Погода интересует всех

Осадки

В глубокой древности человек обожествлял силы природы и считал, что противостоять им невозможно. Многочисленные источники рассказывают о небесных знамениях, предшествующих наводнениям, эпидемиям чумы или голоду.

Четыре процесса образования облаков: тепловая конвекция, подъем воздуха у препятствия, перемещение воздуха вдоль поверхности раздела, смешение двух различных воздушных масс.

Теперь нам уже известно, что небесные знамения в виде яркого кольца на небе, иногда с крестом в центре, представляют собой лишь оптическое явление, которое часто предшествует выпадению осадков. Мы знаем, что оптические явления ничего общего с выпадением осадков не имеют, а вызваны лишь преломлением солнечных лучей или их дифракцией на облачных частицах. Процесс образования осадков зависит от наличия в атмосфере ледяных кристаллов, которые также являются причиной гало.

Однако как же все-таки образуются облака? Первым условием выпадения осадков является, конечно, существование отдельного облака или облачной системы. Облака возникают, когда водяной пар, содержащийся в атмосфере, конденсируется, т. е. когда происходит процесс охлаждения воздуха. Этот процесс может быть вызван многими причинами. Наиболее наглядно охлаждение при образовании облаков термической конвекции, когда они возникают при восходящем движении теплого воздуха. Воздух, поднимаясь в высокие слои, расширяется и охлаждается на 1° через каждые 100 м. Абсолютное влагосодержание поднимающегося воздуха при этом не меняется. Водяной пар в качестве составной части воздуха попадает вместе с ним в более высокие слои. Но если при постоянном количестве водяного пара температура воздуха понижается, то растет его относительная влажность. Когда она достигает 100 %, водяной пар начинает конденсироваться и образуются мельчайшие капли; взвешенные в воздухе капли образуют облака[30].

Поясним процесс образования облака тепловой конвекции на конкретном примере. Пусть у земной поверхности температура воздуха 20° и относительная влажность 40 %. Легко подсчитать, что если упругость пара, содержащегося в воздухе, 7 торр, то в каждом кубическом метре воздуха содержится 7,3 г воды. Температура воздуха, поднимающегося в более высокие слои атмосферы, уменьшается на 1° через каждые 100 м, а относительная влажность увеличивается. Когда воздух поднимается на 500 м, температура его уменьшится на 5° и будет составлять уже не 20°, как внизу, а лишь 15°, относительная влажность увеличится до 55 %. На высоте 1400 м температура поднимающегося воздуха упадет до 6°, а относительная влажность достигнет 100 %. На этом уровне начнется конденсация водяного пара и образование облака.

Облачный покров может образоваться также, если приход солнечной радиации отсутствует и термическая конвекция не происходит. Для появления облаков воздух не обязательно должен подниматься за счет внутренней энергии. Его подъем может быть вызван и внешней причиной, например формой рельефа земной поверхности. Это особенно хорошо заметно при перетекании воздушного потока через горы. В тыловой части циклона, перемещающегося из районов Атлантики на восток, в Центральную Европу, с большой скоростью продвигается более холодный морской воздух. При перетекании через горные хребты, например Гарц и Тюрингенский Лес, воздух поднимается на высоту около 1000 м. При этом он охлаждается на 6—10° и начинается конденсация содержащегося в нем водяного пара. Образуются облака, часто называемые облаками ветрового подпора. Если в северных районах ГДР и ФРГ устанавливается хорошая солнечная погода, то в окутанных облаками горных районах этих стран идет дождь, связанный только с ветровым подпором.

Следует сказать еще об одной форме облаков, при которой сильно уменьшается дальность горизонтальной видимости. Речь идет об облаках смешения, образующихся при смешении воздушных масс с различной температурой. Возникающую при этом конденсацию водяного пара можно сравнить с хорошо известным запотеванием сильно охлажденных предметов, которые внесены в теплое помещение. Так происходит, например, с очками человека, вошедшего с сильного мороза в теплую комнату. Они являются охлаждающей поверхностью, на которую оседает водяной пар, находившийся в комнате. То же происходит и в атмосфере, когда более холодный умеренный воздух подтекает под теплую воздушную массу тропического происхождения. В этом случае умеренный воздух представляет собой гигантскую охлаждающую поверхность. В результате перемешивания двух воздушных масс с различной температурой образуется туман смешения[31].

Часто подобные процессы образования облаков происходят не в движущихся, а в стационарных воздушных массах, особенно в их нижнем пограничном слое. Тогда появляются слоистообразные облака, нижняя граница которых совпадает с земной поверхностью, так что они представляют собой просто-напросто влажный туман, сильно затрудняющий работу транспорта.

Если воздушная масса при подъеме или смешении с другой воздушной массой охлаждается при отрицательных температурах, то содержащийся в ней водяной пар может перейти в твердую фазу, минуя жидкое состояние. Этот процесс называется сублимацией водяного пара. Возникают ледяные облака. Состоит ли облако из капель воды или из кристаллов льда, зависит как от температуры воздуха в этом облаке, так и от начальных условий его возникновения. Облака, температура которых не ниже — 12°, большей частью являются водяными, причем при отрицательных температурах их называют переохлажденными. По микрофизическому состоянию облака делят на три типа: чисто водяные, переохлажденные и ледяные. Плоские кучевые облака являются чисто водяными, верхние части мощных кучевых и некоторых волнистых облаков обычно состоят из переохлажденных капель, а тонкие перистые облака, часто предшествующие обложному дождю, состоят только из кристаллов льда.

Агрегатное состояние облачных частичек обнаруживается по характеру оптических явлений в облаках. В ледяных облаках, которые в передней части циклона образуются на высотах около 6000 м, создаются оптические явления — гало, ложные солнца и др. В водяных облаках, а также в высоких туманах образуются венцы, примыкающие к Луне или Солнцу.

Зимой горы иногда подолгу окутаны облаками, из которых не выпадает ни дождь, ни снег. Однако из облака выделяется часть содержащейся в нем влаги, но не в виде дождя или снега, а совершенно иным образом. Переохлажденные облачные капли, соприкасаясь с наземными предметами, переходят в твердое состояние. Так, на траве, деревьях или проводах образуется зернистая изморозь. Она отлагается на всех предметах, оказавшихся внутри переохлажденного облака, в виде ледяного панциря, растущего навстречу ветру и не имеющего кристаллической структуры. Отложения часто бывают настолько сильными, что деревья, стоящие рядом, покрываются одной общей пеленой изморози. При многократном оттаивании и отложении изморози на деревьях может в конце концов образоваться сплошная ледяная стена. По мере роста отложений изморози кроны деревьев уже не выдерживают тяжести и обламываются.

Зернистую изморозь, образующуюся на наземных предметах при оседании переохлажденных капель из облаков или тумана, следует отличать от кристаллической изморози, появляющейся на тонких или заостренных предметах при слабом ветре в результате перехода водяного пара в твердое состояние. Такая изморозь обычно не растет навстречу ветру, как зернистая.

До сих пор мы говорили о различных формах конденсации водяного пара или об облаках, состоящих из капель воды, или об отложениях, выделяющихся из переохлажденных облаков и туманов. Однако мы пока еще ничего не сказали об образовании дождя. Хорошо известно, что не из всех облаков выпадает дождь. Следовательно, образование облаков и выпадение дождя представляют собой разные процессы. Рассмотрим несколько подробнее процесс, приводящий к выпадению осадков из облака.

Облачные частицы настолько малы, что из-за сопротивления воздуха опускаются очень медленно: скорость их падения составляет лишь несколько сантиметров в минуту Следовательно, если облачные капли не будут увеличиваться, то они не долетят до земной поверхности и дождя не будет. Слияние облачных капель происходит очень редко, ибо большей частью они несут одноименные электрические заряды и потому взаимно отталкиваются. Но если в чисто водяное облако попадут ледяные кристаллы, то процесс образования осадков значительно ускоряется.

Если же в одном облаке находятся и капли переохлажденной воды, и кристаллы льда, то возникает перенос водяного пара с капель на кристаллы, так как упругость насыщенного пара над льдом при той же температуре меньше, чем над переохлажденной водой. Ледяные кристаллы становятся все крупнее и, следовательно, тяжелее и начинают падать. В нижней части водяного облака они действуют как ядра конденсации и способствуют замерзанию на них переохлажденных облачных капель. Переохлажденные водяные облака могут стать источником снежной или ледяной крупы, ледяного дождя и т. п. При выпадении обложного дождя кристаллы, перемешиваясь с водяными каплями, могут стать причиной образования крупных ледяных кристаллов, которые, смерзаясь или сцепляясь, образуют снежинки. В горных районах осадки выпадают в виде снега, тогда как над равниной, пролетая через более теплые слои атмосферы, они успевают растаять и выпадают в виде дождя. Таким образом, любой обложной дождь начинается в средней тропосфере в виде снега. Пролетая через холодный приземный слой атмосферы, расстаявшие капли дождя могут снова замерзнуть. В этом случае они превращаются в ледяные шарики диаметром несколько миллиметров. Такие шарики значительно меньше градин и их называют ледяным дождем[32].

Особую опасность для транспорта представляет гололед. В метеорологии под гололедом понимают не ту гололедицу, которая бывает на дорогах и городских улицах при замерзании растаявшего снега или луж. а непосредственное замерзание капель обычного или переохлажденного дождя, падающих на сильно охлажденную земную поверхность. При определенных условиях погоды образование гололеда становится весьма вероятным. Это происходит главным образом в том случае, когда зимой холодный воздух, который на протяжении некоторого времени обусловливал характер погоды, внезапно вытесняется более теплым морским или тропическим воздухом. Температура воздуха в данном пункте станет положительной, а поверхность земли может еще в течение нескольких дней сохранять прежнюю отрицательную температуру. Любые жидкие осадки, будь это слабый дождь или короткий, но сильный ливень, выпадая на очень холодную подстилающую поверхность, тотчас же замерзают. Даже если количество осадков составляет всего несколько десятых долей миллиметра, дороги успевают покрыться зеркально-гладким слоем льда.

Осадки состоят не из абсолютно чистой воды. Они захватывают из атмосферы некоторое количество находящихся в ней газообразных (сернистый газ или хлор) или твердых примесей (натрий, сажа, копоть и др.). После испарения жидкой части осадков твердые примеси остаются на всех смоченных дождем предметах. Так, например, в промышленных районах оконные стекла после дождя часто становятся не чище, а грязнее, чем были до дождя.

Изучение примесей, содержащихся в атмосфере, составляет предмет той отрасли метеорологии, которая получила название химии атмосферы. В ГДР существует 9 метеорологических станций, собирающих пробы осадков, которые затем подвергаются физическому и химическому анализу в лаборатории химии атмосферы, находящейся в Вансдорфе (Дрезден).

Особой примесью в атмосферных осадках является песок, поднятый с поверхности пустынь. Ложбины низкого давления иногда приходят в районы Сахары, и тогда сильные ветры поднимают огромные массы песка в средние слои атмосферы. Этот песок переносится на север и легко может вымываться из атмосферы осадками даже в Центральной Европе. Если песчинки имеют красный цвет, то выпадает «кровавый» дождь. Наши предки не знали истинных причин этого очень пугавшего их явления природы. В настоящее же время мы легко прослеживаем с помощью синоптической карты путь поднятых в воздух пылинок и песчинок, движущихся из Сахары в Европу или в районы Атлантического океана. Не только с каплями дождя, но и со снежинками может выпадать на земную поверхность принесенный из Сахары красный песок.

Необычным видом осадков является дождь из насекомых, если только в этом случае вообще можно говорить о дожде. Иногда из облаков выпадают миллионы крылатых насекомых, похожих на мельчайших бабочек. Однажды поздно вечером при ясном небе, усыпанном звездами, на горизонте показалась мрачная черная туча, из которой через некоторое время внезапно, как при ливне, начали выпадать насекомые. Такой «дождь» был, конечно, очень неприятен для людей. По-видимому, необычайно большой рой насекомых оказался под грозовым облаком и был прижат к земле осадками, выпадавшими из этого облака. Во время падения через нижние слои атмосферы вода дождевых капель испарилась, а насекомые продолжали выпадать.

Процесс образования осадков во время грозы весьма сложен и значительно отличается от обычного осадкообразования. При грозах процесс образования осадков развивается очень быстро, а затем внезапно прекращается. Мощный восходящий поток воздуха, развивающийся в средней части облачного массива, препятствует выпадению осадков. Твердые и жидкие облачные частицы многократно подхватываются восходящими потоками и поднимаются в верхнюю часть облака. При этом они непрерывно растут, пока наконец «толчком» не выпадают из облака.

С грозой тесно связано выпадение града — шарообразных тел, состоящих из смеси снега и льда и образующихся в грозовом облаке[33]. В отличие от снежной крупы, состоящей из однородной снежной массы, градина состоит из нескольких прослоек, отличающихся друг от друга и по внешнему виду, и по происхождению. Образование градины происходит следующим образом. В грозовом облаке постоянно имеет место мощное восходящее движение воздуха. Отдельные снежинки, попадая в восходящий поток, непрерывно сталкиваются, уплотняются и постепенно превращаются в снежные шарики. В слоистых облаках на снежные шарики намерзают переохлажденные капли, из которых состоят эти облака. В зависимости от времени пребывания шарика в слое переохлажденных капель на нем образуется ледяная оболочка большей или меньшей толщины. Когда снежные шарики вновь уносятся восходящими потоками воздуха в более высокую часть грозового облака, в которой имеются мокрые снежинки, то поверх ледяной оболочки образуется слой плотного снега. В зависимости от мощности грозового облака градина может много раз пролетать через зоны сильного снегопада или через область переохлажденных капель. По числу снежных и ледяных прослоек можно определить, сколько раз градина пересекала различные зоны грозового облака.

Градобития ежегодно причиняют большие убытки. Градины нередко достигают размеров куриного яйца. Легко себе представить, с какой силой они ударяются о земную поверхность. Неудивительно, что при выпадении сильного града за несколько минут может быть уничтожен урожай на значительной площади. Были случаи, особенно в апреле и мае, когда на полях находили даже убитых градом зайцев и куропаток. Иногда выпадает и весьма необычный град. Так, например, наблюдались градины размером с грецкий орех, но не круглые или овальные, а в форме звездочек или белых снежных шаров, внутри которых находится от 10 до 15 шестигранных ледяных кристаллов длиной до 2 см, заканчивающихся ледяными пирамидами. При сильных грозах градины, по-видимому, сталкиваются в облаке. В этом случае приближение облака сопровождается сильным шумом. При столкновениях градины могут смерзаться, образуя гигантские комья весом до 1 кг, как это наблюдалось, например, однажды в Дели (Индия). По сообщениям из Китая, там из грозовых облаков выпадали глыбы льда весом до 3 кг.

Человек не теряет надежды осуществить свою давнишнюю мечту: если не подчинить себе стихию, то хотя бы научиться бороться с грозой и по желанию вызывать дождь. При приближении грозовых облаков, чтобы разрушить их, в средние века звонили в колокола, а в более позднее время для этого начали использовать огнестрельное оружие и громким шумом пытались воздействовать на процессы образования облаков. Во многих случаях во время стрельбы гроза не только не прекращалась, но даже усиливалась. Менялись времена, менялись методы, но принцип борьбы с грозовыми облаками оставался тем же. И только примерно 50 лет тому назад стало совершенно очевидно, что шумовыми эффектами нельзя оказать никакого влияния на процессы образования облака и выпадения града.

Если в умеренных широтах первоочередное значение имеет борьба против грозы и градобитий, то в засушливых районах земного шара люди мечтают об увеличении количества осадков, особенно в те периоды, когда возникает угроза гибели полевых культур от засухи, а людей и домашних животных — от жажды.

Первые попытки «заставить» облака давать дождь сделаны около 1000 лет тому назад. Тогда люди еще не знали, как образуется дождь, и считали его даром богов, особенно в засушливые периоды. Богов дождя надо было задобрить.

Еще несколько десятков лет назад народы Балканского полуострова думали, что вызвать милость богов может лишь девушка, называвшаяся волшебницей. В ильин день такие волшебницы, завернувшись в листья мака и папоротники, исполняли ритуальный танец и пели молитву о дожде: «Боже, дай нашим полям дождь, долгий дождь, чтобы уродилась пшеница на радость крестьянам! Пруды наши наполни водой, а озера вином!».

Нет никакого сомнения, что ни молитвы о дожде, ни стрельба из пушек не могут оказать ни малейшего воздействия на выпадение осадков. Проблема искусственного вызывания осадков может быть решена только путем использования научных данных, полученных при изучении облаков. Если не говорить об «атомном грибе», возникающем при взрыве атомных и термоядерных бомб, то мы еще не можем искусственно создавать облака. Вызвать выпадение осадков можно лишь в том случае, когда облака уже имеются. Следовательно, тот, кто хочет делать дождь, должен прежде всего заставить облака давать осадки. Опыт показал, что для этого необходимо облака, содержащие переохлажденные капли, искусственно заморозить. Для этого в качестве ядер кристаллизации используют дробленый лед, а также некоторые химические вещества. В метеорологии это называют искусственным засевом в облака.

Распределение осадков на суше. Количество осадков на морях и океанах еще мало известно.

В качестве ядер кристаллизации в настоящее время используют главным образом снег из твердой углекислоты (сухой лед) и йодистое серебро. Однако каждый исследователь имеет свои собственные рецепты. В Африке производились опыты со смесью, состоявшей из 9 частей поваренной соли и 1 части хлористого кальция. 15 г этой смеси помещали в герметический сосуд вместе с зарядом, состоявшим из 1,5 г пороха. Затем этот сосуд поднимали на воздушном шаре в облако и взрывали. Кристаллы соли должны были вызывать в облаке цепную реакцию, приводящую к выпадению осадков. Образование осадков может быть вызвано также сжиганием древесного угля, пропитанного раствором йодистого серебра в ацетоне. Реагенты вводятся в облака не только с помощью небольших воздушных шаров, но и с самолетов, а также специальными наземными устройствами, которые обычно устанавливают на вершинах гор.

Результаты опытов по искусственному вызыванию осадков пока еще не являются однозначными. Конечно, после засева некоторые облака давали снег, а из других облаков выпадал сильный ливневый дождь. Однако не было доказано, что эти облака не дали бы таких же осадков и без всякого воздействия на них, т. е. естественным путем. Комитет по контролю за погодой при Всемирной метеорологической организации установил, что количество осадков, выпавших в осенние месяцы на западном побережье Северной Америки, увеличилось на 10–15 % и что это, возможно, объясняется опытами по искусственному вызыванию осадков, проводившимися в данном районе. Однако к этому предположению необходимо отнестись с большой осторожностью, так как известно, что годовые суммы естественных осадков испытывают весьма значительные колебания.

Искусственное вызывание осадков стоит очень дорого. Для проведения необходимых опытов нужны соответствующие химические вещества, аппаратура для введения их в облака и самолеты для подъема этой аппаратуры. В настоящее время работы по эффективному искусственному вызыванию осадков ведутся во многих странах. Конечно, такие работы не могут выполняться отдельными учеными. Задача может быть решена только совместными усилиями научных учреждений, промышленности, авиации. При этом необходимо иметь в виду еще и следующее. Для добывания из земной коры полезных ископаемых необходимы значительные капиталовложения. Так же нельзя и от метеорологов требовать, чтобы они «бесплатно» добывали из атмосферы воду, являющуюся основным условием существования жизни на нашей планете. Добыча этого «воздушного ископаемого» связана с многочисленными трудностями, преодоление которых требует больших затрат.

Человеку придется еще приложить значительные усилия, чтобы эффективно вмешаться в круговорот воды в природе, ибо этот круговорот связан с преобразованием колоссального количества энергии. В настоящее время мы еще не можем сколько-нибудь значительно влиять ни на перенос водяного пара с земной поверхности в атмосферу, т. е. ни на испарение, ни на перенос воды из атмосферы на земную поверхность, т. е. на осадки.