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

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.