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

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]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.


[Закрыть] 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]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.


[Закрыть]. В средних широтах находится ячейка Феррела[3]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.


[Закрыть], а у полюсов – полярная ячейка[4]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.


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


[Закрыть].

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


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


[Закрыть] 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.