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

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]. В средних широтах находится ячейка Феррела[3], а у полюсов – полярная ячейка[4]. 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.

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].

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.

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], 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[7] 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.