Погода интересует всех

Там, где создается погода

Как известно, земной шар не представляет собой однородную массу, а состоит из трех слоев, значительно отличающихся друг от друга по физическим и химическим свойствам.

Прежде всего выделяют земное ядро, являющееся очень сильно сжатой плазмой. Оно окружено вязкой оболочкой, состоящей из кремния и магния. Эта оболочка покрыта земной корой, которая содержит главным образом кремний и алюминий. Земная кора отделяет раскаленную внутреннюю часть земного шара от водной и воздушной оболочек.

Представление о слоистом строении земного шара мы получаем из наблюдений над распространением волн землетрясений, называемых в науке сейсмическими волнами. Время, в течение которого сейсмическая волна обходит вокруг земного шара, может быть весьма различным. Анализ времени пробега расстояний различными сейсмическими волнами показал, что распространению этих волн в толще земного шара можно дать разумное физическое объяснение, только если предположить, что Земля состоит из различных сфер. Ряд других геофизических явлений также подтвердил теорию слоистого строения земного шара; в настоящее время эта теория не вызывает никаких сомнений.

А как обстоит дело с воздушной оболочкой Земли? Имеет ли воздух в нижних слоях атмосферы такие же свойства, как на высотах, скажем, 500 или 1000 км? Присуще ли слоистое строение и воздушной оболочке Земли?

Когда мы в безоблачный день смотрим вверх, то видим, что небесный свод как бы затянут синей или голубой пеленой. Создается впечатление, будто вся атмосфера состоит из однородной массы воздуха.

Таким образом, непосредственные наши впечатления не позволяют сделать вывод о слоистом строении атмосферы. Однако косвенные методы исследования, как, например, наблюдения за распространением звука и радиоволн, а также измерения метеорологических величин с аэростатов и самолетов, показали, что в действительности атмосфера, как и земной шар, тоже имеет слоистое строение. При этом говорят о расчленении атмосферы на сферы.

Сведения о слоистом строении атмосферы получены сравнительно недавно. В XVII и XVIII вв., основываясь на принципах открытого Лейбницем дифференциального исчисления, мир со всеми происходящими в нем процессами считали непрерывным, а распределение материи в нем представляли всюду равномерным и гармоническим. Однако на примере земного шара мы уже видели, что распределение материи в действительности может быть и скачкообразным. Скачки же между различными сферами в атмосфере имеют очень важное значение для развития погодных процессов.

В настоящее время утвердилось представление о том, что атмосфера расчленяется по вертикали на четыре основные сферы[11]. В действительности же строение атмосферы значительно сложнее, чем это будет описано ниже.

Нижним «этажом» атмосферы является тропосфера, в которой и происходят основные погодные процессы. В полярных областях тропосфера имеет высоту около 8 км, а в тропических широтах — до 17 км. Характерным свойством тропосферы является уменьшение температуры воздуха с высотой. Над Центральной Европой оно составляет в среднем около 0,65° при подъеме на каждые 100 м. Весь водяной пар атмосферы почти целиком сосредоточен в тропосфере, так что только здесь образуются облака и выпадают осадки. Радиационный режим и движение воздуха в тропосфере в конечном счете обусловливают комплекс атмосферных явлений, который мы называем погодой. На верхней границе тропосферы, где температура воздуха изменяется от —35 до —90°, находится резко выраженный переходный слой, особенно отчетливо проявляющийся в скачке температуры, влажности и ветра. Этот слой называется тропопаузой.

Второй «этаж» атмосферы образует стратосфера. В этом слое температура воздуха увеличивается с высотой[12]. В стратосфере тоже расположена нагревательная поверхность (кроме земной). Ею является слой озона, или озоносфера. Если земная поверхность играет роль нагревателя нижних слоев атмосферы благодаря своему свойству поглощать солнечную радиацию и превращать ее в тепло, то в стратосфере происходят совершенно иные процессы. Здесь ультрафиолетовые лучи взаимодействуют с кислородом высоких слоев атмосферы, что приводит к образованию озона (О₃). При этом выделяется тепло, которое и способствует нагреванию верхней стратосферы. Стратосфера также принимает большое участие в формировании погоды у земной поверхности.

С высоты примерно 80 км начинается третий «этаж» атмосферы — ионосфера[13]. Это сильно ионизированный слой атмосферы. Ионом в физике называется молекула или атом, которые обладают положительным или отрицательным электрическим зарядом. В поле конденсатора ионы движутся в направлении к полюсам (электродам), имеющим знаки, противоположные знакам заряда ионов, т. е. положительно заряженные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательно заряженные — к положительному. Воздух, в котором имеются ионы, приобретает электропроводность.

В ионосфере образование ионов вызывается тем, что ультрафиолетовая радиация Солнца выбивает отдельные электроны из оболочек атомов атмосферных газов. Ионосфера не является однородным слоем, в котором ионы распределены равномерно. Наоборот, в зависимости от времени суток и сезона в ней образуется несколько различных слоев повышенной ионизации, получивших название слоев D, E_b Е₂, F₁ и F₂. По имени открывших их ученых слои Е называются также слоями Хивисайда, а слои F — слоями Эпльтона. Область наибольшей концентрации ионов зимой располагается в слое Е на высоте 100 км, а в слое F — на высоте около 150 км над уровнем моря. Летом эти области перемещаются на высоты 120 и 350 км соответственно.

Последний «этаж» атмосферы образует экзосфера, являющаяся переходным слоем между воздушной оболочкой Земли и межзвездным пространством.

Ионосфера и экзосфера, заметно отличающиеся друг от друга по свойствам, не имеют резких границ, отделяющих их от соседних с ними слоев. Следовательно, невозможно точно указать высоту, на которой оканчивается одна сфера и начинается другая. Сферы постепенно переходят друг в друга.

Начиная с нижней границы ионосферы температура воздуха быстро возрастает и на высоте 500 км при атмосферном давлении 1/160 000 000 торр она уже превышает 1000°. Находящиеся здесь молекулы атмосферных газов движутся со скоростью несколько километров в секунду. Вследствие больших скоростей молекулы или атомы могут покидать земную атмосферу и улетать в межзвездное пространство. Однако масса атмосферы не меняется. Это видно из того, что давление у земной поверхности не испытывает непрерывного уменьшения. Точно такое же число газовых частиц, какое покидает земную атмосферу, вновь улавливается благодаря силе земного тяготения. Речь идет о частицах, приходящих из космоса, но имеющих сравнительно небольшую скорость, а также об атомах газов, которые в момент «выскакивания» из экзосферы сталкиваются с другими частицами, теряют часть своей кинетической энергии и вновь улавливаются полем земного тяготения. Отсюда следует, что земная атмосфера не имеет четкой верхней границы. В период МГГ были получены данные о том, что газы земной атмосферы встречаются над Землей даже на расстоянии, равном половине расстояния до Луны, т. е. на высоте около 200 000 км.

Рассмотрим теперь несколько подробнее свойства тропосферы. Если принять, что высота атмосферы составляет 1000 км[14], то вертикальная протяженность тропосферы равна лишь 1 % общей высоты всей воздушной оболочки Земли. Однако мы не получили бы правильного представления о тропосфере, если бы не учли характера вертикального распределения массы атмосферы. Атмосферное давление убывает с высотой и на уровне тропопаузы составляет только ¹∕₄ давления на уровне моря. Значит, в тропосфере сосредоточено ³∕₄ всей массы атмосферы.

В отличие от остальных слоев атмосферы, воздух тропосферы, в которой как раз и формируется погода, непосредственно соприкасается с земной поверхностью. Моря, раскаленные пустыни, ледяные пространства полярных областей и другие области земной поверхности резко различаются по своим свойствам. Соприкасающийся с ними воздух приобретает не только температуру и влажность, характерные для этих областей, но также и свойственную им запыленность.

Таким образом, вследствие различий в подстилающей поверхности в тропосфере наблюдаются большие горизонтальные контрасты метеорологических элементов. Значительный объем воздуха, который на протяжении многих дней располагается над однородной подстилающей поверхностью, сам приобретает однородную структуру. Такой объем воздуха называют в метеорологии воздушной массой. Тропосфера состоит из большого числа воздушных масс, которые особенно интенсивно формируются в устойчивых областях повышенного атмосферного давления.

Различают два типа воздушных масс, а именно тропические и полярные. В зависимости от географического положения очага формирования и от траектории движения над Европой выделяют еще шесть подтипов. Полярную воздушную массу подразделяют на старый полярный воздух, собственно полярный воздух и арктический полярный воздух, а тропическую воздушную массу — на африканский тропический воздух, собственно тропический воздух и умеренный (тропический) воздух[15]. Воздушные массы непрерывно взаимодействуют друг с другом. На границах, разделяющих соседние массы и называемых атмосферными фронтами, контрасты в значениях метеорологических элементов особенно велики. Вдоль атмосферных фронтов нередко возникают шквалы, грозы и выпадают осадки. Иногда различные воздушные массы перемещаются рядом друг с другом, иногда же очень холодные массы арктического воздуха движутся навстречу обильно увлажненным массам тропического воздуха. Таким образом, тропосфера находится в постоянном движении. Как перемещаются воздушные массы и куда они при этом переносятся, зависит от распределения атмосферного давления.

Приведем пример. В январе и феврале часты случаи, когда над Восточной Европой располагается область повышенного давления, а над проливом Ла-Манш — область пониженного давления. При этом восточнее р. Везер происходит заток континентального арктического воздуха, тогда как на районы Рейнской области натекает субтропический воздух. Теплая шквалистая погода предвесеннего сезона и суровые зимние холода оказываются отделенными друг от друга всего лишь несколькими сотнями километров. Пограничная поверхность, разделяющая обе воздушные массы, может располагаться или над центральными районами Франции, или над районом Эльбы. Может также случиться, что Центральная и Южная Европа окажется в одной и той же однородной воздушной массе. Это бывает, когда над Северной Европой формируется область повышенного давления. Под ее воздействием холодный континентальный воздух проникает через Ла-Манш в районы Средиземного моря, и Берлин, Белград, Париж оказываются в одной и той же воздушной массе. Поверхности раздела, отделяющие эту массу от тропического воздуха, лежат в этом случае над Северной Африкой и Атлантическим океаном.

Вертикальная протяженность различных воздушных масс различна. Тропические воздушные массы простираются до 10 км, тогда как массы холодного континентального воздуха — часто лишь на несколько километров. В этом случае над ними расположена другая воздушная масса. Это и является причиной значительных различий в температуре по высоте. Как уже говорилось, температура воздуха в среднем уменьшается на 0,65° через каждые 100 м высоты. Однако такое изменение наблюдается лишь в среднем. В морском полярном воздухе температура убывает с высотой почти на 1° на каждые 100 м на всем протяжении от земной поверхности до тропопаузы. Если же над Европой формируется область повышенного давления, то температура воздуха может возрастать с высотой вплоть до 1500 м и лишь с этого уровня будет убывать примерно на 0,5° на каждые 100 м высоты. Следовательно, термическая структура тропосферы изменяется и в пространстве, и во времени.

Другой особенностью тропосферы является содержание в ней водяного пара. В результате испарения с земной поверхности водяной пар поступает в атмосферу и переносится восходящими воздушными течениями в более высокие ее слои. Каждый объем воздуха, поднимающийся вверх, т. е. попадающий в слои с меньшим давлением, охлаждается. Если это охлаждение оказывается достаточно сильным, то водяной пар начинает конденсироваться и возникают облака. Большая часть облаков формируется в тропосфере. Лишь в нижней стратосфере от случая к случаю появляются тонкие ледяные облака. Облака нижнего яруса лежат в слое до 2500 м, облака среднего яруса — на высотах от 2500 до 6000 м, а выше располагаются облака верхнего яруса. Облака вертикального развития могут простираться до высоты 10 000 м.

Если не учитывать туманов, то самый нижний слой тропосферы большей частью бывает безоблачным. Это объясняется особенностями строения этого слоя. Поскольку нижняя и верхняя тропосфера значительно различается по физическим свойствам, то принято говерить о нижнем пограничном слое и лежащем над ним слое адвекции.

Существуют различные типы пограничного слоя, отличающиеся друг от друга характером изменения температуры с высотой. Чем медленнее уменьшается в этом слое температура по вертикали, тем больше он отличается по влагосодержанию, запыленности, скорости и направлению ветра от слоя адвекции.

Пограничный слой атмосферы выражен наиболее отчетливо в областях повышенного давления. Его верхняя граница, как правило, совпадает с основанием облаков нижнего яруса. На верхней границе пограничного слоя метеорологические элементы изменяются скачком и иногда даже ход их с высотой меняется на обратный. Поэтому данную часть пограничного слоя называют инверсионным слоем[16].

Строение пограничного слоя меняется и от дня ко дню, но при этом в нем всегда сохраняются определенные признаки, позволяющие отнести его к тому или иному типу. Рассмотрим основные типы пограничного слоя тропосферы.

При инверсионном типе температура воздуха от земной поверхности до высоты 1–2 км непрерывно возрастает. Такой тип пограничного слоя формируется преимущественно в областях высокого давления. При этом температура воздуха у поверхности земли может быть градусов на 10 ниже, чем на высоте 1000 м. Такой инверсионный тип пограничного слоя установился над Центральной Европой, в частности, в феврале 1959 г. На горе Брокен температура воздуха составляла 11°, а в долинах она была отрицательной. При таком вертикальном распределении температуры перемешивание воздуха пограничного слоя с воздухом лежащего над ним слоя адвекции затруднено. Следовательно, пыль, дым и водяной пар не могут проникать в более высокие слои атмосферы, а вблизи земной поверхности воздух обогащается этими примесями. Это особенно ощутимо в промышленных районах, где атмосфера исключительно сильно загрязняется. Образуются мгла и туман, которые осложняют работу всех видов транспорта. Зато выше пограничного слоя воздух становится очень чистым. Многим читателям, возможно, доводилось летать на самолете в густой мгле и удивляться тому, что через несколько минут после взлета в иллюминаторы врывался яркий солнечный свет, тогда как внизу все было затянуто непроглядной серой пеленой.

Характерные типы строения нижнего слоя тропосферы.

а — инверсионный тип — отчетливо выражен сильно замутненный пограничный слой (туман); б — нормальный тип — пограничный слой еще есть, замутнение сосредоточено главным образом в области резкого скачка температуры; в — грозовой тип — пограничный слой разрушен, небольшое замутнение воздуха наблюдается лишь в самых нижних прослойках атмосферы.

В некоторых районах земного шара такой тип пограничного слоя наблюдается постоянно, например в области пассатов, а также на западном побережье Перу. В последнем случае соприкосновение теплого континентального воздуха с холодным Перуанским морским течением приводит к возникновению поверхности раздела на высоте около 300 м. При выхолаживании теплого воздуха над холодным морским течением образуется устойчивый туман, постоянно закрывающий побережье. Местное население, занимающееся рыбной ловлей, живет на побережье в вечном тумане, тогда как богатые иностранцы построили себе виллы на склонах прибрежных холмов. Они могут позволить себе роскошь дышать иным воздухом, хотя живут на таком расстоянии от рыбаков, что могут слышать их голоса.

Другим типом пограничного слоя является нормальный тип, устанавливающийся, в частности, после прорывов холодной воздушной массы в более южные широты. В этом случае температура воздуха уменьшается с высотой примерно на 0,6° на каждые 100 м. На высоте около 1200 м температура повышается на несколько градусов, а выше опять падает с высотой. Такое распределение температуры по вертикали способствует восходящему движению теплого воздуха вплоть до границы инверсии.

Теплый воздух, поднимающийся от нагретой земной поверхности, называют термином. Когда термин достаточно охлаждается, содержащийся в нем водяной пар становится насыщенным и начинает конденсироваться. Образуются невысокие облака с плоским основанием, называемые кучевыми облаками хорошей погоды. Положение вершин этих облаков указывает высоту нижней поверхности слоя инверсии, препятствующего дальнейшему росту облаков.

Вместе с нагретым воздухом поднимаются вверх и пылинки, которые также накапливаются под слоем инверсии. Таким образом, инверсия препятствует распространению в более высокие слои не только водяного пара, но и пыли. В противоположность инверсионному типу пограничного слоя, при нормальном типе концентрация пыли убывает с высотой. Под слоем же инверсии образуется хорошо заметный слой пыли.

Третьим типом пограничного слоя является шквалистый тип. В этом случае температура воздуха тоже непрерывно падает с высотой и только примерно на высоте 3 км незначительно повышается. Кучевые облака очень быстро растут вверх и превращаются в мощные облачные гряды. Основание кучевых облаков лежит на высоте всего 400–800 м, но их вершины достигают 5 км. В тропических широтах летчикам приходится обходить грозовые облака, вершины которых лежат даже на высоте 20 км.

Когда пограничный слой тропосферы полностью разрушается, мы говорим о грозовом состоянии атмосферы. В этом случае температура воздуха непрерывно убывает до верхней границы тропосферы, следствием чего является интенсивное перемешивание воздуха. Пылинки, вносимые в атмосферу воздушными вихрями, распределяются по всей ее толще, и во всех слоях атмосферы создаются благоприятные условия видимости.

Таким образом, в связи с тем что пограничный слой тропосферы может иметь самое различное строение, для успешного прогноза погоды необходимо иметь данные о вертикальном распределении температуры воздуха, и особенно в пограничном слое. Такие данные можно получить с помощью, например, метеорологических шаров-зондов или более современных приборов — радиозондов.

В слое адвекции, наоборот, резко выраженных поверхностей раздела между различными воздушными массами не существует, а контрасты температуры и влагосодержания воздуха постепенно сглаживаются. На высоте 5500 м атмосферное давление составляет всего 500 мб, т. е. половина всей массы атмосферы лежит ниже этого уровня. Поскольку плотность воздуха уменьшается с высотой, как и атмосферное давление, в слое адвекции движение воздуха более интенсивное, чем в пограничном слое. На больших высотах мы попадаем в слой атмосферы, в котором температура воздуха перестает уменьшаться с высотой и либо остается постоянной, либо возрастает. Это верхняя граница тропосферы, т. е. тропопауза. Она представляет собой своеобразный слой инверсии, опоясывающий весь земной шар. В зависимости от времени года, широты места и характера погоды тропопауза имеет температуру от —40 до —90°. Одна из особенностей тропопаузы заключается в том, что наиболее низкие температуры в ней отмечаются не над полярными, а над экваториальными районами, так как падение температуры с высотой продолжается здесь до гораздо больших высот.

Схема распространения звуковых волн в тропосфере.

В тропопаузе неоднократно возникали интересные акустические явления. Инверсия в этом слое образует как бы непроницаемую стену для звуковых волн. Звук отражается от нее, как резиновый мяч отскакивает от стенки, и снова возвращается на поверхность Земли.

Во время подрыва снарядов, не использованных в период первой мировой войны, звуковые волны распространялись в радиусе до 50 км вокруг городов Оппау, Ютеборга и Москвы. На этом расстоянии энергия звуковых волн, которые шли вдоль земной поверхности, оказывалась полностью израсходованной на преодоление трения. Однако значительная часть звуковых волн шла не вдоль поверхности, а поднималась вверх и отражалась от тропопаузы обратно к земной поверхности, в результате звук был слышен снова на расстоянии 150 км от места взрыва. Вследствие неоднократного отражения звуковых волн от земной поверхности и тропопаузы удавалось наблюдать до четырех таких зон слышимости взрывов, чередовавшихся с тремя зонами затухания звука. Таким образом, звук взрыва можно было слышать на расстоянии до 500 км от источника.

Большие вертикальные контрасты температуры вблизи тропопаузы приводят к возникновению узких, но очень сильных воздушных течений, часто имеющих горизонтальную протяженность в несколько тысяч километров при вертикальной мощности всего лишь в несколько сотен метров. Этим воздушным течениям приписывается большая роль в образовании циклонов. Они получили название струйных течений. Скорость ветра в них может достигать 600 км/час. С увеличением высоты полета летчики все чаще стали обращать внимание на ураганные ветры в области тропопаузы. Поэтому исследование струйных течений в большой степени производится именно в интересах авиации. Ведь если скорость самолета составляет, скажем, 900 км/час, а полет происходит навстречу струйному течению, имеющему скорость 600 км/час, то время, требующееся для перелета на определенное расстояние, а следовательно, и необходимый запас горючего, увеличивается втрое.

Если раньше межконтинентальные перелеты совершались по кратчайшему расстоянию, называемому большим кругом, то современные самолеты, летающие на уровне тропопаузы, уже отклоняются от этого большого круга. При полете, например, с востока на запад высота и трасса полета выбираются теперь так, чтобы избежать встречи со струйным течением. Даже если путь перелета при этом значительно удлиняется, изменение курса в конечном счете дает значительный выигрыш во времени.

Струйные течения направлены с запада на восток. Во время второй мировой войны японцы использовали струйные течения в качестве удобного транспортного средства для бомбардировок территории США. Эти мероприятия японцев, осуществленные ими в 1944 г., получили название «наступление с помощью воздушных шаров». Тысячи шаров, нагруженных взрывчаткой, поднимались в область струйного течения. Специальное устройство не давало им возможности подниматься выше зоны этих сильных ветров. Со скоростью 300 км/час шары двигались над Тихим океаном в направлении к Северной Америке. Правда, вскоре эти действия были прекращены, так как лишь 10 % выпущенных шаров достигли Американского континента. Струйные течения и в наши дни играют большую роль. Во время испытаний американцами ядерного оружия в Тихом океане радиоактивные продукты распада, попадавшие в область струйных течений, успевали за несколько дней обойти вокруг всего земного шара. В связи с этим в страны, расположенные на несколько тысяч километров восточнее места взрыва, радиоактивные вещества попадали быстрее, чем в страны, находящиеся лишь на несколько сотен километров севернее или южнее места взрыва.

Мы видим таким образом, что тропосфера имеет сложное строение. Метеорологические наблюдения, выполняемые только у земной поверхности, не могут дать полного представления о физических свойствах всей атмосферы. Поэтому если мы хотим получить сведения о погоде и погодообразующих процессах, то следует рассматривать не только приземную часть тропосферы, но и всю ее толщу.

Как мы уже упоминали, над тропосферой лежит стратосфера — область различных фотохимических процессов. Атмосферное давление здесь составляет лишь пятую часть приземного давления. Поэтому мала и плотность воздуха. Чем выше мы поднимаемся в стратосферу, тем все менее пригодными становятся условия для существования человека. Количество кислорода в воздухе настолько уменьшается, что, безусловно, необходимы специальные кислородные аппараты. Кроме того, если мы хотим без ущерба для здоровья и жизни находиться на этих высотах, нужно с помощью специальных материалов защитить себя от действия коротковолновой солнечной радиации и космических лучей. Привычная для нас яркость дневного небосвода здесь ослабевает. Поскольку рассеяние света частицами атмосферных газов с уменьшением плотности воздуха уменьшается, цвет неба постепенно меняется от синего до совершенно черного.

Однако каким же образом можно производить метеорологические измерения в стратосфере? Как она была открыта?