные массы начинают смешиваться и погода меняется – до самых мощных кучевых, появляющихся в арьергарде и знаменующих собой переход от дождя к ливню и более чистому и холодному воздуху.

В какой момент облака проливаются дождем?

Возможно, вопрос о том, как дождь удерживается в облаке, еще сложнее, чем вопрос о том, из чего состоят сами облака. Эти чудесные переносчики воды по небу буквально окружены вопросительными знаками.

Мы знаем, однако, что в результате столкновений между облачными капельками образуются более крупные капли. Этот процесс называется коалесценцией (слипанием). Еще немного столкновений – и облачные капли преобразуются в дождевые. Пока еще сила локальных потоков внутри облака, вопреки силе тяжести, удерживает капли во взвешенном состоянии, и от нее зависит, будет ли дождь, и в какой именно момент он начнется. Когда капли достигают определенной массы, они становятся слишком тяжелыми для восходящих потоков, после чего сила тяжести одерживает победу.

Почему кажется, что нижние кромки всех облаков находятся на одной высоте?

По мере набора высоты воздух охлаждается, а при охлаждении наступает пороговое состояние: водяной пар больше не может оставаться газообразным, он начинает конденсироваться с образованием облаков. Это называется уровнем конденсации кромки облаков. В этот момент воздух становится достаточно холодным, чтобы содержащаяся в нем влага начала формировать мельчайшие капельки жидкой воды, из которых, в свою очередь, образуются облака. Эта температура называется точкой росы и изменяется от местности к местности, но в одном районе воздух обычно имеет примерно одинаковые свойства, уровень конденсации тоже почти одинаков, так что облака в одном районе формируются примерно на одной высоте.

Сколько времени живут облака?

Облака живут, пока существуют достаточные внутренние потоки, чтобы поддерживать конвекцию, конденсацию и коалесценцию, и пока существует постоянный приток в облака тепла и водяного пара. Этот постоянный процесс – одна из причин, по которым все водяные капли не падают в одно и то же время. Еще одно соображение, которое нужно принять во внимание – смешивание с более сухим воздухом и испарение воды из облака. Облака могут нагреваться солнечными лучами и длинноволновым излучением поверхности Земли. Туман или слоистые облака, образующиеся прохладным утром, часто исчезают к восходу Солнца: кажется, будто оно «сжигает» облако, которое просто испаряется. Когда приток водяного пара ослабевает, облака уменьшаются и исчезают. У некоторых облаков это происходит, когда дневная температура падает на закате (теряется конвекция). У других – после смешивания двух разных масс воздуха с нейтрализацией их энергий (теряется адвекция).

Все дело в конвекции

Хотя невооруженным глазом заметить это трудно, воздух в солнечный день живет активной жизнью. Энергия солнечного света впитывается земной поверхностью. Часть ее отражается обратно в нижние слои атмосферы в виде инфракрасногоизлучения – тепла. Когда воздух становится теплее своего окружения, восходящие потоки теплого воздуха (лучшие друзья планеристов) медленно поднимаются вверх. Солнце продолжает прогревать поверхность, и температура нижних слоев воздуха продолжает расти. Этот процесс называется конвекцией и состоит в переносе тепла в такой среде, как воздух: более теплый воздух поднимается вверх и тем самым становится менее плотным, чем его окружение. Локальное восхождение тепла действительно важно, но самым важным топливом для облака, жизненно необходимым для его образования и развития, служит влага. Проходя над водой, воздух накапливает запасы водяного пара, притом, что интересно, чем выше температура, тем больше объем водяного пара, который может содержать в себе воздух. Когда горячий воздух восходит с поверхности и присоединяется на высоте к более холодному, завязка драматических событий заканчивается. Наблюдая за разыгрывающейся в небесах пьесой, метеорологи, любители следить за погодой и охотники за торнадо, нередко употребляют короткую и выразительную аббревиатуру – КДПЭ (САРЕ). Она расшифровывается как конвективная доступная потенциальная энергия (Convective Available Potential Energy) – это показатель количества энергии, доступного для формирования бури. Он говорит о том, насколько плотной будет буря, и насколько велика вероятность образования торнадо.

Как понять, что гроза близко?

Прогноз погоды может сообщать о вероятности гроз в течение дня, но нередко грозы так и не случаются. Хотя синоптики могут предсказать наличие подходящих атмосферных условий для формирования грозовых облаков и, соответственно, гроз, гораздо сложнее предсказать, где именно эти облака образуются. Вы словно следите за кукурузой, которая жарится на сковороде: условия идеальны для того, чтобы зерна кукурузы начали взрываться, но нет никакой возможности угадать, какое именно зерно и в какой части сковородки взорвется первым. В день, когда предсказаны грозы, можно по определенным признакам понять, затронет ли гроза именно вас.

Первое, что вы замечаете, – это образование кучевого облака, типичного летнего пушистого облака в небе. Если в атмосфере достаточно тепла и влажности, кучевые облака превращаются в мощнокучевые. Они становятся все более плотными и темными. На следующей стадии облака развиваются в грозовые. Если слышен гром, то вы понимаете, что гроза на подходе. Когда она приближается, иногда перед звуком грома видны молнии – чаще это происходит ночью, когда вспышки более заметны. Дело в том, что свет движется быстрее звука, так что, если гроза все еще находится на определенном расстоянии, вы увидите молнию раньше, чем до вас докатится звук грома.

Возможно, в детстве вы считали время между вспышкой молнии и звуком грома, чтобы понять, насколько близко подошла гроза. В целом это довольно хороший способ определения расстояния до грозы. Для более точных математических вычислений сосчитайте секунды, прошедшие от молнии до грома, и разделите это время на пять – вы получите мили^[14], которые отделяют вас от грозы. Разумеется, если за вспышкой молнии сразу же следует гром, то эпицентр грозы прямо над вами.

Все вышеописанное рассказывает о случаях, когда грозы формируются локально, но они могут образовываться и иными способами, и выглядит это более драматично. Во время «испанского шлейфа^[15]» теплый влажный воздух движется с Кастильского плоскогорья на север, через Францию к Великобритании. Если это происходит в то же время, когда прохладный воздух Атлантики проходит Великобританией с запада, в атмосфере создается значительная нестабильность. Воздух с поверхности легко поднимается в атмосферу, образуя грозовые облака. Предсказать подобные события можно по наличию в небе так называемых башенковидных облаков, которые метеорологи порой любовно называют «медузами». В слове «любовно» нет иронии: это довольно красивые облака, которые закручиваются высоко в небе завитками и спиралями – зрелище не самое частое. Это верный признак того, что в средних слоях атмосферы наступает нестабильность, и если нижняя часть атмосферы тоже становится нестабильной из-за повышения температуры у поверхности, то это может привести к быстрой дестабилизации всей атмосферы и образованию мрачно нависающих грозовых туч.

Некоторые утверждают, что могут почуять наступление грозы. И это довольно странно: когда Саймон работал метеорологом на военных базах, он проводил довольно много времени снаружи, глядя в небо и наблюдая за погодой. И он определенно уверен, что мог «почуять», когда начнется гроза (впрочем, у него было преимущество в виде других собранных данных). Однако мнение науки по поводу такого чутья довольно неоднозначно, и хотя некоторые исследователи верят, что в нашем организме при наступлении грозы что-то происходит, большая часть вопросов пока не получили ответа. Существующие теории указывают на сильное падение давления перед грозой, на что реагируют жидкости нашего организма – особенно у тех, кто страдает артритом. Если у вас достаточно чувствительное обоняние, то приближение грозы можно и унюхать. В разделе о том, чем пахнет дождь, вы узнали, что запах дождя называется петрикором. Иногда этот запах может разноситься порывистыми ветрами на многие километры задолго до дождя. При увеличении электрической активности грозы и ударах молнии образуется озон. Это слово происходит от латинского^[16] слова со значением «пахнуть» – и действительно, этот газ обладает отчетливым запахом, который знаком нам по работающему ксероксу. Чем больше озона вырабатывается и разносится по ветру перед грозой, тем больше вероятность почувствовать ее приближение собственным носом.

Кучевые облака

До того, как сравнительно недавно удалось картографировать и спроецировать атмосферные процессы, наблюдение за небом было ежедневной задачей метеорологов. Мы отмечали изменения оттенков, форм и теней, и это давало нам понять, что произойдет дальше. Великолепная кружащаяся масса облаков в небе в определенную погоду отражает невидимые процессы, которые в погоде себя проявляют.

Форма и высота

Если воздушные потоки первыми реагируют на перемену в количестве тепла и воды в воздухе, то облака укрепляют и проявляют эти перемены. Везде, где воздух движется и взаимодействует с различными средами, образуются облака – это самые заметные и явные признаки того, что будет дальше. Искусство наблюдения за облаками начинается с фиксации и описания их формы и высоты, и уже эти два фактора многое говорят о том, когда пойдет дождь и когда вновь выглянет солнышко.

Выраженная пузырчатая форма облаков связана с тем, что воздух в этом месте быстро нагревается и поднимается вверх, в более прохладные области. Это значит, что облако образовано локальными условиями, и осадки из таких облаков – это чаще всего ливень. К такому типу облаков относятся все кучевые облака, и хотя ливни проливаются только из самых низко расположенных, образовываться они могут во всех слоях атмосферы. Кучевые, или дождевые, облака обычно образуются над сушей, когда энергии Солнца достаточно для прогрева поверхности, то есть, начиная с ранней весны (иногда даже с поздней зимы). В самые холодные месяцы, когда Солнце светит слабее, и суша не прогревается в достаточной степени, такие облака образуются над сравнительно более теплыми морями, особенно если воздух сверху более прохладный, как случается, когда дует холодный северный ветер. Зимой на побережье больше осадков, но во внутренних районах суши недостаточно энергии для их формирования, хотя сильный ветер может принести осадки в более холодные внутренние области. Зимой осадки чаще всего выпадают в виде смеси снега и дождя или чистого снега.

Цвета и оттенки

Если облака имеют ярко-белый цвет, и практически видны их верхушки, то они, конечно, будут заслонять Солнце, но при этом будут просто танцевать по небу, пока не высохнут и не исчезнут или не перейдут в более бесформенное состояние. Чем темнее облака и чем более грозно они выглядят в небе, тем больше шансов на то, что разразится серьезная непогода. Восходящие потоки воздуха приводят к конденсации водяных и ледяных капель, что в свою очередь вызывает сильный пронизывающий ветер и такие же сильные ливни. Если облака продолжают прибывать, а небо обложено ими на несколько километров, то стоит ждать молнии, грома, ливней, града и шквальных ветров. Если они сливаются в одну клокочущую массу, то пора бежать со всех ног: ждите торнадо. Форма облаков – хороший предвестник того, каких атмосферных явлений стоит ожидать.

Семейство кучевых облаков
Перисто-кучевые облака: небольшие кучевые облака, образуются на высоте около 7500 м.

Высококучевые облака: формируются на высоте около 3000 м.

Кучевые облака: образуются на высоте ниже 2100 м и вызывают ливневые дожди, чаще всего живут недолго.

Грозовые облака: самые крупные из всего семейства, образуются по всей тропосфере сверху вниз, вызывают грозы.

Кучевые и грозовые облака

Эти величественные облака образуются выше всех остальных в тропосфере – на высоте 8–13 километров, но, в отличие от своих более плоских родственников, слоисто-кучевых облаков, по большей части не живут долго. Кучево-дождевые, или грозовые облака, часто именуемые грозовым фронтом, появляются резко и, хотя и не всегда, обычно выдыхаются и исчезают в течение часа.

Взрывная природа грозовых облаков угадывается по их форме наковальни. Нагретый воздух, полный капелек влаги, поднимается в верхние слои тропосферы, где натыкается на невидимый потолок. Он ударяется о стратосферу – следующий слой атмосферы, где воздух теплее, чем внизу, что мешает образованию облаков. Поэтому вместо того, чтобы подниматься вертикально вверх, эти потоки начинают двигаться во всех направлениях, распространяя облака по небу и придавая им хорошо известную форму наковальни.

Есть жаркие районы, где на небе нечасто появляются облака: это пустыни и саванны; а порой и в местах, которые вообще-то полны жизнью, случаются жаркие безоблачные дни. Восходящие потоки теплого воздуха все равно формируются, но без достаточно высокой влажности воздуха облака образоваться не могут. Воздух, поднимающийся вверх днем, необязательно приводит к формированию облаков: требуется поступление влаги. Однако в течение дня у побережья может образоваться циркуляция: более холодный и влажный воздух с моря замещает воздух, поднимающийся с земли, формируя зону низкого давления. Циркуляция усиливается, если морской бриз на берегу сталкивается или сливается с преобладающим ветром иного направления. Линия конвергенции ветра с большой силой выталкивает воздух вверх, так что все ингредиенты налицо, и после сухого и солнечного дня на небе появляются облака, заслоняют солнце, и начинается дождь.

Что происходит внутри грозового облака?

Грозовые облака – самые крупные и опасные типы облаков. Они не только предвещают гром и молнию, но и могут преобразовываться в сверхмногоячеечные грозы и торнадо или выпускать так называемые дочерние ячейки, перерастая в мезомасштабные конвективные комплексы (МКК). Эти системы достигают в ширину более сотни километров и порождают сильнейшие ветры, в том числе торнадо, а также сильные ливни, град и частые молнии.

Мы можем многое рассказать о том, что происходит внутри грозового облака, благодаря допплеровскому радиолокатору. Помимо анализа осадков из облака, устройство может измерять скорость и направление движения осадков внутри самого облака. Это помогает нам понять, насколько сильны восходящие и нисходящие потоки в облаке; метеорологи даже могут предсказать с его помощью образование торнадо.

Вряд ли вы захотели бы когда-нибудь оказаться внутри грозового облака. Резкие вертикальные ветры закрутили бы вас, как в стиральной машине, а крупный град и проскакивающие между облаками молнии также поставили бы ваше выживание под угрозу. Если бы вы смогли пережить все перечисленное, то отрицательные температуры вызвали бы у вас обморожение – и это в лучшем случае. Вот почему пилоты самолетов любой ценой избегают встречи с такими облаками. Но иногда судьба даже самых компетентных пилотов заставляет пережить такое свидание. Например, есть известная история о том, как подполковнику Уильяму Рэнкину пришлось катапультироваться из своего реактивного истребителя из-за поломки двигателя на высоте 14300 м. К счастью, на нем была кислородная маска, иначе на такой высоте он бы просто задохнулся. Падая, он попал прямо в верхнюю часть грозового облака, где температура составляла около –50 °C. Его подхватили сильные ветры, вокруг были молнии, громы, дождь и плотная черная туча. Его парашют должен был автоматически раскрыться на высоте 3000 метров, но через пять минут, когда, по его подсчетам, Рэнкин должен был долететь до этой высоты, раскрытия не произошло: восходящие потоки воздуха противостояли силе тяжести, периодически подбрасывая летчика вверх, к облаку. В итоге парашют все-таки раскрылся, но это только ухудшило ситуацию: парашют был подхвачен восходящими потоками и Рэнкина снова, уже в который раз, затянуло в облако. Пока он влетал в облако и вылетал из него, вокруг продолжали бить молнии, что сопровождалось оглушительным грохотом грома. Начиналось обморожение, а водяного пара было так много, что ему казалось, будто он тонет. После 40 минут борьбы за жизнь в грозовом облаке он наконец смог выбраться вниз и спрыгнуть на землю с практически целым парашютом. Несколько следующих недель ему пришлось провести в больнице, где его лечили от обморожения, декомпрессионной болезни и множества травм и кровоподтеков.

Знакомьтесь: слоистые облака

Семейство слоистых облаков
Слоистые облака: низкие и бледные (из них часто выпадает изморось)

Слоисто-кучевые облака: волнообразной формы, висят низко в небе и обычно не проливаются дождем.

Высокослоистые облака: загораживают Солнце, располагаются в средней части тропосферы (2–3 км), тусклого цвета

Перисто-слоистые облака: пелена высоких облаков, настолько разреженных, что они не блокируют ни солнечный, ни лунный свет. Состоят из ледяных кристаллов, находятся на высоте 6–12 км.

Слоистые облака существуют на всех уровнях тропосферы. В верхней ее части они образованы частицами льда, в нижней они почти бесформенны и вызывают то, что мы называем «нудным моросящим дождиком». Это типичная реплика метеорологов старой школы.

В игру вступают адвекцияи семейство слоистых облаков

Облака, занимающие значительную площадь неба, не обладающие четкой формой и кажущиеся более плоскими, чем остальные, обычно относятся к слоистым. Они образуются посредством адвекции или инверсии кучевых облаков (если температура с набором высоты внезапно увеличивается). Если кучевые облака образуются на месте посредством конвекции, то причиной возникновения слоистых является адвекция. Эти облака иногда довольно плотные, но в них почти отсутствует вертикальное движение, зато горизонтально они могут простираться на многие километры. Когда образование таких облаков приобретает значительные масштабы, они проливаются дождем. Эти облака живут дольше, поскольку они покрывают большую площадь и менее подвержены влиянию локальных явлений, происходящих ближе к поверхности.

Перистые облака: жди непогоды

Посмотрите на небо, подождите, пока его начнет затягивать, а облака будут становиться плотнее, и засекайте время – дождь уже близко. Вращение Земли добавляет системе импульса и энергии, и ветры начинают дуть со значительной силой, когда облака снижаются и начинается дождь. Внимательному наблюдателю перистые облака скажут о том, что ветер и дождь находятся примерно в 800 километрах от него: это шесть часов, чуть больше или меньше в зависимости от скорости атмосферных явлений.

Будут ли ночью заморозки?

После заката земля теряет источник обогрева – солнечный свет. Если небо чистое, то накопленное за день тепло быстро уйдет и смешается с более холодным воздухом вверху, так что земная поверхность остынет. Плотные облака хорошо сохраняют тепло в ночное время: они служат одеялом, удерживая полученное за день тепло в низших слоях атмосферы. В этом может заключаться разница между морозной и обычной ночью. В самые жаркие летние дни облачное небо может усугублять сильную жару, поддерживая высокую влажность и чрезмерно высокую температуру воздуха. Звездная ночь сменяется морозным утром, росистым рассветом, а порой и туманом. Чаще всего, если не происходит вторжения другого воздушного фронта, самые низкие температуры наблюдаются через полчаса после восхода солнца, поскольку земля продолжает терять тепло даже после того, как Солнце набирает высоту в небе. В это время солнечный свет все же поступает на землю, и эта энергия преобразуется в тепло, поэтому воздух снова начинает медленно прогреваться.

Как мы предсказывали облака и дожди раньше?

Четыре великих пословицы о погоде

Ночью небо красно – пастуху прекрасно. Утром небо красно – пастуху опасно

Этот незамысловатый стишок порой оказывается необыкновенно мудрым. Он описывает так называемое рассеяние света, или рассеяние Рэлея, когда солнечные лучи встречаются со взвешенными в атмосфере частичками пыли, рассеивающими голубой свет и оставляющими более длинные волны красного света. Ночью небо красное, когда севшее солнце освещает его снизу. Это сулит сухую и теплую погоду и ясное утро. Поскольку погода в Великобританию приходит по большей части с запада, то солнце, видное уже после заката, говорит о том, что с запада не надвигаются облака. «Утром небо красно – пастуху опасно» – эта часть говорит о том, что хорошая погода, или область высокого давления, сейчас находится к востоку, так что есть немалые шансы, что вскоре наступит менее приятная погода.

Кольцо вокруг Луны – дожди уже видны

Облака многое могут рассказать о погоде в ближайшее время. Кольцо вокруг Луны – это удивительным образом отраженный свет, проходящий через тонкий верхний слой перистого облака, состоящий из прозрачных ледяных кристаллов. Это лунное гало образуется благодаря различным хитроумным оптическим явлениям. Такой процесс называется рефракцией: ледяные кристаллы разлагают свет на его составляющие. Все остальные облака заслоняли бы Луну, но перистые могут рассказать о погоде, надвигающейся из местностей за сотни километров от нас. Пелена перистых облаков может затянуть небо, их нижние кромки углубляются, и в итоге начинается дождь.

Чистая Луна – к скорым морозам

Если не брать в расчет летние месяцы, когда в средних широтах морозов обычно не бывает, эта пословица чаще всего верна: ясные ночи, как правило, холодные. Днем Солнце обычно нагревает нижние слои атмосферы. Когда ночью этот источник тепла утрачивается, воздух остывает. Однако слой облаков служит хорошей изоляцией: тепло не уходит из нижнего слоя атмосферы. Без облаков же теплый воздух расходится во все стороны и остывает. В зимние и смежные с ними месяцы такое остывание может доходить до 0 °C и ниже, так что чистое небо – четкий признак того, что ночь будет морозной.

Сосновые шишки открываются к хорошей погоде

Этой пословице сопутствует научное объяснение. Открытие и закрытие сосновых шишек связано с влажностью воздуха. Каждая шишка состоит из чешуек; в сухую погоду эти чешуйки высыхают, шишка становится жесткой и открывается. Тем самым семена в ней становятся доступными для ветра, который может подхватить их и разнести по окрестностям. Влажный воздух оказывает на сосновую шишку противоположное действие: чешуйки впитывают влагу, приобретают эластичность и закрываются, защищая семена в их естественном положении. Таким образом, когда сосновые шишки открываются, жди сухой погоды, а когда закрываются – дождей.

Общая картина атмосферы

Мы, метеорологи, часто склонны дробить погоду и климатические условия по различным регионам – от пустынь и дождевых лесов до средних широт и даже более мелких зон, например, островов и взгорий. Но движение воздуха не признает преград и границ. Даже самые высокие горы не могут полностью воспрепятствовать этому неостановимому потоку.

Масштабная циркуляция воздуха клубится, ныряет, извивается и проносится над землей такими сложными и разнообразными способами, что можно говорить о полной взаимосвязи всех уголков Земли. Эта взаимосвязь между сухостью и влажностью, теплом и холодом оказывается на поверку еще более глубокой: воздух взаимодействует с океанами, он скользит по поверхности, постоянно превращаясь из газа в жидкость и наоборот. Шквальный ветер вызывает движение вод на поверхности, атмосферные вихри проникают в самые темные бездны океанов, а более устойчивые долгосрочные ветры изменяют круговорот воды в океанах не только горизонтально, но и вертикально, что, в свою очередь, приводит и к изменению погоды в этой местности.

Если смотреть сверху, то океаны похожи на непроницаемое стекло, однако постоянное движение воды оказывает невероятное воздействие на атмосферу. Океанская вода путешествует над планетой вдоль и поперек; даже самая холодная вода из антарктических придонных масс порой поднимается кверху, создавая приток самых холодных струй в океане, а впоследствии и в воздухе.

Атмосфера и океан не противостоят друг другу – они гармонично сосуществуют. Воздух быстрее реагирует на изменение климата, вода в океанах запаздывает, но их истории, в конечном счете, переплетаются. Ледниковые периоды, Эль-Ниньо и муссоны обязаны своим развитием и существованием тому и другому. Нельзя рассказывать историю атмосферы, игнорируя историю океанов. Именно здесь, между воздухом и водой, общая картина воздействует на частную, здесь появляются плоды настоящего сотрудничества между океанами и атмосферой.

Как воздух путешествует по миру?

Прежде чем ответить на этот вопрос, важно рассказать кое-что об общих принципах движения воздуха. Во-первых, воздух естественным образом движется из области, где воздуха больше (зона высокого давления), в область, где его меньше (зона низкого давления). Во-вторых, благодаря вращению Земли воздух движется из зон высокого давления к зонам низкого давления не прямо. Это явление известно как сила Кориолиса – так называемая «кажущаяся» сила, связанная с вращением Земли. Она отклоняет потоки воздуха, исходящие из областей высокого давления и направленные в области низкого. Эта сила действует и на те, и на другие области. Направление ее зависит от полушария: в Северном полушарии воздух движется против часовой стрелки вокруг зон низкого давления и по часовой стрелке вокруг зон высокого давления, а в Южном полушарии картина обратная.

Теплый влажный воздух поднимается кверху, и этот процесс продолжается, пока воздух, окружающий этот поток, остается более холодным. В конечном счете происходит столкновения теплых и холодных воздушных масс. Свойства этих масс отличаются: теплый воздух менее плотный, так что при столкновении большая часть теплого воздуха уходит вверх. Это небольшое отклонение в развитии погодных процессов становится нормальной циркуляцией, поскольку сила Кориолиса продолжает оказывать свое влияние.

Со временем восходящий воздух остывает и начинает конденсироваться, образуя облака и дождь. У поверхности этот восходящий воздух замещается, и в результате центростремительного движения окружающего воздуха формируется центр области низкого давления. Это замещение воздуха продолжается, пока восхождение воздуха не прекращается, что, в свою очередь, происходит, когда среда становится однородной (т. е. между слоями воздуха разной высоты нет температурной разницы). Однако в нижней части атмосферы восходящий воздух снижает давление у поверхности, и возникают зоны низкого давления.

Зоны высокого давления содержат больше воздуха, и он движется вниз. Нисходящий воздух не образует облака, но может удерживать уже существующие. В Северном полушарии воздух циркулирует к наружи и по часовой стрелке. Зоны высокого давления подпитывают зоны низкого давления, и воздух естественным образом переходит оттуда, где его больше, туда, где его меньше: это газ, и он ведет себя так же, как и все остальные газы.

Какая погода связана с высокими низким давлением?

Низкое давление может вызывать погодные явления любой силы и величины – от локальных зон низкого давления, где образуются дожди и ветры для небольших районов, до огромных систем вроде циклонов, которые могут распространяться на тысячи километров. Погода, обусловленная высоким давлением, обычно спокойная, тихая и устойчивая. Летом высокое давление сулит теплую хорошую погоду. Зимой, в морозные дни, иногда бывает туман, иногда облака, – но какая бы погода ни установилась в зоне высокого давления, она обычно устанавливается надолго. Высокое давление у земной поверхности кажется бледной тенью низкого, но со временем оно обретает силу. Установившееся высокое давление приводит к прочному установлению погоды: если эта погода туманная, то ухудшается качество воздуха; если ярко светит солнце, то нужно ждать жару и засуху.

Что такое блокирующий антициклон?

Области высокого давления, или антициклоны, как они называются с технической точки зрения, могут быть неустойчивыми или же существовать некоторое время. Зимой воздух чаще опускается вниз, поскольку он плотный и холодный. В течение зимних месяцев, особенно над обширными областями суши, воздух может значительно охлаждаться, потому что для прогрева поверхности не хватает солнечного света. Это может служить причиной образования квазистационарных сезонных областей низкого давления в холодное время года. Именно поэтому температуры в России и Центральной Европе могут опускаться так низко. Порой устойчивые области высокого давления доминируют зимой и в Скандинавии. Когда воздух становится более холодным и плотным, струйные течения начинают его огибать, при этом они часто ослабляются и разрушаются. Воздух остается холодным, так что антициклон, или область высокого давления, не двигается сместа. Это так называемый блокирующий антициклон – устойчиво существующая на одном месте воздушная масса. Блокирующие антициклоны возникают не только зимой и не только над сушей – они могут формироваться в любое время года и над сушей, и над морем. Летом блокирующие антициклоны могут способствовать усилению и распространению жары, что также влияет на жизнь и на суше, и в море. Избыток жары вредит растениям и фауне и может привести к засухе – словом, чрезмерная жара вредна для всех. Зимой блокирующие антициклоны способствуют дальнейшему охлаждению и распространению холодного плотного воздуха, а любая влага превращается в воздухе в снег или лед. Азорский антициклон – это большой полупостоянный антициклон, который возникает и заканчивается в центральной части Северной Атлантики. Иногда Азорский антициклон продолжается так долго, что кажется нескончаемым. Он входит в группу субтропических антициклонов, которые располагаются в районе 30 градусов северной широты. Впрочем, подобный же набор существует и в Южном полушарии.

Однако чрезвычайные погодные условия возникают не только в блокирующих антициклонах. Представьте себе большой камень в ручье: он рассекает поток воды, которому приходится его обтекать. В других случаях камень так велик, что почти полностью останавливает поток – так и области низкого давления отклоняются блокирующим антициклоном. Они проходят по краям антициклона, и такая схема сохраняется на протяжении всего его существования, так что последовательность потоков низкого давления вносит нестабильность в погодные условия того же района. Окружающие блокирующий антициклон области, таким образом, тоже находятся под его влиянием, но при этом устанавливается совершенно иная погода. Если антициклон установился над Великобританией, то зона низкого давления формируется в Атлантике и движется на северо-восток, принося в Исландию дожди и ветры. В Великобритании и в большей части Западной Европы лето 2018 года было очень жарким и сухим из-за области высокого давления, возникшей там в летние месяцы. В то же время в Исландии лето было одним из самых дождливых за всю историю наблюдений, поскольку остров находился практически на линии огня, и депрессия следовала за депрессией, так как зоны низкого давления двигались на периферии зоны высокого давления в том же направлении.

В атмосфере существует два типа блоков: омега-блокирование и расщепляющее блокирование. Оба приводят к наступлению долговременной устойчивой погоды, будь то антициклон или циклон. Первый тип, омега-блокирование, получил название по греческой букве «омега», поскольку его результат напоминает по форме ее заглавную букву «Ω». Зона высокого давления находится под аркой этой «омеги» между довольно стабильными областями низкого давления, которые формируют два более мелких завитка по обе стороны арки. В зоне высокого давления погода сухая и спокойная, но по обе стороны от нее идет проливной дождь, а иногда еще и дуют сильные ветры. Если эти области находятся над сушей, результатом могут стать наводнения и сели.

В мае 2016 года омега-блокирование привело к страшным наводнениям в Западной Европе: рекордные осадки выпали в Иль-де-Франсе (регион Парижа), а Сена частично затопила французскую столицу. Родственен омега-блокированию и второй тип, расщепляющее блокирование. При нем зона высокого давления находится к северу от зоны низкого и рассекает струйное течение верхних слоев, так что обе области остаются на месте, что обеспечивает установление сухой и влажной погоды соответственно.

Что такое Эль-Ниньо?

Каждые несколько лет в обычно засушливых центральных и северных регионах Чили и Перу выпадают обильные дожди. Когда случается этот парадокс, местные называют его «Эль-Ниньо», то есть «мальчик» или «дитя», а точнее – «младенец Христос», поскольку этот период чаще всего приходится на Рождество. Обычно считалось, что Эль-Ниньо происходит примерно каждые семь лет, но чем больше мы узнаем об этом погодном явлении, тем яснее понимаем, что оно происходит регулярно и имеет куда большие масштабы, чем предполагалось изначально.

Зарождение этих обложных ливней – следствие процессов, которые происходят внизу, в глубинах холодных вод прилежащей области Тихого океана. Эль-Ниньо начинается, когда прогреваются воды у берегов Чили и Перу. Известное своей низкой температурой течение Гумбольдта, которое движется с юга из холодных широт, смешивается с более теплым экваториальным контртечением, продвигающимся к югу. Обычно холодные океанические воды охлаждают воздух над ними, так что в области течения возникает меньше тепловой энергии и образуется меньше облаков. Хотя в этом регионе часто образуются туманы, дожди здесь идут редко, о чем свидетельствует расположенная неподалеку пустыня Атакама – одно из самых засушливых мест на Земле. Почвы в этой части Чили и Перу сухие, истощенные и покрытые пылью – в них отсутствуют необходимые для поддержания жизни питательные вещества. Растительность здесь скудная; зато в холодном океане к западу вода обогащена кислородом и питательными веществами и буквально кишит жизнью. Местная экономика основана на рыбной ловле – прежде всего на добыче анчоусов.

Иногда холодное течение Гумбольдта ослабевает, когда навстречу ему текут теплые воды с севера (иными словами, когда начинается Эль-Ниньо); тогда над ним собираются темные, похожие на луковицы облака, и разверзаются хляби небесные. Сухая почва не может справиться с огромными объемами воды, которые полностью ее затопляют. Это сложное время для местного населения: наводнения и последующие оползни могут лишить людей крова и даже жизни. Хотя Эль-Ниньо дает местным жителям крайне необходимую воду, приток теплой морской воды из экваториальных областей наносит вред рыбе. Что с нею происходит дальше – вопрос дискуссионный: одни считают, что рыба погибает в слишком теплой воде, другие – что она мигрирует на юг, туда, где похолоднее.

Почему в этой части Тихого океана так холодно?

Шведский океанограф Вагн Вальфрид Экман обнаружил, что ветер перемещает морскую воду и лед, причем не только поверхностные слои. Особенно это характерно для Южного полушария, где южный ветер гонит поверхностные воды океана на 45 градусов влево от направления ветра, то есть к северо-западу, иными словами – прочь от побережья Южной Америки. Дело здесь в том, что вращение Земли приобретает дополнительную результирующую силу, известную как сила Кориолиса. Ее влияние распространяется на определенную глубину, так что океанические воды забирают влево до 90 градусов – таким образом, наблюдается сильное течение на запад, от берега. Это явление получило название экмановской спирали. Обратная картина имеет место в Северном полушарии, где преобладающие ветра отклоняют поверхностные течения на 45 градусов вправо к направлению ветра, а толщу воды – вплоть до 90 градусов вправо.

Юго-восточные пассаты в этой части мира дуют на север, вдоль восточного побережья Южной Америки. Эта теория объясняет тот факт, что не только поверхностные океанические течения отклоняются на 45 градусов от береговой линии, но и значительные глубинные течения отходят от нее на 90 градусов, что вызвано ветрами и силой Кориолиса. В процессе холодные воды из глубин океана перемешиваются с более теплыми водами поверхности. Этот процесс называется апвеллингом и обеспечивает постоянный приток холодной, богатой кислородом и питательными веществами воды. Вот почему океан здесь буквально кишит жизнью, а над холодными водами стоит устойчивая погода.

У Эль-Ниньо (исп. «мальчик») есть сестричка, Ла-Нинья (исп. «девочка»). Ла-Нинья – название, данное значительному дополнительному охлаждению вод в юго-восточной части Тихого океана: здесь вода еще холоднее, чем этого следовало бы ожидать. Вот уже несколько десятилетий фазы потепления и охлаждения в этой части океана носят эти названия – Эль-Ниньо (потепление), нейтральная (обычная температура океана, то есть холодная), Ла-Нинья (сильное охлаждение), – а также множество переходных случаев. Эль-Ниньо – это не просто локальное обращение вспять океанических течений, которое, взаимодействуя с нижними слоями атмосферы, приносит бури на северо-западное побережье Южной Америки, да и воздействие его не ограничивается Перу и частью Чили. Это часть более крупного явления, которое именуется ENSO (El Niño – Southern Oscillation, Эль-Ниньо – Южная осцилляция) и действует на протяжении несколько тысяч километров в южных тропических широтах Тихого океана. Его влиянием объясняются многие погодные аномалии по всему миру.

Ячейка Уокера – это поток воздуха, который при обычном, «нейтральном» сценарии движется с востока на запад в южной части Тихого океана – из зоны высокого давления на юго-востоке океана в зону низкого давления над Юго-Восточной Азией и северо-востоком Австралии. Здесь воздух поднимается вверх и отправляется назад в Южную Америку, где ячейка замыкается, и все повторяется заново. Представьте себе Южную Америку с одной стороны и Юго-Восточную Азию – с другой, а над ними небо. Воздух циркулирует здесь по часовой стрелке, образуя правильный прямоугольник: поток спускается к поверхности над Перу и Чили, затем следует на запад над поверхностью океана, где поднимается вверх над северо-востоком Австралии и Юго-Восточной Азией. Здесь воздух направляется через океан к востоку, но на этот раз на большей высоте, где и доходит до исходной верхней точки над Южной Америкой. Нарисуйте дождь над Юго-Восточной Азией и солнце над Перу и Чили – и вы получите полное представление об этом механизме. Нисходящий воздух препятствует формированию осадков, отсюда солнечная погода и пустыня Атакама. Восходящий воздух образует облака и приводит к дождям – такова обычная погода для тропических регионов северо-востока Австралии и Юго-Восточной Азии. Таков типичный сценарий.

Однако во время Эль-Ниньо картина наблюдается обратная. В Чили и Перу идет дождь, поскольку воздух сначала поднимается вверх (из-за низкого давления), а затем, уже на некоторой высоте, отправляется на запад. Над Юго-Восточной Азией и северо-востоком Австралии воздух спускается (так как теперь там зона высокого давления) и погода становится сухой.

Такое временное изменение погодных условий на двух берегах южной части Тихого океана называется Южной осцилляцией. Это своеобразные гигантские качели: из нейтрального сценария погода переходит к сценарию Эль-Ниньо и обратно к нейтральному, а иногда и к противоположному – Ла-Нинье. Это невероятно мощные глобальные колебания погодных условий, которые распространяются на тысячи километров. Все вместе они известны как ENSO. В некоторые годы маятник колеблется слишком сильно и долго, что приводит к противоположному сценарию – серьезным последствиям для обоих субконтинентов. В Перу и Чили проливные дожди вызывают оползни, наводнения и недостаток рыбы. В то же время в Юго-Восточной Азии и на северо-востоке Австралии происходит ровно противоположное: небо расчищается, дожди прекращаются, и тропическая зеленая растительность становится жертвой беспощадных солнечных лучей. Засуха, неурожаи и лесные пожары не заставляют себя ждать. На западе южной части Тихого океана солнечные лучи проникают сквозь толщу неглубоких морей, где обычно процветают настоящие подводные джунгли, в изобилии водится рыба и растут коралловые рифы. Избыток солнечного света вредит кораллам, подводная жизнь несет значительный урон и порой полностью вымирает.

Хотя в игру вступает еще множество факторов, это явление, господствующее над южной частью Тихого океана, вносит изменения в погодные сценарии и в других частях земного шара. Ячейка Уокера поднимается в верхнюю часть тропосферы, этого верхнего элемента погодного механизма, что вызывает пертурбации в Северном полушарии и затрагивает даже стратосферу. Все это влияет на погодные циклы по всему миру.

Даже слабый или умеренный Эль-Ниньо может спровоцировать холодные зимы в южных штатах США, а в нейтральные годы температура зимой выше обычной. Снижается и количество осадков. В годы Эль-Ниньо наблюдается меньший приток холодного воздуха из Арктики в Канаду и северные штаты США: в этом случае в этих районах становится не так холодно, но выше вероятность ливней.

Недавнее исследование показало, что Эль-Ниньо ответственен за 70 % засушливых лет на Аравийском полуострове, особенно на юге и юго-востоке. Ла-Нинью удалось в 38 % случаев связать с годами повышенного уровня осадков в этих районах. Также Эль-Ниньо связывают с более холодными и суровыми зимами на севере Европы: установлена его корреляция с внезапным потеплением в стратосфере, которое ослабляет обычно сильные атлантические струйные течения, отвечающие за более мягкую и влажную погоду в Великобритании и Северо-Западной Европе. Вместо него начинают преобладать восточные ветры, которые несут зимнюю стужу и повышают вероятность снегопадов и образования льда.

Эль-Ниньо обвиняют даже в увеличении частоты ураганов на северо-востоке Тихого океана и сокращении частоты тропических ураганов над Атлантикой. Это во многом связано с так называемым сдвигом ветра, при котором горизонтальные ветры на высоте изменяют вертикальную структуру ураганов. Таким образом, Эль-Ниньо можно считать причиной множества погодных явлений по всему миру, но его собственный феномен до сих пор изучен не до конца, так что в течение всего года за ним пристально следят, чтобы суметь предсказать плохую погоду в других частях земного шара.

Можно сказать, что в глобальном смысле Эль-Ниньо – Южная осцилляция оказывает влияние и на среднегодовую температуру планеты. Сильные проявления Эль-Ниньо связаны с потеплением Тихого океана, а это избыточное тепло поступает в атмосферу, что приводит к повышению среднегодовой температуры. Самые теплые годы за историю наблюдений соответствуют сильным проявлениям Эль-Ниньо. Наоборот, если в данный год проявлялась Ла-Нинья, при которой тихоокеанские воды холоднее обычного, велика вероятность, что средняя температура этого года относилась к наиболее холодным.

Глобальное потепление и эффект Альбедо

Альбедо – это способность поверхности отражать солнечный свет: 100 % – полное отражение, 0 % – абсолютно черная поверхность. Светлоокрашенные поверхности, такие как лед или снег, хорошо отражают солнечный свет, а следовательно, имеют высокое альбедо. Темные поверхности, например, зеленые поля, поглощают больше солнечного света, а отражают гораздо меньше. Часть поглощенного света впоследствии излучается обратно в виде инфракрасной энергии, или тепла, поэтому говорят, что у темных поверхностей альбедо меньше.

Криосфера – термин для обозначения регионов земного шара, покрытых снегом, льдом или замерзшей землей, так называемой вечной мерзлотой. Эти поверхности встречаются не только в высоких широтах, но и на большой высоте. Арктика зимой покрыта морским льдом, а Антарктида почти полностью закована в лед на протяжении большей части года. От внешнего края этих ледников периодически откалываются глыбы, которые уплывают в открытые воды и там со временем тают. Криосфера играет важнейшую роль в регулировании температуры Земли. В целом можно сказать, что безо льда поглощалось бы гораздо больше солнечного света, суша и море были бы значительно теплее, а уровень моря намного выше, что привело бы к серьезным последствиям.

Зимой озера замерзают, и снежный покров распространяется далеко на юг. Около 68 % всей пресной воды на Земле сосредоточенов форме льда. В процентах от всего количества воды (включая океаны и моря) это 1,7 %. Кажется, что это немного, но воздействие льда на климат на Земле огромно. Годовое распределение льда и снега не остается неизменным. В Северном полушарии максимальный снежный покров случается зимой, а в Южном полушарии в те же месяцы он минимален. Когда же в Южном полушарии наступает зима, лед и снег начинают распространяться на север от Южного полюса. В то же время морской лед в Северном полушарии весной и тем более летом начинает отступать к северу, к Полярному кругу. Конечно, это упрощенное толкование, из которого можно заключить, что теоретически баланс снега и льда в мире не очень заметно меняется в течение года. Однако здесь в игру вступают иные факторы, которые влияют на количество снега и льда в определенные времена года и могут снизить или повысить альбедо, что в итоге предопределяет температуру нашей планеты. Один из важнейших факторов, влияющих на криосферу – наступающее глобальное потепление, которое замедляет сезонный рост снежного и ледяного покрова и ускоряет таяние морского льда. Уменьшается из-за него и объем старого льда, который восполняется каждую зиму свежим снегом и тем самым поддерживает существование огромных ледников в Гренландии, Антарктиде и некоторых частях Исландии.

Хотя солнечное излучение не так значительно отличается от года к году (солнечный минимум наступает каждые 11 лет), реакция атмосферы на солнечный свет меняется в зависимости от таких факторов, как количество парниковых газов, крупные погодные явления вроде Эль-Ниньо и количество солнечного излучения, которое отражается в виде тепла по всему миру. Самый важный фактор здесь – температура воздуха и поверхности океана. Разумеется, данная область изучена еще недостаточно, особенно большое поле для исследования представляет убывание арктического морского льда. Многие климатологи считают, что Арктика полностью лишится льда уже в этом столетии. Теплые течения препятствуют образованию льда, а штормовые моря не способствуют ледоставу в осенни

What Does Rain Smell Like?

Originally published in the English language in the UK by 535, an imprint of Bonnier Books UK Limited, London. The moral rights of the author have been asserted

Введение

Саймон Кинг, Клэр НасирСентябрь 2019

Солнце

Отчего небо голубое?

Как солнце влияет на погоду и климат на Земле?

Зоны Солнца

Структура Солнца
Ядро: гравитационное притяжение в ядре приводит к огромному давлению и температуре до 15 млн °C. В процессе ядерного синтеза образуется гелий – при слиянии атомов водорода; образующаяся энергия излучается вовне, попадает во внешние слои Солнца, а затем и в космос.
Зона лучистого переноса: она окружает солнечное ядро и играет ключевую роль в излучении энергии синтеза в форме фотонов (волн или частиц света). Любому отдельно взятому фотону требуется на это несколько сотен тысяч лет, поскольку процесс включает в себя постоянное поглощение и новое излучение фотонов солнечными газами. Этот слой составляет 45 % солнечного радиуса и охлаждается по мере отдаления от ядра. При контакте с внешней конвективной зоной этот слой теряет около 13 млн °C.
Конвективная зона: ее температура составляет около 2 млн °C, это самая отдаленная из зон внутреннего строения Солнца. Энергия, полученная из соседней зоны лучистого переноса, передается на поверхность Солнца посредством конвекции (повышения и понижения температуры). Это можно увидеть на поверхности Солнца, где чередуются темные (более холодные области) и светлые (более теплые) пятна. Когда фотоны достигают поверхности Солнца, порождается свет – его-то и видно с Земли. Как зона лучистого переноса, так и конвективная зона холоднее, чем ядро.

Есть ли у солнца атмосфера?

Как и у Земли, у Солнца есть атмосфера, которую можно разделить на три слоя.

Солнце кружится, вращается вокруг своей оси, летит по орбите или колеблется?

Как воздействует на землю солнечный свет?

Какизменяется количество солнечного света на земле от севера к югу?

Полярный день

Полярная ночь

Почему на земле четыре времени года?

Что такое ультрафиолетовое излучение?

Радиоволны: самая низкая частота и наименьшая энергия. Диапазон длин волн, соответственно, от 1 см до 100 км. Их можно использовать для коммуникации: они способны переносить информацию или сигналы из одного места в другое. Радио- и телевизионные станции, как и компании сотовой связи, используют для передачи сигналов именно радиоволны. Звезды и планеты тоже испускают радиоволны, которые могут уловить радиотелескопы на Земле, принимающие радиочастоты электромагнитного спектра.

Что такое озоновый слой?

Как на нас воздействуют разные типы ультрафиолетового излучения?

• Ультрафиолет А (315–400 нм) – ближнее УФ-излучение, длинноволновой диапазон, проходит сквозь атмосферу;

Что такое УФ-индекс?

Как различается уровень ультрафиолетового излучения?

• Высота: с каждыми 300 метрами подъема уровень УФ-излучения повышается на 2 % из-за разрежения воздуха.

Как вращение Земли влияет на погоду?

Поверхность Земли движется не с той же скоростью, что и атмосферный воздух. То, что мы сверху воспринимаем как прямой поток воздуха, у поверхности будет отклоняться, поскольку Земля продолжает вращаться. В Северном полушарии это отклонение направо, то есть к западу. Сила Кориолиса наиболее отчетливо чувствуется у полюсов: чем ближе к экватору, тем меньше она оказывает влияние на погоду. Сила Кориолиса создает спирали из облаков и воздуха, которые переносят влагу и тепло по планете. Области низкого давления в средних широтах, напоминающие доску для дартса, обусловлены силами, связанными с вращением Земли: теплый воздух, движущийся на север, сталкивается с холодным воздухом, распространяющимся на юг. Когда эти воздушные массы смешиваются, начинается циркуляция. На спутниковых изображениях видны великолепные вихри циклонов с четко различимым «глазом» в центре и вращающимися облаками на периферии – это свидетельство существования силы Кориолиса. Знаменитые пассаты[1] на тридцатых широтах – еще один пример того, как сила Кориолиса формирует погоду на планете. Северо-восточные ветры к северу от экватора сближаются с юго-восточными ветрами к югу от экватора. Те и другие отклоняются от прямого движения к северу или югу силой Кориолиса (вправо – в Северном полушарии, влево – в Южном). Район, где встречаются эти ветры, носит название тропической зоны конвергенции; именно она порождает пояс низкого давления, который окружает атмосферу Земли близ экватора.

Что такое солнечные бури и какое влияние они оказывают на Землю?

Солнечный ветер

Протуберанцы и корональные выбросы массы

Буря Кэррингтона

Пятна на солнце и солнечные циклы

Что такое пятна на Солнце?
Цвет: пятна на Солнце – темные пузырьки или области, которые возникают на поверхности Солнца. Они состоят из двух частей: тени (более темной) и окружающей ее полутени.
Расположение: при более пристальном рассмотрении оказывается, что солнечные пятна расположены в фотосфере – внутреннем слое солнечной атмосферы, более холодном, чем ее внешние слои (хромосфера и корона).
Температура: имеют более низкую температуру, чем окружающее их пространство – около 3700 °C, то есть примерно на 1000 °C холоднее, чем вся фотосфера.
Размер: могут быть во много раз больше Земли.
Образование: возникают благодаря внутреннему магнитному полю Солнца, которое «выдувает» поток частиц на поверхность, формируя таким образом пятно.
Появление: показываются в определенных районах сферы Солнца – в 15–20 градусах от солнечного экватора. Они никогда не встречаются к северу или югу от 70-й широты.
Время: обычно появляются во время солнечного максимума, то есть наибольшей активности Солнца.

Стихии

Ветер: самая влиятельная погодная стихия на Земле

Конечно, все не так просто, как изложено здесь. В глобальном масштабе нам известно, что Солнце нагревает экватор сильнее, чем полюса. Это значит, что воздух у экватора тоже нагревается, а следовательно, расширяется и поднимается. Когда воздух доходит до пределов атмосферы и не может двигаться дальше, он начинает продвигаться в сторону одного из полюсов – к северу или к югу. В процессе воздух начинает остывать и вновь опускается к поверхности. Достигнув ее, он вновь перенаправляется на север или на юг. Воздух, попавший опять на экватор, со временем нагревается – и процесс возобновляется. Сам процесс, как вы, возможно, уже знаете, называется циркуляцией. Это так называемая циркуляционная ячейка Хэдли[2]. В средних широтах находится ячейка Феррела[3], а у полюсов – полярная ячейка[4]. Именно благодаря этим циркуляционным ячейкам на экваторе не так жарко, а на полюсах не так холодно.

Семейство струйных течений

Местные ветры

Один из местных ветров с официальным названием в Великобритании – хелм[6], который дует над Пеннинскими горами на севере Англии. Когда воздух стабилен, вертикального движения практически нет. Дело в том, что верхние слои воздуха не пускают ветер выше, служа своеобразной крышкой. Если этот верхний слой находится в 300 метрах от вершины горы, восходящие потоки воздуха сжимаются и приобретают ускорение, так что когда ветер спускается с другой стороны гор, он становится сильнее. В Камбрии, когда ветер дует с северо-востока, этот эффект наблюдается на высшей точке Пеннинских гор – горе Кросс-Фелл. В результате на ее юго-западном склоне образуется сильный ветер хелм. Проходя над вершиной Кросс-Фелла, воздух создает волновые потоки, в итоге образуется большое облако. Это облако тоже известно как хелм – оно существует постоянно, это темная, угрожающего вида туча, которая сползает с вершины Кросс-Фелла.

Эффект фёна

Эффект фёна[7] может приводить к созданию совершенно различных погодных условий по обе стороны горного хребта. Этот эффект можно наблюдать в самых разных уголках земного шара, но в Великобритании он заметнее всего над горами Шотландии и Уэльса. Воздух с Атлантики, теплый и влажный, попадает в гористую местность. В это время температура воздуха может достигать приблизительно 10 °C. Воздух поднимается вверх по горам, охлаждается, образует тяжелые тучи, которые могут пролиться дождем. Когда воздух доходит до вершины горы и спускается по склону с обратной стороны, он становится более сухим и теплым. Это происходит потому, что насыщенный влагой воздух, поднимаясь и опускаясь в атмосфере, ведет себя не так, как сухой. Вот почему с подветренной стороны горы в небе не так облачно и температура достигает 18 °C, а с другой стороны погода совершенно иная.

1 Пассаты – устойчивые сильные ветры в 30-х градусах северной и южной широты, дующие в тропиках по направлению к экватору. В северном полушарии они дуют с северо-востока, в южном – с юго-востока. Словарь использующихся в книге терминов приведен в конце.

2 Ячейка Хэ́дли (или ячейка Гадлея) – элемент циркуляции земной атмосферы, наблюдаемый в тропических широтах. Характеризуется восходящим движением у экватора, направленными к полюсам потоками на высоте 10–15 км, нисходящими движениями в субтропиках и потоками по направлению к экватору у поверхности. Эта циркуляция определяет погоду и климат в тропиках.

3 Ячейка Феррела – элемент циркуляции земной атмосферы в умеренном поясе. Находится примерно между 30 и 65 градусами северной широты и 30 и 65 градусами южной широты, ограничена субтропическим хребтом с экваториальной стороны и полярным фронтом – с полярной. Считается второстепенным циркуляционным элементом и полностью зависит от ячейки Хэдли и полярной ячейки.

4 Полярная ячейка – элемент циркуляции земной атмосферы в приполярных районах Земли, имеет вид приповерхностного вихря, который закручивается на запад, выходя из полюсов; и высотного вихря, закручивающегося к востоку.

5 Муссоны – ветры, идущие из тропиков к экватору (летом дуют с океана, зимой – с материка)

6 Хелм (Helm Wind) – сильный северо-восточный ветер, единственный, у которого на Британских островах есть название.

7 Фён – сильный, порывистый, теплый и сухой местный ветер, который встречается с подветренной стороны горного хребта.

Продолжение книги

Чем пахнет дождь? Ясные ответы на туманные вопросы о климате и погоде бесплатное чтение

Саймон Кинг, Клэр Насир Чем пахнет дождь?

Введение

Солнце

Отчего небо голубое?

Как солнце влияет на погоду и климат на Земле?

Структура Солнца

Есть ли у солнца атмосфера?

Солнце кружится, вращается вокруг своей оси, летит по орбите или колеблется?

Как воздействует на землю солнечный свет?

Какизменяется количество солнечного света на земле от севера к югу?

Полярный день

Полярная ночь

Почему на земле четыре времени года?

Что такое ультрафиолетовое излучение?

Что такое озоновый слой?

Как на нас воздействуют разные типы ультрафиолетового излучения?

Что такое УФ-индекс?

Как различается уровень ультрафиолетового излучения?

Как вращение Земли влияет на погоду?

Что такое солнечные бури и какое влияние они оказывают на Землю?

Солнечный ветер

Протуберанцы и корональные выбросы массы

Буря Кэррингтона

Пятна на солнце и солнечные циклы

Что такое пятна на Солнце?

Стихии

Ветер: самая влиятельная погодная стихия на Земле

Семейство струйных течений

Местные ветры

Эффект фёна

Мистраль

Вода

В чем разница между дождем и ливнем?

Когда чаще идет ливень, а когда – чаще дождь?

Какую форму имеет капля дождя?

Почему не все облако сразу проливается дождем?

Чем пахнет дождь?

Что такое «зимние осадки»?

Как образуется град?

Ледяной дождь: ведь это просто лед, правда?

Мокрый снег

Снег

Действительно ли все снежинки уникальные?

Бывает ли слишком холодно для снега?

Правда ли, что снег – самая важная стихия на Земле?

Лед

Насколько важен лед?

Насколько опасно таяние льдов?

Может ли вода замерзнуть, но не стать льдом?

Правда ли, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Туман

Что такое «гороховый суп»?

Туманные факты

Молния

Насколько горяча молния?

Может ли молния служить человечеству?

Куда молния бьет неоднократно?

Облака

Откуда появляются облака?

Состав облаков

Процесс образования облаков

Парад облаков

В какой момент облака проливаются дождем?

Почему кажется, что нижние кромки всех облаков находятся на одной высоте?

Сколько времени живут облака?

Все дело в конвекции

Как понять, что гроза близко?

Кучевые облака

Форма и высота

Цвета и оттенки

Семейство кучевых облаков

Кучевые и грозовые облака

Что происходит внутри грозового облака?

Знакомьтесь: слоистые облака

Семейство слоистых облаков

В игру вступают адвекцияи семейство слоистых облаков

Перистые облака: жди непогоды

Будут ли ночью заморозки?

Как мы предсказывали облака и дожди раньше?

Саймон Кинг, Клэр Насир
Чем пахнет дождь?