Текст книги "Несчастья невских берегов. Из истории петербургских наводнений"

Причины петербургской погоды

Погода каждого дня в Петербурге в любое время года объясняется очень просто: она зависит от расположения циклонов, антициклонов и разделяющих их атмосферных фронтов над Европой от Британских островов до Урала и от арктических морей до морей Черного и Каспийского. Для метеоролога, изучающего атмосферу, для синоптика, «одновременно обозревающего» погоду на пространстве 1000—3000 км через каждые 3-6 часов (по крайней мере, не реже одного раза в сутки), такое объяснение вполне очевидно. Простому же читателю, интересующемуся не погодой вообще, а погодой на завтра, на ближайшие выходные, на месяц очередного долгожданного отпуска – в особенности, приведенное объяснение простым скорее всего не покажется. Что это за циклоны, антициклоны, атмосферные фронты? Зачем нам, петербуржцам, такие необозримые просторы? Следует ли начинать объяснения с ежедневной погоды, зная, что у нас она может измениться за короткие часы, а каждое время года отличается неповторимым своеобразием? Читатель, даже достаточно образованный, вправе задавать любые вопросы, но он должен сознавать, как отметили известные физики, «что научная, хотя бы и популярная, книга не может читаться так же, как новелла».[180]180
  Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1966. С. 10.


[Закрыть]

Итак: повседневную погоду в Петербурге определяют циклоны, антициклоны и атмосферные фронты. Метеорологи с полным основанием называют их погодообразующими факторами. И не только в Петербурге, и даже не только на Северо-Западе России, но и во всех умеренных широтах Земли. Именно здесь, примерно между 35 и 70 градусами широты, то есть от тропиков до полярного круга, атмосферные процессы протекают наиболее активно и изменчиво, причем особенно – в северном полушарии. Здесь самое неравномерное распределение материков и океанов, по-разному поглощающих и сохраняющих солнечное тепло. Здесь расположены самые различные природные области и ландшафты: океаны, равнины, леса и степи, горы и пустыни, внутренние полузамкнутые моря и крупные озера. Над относительно однородными регионами и областями протяженностью порядка 1000 км формируются воздушные массы примерно таких же горизонтальных размеров и высотой до 5 км. Эти огромные объемы воздуха – теплые и холодные, сухие и влажные – не остаются в покое, перемещаются с разными скоростями и обычно приходят во взаимное соприкосновение.

Между воздушными массами различного происхождения и различных свойств образуется относительно узкая – порядка 100 км – переходная зона, в которой резко меняются все метеорологические элементы: давление, температура, ветер, влажность. Эта зона и есть «атмосферный фронт». Название придумали ученые знаменитой «бергенской метеорологической школы» из норвежского города Бергена в годы Первой мировой войны, по-видимому, внимательно следившие не только за погодой, но и за жестоким противостоянием воюющих сторон. Они установили, что атмосферный фронт, как и военный, не может бездействовать сколько-нибудь продолжительное время. Он подвержен колебаниям, воздушные массы в зоне раздела перемешиваются, завихряются, фронт обретает форму волны. (Представим себе большую морскую волну..) У ее гребня атмосферное давление понижается. Такова начальная стадия образования циклона, стадия «молодого» циклона.

Затем, в течение часов или немногих суток, единоборство воздушных масс обостряется. Теплый воздух поднимается над холодным, холодный проникает под теплый, волна растет, превращается в вихрь. По внешней выпуклой поверхности волны проходит теплый фронт, по противоположной – холодный. Внутри фронтов сохраняется масса теплого воздуха – «теплый сектор» циклона. Вокруг гребня волны четко обозначается воронкообразная область низкого давления. Циклон полностью сформировался, вступил в зрелую стадию, распространился в высоту, «углубился», по терминологии метеорологов.

Далее активность циклона снижается, холодный и теплый фронты сближаются, воздух теплого сектора вытесняется в верхние слои, а в приземном слое остается однородный холодный воздух. Такова третья, заключительная, стадия развития циклона, стадия «окклюзии» или «заполнения». Обновленная холодная воздушная масса пребывает в относительном покое до тех пор, пока снова не подойдет теплая воздушная масса и все возвратится на круги своя, и снова разыграется атмосферная драма с борьбой разных воздушных масс.

Эта схема образования атмосферных фронтов и циклонов в духе «бергенской школы» наиболее характерна для европейской части умеренных широт, прилегающей к Атлантическому океану, и, соответственно, для Северо-Запада России и Петербурга. Действительно, согласно климатическим данным, через наш город проходит в среднем за год 180 фронтов разных типов, причем осенью и зимой примерно по 50, весной и летом – по 40. Петербург расположен на «путях циклонов», и эти атмосферные вихри у нас явно преобладают: их повторяемость осенью и зимой составляет 60—70%, весной и летом – 50—60%.

С циклонами связаны представления о плохой погоде. Антициклоны повторяются заметно реже: в холодные сезоны – в 30—40% случаев, в теплые – в 40—50%. Они приносят хорошую погоду. Существуют еще и нейтральные атмосферные ситуации, так называемые «малоградиентные», но их повторяемость ни в один из месяцев года не превышает 10%.

Циклон в чистом виде и в полном развитии увидеть простым глазом, наглядно рассмотреть, к сожалению, невозможно. Это дано только космонавтам и синоптикам. С космических высот циклон представляется облачным вихрем, воронкообразной спиралью, закрывающей значительные пространства земной поверхности. На синоптической карте Европейской России, построенной по наблюдениям и измерениям метеорологических элементов сотен станций от Атлантики до Урала, циклон представляет собой систему замкнутых линий равного атмосферного давления – изобар. Форма циклона у земной поверхности близка к эллипсу, большая ось которого почти вдвое больше малой, минимальное давление в центре может опускаться до 720 мм ртутного столба, а разность давления между центральной и крайней «периферийной» изобарами может достигать 10 мм. Разность температур воздуха между центром и периферией на первой-второй стадиях развития циклона, пока контрасты между воздушными массами еще не сгладились, может составлять 10—12 градусов. Циклон с такими характеристиками называют глубоким.

Воздух в циклоне северного полушария вращается против часовой стрелки. Вся система перемещается обычно с запада на восток то медленно, а то и со скоростью курьерского поезда. Горизонтальные потоки воздуха направлены от периферии к центру, втягиваются в него, как в воронку, и поднимаются вверх со скоростью порядка 10 см/сек. На высотах 1-5 км воздух охлаждается, выделяется тепло от конденсации водяного пара, образуются облака, из которых на землю падают дожди, порой обильные. В верхних слоях атмосферы форма циклона отличается от приземной: там изобары обычно не замкнуты, а почти параллельны между собой и близки друг другу по величинам, что свидетельствует о сильных ветрах скоростью 20—30 м/сек.

Глубокий малоподвижный вертикально развитый циклон со слабыми приземными ветрами может охватить территорию до 3000 км по большой оси эллипса и застрять над ней на две– три недели, а то и на полтора– два месяца. Так сложилось в затяжную весну рокового 1941 г., когда на Европейскую часть СССР обрушилось 40 кубических км дождей. Такой объем содержится в озере площадью 1000 кв. км при средней глубине 40 м. Сравним: в прилегающей к Петербургу Невской губе содержится чуть более одного кубокилометра воды. Такие, но не столь интенсивные, ситуации складываются в атмосфере нередко. Тогда говорят о дождливом прохладном лете (например, середина лета 2007 г.) – снежной мягкой – «сиротской» зиме, которые случаются у нас почти ежегодно, в общем – о плохой погоде в любое время года. Циклон другого типа – также глубокий, но активный и быстрый, не слишком развитый по вертикали, занимающий по большой оси не более 1500 км, с ураганными ветрами у земли, может за сутки преодолеть расстояние 2500 км от юга Скандинавии до Белого моря и вызвать наводнение в Петербурге.

Антициклоны внешне – из космоса и на картах – похожи на циклоны, это те же атмосферные вихри. Но в них, грубо говоря, все наоборот: высокое – до 780 мм – давление в центре, горизонтальное движение воздуха – по часовой стрелке, вертикальное – по нисходящей. Они приходят чаще с восточного направления, приземные ветры преимущественно слабые. Антициклон обычно сменяет циклон и радует хорошей погодой, как в первые две декады августа 2007 г., но иногда оборачивается продолжительной изнурительной жарой и засухой (лето 1972 г.), либо крепкими морозами зимой (вторая половина января 2006 г., февраль 2007 г.).

Упрощенные копии синоптических карт с циклонами и антициклонами нам по нескольку раз в день демонстрируют по телевизору. Мы видим, что от Чукотки и Камчатки до Петербурга и Калининграда располагается 5– 8 циклонов, разделенных причудливыми линиям теплых и холодных фронтов между собой и от антициклонов. Достаточно беглого взгляда на такую картинку, чтобы судить о погоде по всей России.

Циклоны и антициклоны в полном виде мы рассмотреть воочию не можем. Но мы можем судить об их приближении и развитии, если постараемся терпеливо наблюдать текущую погоду и ее последовательные изменения. Например, в прекрасные сентябрьские дни «бабьего лета» в Петербурге, когда хочется, чтобы такие дни продолжались как можно дольше, вдруг замечаешь постепенное ослабление солнечного сияния. Через 12—18 часов, но не более чем через сутки-двое, облака уплотняются, переходят в сплошные и вскоре начинает моросить. Тишина сменяется сначала слабым, но постепенно усиливающимся ветром с юго-запада и запада. Но еще тепло и даже как-то уютно. «Моросит мелкий дождь, до чего он хорош, если ты с малых лет в Ленинграде живешь…» или «…Мне мила твоя сырость». Так поют о городе Эдита Пьеха и Александр Розенбаум. А синоптики отметят: «проходит теплый фронт». Но ветер становится каким-то тугим, все более сильным, а дождь переходит в проливной. Кто оказывается в такую погоду на любой из набережных, замечает возвышение уровня воды, грозящее затоплением низко расположенных мест. Облака несутся над самой водой, над крышами домов, исчезли шпили Петропавловки и Адмиралтейства.

Однако не холодно: мы находимся в теплом секторе циклона. Ветер сбивает с ног, а вода достигает опасных пределов, вливаясь в некоторые улицы. И когда кажется, что потопа не миновать, ее уровень начинает понижаться. Ветер меняет направление к северо-западному и северному, становится порывистым, пронизывающим, в воздухе несется осенняя листва, в облаках появляются просветы, заметно холодает. Это проходит холодный фронт. Еще несколько часов – и над городом открывается чистое небо. Но погода уже другая, совсем не «бабье лето». Даже если все успокаивается, все же чувствуется наступление осени. Мы находимся «в тылу циклона», в холодном воздухе. Заморозки по утрам, туманы, полный листопад. Это на смену циклону пришел, предвещая зиму, антициклон. Подобные перемены погоды происходят в любое время года, хотя и не столь отчетливо.

Синоптики, конечно же, видели на своих картах все эти циклы и стадии. Когда мы заметили первые тонкие облака, они обнаружили небольшую область пониженного атмосферного давления, начальную стадию образования «молодого» циклона, где-то на юге Балтийского моря или над Скандинавией.

Когда над нами опустились низкие облака, усилился ветер и стала возвышаться вода, циклон уже сформировался окончательно, «созрел», его центр на синоптической карте оказался уже у входа в Финский залив, а низкое давление охватило всю Балтику и распространилось на российский Северо-Запад. Четко обозначились теплый и холодный фронты. А когда у нас вода пошла на убыль, на карте стала вырисовываться область повышенного давления, циклон вступил в стадию окклюзии и начал уступать место антициклону.

Позволим себе небольшую оговорку. Не будучи в состоянии увидеть циклоны-антициклоны в целом, а наблюдая их лишь по местным признакам погоды, очень многие из нас, особенно пожилые, почти безошибочно чувствуют приближение и развитие этих погодообразующих атмосферных образований. Теперь уже не настаивают, что человек – царь природы, а чаще подчеркивают, что он ее частица и все ее капризы, так или иначе, воспринимаются человеком. Не будем, однако, углубляться в вопрос влияния погоды на человека. Достаточно того, что погода – самое сложное явление в неживой природе. Изучение связи погоды с еще более сложной живой природой оставим биологам и врачам.

И еще. Редкое литературное произведение обходится без описания погоды. Классики отечественной и мировой литературы были прекрасными наблюдателями. Их картины погодных колебаний не только соответствуют научным представлениям, но во многих случаях подсказывают метеорологам особые детали явлений, призывают обращать внимание на погодные тонкости. Образцом может служить, конечно же, Пушкин. Его описание редкостного – однажды за 306 лет – наводнения 7 (19) ноября 1824 г., с безукоризненной точностью соответствует поведению исключительно активного и глубокого циклона, сменившегося антициклоном.

 
Сердито бился дождь в окно,
И ветер дул, печально воя…
Нева всю ночь
Рвалася к морю против бури…
И вдруг, как зверь остервенясь,
На город кинулась…
И всплыл Петрополь…
Утра луч
Из-за усталых, бледных туч
Блеснул над тихою столицей….
 

Или – зимняя изменчивость погоды:

 
Вечор, ты помнишь, вьюга злилась,
На мутном небе мгла носилась…
А нынче – погляди в окно:
Под голубыми небесами,
Великолепными коврами,
Блестя на солнце, снег лежит…
 

Циклоны и антициклоны, ответственные за повседневную погоду – лишь один из видов атмосферных движений, пространственно-временное разнообразие которых необычайно широко: от долей секунды и мизерных расстояний до десятков тысячелетий в масштабах всей Земли. Изначальная причина такого разнообразия – в неповторимости и уникальности нашей планеты.

Структура Земли в современную эпоху поддается прямым измерениям и наблюдениям только на поверхности, в космосе, в атмосфере, в океанах и на небольших, всего до немногих километров, глубинах в земной коре. Средний радиус Земли составляет 6370 км – не так уж много, меньше, чем от Петербурга до Хабаровска – и практически на всем этом расстоянии еще не удалось провести прямых измерений внутренней структуры планеты. Об этом судят только по косвенным данным с помощью сейсмического и электромагнитного зондирования путем расчета скоростей упругих волн от очагов землетрясений или от сильных подземных (ядерных) взрывов.

Полученные геофизические данные указывают, что современная Земля состоит из следующих, начиная с самых глубоких, разнородных слоев.

1) Ядро с внутренним твердым слоем на глубинах 5100– 70 км, внешним жидким слоем на глубинах 2900—5000 км и переходным слоем между ними на глубинах от 5000 до 5100 км;

2) Мантия со слоями: нижним (1000—2900 км), средним (400– 1000 км) и верхним (30-400 км).

3) Земная кора – литосфера, верхний слой твердой Земли от поверхности до глубин 30—33 км. Состоит из трех типов пород: изверженных (застывших потоков расплавленной магмы), осадочных (состоящих из пород, разрушенных действием воды и ветра, а также из растворенных веществ и остатков организмов) и метаморфических (состоящих из пород первых двух типов, подвергшихся действию высокой температуры и сильного давления в глубоких слоях литосферы).

Такие представления позволили геофизикам рассматривать Землю, всю ее мантию от ядра до земной коры, как вращающийся толстостенный шар с внутренней жидкой полостью, в которой плавает небольшое шарообразное твердое ядро, могущее вращаться иначе, чем мантия.

4) Гидросфера – Мировой океан, покрывающий планету на 71% ее поверхности. Наличием гидросферы Земля отличается от других планет Солнечной системы. Вода в 800 раз плотнее воздуха. Вода обладает исключительной теплоемкостью: изменение температуры единичного объема воды на 1° изменяет на ту же величину 3,3 тысячи объемов воздуха. Наибольшая плотность воды достигается при +4°, благодаря чему лед остается на ее поверхности. Отличительной особенностью вод Мирового океана является его соленость: на 1 литр воды приходится (грубо) 35 граммов солей, 90% из которых приходится на хлористые соединения. Вода обладает наибольшим поверхностным натяжением среди жидкостей, кроме ртути. На единицу поверхности океана приходится примерно на 20% больше тепла, чем на ту же поверхность суши. Таковы лишь главные особенности гидросферы Земли, оказывающие влияние на атмосферу, на формирование погоды и климата.

5) Атмосфера – внешняя газовая оболочка, ограниченная снизу твердой или жидкой подстилающей поверхностью, то есть сушей или океаном.

Мы занимаемся погодой Петербурга и совсем небольшого, в масштабах Земли, региона, так что крупномасштабные геофизические проблемы нам просто не объять, да и находятся они вне нашей темы. Но рассмотреть подробнее атмосферу Земли нам необходимо. Она – объект удивительный, уникальный (автор надеется, что читатель не взыщет строго за частое употребление этого слова, кстати, используемого ныне по поводу и без повода в самых разных случаях). Атмосфера содержит 5300 триллионов тонн воздуха – вес, который трудно себе представить. Но это всего лишь одна миллионная часть массы всей Земли. Между массами планеты и ее атмосферы существует замечательная (уникальная!) взаимосвязь. Будь Земля легче, ей было бы труднее удерживать свою воздушную оболочку. Луна, например, почти в сто раз легче Земли и вокруг Луны атмосферы нет… Будь Земля тяжелее, ее атмосфера была бы более плотной и тонкой, и погода на нашем шарике была бы совсем иной…

Атмосфера простирается в высоту на сотни и даже на 2000 км. Но как не удивиться тому, что половина массы атмосферы сосредоточена в нижнем 5-километровом слое, три четверти – находится ниже 10 км, 90% – ниже 15 км. Нижний слой атмосферы высотой 10—15 км называют тропосферой. Именно в этом слое формируется и проявляется погода. Температура воздуха в тропосфере падает с высотой от 12—15° у земной поверхности (в среднем) на 6-7° на каждый километр. Тропосфера неоднородна и слоиста по высоте.

У самой земной или водной поверхности располагается приземный слой тропосферы. (Любую поверхность, над которой находится воздух, метеорологи называют «подстилающей».) Высота приземного слоя оценивается от нескольких метров до немногих сотен метров. В этом слое вершится жизнь, здесь обитает самая обширная часть органического мира и живой природы, включая жизнь людей. Явления в этом слое оказывают влияние не только на погоду, но и на существование всего живого. Характер этих явлений и процессов настолько сложен и важен, настолько своеобразен и отличен от процессов в других слоях атмосферы, что учение о приземном слое выделено в отдельную часть метеорологии – микрометеорологию. Ее предметом является изучение переноса тепла, скорости движения, влаги, различных примесей от земной поверхности в более высокие слои атмосферы и обратно к земле.

Над приземным слоем до высот 1-2 км располагается пограничный слой тропосферы (используется разная терминология: планетарный пограничный слой, нижний слой, слой трения, слой возмущения, слой механического перемешивания). Здесь еще достаточно велико влияние подстилающей поверхности, которое выражается в различиях – градиентах – метеорологических элементов с высотой, хотя они и не столь значительны, как в приземном слое. Здесь развиваются нижние обложные и дождевые облака.

Над пограничным слоем находится средний слой тропосферы до высот 6-8 км, теперь именуемый чаще свободной атмосферой. Здесь местные особенности подстилающей поверхности проявляются уже несущественно. Здесь развиваются главные процессы текущей погоды – горизонтальное и вертикальное движение воздуха, формируется основная облачность. Здесь можно пренебречь некоторыми факторами, рассмотреть движение крупных объемов воздуха – воздушных масс – в «чистом» виде, без деталей, затемняющих основной процесс. Здесь с достаточным основанием принимаются определенные допущения, на которых основаны принципы повседневных краткосрочных (на 1-3 суток) прогнозов погоды. Такие прогнозы для свободной атмосферы составить проще, чем для пограничного и приземного слоев, поэтому их составление предшествует прогнозам для нижних слоев.

Над свободной атмосферой находится верхний слой тропосферы – выше 6-8 км и до нижней границы стратосферы. Здесь влияние подстилающей поверхности практически отсутствует. Здесь отмечается минимальная в тропосфере температура воздуха, причем всегда отрицательная. На эту высоту проникают вершины мощных кучевых и грозовых облаков, а остальная, самая верхняя облачность состоит из мельчайших ледяных частиц.

От 15—20 км и до 50—60 км простирается стратосфера, которая оставалась неизвестной до конца XIX в. А теперь она усиленно изучается, хотя бы потому, что это сфера действия ракет и высотной авиации. Температура в стратосфере почти постоянна, около -50°, или медленно повышается. Удивительно, что состав воздуха остается почти неизменным далеко за пределами тропосферы, до высот 100—500 км. Сухой воздух состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода и очень малых долей инертных газов (аргона, гелия, неона, радона), а также переменных примесей – водяного пара, углекислого газа и трехатомного кислорода (озона). Постоянство газового состава атмосферы не влияет, на первый взгляд, на движение воздуха, но оно позволяет принять очень важную гипотезу «сплошной среды», благодаря которой метеорологи пренебрегают движениями отдельных молекул воздуха, а изучают динамику его больших объемов. Особенно важна гипотеза сплошной среды при изучении атмосферы математическими методами.

Из переменных примесей в воздухе очень важен водяной пар, хотя его содержание не превышает нескольких долей процента. Это единственная составная часть воздуха, которая при температурных условиях в атмосфере может переходить из газообразного состояния в жидкое и твердое с поглощением и выделением больших количеств тепла. Именно наличие водяного пара делает атмосферу живой, осязаемой, с облаками, дождями, туманами. 90% водяного пара сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое тропосферы. Водяной пар вместе с углекислым газом определяют «парниковый эффект», пропуская солнечное тепло к земной поверхности и задерживая ее излучение, благодаря чему нижние слои воздуха оказываются самыми теплыми. В стратосфере водяного пара нет, там нет облаков и осадков, там совершенно сухо, очень холодно и безжизненно. Можно сказать еще проще и короче: в стратосфере нет погоды в понимаемом нами смысле. Выше 100—120 км постоянный газовый состав воздуха нарушается: более тяжелые молекулы остаются на этом уровне, легкие поднимаются в космос.

Об озоне известно, что его слой защищает нас и вообще все живое на планете от губительного радиоактивного космического излучения. Полагают, что озонный экран сыграл главную роль в эволюции биосферы, так как его защитное действие обусловило заселение суши живыми организмами.

В последние 20—30 лет интерес к озонному слою существенно возрос в связи с обнаружением в нем «дыр», сквозь которые патогенное излучение достигает Земли, угрожая жизни. Виновником неблагоприятного явления считаются изменения термодинамики нижней стратосферы, как в результате естественных колебаний, так и под влиянием хозяйственной деятельности людей. Мы – люди, все более стремясь к удобствам и комфорту, выбрасывают в атмосферу ежегодно сотни тысяч тонн вредных веществ, которые вступают в химические реакции с озоном и разлагают его. Принято немало соглашений, резолюций, конвенций с целью регулирования производства вредных примесей. Однако в этих бумагах нет обязывающих решений, и проблема остается «замороженной». Все хотят жить хорошо сегодня, сейчас, а что будет потом… Авось пронесет, а после нас хоть потоп, хоть «озоновые дыры». Тем более что наука не единодушна по поводу этой проблемы, да и не бескорыстна, пожалуй… И все же число защитников природы растет. Вокруг экологических идей образуются политические партии и движения, признанные международным сообществом. Нобелевская премия мира 2007 г. присуждена бывшему вице-президенту США Альберту Гору за активные усилия в защиту окружающей среды.

Слой атмосферы от 60 км до 400 км называется ионосферой, так как на этих высотах образуются потоки электрически заряженных частиц. Они влияют на радиосвязь, особенно при повышенной активности Солнца. Ионосфера связана с магнитным полем Земли, вызывая полярные сияния. В некоторых исследованиях утверждается, что усиленные процессы в ионосфере каким-то образом повышают циклоническую деятельность в тропосфере. Каким? Этот вопрос исследуется…

Добавим, что, по некоторым представлениям лито-, гидро– и атмосфера являются частями биосферы, объединяющей все части планеты, где возможно существование живых организмов. «Жизнь всей Земли с ее атмо-, гидро– и литосферой, со всеми растениями, животными и со всем населяющим Землю человечеством следует рассматривать как жизнь одного общего организма».[181]181
  Чижевский А.Л. Физические факторы исторического процесса. Калуга. 1924 г.


[Закрыть]