Текст книги "Океан и атмосфера"

Автор книги: Автор Неизвестен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 11 страниц)

Дождь и снег

Большие капли или кристаллы, имеющие заметную скорость падения и поэтому в значительном количестве выпадающие из облаков, в метеорологии называют осадками. Большие капли формируются при слиянии более мелких и при конденсации водяного пара. Они образуются также во время таяния крупных снежинок. На землю падают твердые, жидкие и смешанные осадки. К первым относятся снег (ледяные кристаллы в виде хлопьев и звездочек), снежная крупа (крупники диаметром 2–5 мм), ледяная крупа (прозрачные крупинки с непрозрачным ядром диаметром до 3 мм), ледяной дождь (прозрачные шарики диаметром 1–3 мм) и град, представляющий собой кусочки льда. Градины имеют различные размеры, обычно около 5 мм, редко их диаметр достигает нескольких сантиметров. Последние случаи всегда фиксируются и о них сообщается: в таком-то пункте выпал град величиной с голубиное или даже куриное яйцо.

Жидкие осадки менее разнообразны – это дождь и морось. Диаметр капелек дождя 0,5–7 мм. Выпадение мороси не так заметно, она как бы взвешена в воздухе, ее капельки значительно меньше и имеют диаметр от 0,05 до 0,5 мм. Смешанные осадки – это мокрый тающий снег или смесь дождя и снега. Они характеризуются интенсивностью (количество осадков, выпадающих в единицу времени).

Метеорологические станции определяют количество лишь жидких осадков. Визуально принято качественное деление на слабые, умеренные и сильные осадки. Различают также обложные, ливневые и моросящие осадки. Это зависит от характера их выпадения, от того, из каких облаков они выпадают, и продолжительности. Обложные осадки могут длиться несколько часов и даже суток. Ливневые – наиболее интенсивны. Продолжительность ливня обратно пропорциональна его интенсивности. Довольно часто наблюдаются дожди интенсивностью 1–2 мм/с. Наиболее интенсивны дожди в тропиках и субтропиках. Так, на Гавайских островах интенсивность ливня однажды составила 21,5 мм/с.

Осадки начинают выпадать лишь тогда, когда их вес настолько велик, что они могут преодолеть сопротивление воздуха. Скорость падения при этом должна превысить скорость восходящих потоков воздуха, чтобы они не испарились по пути от облака до поверхности Земли. Снежинки падают медленнее, чем капельки дождя той же массы.

Осадки содержат много примесей. Различный химический состав осадков известен давно, еще с середины XVIII в. Но систематически, сетью наблюдательных станций он начал изучаться лишь в самые последние десятилетия. Что же представляют собой такие чистые, на первый взгляд, снег и дождь? Оказалось, что атмосферные осадки – это слабые растворы солей, их минерализация в среднем 10–30 мг/л, а в крайних пределах от 3–4 до 30–60 мг/л. При таких, как будто небольших концентрациях они приносят в почву от 50 до 150 кг/га веществ в год. Зимой концентрация примесей в осадках больше, чем летом, потому что снежинки при своем медленном падении успевают захватить из воздуха большее количество примесей.

В северном полушарии наиболее минерализованы осадки в южных районах континентов. На побережье морей и океанов, где содержание хлоридов (осадков морского происхождения) повышено, минерализация осадков меньше. Чаще выпадают осадки в тундре и тайге; над пустынями и степями они загрязнены: основная примесь в осадках континентального происхождения – сульфиды.

Чтобы определить состав осадков, в свободной атмосфере берут пробу воды из облаков и аэрозолей. Облачная вода всегда чище, чем вода осадков. Таким образом, осадки являются как бы санитарами атмосферы. Большое значение имеет вымывание из атмосферы радиоактивных веществ. Изучение радиоактивности начало проводиться недавно. Установлено, что радиоактивность осадков определяется их типом и интенсивностью. Твердые осадки радиоактивнее жидких, потому что радиоактивные вещества, захватываемые при падении, попадают на большую поверхность снежинок (по сравнению с каплями). Чем интенсивнее осадки, тем они менее радиоактивны. Наблюдения показали хаотичность изменения радиоактивности. Предполагается, что это происходит потому, что радиоактивные вещества вымываются не только из воздуха, но и из самого облака.

Помимо радиоактивных веществ дождь и снег поглощают окрашивающие их примеси, создавая необычные цветные осадки: красные, черные, молочные и др. Они возникают от разных причин – песка пустынь, поднятого в воздух сильным ветром, красящих водорослей, микроорганизмов, сажи и пепла, от вулканов, лесных и торфяных пожаров. Примеси разносятся на большие расстояния, их состав и природу определяют с помощью химического анализа, а происхождение, путь и место появления – по синоптическим картам. В период активного развития циклонической деятельности чаще всего наблюдаются красные дожди. О том, как далеко могут переноситься цветные частицы, можно судить по такому примеру: в каплях красного дождя во Франции были обнаружены микроорганизмы из Южной Америки. Известны случаи выпадания зеленого дождя, содержащего также микроорганизмы. В 1969 г. на территории Чувашии был ливневый дождь желто-оранжевого цвета. Менее чем через год в этом же районе выпал желто-оранжевый снег. Подобные явления были вызваны сильными потоками воздуха, принесшими пыль из Прикаспийских степей.

В суточном ходе осадков в континентальных районах замечены два максимума (в послеполуденные часы и рано утром) и два минимума (ночью и перед полуднем). В морском или береговом районе обычно максимум ночью и минимум днем. Суточный ход количества осадков прямо связан с ходом и характером облачности.

Годовой ход осадков разнообразен и соответствует климатическим особенностям места. Различают несколько типов годового хода осадков: экваториальный, тропический, субтропический, умеренных широт с присущими им дождливыми периодами и минимумами. Больше всего осадков выпадает в зоне экватора, так как здесь много водяного пара в атмосфере и высокие температуры воздуха. Годовая сумма осадков здесь составляет в среднем 1000–2000 мм и более, а в некоторых районах – до 5000–6000 мм. Минимум осадков в субтропической зоне – не более 250 мм – приходится на пустыни. Самые сухие места на Земле – это пустыни Чили, Перу, Сахара, где осадки не выпадают по нескольку лет.

В умеренных широтах снова начинает неравномерно увеличиваться количество осадков: в прибрежных районах до 750—1000 мм в год, в глубине материков 300–500 мм. В менее увлажненном воздухе высоких широт вновь падает количество осадков – до 300 мм в год, в горных районах увеличивается. Самое «мокрое» место на Земле – южный склон Гималаев. В местечке Черапунджи в год выпадает в среднем 12 700 мм, а случаются годы, когда осадков более 15 000 мм. Очень велико количество осадков также на Гавайских островах – 12 000 мм в год. В нашей стране больше всего осадков выпадает на южных склонах Кавказского хребта в Ачишхо (более 3000 мм) и на побережье Черного моря от Сочи до Батуми (до 2800 мм). В центральных областях европейской части страны осадки составляют в год 500–600 мм. Самое «сухое» место – Средняя Азия и юго-восток европейской территории (всего 80 мм осадков за год).

В местах, где выпадает мало осадков, очень важно попытаться вызвать их искусственно. Этой проблемой у нас занято несколько научно-исследовательских институтов. Исследуя условия, при которых можно с успехом вмешаться в действия природы, ученые пришли к выводу, что должны существовать определенные условия для образования осадков и нужен лишь внешний толчок. В нашей стране и за рубежом в этом направлении имеются уже положительные результаты. В облако вводят хладореагенты, ядра кристаллизации и гигроскопические частицы, крупные капли воды. В первых двух случаях стимулируются твердые фазы воды, а в последнем – водяные капли. Лучшим методом считается воздействие на переохлажденные облака твердой углекислотой и йодистого серебра. Замечено, что при попадании 200 г углекислоты на 1 км³ переохлажденного воздуха из жидкого состояния в твердое переходит до 1000 т воды. Воздействуя на облака, можно увеличить, сумму осадков на 10–15 %,

Особенно важно, и в то же время очень сложно, изучить облака не только как резервуар, но и как генератор осадков, потому что они выделяют в 10–20 раз больше, чем имеют в данный момент. Это значит, что в основном в облаке идет процесс преобразования водяного пара, содержащегося в воздухе, в осадки.

Существует и другая задача – как искусственно предотвратить опасные ливни. Для этого нужно вызвать небольшой дождь, облако уменьшится, и ливня не будет.

Ветер

Движение воздуха относительно земной поверхности – ветер – появляется вследствие того, что атмосферное давление в различных точках атмосферы неодинаково. Воздух движется обычно не параллельно поверхности Земли, а под небольшим углом, потому что атмосферное давление меняется и в горизонтальном, и в вертикальном направлениях. Так как угол очень мал, принято считать, что ветер – это горизонтальное движение воздуха. Направление ветра (северный, южный и т. д.) означает, откуда ветер дует.

Скорость ветра измеряют на метеорологических станциях на высоте 10 м над Землей, в метрах в секунду (есть и другие единицы скорости ветра). При сильных бурях, например тропических ураганах, ветры достигают огромных скоростей – иногда до 115 м/с и более. Особенно сильны ветры на больших высотах. Известен случай, когда над Ростовом-на-Дону на высоте 11 км дул северо-западный ветер со скоростью 160 м/с. Изменения с высотой были очень велики – так, на высоте 1 км ветер дул со скоростью 86 м/с.

Ветер возрастает в среднем с высотой. У Земли его скорость задерживается трением, на уровне, травы она равна нулю. С высотой влияние трения уменьшается – вначале быстро, а потом все медленнее. Зимой скорость выше, чем в летнее время.

В умеренных и полярных широтах зимой в тропосфере и нижней стратосфере скорости ветра наибольшие. Летом ветры ослабевают. В летнее и зимнее время в субтропических зонах разница между скоростями ветра менее заметна.

Значительно сложнее установить закономерности в ходе скорости ветра в пределах суток. Здесь еще не все можно объяснить и систематизировать. Известно, что над материками на небольших высотах, порядка 100–200 м, самых больших скоростей ветры достигают после полудня, а самых малых – в ночное время. Такой ход лучше всего выражен летом.

Очень сильные ветры, до штормовых, бывают днем в пустынях Центральной Азии, ночью наступает полный штиль. Несколько выше, на высоте 150–200 м, наблюдается прямо противоположная картина в ходе скорости ветра с максимумом ночью и минимумом днем. Такая картина наблюдается и летом, и зимой в умеренных широтах.

В субтропической зоне океанов ночью скорость ветра сильно возрастает, создается как бы баланс со слабыми ветрами, дующими в то же время над сушей.

Устойчивая система ветров над обширным пространством образует воздушный поток, определяемый его направлением и скоростью. Но внутри потока постоянно существуют струн, объемы воздуха, движущиеся в различных направлениях, с разными скоростями, беспорядочно, толчками, порывами, то ослабевая, то усиливаясь. Чем сильнее ветер, тем он порывистее. Большое препятствие порывистость ветра создает для движения самолетов и вертолетов – начинается болтанка. Под передней частью кучево-дождевых облаков иногда возникает резкое кратковременное усиление ветра – шквал, когда скорость может усиливаться до 20–30 м/с. Это явление особенно опасно для авиации.

Встречаясь с препятствиями, ветер изменяется – он обтекает их или перетекает сверху. Если путь ветру преграждает лес, горный хребет, холмы или строения, с наветренной стороны возникает вихрь. Позади препятствия ветер ослабевает, но и тут рождаются вихри. На подветренной стороне горных склонов ветры как бы стекают. При этом возможны два противоположных эффекта – повышение температуры воздуха и ее понижение. Ветры, дующие с низких горных хребтов выхоложенного материка в направлении теплого моря, называются борой. Это – сильный, холодный, порывистый ветер, преимущественно холодного времени года. Прорываясь сквозь узкие перевалы, он набирает значительную скорость. Местные особенности накладывают свой отпечаток на характер боры. Широко известна бора в районе Новороссийска на Черном море. Здесь природой как бы специально созданы условия для ее возникновения. Скорость новороссийской боры может достигать 40 и даже 60 м/с, температура воздуха при этом понижается до —20 °C. Иногда замерзает гавань, покрываются льдом суда и строения, слой льда на набережной 2–4 м. В это время происходит много бедствий не только в порту, но и в городе – нарушаются линии связи, с домов срываются крыши, опрокидываются автомашины, вагоны, суда выбрасываются на берег. Бора бывает чаще всего в период с сентября по март, в среднем 46 дней в году. Бора наблюдается и в других районах нашей страны – на Байкале, на Новой Земле. Известна бора на Средиземноморском побережье Франции (мистраль) и в Мексиканском заливе.

Холодный воздух, который движется под воздействием силы тяжести по длинному пологому склону, создает так называемые стоковые ветры. Они характерны для Гренландии и еще более для Антарктиды. Возникая в нескольких сотнях километров от морского побережья, на периферии антарктического антициклона, они устремляются вниз, достигая скоростей более 20 м/с и затухают лишь вблизи берега, на расстоянии 3–4 км от него. Стоковые ветры изменчивы, они меняются от штиля до шторма и даже до урагана. На станции Земля Адели в Антарктиде (недаром названную полюсом ветров) в феврале 1951 г. наблюдалась скорость ветра 45 м/с с отдельными порывами до 90 м/с.

В атмосфере время от времени возникают вертикальные вихри с быстрым спиралеобразным движением диаметром в несколько десятков метров (редко до 100–200 м). Это смерчи над морем и тромбы над сушей (в Северной Америке последние называют торнадо). Измерить скорость движения в них пока не представляется возможным. Разрушения, производимые ими, позволяют думать, что она составляет 50—100 м/с, в особенно сильных вихрях – до 250 м/с с большой вертикальной составляющей скорости. Давление в центре столба падает на несколько десятков миллибар.

Смерчи существуют недолго – от нескольких минут до нескольких часов. Но и в пределах этого небольшого времени они успевают продвинуться на значительное расстояние – несколько десятков километров над морем и еще больше над сушей, неся разрушения и даже смерть. При подходе тромба к зданиям разница между давлением внутри здания и в центре тромба так велика, что дома как бы взрываются – разрушаются стены, выпадают стекла и рамы, слетают крыши. В лесах появляются просеки от вырванных с корнем деревьев, далеко переносятся люди и звери. Обычно тромбы единичны, но бывают случаи, когда их два и больше. В Европе тромбы редки, в азиатской части нашей страны они чаще. Особенно же часты и разрушительны тромбы в США. На побережье Антарктиды при встрече относительно теплого воздуха с моря и стокового ветра с суши часто возникают тромбы. Во фронтальной зоне здесь вздымаются снежные буруны, снежные тромбы, короткое время дуют очень сильные ветры – до 30–35 м/с. Смерчи не имеют такой разрушительной силы, как тромбы.

При высокой температуре и небольшой влажности воздуха появляется сухой горячий ветер – суховей, в котором температура всегда более 25°, часто 35–40 °C, скорость 5—20 м/с. Прохладный влажный воздух, перемещаясь в летнее время с севера в районы лесостепей и степей европейской территории Союза, в Казахстан и Среднюю Азию, сильно нагревается и делается суше. На юг он приходит уже горячим. На европейской территории страны суховеи бывают с апреля по октябрь, чаще всего в Прикаспийской низменности (Саратов – Астрахань) – 40–80 дней в году; в среднеазиатских пустынях – до 180 дней, т. е. в среднем через день.

Из всех метеорологических явлений суховеи наносят наибольший урон народному хозяйству: усиливается испарение, нарушается водный баланс растений, падает уровень в реках, высыхает почва на поверхности, начинается засуха, даже если почва достаточно влажная. Сходны с суховеями жаркие ветры в тропиках и субтропиках.

Ветры обязаны своим происхождением местным условиям и поэтому приурочены к определенным географическим районам. К местным ветрам относятся бризы. Они появляются вблизи береговой черты морей, океанов, и здесь легко проследить суточную смену направления – днем с моря на сушу, а ночью с суши на море. И объяснение этого явления очень простое – в разнице температур над морем и сушей в различное время суток, порождающей замкнутую термическую циркуляцию воздуха. Горизонтальные потоки замыкаются вертикальными – восходящими над сушей и нисходящими над морем. Нижняя часть такого кольца и есть наблюдаемый и отчетливо ощущаемый жителями береговых районов морской прибрежный бриз. Утром в 8—10 часов бриз начинается, затем делается все заметнее, к полудню скорость ветра достигает своего предела – 5–6 м/с, потом ветер ослабевает, и к заходу Солнца его совсем не чувствуется.

Когда поверхность суши начинает охлаждаться больше, чем морская, возникает обратный лоток в приземном слое с суши на море, а в более высоких слоях – с моря на сушу. Особенно отчетливы бризы в тех местах, где им ничто не мешает, т. е. не накладываются другие, более общие и мощные потоки. В нашей стране бризы бывают на Черном, Азовском, Балтийском и Каспийском морях. Вертикальная мощность морских бризов 1–2 км, в этом же слое может находиться и верхнее противотечение. Бризы проникают в глубь суши на 150–180 км, сохраняя при этом заметные скорости ветра. Вертикальная мощность морских бризов в Крыму достигает 800 м, а в тропиках – почти вдвое больше. Значительно слабее по всем параметрам береговые бризы. Морские бризы дуют почти перпендикулярно к береговой черте. Они сильно влияют на погоду в прибрежных районах суши – понижается температура воздуха, повышается его влажность, меняются обычный ход ветра и характер облачности.

Совокупность основных воздушных течений над планетой называется общей циркуляцией атмосферы. Именно она осуществляет общий обмен воздухом между различными районами Земли. Нагревание и охлаждение земной поверхности на разных географических широтах, над сушей и морем создает воздушные течения, усложняемые отклоняющей силой вращения планеты и силой трения.

При всей сложности, подвижности и изменчивости воздушных потоков можно выявить определенные закономерности, повторяющиеся из года в год в тех или иных районах. Это делается путем осреднения данных, при котором сглаживаются отдельные возмущения и отчетливо выступает общая картина. Каковы же эти основные крупномасштабные атмосферные движения, слагающие общую циркуляцию атмосферы? Прежде всего – воздушные течения, далее – струйные течения, воздушные потоки в циклонах и антициклонах, пассаты и муссоны.

Если бы поверхность Земли была однородна, то температура воздуха плавно убывала бы, а давление возрастало от экватора к полюсам. В то же время с высоты 4–5 и до 20 км распределение давления противоположно приземному – на экваторе, где воздух теплее, оно выше, чем на полюсах. В действительности на высотах эти условия сохраняются. Но в пограничном слое и в нижней тропосфере отчетливо сказывается влияние неоднородности земной поверхности, барических систем и центров действия атмосферы.

Над полярными районами циркуляция связана с более высоким давлением над полюсами и относительно низким над широтным поясом 60°—65°. Для умеренных широт характерны северо-западное направление ветров в северном полушарии (кроме слоя трения) и юго-западное – в южном. Общая зональность циркуляции нарушается такими крупномасштабными возмущениями, как циклоны и антициклоны. В циклонах движение воздуха направлено против часовой стрелки, а в антициклоне – по часовой стрелке. Преобладает, однако, зональная циркуляция – западный перенос. Обмен воздуха (теплого и холодного) происходит и в направлении север – юг и запад – восток, а также по вертикали.

В тропических широтах возникают тропические восточные ветры – пассаты. У земной поверхности вследствие трения пассаты имеют северо-восточное направление в северном полушарии и юго-восточное – в южном. Пассаты не являются единым общим потоком, опоясывающим Земной шар. Они устойчивы и почти не изменяют своего направления в течение года, дуют со скоростью 5–6 м/с и имеют вертикальную мощность 2–4 км. Особенно хорошо заметны пассаты над океанами. В экваториальном районе во всей тропосфере и нижней стратосфере царят восточные пассатные ветры, а над этим слоем – западные.

В верхней тропосфере или стратосфере были открыты неизвестные до того мощные струйные течения. Их скорость резко меняется как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях с нижним пределом скорости по оси 30 м/с. Обнаружены струйные течения были во время полетов на высоте 8—10 км со скоростью 300–400 км/ч. При этом самолеты неожиданно попадали в районы ветров, замедлявших их скорость, а иногда и вовсе снимавших ее, так что самолеты оказывались как бы подвешенными в воздухе. Попутное же струйное течение увеличивает скорость самолета. Это удивительное явление привлекло внимание не только авиаторов, но и ученых различных стран. Удалось обнаружить, что струйные течения – явление не местное, а существует во всем мире. Струйные течения движутся на запад, за исключением экваториальной зоны, где они имеют противоположное, восточное направление. На оси струйного течения скорости наиболее велики, в среднем они равны 45–55 м/с. Известны, однако, случаи, когда скорости струйных течений достигали более 200 м/с. Ширина струйных течений обычно составляет 1000–2000 км, крайние пределы – от 300 до 3000 км, вертикальное распространение 8—12 км. В некоторых случаях струйные течения на высоте 6—16 км охватывают кольцом всю планету. Обычно они тянутся на несколько тысяч километров. Струйные течения многократно наблюдались над европейской территорией нашей страны и Западной Сибирью. Они известны у восточных берегов США и в других районах. Открытие и изучение струйных течений имеет большое научное и практическое значение, и в первую очередь для самолетовождения.

Арабское слово «маусим», означающее «время года», дало имя устойчивому воздушному течению – муссону. Муссоны, в отличие от струпных течений, приурочены к определенным полосам Земли, где дважды в год преобладающие ветры движутся в противоположном направлении, образуя зимний и летний муссоны. Известны тропические и внетропические муссоны. В Северо-Восточной Индии и Африке зимние тропические муссоны складываются с пассатами, а летние юго-западные полностью разрушают пассаты. Самые мощные тропические муссоны наблюдаются в северной части Индийского океана и в Южной Азии. Внетропические муссоны обязаны своим происхождением возникающим над континентом мощным устойчивым областям повышенного давления в зимнее время и пониженного в летнее. Характерными в этом отношении являются районы советского Дальнего Востока, Китая, Японии. Вследствие действия внетропического муссона Владивосток, лежащий на широте Сочи, зимой холоднее Архангельска, а летом здесь часты туманы, осадки, с моря поступает влажный и прохладный воздух. Многие тропические страны Южной Азин обогащаются влагой, приносимой летним тропическим циклоном.

Энергию ветра люди использовали с времен парусных судов и ветряных мельниц. Ветер – вечный источник энергии, его не нужно ни добывать, ни пополнять. При современном уровне развития техники благодаря энергии ветра можно получать 10 млрд. кВт электроэнергии. Энергия ветра в тысячи раз превышает энергию угля, который сжигается на Земле. Но использование его очень сложно – ветер изменчив по скорости и направлению, его нельзя сохранять (во всяком случае, это очень сложно) с тем, чтобы запустить в нужный момент. Поэтому ветер лучше всего применять в сельском хозяйстве, где нет непрерывной потребности в электроэнергии. Суховеи также могут быть источником энергии. Поставив ветродвигатели, работающие на этом ветре, получают воду с больших глубин и тем самым борются с губительным воздействием суховеев.

Свет, тепло и питание для радиостанций дают ветродвигатели в Арктике и на Антарктиде. Такие двигатели могут быть расположены в любом месте. Но для этой работы нужно располагать подробной информацией о ветровом режиме.

Ветер распространяет вредные примеси, поэтому знание его режима в каждом конкретном районе имеет очень большое значение для сохранения здоровья и работоспособности людей.