Погода интересует всех

На дне воздушного океана

Атмосферу сравнивают с мощной машиной, к которой непрерывно подводится тепло и которая производит механическую работу. Тепловая машина атмосферы питается солнечной энергией, которая пронизывает мировое пространство и достигает нашей планеты. В результате работы этой машины в воздушном океане возникают изменения, которые мы и называем погодой. Когда сверкает молния или ураганы производят свои страшные опустошения, становится особенно очевидным, какой огромный обмен энергией происходит в атмосферной машине. Однако мы все же не всегда отдаем себе отчет в том, что «нагревателем» тепловой машины является земная поверхность. Именно здесь, на дне воздушного океана, энергия солнечных лучей превращается в тепло. Когда под воздействием лучистой энергии Солнца и излучения атмосферы земная поверхность нагревается, говорят о типе инсоляции. Ночью же, а в зимнее время и днем, Земля отдает тепло в мировое пространство в виде длинноволнового излучения. В этом случае говорят о наличии типа излучения[10]. Рассмотрим несколько подробнее явления, происходящие при типе инсоляции.

Инсоляционный тип теплового баланса.

Солнечные лучи приходят на земную поверхность, т. е. на оголенную почву, растительный покров, водную поверхность озер, морей и океанов, на тысячи городских крыш и т. д. Здесь они поглощаются и превращаются в тепло. Одна часть этого тепла проникает в глубь почвы, другая — расходуется на испарение воды с земной поверхности, а третья — на нагревание воздуха. Таким образом, при типе инсоляции земная поверхность действует подобно гигантской горячей плите, нагревающей слой атмосферы над ней. Естественно, что это нагревание оказывается наиболее сильным в непосредственной близости к земной поверхности, так же как и комнатный воздух сильнее нагревается вблизи печи. Следовательно, приземный слой атмосферы принимает наибольшее участие в изменениях температуры вблизи поверхности. Этот слой оказывается связующим звеном между земной поверхностью и всей толщей воздушного океана. Нагревание атмосферы при типе инсоляции происходит вследствие того, что наиболее нагретые порции воздуха отдельными струями покидают приземный слой и поднимаются в более высокие слои атмосферы. Во время подъема эти струи воздуха отдают свое тепло окружающему воздуху. С увеличением высоты их теплоотдача уменьшается.

Ночью же, т. е. при типе излучения, наоборот, от земной поверхности вверх распространяется охлаждение.

Таким образом, при ясной солнечной погоде температура воздуха в течение суток вблизи земной поверхности может изменяться более чем на 20°, тогда как на высоте 300 м, например на Эйфелевой башне, изменение не превышает 2–4°. Приземный слой атмосферы привлекает внимание не только потому, что в нем протекают интересные физические процессы, но также и потому, что различные биологические явления происходят почти исключительно в этом слое. Люди, животные и растения существуют именно в этом нижнем слое атмосферы. Поэтому его иногда называют также биосферой, или сферой жизни.

В солнечные дни, и особенно в безоблачные, нагревание приземного слоя атмосферы бывает значительным. В такие дни мы можем наблюдать чрезвычайно интересные оптические явления. Они возникают, когда друг над другом располагаются два (или более) слоя воздуха с различной температурой и между ними имеет место большой скачок плотности воздуха. Каждому известно явление миража над нагретыми шоссейными дорогами. Предметы, изображения которых возникают на расстоянии 200–500 м, кажутся искаженными до неузнаваемости, так как в неодинаково нагретых слоях атмосферы световые лучи различно преломляются. На дорогах в холмистой местности, где наблюдается наиболее сильный ветер, температурные контрасты между поверхностью дороги и воздухом выражены особенно резко. Дорога или шоссе при этом кажется гладкой как зеркало. В долинах между холмами перегретые слои воздуха толще, чем над холмами. Поэтому в долинах поверхность шоссе или дороги уже не такая гладкая, а деревья и автомобили кажутся погруженными в озеро. Часто наблюдаются курьезные миражи: автомашина без колес или человек в сидячем положении, как бы парящий в воздухе, тогда как лошадь или повозка невидимы.

Нижний мираж (мираж пустыни),XB — холодный воздух, ТВ — теплый воздух, ТП — теплая поверхность.

Подобные явления возможны, когда в атмосфере холодный слой воздуха располагается над нагретым. Мираж, возникающий в этом случае, называют миражом пустыни, или нижним миражом. Особенно часто такой мираж встречается в тропических и субтропических странах, где его называют фата-моргана, или барэль-шайтан (дьявольское озеро). В дневные часы над раскаленными песками горы кажутся перевернутыми вершиной вниз. Травы, растущие на земной поверхности, кажутся пальмами. Облик людей искажается, они превращаются в какие-то диковинные существа. Войска Наполеона встретились с такими миражами в Египте. Во время похода солдаты внезапно увидели, что их со всех сторон окружает вода. Куда бы они ни двигались среди раскаленных песков, ничего, кроме бесконечной водной поверхности, не было видно. Говорят, что солдаты ожидали конца света и были крайне изумлены, когда к вечеру эта мерцающая голубая гладь на их глазах начала расплываться и наконец совсем исчезла.

Верхний (полярный) мираж. ТВ — теплый воздух, XB — холодный воздух, ХП — холодная поверхность.

В тех областях земного шара, где преобладает излучение радиации и теплый воздух чаще располагается над более холодным, также наблюдаются миражи, называемые полярными, или верхними. Они сыграли особую роль в истории открытий Арктики. В 1818 г. английские исследователи Джеймс и Джон Росс вышли в море, чтобы открыть Северо-Западный проход, т. е. северный водный путь из Атлантического океана в Тихий вокруг Америки. Когда они достигли Баффиновой Земли, проход оказался закрытым горами. Дальнейшее продвижение к западу было бессмысленным. Они повернули назад и сообщили, что морского пути между океанами нет. Примерно через 100 лет американский адмирал Р. Пири пошел тем же путем и тоже увидел удивительную горную страну, которую он назвал Землей Крокера. Он хотел продолжать плавание, так как надеялся найти в этих горах залежи железа и золота. Однако льды преградили ему путь. Следующую экспедицию в этот район предпринял Д. Макмиллан. Чем ближе он подходил к этой своеобразной горной стране, тем дальше она от него отступала. Когда льды преградили путь кораблю, Макмиллан продолжил путешествие пешком. С наступлением вечера — он перестал верить своим глазам — горы уходили от него все дальше и дальше, а после захода солнца исчезли совсем. Горы, перед которыми отступили Росс и Пири, представляли собой всего лишь мираж, отражавший далекие горные хребты. Он был вызван воздействием на атмосферу сильно выхоложенных ледяных полей Арктического бассейна.

При всех типах миражей действительные размеры объектов всегда искажаются. Это объясняют непрерывным перемещением струй теплого и холодного воздуха в дневные часы. Ночью же, когда земная поверхность выхолаживается, охлаждение передается прилегающим к ней слоям атмосферы. Однако образование холодного слоя воздуха вблизи поверхности не протекает спокойно. В холмистой местности холодный воздух стекает с возвышенностей в долины, а на смену ему приходит теплый из более высоких слоев атмосферы. Опустившийся теплый воздух возле земной поверхности выхолаживается. Таким образом, не только днем, но и ночью вблизи поверхности движение воздуха способствует изменениям температуры.

В результате возникающих при этом колебаний плотности воздуха изменяется яркость и форма далеких источников света, появляется так называемое мерцание звезд.

Исследование мелких астрономических объектов и фотографирование неба с помощью гигантских телескопов становятся невозможными на дне воздушного океана. Чтобы избежать атмосферных помех, средние и крупные телескопы стали монтировать на высоких каменных или металлических цоколях, так как предполагалось, что на высоте 20–50 м над земной поверхностью помехи будут ослаблены. Однако эти меры принесли мало пользы. Наиболее благоприятным местом для наблюдений за звездами оказались высокие горные вершины. Но даже и там приземный слой атмосферы часто настолько возмущен, что невозможно получить достаточно четкие снимки астрономических объектов. Вот почему обсерватория на горе Китт-пик (штат Аризона, США) будет иметь 100-метровую башню, на верхней площадке которой и будут установлены астрономические приборы.

Формы ландшафтов земной поверхности весьма разнообразны. Чередование суши и моря, влажных джунглей и обширных пустынь способствует неодинаковому нагреванию деятельной поверхности в различных районах земного шара. В ясные дни поверхность песчаной пустыни нагревается до 60°, тогда как колебания температуры поверхности моря на той же широте составляют всего несколько градусов. В метеорологии говорят в таком случае о различном круговороте тепла или о разном тепловом балансе. Степень нагревания земной поверхности зависит прежде всего от того, сколько солнечной энергии расходуется на испарение воды с почвы и растительного покрова. Поверхность участков почвы, с которых происходит испарение, более прохладна. На увлажненных лугах, в лесах и на водоемах солнечная радиация расходуется главным образом на испарение воды. Эти участки земной поверхности по отношению к сухим песчаным участкам суши оказываются своеобразными холодильниками.

Над различными по характеру частями земной поверхности формируются объемы воздуха, обладающие значительными горизонтальными контрастами температуры. Представим себе, например, жнивье, граничащее со свекловичным полем. В жаркие дни на границе этих участков возникающий приземный ветер может иногда очень быстро усилиться до шквалистого. Воздух начнет совершать вихревое восходящее движение. В народе такое явление называют дьявольским ветром, а в метеорологии — мелким тромбом, или смерчем. Особенно сильное впечатление дьявольский ветер производит над сухими каменноугольными пластами. Черная угольная пыль, поднятая в воздух, делает хорошо различимой воронкообразную форму смерча.

Садоводы отмечали, что в некоторых районах застекленные парники и теплицы ежегодно разрушаются такими смерчами. Это объясняли тем, что здесь проходят определенные и постоянно повторяющиеся траектории подобных смерчей. Для образования таких смерчей нагревание поверхности возле теплиц и парников должно быть очень различным. В этом случае действенным может стать только изменение характера подстилающей поверхности, например ее застройка.

Рассмотрим еще одно явление, которое также объясняется влиянием резких контрастов температуры на ограниченных участках местности. Ранней весной в лесу часто можно слышать сильные звуки, напоминающие выстрел. Но кто же стреляет? Оказывается, солнечные лучи, падая на холодные стволы деревьев, сильно нагревают сторону, обращенную к солнцу, тогда как теневая сторона стволов еще сохраняет низкую температуру окружающего воздуха, которая в это время года в глубоких котловинах может быть даже ниже 0°. В коре дерева появляются большие напряжения, в результате которых она разрывается. При этом возникает резкий как выстрел звук.

Когда говорят об активном воздействии человека на погоду, то многие начинают думать, что в сравнительно скором времени можно будет делать погоду по желанию. Однако они обычно забывают, что для этого потребуется такое количество энергии, которым мы еще не располагаем.

Но направление, по которому должно идти искусственное воздействие на погоду или климат, становится очевидным. Речь идет о том, чтобы посредством целесообразных мелиоративных мероприятий преобразовать тепловой баланс разных участков земной поверхности. Мы должны попытаться управлять уже имеющимися запасами энергии. О том, как это сделать, говорится в последних главах книги. Здесь же отметим только, что уже и теперь достигнуты определенные успехи в преобразовании климата почвы и микроклимата. Необходимо, конечно, подчеркнуть, что воздействие на микроклимат ограниченных участков земной поверхности посредством изменения их теплового баланса не оказывает влияния на крупномасштабные погодные процессы, так как они являются результатом энергообмена на всей поверхности земного шара и во всей атмосфере.

В начале этой главы мы говорили об атмосферной тепловой машине и установили, что земная поверхность, являющаяся нижней границей атмосферы, оказывает решающее влияние на процессы, происходящие в воздушном океане. В конечном счете восходящие потоки воздуха переносят энергию от земной поверхности в атмосферу и тем самым принимают участие в изменениях погоды. Высокие слои атмосферы, в которых «делается» погода, мы несколько подробнее рассмотрим в следующей главе.