Погода интересует всех

Холодильник нашей планеты

В предыдущей главе мы говорили об облучении Земли солнечной радиацией. Каждый день земной шар получает от Солнца огромное количество тепла. Теперь следует ответить на вопрос: куда же девается это тепло? Можно было бы подумать, что под действием этого тепла Земля должна непрерывно нагреваться. Однако систематического нагревания всей Земли в действительности не существует. Значит, за год количество энергии, полученной Землей от Солнца, в точности равняется количеству отданной. Рассмотрим процесс отдачи энергии несколько подробнее.

Потоки лучистой энергии на дневную и ночную стороны Земли.

1 — солнечная радиация, 2 — излучение Земли и атмосферы, 3 — противоизлучение атмосферы, 4 — отражение от облаков, 5 — отражение от Земли.

Земля примерно на 300° теплее окружающего ее космического пространства[24]. Ее можно сравнить с натопленной печью, которая отдает свое тепло комнате и сама при этом охлаждается. Точно так же и Земля непрерывно отдает в мировое пространство энергию в виде длинноволнового излучения. Поскольку, однако, человек не воспринимает эту потерю энергии непосредственно, то неудивительно, что несведущие люди придумывают самые невероятные объяснения и ночного охлаждения земной поверхности, и зимних морозов. В частности, сильные морозы часто пытаются объяснить влиянием Луны.

В действительности охлаждение земной поверхности и в течение суток, и в течение года можно объяснить постоянным излучением инфракрасной радиации. Процесс выхолаживания прерывается только тогда, когда к земной поверхности приходит солнечная радиация. По мере увеличения высоты солнца над горизонтом приход солнечной радиации все более превосходит потерю тепла излучением. Начинается постоянный прогрев земной поверхности и примыкающих к ней нижних слоев атмосферы. В этом случае метеорологи говорят, что радиационный баланс поверхности становится положительным. Ночью же он почти всегда отрицательный. Даже в конце дня излучение поверхности может стать больше прихода радиации от Солнца, так как высота его над горизонтом в это время суток опять становится небольшой. Это справедливо даже для теплых летних вечеров, когда солнце еще не опустилось под горизонт, но на лугах уже начинает появляться роса. Выхолаживание травяного покрова приводит к тому, что, например, на заболоченных и степных участках северных районов ГДР и ФРГ даже в июне еще могут наблюдаться ночные заморозки на поверхности почвы.

Суточный и годовой ход температуры земной поверхности и воздуха зависит от хода радиационного баланса. Земная поверхность нагревается, если дневной приход лучистой энергии к ней будет больше излучения в течение ночи. Поскольку Земля в первом приближении имеет форму шара, то в один и тот же момент угол падения солнечных лучей на земную поверхность неодинаков на разных широтах. На Земле существуют такие области, в которых годовая сумма приходящей энергии всегда больше суммы энергии, отдаваемой за тот же период (тропические широты), и области непрерывной потери тепла (полярные районы). Становится понятным образование воздушных масс, различающихся своими свойствами. Эти свойства сохраняются даже в случае перемещения воздушных масс в другие широты. Образование воздушных масс и их движение можно объяснить на примере комнаты, отапливаемой печкой. Ледяные пространства полярных районов можно сравнить с комнатой, которая протапливается только в течение нескольких дневных часов. Температура воздуха в такой комнате повышается до тех пор, пока она получает больше тепла от печки, чем теряет его через окна, двери и стены. Если в печке поддерживается лишь слабый огонь, то незначительное количество выделяющегося при этом тепла не сможет вытеснить из комнаты холод. А так как в полярных областях «отопление» не является достаточным, то ледяной и снежный покров этих областей непрерывно выхолаживается. Когда же начинается короткое полярное лето, снег нагревается, поднимается и температура воздуха. Однако из-за малого угла падения солнечных лучей вызываемое ими нагревание поверхности оказывается столь незначительным[25], что температура воздуха редко поднимается выше 0°.

Рассмотрим холодную земную поверхность несколько подробнее. Возьмем для примера снежно-ледяной покров Антарктики. Он является самым мощным источником холода на Земле. Его антипод — Арктический бассейн — в отношении как низких температур воздуха, так и сильных ветров значительно отстает от Антарктики. Это объясняется тем, что в Арктику непрерывно поступает тепло из умеренных широт. Оно переносится сюда вместе с массами морского воздуха, так как температура воды в морях никогда не опускается ниже 0°. Меридиональная циркуляция атмосферы, т. е. чередующиеся северные и южные воздушные течения, уносит на юг холодный воздух из Арктики, а на смену ему поступает более теплый морской воздух с юга. В Антарктике же особенности географического распределения суши и моря обусловливают возникновение так называемой зональной циркуляции воздушных масс, совершающейся вдоль широтных кругов Земли. Такая циркуляция препятствует сколько-нибудь интенсивному перемешиванию воздушных масс различного происхождения.

В период МГГ в Антарктике работало 20 геофизических станций. Но лишь девять из них, в том числе четыре советские станции, находились на материковом ледяном куполе. На этих станциях проводились метеорологические и гляциологические исследования.

Антарктида покрыта ледяным панцирем, превращающим ее в подобие плоскогорья, средняя высота которого над уровнем моря составляет 2000 м. Наибольшая из измеренных до сих пор толщин слоя льда составляет здесь 4270 м, причем в этом месте лед на 2500 м погружен в море. Около 90 % ледяного покрова нашей планеты находится в Антарктике, 9 % — в Гренландии и лишь ничтожная его доля приходится на ледники различных высокогорных районов земного шара.

Для изучения изменений характера льда с глубиной было пробурено множество скважин. На американской антарктической станции Бэрд температура льда на глубине 30 м составила —27,9°, а на глубине 300 м —28,59°. Следовательно, чем глубже лежит здесь лед, тем он холоднее. Возраст льда на глубине 300 м был оценен в 1500 лет. Поскольку теплопроводность льда невелика, можно предположить, что еще и в настоящее время в ледяном покрове на различных глубинах сохраняется температура, которую этот лед имел, когда располагался на поверхности. В последующие годы на этой поверхности откладывался новый снег, так что тот снег, который лежал на поверхности раньше, оказывался изолированным от воздействия климатических условий, господствовавших в атмосфере в более позднее время. Таким образом, климат прошедших лет до известной степени «консервировался» в ледяном покрове.

Остановимся на метеорологическом режиме Антарктики. В результате непрерывного излучения радиации поверхность снежного и ледяного покрова в течение полярной ночи непрерывно выхолаживается, а воздушные массы над ней постепенно «промерзают» снизу доверху. Можно было бы думать, что в течение полярного дня, когда солнце на протяжении многих недель совсем не опускается под горизонт, происходит значительное нагревание ледяного покрова. Однако солнечные лучи вследствие большой отражательной способности снежного покрова отражаются обратно в атмосферу и не могут скомпенсировать охлаждение, вызванное излучением.

Лишь при высоте солнца более 30° поглощение солнечной радиации снежным покровом превышает излучение. На советской антарктической станции Пионерская январь оказался единственным месяцем в году, когда месячная сумма радиационного баланса была положительной. Другими словами, только в этом месяце ледяной покров в Антарктике получает в виде лучистой энергии больше тепла, чем теряет его в виде длинноволнового излучения, уходящего в мировое пространство[26]. При чрезвычайно низких температурах, господствующих в Антарктике, почти парадоксально звучат слова о теплоотдаче. Но следует помнить о том, что температура мирового пространства еще примерно на 200° ниже, чем температура Антарктики.

Как радиационный режим, так и процессы адвекции в разных районах Антарктики могут быть весьма различными. Так, например, в американской обсерватории Южный Полюс в мае 1957 г. наблюдалась температура воздуха —75°, тогда как на другой американской станции Литл-Америка, расположенной в 1000 км от полюса, в это же время температура была —1°.

К началу зимы поверхность ледяного покрова бывает холоднее, чем более высокие слои атмосферы. Затем в течение нескольких месяцев вся атмосфера над Антарктидой промерзает. Так, например, к концу зимы на советской антарктической станции Советская, находящейся на полюсе недоступности, на высоте 3700 м над уровнем моря, была измерена минимальная температура воздуха —86°, а станция Восток 25 августа 1960 г. сообщила, что температура воздуха на ней опустилась до —88,3°.

В результате непрерывного излучения радиации льдом и снегом вся тропосфера над Антарктидой к концу зимы очень сильно выхолаживается, а температура нижней стратосферы снижается до —90°. Однако в слое атмосферы от 500 до 1000 м над земной поверхностью обычно располагается слой инверсии, средняя годовая величина которой, например на станции Пионерская, составляет 20°. Максимальное же изменение температуры воздуха с высотой в отдельных случаях доходило до 40°. Так, при температуре воздуха у земли —60° на верхней границе инверсии наблюдалась температура —20°. С таким сильным перепадом температур связаны ураганные ветры, которые в Антарктике вызывают сильнейшие снежные бури. Интересны, например, следующие метеорологические данные, полученные на Земле Адели в период МГГ. Средняя годовая температура воздуха здесь была —55°, средняя годовая скорость ветра 75 км/час, средняя температура самого холодного месяца —71°, самого теплого —30°, максимальная средняя суточная скорость ветра 120 км/час. На станции Советская средняя годовая температура за 1958 г. составила даже —56°, причем в течение 6 месяцев подряд средние месячные температуры были ниже —50°.

Ход температуры с высотой при инверсии над материковым ледяным покровом.

Метелями в течение года в Антарктике на площади 1 км² переносится 20 000 000 т снега. Чтобы перевезти такое количество снега, нужно было бы иметь 20 000 товарных поездов, состоящих из 50 вагонов грузоподъемностью 20 т каждый. Ветровое давление при таких метелях столь велико, что человек чувствует себя как бы стоящим на крыле летящего в воздухе самолета. Участники антарктических экспедиций рассказывают, что при встречном ветре человек легко может «лежать» на ветре. Потеря рукавицы в этих условиях уже через несколько минут приводит к обмораживанию руки. До метеорологической будки, находившейся в нескольких метрах от лагеря, можно добраться, только держась за натянутый заранее канат. Дальность горизонтальной видимости при таких снежных бурях часто не превышала ³/₄ м. Если у наблюдателя нет сил, чтобы бороться с бурей, может произойти несчастье: ураган унесет его в снежную пустыню и никакие крики о помощи не будут услышаны его товарищами.

Однако перенос снега — лишь один из элементов баланса массы в Антарктике. Другим источником его пополнения являются обильные снегопады. Расходными же статьями становятся сдувание снега и сползание айсбергов в море, а также таяние их в зоне прибрежного шельфового льда. Если подсчитать суммы этих приращений и потерь массы, то окажется, что в настоящее время равновесия между ними не существует. Ежегодно происходит увеличение массы примерно на 1500 000 000 000 т, т. е. Антарктида постепенно увеличивается.

Чтобы рассмотреть закономерности излучения радиации земным шаром несколько подробнее, вернемся из Антарктики в умеренные широты. Мы хорошо знаем, что приход солнечной радиации на земную поверхность может резко уменьшиться при облачном небе. Поэтому в пасмурные дни отсутствует отчетливый суточный ход температуры почвы и воздуха, т. е. температура не испытывает заметного повышения в дневные часы. Аналогичные изменения претерпевает и излучение, т. е. если небо в ночные часы покрыто облаками, излучение земной поверхности сильно уменьшается, ибо его компенсирует противоизлучение облаков. Таким образом, общее повышение температуры воздуха над обширным районом за некоторый интервал времени оказывается тем больше, чем значительнее приход солнечной радиации и чем меньше ночное излучение земной поверхности. В частности, появление поздних весенних и ранних осенних заморозков на почве зависит главным образом от условий облачности. Если влажность воздуха мала, то даже при максимальных дневных температурах более 20° не исключена возможность ночного заморозка на отдельных наиболее неблагоприятно расположенных участках местности.

При пасмурном небе величина эффективного излучения земной поверхности значительно уменьшается, а температура земной поверхности и воздуха понижается меньше.1 — эффективное излучение, 2 — противоизлучение, 3 — излучение земной поверхности.

Особенно значительные убытки от заморозков сельское хозяйство ГДР понесло в 1959 г. После сухого месячного периода максимальная температура воздуха в дневные часы даже в середине сентября все еще достигала 23°. Ночью же всходы кукурузы у подножия гор замерзали. В этот период все факторы, благоприятствующие заморозкам, действовали совместно: почва была сухой и, следовательно, обладала малой теплопроводностью, имело место низкое атмосферное давление и отсутствовала облачность.

Местами пришлось ввести ограничения в потреблении воды, посевы кормовых трав гибли от засухи, а кукуруза— резерв зеленых кормов на зиму — пострадала от заморозков.

На небесных телах, лишенных атмосферы, смена дня и ночи происходит почти мгновенно, без рассвета и сумерек. Приход солнечной радиации и дневная температура поверхности остаются здесь изо дня в день одинаковыми. Посмотрим, например, на нашу ближайшую соседку Луну. Каждая единица ее поверхности получает от Солнца примерно столько же энергии, сколько и Земля. Время ее оборота вокруг оси почти точно равняется периоду ее обращения вокруг Земли. Поэтому день длится на Луне две земных недели и столько же времени продолжается лунная ночь. Вещество, образующее поверхность Луны, обладает небольшой теплопроводностью. Поэтому после восхода солнца температура лунной поверхности за несколько часов поднимается до 120°. На теневой же стороне Луны она составляет почти —150°. Отсутствие таких резких температурных контрастов на Земле объясняется только наличием у нее атмосферы, в которой постоянно существует перенос тепла движущимися воздушными массами из областей, освещенных солнцем, в области, находящиеся в тени. В то же время водяной пар, содержащийся в атмосфере, уменьшает выхолаживание земной поверхности вследствие излучения ею длинноволновой радиации. Если бы на Луне имелось хоть немного воздуха и водяного пара, то на границе между освещенной солнцем и теневой ее стороной всегда наблюдались бы процессы конденсации пара и появились бы туманы, облака и осадки.

Посмотрим теперь, справедливо ли так часто высказывавшееся ранее мнение, будто Луна приносит нам сильные зимние морозы. Всем известно, что, чем ярче и светлее зимой диск луны, тем сильнее мороз. Когда в ясные морозные зимние ночи снег скрипит под ногами, а луна кажется совсем рядом с нами, поневоле начинаешь думать, будто наша «холодная соседка» несет свой холод и на нашу планету. Однако эти ощущения вводят нас в заблуждение.

Луна и Земля являются излучающими телами, которые в мировом пространстве всегда расположены определенным образом относительно друг друга. Обе они частично отражают падающие на них солнечные лучи и обе сами излучают длинноволновую радиацию. Однако при среднем расстоянии между ними 370 000 км потоки энергии, излучаемые ими друг к другу, ничтожно малы. Во время полнолуния температура поверхности Луны на 130° выше температуры Земли. Следовательно, в это время Луна излучает в сторону Земли больше радиации, чем сама от нее получает. Иначе говоря, Луна не только не охлаждает Землю, а, наоборот, согревает ее. Таким образом, во время полнолуния нет оснований называть нашу соседку холодной. Однако следует подчеркнуть, что «лунное нагревание» Земли чрезвычайно мало и имеет лишь чисто теоретическое, а отнюдь не практическое значение.

Во время сильных морозов мы действительно довольно часто наблюдаем полный диск Луны. Это связано с другой причиной. Когда в зимнее время года Европа оказывается под воздействием очень холодного сибирского антициклона, над ней возникает нисходящее движение воздуха. При этом воздух средней тропосферы нагревается, а облака рассеиваются. Выхолаживание земной поверхности путем излучения происходит совершенно беспрепятственно и способствует дальнейшему усилению морозов. Поэтому неудивительно, что во время сильных морозов небо часто бывает безоблачным и мы нередко можем видеть на нем луну. Ночью человек очень часто совершенно бессознательно обращает свой взгляд в сторону источника света. Свет луны, являющийся отраженным солнечным светом, имеет особую окраску. Он освещает земной ландшафт магическим голубым светом. Блеск кристаллов снега еще больше усиливает впечатление сильного холода. В результате всего этого мы инстинктивно связываем мороз с действием Луны. Если же во время полнолуния небо покрыто облаками, мы не вспоминаем о Луне и не пытаемся приписывать ей какое-либо влияние на погоду. Обыватель не подсчитывает, в скольких случаях «открытое» им «правило» о влиянии Луны на мороз не подтверждается. Он суммирует лишь случаи совпадения явлений и возводит результат совершенно неверного статистического подсчета в ранг закономерности. Тем самым он меняет местами причину и следствие.