Текст книги "Вопросы о погоде"

Автор книги: Павел Астапенко

сообщить о нарушении

Текущая страница: 28 (всего у книги 32 страниц)

19.13. Можно ли земной климат рассматривать как «оранжерейный», формируемый под защитой атмосферы, играющей роль стеклянного или пленочного покрытия?

Да, вполне можно. Аналогия здесь полная, различия только в масштабах. Лучистый перенос тепла в атмосфере осуществляется видимым и инфракрасным излучением, которое практически не поглощается молекулами основных газов атмосферы – азота, кислорода, аргона. Непостоянные составляющие воздуха – водяной пар, углекислый газ, озон, капельки воды и кристаллики льда, – наоборот, способны активно поглощать длинноволновое излучение Земли и сравнительно свободно пропускать коротковолновое солнечное излучение. Атмосферные газы, поглощающие длинноволновое излучение, создают противоизлучение атмосферы, направленное вниз, к земле. Этим уменьшаются теплопотери земной поверхности. Эффективное излучение земной поверхности – излучение, не идущее на нагревание атмосферы, то есть не поглощенное газами, входящими в состав атмосферного воздуха, а уходящее в мировое пространство, – в среднем составляет всего около 20% излучения Земли. Оранжерейный эффект атмосферы в целом для Земли весьма значителен: он повышает температуру земной поверхности примерно на 33°C. Если бы на Земле не было атмосферы, как, например, на Луне, то средняя температура ее поверхности была бы не 15°C, а всего -18°C! (Раньше, когда не было спутниковых измерений, энергетический бюджет Земли определялся с некоторым занижением и расчетная температура земной поверхности при отсутствии атмосферы получалась еще более низкой: всего -23°C.)

19.14. Способна ли человеческая деятельность повлиять на механизм оранжерейного эффекта атмосферы?

Естественная оранжерея, создаваемая атмосферой на поверхности Земли, теоретически подвержена влиянию многих факторов, способных регулировать эффективность всей системы обмена теплом между Землей и ее атмосферой. В частности, велико значение содержания углекислого газа в атмосферном воздухе, которое имеет тенденцию постоянно увеличиваться, создавая тем самым угрозу потепления. Рост концентрации других газов, поглощающих инфракрасную или ультрафиолетовую радиацию, также способен изменять температурный режим на Земле: аммиак, фреоны, окислы азота, так же как различные аэрозоли, в последние годы поступают в атмосферу во все возрастающих количествах и требуют к себе внимания. Воздействие некоторых загрязняющих воздух веществ на озон также создает проблемы. Оценить точно возможные последствия влияния всех этих факторов пока нельзя. Поэтому реализация теоретической возможности воздействия на механизм оранжерейного эффекта в настоящее время практически неосуществима.

19.15. Каков климат жилых помещений полярников в Арктике и Антарктике?

У зимовщиков в помещениях условия далеко не стандартные. Сейчас в Арктике много поселков с домами, отапливаемыми обычными печами. Внутри домов режим температуры такой же, как внутри домов зимой в средней полосе. На научных станциях, расположенных на дрейфующих льдинах или в Антарктике, – условия иные. Можно назвать три основных вида жилья в полярных экспедициях: временные выносные «точки» летнего сезона – утепленные палатки с двойными стенками и водонепроницаемым днищем, фанерно-деревянные передвижные домики на санях, так называемые балки, с печью на жидком топливе и, наконец, стационарные домики, обогреваемые теплым воздухом от жидко-топливных печей или же электричеством.

Искусственный климат внутри палаток не обеспечивает сохранение зоны комфорта. В палатке, пока горит печка, наверху тепло, а у пола – холодно. В балках хотя и тепло, но трудно обеспечить нормальный воздухообмен и потому внутри них повышенное содержание углекислого газа. В стационарных домиках условия наиболее благоприятные, в них вполне достижим режим комфорта, но в таких домах постоянно ощущается излишняя сухость воздуха, поскольку наружный воздух в силу низких температур отличается очень незначительной абсолютной влажностью. Это становится заметным уже в первые часы пребывания внутри такого стационарного домика: отпадает необходимость пользоваться полотенцем – после умывания лицо и руки мгновенно становятся сухими. Это наиболее характерная черта искусственного климата в помещениях полярников. Вторая черта – недостаток дневного света даже летом, во время полярного дня, и его полное отсутствие зимой, во время полярной ночи.

19.16. Как в Антарктиде зимовщики строят свои жилища, оберегая их от снежных заносов?

В зависимости от места расположения станции ее жилые домики строят под снегом или, наоборот, поднимают над ним на своего рода сваях из труб, с тем чтобы снег, переносимый ветром, не заносил дома.

Если научную станцию сразу строят из расчета укрытия ее жилых помещений под снегом, то все строения размещают на дне вырытого в снегу тоннеля глубиной 5 – 6 м; над крышами домиков вровень с местностью тоннель закрывают гладким перекрытием, по поверхности которого свободно переносится снег, не отлагаясь и не накапливаясь. Если домики поставить просто на снегу, их за два-три зимних сезона занесет снегом так, что они окажутся погребенными под многометровой снежной толщей. Под тяжестью снега крыши домиков могут обрушиться.

19.17. Что собой представляют и для чего используются микроклиматические камеры?

Помещения, в которых можно искусственно создавать требуемые климатические условия, называют микроклиматическими камерами. В них можно задавать любой режим температуры, влажности и ветра. Существуют и такие камеры, в которых можно задавать режим радиации.

Используются микроклиматические камеры для исследований теплового состояния людей и животных при различных режимах температуры и ветра, а также для определения теплозащитных свойств различных образцов одежды и оценки способности человеческого организма к адаптации в экстремальных условиях, к восстановлению теплопотерь.

Такого рода исследования в микроклиматических камерах широко практикуются в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте в Ленинграде при подготовке полярных экспедиций. Камеры позволяют создать и сохранять в течение нескольких часов режим холода и сильного ветра, сильного холода и слабого ветра и т. д. Например, -28 ± 0,9°C и ветер 6,1 ± 0,4 м/с или -36 ± 0,9°C и ветер 2,5 ± 0,2 м/с.

По результатам испытаний людей и одежды в микроклиматической камере можно определять доступную продолжительность пребывания на морозе человека в различной одежде.

19.18. Какой микроклимат поддерживается в кабине самолета при полетах на различных высотах?

Микроклимат в кабине самолета искусственно поддерживается на уровне условий, соответствующих зоне комфорта. Для этого работает система кондиционирования воздуха, автоматически регулирующая режим температуры и влажности, а также атмосферного давления внутри кабины самолета. Герметичность кабины позволяет поддерживать атмосферное давление, равное примерно ³/₄ нормального давления на уровне моря даже при полетах на самых высоких эшелонах в нижней стратосфере, где давление вне кабины в три-четыре раза меньше, чем на уровне моря. Забортный воздух, прежде чем поступить в кабину самолета, нагревается до обычной комнатной температуры и сжимается в турбокомпрессоре. Одновременно в нем происходит разрушение значительной части избыточного озона, что также очень важно, так как озон оказывает освежающее действие только при небольшой его концентрации, обычной в приземных слоях атмосферы. Если же концентрация озона в воздухе достигает более одной десятимиллионной части по объему, то озон начинает оказывать токсичное влияние на человеческий организм.

19.19. Почему необходимость снижения концентрации озона внутри кабины самолета возникает лишь на больших высотах?

Воздух у земной поверхности содержит незначительное количество озона, составляющее стомиллионные доли по объему. К такой его концентрации или несколько большей человеческий организм привык, в этом случае озон не является для него токсичным. С высотой в атмосфере содержание озона возрастает, но его концентрация в тропосфере остается в пределах допустимой. Однако уже в стратосфере, выше тропопаузы, концентрация озона резко возрастает и несколько превышает допустимую уже на эшелонах полетов обычных дозвуковых самолетов в нижней стратосфере, а на эшелонах полетов сверхзвуковых самолетов, приближающихся по высоте к уровню максимальной концентрации озона (21-26 км), превышает ее уже в несколько раз. Воздух, подаваемый в кабины сверхзвуковых самолетов, должен пропускаться не только через турбокомпрессоры, но и через специальные фильтры, освобождающие его от избыточной концентрации озона, поскольку в турбокомпрессорах разрушается только 75 – 90% количества озона, превышающего допустимый уровень.

КАВЕРЗНЫЕ ВОПРОСЫ МАЛЕНЬКИХ НАБЛЮДАТЕЛЕЙ

Наряду с бесчисленными «почему» об окружающем их мире, дети имеют обыкновение задавать старшим вопросы и о погоде, и при этом чаще всего самые неожиданные. Не всегда на эти вопросы легко ответить, и не только потому, что не все очевидные вещи доступны пониманию ребенка, но еще и потому, что дети, с их наблюдательностью, способны останавливать внимание на деталях, ускользающих от внимания взрослых. Ниже приводятся вопросы и ответы на них из числа тех, с которыми пришлось столкнуться автору в беседах с внуком и его сверстниками, а также с их родителями, просившими помощи для удовлетворения любознательности своих маленьких «почемучек».

Следует признаться, что не на все поставленные ребятами вопросы автор сумел дать исчерпывающий ответ, но он стремился избегать упрощений, способных породить ошибочное понимание сути сложного природного явления, и в каждом случае – дать хотя бы основы верных представлений, которые со временем могут быть расширены и углублены, но не будут нуждаться в исправлениях.

Интересно отметить, что дети о погоде, как и вообще о всех природных явлениях, значительно чаще спрашивают, находясь за городом, в деревне или на даче. Расширение круга наблюдений, возможность видеть весь небосвод до самого горизонта, воду в речках или озерах с естественными берегами, а животных – не в клетках, а на свободе, стимулирует процесс познания окружающего мира, порождает потребность спрашивать о вещах, далеких от сиюминутных нужд. К примеру, в городе ни один из всех знакомых мне ребят не спросил, глядя на небо: «Какие это облака, почему они все в завитушках?» или: «Где кончается небо? У него есть дно?»… Такие вопросы задают, гуляя в поле, на берегу моря или на лесной поляне. Конечно, о погоде дети спрашивают и в городе, но это совсем другие вопросы. Во всяком случае, у тех, с кем мне приходилось общаться. Итак, обратимся к вопросам о погоде, интересующим наблюдательных ребят.

20.1. Почему так бывает: зимой с крыш вода капает, а на улице мороз, по радио сообщают, что температура воздуха несколько градусов ниже нуля?

Дело в том, что по радио сообщают температуру воздуха, измеренную на площадке метеорологической станции, в специальной будке, на высоте 2 м над земной поверхностью. Место для площадки выбирается свободное от застроек, хорошо продуваемое ветрами и освещаемое солнцем. На показания приборов на метеорологической площадке не должны оказывать влияния никакие искусственные сооружения, там должны сохраняться естественные условия данной местности. Крыши же городских домов, как и стены, – в иных условиях. Зимой дома отапливаются, внутри городских зданий искусственно поддерживается более высокая температура воздуха, чем снаружи. Тепло внутренних помещений дома передается его стенам и крыше. При небольших морозах, о которых сообщается по радио, температура крыш зданий может быть на несколько градусов выше, то есть может оказаться положительной, достаточной для таяния лежащего на крышах снега. Поэтому-то при отрицательной температуре воздуха с крыш городских домов может капать вода.

20.2. Почему при морозе из выхлопных труб автомобилей вылетают клубы пара, похожие на облака, а при другой погоде – только дым?

В морозную погоду за автомобилями действительно возникают небольшие облака, но не пара, а мелких капелек воды и ледяных кристалликов. Водяной пар – это невидимый человеческому глазу газ, он прозрачен, как и другие газы, входящие в состав воздуха. Называются эти облака конденсационными, они возникают из водяного пара, который образуется при сгорании в двигателе автомобиля жидкого топлива. При морозе вылетающий из выхлопной трубы автомобиля пар мгновенно охлаждается, переходит в капельки воды или в ледяные кристаллики – образуется конденсационный след или облако. При более теплой погоде охлаждение пара оказывается недостаточным и он остается невидимым. Дым за автомобилем является результатом неполного сгорания топлива, он может быть при любой погоде, его возникновение зависит не от погоды, а от качества регулировки зажигания двигателя.

20.3. Почему иногда на море, когда Солнце скрывается за горизонтом, над местом, где оно только что скрылось, вдруг вспыхивает и тут же гаснет яркий изумрудно-зеленый свет?

Это так называемый зеленый луч. Его можно иной раз наблюдать в тихую ясную погоду при большой прозрачности воздуха не только в момент захода, но и при восходе солнца. Чаще всего это удается при ровном открытом горизонте, на берегу моря или озера.

Возникновение зеленого луча объясняется рефракцией и дисперсией солнечного света, то есть искривлением его лучей и их разложением на цвета спектра от красного до фиолетового. Угол преломления солнечных лучей наибольший у горизонта, и при низком положении солнца его свет мог бы представляться радужно-многоцветным, если бы не рассеивающее и ослабляющее влияние толщи атмосферного воздуха (максимальной для солнечного луча при восходе и заходе солнца). Но так как рассеяние световых лучей тем сильнее, чем короче длина волны, то меньше других ослабляются красные тона, в какие обычно и окрашивается небосклон при восходе и закате солнца. В тех же случаях, когда воздух особенно прозрачный при спокойном состоянии атмосферы, сохраняются не полностью рассеянными и лучи синей части спектра: бывает виден (хотя и очень редко) даже голубой цвет, а несколько чаще – зеленый, давший название всему явлению.

Длится это явление всего 1-2 секунды, но на впервые увидевшего его производит очень сильное впечатление, особенно если выпадает случай увидеть в момент его возникновения не только небо на горизонте, но и стеклянные шары фонарей уличного освещения или обращенные к источнику этого необычного света окна зданий, на мгновение меняющие свою окраску и приобретающие яркий, очень чистый изумрудно-зеленый цвет.

20.4. Куда дует ветер?

Ветер – это движение воздуха. Как и вода, всегда текущая с более высокого места в более низкое, воздух тоже движется из места с более высоким атмосферным давлением в место, где давление меньше. На движущуюся воду и на воздух влияет еще и вращение Земли, которое отклоняет все частицы вправо от их первоначального направления движения. Но движение воды ограничено берегами ручьев и рек или стенками труб, а движение воздуха таких ограничений не имеет. Поэтому воздух движется не прямо от высокого давления к низкому, а в сторону, вправо от такого направления, оставляя центр низкого давления левее направления своего движения, как бы обегая этот центр. Вот и получается, что ветер дует не вдоль прямой, а вдоль изогнутой, приближенно круговой линии. Вокруг центров низкого давления – в циклонах – ветер дует против часовой стрелки, а вокруг центров высокого давления – в антициклонах – по часовой стрелке. Такое направление ветра бывает в северном полушарии, а в южном – оно противоположное. Но так как размеры циклонов и антициклонов очень большие – сотни и тысячи километров, то кривизна движения воздуха нами не ощущается.

20.5. Почему в сырую погоду при тумане шум электрички слышен в лесу дальше, чем в сухую погоду?

Скорость звука в воде в несколько раз больше, чем в воздухе. При тумане в воздухе находится бесчисленное множество мелких капелек воды, улучшающих звукопроницаемость туманного воздуха, отчего шум электропоезда, как и любой другой звук, слышен лучше, чем когда воздух чист, не содержит водяных капелек. Этот эффект можно наблюдать не только в лесу, но и в поле, над озером или над другими поверхностями. Скорость звука зависит от того, в какой среде распространяются звуковые волны: в воздухе она равна 330 м/с, в воде 1500 м/с, а в твердых телах от 2000 до 6000 м/с. Таким образом, при дожде и тумане или при снегопаде, то есть в смеси воздуха с каплями воды или кристалликами льда, она будет несколько больше, чем при сухой погоде (следует учитывать еще и то, что капли и снежинки рассеивают звук). Будет ошибочным упрощать дело, связывая скорость звука с плотностью воздуха. Тем более, что плотность влажного воздуха меньше плотности сухого. Скорость прохождения звуковых волн в воздухе определяется не количеством содержащегося в нем водяного пара, а количеством и размерами капелек воды и кристалликов льда.

20.6. Правда ли, что дождь, при котором на поверхности луж образуются пузыри, скоро кончается?

Пузыри на воде во время дождя образуются при ударе падающих дождевых капель о воду, когда под пленку воды, выплескиваемой наверх, попадает воздух. Чтобы пузыри были достаточно крупными и хорошо заметными и к тому же были способны сохраняться на поверхности воды достаточно долго, чтобы их можно было увидеть, – капли дождя сами должны быть крупными. Крупные капли бывают при ливнях, а ливни, как правило, непродолжительны: ливневой дождь очень сильный, но короткий – он выпадает из отдельных, сравнительно небольших, хотя и сильно развитых по высоте кучево-дождевых облаков. Поэтому замеченная особенность дождя, образующего пузыри на лужах, быстро заканчиваться имеет над собой вполне понятную логическую основу.

20.7. Правда ли, что при грозе скисает молоко?

Да, правда. Это связано, скорее всего, с тем, что тепловым грозам предшествует влажная теплая погода, благоприятствующая развитию молочнокислых бактерий. Само атмосферное электричество, разряды которого происходят при грозе, прямого отношения к скисанию молока, по-видимому, не имеет – ведь молоко не скисает при грозе, когда оно стоит в погребе или в холодильнике, где сохраняется низкая температура, не способствующая развитию молочнокислых бактерий.

20.8. Почему ранней весной в лесу деревья иногда «стреляют»?

Это лопается кора на стволах деревьев, нагреваемых с одной стороны солнечными лучами и остающихся холодными с другой – теневой – стороны. Разность температур в коре дерева создает большие напряжения, в результате чего кора местами разрывается с сильным и резким звуком, напоминающим выстрел.

20.9. Правда ли, что некоторые растения способны выделять вредные вещества?

В местностях, где почва сильно загрязнена промышленными отходами, некоторые растения действительно могут выделять в воздух пары ядовитых веществ. В частности, тростник способен через поры (устьица) выделять пары ртути, в большом количестве содержащиеся в почве, загрязненной промышленными отходами (как это имело место в штате Нью-Йорк в пойме ручья у оз. Онондага, что было установлено исследованиями ученых местного университета Кожуховским и Джонсоном).

20.10. Почему море бывает разного цвета – то веселое, голубое, то грустное, серое?

Цвет поверхности моря, как и воды в озере или реке, зависит главным образом от состояния неба, цвет которого отражается в воде. При ясной солнечной погоде небо – голубое, и такого же «веселого» цвета бывает вода в море; при пасмурном, хмуром небе, которое заволокли облака, и море кажется темным, «грустным».

Но зависимость цвета моря от состояния неба не только в этом. Состояние неба определяет еще и освещенность самой воды, а следовательно, и состав спектра лучей, отражаемых и испускаемых водной поверхностью. Определенную, хотя и не основную, роль играет также то, насколько спокойна водная поверхность и, кроме того, насколько чиста вода, сколько содержится в ней примесей, какие растворены соли и т. п.

20.11. Как снег может согревать землю и растения, ведь он холодный?

Снег, покрывающий землю, подобен одеялу: сам по себе он тепла не дает, но препятствует потере тепла земной поверхностью, уменьшает промерзание почвы и способствует лучшему сохранению корневой системы растений. Благодаря пористости, то есть наличию между снежинками свободного пространства, в котором находится воздух, снег обладает теплоизоляционными свойствами, особенно когда он рыхлый и сухой, или, как говорят, пушистый. В ясные морозные ночи поверхность снега выхолаживается лучеиспусканием в атмосферу и в космическое пространство, но на некоторой глубине в снегу и под снегом температура сохраняется значительно более высокая, чем на его поверхности, и, кроме того, снежный покров препятствует лучеиспусканию прикрываемой им поверхности.