Текст книги "Саммари книги «Чем пахнет дождь? Ясные ответы на туманные вопросы о климате и погоде»"

Алина Григорьева
Саммари книги «Чем пахнет дождь? Ясные ответы на туманные вопросы о климате и погоде»

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. Начиная с первых тысячелетий существования человечества погода является непременной частью нашей жизни.

Книга «Чем пахнет дождь?» двух профессиональных метеорологов, Саймона Кинга и Крэр Насир, объяснит множество сложных погодных явлений простым языком.

Солнце

• Почему небо голубое?

В повседневной жизни мы принимаем как факт, что небо голубое. 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, а каждый из них имеет собственную длину волны. Белый свет Солнца проходит сквозь атмосферу, и содержащиеся в ней лед, водные капли и молекулы газа разлагают свет на цвета. Голубой цвет рассеивается значительно сильнее, чем все остальные, и нашим глазам привычнее определять более короткие длины волн – с этой стороны спектра и находится голубой.

• Как Солнце влияет на погоду и климат на Земле?

Солнце играет важнейшую роль в климатических условиях на Земле. Оно обеспечивает нас светом и теплом, а от его огромной силы притяжения зависят орбиты планет. Солнце состоит из газов и ведет себя как гигантский реактор ядерного синтеза.

В течение года на Землю поступает постоянный поток солнечного излучения. Однако интенсивность его попадания на земную поверхность зависит от времени года и широты. Солнечный свет преобразуется в тепло и инфракрасную энергию, когда встречается с поверхностью.

На Земле есть поверхности, которые можно назвать полностью отражающими или полностью поглощающими. Показатель отражения называется альбедо. Например, альбедо свежевыпавшего снега равно 0,8, а альбедо леса – около 0,15. Снег в основном отражает свет, а леса и океаны – поглощают.

Кроме того, свет прогревает почву совсем не глубоко, гораздо глубже он проникает в воду. Этим объясняется, например, перепад температур в пустыне. Или мягкие прибрежные зимы, море зимой медленно отдает накопленное за лето тепло.

Земная атмосфера играет роль одеяла, которое удерживает значительную часть тепла. Это объясняет, почему Луна такая холодная: солнечный свет поступает на ее поверхность, но там нет атмосферы, которая задерживала бы тепло.

• Времена года

Времена года определяются интенсивностью солнечного излучения. Причина смены времен года в том, что ось вращения нашей планеты наклонена на 23,4 градуса. Когда Земля совершает оборот вокруг Солнца за год, этот наклон сохраняется, в результате каждое полушарие отклоняется от Солнца зимой и приближается к Солнцу летом.

• Как вращение Земли влияет на погоду?

Земля вращается не только вокруг Солнца, но и вокруг своей оси – это необходимо для поддержания жизни на Земле. 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 день равнялся бы году. Климат полностью изменился бы.

• Солнечные бури

Время от времени на Солнце происходят вспышки плазмы. Солнце выбрасывает в космос поток высокозаряженных частиц, и Земля может оказаться на их пути. В зависимости от мощности вспышки образуются либо солнечные ветры (при попадании в атмосферу создают Северное сияние), либо солнечные вихри. Солнечные вихри мешают работе электросетей, радиосвязи и спутников.

Стихии

• Ветер

Ветер – вероятно, самая значимая из погодных стихий на Земле. Он необходим для перемещения теплого воздуха с экватора на полюса, без него не существовало бы круговорота воды в природе.

В метеорологии ветер – это поток воздуха, он может быть вертикальным, восходящим или нисходящим, горизонтальным, распространяющимся в любом направлении. Чтобы понять, как движется воздух, нужно учесть температуру и давление. Солнце нагревает воздух, молекулы начинают беспорядочно двигаться, увеличивая пространство между ними. Разогретый воздух движется вверх, а холодный – вниз. Это движение вверх и вниз и определяет атмосферное давление: поднятие теплого воздуха снижает давление у поверхности, а холодный, наоборот, увеличивает. При этом над поверхностью воздух перетекает из области высокого давления в область низкого – так возникает ветер. Чем больше разность давления между двумя участками воздуха, тем сильнее ветер.

В глобальном масштабе Солнце сильнее нагревает экватор, поэтому воздух на нем поднимается вверх, движется к полюсам, затем остывает, достигает поверхности и вновь возвращается к экватору. Это называется циркуляцией. Вращение Земли создает силу Кориолиса, из-за чего ветры отклоняются при движении на север и юг вправо или влево. Это движение создает постоянные ветры – пассаты.

• Вода

Примерно 71 % поверхности Земли покрыт водой. Именно поэтому наша планета из космоса выглядит голубой. Молекулы воды поглощают волны определенной длины, красные, желтые, оранжевые, остается только голубой. На Земле только чуть больше 3 % пресной воды, остальная вода соленая. Больше всего пресной воды (68 %) существует в твердой форме – ледники и снег.

Вода все время движется: водяной пар переносят земные ветры, жидкая вода стекается в озера и вновь выпадает дождем, тающий лед восполняется снегом.

• В чем разница между дождем и ливнем?

Фундаментальное отличие в типах облаков, которые приводят к образованию дождя. Первый тип: слоистые. Они образуются при слиянии и конденсации двух воздушных масс, из которых одна холоднее другой. Обычно такие облака не очень глубоки, зато плотно затягивают небо на десятки километров. В них постепенно накапливаются и растут облачные капельки, и со временем облака проливаются дождем.

Ливневые облака образуются иначе. Их называют кучевыми, иногда они перерастают в грозовые. Образуются они в результате вертикального движения воздуха: потоки поднимаются от локальных очагов разогретой земли.

• Форма капли дождя

Традиционно каплю изображают в виде слезы с заостренным верхом. Но на деле в момент образования в облаке капля имеет сферическую форму и практически невесома. Затем мелкие капельки сливаются вместе, капля тяжелеет и летит сквозь воздушный поток. Давление воздуха делает ее плоской. Из-за перепада давления верхняя часть капли получается закругленной, а нижняя плоской – нечто вроде расплющенного маффина.

• Чем пахнет дождь?

Запах у дождя был всегда, но свое название он получил только в 1964 году – «петрикор» (дословно переводится как «божественная кровь камня»). Во время дождя падение капель на сухую почву высвобождает газы из пор в камнях и земле, частицы попадают в атмосферу и появляется запах. А в западном мире, где запах чаще образуется от падения капель на асфальт, называют «геосмин».

• Лед

Вода замерзает, когда температура опускается ниже нуля, когда молекулы водорода и кислорода (H₂O) становятся такими холодными, что замедляются и слипаются друг с другом, образуя твердый кристалл. Интересный факт: лед благодаря воздушным карманам между молекулами менее плотный, чем вода, поэтому он не тонет.

Совокупность замороженной воды на Земле называется криосферой. Количество льда меняется со сменой времен года.

Вода не всегда замерзает при температуре ниже нуля, она может оставаться жидкой до –40 °C. Для кристаллизации в лед молекулам воды нужно найти ядро – микроскопическую пылинку, частичку грязи или пыльцы. Без ядра кристаллизация не случится, пока не дойдет до температуры –40 °C, при которой начинается образование однородных кристаллов. Такая вода называется «переохлажденной».

• Туман

В простейшей трактовке туман – это облако у самой поверхности. Воздух содержит невидимый водяной пар. Когда воздух охлаждается, он достигает точки, в которой водяной пар начинает конденсироваться в мельчайшие водяные капельки. Это называется «точкой росы». Когда температура опускается на 2 градуса ниже точки росы, образуются взвешенные водяные капли – возникает туман. Именно капельки затрудняют проникновение солнечного света и видимость. Под воздействием солнца вода снова становится водяным паром, туман «сгорает».

• Молния

В среднем во всем мире каждую секунду поверхность Земли поражает около сотни ударов молнии. Большая часть этих ударов приходится на тропики. Наша атмосфера имеет электрический заряд, и даже в хорошую погоду его можно измерить у поверхности земли. При образовании грозовых туч заряд растет. Столкновение частичек льда и капель в грозовом облаке приводит к образованию статического электричества. Заряженные частицы отталкиваются друг от друга, положительные собираются в верхней части облака, отрицательные – в нижней. Когда накапливается достаточный заряд, атмосфера стремится к его выравниванию, так что следует мощный и быстрый удар молнии от отрицательного полюса в положительный.

Воздух после встречи с молнией мгновенно разогревается до 27500 °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.

Облака

• Откуда появляются облака?

Облака образуются в нижнем слое атмосферы – тропосфере. 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.

• Почему облако проливается дождем?

Облачные капельки сталкиваются между собой и образуют 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, и сила тяжести одерживает победу – идет дождь.

• Сколько 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. Облако исчезнет, если прольется дождем, или его может «высушить» Солнце, как это происходит с туманом.

Общая картина атмосферы

В движении воздуха нет преград и границ. Даже самые высокие горы не могут полностью воспрепятствовать этому неостановимому потоку. Циркуляция воздуха – это полная взаимосвязь всех уголков Земли.

• Как тропические леса влияют на погоду в мире?

Тропические дождевые леса – районы густой растительности, отличающиеся значительным биоразнообразием и частыми обильными дождями. На дождевые леса приходится всего около 6 % суши, но при этом здесь обитает половина всех видов животных и растений Земли. Больше половины дождевых лесов сосредоточено в Латинской Америке. Именно дождевые леса играют ключевую роль в глобальном климатическом цикле, испаряя в атмосферу миллионы тонн водяного пара, насыщая грунтовые воды питательными веществами и минералами, а также производя и поглощая в огромных количествах углекислый газ и кислород. На них приходится 15–20 % общемирового испарения воды и 65 % всех дождей на суше.

• Погода в горах

Горы служат естественным барьером для ветра. Поднимаясь вверх по склону, он охлаждается, образуются облака, идет дождь. К тому времени, как воздух достигает другого склона горы, он уже совершенно изменяется. Чем выше в горы, тем холоднее, и дождь превращается в снег – эта линия называется «уровнем замерзания», или «снеговой линий». Когда же ветер начинает спускаться с другой стороны горы, вся влажность из воздуха уже исчезает. Нисхождение этого воздуха увеличивает степень сжатия. А когда газ сжимается, он разогревается, так что, спускаясь с подветренной стороны гор, воздух становится более теплым. Это называется «эффектом фёна».

Циклоны, ураганы, торнадо

На изображениях ураганы, циклоны и тайфуны выглядят одинаково – крупная буря с четким центром – глазом бури. Но и по сути всё это одно и то же: погодные системы, которые могут порождать ливневые дожди и ветер с устойчивой скоростью в сердцевине бури как минимум 33 м/с.

Ураганы – это тропические циклоны, которые образуются в Атлантическом океане или в восточной части Тихого. Они оказывают воздействие прежде всего на Карибский регион, Центральную Америку и США. Когда тропическая система официально получает статус бури, ей дается имя, официально одобренное советом Всемирной метеорологической организации – органом, отвечающим за все названия тропических циклонов.

Тайфуны – это тропические циклоны, возникающие в западной части Тихого океана. Они могут оказывать воздействие на множество стран: от Индонезии и Филиппин до Китая, Тайваня и Японии. Формируются они так же, как ураганы.

Циклоны рождаются в тропической циклонной системе, сформировавшейся в Индийском океане. Они оказывают воздействие на Австралазию на востоке и Мадагаскар на западе.

Ураганы и тайфуны, образовавшиеся в Северном полушарии, вращаются против часовой стрелки. Циклоны южного полушария, действующие в Австралазии, вращаются по часовой стрелке.

• Формирование тропического циклона: три ингредиента

Сентябрь – пик сезона ураганов. Проследим цикл образования одного из них: в Сомали жаркий день создает значительные восходящие потоки, из-за чего африканское восточное воздушное течение, которое движется со скоростью 50 км/ч, слегка отклоняется. Это тропическая волна – возмущение атмосферы. Возмущение атмосферы нарастает по мере того, как течение движется над Африкой, вызывая сильные грозы. Это первый ингредиент.

В Кот-д’Ивуаре грозы сливаются друг с другом, волна получает статус «тропической депрессии». Тропическая депрессия, движимая восточным ветром, отходит от западного побережья Африки и начинает пересекать открытые воды восточной Атлантики. Если температура поверхности воды ниже 26 °C, тропическая депрессия начнет ослабевать и в итоге закончится. Однако если температура выше 26 °C, то это и есть второй ингредиент.

Теперь обратим внимание на ветер. Изменение скорости и направления ветра с высотой называется «ветровой сдвиг». Сильный ветровой сдвиг попросту разорвет тропическую депрессию, ослабив уже образовавшийся было полноценный ураган. Однако если ветровой сдвиг отсутствует или незначителен, его развитие продолжается. Это третий ингредиент.

Если скорость поверхностного ветра превышает 17 м/с, явление получает статус «тропической бури» и ему дается имя.

Для продвижения бури в западном направлении температура поверхности океана должна оставаться выше 26 °C, а ветровой сдвиг в атмосфере – незначительным. Кроме того, подобные бури не любят пыль. Пыль и песок, захваченные ветрами в Сахаре и вынесенные на много километров в море, разрушат структуру бури. Но если этого не произошло, скорость поверхностных ветров превысит 33 м/с, можно будет считать, что полноценный ураган сформирован.

• Штормовая волна

Когда тропический циклон опускается на сушу, самой разрушительной силой становится не ветер, а штормовая волна. Она вызывает наводнение в прибрежных районах. Такие волны могут превышать 2–4 метра и затоплять сушу на многие километры.

• Торнадо

Для образования торнадо нужно прежде всего большое количество грозовых облаков. Эти облака тянутся в атмосфере на многие километры, притом внутри облака действует вертикальная тяга – как вверх, так и вниз, что способствует высокой турбулентности. Внутри скорость и направление потока меняются очень быстро в результате ветрового сдвига, что приводит к образованию воздушного столба. Этот вращающийся воздушный столб начинает засасывать всё больше теплого воздуха с земли, а холодный воздух внутри вихря опускается вниз. Это нисходящее движение еще сильнее отрывает вихрь от исходного облака, торнадо рождается, когда вихрь касается земли.

Торнадо могут возникать в любом месте на Земле. Почему вы их ни разу не видели? Часто они слишком слабы и быстро исчезают, не нанося никакого ущерба.

Погодные явления

• Радуга

Многие восхищаются, когда видят в небе радугу. Она говорит нам о том, что одновременно идет дождь и светит Солнце. Это оптический феномен, возникающий при взаимодействии солнечного света, капелек воды и вашего глаза. Последний элемент делает радугу индивидуальной.

Для возникновения радуги важно, чтобы Солнце светило у вас из-за спины, а водяные капельки находились спереди. Когда солнечный свет попадает на сферическую водяную капельку, он частично отражается обратно, но в большей степени он проникает внутрь капли и искривляется под другим углом – это явление известно как «рефракция». Свет расщепляется на цвета спектра, и вы видите радугу.

Существует еще лунная радуга, разница лишь в том, что она образованная лунным светом. Выглядит такая радуга более блекло из-за слабого света.

• Самые редкие облака

Некоторые облака можно увидеть гораздо реже остальных.

Вымеобразные облака

Такие облака образуются рядом с грозовыми кучевыми облаками или прямо под ними. Для них нужны сильные восходящие и нисходящие потоки воздуха, таким образом части облаков «вылезают» из нижней части и образуют ячейки или «сумки», которые и называют «вымеобразными».

Перламутровые облака

Есть редкий вид облаков, которые образуются в стратосфере (большинство облаков формируются в тропосфере). Официально они называются «полярными стратосферными облаками», но более известны как «перламутровые», или «переливчатые облака». В стратосфере обычно очень сухо и холодно, поэтому такие облака состоят не из водяных капель, а из ледяных кристаллов. Перламутровые облака светятся всеми цветами радуги в сумерках, когда Солнце опускается достаточно низко над горизонтом.

Сумеречные лучи

Снопы солнечного света, проходя через облака и достигая поверхности земли, добавляют облакам поистине оглушительный эффект. Чаще всего это происходит на рассвете или в сумерках, когда небо наполняется оранжевым светом. Снопы света и тени разрывают облака изнутри; порой их называют «лучами Бога». Кажется, что они исходят из одной точки, но на самом деле параллельны.

• Северное сияние

Северное сияние по-научному именуется Aurora Borealis и по большей части наблюдается в районе Северного полярного круга. В Южном полушарии ему соответствует южное сияние – Aurora Australis. Технически различий в них нет, только северное более популярно. В Северном полушарии больше суши, а потому больше шансов увидеть это явление.

Сияние вызывается взаимодействием заряженных частиц – электронов, испускаемых Солнцем, с магнитным полем и атмосферой Земли. Магнитное поле притягивает частицы к полюсам. Когда в верхнюю часть атмосферы Земли поступают миллиарды высокозаряженных частиц, происходит их столкновение с атмосферными газами. В результате взаимодействия газы возбуждаются и испускают фотоны – небольшие сгустки энергии в форме света. Когда энергии становится достаточно, она высвобождается и в небе танцует северное сияние. Самые частые цвета – зеленый и красный. Они обусловлены молекулами кислорода в атмосфере. Молекулы азота дают пурпурное свечение.

Погода, космос и влияние планет

• Какая погода на других планетах?

Меркурий

Его близость к Солнцу не дает никаких преимуществ. Эта серая планета самая маленькая в Солнечной системе, а ее атмосфера не задерживает тепло. На ней нет ни облаков, ни дождя, ни ветра, а разность температур экстремальная: иссушающая жара днем и ужасный холод ночью. Вращается Меркурий так медленно, что Солнце встает лишь раз в 176 дней, зато год, наоборот, длится лишь 88 дней.

Венера

Самая жаркая планета в Солнечной системе. Ее атмосфера сформирована толстым слоем углекислого газа, и поверхность закрыта кислотными облаками, которые сохраняют тепло. Суровые высотные ветры дуют по всей планете, приводя в движение желтые и белые облака и затемняя поверхность, что препятствует наблюдениям.

Вращается Венера так медленно, что Солнце встает здесь лишь дважды в году.

Земля

Единственная известная планета, на которой есть жизнь. Происходит это благодаря смеси атмосферных газов: кислород, азот, водород и углекислый газ. Тонкий озоновый слой защищает нас от УФ-излучения, а в нижней части атмосферы свет преобразуется в тепло. Ветра и океанические течения сглаживают погодные условия.

Марс

Эту планету можно считать холодной пустыней. Она находится дальше от Солнца, а атмосфера на ней слишком тонкая, чтобы удерживать тепло и влагу. Красный цвет поверхности Марса придает высокое содержание железа. На полюсах имеются полярные шапки, состоящие из льда и замороженного углекислого газа.

Юпитер

Один из двух газовых гигантов, почти в 11 раз больше Земли. У Юпитера газообразная атмосфера, которая окружает более плотную, хотя и недостаточно четко определенную внутреннюю часть планеты. Состоит атмосфера по большей части из водорода с небольшим участием гелия и других элементов. По всей планете свирепствуют бури, некоторые не утихают годами и даже столетиями.

Сатурн

Еще один газовый гигант. Находится еще дальше от Солнца, поэтому средняя температура составляет –178 °C. Планету окружают четыре ледяных кольца, что наряду с 62 спутниками чрезвычайно сильно привлекает внимание ученых. Сильный наклон оси, 27 градусов, приводит к образованию времен года, каждое из которых длится около семи земных лет. А день длится всего 10,7 часа. Облака состоят из аммиака и льда.

Уран

Первый из двух ледяных гигантов. Он кажется голубовато-зеленым из-за высокого содержания метана в атмосфере. На Уране невероятно холодно, а один оборот вокруг Солнца длится 84 года. Сильные ветры гоняют в его атмосфере льдисто-метановые облака.

Нептун

Он расположен дальше всех от Солнца. Большая часть его плотной массы приходится на метан, аммиак и водород. Один оборот Нептуна вокруг Солнца занимает 165 земных лет, он получает в 900 раз меньше солнечного света, чем Земля. Это самая ветреная планета из всех восьми: скорость ветра здесь может достигать 555 м/с.

• Астероиды – главная угроза Земле?

В данный момент у нас нет никакой защиты от столкновения с астероидом, подобным тому, что стал причиной вымирания динозавров. Лишь атмосфера остается главной защитой Земли от камней из космоса.

Астероид – крупное каменистое тело в космосе, не имеющее атмосферы, однако вращающееся по орбите вокруг Солнца. Чтобы считаться астероидом, тело должно быть не менее метра в ширину, хотя порой имеет диаметр в сотни километров.

Метеороид – любое космическое тело диаметром менее метра считается метеороидом. Они часто попадают в земную атмосферу, если они испаряются, то становятся метеорами, которые часто называют «падающими звездами».

Метеорит – крупный метеороид или астероид, который пережил пролет через недружественную земную атмосферу. Тысячи метеоритов не оказывают на поверхность Земли никакого воздействия, сгорая в нижних слоях атмосферы и ненадолго озаряя собой небо.

Болид – это очень яркий метеор, который, как правило, взрывается в атмосфере; иногда его еще называют огненным шаром.

По подсчетам ученых астероиды диаметром более 25 метров, но менее километра нанесут урон в локальном масштабе. Любой астероид диаметром 1–2 км окажет глобальное воздействие. Самыми серьезными последствиями падения такого астероида станут мощнейшие порывы ветра и взрывные и ударные волны. Перепад давления воздуха вызовет разрывы внутренних органов у людей и животных, а взрывная волна отшвырнет тела и сравняет с землей здания и леса.

Примерно раз в год астероид размером в автомобиль всё же преодолевает атмосферный щит Земли, раз в 2000 лет долетают метеориты размером с футбольное поле, каждые несколько миллионов лет с Землей сталкивается астероид, размеров которого достаточно для опустошения целого региона. Чаще всего нас спасает то, что большая часть планеты покрыта водой, метеориты чаще тонут, чем разбиваются о твердь.