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

Что такое Эль-Ниньо?

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

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

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

Почему в этой части Тихого океана так холодно?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Глобальное потепление и эффект Альбедо

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

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

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

Хотя солнечное излучение не так значительно отличается от года к году (солнечный минимум наступает каждые 11 лет), реакция атмосферы на солнечный свет меняется в зависимости от таких факторов, как количество парниковых газов, крупные погодные явления вроде Эль-Ниньо и количество солнечного излучения, которое отражается в виде тепла по всему миру. Самый важный фактор здесь – температура воздуха и поверхности океана. Разумеется, данная область изучена еще недостаточно, особенно большое поле для исследования представляет убывание арктического морского льда. Многие климатологи считают, что Арктика полностью лишится льда уже в этом столетии. Теплые течения препятствуют образованию льда, а штормовые моря не способствуют ледоставу в осенние месяцы. Мы, возможно, подходим к точке невозврата. В целом более теплые, чем обычно, зимы оказывают негативное влияние на восстановление ледяного покрова за осенние и зимние месяцы. Вопрос в том, что мы будем делать без арктического морского льда?

Безо льда во многих регионах земного шара поверхность станет темнее, будет поглощаться больше солнечного света, который со временем будет возвращаться в атмосферу в виде тепла. Моря станут теплее, их уровень поднимется, штормовая погода станет более частым гостем. На границе между теплым и холодным фронтами образуются сильные ветры, например струйные течения, а также зоны низкого давления средних широт. Без таких температурных различий климат на северо-западе Европы был бы совершенно иным. Во многих отношениях воздействие глобального потепления остается неизвестным или непонятным.

Быстрое долгосрочное таяние льдов можно назвать процессом с «положительной обратной связью». Иными словами, изначальное неравновесие системы, такое как разогревание Арктики, может значительно усилиться – вплоть до той точки, после которой система уже не сможет вернуться в исходное состояние. В данном случае все просто: чем меньше льда, тем больше поглощается тепла, так что повышается температура окружающей среды, а это способствует таянию, а не замерзанию. Следующий шаг после формирования положительной обратной связи – это «точка невозврата», в которой состояние резко меняется, и наступает иное состояние: например, вымирание биологического вида означает полную невозможность вернуться в предыдущее состояние. Многие климатологи указывают на то, что таяние льдов на Земле должно пройти через такую точку невозврата; кое-кто утверждает даже, что она уже была достигнута.

Исчезают ли ледники?

Ледниками покрыто около 10 % поверхности Земли. Это замороженные массивы, на долю которых приходится около 75 % мировых запасов пресной воды. Ледники растут и отступают в разные времена года, а их объем восполняется благодаря снегу в зимние месяцы. Они никогда не остаются стабильными, им присущ собственный определенный ритм. Ледники существуют во многих частях земного шара – их можно встретить и на экваторе (на вершине Килиманджаро в Кении), и на шапках исландских вулканов. Равнинные ледники формируются и движутся вниз по течению, к открытой воде или фьордам. Как и морской лед, ледники играют важную роль в поддержании альбедо Земли. Сезонное таяние льда весной и летом необходимо многим уязвимым экосистемам, прежде всего горным биомам.

В апреле 2019 года научный журнал Nature опубликовал новое исследование 19000 ледников, в котором выяснилось, что в период с 1961 по 2016 год планета лишилась 10,6 триллионов тонн льда – этого было бы достаточно, чтобы покрыть все 48 материковых штатов США льдом толщиной 120 сантиметров. В статье утверждалось, что зафиксированный за это время подъем уровня моря на 30 % вызван таянием ледникового льда. В другом независимом исследовании, опубликованном в том же году в журнале The Cryosphere, говорилось, что в 18 из 19 ледовых районов Земли уровень льда уменьшается.

Варианты прогнозов, основанных на текущем и былом состоянии ледяного покрова, могут быть разными, но доказательств того, что в будущем льда не останется, все больше. Единственный лыжный курорт в Боливии, расположенный на хребте Чакалтая, закрылся в 2009 году: ледник за двадцать лет так сократился в объеме, что в итоге практически исчез. А когда утрачивается лед, мир теряет куда больше, чем просто лед.

Почему так важен стратосферный полярный вихрь?

Стратосфера – это следующий слой атмосферы, расположенный над тропосферой. В свою очередь, тропосфера – зона, где формируется погода, нижняя часть атмосферы, в которой воздух охлаждается по мере набора высоты. Нижняя часть стратосферы, напротив, очень холодная; с набором высоты ее температура как раз повышается. Частично это связано с наличием ультрафиолетового излучения и озонового слоя.

Стратосферный полярный вихрь – это очень быстрые ветры, которые отмечаются в стратосфере на высоте до 50 километров. Зимой эти ветры движутся против часовой стрелки вокруг Северного полюса (похожая система низкого давления образуется на той же высоте вокруг Южного полюса в Южном полушарии). Ветры набирают силу и обретают направление по мере того, как воздух охлаждается осенью и зимой. Стратосферный полярный вихрь образуется каждую зиму в результате значительных температурных градиентов, то есть различий в температуре между полюсами и средними широтами. Особенно значительна эта разница зимой, поскольку в Арктике в это время нет ни солнечного света, ни другого стабильного источника тепла. Вихрь продолжает усиливаться зимой и естественным образом распадается, когда солнечный свет возвращается весной.

В отдельные годы цепочка высоких струйных течений, распространяющихся в средних широтах, может вклиниваться в стратосферный полярный вихрь, ослабляя и разбивая этот обычно замкнутый зимний циклон. Порой эти ветры ослабевают и даже меняют направление. Эти слабые, изменившие направление ветры высвобождают и сжимают холодный воздух, до того буквально запертый в полярном вихре. Тем самым образуется так называемое внезапное атмосферное потепление, воздействие которого можно будет почувствовать в средних широтах через несколько недель.

В Великобритании большую часть времени зимы мягкие – лишь иногда наступает более холодная и суровая погода. Мы называем это явление мобильным сценарием; депрессии образуются по всему Атлантическому океану и движутся на восток/северо-восток, гонимые сильным струйным течением. Так более мягкий воздух над океанами переносится на сушу. Когда же зимний стратосферный полярный вихрь ослабевает, или же происходит такое чрезвычайное явление, как внезапное атмосферное потепление, струйные течения могут утратить силу или зональность. Это, в свою очередь, препятствует появлению фронта с запада, т. е. Атлантического океана, приносящего мягкий влажный воздух. Тогда доминировать начинают ветры с континента, восточные и северо-восточные, которые несут в Британию более холодный воздух, утративший все тепло в течение континентальной зимы.

Великобритания – это остров, береговая линия которого насчитывает сотни километров. Северное море, хоть это всего лишь узкая полоска воды, в достаточной степени добавляет влажности этим холодным восточным и северо-восточным ветрам. Холодный воздух в сочетании с влажностью моря приводит к образованию ливней, которые немедленно превращаются в снег, встретившись с более холодным воздухом над сушей. Порой в Британии это приводит к настоящим снежным катастрофам.

В конце февраля – начале марта 2018 года произошло явление, которое пресса окрестила «зверем с востока» – хороший пример того, как внезапное стратосферное потепление, случившееся несколькими неделями раньше, повлияло на погоду у поверхности по всему северу и западу Европы. Внезапное стратосферное потепление в январе 2018 года привело к тому, что струйное течение утратило мобильность и силу; более мягкие западные ветры и сопутствующие им дожди прекратились, уступив место восточным ветрам. Воздух на большей части территории Европы стал существенно холоднее, над Скандинавией установилась область высокого давления, которая погнала поверхностные потоки воздуха с очень холодного севера континента в сторону Великобритании. Преобладание этих морозных восточных и северо-восточных ветров привело к установлению холодной погоды во всех частях страны.

Затем с востока подступили сильные снегопады. Они формировались над Северным морем, шли один за другим и вызывали повсюду хаос и разрушение на протяжении нескольких дней. Примерно через неделю юг Великобритании настиг ураган «Эмма», который принес еще более холодный воздух. Дождь сперва превратился в дождь со снегом, а затем и в снег, продолжались снежные бури и штормы.

Однако внезапное стратосферное потепление не всегда играет по одним и тем же правилам; бывает, что оно и не приводит к суровой зиме в Европе и Великобритании. В 2016 году внезапное стратосферное потепление случилось в радиусе 50 км вокруг Северного полюса, однако у поверхности суши это никак не отразилось на погоде, поскольку другие явления глобального характера нейтрализовали его мощь. В январе 1987 года по всей Великобритании бушевали снежные бури, а температура ниже нуля стояла целую неделю. Причина была в сильной блокирующей зоне высокого давления над Скандинавией, которая пригнала в Великобританию морозный сибирский воздух, однако никакого внезапного стратосферного потепления не наблюдалось.

Внезапные стратосферные потепления бывают и вокруг Южного полюса. Однако их годовая частота составляет всего 4 % по сравнению с 50 % вокруг Северного полюса. Дело в том, что струйные течения в Южном полушарии носят более зональный характер. У них нет пиков и минимумов, так что течения не вклиниваются в стратосферный полярный вихрь настолько часто. За последние шестьдесят лет в Южном полушарии было зафиксировано всего два внезапных стратосферных потепления – в 2007 и 2019 годах. Если же они все-таки случаются в конце зимы, это приводит к бурям над Патагонией, Новой Зеландией и Южной Австралией, а также к образованию западных ветров, которые приносят сухую и жаркую погоду в Восточную Австралию.

Погодные явления настолько связаны между собой, что порой самые отдаленные события, которые происходят даже выше тропосферы, могут иметь фундаментальные и значительные последствия для погоды на поверхности. В остальное время, впрочем, погода определяется процессами в нижней части атмосферы.