Текст книги "С космическим путеводителем по Земле"

Самое-самое…

Багамская банка – самое яркое произведение картинной галереи планеты. Особенности её литосферы создали многоцветный ореол. Остров Эльютера. Голубое сари Багам. (134535_1024_768)

Влажные тропические джунгли Амазонки – легкие планеты, рекордсмен по разнообразию животных и растений. (srtm_2000_lrg)

Один из самых уникальных водоёмов на Земле – суперсолёное бессточное озеро – Мертвое море. (s127e008035)

Окаванго – болото в пустыне Калахари. Воды реки Окаванго создали феномен пустыни. (iss028-e-006830_lrg)

Пятый океан

Ежедневно, в одно и то же время суток на каждой из восьмисот семидесяти аэрологических станций, разбросанных по земному шару, уходят в воздух радиозонды. Их автоматические устройства сообщают параметры атмосферы: давление, влажность, температуру воздушных слоёв, а траектория полёта зонда фиксируется радиолокатором или радиотеодолитом. В результате получаются ежесуточные вертикальные разрезы газовой оболочки Земли.

В нижнем слое атмосферы – тропосфере – температура с ростом высоты понижается (в среднем 1 град. на каждые 150 метров). Там, где понижение температуры прекращается, начинается переходный участок – тропопауза, а затем новый атмосферный слой – стратосфера. Температура в нём примерно минус 70 град. C.

Нижняя граница стратосферы проходит на разных высотах от поверхности Земли: в полярных областях 8—10 километров, в районе экватора 16—18 километров, в умеренных широтах 10—11 километров. Верхняя на высотах 50—55 км. В стратосфере располагается основная масса озона, защищающая живые организмы на Земле от губительной коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца. В воздушном слое до 60 километров размещается 0,999 массы атмосферы, однако и её верхняя оставшаяся часть играет важную роль в обменном механизме Земли.

Здесь, в «космическом предместье» Земли (на высотах 100—200 километров) происходит опять-таки поглощение солнечного ультрафиолетового излучения – главного поставщика энергии в верхние слои атмосферы.

До высот 100—150 километров атмосфера мало изменяется по атомарному составу из-за перемешивания. Выше увеличивается длина свободного пробега молекул и начинается гравитационно-диффузионное расслоение атмосферного газа. До двухсот километров в атмосфере преобладает молекулярный азот, выше – атомарный кислород. На высоте 800—1 000 километров кислород сменяют ионы гелия, а с 1 000—2 000 километров – ионы атомарного водорода.

Химический состав атмосферы установился не сразу. Считается, что 3емля и планеты земной группы (Меркурий, Венера, Марс) утратили свои первоначальные атмосферы под действием солнечного излучения. Последующая вторичная атмосфера Земли была создана истечением газов из мантии во время вулканических извержений. Метеориты тоже внесли свой вклад в её состав, испаряясь в газовой оболочке 3емли.

Вода на Венере существует в основном в виде паров, на Марсе – в виде льда. Промежуточное положение Земли привело к конденсации водяных паров и образованию океанов. В свою очередь появление океанических вод вызвало растворение в них углекислого газа.

Вода, замерзая в виде снега и льда и конденсируясь в виде облаков, регулировала альбедо 3емли, стабилизируя её температуру. Установилась средняя температура у поверхности Земли около 15 град. С, создав благоприятные условия для жизни.

Биологические формы, возникнув, преобразовали атмосферу. Если сначала она состояла на 80 процентов из водяных паров и на 20 процентов из углекислого газа, то затем постепенно превращалась в современную азотно-кислородную газовую смесь. Кислород послужил исходным «сырьём» для образования защитного слоя озона, что дало возможность существования сухопутных животных, тогда как вначале защитным слоем была океанская вода.

Растения, покрывшие сушу, усваивали углерод, выводя его из атмосферы. Их останки откладывались под наносами в виде залежей горючего топлива. Разросшиеся тропические леса изменили альбедо поверхности Земли в экваториальном поясе. 3атем в процессы природы вмешался человек. Его производственная деятельность, сопровождаемая сжиганием топлива, могла бы привести к известному «парниковому эффекту», открытому вначале на Венере. Действительно, в атмосфере 3емли идёт накопление продукта «жизнедеятельности» промышленности – углекислого газа. Однако приспособительные механизмы планеты способны тормозить этот эффект увеличением облачного покрова, а вместе с ним и альбедо.

В воздушной оболочке Земли происходят сложнейшие процессы, которые в итоге определяют погоду у поверхности Земли. Расчёт прогноза погоды строится на использовании моделей, включающих множество данных атмосферных измерений. Так, для прогноза всего на трое суток вперёд нужно собрать сведения со всего земного шара.

В Гидрометцентр страны дважды в сутки только из Северного полушария поступает 3 000 сообщений с суши и около 600 из Мирового океана; из Южного полушария сведений меньше. Выполняются громоздкие расчёты, результатом которых является прогноз.

При этом нужно учесть многое. Солнце приводит в движение весь механизм циркуляции атмосферы. В ней образуются облачные системы. На атмосферные процессы влияет океан. Океан служит аккумулятором, резервуаром тепла. Воздушные вихри переносят тепло в атмосферу. Согласно концепции академика Г. И. Марчука, в Мировом океанe имеется ряд особенных, ключевых районов, формирующих погоду и климат. Такие энергоактивные зоны – в местах встречи холодных и тёплых течений, подъёма глубинных вод, у кромок ледовых покровов.

Играя важную роль в формировании погоды, океан неудобен для изучения, и поэтому с его просторов поступает так мало сведений. Информацию собирают с буйковых станций, дрейфующих льдин, с пассажирских и торговых судов, с самолётов по маршрутам их следования. Белыми пятнами метеосводок остаётся не только океан, но и горы, особенно высокогорья, пустыни, тропические леса.

Сложные уравнения лежат в основе расчётов прогнозов noгoды. При этом учитывается и неоднородность строения поверхности Земли, и турбулентность атмосферы, и многослойные движения воздуха. Определяющими при подобных расчётах являются не только искусный выбор модели, но и достаточность исходных данных.

С давних пор люди подмечали различные приметы погоды, учились читать в окружающей природе летопись климата. Например, в некоторых местах (на Камчатке, в Прибалтике) деревья выросли «бегущими от моря», такой наклон получили они под действием постоянно дующих ветров. Изменение климата регистрируется и в годовых кольцах деревьев, и в керне ледников.

Чтобы проследить достаточно длительный интервал времени, отыскивают старые деревья. Окаменелые стволы находят в торфяниках или в отложениях старых русел рек. На годовых кольцах «записаны» перепады температуры, годы засух и повышенной влажности, взрывы сверхновых звёзд. «Опросы» деревьев позволили литовским учёным построить дендрошкалу, охватывающую 900 лет.

Исследования результатов бурения ледниковых толщ дают данные об изменении климата за ещё более продолжительный период – за сотни тысяч лет. Сравнивая изотопы газов, содержащихся во льду, делают выводы о температуре атмосферы в момент замерзания воды. По этим данным отмечены климатические колебания с периодом в 66 лет. Специалисты Ленинградского горного института создали зонд, определяющий возраст ледниковых отложений без извлечения керна из скважины. Ледовый бур, ведущий анализ изотопов углерода в ледниковых толщах, был передан специалистам одной из антарктических экспедиций для работ на Южном полюсе холода планеты – станции «Восток».

Человечество в хозяйственной деятельности и житейской практике кровно заинтересовано в получении кратковременных прогнозов погоды. С запуском в 1966 году в нашей стране спутника Земли «Kocмoc-122» началось плановое изучение погоды и климата планеты с помощью автоматизированных космических средств. С тех пор спутники типа «Метеор» разглядывали планету. Оперативная информация из космоса о состоянии атмосферы, облачности, земной поверхности дополняет обычные метеосведения.

Особенно важно, что сбор информации ИС3 включает и труднодоступные районы океана и суши, занимающие в общей сложности около 80 процентов поверхности планеты. 3а виток «Метеор» выполняет работу тысяч метеопунктов. Попутно ИСЗ поставляют данные для маршрутов океанских судов, сведения о проходах в ледовых полях.

Присутствие на борту космического аппарата метеонаблюдателей рождает новое качество. Тренированный космонавт способен выделить интересное атмосферное образование, уделить ему особое внимание. Поэтому данные «Метеоров» в период пилотируемых полётов зачастую служат первичной информацией, которую следует уточнить, осмыслить. Творческое взаимодействие человека и автоматов на орбите – характерная современная особенность.

Кучевая облачность. (iss023e024682)

Бортовые записи. «Не перестаю восхищаться облачностью. Она всегда разная. Можно бесконечно смотреть на эту белую массу с причудливой мозаикой. Огромные просторы, как в тундре, вулканы, горы, причуды света, воды».

В атмосфере часто возникают условия, порождающие аномальные облачные образования. Рефракция света придает им необычные ореолы, так что с Земли их иногда принимают за новые внеземные объекты.

Из космического дневника: И вот появляется красный блик от разгорающейся топки. Над горизонтом показывается краешек Солнца. Он мечется, как огненный шар в мареве воздушного покрывала Земли. (iss034e029363)

Через линзу атмосферы. Восход Луны. (iss032e011477)

На борту станции «Салют» в ведении космонавтов имелся ряд специализированных приборов для исследования атмосферы: электрофотометры, спектрометры, фотографическая и поляризационная аппаратура. Но даже наблюдения невооружённым глазом с орбиты способны принести много нового. Ежедневное состояние облачного покрова кровно интересует космонавтов. Действительно, ведь именно облачная завеса мешает наблюдениям земной поверхности. Существуют средние цифры, характеризующие погодные условия каждого отдельного района земного шара. Например, в Москве полгода – такая погода: 111 суток – пaсмурно, 72 дня – ясно, а в остальные полгода ни то ни сё – полуясно, переменная облачность.

Космические исследования принесли уже новые сведения о глобальной картине покрытия облачностью поверхности земного шара. На всех широтах над сушей одинаковая повторяемость облачности, а вот над океаном она отличается для разных широт. В среднем постоянно облаками покрыто две трети земного шара.

Космонавты следят за перемещением тёплых и холодных атмосферных фронтов, за маршрутами циклонов и антициклонов, за движением ураганов и тайфунов, сообщая сведения, недоступные наблюдениям с 3емли. «По курсу гроза, – докладывалось с орбиты. – Как букет роз, если их четыре-пять вместе сложить и бутоны должны вот-вот распуститься… Вспышки молний подсвечивают снизу облака. Одновременно до десяти и более разрядов. Интересны грозовые облака. На горизонте они – грибовидные».

Многообразие облаков знакомо каждому. Даже с Земли видно, что облака возникают на разных ярусах атмосферы. По движению облаков можно судить о скорости ветра на разной высоте. Составляющие их капельки имеют средний радиус 5 микрон; они образуются на ядрах конденсации, взвешенных в воздухе. Размер их – тысячные доли миллиметра, и они в большинстве своём – крупицы соли, остатки солевых брызг, сорвавшихся с верхушек океанских волн.

На каждом этаже атмосферы свой тип облаков. Самые верхние – перистые – ледяные. На высоте в интервале три – пять километров – очень похожие на вату – кучевые. Ниже, как правило, слоистые, заволакивающие небо однородной или ячеистой пеленой. Нижняя их граница порой касается земли, и тогда говорят, что «опустился туман».

Кучевые облака, порождающие грозы и град, поднимаются порой очень высоко. Основание их может оставаться на высотe в несколько километров, а вершина уходит так высоко, что составляющие её капельки замерзают, тяжелеют и начинают опускаться. Образуется голова облака в виде наковальни. Такие облака несут с собой град, грозу, ураганы. Из космоса можно разглядеть глобальные облачные образования. Взаимосвязанные облачные структуры протягиваются на тысячи километров. Фронтальная облачность лентовидной полосой зависает над поверхностью земного шара. С орбиты отмечены ячеистые системы облаков с ячейками в 50—80 километров. Спиралевидные формы оказались cамыми распространёнными. Вихревые образования имеют размеры – сотни, а иногда и до полутора тысяч километров в диаметре.

Перемещение облачных вихрей определяет положение атмосферных фронтов – границ районов с разной погодой. Мощные спирали отмечают районы сильных штормов. Очень важно своевременно обнаружить пpиближающийся шторм и оповестить о нём наземные службы.

И обычные, «патрульные» наблюдения облачности с орбиты существенно дополняют синоптическую (греческое SYNOPTICOS означает «обозревающий всё вместе»), единовременную карту земного шара.

Вот типичный доклад метеонаблюдателя с орбиты.

– На этом витке рассвет мы встретили над северной оконечностью Южно-Американского материка, а несколько минут спустя мы шли уже над Антильскими островами и далее над Атлантикой.

Разрозненные цепочки мелких облаков не закрывают и десятой доли океанской поверхности. Эти облачные цепочки расположены параллельно нашему курсу, ориентация их вызвана северо-восточным ветром – пaссатом.

Но вот исчезли и цепочки. Океан совершенно oткрыт. Мы пересекли центральную часть субтропического антициклона, прямо по курсу – сплошная полоса облаков. Прошли над ней. Это aтмосферный фронт, раздел между тёплым субтропическим воздухом и прохладной воздушной массой Северной Атлантики. У Азорских островов полоса фронтальных облаков сужается

и разрывается. Слева, в нaправлении Ньюфаундленда, фронт выгнут на север и расширен. Это похоже на новообразовавшийся циклон.

За фронтальной полосой облачность располагается поначалу хаотично, но ближе к Британским островам явственнее проступает определённый пopядок: облачная мозаика приобретает вид пчелиных сот неправильной формы, вытянутых поперёк нашего курса. Это признак вторжения холодного воздуха. Перепад темпepaтyp между ним и тёплой водой породил здeсь облачность ячеистой стpуктуры.

Внизу – полдень, однако солнечные лучи не в состоянии пробить завесу облаков над Западной Европой. Здeсь, над Европой, облачность вихреобразной формы – на фоне этого вихря просматривается ещё спираль, образованная наиболее плотными облаками.

Станция движется на юго-восток. В облаках появились просветы… В них виден Днепр, Азовское море, и на нём различимы ледяные поля. Они в основном в западной части моря. Видно, ветер, нагнавший их, дует с востока. Теперь облаков стало немного, а слева от тpaссы их вовсе нет.

Пересекли Северный Кавказ. Справа по курсу должны быть цепи Главного Кавказского хребта, но их не видно – закрывает облачность. Облака тянутся и над Каспием и вдруг резко обрываются. Судя по этому, ветер внизу – северный. Выделив влагу на наветренных склонах, воздух переваливает через горный хребет, иссушается, поэтому над Ираном малооблачно.

Солнце заметно приближается к краю нашей планеты. По расчётам, тepминaтop – границу дня и ночи – мы пересечём через шесть минут, а пока, пользуясь ясной погодой внизу, видим в иллюминаторы горы Пакистана, долину Инда, пустыню восточнее нас. Справа – Аравийское море, впереди – Индостан, а дальше ночная сторона Земли.

Инструментальные замеры дополняют наблюдения. Приборы спутников позволяют распознать фазовое состояние облаков: водяные они или ледяные. В атмосфере определяется содержание аэрозолей, исследуются озоновые слои. Космические измерения yстaнoвили, что отражательная способность нашей планеты (альбедо) оказалась ниже предполагаемой, а тепловое излучение – выше считавшегося до сих пор. Измеряя тепловое излучение на разных волнах, спутники как бы расслаивают атмосферу, а по движению облаков на разных высотax определяют ветровой высотный профиль. Замеры яркости слоёв сумеречного горизонта сообщают о распределении пылинок в атмосферных слоях на разных высотах.

Исследование атмосферы безусловно требует использования самых совершенных методов и средств. Перспективно широкое внедрение лазерной локации, с помощью которой измеряется плотность и температура воздушных слоёв, их неоднородность, присутствие в них аэрозолей. Совместные усилия наземных и космических средств уже принесли заметную пользу. Спутники оказались удобными «курьерами», собирающими сведения с шаров-зондов и океанских буёв: давление, температуру, скорость и направление ветра или морского течения, – и передающими их в намеченное место сбора и анализа.

В сентябре 1983 года и в конце августа – начале сентября 1984 года в рамках международной программы «Интеркосмос» был проведён комплексный эксперимент «Чёрное море». Интернациональная группа учёных провела подспутниковые исследования. Научно-исследовательские суда, самолёты-лаборатории, океанографическая платформа на 32-метровой глубине в запaдном районе Чёрного моря – с помощью установленных на них многоканальных спектрометров, микроволновых (СВЧ) и инфракрасных (ИК) радиометров, тепловизоров, приборов замера пaрaметров воды и многозональной фотоаппаратуры – получали точные сведения о водной поверхности, над которой пролетала в это время станция «Салют-7», радиолокационные и радиотепловые изображения водной поверхности. Одновременно со станции те же районы Чёрного моря изучались аппаратурой дистанционного зондирования. В результате многоэтажного исследования были получены новые сведения о физике океана. И здесь Чёрное море сыграло роль модели океана. Одновременные замеры «однородной» морской поверхности у подошвы атмосферы и над ней, за её пределами – позволили получить новые сведения о передаточной функции атмосферы, о трансформации картины земной поверхности, прошедшей через «линзу» атмосферы.

Возможность разноэтажных исследований уже принесла oщутимую пользу. Обнаружена связь между разреженными слоями верхней атмосферы и природными явлениями на поверхности 3емли. 3амечено, что вблизи грозовых очагов в ионосфере появляются особые волнообразные возмущения. Любопытно существование локальных энергетически активных зон взаимодействия атмосферы и океана. Обнаружены зоны наибольших перепадов темпepaтyp. Они расположены, как правило, над океаном и связаны с взаимодействием течений разных широт.

Свечения верхних слоёв атмосферы (полярные сияния, среднеширотные красные дуги, экваториальное оптическое излучение) являются проявлением важных физических процессов в ионосфере. В разное время, в различных световых условиях космонавты наблюдали распределение полярных сияний, структуру и форму серебристых и перламутровых облаков, цветовую гамму заходов и восходов Солнца.

Эволюция цветовых тонов слоёв атмосферы – при переходе из света в тень и наоборот – говорила об их составе и параметрах. Экипажи станции проводили наблюдения эмиссионных слоёв атмосферы, отмечали их яркость и положение, уточняя принятые модели ионосферы. Зона повышенного свечения распространялась и на высоты, превышающие орбиту станции. Обычный для наблюдения с Земли эффект мерцания звёзд стал для космических наблюдателей одним из способов фиксации атмосферных неоднородностей.

Заходящее Солнце не только дарило необычайную картину заката, но и изменяло свою форму. Кроме рефракционного сплющивания, на его профиле появлялись «стyпеньки» – скачки и разрывы. Выяснилось, что изменение темпepатуры и давления в атмосфере происходит не плaвно. Это связано с существованием «воздушных линз», отличающихся от окружающих слоёв. Таким образом, картина «ступенчатого» Солнца давала высотный разрез атмосферы с зонами температурных и аэрозольных аномалий.

Межпланетные станции непосредственно зондировали и солнечную корону, простирающуюся от Солнца на десятки солнечных радиусов. Вместе с электромагнитным излучением в окружающую Солнце среду поступают потоки плазмы, называемые «солнечным ветром». Взаимодействуя с атмосферой нашей планеты, он изменяет погоду, вызывает полярные сияния, влияет на биосферу Земли.

Оказалось, что солнечная плазма турбулентна. Размеры её вихрей меняются от нескольких до миллионов километров и увеличиваются с удалением от Солнца. Радиальная скорость вихрей тоже растёт, достигая в 15 миллионах километров от светила 400 километров в секунду.

Земля чутко реагирует на состояние солнечной короны. В полётах станций «Салют» уточнялась природа проявления наблюдаемого взаимодействия – полярных сияний. Космонавты выбирали направления наблюдений, изучали отдельные формы сияний.

Kocмонавты не раз наблюдали и серебристые облака. Они возникают в пограничном слое над стратосферой, в мезопaузе. 3десь, на выcoтax 80—90 километров, очень низкая температура (от -120 до -130 град. C). Именно с орбиты установлено, что серебристые облака не фрагментарные, а очень протяжённые образования, образующиеся в средних и высоких широтах и покрывающие иногда половину земного шара.

Ряд гипотез пытается объяснить их происхождение. По одной из них, облака состоят из микрольдинок, кристаллизующихся на частицах космического происхождения; по другим – «затравкой» кристаллам служит вулканическая пыль.

Космонавты вели наблюдения серебристых облаков, зарисовывали их, фотографировали, спектрометрировали. Они выглядели по-pазному, иногда в виде просвечивающего флёра, иногда яркими полями с широт 40—45 град. почти до полюса и даже многослойными. «Сегодня встретили серебристые облака над полюсом выше первого эмиссионного слоя; словно диски на этой высоте», – сообщалось с орбиты. Запуск метеоракет со станции «Молодёжная» в Антарктиде установил, что именно на высотах, где космонавты фиксировали нахождение серебристых облаков, находился температурный атмосферный минимум.

В уточнении прогнозов погоды ещё сыграет свою роль будущая оперативная спутниковая служба. Она будет снабжена аппаратурой, которой не страшен облачный покров. На ИСЗ «Космос-24З» уже в 1968 году было впервые проведено измерение атмосферы и поверхности Земли. Радиометоды позволяют получать климатические параметры – температуру, давление, влажность, состояние океанической поверхности – и через облака.