Пфейфер Фриц

Погода интересует всех

Очерк общей и прикладной метеорологии

Под редакцией канд. геогр. наук Б. П. КАРОЛЬ

DR. FRITZ PFEIFER

WETTERZEICHEN ÜBERALL

Ein Streifzug durch die allgemeine und angewandte Meteorologie

Urania — Verlag

Leipzig — Jena — Berlin

Атмосфера вчера, сегодня и завтра

Огромная газовая оболочка окружает земной шар. Она содержит примерно 10^44 молекул различных газов и давит на нашу планету с силой около 51 квадриллиона тонн. Человек не в состоянии реально представить себе такие гигантские числа. Мы приводим их в самом начале книги для того, чтобы читателю стало ясно, что атмосфера — не ничто, не пустота, а весьма важная составная часть нашей планеты. Господствующие в ней необузданные силы приносят каждый год неисчислимые бедствия и даже смерть тысячам людей. Когда ураганы тропических широт за несколько часов уничтожают результаты труда человека, когда они беспощадно сметают с лица земли деревни и целые города, каждый раз возникает вопрос: как же это могло случиться? А причины наводнений или засух? Мы считаем, что получили удовлетворительные ответы, когда нам объяснили, какие метеорологические условия вызвали избыточное выпадение осадков или, наоборот, большую сухость почвы и воздуха. Но метеорологические условия неотделимы от процессов, происходящих в атмосфере. Общая картина метеорологических явлений может быть понята только в том случае, если мы будем рассматривать атмосферу как неотъемлемую часть нашей планеты. Поэтому мы прежде всего предлагаем рассмотреть, каким образом возникла воздушная оболочка Земли и как она на протяжении миллионов лет приобретала свои свойства. Поскольку атмосфера существует уже много миллиардов лет, а точные измерения производятся лишь около 200 лет, образование воздушной оболочки может рассматриваться лишь на основании теоретических исследований. При этом многие стороны данной проблемы пока остаются невыясненными.

Считается установленным, что первоначально Земля была огромным газовым шаром[1]. По мере охлаждения газы и пары, составлявшие шар, переходили в жидкое состояние, и затем постепенно формировалась твердая тонкая оболочка земной коры. Еще мало известны физические и химические свойства, которыми обладала атмосфера во время постепенного отвердевания поверхности земного шара. Однако представители различных отраслей естественных наук — астрономы, астрофизики, геофизики, геологи — утверждают, что в период выделения газообразных веществ из пород, которые образовались при отвердевании земной коры, т. е. около двух миллиардов лет тому назад, состав атмосферы был совершенно иным, чем сейчас. Возможно, что в период возникновения атмосфера Земли была такой же, как сейчас у гигантской планеты Юпитер, поверхность которой находится в стадии отвердевания. Основными составными частями земной атмосферы тогда были углекислый газ, азот, водяной пар, метан и аммиак.

Несомненно, что на ранних стадиях развития Земли ее газовая оболочка представляла собой густой и ядовитый туман, через который не пробивался ни один луч света. В атмосфере Земли непрерывно конденсировался водяной пар, но еще долгое время дожди не увлажняли поверхность планеты, ибо она была очень горячей и выпадавшие осадки тотчас же испарялись. Еще не вполне выяснено, куда девался углекислый газ, содержание которого в первичной атмосфере было очень высоким, и как в ней появился кислород. До возникновения твердой коры Земли в ее газовой оболочке, по всей вероятности, уже имелся кислород, но позднее, при образовании горных пород, содержащих кремний, он оказался связанным. Новое образование кислорода в земной атмосфере объясняют следующим образом. После первоначального использования кислорода в атмосфере должны были остаться многочисленные углеводороды. По мнению Опарина, в результате частых разрядов молний в атмосфере образовались различные аминокислоты, которые явились предпосылкой для появления жизни на Земле. На протяжении невообразимо длительных отрезков времени некоторые бактерии расщепляли углекислый газ на углерод и кислород. Содержание углекислого газа в атмосфере непрерывно уменьшалось, а кислорода увеличивалось. В эти древние эпохи атмосфера получала тепло главным образом в результате соприкосновения с земной поверхностью. В настоящее время внутренняя теплота земного шара вносит лишь очень незначительный вклад в нагревание атмосферы. Решающую роль в нагревании атмосферы играет солнечная радиация, которая обусловливает смену времен года и изменение температуры воздуха в течение суток. Много миллионов лет тому назад на Земле не было ни смены времен года, ни чередования дня и ночи, так как верхняя граница атмосферы отражала обратно в мировое пространство приходившую к ней солнечную радиацию. Можно считать, что, когда охлаждение земной коры закончилось, химический состав атмосферы уже не претерпевал существенных изменений.

В более поздние геологические эпохи развития земного шара в атмосфере имели место большие колебания метеорологических элементов на обширных пространствах. Они являлись причиной колебаний климата, который в свою очередь менял облик земной поверхности.

Особенно резкими были колебания климата в периоды, получившие название ледниковых. Интересно, что эти периоды всякий раз наступали после того, как Земля покрывалась густыми лесами и на ней образовывались каменноугольные бассейны. Оледенение распространялось из полярных областей к югу и достигало умеренных широт Земли. Теоретические исследования показывают, что атмосфера сильно охлаждалась, когда пышно развивающийся растительный покров уменьшал содержание в ней углекислого газа. Расчеты подтверждают, что без углекислого газа температура воздушной оболочки Земли действительно должна была бы понизиться. Несмотря на то что эта теория встречает возражения, все же считается твердо установленным, что даже незначительные изменения химического состава атмосферы могли явиться причиной изменений теплового режима на Земле.

Другое объяснение причин возникновения ледниковых периодов основано на предположении об изменении радиационного режима вследствие некоторых особенностей вращения Земли вокруг своей оси. По астрономическим данным было рассчитано количество солнечной радиации, приходившей к земному шару в разные периоды его существования. Оказалось, что периоды наименьшего прихода радиации к различным районам Земли совпадали с наступлением здесь ледниковых периодов. Мы не будем вдаваться в рассмотрение вопроса, какая из двух теорий заслуживает большего доверия. Отметим лишь, что обе они говорят о возможном влиянии на климат нашей планеты и земных, и космических факторов.

Наряду с крупномасштабными и весьма длительными изменениями климата уже в историческое время возникали незначительные изменения в воздушном океане, которые можно характеризовать как малые колебания климата.

Так, например, период с 1600 по 1850 г., во время которого альпийские ледники спускались далеко в долины, можно считать малым ледниковым периодом. Но постепенно льды отступили в горы, и только груды щебня и камня (конечные морены), перенесенные ими в долины, свидетельствуют об этом холодном периоде.

Колебание климата мы наблюдаем и в Арктике в течение четырех последних десятилетий. Так, на Шпицбергене средняя зимняя температура воздуха за 26 лет (с 1912-13 до 1938-39 г.) повысилась на 10°. В южных районах Гренландии, где еще в 1931-32 г. существовали огромные ледяные пещеры, служившие приютом полярным исследователям, теперь раскинулись зеленые луга, на которых пасутся стада овец. Однако уже появляются признаки окончания потепления Арктики и начала похолодания. Именно поэтому приходится говорить не о коренных изменениях, а лишь о некоторых колебаниях климата.

Как же будет в дальнейшем изменяться запас энергии в земной атмосфере? Некоторые ученые считают, что Землю ожидает холодная смерть. Непрерывная потеря Солнцем части массы должна привести к увеличению расстояния между планетами и светилом.

Отклонение средней зимней температуры воздуха от многолетней средней в южных районах Гренландии.

Согласно этому предположению, Земля, удаляясь от Солнца, попадет на орбиту, по которой в настоящее время движется, окажем, Марс или Юпитер. Тогда поступление солнечной радиации на нее действительно резко уменьшится, а температура воздуха резко понизится и будет составлять —100°. Другие исследователи придерживаются мнения, что земная атмосфера действительно начнет выхолаживаться, но затем снова разогреется. Прежде чем в результате непрерывной утери массы светила сколько-нибудь существенно увеличится расстояние от Солнца до Земли, ядерные реакции на Солнце начнут ускоряться, и в конце концов на нем разгорится «атомный пожар». Атомный реактор, находящийся в центре Солнца, будет постепенно расширяться в направлении к внешней оболочке светила, пока не начнется лавинообразное превращение водорода в гелий. Интенсивность солнечного излучения при этом неимоверно возрастет, и на Земле произойдет опасное усиление круговорота энергии. Земля окажется опустошенной ураганами невиданной интенсивности до того, как все живое на ней будет сожжено.

Однако мы можем не опасаться ни холодной смерти Земли, ни атомного пожара на Солнце, ибо периоды, на протяжении которых развиваются геологические и астрономические процессы, чрезвычайно велики по сравнению с продолжительностью существования человечества.

От мифов о погоде к спутниковой метеорологии

С момента появления человек вынужден был бороться за свое существование и защищать себя от таких сил природы, как наводнения, раскаленные потоки вулканической лавы или разрушительные бури. Несколько столетий тому назад представления человека о воздушном океане были весьма несовершенны. Было лишь установлено, что воздух не имеет вкуса и запаха и его невозможно ни видеть, ни осязать. Лишь с того времени, когда для изучения атмосферы начали применять точные приборы, воздух, этот загадочный невидимка, стал предметом серьезных геофизических исследований. Определение понятия «атмосфера» вырабатывалось тысячелетиями, но и теперь сведения о размерах воздушного океана и о движениях в нем не являются достаточно полными. Вспомним хотя бы о запусках искусственных спутников Земли, которые дали нам некоторое представление о недавно еще совершенно неизвестных явлениях в атмосфере.

Сейчас можно понять исследователей прошедших столетий. Они не знали, что воздух — это вещество, поддающееся точным физическим измерениям. Около 2000 лет тому назад Аристотель в трехтомном труде по метеорологии дал правильное объяснение многих явлений, протекающих в атмосфере. Однако он еще не мог себе представить, что ветер является результатом движения воздуха, и страстно опровергал подобные утверждения некоторых своих сограждан.

500 лет тому назад никто не подозревал, что такие «небесные» явления, как дневной свет и облака, связаны с существованием воздушной оболочки, окружающей земной шар.[2]

В средние века воздух считался чем-то неосязаемым и его отождествляли с пустотой. Явления погоды считались результатом взаимодействия Земли с другими планетами. Поэтому понятно значение исследований Коперника, Галилея, Бруно и Кеплера, которые доказывали ошибочность господствовавшего в то время космогонического представления, согласно которому Земля якобы находится в центре Вселенной. Несмотря на то, что эта картина была заимствована у древних греков, с изобретением телескопа она не могла сохраниться. Теперь каждый мог убедиться в том, что планеты вращаются не вокруг Земли, а вокруг Солнца.

Рационалистическое мировоззрение и пытливый ум исследователей рассеивали мистический туман средневековых представлений. Новые открытия, связанные с природой космических явлений, помогали физике, химии, медицине и метеорологии одерживать победы над вздорными и суеверными представлениями средневековья. Во всех областях знания прежние догматические утверждения подвергались суровой проверке опытом, практикой. Правда, каждый исследователь в это время был предоставлен самому себе, а некоторые ученые подвергались насмешкам или вообще изгонялись из общества. Однако торговых людей и мореплавателей уже привлекают результаты физических опытов, вероятно, не столько из интереса к развитию чистой науки — математики, астрономии и т. п., сколько в расчете на то, что эти опыты со временем помогут созданию новых машин и приборов, очень полезных в практической деятельности. Ко времени Тридцатилетней войны в метеорологии уже были заложены необходимые основы для объективного научного исследования. Бургомистр города Магдебурга Отто фон Герике и итальянец Эванджелиста Торричелли независимо друг от друга убедительно доказали, что воздух имеет вес. Воздух был впервые взвешен, когда удалось создать вакуум. Это открытие было существенным, так как до сих пор философы утверждали, что пустого пространства быть не может — «природа боится пустоты». С помощью барометра Герике нашел вес воздуха, и тем самым бывший невидимка превратился в реальное физическое тело, которое можно было измерить.

Началось выяснение природы атмосферного давления. По инициативе Паскаля француз Перье проделал в 1648 г. свой знаменитый опыт с барометром. Он измерил давление у подножия и на вершине горы Пюи-де-Дом, имеющей высоту 1465 м, и подтвердил предположение Паскаля о том, что с увеличением высоты атмосферное давление уменьшается. Сразу же возник вопрос о высоте верхней границы воздушного океана. Ответить на этот вопрос в то время было еще невозможно, ибо не существовало ни воздушных шаров, ни искусственных спутников Земли, с помощью которых теперь изучаются верхние слои земной атмосферы. Поэтому представления разных ученых о высоте атмосферы мало согласовались между собой. Например, Кеплер, открывший законы движения планет, считал, что «атмосфера не может иметь столь большую высоту, чтобы покрывать все известные горные вершины. Горы Атлас, Олимп и горы Азорских островов возвышаются над верхней границей атмосферы». По мнению Кеплера, эта граница лежала на высоте не более 3000 м.

Лишь сравнительно немногие ученые были убеждены в правильности новых, т. е. физических, путей исследования атмосферы. Книги в то время писали на латинском языке, которого народ не знал. Этим отчасти можно объяснить, что широкие массы по-прежнему суеверно придерживались различных примет о погоде или доверяли вздорным книгам погоды, столетним календарям погоды и т. п.

Развивавшееся капиталистическое общество все более порывало с устаревшими представлениями, которые тормозили дальнейший его прогресс. Парусные корабли уже достигали вод Антарктики, да и сведения о климате других районов земного шара тоже приобретали все более важное значение. Стало невозможным ограничиться утверждениями древних греков, которые на основании чисто астрономических данных выделили на Земле три климатических пояса — тропический, умеренный и полярный, отделявшиеся друг от друга тропиками и полярными кругами. Исследование климата приобрело характер общественной задачи. В XVIII в. почти все государства организовали на своих территориях сеть метеорологических станций, на которых проводились не только визуальные наблюдения за элементами погоды, но и инструментальные измерения атмосферного давления и температуры воздуха. Так, например, Гёте, занимавший пост государственного министра, организовал в 1823 г. в Тюрингии большое число наблюдательных станций.[3]

Выдающийся ученый и путешественник Александр Гумбольдт построил первые в мире карты изотерм. На таких картах пункты с одинаковой температурой воздуха соединяются плавными линиями, называемыми изотермами. Проведение изолиний в то время было весьма затруднительным, так как сеть станций была очень редкой. Но это был первый шаг к познанию климатических особенностей на большой территории. На картах изотерм стало видно, как велики климатические различия между северным и южным полушариями и как сильно влияет распределение моря и суши на пространственное изменение температуры воздуха.

Еще одно крупное открытие помогло дальнейшему изучению воздушной оболочки Земли. В 1771 г. английский химик Дж. Пристли и шведский ученый Шееле независимо друг от друга обнаружили, что воздух на одну четверть состоит из газа, принимающего участие во всех процессах горения. Они назвали его огненным газом. Современное же его название — кислород — было введено в науку французским химиком Лавуазье. Однако в то время метеорология мало занималась химическими исследованиями атмосферы.

В XVIII в. не имелось возможности для изучения погоды, т. е. непрерывных изменений состояния воздушного океана. Для этого необходимо было получать результаты одновременных метеорологических наблюдений с достаточно обширной территории и не позднее чем через несколько часов. Такая возможность появилась лишь в середине XIX в., когда физики Гаусс и Вебер изобрели телеграфную связь[4]. С развитием телеграфа возник и новый раздел метеорологии — синоптическая метеорология. Термин «синоптический метод» означает метод одновременного обзора обширной территории. До введения этого метода погода для некоторого пункта прогнозировалась на основании наблюдений за ходом метеорологических явлений только в этом пункте. Подобным методом прогнозирования является, например, и народная примета: «Ясный закат — к хорошей погоде». Погода на следующий день определялась по виду вечернего неба. С появлением телеграфа метеоролог смог «видеть» распределение погодных явлений в пространстве и предсказывать, например, бури и грозы, которые в данном пункте в момент прогнозирования еще ни в чем не проявлялись.

Значительно изменились методы предсказания погоды лишь с 1851 г. На Всемирной выставке в Лондоне по телеграфу ежедневно получали сведения с 22 метеорологических станций и строили синоптические карты погоды. Так впервые оказалось возможным предсказывать движение воздушных масс на обширной территории.

Первые официальные службы погоды были созданы несколькими годами позднее. Поводом для этого послужило следующее событие. Во время Крымской войны, в 1854 г., англичане и французы, осаждая русский порт Севастополь, надеялись захватить город после обстрела. Однако внезапно началась буря, во время которой, между прочим, затонул французский военный корабль «Генрих IV». Французское военное министерство запросило директора парижской астрономической обсерватории Леверье, можно ли было заблаговременно предсказать приближение этой бури. Леверье проделал большую и кропотливую работу. Он сопоставил показания барометров в том месте, где произошла катастрофа, и в окружающих районах и пришел к заключению, что траектория бури могла быть предсказана заранее. Это открытие привело к зарождению службы погоды в Европе.

Дове, возглавлявший в то время германскую метеорологию, отвергал возможность предсказания погоды. Поэтому в Берлинском бюро погоды первые сводки погоды появились лишь в 1883 г. Конгресс США также медлил с организацией службы погоды, пока во время урагана в 1869 г. не погибло в районе Великих озер 2000 кораблей. Уже через год после катастрофы в США начала работать служба погоды.

Когда метеорологи поняли, что погода формируется не у земной поверхности, а в более высоких слоях атмосферы, началось интенсивное изучение всей толщи воздушного океана. В конце XIX и в начале XX в. началась организация высокогорных метеорологических обсерваторий. (Старейшая высокогорная обсерватория на горе Зоннблик уже через несколько лет будет располагать 100-летним рядом наблюдений.) Однако было установлено, что значения метеорологических элементов, измеренных на отдельных горных станциях, не характеризуют действительного состояния свободной атмосферы на той же высоте над равнинной местностью. Горный массив существенно искажает поле ветра и температуры, присущее свободной атмосфере.

На развитие метеорологии XX в. оказали влияние два выдающихся события: открытие стратосферы Р. Ассманом и Тейсеран де Бором в 1900 г. и организация сети аэрологических (радиозондовых) станций, начавшаяся с 1934 г.[5] Радиозонд представляет собой метеорологический прибор, поднимаемый на шаре на значительную высоту — часто до средней части стратосферы. Во время подъема радиозонд измеряет атмосферное давление, температуру и влажность воздуха. Три датчика, воспринимающие значения этих метеоэлементов, включены в цепь небольшого коротковолнового передатчика, который при подъеме излучает определенные радиосигналы. Если, например, температура воздуха изменяется с высотой, то меняется и характер радиосигналов. Регистратор, находящийся на земле, фиксирует сигналы, посылаемые радиозондом, и уже во время его подъема можно получать данные о физическом состоянии атмосферы.

Метеорологи еще 35 лет тому назад строили только приземные карты погоды, нанося на них значения метеорологических элементов в виде чисел или условных значков. А когда в результате международного сотрудничества в области радио- и телеграфной связи стали общедоступными также и данные измерений в высоких слоях атмосферы, повсеместно начали строить не только приземные, но и высотные карты погоды. В настоящее время наличие таких карт стало непременным условием хорошего прогноза погоды.

В период с 1934 по 1938 г. наряду с развитием сети аэрологических станций увеличивалось число наземных: метеорологических станций в тропических широтах и полярных районах.

В настоящее время на поверхности земного шара имеется около 11 000 метеорологических станций. Они располагаются на суше, на кораблях погоды и на дрейфующих льдинах. Кроме того, особые радиометстанции автоматически или по особому сигналу — запросу — передают в эфир сведения из труднодоступных районов. К современным средствам исследования атмосферы относятся также метеорологические ракеты. В СССР, США и Канаде ракеты дают службе погоды ценные сведения о физическом состоянии средней стратосферы.

Для составления прогнозов погоды все шире используются искусственные спутники Земли. Так, например, «Тайрос-II» с высоты примерно 1000 км обнаружил атмосферный вихрь над Индийским океаном. Телевизионные изображения этого вихря, переданные на Землю, позволили своевременно предупредить прибрежные станции о его приближении. Кораблями погоды этот вихрь не был обнаружен.

Постепенно становилась все более очевидной необходимость разработки единой международной программы метеорологических исследований на всей планете. Примером всемирного сотрудничества явилось проведение Международного полярного года в 1882–1883 и в 1932–1933 гг. Было решено, что такое мероприятие будет проводиться через каждые 50 лет. Однако позднее ученые договорились о том, чтобы уже через 25 лет после Второго международного полярного года начать новые и невиданные по размаху одновременные международные научные исследования планеты. Период проведения совместных исследований получил название Международного геофизического года (МГГ). Этот период продолжался с 1 июля 1957 г. по 31 декабря 1958 г.

В период Международного геофизического года, продолженного еще на один год и названного годом Международного геофизического сотрудничества (МГС), расширились представления в области метеорологии и была значительно развита прежняя классическая схема состояния и строения атмосферы. В частности, стало известно, что атмосфера — нечто большее, чем простая смесь кислорода, азота, инертных газов и водяного пара. В ней, кроме того, в изобилии встречаются различные атомы и атомные ядра, которые постоянно вторгаются в атмосферу из космоса, взаимодействуют с ней и либо достигают земной поверхности, либо снова возвращаются в космическое пространство. Если несколько десятилетий тому назад атмосферу считали резко отграниченной от космоса, то результаты ракетных измерений заставляют рассматривать ее скорее в качестве сложного связующего звена между твердой поверхностью земного шара и космическим пространством. Еще неизвестно, как далеко простирается атмосфера в космос. Однако бесспорно, что воздушная оболочка Земли проникает и в область солнечной материи, причем обе они непрерывно взаимодействуют между собой. Доказательством взаимодействия являются, например, тесная связь между солнечной активностью и полярными сияниями, колебания земного магнитного поля, имеющие характер магнитных возмущений и бурь, различные изменения в ионосфере и другие явления, происходящие в воздушном океане. Новейшие измерения вблизи верхней границы атмосферы показали, что, кроме солнечной радиации, в земную атмосферу проникает жесткое рентгеновское излучение и корпускулярный поток. Советские геофизики установили большую роль потоков энергии в атмосферных процессах. Благодаря успехам Советского-Союза в области исследований с помощью спутников скоро осуществится давняя мечта геофизиков и метеорологов о создании аппарата, непрерывно вращающегося вблизи верхней границы атмосферы и измеряющего энергетический баланс, а также баланс вещества. Не исключено, что и прогноз погоды будет строиться на совершенно новых основах.

Мы видим, таким образом, как одни научные открытия последовательно вытекают из других. Имевшиеся ранее данные об атмосфере помогли созданию искусственных спутников Земли и даже искусственных планет солнечной системы. Спутники же в свою очередь открывают для метеорологии новые возможности исследований, которые позволят получить новые сведения об атмосфере.

Воздух можно взвесить

Пожалуй, не существует такой квартиры, в которой не имелось бы комнатного барометра (анероида). Слегка постучав по стеклу прибора, следят за движением стрелки и определяют, возрастает или падает атмосферное давление.

Атмосферное давление и характер его изменения являются непременной основой прогноза погоды. Барометр измеряет давление столба атмосферы, имеющего основание 1 см^2 и простирающегося от уровня установки барометра до верхней границы атмосферы. Это является для нас привычным. Но потребовался длинный ряд исследований, прежде чем стало понятно, что воздух имеет вес. Вернемся мысленно к тому времени, когда человек впервые заставил природу ответить на вопрос, можно ли рассматривать воздух в качестве некоторого физического тела.

Нашими знаниями о сущности атмосферного давления мы обязаны двум исследователям, которым удалось независимо друг от друга измерить это давление: итальянцу Эванджелиста Торричелли (1608–1647 гг.) и немцу Отто фон Герике (1602–1682 гг.).

Сейчас невозможно сказать, какие причины побудили Герике заняться поисками «пустоты», т. е. созданием сильно разреженного пространства. Своими опытами с воздушным насосом Герике установил, что «существует ничто, т. е. вакуум, из которого исходит какая-то мощная сила». Герике действительно удалось создать пустоту[6].

Однако его противники по-прежнему считали, что пустоты не существует.

Спор этот был разрешен с изобретением барометра. Герике пристроил к стене своего дома высокую трубу, нижний конец которой был погружен в сосуд с водой. Верхний ее конец находился на уровне второго этажа дома. К этому концу трубы Герике присоединил свой насос. После каждого движения поршня вода в трубе поднималась все выше. Следовательно, вместо вакуума в трубе оказался столб воды, который в конце концов поднялся до верхнего конца трубы. Это несколько смутило Герике. Почему не удалось создать вакуум? Может быть, труба была слишком короткой? Тогда Герике надставил трубу так, что длина ее достигла приблизительно 12 м — конец ее находился на уровне третьего этажа. Снова был пущен в ход насос, и опять вода в трубе начала подниматься. Но она достигла лишь некоторого уровня и выше не поднималась, несмотря на энергичную работу насоса. Герике нашел объяснение этому неожиданному явлению. Воду в трубу втягивает не какое-то таинственное вещество, а вес воздуха, который давит на жидкость в нижнем сосуде. Столб воды в трубе поднимается, пока его вес не уравновесит вес столба воздуха. Верхний конец столба воды располагался между третьим и четвертым этажом дома Герике. А над водой в трубе была пустота. Так было доказано, что не природа боится пустоты, а атмосферное давление является причиной того, что все «пустые» пространства заполняются воздухом.

Герике не только объяснил природу атмосферного давления, но также исследовал изменение его во времени. При приближении бури высота водяного столба в его барометре всегда была меньше, чем при хорошей погоде. Известно, что Герике заранее предсказал приближение сильной бури, которая нанесла Магдебургу значительный ущерб. В то время Герике узнал об опытах итальянца Торричелли, который создал вакуум с помощью трубки длиной всего 1 м, наполненной ртутью. Хотя Герике полагал, что его вакуум лучше, так как создан путем откачивания воздуха, все-таки впоследствии стандартным прибором для измерения атмосферного давления стал ртутный барометр Торричелли, в котором достигается гораздо более полный вакуум, чем в приборе Герике.

Заслуга Герике состоит в том, что он изобрел воздушный насос, сумел создать вакуум и впервые измерил атмосферное давление с помощью водяного барометра. Правда, пространство над водой в его барометре не являлось абсолютным вакуумом, оно заполнялось водяным паром. В зависимости от температуры окружающего воздуха давление водяного пара в трубке барометра становилось то больше, то меньше. Следовательно, высота столба воды в трубке не была однозначной мерой атмосферного давления. Кроме того, барометр, трубка которого имела высоту 12 м, был очень неудобен. Высота же ртутного столбика в барометре Торричелли была всего 80 см. Торричелли получил действительно идеальный вакуум, так как переворачивал трубку, запаянную с одного конца и заполненную ртутью, и погружал свободный ее конец в сосуд с ртутью.

На широкой сети современных метеорологических станций для измерения атмосферного давления используются ртутные барометры, действие которых основано на принципе, открытом Торричелли. Существует два типа ртутных барометров: чашечный и сифонный. Наиболее распространенным типом чашечного барометра является стандартный станционный метеорологический барометр[7]. Он состоит из железной чашки[8], трубки Торричелли, приспособления для отсчета и защитной латунной оправы. Когда атмосферное давление возрастает, часть ртути переходит из чашки в трубку и высота ртутного столбика в трубке увеличивается. Когда же давление падает, то часть ртути из трубки снова переливается в чашку. С помощью шкалы и нониуса высоту ртутного столба в трубке можно отсчитать с точностью до 0,1 мм, 0,1 мб, 0,1 торра или 1 н/м^2 в единицах СИ.

Около 100 лет тому назад один из изобретателей спектрального анализа, Р. В. Бунзен, переконструировал трубку Торричелли. Он придал ей U-образный изгиб. Если такую трубку заполнить ртутью, а затем осторожно перевернуть, то ртуть из трубки не выльется. Как и в чашечном барометре, атмосферное давление будет уравновешиваться столбом ртути. Барометр Бунзена, который стал называться сифонным барометром, — очень точный измерительный прибор. Для определения атмосферного давления таким барометром должна быть измерена высота уровня ртути в обоих коленах барометрической трубки. Благодаря этому атмосферное давление может быть определено сифонным барометром с точностью уже не до 0,1 мм ртутного столба, как чашечным, а до 0,01 мм.

Однако высота ртутного столба в барометре не является однозначной мерой атмосферного давления, ибо она зависит еще от двух других физических величин: температуры и ускорения силы тяжести. Поясним это на примере. Если в некотором пункте атмосферное давление в какие-либо два различных момента одинаково, то высота ртутного столбика в барометре может не быть одинаковой, если в эти моменты неодинакова температура ртутного столбика в барометре. С увеличением температуры ртуть расширяется. Поэтому если при сделанных выше предположениях имеет место одинаковое атмосферное давление, то высота ртутного столбика будет больше в тот момент, когда температура выше. Точно так же на показание барометра влияет и сила тяжести. Примем теперь, что в двух пунктах, находящихся на различных широтах (например, на Северном полюсе и на экваторе), имеет место одинаковое атмосферное давление и одинаковая температура в помещении, где расположены барометры. Тогда показание барометра на Северном полюсе будет меньше, чем на экваторе, ибо более значительная сила тяжести имеет место на полюсе: ртуть здесь будет несколько более тяжелой. По международному соглашению в измеренную высоту ртутного столбика принято вводить поправки, которые делают эту высоту такой, какой она была бы при температуре 0° и при силе тяжести на широте 45°.

Показания барометров, исправленные этими поправками, можно сравнивать между собой на какой бы широте, высоте и при какой бы температуре они ни были отсчитаны. Давление ртутного столбика высотой 1 мм при температуре 0°, при такой силе тяжести, какая отмечается на широте 45°, и на уровне моря, в честь Торричелли названо торром. У земной поверхности атмосферное давление составляет в среднем около 760 торр. Это давление называют также физической атмосферой. Существует и другая единица давления — миллибар (мб), причем

760 торр =1013,22 мб,

1 торр = 1,33317 m6≈4∕3 мб,

1 m6≈3∕4 торр.

Каждый знает, что в сводках погоды сообщается атмосферное давление. Однако речь идет не о фактическом весе воздушного столба над пунктом, в котором измерено давление, а о так называемом приведенном давлении. Как это следует понимать?

Паскаль установил, что атмосферное давление убывает с увеличением высоты. Поэтому давление, измеренное, например, в Варнемюнде, Берлине и Веймаре, нельзя сравнивать, ибо перечисленные пункты лежат не на одинаковой высоте над уровнем моря. Если мы пренебрежем сравнительно небольшими колебаниями давления во времени в каждом из этих пунктов, то показание барометра в Варнемюнде всегда будет больше, чем в Берлине или Веймаре. Вследствие меньшей высоты Варнемюнде над уровнем моря столб воздуха над этим пунктом всегда выше, а потому и тяжелее, чем над Берлином. Если отсчитанные показания барометров будут использоваться для прогноза погоды, то может возникнуть ложное впечатление, будто над югом ГДР всегда располагается область пониженного давления, а над севером — область повышенного давления. Поэтому данные об атмосферном давлении можно использовать для прогноза погоды лишь в том случае, если их привести к одинаковой высоте, или к уровню моря, так как в качестве одинаковой высоты избран уровень моря (нормальный нуль).

Это приведение осуществляется довольно просто, так как известно, что в нижнем слое атмосферы увеличению высоты на 8 м соответствует уменьшение давления на 1 мб. Например, если барометр, установленный на высоте 104 м над уровнем моря, показал 1005 мб, то давление, приведенное к уровню моря, будет равняться

Зависимость высоты ртутного столба в барометре и температуры кипения воды от высоты над уровнем моря.

1005 + 104/8 = 1005 + 13 = 1018 мб.

Примерно через 200 лет после изобретения барометра был предложен иной принцип измерения атмосферного давления. Он основан на деформации упругой цилиндрической латунной коробки, из которой выкачан воздух. Такая коробка применяется в широко распространенных комнатных барометрах-анероидах. По имени изобретателя она получила название коробки Види. С изменением давления коробка деформируется, а стрелка, соединенная с коробкой системой рычагов, показывает на шкале величину давления.

К сожалению, укоренился старинный обычай снабжать шкалу давления в таких барометрах надписями: «буря и дождь», «устойчивая погода»[9]. Эти надписи создают впечатление, будто погода зависит только от атмосферного давления, что не соответствует действительности. Гораздо большее значение может иметь наблюдение за тенденцией давления, т. е. за тем, растет ли оно или падает.

Однако и при наличии таких данных еще невозможно точно указать, как будет развиваться погода в дальнейшем. Вполне может случиться, что при непрерывном росте давления будет лить дождь или, несмотря на падение давления, погода будет улучшаться. Атмосферное давление лишь в том случае приобретает основное значение при прогнозировании погоды, если сопоставляются данные, полученные на тысячах метеостанций земного шара. Лишь при сопоставлении выявятся обширные области повышенного и пониженного давления, по перемещению которых можно предсказать бурную или спокойную погоду. Постоянное сравнение значений атмосферного давления в разных пунктах земного шара является одной из основ современных методов предсказания погоды.

На дне воздушного океана

Атмосферу сравнивают с мощной машиной, к которой непрерывно подводится тепло и которая производит механическую работу. Тепловая машина атмосферы питается солнечной энергией, которая пронизывает мировое пространство и достигает нашей планеты. В результате работы этой машины в воздушном океане возникают изменения, которые мы и называем погодой. Когда сверкает молния или ураганы производят свои страшные опустошения, становится особенно очевидным, какой огромный обмен энергией происходит в атмосферной машине. Однако мы все же не всегда отдаем себе отчет в том, что «нагревателем» тепловой машины является земная поверхность. Именно здесь, на дне воздушного океана, энергия солнечных лучей превращается в тепло. Когда под воздействием лучистой энергии Солнца и излучения атмосферы земная поверхность нагревается, говорят о типе инсоляции. Ночью же, а в зимнее время и днем, Земля отдает тепло в мировое пространство в виде длинноволнового излучения. В этом случае говорят о наличии типа излучения[10]. Рассмотрим несколько подробнее явления, происходящие при типе инсоляции.

Инсоляционный тип теплового баланса.

Солнечные лучи приходят на земную поверхность, т. е. на оголенную почву, растительный покров, водную поверхность озер, морей и океанов, на тысячи городских крыш и т. д. Здесь они поглощаются и превращаются в тепло. Одна часть этого тепла проникает в глубь почвы, другая — расходуется на испарение воды с земной поверхности, а третья — на нагревание воздуха. Таким образом, при типе инсоляции земная поверхность действует подобно гигантской горячей плите, нагревающей слой атмосферы над ней. Естественно, что это нагревание оказывается наиболее сильным в непосредственной близости к земной поверхности, так же как и комнатный воздух сильнее нагревается вблизи печи. Следовательно, приземный слой атмосферы принимает наибольшее участие в изменениях температуры вблизи поверхности. Этот слой оказывается связующим звеном между земной поверхностью и всей толщей воздушного океана. Нагревание атмосферы при типе инсоляции происходит вследствие того, что наиболее нагретые порции воздуха отдельными струями покидают приземный слой и поднимаются в более высокие слои атмосферы. Во время подъема эти струи воздуха отдают свое тепло окружающему воздуху. С увеличением высоты их теплоотдача уменьшается.

Ночью же, т. е. при типе излучения, наоборот, от земной поверхности вверх распространяется охлаждение.

Таким образом, при ясной солнечной погоде температура воздуха в течение суток вблизи земной поверхности может изменяться более чем на 20°, тогда как на высоте 300 м, например на Эйфелевой башне, изменение не превышает 2–4°. Приземный слой атмосферы привлекает внимание не только потому, что в нем протекают интересные физические процессы, но также и потому, что различные биологические явления происходят почти исключительно в этом слое. Люди, животные и растения существуют именно в этом нижнем слое атмосферы. Поэтому его иногда называют также биосферой, или сферой жизни.

В солнечные дни, и особенно в безоблачные, нагревание приземного слоя атмосферы бывает значительным. В такие дни мы можем наблюдать чрезвычайно интересные оптические явления. Они возникают, когда друг над другом располагаются два (или более) слоя воздуха с различной температурой и между ними имеет место большой скачок плотности воздуха. Каждому известно явление миража над нагретыми шоссейными дорогами. Предметы, изображения которых возникают на расстоянии 200–500 м, кажутся искаженными до неузнаваемости, так как в неодинаково нагретых слоях атмосферы световые лучи различно преломляются. На дорогах в холмистой местности, где наблюдается наиболее сильный ветер, температурные контрасты между поверхностью дороги и воздухом выражены особенно резко. Дорога или шоссе при этом кажется гладкой как зеркало. В долинах между холмами перегретые слои воздуха толще, чем над холмами. Поэтому в долинах поверхность шоссе или дороги уже не такая гладкая, а деревья и автомобили кажутся погруженными в озеро. Часто наблюдаются курьезные миражи: автомашина без колес или человек в сидячем положении, как бы парящий в воздухе, тогда как лошадь или повозка невидимы.

Нижний мираж (мираж пустыни),XB — холодный воздух, ТВ — теплый воздух, ТП — теплая поверхность.

Подобные явления возможны, когда в атмосфере холодный слой воздуха располагается над нагретым. Мираж, возникающий в этом случае, называют миражом пустыни, или нижним миражом. Особенно часто такой мираж встречается в тропических и субтропических странах, где его называют фата-моргана, или барэль-шайтан (дьявольское озеро). В дневные часы над раскаленными песками горы кажутся перевернутыми вершиной вниз. Травы, растущие на земной поверхности, кажутся пальмами. Облик людей искажается, они превращаются в какие-то диковинные существа. Войска Наполеона встретились с такими миражами в Египте. Во время похода солдаты внезапно увидели, что их со всех сторон окружает вода. Куда бы они ни двигались среди раскаленных песков, ничего, кроме бесконечной водной поверхности, не было видно. Говорят, что солдаты ожидали конца света и были крайне изумлены, когда к вечеру эта мерцающая голубая гладь на их глазах начала расплываться и наконец совсем исчезла.

Верхний (полярный) мираж. ТВ — теплый воздух, XB — холодный воздух, ХП — холодная поверхность.

В тех областях земного шара, где преобладает излучение радиации и теплый воздух чаще располагается над более холодным, также наблюдаются миражи, называемые полярными, или верхними. Они сыграли особую роль в истории открытий Арктики. В 1818 г. английские исследователи Джеймс и Джон Росс вышли в море, чтобы открыть Северо-Западный проход, т. е. северный водный путь из Атлантического океана в Тихий вокруг Америки. Когда они достигли Баффиновой Земли, проход оказался закрытым горами. Дальнейшее продвижение к западу было бессмысленным. Они повернули назад и сообщили, что морского пути между океанами нет. Примерно через 100 лет американский адмирал Р. Пири пошел тем же путем и тоже увидел удивительную горную страну, которую он назвал Землей Крокера. Он хотел продолжать плавание, так как надеялся найти в этих горах залежи железа и золота. Однако льды преградили ему путь. Следующую экспедицию в этот район предпринял Д. Макмиллан. Чем ближе он подходил к этой своеобразной горной стране, тем дальше она от него отступала. Когда льды преградили путь кораблю, Макмиллан продолжил путешествие пешком. С наступлением вечера — он перестал верить своим глазам — горы уходили от него все дальше и дальше, а после захода солнца исчезли совсем. Горы, перед которыми отступили Росс и Пири, представляли собой всего лишь мираж, отражавший далекие горные хребты. Он был вызван воздействием на атмосферу сильно выхоложенных ледяных полей Арктического бассейна.

При всех типах миражей действительные размеры объектов всегда искажаются. Это объясняют непрерывным перемещением струй теплого и холодного воздуха в дневные часы. Ночью же, когда земная поверхность выхолаживается, охлаждение передается прилегающим к ней слоям атмосферы. Однако образование холодного слоя воздуха вблизи поверхности не протекает спокойно. В холмистой местности холодный воздух стекает с возвышенностей в долины, а на смену ему приходит теплый из более высоких слоев атмосферы. Опустившийся теплый воздух возле земной поверхности выхолаживается. Таким образом, не только днем, но и ночью вблизи поверхности движение воздуха способствует изменениям температуры.

В результате возникающих при этом колебаний плотности воздуха изменяется яркость и форма далеких источников света, появляется так называемое мерцание звезд.

Исследование мелких астрономических объектов и фотографирование неба с помощью гигантских телескопов становятся невозможными на дне воздушного океана. Чтобы избежать атмосферных помех, средние и крупные телескопы стали монтировать на высоких каменных или металлических цоколях, так как предполагалось, что на высоте 20–50 м над земной поверхностью помехи будут ослаблены. Однако эти меры принесли мало пользы. Наиболее благоприятным местом для наблюдений за звездами оказались высокие горные вершины. Но даже и там приземный слой атмосферы часто настолько возмущен, что невозможно получить достаточно четкие снимки астрономических объектов. Вот почему обсерватория на горе Китт-пик (штат Аризона, США) будет иметь 100-метровую башню, на верхней площадке которой и будут установлены астрономические приборы.

Формы ландшафтов земной поверхности весьма разнообразны. Чередование суши и моря, влажных джунглей и обширных пустынь способствует неодинаковому нагреванию деятельной поверхности в различных районах земного шара. В ясные дни поверхность песчаной пустыни нагревается до 60°, тогда как колебания температуры поверхности моря на той же широте составляют всего несколько градусов. В метеорологии говорят в таком случае о различном круговороте тепла или о разном тепловом балансе. Степень нагревания земной поверхности зависит прежде всего от того, сколько солнечной энергии расходуется на испарение воды с почвы и растительного покрова. Поверхность участков почвы, с которых происходит испарение, более прохладна. На увлажненных лугах, в лесах и на водоемах солнечная радиация расходуется главным образом на испарение воды. Эти участки земной поверхности по отношению к сухим песчаным участкам суши оказываются своеобразными холодильниками.

Над различными по характеру частями земной поверхности формируются объемы воздуха, обладающие значительными горизонтальными контрастами температуры. Представим себе, например, жнивье, граничащее со свекловичным полем. В жаркие дни на границе этих участков возникающий приземный ветер может иногда очень быстро усилиться до шквалистого. Воздух начнет совершать вихревое восходящее движение. В народе такое явление называют дьявольским ветром, а в метеорологии — мелким тромбом, или смерчем. Особенно сильное впечатление дьявольский ветер производит над сухими каменноугольными пластами. Черная угольная пыль, поднятая в воздух, делает хорошо различимой воронкообразную форму смерча.

Садоводы отмечали, что в некоторых районах застекленные парники и теплицы ежегодно разрушаются такими смерчами. Это объясняли тем, что здесь проходят определенные и постоянно повторяющиеся траектории подобных смерчей. Для образования таких смерчей нагревание поверхности возле теплиц и парников должно быть очень различным. В этом случае действенным может стать только изменение характера подстилающей поверхности, например ее застройка.

Рассмотрим еще одно явление, которое также объясняется влиянием резких контрастов температуры на ограниченных участках местности. Ранней весной в лесу часто можно слышать сильные звуки, напоминающие выстрел. Но кто же стреляет? Оказывается, солнечные лучи, падая на холодные стволы деревьев, сильно нагревают сторону, обращенную к солнцу, тогда как теневая сторона стволов еще сохраняет низкую температуру окружающего воздуха, которая в это время года в глубоких котловинах может быть даже ниже 0°. В коре дерева появляются большие напряжения, в результате которых она разрывается. При этом возникает резкий как выстрел звук.

Когда говорят об активном воздействии человека на погоду, то многие начинают думать, что в сравнительно скором времени можно будет делать погоду по желанию. Однако они обычно забывают, что для этого потребуется такое количество энергии, которым мы еще не располагаем.

Но направление, по которому должно идти искусственное воздействие на погоду или климат, становится очевидным. Речь идет о том, чтобы посредством целесообразных мелиоративных мероприятий преобразовать тепловой баланс разных участков земной поверхности. Мы должны попытаться управлять уже имеющимися запасами энергии. О том, как это сделать, говорится в последних главах книги. Здесь же отметим только, что уже и теперь достигнуты определенные успехи в преобразовании климата почвы и микроклимата. Необходимо, конечно, подчеркнуть, что воздействие на микроклимат ограниченных участков земной поверхности посредством изменения их теплового баланса не оказывает влияния на крупномасштабные погодные процессы, так как они являются результатом энергообмена на всей поверхности земного шара и во всей атмосфере.

В начале этой главы мы говорили об атмосферной тепловой машине и установили, что земная поверхность, являющаяся нижней границей атмосферы, оказывает решающее влияние на процессы, происходящие в воздушном океане. В конечном счете восходящие потоки воздуха переносят энергию от земной поверхности в атмосферу и тем самым принимают участие в изменениях погоды. Высокие слои атмосферы, в которых «делается» погода, мы несколько подробнее рассмотрим в следующей главе.

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 (О_3). 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, Eb Е_2, F_1 и F_2. 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?

Наступление на стратосферу

С середины XVIII в. развитие естественных наук значительно ускорилось. К этому времени были сформулированы, например, физические принципы учения об электричестве. На основе точных измерений была рассчитана сплюснутость земного шара. Смелые мореплаватели проникли на своих кораблях в воды Антарктики. Полным ходом шло исследование твердой и жидкой оболочек нашей планеты. Лишь воздушная ее оболочка еще оставалась недоступной исследователям. Казалось, что мечта человека научиться летать навеки останется несбыточным сном. Станут ли когда-нибудь возможными непосредственные наблюдения за процессами образования дождя и града в облаках? Успех англичанина А. Вильсона, которому удалось в 1749 г. на воздушном змее, совершенно таком же, какие часто запускают дети, поднять термометр на несколько сотен метров и измерить температуру воздуха на этой высоте, вначале казался незначительным, а в действительности же сыграл большую роль в метеорологии. Воздушный змей явился прообразом метеорологического прибора, который еще несколько десятков лет назад использовался в аэрологических обсерваториях мира. Конечно, после первых подъемов воздушных змеев прошло некоторое время, прежде чем этот метод получил широкое распространение. Причиной задержки явилась, в частности, неприспособленность метеорологических приборов к подъему на воздушных змеях и к выполнению измерений в свободной атмосфере.

Однако к этому времени уже были известны законы расширения газов при нагревании и можно было рассчитать их подъем в среде, состоящей из более холодных газов. На основе этих законов братья Монгольфье изготовили в 1783 г. первый «теплый» воздушный шар. В этом воздушном шаре использовалась подъемная сила горячего воздуха. Изобретатели сделали полотняный шар объемом 2837 м^3 и оклеили его снаружи бумагой. Шар имел внизу отверстие. Под ним на земле развели костер; нагретый воздух, попадая внутрь шара, вытеснил из него более холодный воздух. На глазах нескольких тысяч зрителей красиво разукрашенный шар с двумя пассажирами в корзине приобрел достаточную подъемную силу, оторвался от земли и поплыл по воздуху. Вскоре пассажиры благополучно возвратились на землю. Однако наполнение шара теплым воздухом, поднимавшимся от костра, иногда заканчивалось катастрофой. В том же году американец Шарль достиг на изготовленном им шаре, наполненном водородом, высоты 3500 м. В гондоле этого шара находились термометр и барометр.

Однако этот метод исследования нижних слоев атмосферы не мог дать особенно существенных результатов, ибо еще не имелось необходимых измерительных приборов. Воздушный шар, перемещавшийся вместе с воздушным потоком и остававшийся неподвижным по отношению к нему, не вентилировался. Кроме того, еще не подозревали, что приборы необходимо защищать от воздействия солнечной радиации, в результате чего термометры показывали не действительную температуру воздуха, а некоторую сложную величину, которая зависела от температуры воздуха и солнечной энергии, поглощаемой самим термометром. Еще не настало время и для организации специальных обсерваторий, предназначенных для выпуска воздушных шаров, но уже началось создание высокогорных обсерваторий, на которых предполагалось проводить измерения свойств свободной атмосферы. Одна из первых таких обсерваторий была в 1781 г. оборудована в Германии на горе Хохенпрейсенберг. Однако большинство высокогорных обсерваторий было организовано значительно позже. Так, основание обсерватории на Цуг-Шпитце относится к 1900 г., бюро погоды на горе Брокен работает с 1895 г., метеостанция на Фихтельберге появилась лишь во время первой мировой войны, а на Инзельсберге — еще позднее[17].

Метеорологические наблюдения в горах имели много преимуществ перед наблюдениями на равнине. Они обогатили метеорологию сведениями о свойствах высоких слоев атмосферы. Это в первую очередь относится к данным об облаках, отложении различных гидрометеоров (инея, изморози), а также о некоторых электрических явлениях, например о тихих разрядах с острия и др. Однако измерения в горах не характеризуют состояния атмосферы над равнинной местностью. Гора создает собственную горную атмосферу, свойства которой отличны от свойств атмосферы над равниной, так как воздух вынужден при своем движении либо обтекать горный массив, либо переваливать через него. При этом возникают метеорологические явления, характерные именно для физического состояния атмосферы над горной местностью, а не над равниной.

Во второй половине прошлого века во всех крупных европейских государствах было создано много метеорологических станций. После Первого международного метеорологического конгресса, состоявшегося в 1873 г. в Вене, началось создание международной сети служб погоды, которая должна была охватить весь земной шар. Если в 1790 г. существовало лишь 38 метеостанций, то через 100 лет их число удвоилось. Новые станции организовывались прежде всего в прибалтийских странах и в Англии. Лишь к 1920 г. возникли первые метеорологические станции в Испании, на Балканах, в Турции и в Северной Африке. Создание станций было особенно необходимо для обеспечения безопасности самолетовождения, зависящей от точной и обширной информации о состоянии погоды. В настоящее время в Европе достигнуто довольно равномерное пространственное распределение метеорологических станций. Наиболее густую их сеть имеет Швейцария, где на каждых 10 000 км^2 территории находится 16 метеостанций. В Дании на ту же единицу площади приходится 11 станций, в Бельгии — 6, в обоих германских государствах — по 5, в СССР — 2, в США и в Финляндии — лишь по 1 станции.

Организация же аэрологических станций для выпуска воздушных змеев и шаров-зондов началась примерно 60 лет тому назад. В частности, в Германии в 1903 г. была организована станция подъема воздушних змеев Грос-Борстель, принадлежавшая Морской метеорологической службе в Гамбурге, и аэрологическая обсерватория в Линденберге под Берлином. Во Франции такая же обсерватория открылась в Трапе. Все эти станции со временем получили мировую известность. В геофизических обсерваториях началась настоящая погоня за открытиями в высоких слоях атмосферы. К этому времени были разработаны приборы, необходимые для проведения измерений в высоких слоях.

1780–1790

20 XII 1880

20 I 1925

10 IX 1951

Развитие сети метеорологических станций.

Исследователи высоких слоев могли использовать два многообещающих метода наступления на свободную атмосферу: метод привязных аэростатов (или шаров-зондов) и метод свободных летательных средств. В основу первого метода был положен метод воздушного змея Вильсона, а в основу второго — метод шара-зонда Шарля. К змеям или шарам привязывались самопишущие метеорологические приборы. Змеи поднимались в воздух на стальном тросе диаметром 0,5–0,8 мм. Если ветер был не слишком сильный и не препятствовал запускам, то уже через несколько часов после подъема органы службы погоды могли иметь в своем распоряжении результаты измерений.

В Фридрихсхафене, на Боденском озере, выпуск привязных приборов осуществлялся даже с борта корабля. Корабль должен был быстро двигаться в том же направлении, в каком дул ветер, чтобы скомпенсировать возмущающее действие последнего. Подъемы привязных приборов ограничивались определенной высотой. Средняя из максимальных высот таких подъемов составляла около 5 км. Использование нескольких воздушных змеев на одном тросе, т. е. целой «упряжки» змеев, позволяло достичь высоты 7 км. Существовали даже змеи с гондолой в форме корзины, предназначенной для подъема не только самопишущих метеорологических приборов, но и человека. Однако иногда случались и неприятности: при сильном ветре трос обрывался и его волокло по земле. Это было опасно для населения и могло повредить различные наземные коммуникации, сеть которых становилась все более густой.

Отрицательные стороны метода подъема привязных приборов способствовали развитию метода свободных полетов. Температуру и влажность воздуха, а также другие метеорологические элементы начинают измерять в свободной атмосфере с помощью шаров-зондов, которые свободно поднимались в воздух, а затем где-либо опускались на земную поверхность.

Тейсеран де Бор, основатель обсерватории в Трапе под Парижем, создал в 1892 г. жесткие, т. е. нерастя-гивающиеся кожаные воздушные шары объемом около 4 м^3. Они наполнялись газом и поднимались на большие высоты. Так как атмосферное давление уменьшается с высотой, то по мере подъема таких шаров уменьшалась и их подъемная сила. В результате этого шар, достигнув высшей точки своего подъема, начинал медленно опускаться на землю.

На основании своих исследований Тейсеран де Бор сделал важное открытие. Его шары, объем которых составлял 50 м^3, достигали высоты 14 км. При подъеме шара температура воздуха сначала в соответствии с известными данными убывала до низких значений, например до —80°, но затем она уже не изменялась или даже начинала несколько повышаться с высотой.

Примерно в то же время Р. Ассман, основатель «Германского союза содействия прогрессу авиации», запустил в свободную атмосферу шесть растягивающихся резиновых шаров с самописцами. Записи подтвердили, что примерно с 12 км температура воздуха растет с высотой.

Хотя точность приборов была еще весьма сомнительной, согласование результатов наблюдений в свободной атмосфере не могло быть простой случайностью. Здесь явно имелось некоторое вполне закономерное явление общепланетарного масштаба. Тейсеран де Бор и Р. Ассман сделали открытие, имевшее важнейшее значение для аэрологии, т. е. для науки о свободной атмосфере. Они открыли новый «этаж» атмосферы, начинающийся приблизительно с 10 км, и дали ему название «стратосфера». Переходный слой, отделяющий стратосферу от тропосферы, был назван тропопаузой.

После открытия стратосферы началось систематическое ее изучение. В начале XX в. было произведено несколько подъемов шаров-зондов над Средиземным морем, Атлантическим и Северным Ледовитым океанами. После того как резиновые шары-зонды лопались, прикрепленные к ним самопишущие метеорологические приборы на парашютах спускались на земную поверхность. В большинстве случаев их находили и возвращали туда, откуда они были запущены. При подъемах над морем трудно было проследить за падением приборов и поднять их на борт корабля. Для запуска над морем был предложен способ тандем, заключающийся в том, что приборы прикреплялись одновременно к двум шарам. Когда один из шаров лопался, второй уже не мог поднимать приборы выше или удерживать их в равновесии и они падали вниз вместе с шаром. Падение шара прослеживалось лучше, чем падение парашюта. Кроме того, в случае падения приборов в воду шар не тонул вместе с ними, а в виде буйка удерживался над водой, что облегчало поиски приборов.

Способ тандем для исследования атмосферы.

Еще до открытия радио были сконструированы метеорологические приборы, которые при подъеме привязного воздушного змея или шара-зонда на тросе передавали по этому тросу, как по проводу, на наземную станцию электрические сигналы, характеризовавшие изменения температуры и влажности воздуха с высотой. Это позволяло (с 1917 г.) обрабатывать результаты измерений еще до того, как змей с самописцем возвращался на землю. С 1918 г. начались исследования в области беспроволочной передачи результатов метеорологических измерений из свободной атмосферы на землю.

Однако лишь после изобретения коротковолнового радиопередатчика стал возможным прием радиосигналов из стратосферы. Благодаря этому в 1930 г. удалось впервые запустить в стратосферу радиозонды. К комплексу радиозондировочной аппаратуры относятся: наземная радиоприемная станция, шар и радиозонд. Последний состоит из трех основных частей: а) измерительного прибора с датчиками атмосферного давления, температуры и влажности воздуха; б) устройства, преобразующего показания датчиков в электрические сигналы; в) передатчика с батареями и антенной. Датчиком атмосферного давления является анероидная коробка. Датчиком температуры воздуха служит изогнутая биметаллическая пластинка, а датчиком влажности — обезжиренный человеческий волос.

Существует до 10 типов радиозондов, отличающихся друг от друга устройством датчиков и способом преобразования их показаний в электрические сигналы.

Исследование атмосферы с помощью радиозонда.

Простым, но весьма надежным в работе является радиозонд Молчанова. Он имеет обычные датчики: анероидную коробку, биметаллическую пластинку и волос. Стрелки скользят вдоль валика, имеющего бороздки. В этих бороздах находятся контакты. Когда измеряемая величина изменяется, стрелка последовательно касается соответствующих контактов. При каждом касании того или иного контакта цепь замыкается и излучается определенный сигнал. Эти сигналы образуют ту или иную букву азбуки Морзе. Каждая буква соответствует одному определенному значению измеряемой величины.

Наряду с механическим зондом существуют также электрические и полуэлектрические радиозонды. Одна из новых конструкций электрического радиозонда разработана в Линденбергской аэрологической обсерватории Гидрометслужбы ГДР. Давление, температура и влажность воздуха определяются по изменению сопротивления полупроводников, включенных в колебательные контуры радиопередатчика. С изменением температуры воздуха меняется сопротивление соответствующего полупроводника и, следовательно, частота излучения передатчика. По трем каналам радиосигналы, отвечающие значениям различных метеорологических элементов, непрерывно передаются на наземную приемную станцию.

Передатчики радиозондов имеют радиус действия 200 км и мощность 0,05 вт. Питание подается от сухой батареи карманного фонарика. Антенна передатчика состоит из диполя; длина последнего зависит от длины излучаемой волны и может составлять от нескольких сантиметров до нескольких метров.

Шар, на котором поднимается радиозонд, изготовляется из резины и имеет вес около 700 г. Когда он наполнен водородом, диаметр его у поверхности земли равен 1,8 м. При весе самого радиозонда 500 г шар испытывает подъемную силу, заставляющую его подниматься со скоростью 5 м/сек. Лопается шар на высоте в среднем 20 км. Для исследования более высоких слоев атмосферы применяют уже не резиновые шары, а оболочки из пластиков. Вертикальная скорость таких оболочек непостоянна. Они хорошо противостоят разрушающему химическому действию озона, количество которого в атмосфере сильно возрастает начиная с высоты 20 км. Поэтому оболочки из пластиков могут подниматься до 40–50 км. Во время подъема радиозонда передаваемые им радиосигналы переводятся в значения метеорологических элементов и сообщаются оперативным органам службы погоды. Пока радиозонд не скроется из поля зрения, за ним следят в теодолит и определяют его высоту и азимут в разные моменты времени. Это позволяет установить направление и скорость ветра на разных высотах.

Водяной барометр Герике. На переднем плане (слева) — верхний конец барометрической трубки. На заднем плане (справа) — общий вид.

Грозовое облако с наковальней (Cumulonimbus incus), расположенное между наблюдателем и солнцем. Лучи солнца так сильно ослабляются, что нижняя часть облака становится черной, тогда как пелена, окутывающая его вершину, остается ослепительно белой.

Плоские кучевые облака (Cumulus humilis) в гребне повышенного давления. Такие облака лежат сплошным слоем под нижней границей инверсии.

Перистые хребтовидные облака — одна из форм ледяных облаков.

Метеорологическая станция на горе Фихтельберг во время сильного отложения зернистой изморози.

Действие песка, непрерывно переносимого западным ветром в районе оз. Хидден.

Цветы яблони во время искусственного дождевания в период заморозка.

Барашкообразные облака (Altocumulus translucidus) — одна из форм переохлажденных водяных облаков.

Сеть аэрологических станций существует в СССР с 1934 г., в Германии с 1938 г. В северном полушарии в настоящее время работает более 250 таких станций. На каждой из них ежедневно производятся два выпуска радиозондов[18]. Результаты радиозондирования используются в практической работе службы погоды и являются исходным материалом для изучения физических процессов в стратосфере. С этой же целью в стратосферу поднимаются специальные озонозонды, измеряющие содержание озона в воздухе, а также актинометрические радиозонды, предназначенные для изучения зависимости баланса лучистой энергии от характера воздушной массы и от типа погоды.

Важные сведения о тропосфере могут быть получены с помощью самолетов и аэростатов. Однако наступление на стратосферу с помощью самолетов встречается с трудностями. Одна из них заключается в уменьшении подъемной силы самолета с увеличением высоты. Другой трудностью является увеличение физической перегрузки экипажа самолета. Поэтому еще больше следует оценить подвиги исследователей, совершавших на свободных воздушных шарах подъем на такие высоты, которые долгое время оставались недоступными для самолетов. Соревнование в исследовании стратосферы было начато Пикаром. В 1932 г. он поднялся на стратостате на высоту 16 940 м. Но и этот рекорд уже давно побит[19]. В 1957 г. американец Киттингер в штате Миннесота (США) поднялся на 29 600 м. Само собой разумеется, что на такие высоты исследователи стратосферы поднимались только в специальных жестких герметических гондолах. Иначе на высоте 22 км кровь в организме человека уже начинала бы кипеть!

С помощью аэростатов удалось получить ценнейшие сведения о вертикальном распределении температуры и влажности воздуха в средней тропосфере над полярными областями земного шара. Преимущества измерений на аэростате по сравнению с самолетным зондированием заключаются в том, что на аэростате можно летать с какой угодно малой скоростью и производить весьма тщательные измерения температуры и влажности воздуха в любом месте. К сожалению, воздухоплавание на дирижаблях в Европе прекратилось после того, как дирижабль «Гинденбург» в мае 1937 г. сгорел во время приземления в Лейкхерсте (США).

В течение долгого времени о средней и верхней стратосфере было меньше сведений, чем о третьем «этаже» атмосферы, т. е. об ионосфере, которую можно было исследовать лишь косвенно, с помощью радиоволн. Однако слой атмосферы, лежащий между 30 и 80 км, оставался неисследованным. Изучить его стало возможно лишь несколько лет тому назад, когда в качестве носителя метеорологических приборов начали применять ракеты.

Научные основы ракетной техники заложил русский ученый Циолковский. Первую ракету с жидкостным двигателем запустил в 1926 г. Годдард (США). В 1942 г. в Пеенемюнде ракетным агрегатом А-4 была достигнута рекордная высота подъема — 85 км. Однако вскоре агрегат А-4 начал использоваться фашистской армией в качестве носителя взрывчатых веществ. Во время войны он применялся под названием ракеты «Фау-2».

С 1950 г. в метеорологии используются ракеты-радиозонды, работающие по принципу шара-зонда. В высшей точке подъема ракеты прибор выбрасывается из ее головной части и на парашюте опускается на землю. Такие ракеты — радиозонды — применяются главным образом для исследования атмосферных вихрей.

В настоящее время метеорологические ракеты для исследования стратосферы регулярно, запускаются и на Крайнем Севере Советского Союза, и в Арктике. В США имеется сеть пунктов ракетного зондирования атмосферы. Метеорологические ракеты достигают высоты 60 км[20].

Наряду с ракетами, ежедневно запускаемыми для получения сведений, необходимых для текущей работы службы погоды, существуют и специальные ракеты, предназначенные для изучения стратосферы. На таких ракетах все метеорологические элементы измеряются электрическими методами. Используются почти безынерционные датчики температуры, позволяющие, несмотря на большую скорость полета ракеты, обнаружить детали температурного поля стратосферы.

Чтобы ракета могла преодолеть наиболее плотные нижние слои атмосферы, большая часть ее объема должна быть заполнена горючим. Поэтому при запуске ракеты с земной поверхности вес ее полезного груза, т. е. приборов, может составлять лишь несколько процентов общего веса всей ракеты. Для преодоления этого затруднения с недавнего времени начали использовать так называемую систему «Роккун». Она состоит из большого воздушного шара и ракеты. Шар поднимает ракету на высоту до 25 км, т. е. проводит ее через наиболее плотные слои атмосферы. На этой высоте запускается ракета, работающая на твердом топливе. Здесь она встречает совсем незначительное сопротивление воздуха. При общем весе ракеты 80 кг полезный груз теперь может составлять 15 кг. В течение нескольких минут ракета достигает вершины своей траектории, т. е. высоты 80 км. Измеренные величины с помощью телеметрической системы передаются на Землю. По окончании измерений специальное устройство катапультирует капсулу с приборами и она на парашюте опускается на земную поверхность.

Существуют метеорологические ракеты, которые проходят через всю стратосферу, производят измерения в нижних слоях ионосферы и берут пробы воздуха для детального анализа уже в лабораторных условиях. Однако такие ракеты, а особенно их стартовые устройства, пока еще очень дороги и потому используются сравнительно редко.

Каковы же результаты ракетных измерений?

Окончательно подтвердилось, что уменьшение температуры воздуха с высотой, составляющее в среднем 0,65° на 100 м, прекращается над тропическими широтами с 16 км, а над полярными районами с 8 км. Выше, над тропопаузой, начинается стратосфера, в которой температура воздуха сначала почти постоянна, а затем начинает возрастать. При очень низких температурах (—70°) в воздухе содержится настолько ничтожное количество водяного пара, что облака уже не могут образоваться. Как говорилось выше, о возрастании температуры воздуха с высотой в стратосфере можно судить по наличию нескольких зон слышимости при сильных взрывах. Это косвенное заключение было полностью подтверждено многочисленными подъемами в стратосферу.

Стали известны и причины, вызывающие рост температуры воздуха в слое от 20 до 70 км. Этот рост обусловлен действием находящегося в стратосфере озона, масса которого составляет лишь 1/3 000 000 массы всей атмосферы. Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца молекулы кислорода расщепляются на два атома. Атомы присоединяются к еще не успевшим расщепиться кислородным молекулам, и появляются трехатомные молекулы озона. Озон — химически очень активный газ. Процессы образования и разрушения озона находятся в равновесии. Поглощение ультрафиолетовой радиации озоном приводит к его нагреванию и к повышению температуры в средней и верхней стратосфере. Максимальная концентрация озона наблюдается на высоте 25 км, тогда как зона наибольшего нагрева воздуха лежит на высоте 60 км. Такой разрыв в высотах объясняется тем, что почти вся ультрафиолетовая часть солнечной радиации поглощается вблизи верхней границы озонного слоя, где плотность озона еще сравнительно мала. Причина заключается в том, что интенсивность поглощения ультрафиолетовой радиации в слое озона соответствует интенсивности поглощения видимого света железной пластинкой, имеющей толщину 1 мм.

Интенсивность видимого излучения Солнца не испытывает существенного изменения во время вспышек на Солнце, тогда как ультрафиолетовая радиация при этом заметно возрастает. Вследствие этого содержание озона тоже увеличивается, а температура воздуха в стратосфере повышается. Измерения в период МГГ подтвердили, что стратосфера во время вспышек на Солнце сильно нагревается. Это нагревание может усилить образование областей повышенного давления в тропосфере.

Коротковолновые участки спектра солнечной радиации озон поглощает полностью, т. е. совершенно не пропускает излучение этих длин волн к земной поверхности. Это свойство озона делает возможным существование органической жизни на Земле, ибо наиболее коротковолновая часть солнечного излучения губительна для клеток живой материи. Таким образом, атмосфера является естественным щитом, ограждающим живые организмы от этого смертоносного излучения. Покидая поверхность Земли или высаживаясь из космических кораблей на поверхность других небесных тел, человек должен учесть, что на них озонный щит отсутствует, и заранее позаботиться о защите как от ультрафиолетовой радиации и космических лучей, так и от ударов метеоритов. Такую защиту нужно предусмотреть также при проектировании космических кораблей с человеком на борту.

Вблизи земной поверхности озон входит в состав воздуха, однако количество его здесь незначительно. К земной поверхности озон доставляется главным образом в результате перемешивания воздуха тропосферы с воздухом стратосферы. Измерения концентрации озона в тропосфере и в нижней стратосфере дали представление о механизме циркуляции в воздушном океане. Нагрев земной поверхности и стратосферы зависит от угла падения солнечных лучей. Вследствие очень большого контраста температуры воздуха в стратосфере между полярными районами и более низкими широтами здесь возникают ураганные ветры скоростью до 400 км/час.

Атмосфера защищает живые организмы на земной поверхности от смертоносного излучения и частиц, приходящих из космического пространства. Излучение: 1 — первичное, 2 — вторичное, 3 — ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, 4 — метеоры

В зависимости от положения Солнца участки на земной поверхности, нагреваемые солнечными лучами, смещаются; вслед за смещением этих участков изменяют направление и скорость и сильные ветры. Система этих ветров получила название стратосферной пассатной циркуляции.

Когда в северном полушарии лето, солнце над Северным полюсом не заходит. Длительное облучение солнечной радиацией может очень сильно нагреть озонный слой, при этом возникнет перепад температуры в горизонтальном направлении. Этот перепад называют в метеорологии горизонтальным градиентом температуры. Под его влиянием над районами Арктики в стратосфере образуется обширная область повышенного атмосферного давления, в которой воздух вращается по часовой стрелке со скоростью 200–300 км/час. Наиболее отчетливо эта область повышенного давления выявляется на высоте 50 км.

Зимой, в период полярной ночи, слой озона над Арктикой нагревается очень слабо. В это время года наибольшее количество солнечной радиации в северном полушарии поступает в тропические широты. Нагревание слоя озона в тропических областях происходит интенсивнее, чем в Арктике. Направление горизонтального градиента температуры в стратосфере становится противоположным летнему. Возникает область пониженного давления, охватывающая всю Арктику. Развивается система ветров, дующих с запада на восток со скоростью 300–400 км/час.

Зона наиболее высоких температур лежит в стратосфере в слое между 40 и 60 км. Наивысшая из измеренных здесь температур составила 60o[21]. С высотой температура воздуха снова понижается и достигает —50 и даже —80°. Здесь расположена верхняя граница стратосферы.

В дневные часы солнечные лучи ионизируют значительную часть молекул атмосферных газов. Это значит, что из оболочек атомов этих газов вырываются отдельные электроны. Газы, ранее электрически нейтральные, приобретают электрический заряд и сообщают определенную электропроводность тем слоям атмосферы, в которых они находятся. Таким образом, на верхней границе стратосферы воздух перестает быть изолятором. В электрическом поле на этой высоте возбуждается электрический ток. Однако как только солнечные лучи перестают освещать слои атмосферы на высоте 60–80 км, их электропроводность тотчас же уменьшается и свободные электроны вновь соединяются с положительно заряженными молекулами. Этот процесс воссоединения свободных электронов с положительными ионами называется рекомбинацией.

Слой D, который большей частью располагается на высоте 80 км, является зоной наибольшей концентрации ионов. Он обусловливает поглощение ионосферой коротких радиоволн. Поскольку ночью слой D исчезает, то радиосвязь на коротких волнах осуществляется в это время суток лучше, чем днем.

На орбитах спутников

Покинем теперь два нижних «этажа» стратосферы, которые еще недавно считались основными регуляторами погодообразующих процессов. Над стратосферой расположены три верхних «этажа» атмосферы, т. е. мезосфера, термосфера и экзосфера. Какое влияние оказывают эти слои на погоду, на характеристики разных сезонов года, а может быть, даже и на изменение климата, пока еще неизвестно. Однако несомненно, что изучение этих слоев имеет большое значение для правильного понимания основных вопросов метеорологии. Важнейшая особенность мезосферы и термосферы состоит в том, что молекулы атмосферных газов в этих слоях ионизированы. Поэтому эти слои часто называют также ионосферой. Тесная связь между земными процессами и космическими явлениями ни в чем не проявляется так отчетливо, как во взаимодействии между солнечной активностью, состоянием ионосферы и земным магнетизмом. Поэтому неудивительно, что на протяжении многих десятилетий ионосфера является предметом исследований геофизиков, специалистов по земному магнетизму и метеорологов.

Ионосфера простирается примерно с 80 до 500 км. В отличие от слоя D, лежащего в мезосфере, зоны максимальной ионизации, называемые слоями E_1 и Е_2, а также F_1 и F_2, ионизированы постоянно, даже ночью, когда прекращается поступление в ионосферу коротковолновой солнечной радиации. Электропроводность слоев Е и F довольно значительна. В ионосфере было бы невозможно проложить высоковольтные линии электропередачи: ток шел бы не по проводам, а растекался бы по всему пространству.

Схема расположения слоев с максимальной концентрацией ионов на дневной и ночной сторонах Земли: А, Б — передатчики.

Электропроводные слои ионосферы имеют очень большое значение для радиосвязи — они отражают короткие радиоволны. Тем самым они способствуют межконтинентальному распространению таких радиоволн. Однако характер отражения радиоволн ионосферой изменяется во времени, ибо степень ионизации высоких слоев атмосферы тоже меняется. Первой причиной изменения степени ионизации является непрерывное изменение высоты солнца над горизонтом и, следовательно, угла падения солнечных лучей на слои ионосферы. Второй причиной является непрерывно колеблющийся состав солнечной радиации, поступающей в атмосферу. Колебания степени ионизации создают весьма неблагоприятные условия для распространения коротких радиоволн и тем самым препятствуют нормальной коротковолновой радиосвязи. Но зато благодаря этим же колебаниям короткие радиоволны оказываются мощным средством исследования изменения высоты и перемещения слоев Е и F, концентрации ионов в них, а также солнечной активности.

Наряду с нормальной ионизацией ионосферы существует аномальная ионизация, которая возникает главным образом при повышенной солнечной активности, т. е. в тех случаях, когда Солнце излучает большое количество коротковолновой радиации и материальных частиц, называемых корпускулами. Волновое и корпускулярное излучение может настолько сильно изменить нормальное состояние ионосферы, что, вместо того чтобы отражать, она начинает почти полностью поглощать короткие радиоволны, посылаемые с земной поверхности. В таких случаях межконтинентальная коротковолновая радиосвязь полностью прекращается.

Ионизация верхних слоев атмосферы служит причиной еще одного метеорологического явления. Отрыв электронов из оболочек атомов связан с некоторой затратой энергии. Когда после захода солнца свободные электроны рекомбинируют, энергия, затраченная на ионизацию, снова высвобождается, в результате чего наблюдается слабое свечение, которое, конечно, не может быть воспринято человеческим глазом. Это явление называют ночным свечением неба. В период МГГ это явление исследовалось на трех специальных станциях с помощью особо чувствительных электрических фотометров.

К числу часто наблюдаемых явлений, происходящих в высоких слоях атмосферы, относятся и хорошо известные полярные сияния. Так называется оптическое явление в ионосфере, особенно часто наблюдающееся в полярных широтах земного шара и видимое в ночное время невооруженным глазом. Из 100 полярных сияний, наблюдаемых на Северном полюсе, в центральных районах Скандинавского полуострова видны лишь 40, в Дании — 4, а в южных районах ГДР и ФРГ — всего одно.

В отличие от ионизации верхних слоев атмосферы, полярные сияния возникают под действием не ультрафиолетовой части солнечной радиации, а материальных частиц — электронов, ионов и осколков атомов различных химических элементов. Все эти частицы выбрасываются Солнцем, через 36 часов улавливаются магнитным полем Земли и вдоль силовых линий направляются к ее магнитным полюсам. Входя в земную атмосферу, эти частицы возбуждают атомы азота и кислорода, что и приводит к свечению, называемому полярным сиянием.

Цвета, встречающиеся в полярном сиянии, свидетельствуют о наличии на различных высотах определенных газов. Еще 80 лет тому назад наблюдения за полярными сияниями использовались для косвенного суждения о составе атмосферного воздуха на высоте 500 км.

Кроме того, ионосфера отличается еще высоким содержанием космической пыли. Эта пыль состоит из мельчайших частиц, которые захватываются из космического пространства гравитационным полем Земли. Они вторгаются в атмосферу с колоссальными скоростями, от 10 до 70 км/сек. Масса космической (метеоритной) пыли, поступающая в атмосферу Земли, оценивается в 10 000 000 т в год. На высоте примерно 120 км полет частиц космической пыли сильно тормозится и в результате возникает слой, обогащенный этими частицами. Из этого слоя пылинки сравнительно медленно оседают в более низкие слои атмосферы, а затем выпадают на земную поверхность. Содержание космической пыли в атмосфере становится особенно значительным, когда Земля, двигаясь вокруг Солнца, пересекает или задевает скопления метеоритной пыли, называемые также метеоритными роями. Скопления метеоритной пыли в атмосфере, освещаемые солнечными лучами, в ночное время иногда видны в виде слабо светящихся пятен, получивших название серебристых облаков[22].

Какие же газы входят в состав атмосферы на высоте, скажем, 200 км? Имеется ли в высоких ее слоях атомарный азот? Точные ответы на эти и многие другие вопросы впервые удалось получить с помощью метеорологических ракет и искусственных спутников Земли.

На протяжении многих лет в Геофизическом исследовательском бюро США велась работа по проекту «Светлячок». В приборную головку американской исследовательской ракеты «Аэроби» помещались различные газы, которые выбрасывались в атмосферу на высотах от 100 до 200 км. Высокие слои атмосферы были превращены в гигантскую лабораторию, причем во многих пунктах на земной поверхности велись наблюдения за яркостью и движением этих искусственных газовых облаков. В первом опыте на высоте 100–120 км был выброшен атомарный натрий. Кадры, полученные при ускоренной киносъемке натриевого облака, дали интересные сведения о характере ветра на высотах. Светящийся газовый след под влиянием ураганного ветра, господствовавшего на высоте 100 км, непрерывно менял свою форму.

В других опытах, наблюдая оптические явления, сопровождавшие выброшенное в атмосферу облако окиси азота, определили концентрацию атомарного кислорода. Оказалось, что на высоте примерно 100 км происходят реакции между атмосферным кислородом и этиленом, введенным сюда с помощью ракеты.

Возник вопрос: происходят ли химические реакции на этих высотах лишь между составными частями воздуха и искусственно вводимыми газами или же имеют место также и другие физические процессы?

Ответ на этот вопрос дал эксперимент, в ходе которого в атмосферу в ночные часы были введены некоторые инертные газы. Как известно, такие газы не вступают в химические реакции с другими элементами. Введение инертных газов не сопровождалось оптическими явлениями. Так было доказано, что в предшествующих опытах действительно имели место химические реакции. Таким образом, удалось получить первое прямое указание на наличие в высоких слоях атмосферы не только атомарного кислорода, но и атомарного азота.

Проблемы химии высоких слоев атмосферы гораздо сложнее и труднее проблем химии тропосферы. Газы ионосферы невозможно попросту уловить в какой-либо контейнер и доставить на земную поверхность для лабораторного анализа. Химически активные газы (кислород, окись азота и др.), будучи заключены в контейнер, немедленно рекомбинировали бы. Если они не подвергаются действию естественной ультрафиолетовой радиации, то их химические свойства совершенно изменяются. Улавливание химически пассивных газов в высоких слоях атмосферы должно быть проведено очень чисто. Дело в том, что на высоте 150 км воздух сильно разрежен. Если контейнер не будет заранее тщательно очищен от газов, то пробы воздуха, забранные во время опускания контейнера на парашюте, будут испорчены остаточными (паразитными) газами, содержащимися в его металлических стенках. Следует учитывать, что в нормальных условиях в 1 см^3 воздуха содержится 27 триллионов молекул, а на высоте 150 км — только 13 миллионов. Поэтому на больших высотах молекулы имеют сравнительно «много места», и, следовательно, значительно возрастает длина их свободного пробега. Это значит, что в промежутках между столкновениями с другими молекулами они могут проходить сравнительно большие расстояния и развивать большие скорости.

Однако верхняя граница земной атмосферы располагается не в ионосфере, а выше. С 400 км начинается четвертый «этаж» атмосферы, называемый экзосферой, которая медленно переходит в межпланетную плазму.

На этих высотах лежат орбиты искусственных спутников Земли. Успешный запуск первого спутника 4 октября 1957 г. стал подлинно всемирной сенсацией. На высоте полета спутников атмосферные газы уже очень сильно разрежены и все же они изменяют орбиты спутников. Вследствие трения спутники постепенно теряют скорость и в конце концов сгорают. Новейшие расчеты, выполненные на основании наблюдений над изменением орбит спутников, показали, что плотность воздуха на высоте 1000 км по меньшей мере вдвое больше, чем предполагалось раньше. Кроме того, было обнаружено, что время обращения спутников испытывает периодические колебания, что свидетельствует о кратковременных изменениях плотности воздуха на рассматриваемых высотах.

Невозможно точно указать, какова температура воздуха в экзосфере. Дело в том, что обычное для физики понятие о температуре среды здесь теряет свой смысл. Под температурой среды в физике понимают кинетическую энергию движения молекул этой среды. Чем больше эта энергия, тем теплее среда. Кинетическая энергия газовых молекул, находящихся на уровне орбит спутников, соответствует температуре около 10 000°! Можно было бы думать, что в среде с такой температурой искусственный спутник немедленно расплавится. Однако такое предположение оказалось бы ошибочным, так как на этих высотах обычное понятие «температура» уже неприменимо. Хотя кинетическая энергия молекул действительно соответствует температуре 10 000°, однако самих молекул атмосферных газов, ионов и свободных электронов здесь настолько мало, что они не могут оказать такое же влияние, какое эта колоссальная температура оказала бы вблизи земной поверхности.

Поскольку спутники летят вблизи верхней границы земной атмосферы, то с их помощью впервые удалось измерить потоки энергии, приходящие к Земле из космического пространства. До настоящего времени мы могли наблюдать Вселенную только через узкое «окно» в спектре электромагнитных волн, излучаемых Солнцем и другими небесными телами. Радиацией, проникающей к нам через это «окно», является видимый свет, а также радиоизлучение светил. Все остальные участки спектра лучистой энергии поглощаются атмосферой. Это полезно и вредно для человека. Полезно — так как озонный слой стратосферы, т. е. озоносфера, поглощает смертоносную ультрафиолетовую часть солнечной радиации. Вредно — так как углекислый газ и водяной пар, содержащиеся в атмосфере, поглощают еще и длинноволновую часть солнечной радиации, т. е. инфракрасные лучи, производящие отепляющее действие.

Лишь через два атмосферных «окна» лучистая энергия проникает из мирового пространства к земной поверхности. Рт — рентгеновские лучи, Уф — ультрафиолетовые лучи, Ик — инфракрасные лучи, Т — тепловое излучение.

Нередко бывает так, что неизвестные еще явления природы обнаруживаются по возмущениям, которые они вносят в показания приборов. Так случилось, в частности, с открытием радиационных поясов Земли, т. е. удерживающегося вокруг нее ореола заряженных частиц. Американские исследователи обратили внимание на то, что сигналы некоторых искусственных спутников Земли, оснащенных счетчиками ионизации Гейгера — Мюллера, в определенные моменты как бы поглощались атмосферой и переставали поступать на Землю. Приборы спутников были испытаны в лабораторных условиях. Удалось установить, что потерю слышимости сигналов спутника наземными станциями можно объяснить только наличием вокруг Земли некоторой зоны с аномально высокой интенсивностью лучистой энергии. Подтверждение этого открытия было получено с помощью третьего советского искусственного спутника. Он был оснащен специальным сцинтилляционным счетчиком, который обнаружил потоки радиации интенсивностью, более чем в 100 раз превышающей интенсивность потока космических лучей на тех же высотах. Измерения позволили обнаружить зоны сильного рентгеновского излучения, находящиеся на расстоянии 0,5 и 3,5 земных радиусов над поверхностью Земли. Это излучение убивало бы все живые организмы, если бы они находились более или менее длительно без специальной радиационной защиты. Интенсивность радиации составляет здесь 100 рентгенов в час. Напомним, что на поверхности земли человек за 30 лет получает в форме естественной радиоактивности лишь около 10 рентгенов.

На основании приведенного описания явлений, происходящих в высоких слоях атмосферы, может сложиться впечатление, будто сама по себе погода сравнительно слабо связана со свойствами различных «этажей» атмосферы. Конечно, сугубо аналитическое рассмотрение воздушной оболочки Земли и изолированный анализ лишь того или иного из происходящих в ней явлений не могут дать полного представления о погодообразующих процессах в целом. Процессы, развивающиеся в воздушном океане, могут быть поняты только как результат взаимодействия многочисленных и разнообразных сил. Для успешного прогнозирования погоды на средний и долгий срок необходимо разрешить весьма трудную задачу, а именно нужно учесть взаимодействие между тропосферой, стратосферой и ионосферой. Сравнительно частое чередование непродолжительных дождливых периодов, вторжений холода и других погодных явлений может быть правильно оценено и предсказано на основании данных о состоянии одного лишь нижнего «этажа» атмосферы, т. е. тропосферы. Но сведений об одной лишь тропосфере недостаточно для прогнозирования погоды на целый сезон и тем более колебаний климата. Для этого необходимо принимать во внимание изменения, происходящие не только в тропосфере, но также в стратосфере и ионосфере.

Солнце

В 1370 г. до н. э. египетский фараон Аменхотеп IV объявил войну египетским божествам и провозгласил единственным властителем вселенной бога Солнца. Символом нового божества стал солнечный диск с лучами в форме рук. Позднее Аменхотеп, взяв себе имя Эхнатон, что значит «сияние Солнца», построил богу Солнца огромный храм. В песнопениях египтян превозносилось величие Солнца и говорилось: «… твои лучи обнимают все страны, ты побеждаешь их своей любовью, ты далеко, но твое благословение с нами».

Аменхотеп приказал изготовить барельеф, на котором он сам и его жена Нефертити изображены в момент жертвоприношения богу Солнца.

Давно уже прошли те времена, когда обожествлялись силы природы, а культ Солнца был государственной религией. Однако существование этого культа говорит нам о том, что уже древним египтянам было известно огромное влияние Солнца на всю живую и неживую природу.

Со времени возникновения земной шар успел настолько сильно охладиться, что в настоящее время температура его поверхности и атмосферы почти полностью определяется поступающей к Земле солнечной радиацией. Солнце является почти единственным источником энергии для нашей планеты, в особенности для ее атмосферы. Имея температуру поверхности около 6000°, Солнце непрерывно излучает в космос радиацию. Человек видит только световую часть солнечной радиации. Участки спектра, которые характеризуются более длинными или более короткими волнами, чем световые, для человека невидимы. Длинноволновая, инфракрасная, радиация имеет особенно большое значение для различных биологических процессов, а коротковолновая, ультрафиолетовая, — для фотохимических реакций, происходящих главным образом в высоких слоях атмосферы.

Солнечную радиацию, поступающую на верхнюю границу атмосферы, называют внеземной солнечной радиацией. При прохождении через земную атмосферу часть этой радиации превращается в тепло. Существенное ослабление солнечных лучей происходит в озоносфере, которая поглощает главным образом коротковолновую их часть. Почти все участки солнечного спектра ослабляются молекулами атмосферных газов, особенно различными пылевыми частицами, взвешенными в атмосфере. Однако львиную долю всей радиации, и прежде всего инфракрасного участка ее спектра, поглощает водяной пар, содержащийся в атмосфере. Несмотря на ослабление в атмосфере, все же при большой высоте солнца около 2/3 всей внеземной солнечной радиации доходит до земной поверхности. При малой высоте солнца доля внеземной радиации, доходящая до поверхности земли, уменьшается до нескольких процентов. Это объясняется тем, что при низком положении солнца его лучи проходят в атмосфере гораздо больший путь, чем при высоком его положении. Поэтому и ослабление радиации при малых высотах солнца тоже оказывается более сильным и зависит от количества примесей в атмосфере, таких как водяной пар и пыль.

Некоторые отдыхающие считают, что они смогут особенно сильно загореть в ясные солнечные дни. Но это далеко не так. Если в области антициклона воздух окажется запыленным, то как раз та часть солнечной радиации, которая обусловливает загар, т. е. ультрафиолетовая радиация, может оказаться очень ослабленной. Наоборот, в очень чистом, хотя и холодном арктическом воздухе даже сравнительно кратковременное облучение солнцем может вызвать ожог кожи.

Когда в период МГГ были организованы систематические наблюдения за солнечной активностью, это было не капризом нескольких ученых, а общим требованием мировой науки. В 50 астрономических и геофизических обсерваториях мира велись непрерывные наблюдения за солнцем, солнечными пятнами, вспышками, факелами, протуберанцами и т. п. Специальные фотокамеры через каждые несколько секунд фиксировали происходящие на Солнце изменения.

Около двух десятилетий тому назад стал известен еще один вид радиации, излучаемой Солнцем, а именно радиоизлучение. Это электромагнитная энергия с длинами волн от нескольких миллиметров до дециметров, которая на земной поверхности может восприниматься большими радиотелескопами. Видимая часть солнечной радиации возникает в фотосфере Солнца, а радиоизлучение — в короне, т. е. во внешней оболочке Солнца.

Результаты наблюдений за явлениями, происходящими на Солнце, собираются в нескольких региональных центрах и в едином Мировом центре. Этот центр непрерывно снабжает информацией геофизические и другие заинтересованные организации. С 1956 г. в институте имени Фраунгофера во Фрейбурге ежедневно строятся карты явлений, происходящих на Солнце. На этих картах обобщаются данные о Солнце, полученные астрономическими обсерваториями всего земного шара. В настоящее время уже не вызывает сомнений наличие тесной связи между солнечной активностью, колебаниями ионосферы и возмущениями земного магнитного поля. Однако остановимся на вопросе о том, влияют ли изменения, происходящие на Солнце, на ход погодных процессов.

Американский метеоролог и геофизик Ч. Аббот сделал важное открытие. Он установил, что поток энергии, непрерывно направляющийся от Солнца к Земле и вызывающий возникновение суточного и годового хода температуры воздуха у земной поверхности, в действительности не постоянен, а все время изменяется. По мнению Аббота, в колебаниях интенсивности потока солнечной радиации имеется почти недельная периодичность. Аббот пытался сопоставить с этими колебаниями солнечной радиации ряд изменений метеорологических явлений.

Статистический анализ подтвердил существование связи между числом дней с малой интенсивностью солнечной радиации и возникновением тайфунов в тропических широтах. Исследование этой связи проводилось для тех лет, для которых имелись надежные данные. Статистически подтвердилось также существование взаимосвязи между периодами усиления и ослабления интенсивности солнечной радиации, с одной стороны, и крупномасштабными изменениями поля температуры в определенных районах Северной Америки — с другой. Многие ученые пытались обнаружить связь между числом солнечных пятен и наступлением периодов с выпадением обильных осадков. Выяснилось, что в дни со слабой солнечной активностью, когда через центральный меридиан Солнца проходит всего лишь одна группа солнечных пятен, интенсивность грозовой деятельности на Земле увеличивается примерно на 20 %. Однако эта связь не обнаруживается в годы с очень большим числом солнечных пятен. Поводом к изучению влияния Солнца на погоду явилась известная уже более двухсот лет 11-летняя периодичность в появлении солнечных пятен. Однако влияние Солнца на погоду, по-видимому, гораздо сложнее, чем это предполагалось, ибо до настоящего времени не удалось обнаружить ни 11-летнего цикла осадков, ни 11-летней волны в колебаниях температуры воздуха.

Наряду с отдельными явлениями погоды, развивающимися через несколько дней после усиления солнечной активности, существовали также и другие изменения, имеющие солнечное происхождение, но характеризовавшиеся уже не 11-летним, а гораздо более длинным периодом. Речь идет о колебаниях климата в ледниковые периоды и в другие геологические эпохи Земли. Естественно, что, поскольку никаких метеорологических измерений в то время не производилось, о причинах изменений климата в те далекие времена можно высказывать лишь гипотезы. Современные изменения в воздушном океане, имеющие как короткие, так и продолжительные периоды и связываемые с процессами, происходящими на Солнце, являются лишь математически установленными реальностями. Это значит, что обнаружены лишь статистические связи между явлениями, но не вскрыты физические механизмы, обусловливающие эти связи.

Однако на Земле протекают тысячи процессов, характеризующихся одинаковой цикличностью, хотя причины этой цикличности совершенно различны. Успешные запуски искусственных спутников Земли в Советском Союзе и в США создают предпосылку для более детального изучения механизма связи между солнечными явлениями и земными процессами. Для этого необходимы систематические измерения потоков энергии на верхней границе атмосферы, в стратосфере и на земной поверхности.

Уже говорилось о том, что атмосферу можно рассматривать как тепловую машину, работающую на солнечной энергии. Все явления погоды можно в конечном счете объяснить различными преобразованиями солнечной энергии в атмосфере. Но многие детали этих энергетических преобразований все еще неизвестны. Облучение земной поверхности солнечной радиацией приводит к непрерывным колебаниям теплосодержания верхних слоев почвы и водоемов, а также и к постоянному перераспределению масс на Земле. Под перераспределением масс мы понимаем воздушные и морские течения, имеющие огромное значение и для процессов формирования погоды. Колебания потока Гольфстрима и сезонные перемещения пояса западных воздушных течений, переносящих колоссальные объемы воды и воздуха, вызваны контрастами температуры, которые в свою очередь определяются различиями в интенсивности солнечной радиации. Таким образом, механизм перераспределения масс действительно оказывается очень сложным. На основе одних лишь измерений продолжительности солнечного сияния на земной поверхности еще невозможно установить, каким образом на режиме ветра и температуры воздуха сказывается различие в солнечной радиации, получаемой разными районами земного шара.

В связи с этим возникает вопрос: существует ли возможность непосредственного использования человеком солнечной энергии?

На Всемирном энергетическом конгрессе в Вене, состоявшемся в 1956 г., были приблизительно определены запасы различных форм энергии, имеющейся в распоряжении человечества. При этом было установлено, что мировое потребление энергии в 1954 г. составило 1345 биллионов квт-ч. Трудно даже представить себе, какое колоссальное количество каменного угля должно сгореть в кочегарках для выработки необходимой электроэнергии. Солнце же дает нам в год 13 000 000 000 000 000 квт.-ч. энергии, так что годовой расход электроэнергии всеми странами мира мог бы быть покрыт солнечной радиацией всего за 1,5 суток, если бы мы умели полностью превращать ее в электрический ток. При этом следует учесть, что земной шар перехватывает лишь 1/2,2-миллиардную долю солнечного излучения. Поскольку, однако, солнечная радиация поступает на земной шар не в виде узкого пучка, а равномерно распределяется по всей поверхности, то она не может быть использована так же просто, как, скажем, каменный уголь или нефть, сконцентрированные в сравнительно немногих местах. Залежи каменного угля тоже представляют собою «накопленную» солнечную энергию, причем процесс ее накопления шел довольно медленно. За миллионы лет каменноугольного периода оказалось накопленным лишь такое количество энергии, которое Солнце доставляет нам всего за 30 лет.

В прошлые века делалось много попыток непосредственно использовать солнечную энергию. В странах Востока теплом солнечных лучей издавна выпаривали соли из морской воды. В других районах земного шара с помощью дистилляторов, обогревавшихся солнечными лучами, из соленой морской воды добывали пресную воду, пригодную для питья. Такой дистиллятор был устроен, в частности, в Лос-Салинасе (Чили) в 1872 г. В стеклянном корпусе этого прибора помещалась зачерненная металлическая кювета, в которую тонким слоем наливалась соленая вода. Под воздействием солнечных лучей вода испарялась, а образовавшийся пар конденсировался на наклонно установленных стеклах, с которых дистиллированная вода стекала в приемные сосуды. С каждого квадратного метра стекол удавалось ежедневно получать 5 л пресной воды.

Роса на концах травинок — результат конденсации водяного пара, содержащегося в атмосфере.

Еще в прошлом веке были построены солнечные электростанции. Одна из таких станций перед первой мировой войной работала в Меади (Египет). Параболические зеркала этой станции направляли солнечные лучи на котел. Котел вырабатывал пар, приводивший в движение машину мощностью 60 лошадиных сил. Во время войны эта станция была разрушена. В более позднее время усовершенствованные солнечные силовые установки были построены в Советском Союзе. Их зеркала состояли из «селективных»[23] черных поверхностей, поглощающих значительную часть падающих на них солнечных лучей, но в то же время излучающие сравнительно небольшое количество длинноволновой радиации. Коэффициент полезного действия такой установки составлял 11 %. В некоторых странах в настоящее время продолжают использовать солнечную энергию для выработки пара, питающего паровые машины и турбины, но поскольку коэффициент полезного действия таких установок все еще остается довольно низким, то чаще предпочитают использовать вместо солнечной другие виды энергии.

Миниатюрными солнечными силовыми установками являются солнечные кипятильники, широко распространенные в южноазиатских странах. В фокусе вогнутого зеркала помещают котелок или кастрюлю, в которых варят суп или рис. Однако жители Индии обычно бывают не очень довольны своими солнечными кипятильниками, так как аппетит у индусов разыгрывается к вечеру.

В Мон-Луи, в Пиренейских горах, на протяжении многих лет используется параболическое зеркало для нагревания плавильной печи. Это зеркало состоит из 3500 мелких зеркал, имеет диаметр 11 м. В фокусе удается получить температуру около 3600°. Это выше температуры электрической дуги.

В последние годы с открытием полупроводников появилась возможность непосредственного преобразования солнечных лучей в электрический ток. При этом может быть достигнут очень высокий коэффициент полезного действия. Приборы третьего советского искусответного спутника Земли более года питались током, который вырабатывали солнечные батареи.

Однако количество солнечной энергии, преобразованное в тепло и электрический ток, совершенно ничтожно по сравнению с тем колоссальным количеством тепла, которое получает земная поверхность в результате поглощения падающих на нее солнечных лучей. Энергия всего лишь одного тропического циклона, в котором только ничтожная часть солнечной энергии перешла в тепло и механическую работу, равняется энергии 250 000 атомных бомб типа бомбы, сброшенной на Хиросиму. А ведь эта бомба обладала мощностью в 2 000 000 квт. Или другой пример: для обеспечения годовой суммы испарения с поверхности земли необходимо количество солнечной энергии, которое в 10 раз превышает энергию, скрытую во всех известных сейчас залежах каменного угля.

А как обстоит дело с потерей энергии Солнцем? Происходит ли постепенное его остывание?

Ответ на этот вопрос смогла дать современная атомная физика. В центральной части Солнца происходит превращение водорода в гелий, причем из 1 г водорода получается 0,993 г гелия и выделяется 175 000 квт.-ч. энергии. При этом каждый раз излучается около 0,7 % массы одного атома водорода, находящегося на Солнце, а это значит, что Солнце каждую секунду теряет 4 150 000 т своего вещества. Однако расчеты показали, что если интенсивность излучения радиации Солнцем сохранится, то за миллиард лет лишь 1 % солнечного водорода превратится в гелий. Из этого следует, что для сколько-нибудь существенного остывания Солнца необходим невообразимо колоссальный промежуток времени.

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 км^2 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.

Свет и тень

Приятная прохлада охватывает нас в Рюбеландских сталактитовых пещерах. Под монотонные звуки падения капель воды в расщелинах скал мы любуемся причудливыми формами сталагмитов. Луч прожектора освещает «купола», «органные трубы», «играющих карликов» и другие фантастические фигуры.

Последний зал пещеры руководитель экскурсии, к удовольствию посетителей, освещает сначала красным светом, потом зеленым и, наконец, сверкающим фиолетовым.

Но картина будет еще более красивой — сейчас руководитель покажет экскурсантам самое великолепное освещение. Он открывает выход из пещеры, и в нее врывается ослепительный поток дневного света.

Вполне естественно, что в старину людей охватывал ужас при виде необычных световых явлений на небе, казавшихся им предвестниками несчастий. История сохранила нам описание таких удивительных явлений, как «видение пророка Иезикиля» и редкостные «японские огни». Даже в наш атомный век некоторые атмосферные оптические явления приводят малокультурных людей в панический ужас. Вспомним, например, недавние выдумки о «летающих блюдцах». Но рассмотрим сначала обыкновенный дневной свет.

Мы воспринимаем лишь некоторую часть спектра лучистой энергии, поступающей на земную поверхность от Солнца. При прохождении через атмосферу солнечные лучи частично рассеиваются, а частично поглощаются молекулами атмосферных газов[27]. Интенсивность рассеяния зависит от плотности воздуха, от размеров рассеивающих газовых молекул и от длины волны рассеиваемого света. Чем выше мы поднимаемся над земной поверхностью, тем темнее будет становиться небо. Наконец оно сделается совершенно черным. Планеты, не имеющие атмосферы, либо освещены ярким светом, либо погружены в темноту. Лучшим примером планеты с такими условиями освещенности может служить Луна: там, куда приходят прямые лучи солнца, царит яркий день, а совсем рядом господствует кромешная тьма.

На земной поверхности яркость и окраска различных объектов при безоблачном небе зависят главным образом от высоты солнца над горизонтом. Еще до восхода солнца слои атмосферы освещаются его лучами. Молекулы атмосферных газов рассеивают эти лучи — возникает явление сумерек. Во время восхода и захода лучи солнца проходят в атмосфере очень длинный путь. При этом более коротковолновая часть солнечной радиации поглощается и рассеивается твердыми частицами, содержащимися в атмосфере; до земной поверхности доходит в основном лишь длинноволновая часть солнечного света, т. е. красные лучи. При значительной высоте солнца преобладает наиболее сильно рассеивающаяся коротковолновая радиация, а именно синие и голубые лучи. Это преобладание тем сильнее, чем меньше пылинок и молекул водяного пара содержится в воздухе.

Как уже говорилось, водяной пар, углекислый газ и озон, входящие в состав атмосферы, обладают способностью поглощать волны в отдельных участках спектра солнечной радиации. В инфракрасной области радиацию поглощает главным образом водяной пар, а в ультрафиолетовой — озон. Однако это поглощение не оказывает влияния на яркость и цвет неба, так как та и другая области спектра невидимы для человеческого глаза.

Небо часто бывает закрыто облаками, окраска которых тоже определяется отражением и поглощением света. Рассмотрим, например, грозовое облако, находящееся в 10 км от наблюдателя, стоящего спиной к солнцу. Громоздящиеся облачные горы очень красивы. Вершины их, образованные из ледяных кристаллов, отражают яркие солнечные лучи без особого поглощения и рассеивания. Этот ледяной облачный слой напоминает большой белый платок, растянутый на темном вечернем небе. Окраска более низких частей облаков меняется от белой через желтую до красной, так как более коротковолновая часть солнечного света поглощается и рассеивается сильнее. Нижняя поверхность облака кажется совершенно черной. Прямые солнечные лучи совсем ее не освещают, а рассеянной радиации недостаточно для освещения. Но совершенно иначе выглядит облако, если оно располагается между наблюдателем и солнцем. В этом случае солнечные лучи, приходящие к наблюдателю, должны сначала пройти сквозь всю толщу облака. В облаке они так сильно поглощаются, что на фоне яркого неба оно кажется почти черным.

Следовательно, не существует никакого специфического цвета облаков. Совершенно черное облако вовсе не обязательно дает дождь, а настоящее грозовое облако, находясь у горизонта, может иметь безобидный белый цвет. Цвет облака ни в коей мере не может быть признаком выпадения осадков и зависит главным образом от местоположения наблюдателя. Это свидетельствует о том, насколько ошибочны такие распространенные народные приметы погоды: «Белые облака землю не смачивают» или «Вечерняя заря — к хорошей погоде». Яркая вечерняя заря действительно может быть предвестником хорошей погоды, но только в том случае, когда она является результатом поглощения солнечных лучей примесями при устойчивом состоянии атмосферы. Облака циклона, движущегося с Атлантического океана, тоже могут дать в вечерние часы великолепную зарю. Однако уже через несколько часов из таких облаков начнут выпадать осадки. Специалист метеоролог хорошо различает оттенки зари. Обыватель же большей частью считает любую яркую зарю предвестником хорошей погоды.

Рассеяние и поглощение света в облаках порождают еще одно очень интересное явление — дифракцию солнечных лучей. Свет Солнца или Луны разлагается облачными каплями на отдельные лучи спектра, что порождает в облаках слоистых форм светлое кольцо, в центре которого находится Солнце или Луна. Это явление называется венцом. В средние века венец считали предвестником эпидемии чумы или других болезней. Само собой разумеется, что венец вокруг Солнца или Луны, представляющий собой оптическое явление, не может нести болезнетворных бацилл и микробов. Однако венцы часто возникают в облаках, наблюдающихся в воздушных массах субтропического происхождения, а эти массы всегда наиболее запылены, т. е. содержат наибольшее количество различных примесей, в том числе и вредных для здоровья человека. Вот почему, когда после длительных холодных периодов на смену арктическому воздуху приходит тропический, действительно увеличивается количество инфекционных заболеваний. Исследование атмосферных примесей, в том числе и вредных для человека, началось сравнительно недавно. Поэтому неудивительно, что в средние века, когда причины массовых инфекционных заболеваний еще не были известны, их пытались «объяснить» оптическими явлениями в атмосфере.

Брокенский призрак и условия его возникновения. Солнечные лучи проектируют тень наблюдателя на пелену тумана.

В давние времена люди считали, что на вершинах высоких гор устраивают свои дикие оргии ведьмы и злые духи. Многие уверяли, будто видели это собственными глазами. Но и в наши дни альпинисты нередко во время тумана видят в горах разные удивительные явления. Перед ними появляются расплывчатые очертания какого-то серо-черного существа раза в два выше человека. Оно непрерывно меняет форму и яркость, так что создается впечатление, будто оно то приближается к наблюдателю, то удаляется от него. Голова загадочного существа окружена ярким венцом (глорией), а это еще более усиливает сходство с призраком. Большую роль в возникновении такого оптического явления играют капли тумана. Именно поэтому оно возникает только в тумане и никогда не наблюдается при безоблачном небе. А так как на вершинах среднегерманских гор каждый год наблюдается до 200 дней с туманом, то описываемое явление здесь не редкость. Это явление чаще всего наблюдается на горе Брокен. Поэтому оно получило название «брокенский призрак».

Чтобы увидеть брокенский призрак, наблюдение необходимо вести с какой-либо возвышенности, например, с вершины горы, и обязательно во время тумана в долинах, освещенного солнечными лучами. Вершины гор при этом должны выступать из тумана подобно островам. Когда от колышащегося тумана отрываются отдельные полосы, переваливающие через вершины гор, солнечные лучи пронизывают их и отбрасывают изображение наблюдателя на туманную пелену. Наблюдатель оказывается как бы стоящим в луче проекционного фонаря и видит свою тень на пелене тумана, как на своеобразном экране. Но поскольку туман является не плоским, а объемным образованием, то и силуэт наблюдателя также получается очень рельефным и производит впечатление реального физического тела. Из-за неравномерной толщины туманной пелены тень наблюдателя становится то ярче, то темнее, чем и создается эффект приближения или удаления. Впечатление призрачности усиливается глорией, окружающей тень наблюдателя. Глория является результатом дифракции и разложения солнечного света на мельчайших каплях тумана. Не приходится удивляться тому, что такое необычное оптическое явление вызывало ужас у человека средневековья и он опешил спрятаться в помещении или в панике бежал с горы. Это кончалось иногда несчастным случаем, что, конечно, считалось местью призрака.

Если в наши дни мы встречаем незнакомое оптическое явление, то, как просвещенные люди, мы уже можем разобраться в том, какие физические условия явились причиной его возникновения.

В период средневековья люди в таких случаях задавали себе вопрос: «Кто же это был?» Вспомните, например, появление призрака убитого короля в шекспировском «Гамлете». Окутанный облаками, появлялся призрак на башне замка, в котором его убийца справлял свадьбу с его вдовой. Теперь мы можем объяснить его появление: это видение, вызванное дифракцией солнечных лучей на каплях тумана.

Наряду с дифракцией световых лучей большую роль в атмосфере играет и их преломление. Наиболее известным результатом этого процесса является радуга. Она возникает в тех случаях, когда солнечные лучи преломляются в каплях воды. Ширина радуги зависит от высоты солнца над горизонтом. При ее уменьшении радуга увеличивается.

В результате преломления света в ледяных кристаллах тонких перистых облаков возникает еще одно сравнительно малоизвестное оптическое явление, иногда охватывающее весь небосвод. При благоприятных условиях в ледяных облаках образуются большое и малое гало, горизонтальный и вертикальный круги, ложное солнце и другие оптические явления. Гало представляет собой светлый, преимущественно окрашенный круг вокруг Солнца или Луны с угловым радиусом 22 или 46°. Внешняя часть круга голубоватая, а внутренняя сторона окрашена в красноватый цвет. Поскольку гало появляется только в результате преломления света в кристаллах льда, можно с уверенностью сделать вывод о существовании в атмосфере ледяных облаков, хотя бы очень тонких. Яркость гало не всегда больше яркости всего остального небосвода. Поэтому многие гало мы не замечаем. Но внимательный наблюдатель, пользующийся к тому же еще и защитными очками, поглощающими до 50 % падающего на них света, может видеть очень красивые цветные гало. Отдельные части гало наблюдаются при переменной погоде почти через каждые 1–2 дня.

В годы позднего средневековья уже все без исключения необычные явления на небосводе стали считать предвестниками бедствий и даже смерти. Особенно это относится к кометам и метеорам. Конечно, возникновение таких явлений не было связано с распространением эпидемий. Однако страх, охватывающий темные народные массы, сам, возможно, оказывался причиной гибели многих людей. По словам Шекспира, страх перед небесными явлениями среди господствующих классов был сильнее, чем среди угнетенного народа, так как кометы и метеоры якобы «предвещали» гибель именно господствующим классам. Вспомните, как в драме «Юлий Цезарь» Кальпурния говорит Цезарю: «Умирают князья, а не нищие!»

Полярные сияния в средние века тоже считались предвестниками несчастья. В движениях и пляске ярких лучей полярного сияния люди видели небесное войско, вооруженное копьями и готовившееся к войне против людей Земли. Тот же, кто не верил в «небесное знамение», рисковал оказаться в числе еретиков и подвергнуться преследованиям церкви.

В этой же связи следует сказать еще несколько слов о «летающих блюдцах». Многочисленные «свидетели» якобы собственными глазами наблюдали на небосводе белые тела, имевшие форму тарелок. Народная молва назвала их «летающими блюдцами». Было сделано много попыток как-либо объяснить это загадочное явление. Однако следует заметить, что суеверный страх перед явлениями, якобы сулящими несчастье, как видно, очень распространен еще и в нашем двадцатом веке. Примечательно, что число случаев, когда якобы наблюдались эти мифические небесные явления, заметно увеличилось как раз после тех фантастических объяснений, которые давались в радиопередачах некоторых стран. Особенно поразительный случай, подтверждающий возможность массового психоза людей, имел место в 1938 г., когда одна из американских радиостанций передавала инсценировку фантастического романа Герберта Уэлса «Борьба миров». Обычная радиопередача была внезапно прервана, и населению объявили о предстоящем нападении марсиан на Землю. Передавались интервью, взятые у астрономов. Генеральный штаб информировал радиослушателей о принимаемых мерах обороны и т. д.

По сообщениям прессы, 6 000 000 человек слушали эту «занимательную» радиопередачу. Из них около миллиона не читали предварительного сообщения о ней, опубликованного в радиогазете, и были глубоко убеждены в правдоподобности сообщений. Охваченные паникой, люди начали готовиться к спешной эвакуации. Прошло несколько часов, прежде чем удалось успокоить население,

Перед метеорологией стоит нелегкая задача: разумно объяснить происхождение этих пресловутых «летающих блюдец». Их появление может быть связано с различными причинами. Так, например, в дневное время это могли быть облака, возникающие при встрече воздушного потока с препятствиями. Такие облака часто действительно имеют чечевицеобразную форму. Хотя воздушный поток, в котором они образуются, движется, но сами облака неподвижно стоят у препятствия, возле которого они возникли. На обращенной к ветру стороне препятствия они непрерывно растут, а на противоположной стороне рассеиваются. Процесс рассеивания таких облаков часто развивается сразу повсюду. Форма облака еще некоторое время сохраняется, но его размеры становятся все меньше, создается впечатление, будто это яркое облачко быстро удаляется от нас. Этими процессами и можно объяснить появление «летающих блюдец», наблюдавшихся в дневное время. В ночные же часы это, вероятно, было связано с процессами отражения и преломления света на границах так называемых задерживающих слоев в атмосфере. Световые лучи, проходящие через такую границу, отклоняются от первоначального направления совершенно так же, как при переходе лучей из воздуха в воду. Если задерживающий слой в атмосфере не плоский, а выпуклый, то он может действовать на световые лучи как линза. Вследствие этого даже Луна может казаться плоской и напоминать тарелку. В результате изменения положения или наклона задерживающего слоя будет казаться, что источник света перемещается. Если наблюдать за этим источником из автомашины или с самолета, то он тоже может показаться движущимся с той скоростью, с какой перемещается сам наблюдатель. Тонкий слой поземного тумана тоже может отражать свет Луны и вследствие дифракции во много раз увеличивать ее размеры.

Облака препятствий, имеющие форму тарелок и поэтому часто ошибочно принимаемые за «летающие блюдца».

Вблизи земной поверхности при возникновении резких контрастов температуры воздушные линзы могут собирать световые лучи в пучки или, наоборот, разбрасывать их. Вследствие этого при некоторых типах погоды обычный вид солнца или луны может оказаться искаженным до неузнаваемости. Легко представить себе, как солнце вечером внезапно выглянет из облака, покажется неподвижной линзой, а затем так же внезапно исчезнет. Наблюдатель, наделенный достаточной фантазией, может принять это явление за приземление «летающего блюдца».

Отражение лунного света на кристаллах льда, оседающих на фюзеляже и плоскостях самолета, тоже может произвести впечатление «летающего блюдца». Поскольку в воздухе отсутствует средний и задний план, отражение света от плоскости летящего самолета может быть вследствие обмана зрения спроектировано в пространство. Тогда световые лучи, отраженные от самолета, могут показаться идущими от какого-то самостоятельного источника, расположенного на расстоянии нескольких километров от самолета.

Однако почему же тогда радиолокаторы засекали появление в воздухе каких-то объектов, хотя никаких самолетов в данном направлении не было видно? Это объясняется тем, что дециметровые волны радиолокаторов ведут себя совершенно так же, как и световые волны. Они тоже могут отклоняться от первоначального пути и указывать на мнимое наличие в том или ином направлении какого-либо объекта, который в действительности находится в совершенно другом месте. Во время второй мировой войны английские военные корабли не раз открывали огонь в ту сторону, откуда приходило радиоэхо, хотя противника в этом направлении не было видно. Предполагалось, что он искусно маскируется. В действительности же радиолокаторы давали ошибочные показания и вызывали ложную тревогу. Радиоволны дециметрового диапазона отражались не от вражеских кораблей, а от подразделений своего собственного флота, находившихся в это время совсем в другом направлении. Поэтому мы вполне можем предположить, что и радиоэхо от «летающих блюдец» было всего-навсего результатом отражения радио-локационных сигналов от самолетов, летевших в совершенно другом направлении.

Было бы желательно, чтобы люди привыкли считать оптические явления в атмосфере только результатом вполне определенных физических процессов, а не проявлением «потусторонних сил». Тогда суеверный страх перед разными небесными огнями и «летающими блюдцами» был бы преодолен, а очевидцы могли бы радоваться тому, что им довелось увидеть редкие явления природы.

Волчок

Крупномасштабные атмосферные течения метеорологи называют общей циркуляцией атмосферы. Ее нередко сравнивают с движением воздуха в закрытом помещении. Если в помещении вытоплена печь, то теплый воздух по ее поверхности поднимается вверх, вдоль потолка он движется к окну, здесь охлаждается и опускается вниз, после чего вновь устремляется к печке. Долгое время считали, что циркуляция воздуха в атмосфере происходит таким же образом. Предполагали, что в тропических широтах теплый воздух поднимается вверх, в высоких слоях атмосферы растекается к полюсам, а затем опускается и по земной поверхности возвращается к экватору. Однако новые данные об общей циркуляции атмосферы показали, что столь упрощенное представление о ней не соответствует действительности. Моделирование с помощью печки, нагревающей комнату, не учитывает многих явлений, происходящих в реальной атмосфере, а также роль вращения Земли вокруг своей оси. Бездушная оболочка как бы «приклеена» к земной поверхности и непрерывно вращается вместе с ней в том же направлении, в каком поворачивается Земля. На экваторе воздух во время штиля вращается вместе с Землей со скоростью 463 м/сек. На широте 60° скорость вращения составляет 232 м/сек. Различие в скорости вращения земной поверхности на разных широтах вызвано различными расстояниями до оси вращения Земли. Следовательно, над различными частями земного шара атмосфера также вращается с неодинаковыми скоростями, но всегда соответствующими широте данного места. Мы не замечаем этого движения, так как сами тоже вращаемся вокруг земной оси с той же скоростью. Движение же воздуха, которое мы воспринимаем как ветер и которое можем измерить приборами, представляет собой некоторое дополнительное движение, добавляющееся к вращению атмосферы. Это дополнительное движение гораздо слабее движения, связанного с вращением Земли, и скорость его составляет лишь несколько процентов от скорости последнего.

Можно было бы думать, что поскольку вращательное движение атмосферы мы не воспринимаем, то и абсолютная его скорость не представляет интереса для метеорологии. Но если мы хотим понять природу движущих сил общей циркуляции атмосферы, нам нужно учесть и это движение воздуха. Представим себе столб атмосферы с площадью основания 1 м^2, простирающийся до верхней границы атмосферы. Такой столб весит около 10 т. Допустим, что по каким-либо причинам этот столб атмосферы меняет свое первоначальное местоположение и начинает медленно смещаться к полюсу. В этом мысленном эксперименте мы можем представить, например, будто при полном штиле над всей Европой наш столб атмосферы «погружен» на платформу и транспортируется, скажем, из Рима в Стокгольм. Столб, находившийся в Риме в состоянии покоя, в то же время двигался вместе с Землей со скоростью 320 м/сек. В Стокгольме он попадает на более высокую широту. Расстояние до земной оси от Стокгольма меньше, чем от Рима. Поэтому скорость абсолютного движения нашего столба атмосферы в Стокгольме тоже меньше, чем в Риме. При перемещении из Рима в Стокгольм столб не может просто «обронить» с себя «лишнюю» скорость. Чем дальше он продвигается на север, тем больше его абсолютная скорость отличается от скорости лежащей под ним земной поверхности. Поэтому столб атмосферы, который в Риме по отношению к земной поверхности был неподвижен, начнет по мере перемещения на север вследствие избытка кинетической энергии совершать вращательное движение. Первоначальный импульс будет при движении к северу сообщать ему ускорение, которое заставит его постепенно отклоняться вправо. Эта отклоняющая сила называется силой Кориолиса. Она играет очень большую роль при крупномасштабных движениях как воздушных масс, так и морских течений.

Относительная скорость движения воздуха, неподвижного по отношению к Земле, но вращающегося вместе с ней вокруг земной оси, на разных широтах.

Если по каким-либо причинам некоторая воздушная масса будет перемещаться, скажем, из субтропиков на север и достигнет умеренных широт северного полушария, то ее движение не будет соответствовать господствующему здесь воздушному течению. Ее кинетическая энергия будет совершенно другой. Так как сила Кориолиса будет непрерывно отклонять эту массу вправо, то она начнет двигаться к востоку. Именно различие во вращательных импульсах в разных частях одной и той же субтропической воздушной массы, движущейся с юга на север, и вызывает появление у нее вращательного движения. Тем самым воздух, перемещающийся на север, способствует возникновению движущейся области повышенного давления. Конечно, в формировании таких областей, перемещающихся из пояса повышенного давления, лежащего в «конских» широтах, принимают участие еще и другие физические процессы, которые мы здесь не будем рассматривать более подробно. Но, во всяком случае, читателю теперь уже ясно, что области высокого атмосферного давления в наших широтах могут возникать не только в результате накопления здесь тяжелого холодного воздуха.

А что происходит в случае, когда воздушная масса смещается с севера на юг? Массы арктического воздуха в Полярном бассейне имеют при безветрии лишь незначительную скорость абсолютного движения по отношению к неподвижной звездной системе отсчета. Если под влиянием какого-либо внешнего импульса они переходят в более низкие широты, но при этом сохраняют свою прежнюю небольшую скорость, то они не попадают в резонанс со скоростями, господствующими в этих широтах. Такие воздушные массы тоже будут отклоняться вправо от первоначального направления. Из арктического воздуха, смещавшегося к югу, получится холодная воздушная «капля», вращающаяся вокруг вертикальной оси и смещающаяся на запад.

Итак, мы проделали мысленный эксперимент и увидели, каким образом вращением Земли вокруг ее оси можно объяснить движение теплого воздуха к востоку, а холодного — к западу.

Перемещение воздуха из одних широт в другие требует импульса, наличие которого мы молчаливо предполагали. Посмотрим теперь, какие силы могут вызвать движение воздушной массы? Прежде всего это солнечная радиация. На различных широтах она по-разному нагревает земную поверхность и прилегающие к ней слои атмосферы. Каждому известно, что в тропиках всегда бывает значительно теплее, чем на полюсах. Различное нагревание обусловливает возникновение контрастов атмосферного давления между тропическими и арктическими областями. Воздух стремится огладить эти контрасты, приходит в движение и начинает перемещаться из областей с более высоким давлением в области с более низким давлением.

Траектория антициклона, который медленно перемещался из района Азорских островов на северо-восток и принес мягкую погоду в Западную и Центральную Европу.

Характер воздушных течений также подтверждает важную роль солнечной радиации в образовании общепланетарной системы ветров. Это следует из того, что указанная система ветров несколько смещается от сезона к сезону. И еще одна причина может рассматриваться как толчок, обусловливающий перемещение воздушных масс с севера на юг. Она уже связана не с потоками энергии, приходящими к Земле из космического пространства, или, точнее, от Солнца, а с механическими свойствами самого воздуха. Речь идет о переходе от равномерного (ламинарного) движения к беспорядочному (турбулентному). Чтобы лучше понять процесс такого перехода, рассмотрим движение воды, вытекающей из водопроводного крана. Когда мы слегка поворачиваем кран, вода льется из него ровной тонкой струйкой, но если продолжать отворачивать кран, то скорость вытекания увеличивается. При превышении некоторой скорости струя уже разрывается и вода выбрасывается из крана в виде брызг и капель, как бы связанных друг с другом. В этот момент движение воды становится турбулентным. Аналогичные условия имеют место и в воздушных течениях. Как известно, между 40 и 70° северной и южной широты земной шар опоясывают широкие зоны западных ветров. В зависимости от времени года и особенностей теплового режима атмосферы географическое местоположение этих зон несколько изменяется. При больших температурных контрастах зоны становятся узкими, и тогда воздух с ураганной силой проносится над Атлантическим океаном. Если скорость ветра становится критической, воздушный поток разрывается на отдельные ячейки совершенно так же, как водяная струя при слишком большой скорости дробится на отдельные капли. Воздушные массы выталкиваются из пояса западных ветров на юг и на север. При этом массы, движущиеся к югу, превращаются в более низких широтах в «капли» холодного воздуха, а массы, смещающиеся к северу, начинают вращаться по часовой стрелке и превращаются в области повышенного давления. В частности, в мае они накапливаются преимущественно в районе Гренландии, где по истечении нескольких дней прекращают вращательное движение.

Само собой разумеется, что характер поверхности (суша и море) оказывает большое влияние на формирующуюся над ней систему атмосферных движений. Вспомним, например, что на уровне вершины горы Эверест атмосферное давление составляет лишь 1/4 давления на уровне моря. Следовательно 3/4 всей массы атмосферы лежит на высотах менее 10 км. Поэтому естественно, что, если воздушное течение вынуждено преодолевать высокие хребты, лежащие на его пути, оно изменяет свое направление.

Всем известно аналогичное явление в струе воды. Встречая на своем пути мостовую опору, она раздваивается, а за опорой снова сливается и образует водоворот. На движущийся воздух гора действует так же, как мостовая опора в реке: воздушный поток раздваивается и обтекает препятствие, а при незначительной высоте препятствия — перетекает через него. Это явление особенно хорошо проявляется при западных ветрах, дующих над Северной Америкой, Европой и Азией. При движении над континентами западный воздушный поток отклоняется от своего первоначального направления, а скорость его увеличивается. Позади препятствий скорость потока уменьшается и он снова широкой полосой движется в прежнем направлении. За горным хребтом с уменьшением скорости потока нарушается его равновесие — изменяется траектория потока. Местности, лежащие позади горных хребтов и цепей, являются очагами формирования областей повышенного и пониженного давления. Такие местности расположены у восточных побережий гористых континентов, например в районе острова Ньюфаундленд и у полуострова Камчатка.

Мы познакомились, таким образом, с одной из причин возникновения вращающихся воздушных масс, тесно связанной с рельефом земной поверхности, или, как говорят метеорологи, с орографическими условиями.

Рассмотрим теперь еще силу, противодействующую атмосферным течениям, а именно силу трения. Если бы не постоянное влияние этой силы, то движения в атмосфере непрерывно усиливались бы. Невозможно даже представить себе, сколько бурь и ураганов свирепствовало бы на земном шаре, если бы трение не сдерживало атмосферных движений. Уменьшение скорости воздушных течений обусловливается трением как между молекулами атмосферных газов и земной поверхностью, так и между самими молекулами. Трение в первом случае называется внешним, а во втором — внутренним. Из-за большей шероховатости твердой поверхности, чем воды, внешнее трение больше на суше, чем на водоемах. В связи с этим области пониженного давления (циклоны), приходящие с Атлантического океана в Европу, вследствие увеличения трения начинают здесь быстро заполняться. Обычно их энергия полностью исчерпывается при приближении к Уральским горам.

Внутреннее трение также играет значительную роль в формировании характера и особенностей воздушных течений, но не столько в циклонической деятельности в атмосфере, сколько в изменении ветра с высотой в приземном слое. Величина внутреннего трения в основном определяется температурой воздуха.

В холодном воздухе трение значительно больше, чем в теплом. В связи с этим при наличии вблизи земли холодного, а в верхних слоях относительно более теплого воздуха ветер не имеет возможности распространиться из высоких слоев до земной поверхности. Это явление легко заметить, наблюдая за распространением дыма из труб.

По форме дымовой струи можно сделать заключение о характере распределения температуры воздуха с высотой. Многие читатели, вероятно, видели такое явление (хотя и не знали действительных его причин): днем, когда поезд подходит, дым из трубы паровоза исчезает, так как перемешивается с окружающим воздухом. Через несколько минут после отхода поезда дыма в воздухе уже совершенно не видно. Но как протекает это же явление вечером? Выходя из паровозной трубы, дым не сразу перемешивается с окружающим воздухом, так как воздух теперь уже стал холоднее и ветер в приземном слое почти прекратился. Дымовая шапка поднимается отвесно, на определенной высоте она превращается в горизонтально растянутую волокнистую струю и быстро уносится прочь. Но дым при этом не рассеивается, а ровной пеленой стелется над равнинными участками. Эта тонкая дымовая полоса длиной 3–5 км часто сохраняется в течение четверти часа на той высоте, где холодный приземный воздух соприкасается с более теплым воздухом выше лежащих слоев. Следовательно, нижний холодный воздух препятствует проникновению верхнего ветра до земной поверхности. По струе дыма можно определить, как высоко успело распространиться выхолаживание приземного слоя атмосферы.

Системы ветров на земном шаре (общая циркуляция атмосферы)./ — восточные ветры Арктики (Антарктики); 2 — арктический (антарктический) фронт, 3 — ложбина, 4 — пояс западных ветров, 5 — субтропический антициклон, 6 — северо-восточный (юго-восточный) пассат, 7 — северная (южная) линия тропической конвергенции, 8 — экваториальные западные ветры, а — области низкого давления, б — области высокого давления.

Читатель может задать вопрос: почему в этой главе изложено так много различных теоретических соображений, нельзя ли как-нибудь более просто объяснить общий характер крупномасштабных движений в атмосфере? К сожалению, приходится ответить отрицательно. Движущаяся атмосфера имеет исключительно сложное строение, и еще не удалось выяснить всего, что связано с особенностями воздушных течений.

В зависимости от того, насколько сильны влияния тех или иных действующих сил, в атмосфере формируются различные устойчивые системы ветров. Некоторые системы ветров симметричны относительно экватора и имеют характер замкнутых циркуляций воздуха. Другие системы ветров мы обнаруживаем как над Атлантическим, так и над Тихим океаном. Рассмотрим системы ветров, которые образуют общую циркуляцию атмосферы.

В районе географического экватора расположена область низкого атмосферного давления, опоясывающая весь земной шар. Ее называют экваториальной ложбиной. В ней располагается узкая зона западных ветров, распространяющихся вверх до 10 км. Погода в ложбине обычно дождливая, хотя циклоны здесь не возникают, так как отсутствует необходимая для этого отклоняющая сила вращения Земли[28]. Ложбина ограничена двумя резко выраженными поверхностями раздела воздушных масс. Их называют линиями внутритропической конвергенции, т. е. линиями сходимости воздушных течений. Линия конвергенции, лежащая севернее экватора, называется северной линией внутри-тропической конвергенции, а лежащая южнее экватора— южной. В районе экватора на линиях конвергенции воздушные массы экваториальной ложбины встречаются с воздушными массами, приходящими из зоны пассатов. Когда в северном полушарии лето, северная линия конвергенции располагается примерно на 15° с. ш. Зимой она почти приближается к географическому экватору. Когда воздушные течения разного происхождения встречаются, обычно наблюдаются резкие колебания погоды. В частности, в обильно увлажненном теплом воздухе в районе тропических линий конвергенции часто возникают грозы, за сутки может быть до 40–50 тысяч гроз. В этой зоне активной грозовой деятельности растут густые тропические леса.

Севернее и южнее линий внутритропической конвергенции мы встречаем очень устойчивые системы циркуляции, а именно пассатные циркуляции. В верхней тропосфере эти циркуляции заставляют тропический воздух оттекать к полюсам, но уже на широтах 25–30° он снова опускается к земной поверхности и образует пассаты. На обращенной к экватору стороне субтропических поясов повышенного давления пассаты дуют в северном полушарии к югу, а в южном — к северу. В зависимости от годового изменения полуденных высот солнца местоположение зоны пассатной циркуляции изменяется так же, как и положение внутритропической зоны конвергенции. Благодаря этому в областях, находящихся под воздействием пассатной циркуляции, в течение года сменяют друг друга два дождливых и два засушливых сезона.

Пассатное воздушное течение проявляется также в формировании пассатной кучевой облачности. Она обусловливает вертикальную зональность растительного мира в горах тропических широт. У подножия гор растительность типична для саванн. С увеличением высоты над уровнем моря она из-за недостатка влаги становится все более скудной. Но на уровне пассатной инверсии, под которой накапливается облачность, растительный покров снова становится пышным. Он обязан своим существованием высокой влажности облачного воздуха. Выше уровня инверсии характер растительного покрова меняется скачкообразно — появляются голые каменистые пространства.

Как уже упоминалось, пассатное воздушное течение является результатом особого распределения атмосферного давления. Над экватором постоянно находится пояс низкого давления, а с севера и с юга к нему примыкают области повышенного давления. Так как ветер дует от области высокого давления к области низкого, то и пассат в северном полушарии направляется к экватору с севера, а в южном — с юга. На широтах около 30° в северном и южном полушариях имеет место наиболее высокое атмосферное давление, а в более высоких широтах оно снова понижается. Пояса высокого давления около 30° северной и южной широты, охватывающие весь земной шар, и есть субтропические пояса высокого давления. Область повышенного давления, обнаруживающаяся на картах погоды в районе Азорских островов, представляет собой часть субтропического пояса высокого давления. Нисходящие движения воздуха способствуют здесь установлению тихой сухой погоды.

Субтропический пояс высокого давления доставлял много хлопот мореплавателям прошлого. Зона очень слабых ветров мешала парусным кораблям переходить в южное полушарие. В поясе высокого давления скорость корабля становилась меньше. Корм для лошадей, которых перевозили на судах, иссякал, и команде приходилось выбрасывать их за борт. В связи с этим и назвали широты около 30° «конскими».

В этой же зоне на материках земного шара находятся обширные пустыни. Здесь настолько незначительно количество осадков, что произрастать может только самая скудная растительность. В некоторых районах Чилийской пустыни за 20 лет лишь один раз выпадает непродолжительный дождь. Песок в Сахаре по составу нельзя считать непригодным для развития растительности. Напротив, он представляет собой хорошо минерализованную почву, вполне пригодную для превращения Сахары в цветущий сад. Недостает только воды.

В более высоких широтах к субтропическому поясу повышенного давления примыкает зона западных воздушных течений. Максимальная их интенсивность имеет место примерно на широте 55°. Западный перенос не является таким же устойчивым воздушным течением, как пассат. Наоборот, эти ветры могут несколько изменять свой характер в зависимости от времени года. Например, летом в средних широтах перенос представляет собой широкое и спокойное воздушное течение, тогда как зимой зона переноса пронизана отдельными смерчами, шквалами и ураганами, траектория каждого из которых образует узкую полосу на земной поверхности. Поскольку именно зимой западный перенос в северном полушарии обладает значительно большей энергией, чем летом, в это время года здесь возникают наиболее сильные колебания температуры воздуха. В Берлине, например, средние месячные температуры февраля могут в разные годы различаться на 15°. В то же время в апреле, который в целом характеризуется наиболее резкими колебаниями погоды, средние температуры разных лет различаются не более чем на 6,8°. В области западного переноса, т. е. в умеренных широтах, расположены самые продуктивные на земле зоны сельскохозяйственного производства. Это объясняется тем, что наряду с температурным режимом, благоприятным для культурных растений, здесь во все времена года выпадает также достаточное количество осадков.

Очагами формирования холодных воздушных масс являются полярные области нашей планеты. Возникновение этих масс уже было описано выше, но еще не говорилось о той роли, которую они играют в общей циркуляции атмосферы. Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.

Арктический воздух образует своеобразную холодную шапку вокруг полюсов. Отсюда он стремится распространиться в более низкие широты. Однако западный перенос, действующий подобно барьеру, препятствует смещению холодного воздуха к югу. Поверхность, вдоль которой массы арктического воздуха соприкасаются с умеренным воздухом, переносимым западным потоком, называется арктическим фронтом. В большинстве случаев этот фронт представляет собой узкую зону, расположенную приблизительно вдоль Полярного круга. Однако в определенные моменты времени арктический фронт смещается. Проходит, правда, довольно много времени (несколько недель), пока в полярной области накопится холодный воздух, который затем леденящим потоком прорвется на юг. Этот процесс называется холодным вторжением. Насколько сильным может быть такое вторжение, можно судить по майским холодам, когда теплолюбивые культуры в течение всего лишь нескольких часов успевают совершенно замерзнуть.

Если рассматривать вместе пассатную циркуляцию, западный перенос и циркуляцию воздуха в полярной области, то видно, что эти важнейшие элементы общей циркуляции атмосферы образуют «шестерни», которые, сцепившись друг с другом, охватывают всю нашу планету подобно зубчатым колесам какой-то машины. Как в машине все шестерни вращаются в определенном направлении, так и в атмосфере направление и скорость воздушных течений в «колесах циркуляции» тоже тесно связаны и зависят друг от друга.

Поясним это положение на следующем примере. Если в западном переносе имеет место быстрое движение воздуха, параллельное широтным кругам, т. е. если этот перенос выражен очень отчетливо, он препятствует перемещению теплого воздуха из субтропических широт на север и прорывам холодного арктического воздуха на юг.

Подобный тип воздушных течений, т. е. сильно развитый западный перенос, называют зональной циркуляцией. При таком типе циркуляции в Центральной Европе наблюдается ветреная погода с обильными осадками и малым числом солнечных дней.

Температура воздуха даже в дневные часы при этом не поднимается выше 20°, но зато и ночью она не падает ниже 15°. Такая погода кажется нам довольно скверной.

Если же общий западный перенос расчленяется на отдельные сравнительно узкие полосы, то теплые южные ветры получают возможность проникать на Крайний Север, а холодный арктический воздух вторгается далеко на юг. В этом случае говорят о наличии в атмосфере уже не зональной, а меридиональной циркуляции. Смещения же воздуха на юг и на север происходят не друг за другом, а одновременно. Притоку тропического воздуха из района Азорских островов через Исландию в районы Гренландии сопутствует холодное вторжение с севера в Центральную и Восточную Европу. Во время рождественской оттепели, при майских и июньских возвратах холода мы имеем хорошо выраженную меридиональную циркуляцию атмосферы.

Во время майских возвратов холода теплый воздух прорывается из субтропических широт на север и образует область повышенного атмосферного давления в районе Британских островов. Как только наступает эта стадия циркуляции, арктический воздух начинает распространяться из полярной шапки по восточной периферии этой антициклюнической области, т. е. над Северным морем или над Скандинавией. Он движется к югу и проникает в районы Центральной и даже Южной Европы.

Другая форма меридиональной циркуляции нередко наблюдается в конце зимы. В конце февраля — середине марта обычно холодный воздух умеренных широт над центральными районами Атлантического океана смещается далеко на юг. В этом случае над Британскими островами развивается обширный центральный циклон, в передней части которого теплый субтропический воздух распространяется на районы Западной и Центральной Европы и приносит сюда первое весеннее потепление.

Меридиональная циркуляция в северном полушарии переносит с юга на север примерно такое же количество воздуха, как и с севера на юг. Но в среднем запас энергии в воздухе, движущемся к северу, настолько велик, что, несмотря на прорывы холодного воздуха к югу, все же более северным широтам непрерывно сообщается тепло. Средняя годовая температура воздуха в Западной Европе выше, чем на тех же широтах в южном полушарии. Конечно, это связано также и с влиянием Гольфстрима, который сильно отепляет Западную и Северную Европу. Но при этом следует иметь в виду, что Гольфстрим представляет собой морское течение, обусловленное ветром. Добавочное тепло, приносимое Гольфстримом в районы Западной и Северной Европы, является следствием атмосферной циркуляции, а не наоборот.

«Колеса циркуляции» — это устойчивые системы воздушных потоков, комплекс которых и создает общую циркуляцию атмосферы. Но наряду с постоянными воздушными течениями существуют и периодически меняющиеся циркуляционные системы меньшего масштаба.

Воздушным течением, вызванным сменой времен года, является муссон. Прежде считали, что основная причина его возникновения — нагревание и подъем воздуха над теплым континентом и что на смену ему приходит влажный воздух с моря. Вследствие высокой влажности муссон является источником жизни для многих субтропических районов, а отсутствие его даже и в настоящее время приносит большие бедствия народам Азии и Африки.

Пассаты и муссоны в холодное время года.

1 — влажные морские ветры, 2 — сухие ветры с суши; 3 — конские широты; ХА — холодный антициклон, ТЦ — теплый циклон.

Пассаты и муссоны в теплое время года.

Новейшие исследования, однако, показывают, что нагревание континента не является достаточным для возникновения муссона. Оно не в состоянии вызвать интенсивный приток влажного морского воздуха на сушу.

Известно, что морской ветер (бриз) ощущается на суше не дальше, чем в 20–50 км от побережья. Поэтому он не может вызвать обильные осадки на обширных континентах Азии, Африки и Австралии. Должны существовать какие-то другие воздушные течения общепланетарного масштаба, которые в определенные сезоны могут способствовать появлению этих так называемых муссонных осадков.

В последние годы тропические широты перестали быть «белым пятном» на климатических картах. Довольно обширные материалы радиозондирования атмосферы позволили установить, что по своей природе муссон представляет собой изменивший направление пассат. Смещается от сезона к сезону и внутритропическая зона конвергенции воздушных течений. В этой зоне выпадают самые обильные осадки. Когда воздух вынужден перетекать через высокие горные хребты (например, в Индии, Африке или на восточном побережье Австралии), количество осадков увеличивается. Только этим можно объяснить выпадение значительного количества осадков (до 12 м) в муссонных областях земного шара, в то время как в других районах Земли суммы осадков часто составляют лишь 2–3 мм.

Таким образом, мы убедились, что циркуляция, возникающая в протапливаемой комнате, не характеризует сложной структуры общей циркуляции атмосферы. Вероятно, более детальные исследования воздушных течений в стратосфере изменят представления об общей циркуляции, которые приняты в настоящее время.

„Кухня погоды"

В умеренных широтах, где господствует западный перенос, погода очень изменчива. Циклоны, перемещающиеся над Европой с запада на восток, зарождаются преимущественно над северными районами Атлантического океана. Эти районы являются для Европы своеобразной «кухней погоды». Впрочем, область повышенного давления (антициклон), которая располагается в «конских широтах» и способствует отделению теплого воздуха, идущего с юга на север, также может оказывать существенное влияние на характер погоды в Европе.

Некоторые циклоны формируются над восточным побережьем Северной Америки и над морями, омывающими Гренландию и Исландию. Третьим очагом возникновения циклонов является Средиземное море. Несколько десятилетий тому назад на основании результатов многочисленных метеорологических наблюдений удалось установить пути движения циклонов. Через Европу проходят пять основных траекторий циклонов, в большинстве над Скандинавским полуостровом. Лишь две траектории пересекают Центральную Европу. Одна из них от пролива Ла-Манш проходит через северные районы ФРГ и ГДР на Балтийское и далее на Белое море, другая от Средиземного моря идет через Австрию на Балтийское море. Прохождение этих циклонов вызывает разливы Эльбы, Одера и Вислы.

Наводнение 1954 г. на равнине началось после длительных дождей, выпадавших в передней части циклона, смещавшегося со Средиземного моря. Когда этот циклон продвинулся дальше, центральные районы ГДР оказались под воздействием зоны осадков, связанной с атмосферными возмущениями атлантического происхождения, перемещавшимися с запада на восток и задержавшимися над Центральной Европой.

Каждый циклон, движущийся на Европу с Атлантического океана, имеет свои особенности. Ни один циклон не является повторением другого. Тем не менее возникновение, развитие и разрушение всех таких атмосферных образований происходит по одним и тем же законам, которые были открыты 50 лет тому назад норвежским метеорологом В. Бьеркнесом. Они имеют иной характер, чем закономерности математики или физики, позволяющие заранее рассчитать какие-либо движения или колебания. При развитии циклонов взаимодействует большое число факторов, связанных с различными механическими и термодинамическими процессами в атмосфере. Поэтому невозможно с точностью до часа и минуты вычислить расположение, скажем, центра циклона на следующий день над Дувром или над Лондоном.

Очаги формирования воздушных масс и траектории их движения над Центральной Европой, по Шерхагу.

мАВ — морской арктический воздух, мУВ — морской умеренный воздух; смТВ — старый морской тропический воздух; нмУВ — нагревшийся морской умеренный воздух; мТВ — морской тропический воздух; кТВА — континентальный тропический воздух, идущий из Африки; мТВ — морской тропический воздух со Средиземного моря, кТВ — континентальный тропический воздух; нкУВ — нагревшийся континентальный умеренный воздух; кУВ — континентальный умеренный воздух; кАВ — континентальный арктический воздух; скТВ — старый континентальный тропический воздух.

Метеорологические условия в области циклона (схема).1 —траектория циклона; фронт: 2 — холодный, 3 — теплый; 4 — осадки; 5— ливневые осадки (дождь или снег); 6 — шквалы, 7 — обложные осадки (дождь или снег); 8 — сильное противоизлучение атмосферы (духота); 9 — сильный ветер; 10 — гроза; Р, П — рост и падение давления; УВ, ТВ, XB — воздушные массы умеренных широт, теплая и холодная; облака: Ас — высоко-кучевые. Ci — перистые (когтевидные).

Рассмотрим некоторые характерные свойства полярного циклона и связанные с ним явления. В развитии области пониженного давления различают стадию молодого циклона (или зародышевую), развитую стадию и стадию разрушения (или заполнения). Стадия молодого циклона проходит следующим образом. Когда рядом друг с другом перемещаются две воздушные массы, имеющие разную скорость, а также различную температуру, то на разделяющей их поверхности возникает волна. Нечто подобное мы наблюдаем, когда воздушный поток движется над поверхностью воды. Над зеркальной водной гладью воздух не может двигаться с какой угодно скоростью, не воздействуя на поверхность воды. После того как скорость воздушного потока превысит некоторое критическое значение, на воде появятся волны. Дальнейшее существование потока воздуха будет возможно только при условии некоторого равновесия между водой и воздухом. А оно как раз и достигается при волнообразной форме разделяющей их поверхности. Такие же волны возникают и в двух различных воздушных массах, перемещающихся рядом. Но длина воздушных волн в сотни тысяч раз превышает длину волн, распространяющихся по поверхности воды. Воздушные волны особенно заметны на полярном фронте, представляющем собой поверхность раздела между умеренным и тропическим воздухом. В зависимости от положения этого фронта волновые возмущения на нем могут возникать в районах Исландии, Британских островов или над Центральной Европой. Если две различные воздушные массы первоначально перемещались рядом друг с другом, то с появлением волн на разделяющем их атмосферном фронте они постепенно приобретают составляющие движения, направленные навстречу друг другу. Воздушная масса, располагавшаяся южнее полярного фронта, т. е. тропический воздух, начинает смещаться к северу, а масса, ранее лежавшая к северу от фронта, т. е. умеренный воздух, приобретает составляющую, направленную к югу. Поверхность раздела между тропическим воздухом и более холодным воздухом, лежащим впереди него, называется теплым фронтом. Эта поверхность расположена очень полого: на расстоянии 100 км от линии пересечения с поверхностью земли она поднимается на высоту примерно 1 км. Умеренный воздух, вторгающийся в более южные широты, тоже отделяется резко выраженной поверхностью раздела от более теплого воздуха, лежащего впереди него. Эта поверхность называется холодным фронтом. Угол наклона его составляет примерно 10°. На обеих поверхностях раздела, т. е. на теплом и холодном фронте, возникают резкие контрасты температуры и влажности воздуха, а также скорости и направления ветра. Чем больше эти контрасты, тем быстрее идет процесс образования волн на фронтальных поверхностях.

Стадии развития циклона от волны до высотного образования. УВ — умеренный воздух, ПФ — полярный фронт, ТВ — теплый воздух.

Воздушные массы постепенно смещаются навстречу друг другу и в конце концов начинают обходить друг друга с левым вращением, т. е. начинают двигаться против часовой стрелки. Точкой, вокруг которой вращаются обе воздушные массы, первоначально является точка сходимости обоих атмосферных фронтов — теплого и холодного. В этой точке происходит наибольшее падение атмосферного давления. Она является центром зарождающегося циклона. Если наблюдатель повернется спиной к ветру, то центр циклона будет находиться слева от него. Этот закон, называемый барическим законом ветра, или законом Бейс-Балло, является одним из основных положений метеорологии. В начавшей вращаться воздушной массе атмосферное давление продолжает падать и за 3 часа может понизиться на 5—15 мб.

По мере отсасывания воздуха снизу вверх и уменьшения давления первоначально слабовыраженная волна постепенно превращается в глубокий циклон. Теперь он достигает развитой стадии, которую можно назвать также главной. В этой стадии развития в циклоне обнаруживаются три наиболее типичные для него воздушные массы. Восточнее и северо-восточнее центра циклона воздух смещается на север. Южнее и юго-восточнее центра циклона тропический воздух тоже смещается к северу, т. е. поднимается в более высокие широты. Западнее и юго-западнее центра циклона холодный умеренный или арктический воздух с порывистыми северо-восточными ветрами прорывается далеко на юг. Восточная часть циклона обычно называется теплой передней его частью, а западная — холодной тыловой.

Барический закон Бейс-Балло: если стоять спиной к ветру, то центр циклона будет находиться слева и впереди наблюдателя. Стрелками показано направление ветра.

До сих пор мы рассматривали зародышевую и развитую стадии циклона совершенно схематично, не останавливаясь на характере погоды, сопутствующей этим стадиям. Представим себе, что мы наблюдаем за прохождением циклона, оставаясь все время в одном и том же месте земной поверхности, и что центр циклона перемещается с запада на восток по траектории, лежащей севернее нашего пункта. Тогда прохождение циклона представится нам в следующем виде. По мере того как теплый воздух будет совершать восходящее движение по клину холодного воздуха, внутри которого мы сначала находимся, атмосферное давление будет медленно, но неуклонно падать. При этом будет наблюдаться совершенно определенная система облачности. Предвестниками приближения теплого фронта при смещении циклона с запада на восток будут тонкие перистые и перисто-слоистые облака, в которых наблюдаются оптические явления — гало вокруг Солнца или Луны. Тонкие и прозрачные облака будут постепенно уплотняться и затем появятся облака, сначала имеющие вид мелких, а затем более крупных барашков. Наконец все небо затянется плотной пеленой слоистообразных облаков. Длинноволновое излучение таких облаков настолько велико, что летом часто появляется ощущение сильной духоты.

Разрез развитого циклона.

Теплый воздух начнет быстрее подниматься по расположенному перед ним клину холодного воздуха, а так как и сам он при этом непрерывно охлаждается, то содержащийся в нем водяной пар становится насыщенным и начинает конденсироваться. Вскоре выпадают осадки. Сначала это морось, но почти незаметно она переходит в слабый, а потом в сильный обложной дождь. Если фронт смещается медленно, то дождь может с небольшими перерывами продолжаться сутки.

Типичное распределение температуры воздуха с высотой в некотором пункте перед прохождением холодного фронта (прерывистая линия) и после него (сплошная линия).

Развитая стадия циклона протекает очень бурно. Циклон в этой стадии очень быстро движется над Европой. Наконец теплый воздух у земной поверхности полностью заменит находившийся перед ним холодный воздух, теплый же фронт окажется к востоку от нас, а мы очутимся в теплом секторе циклона. Тропический воздух простирается при этом от земной поверхности до верхней границы тропосферы. Поскольку внутри теплого сектора воздушная масса однородна, процесс образования осадков затухает и дождь постепенно прекращается. В теплом секторе преобладает приятная мягкая погода и даже ночное понижение температуры бывает незначительным.

Однако такая погода удерживается недолго. Умеренный воздух прорывается к югу и движется быстрее теплого воздуха, теплый сектор циклона постепенно становится все более узким. Наконец холодный воздух достигает и той точки, из который мы наблюдаем за движением циклона. На небе появляются тонкие когтевидные облака. Несведущие люди часто считают такие облака предвестником сильного ветра. Когда холодный воздух приблизится к нам на расстояние нескольких километров, мы увидим высокие облачные башни, которые могут быть предвестником грозы. Кто не следил за ходом погоды в течение хотя бы дня, может подумать, будто это явление местного характера, что скоро вновь покажется солнце. Но он ошибается. Высокие облачные башни свидетельствуют о приближении холодного фронта, т. е. пограничной поверхности, отделяющей холодный умеренный воздух от воздуха, находящегося в теплом секторе. Перед прохождением холодного фронта ветер внезапно стихает. Но иногда уже через несколько секунд разражается буря, которая может наделать много бед. При прохождении холодного фронта небо затягивается мрачными темными облаками. У резко выраженных холодных фронтов эти облака образуют один очень длинный грозовой вал. Атмосферное давление в момент прохождения фронта скачком возрастает. Шквалистый ветер и осадки придают небу хаотический вид. Из облаков теперь выпадает не мелкий обложной дождь, а ливень, состоящий из крупных капель, снежной и ледяной крупы или града. Ливневые и грозовые облака бывают настолько мощными, что могут резко уменьшить приход к земной поверхности и прямой, и рассеянной солнечной радиации. В таких случаях в городах даже в дневные часы приходится на некоторое время включать уличное освещение.

Изменение метеорологических элементов при прорыве холодного арктического воздуха гренландского происхождения. Холодный фронт прошел через Лейпциг 28 февраля 1959 г. в 12 час. 10 мин. по среднеевропейскому времени. С вторжением холодного воздуха атмосферное давление, которое перед этим непрерывно падало, начало быстро расти (а), температура воздуха резко понизилась на 9°(б), относительная влажность воздуха достигла 100 % (в), приход суммарной радиации тоже изменился и уменьшился почти до нулевого значения (а).

Грозы на холодных фронтах возникают не из-за перегрева приземного слоя атмосферы, а в результате резкого подъема теплого воздуха в более высокие слои с холодным умеренным воздухом вблизи тропопаузы. В связи с этим ночные и зимние грозы чаще всего происходят именно на холодных фронтах, простирающихся иногда от Скандинавии до Испании. Однако осадки холодного фронта обычно кратковременны. Вскоре после прохождения фронта облака разрываются. Но и при солнечной погоде температура воздуха уже не бывает такой высокой, как в теплом секторе. Даже летом она не превышает 20°. Арктический воздух обычно содержит очень мало пыли и поэтому пропускает на земную поверхность большое количество ультрафиолетовой радиации. При такой погоде в горах или на море можно легко получить солнечный ожог, даже если небо покрыто тонкими перистыми облаками. На море в арктической массе заходящее солнце кажется ярким огненным шаром. Зато в передней части циклона, где атмосфера сильно затуманена примесями, диск солнца вблизи горизонта совершенно невидим.

В случае когда холодный фронт смыкается с теплым, происходит вытеснение теплого воздуха вверх, т. е. окклюзия. Этим и заканчивается развитая стадия. Циклон переходит в последнюю стадию своего развития— стадию заполнения. Давление в центре его будет уже расти, а горизонтальные размеры станут очень большими — он может, например, охватывать пространство от Британских островов до Центральной Европы. Поскольку в циклон в высоких слоях атмосферы втягивается свежий арктический воздух, теперь он превращается в своеобразный холодильник в воздушном океане. На синоптической карте изобары, окружающие центр циклона и ранее имевшие грушевидную форму, становятся более или менее круговыми. По мере перемешивания различных воздушных масс в циклоне сглаживаются и температурные контрасты между западной и восточной его периферией. Тем самым прекращается дальнейшее поступление энергии и, следовательно, углубление циклона. В результате роста давления облака рассеиваются, солнечные лучи быстро нагревают земную поверхность и воздух, начинается улучшение погоды. Холодный воздух сохраняется только в средней и верхней тропосфере. Вместе с приземным воздушным течением он смещается с запада на восток. У земной поверхности циклон в барическом поле становится почти неразличимым, и лишь отдельные редкие ливни и грозы напоминают о том, что в высоких слоях атмосферы он еще не совсем заполнился.

Если атмосферное давление растет на очень обширной территории, например не только в Западной, но также в Центральной и Восточной Европе, погода вновь будет устойчивой. Наоборот, если над Атлантическим океаном и Западной Европой давление продолжает падать, можно ожидать возникновения серии новых циклонов, следующих друг за другом. В этом случае говорят о семействе циклонов, или о циклонической серии.

Читатель может теперь задать вопрос: при каких условиях все же устанавливается хорошая погода? До сих пор мы все время говорили лишь о дождях, ливнях, бурях. На территории, занятой циклоном или циклонической серией, тихая солнечная погода маловероятна. Однако в умеренных широтах погоду определяет не только «атлантическая кухня», но и область повышенного давления, располагающаяся в «конских» широтах. В районе Азорских островов формируются центры повышенного давления, которые затем смещаются к северо-востоку и часто останавливаются над Центральной Европой.

Иногда, правда, на северо-восток вытягивается лишь язык теплого воздуха, в котором формируется отрог повышенного давления. Если область или хотя бы отрог повышенного давления смещается на север или северо-восток, образуется некоторый барьер для западно-восточного переноса воздуха. Тогда этот перенос тоже смещается к северо-востоку. На западной периферии антициклона воздух течет на северо-восток, а на восточной — на юго-запад. Если Центральная Европа оказывается вблизи центра высокого антициклона, атмосферные возмущения (циклоны), смещающиеся с запада на восток, испытывают значительное ослабление. Атмосферные фронты как бы распадаются в периферийных частях антициклона, подобно тому как разбивается морской прибой у берегов, защищенных каменными дамбами.

Чтобы правильно понять процесс развития антициклона, нельзя рассматривать его изолированно. Дело в том, что этот процесс существенно зависит от интенсивности и других характеристик циклонов, располагающихся рядом с антициклоном. Антициклон, выделившийся из субтропического пояса повышенного давления, оказывает длительное воздействие на характер погоды именно тогда, когда устойчиво сохраняются соседние с ним циклоны.

Чем больше скорость южного ветра на западной периферии антициклона, тем интенсивнее перенос теплого воздуха в средней тропосфере, тем устойчивее антициклон в Центральной Европе. Существуют, например, такие типы погоды, при которых интенсивный заток теплого воздуха на Британские острова сопровождается морозами в Центральной Европе. Из этого видно, что в атмосфере уравновешиваются и поддерживают друг друга некоторые прямо противоположные погодные тенденции. Когда центральный циклон над Англией заполняется, в большинстве случаев вскоре разрушается и антициклон над Центральной Европой. Точно так же и циклон не мог бы долго оставаться на одном месте, если бы он не получал мощной поддержки антициклона.

Антициклон может в течение многих дней оставаться над Центральной Европой или же постепенно смещаться на восток или на юг. Атмосферное давление при этом постепенно понижается. Так же ведет себя и температура тропосферы в зоне этого антициклона. Наконец антициклон направляется на юг, где снова соединяется с породившим его субтропическим поясом повышенного давления. В ходе этого процесса перемещаются также и соседние циклоны, а поле западных ветров постепенно возвращается в исходное положение, т. е. ветры снова дуют вдоль широтных кругов. При этом в Центральную Европу возвращаются атмосферные фронты и период хорошей погоды заканчивается.

Часто антициклон, движущийся из субтропического пояса повышенного давления, усиливается за счет притока вслед за ним теплого воздуха из субтропиков. Развитие описываемого процесса приводит к стабилизации барического поля. Чем интенсивнее приток теплого воздуха, тем дольше удерживается хорошая погода в районах Центральной Европы.

Рассмотрим вид антициклонов, которые в холодное время года приносят тихую сухую погоду. Они появляются лишь при сильном выхолаживании всего Евразийского континента и особенно нижней и средней тропосферы в районах Сибири и Арктики. Массив холодного воздуха становится здесь настолько мощным, что начинает растекаться в стороны и может достичь даже Европы. Если антициклоны, приходящие из района Азорских островов, являются теплыми в пределах всей тропосферы, то холодные антициклоны не бывают во всей тропосфере холодными. Над нижним слоем холодного воздуха, высота которого часто составляет лишь несколько километров, располагается воздух, который не холоднее воздуха, находящегося над Западной и Южной Европой. Такой холодный антициклон не отклоняет пояса западных ветров от первоначального положения. На высотах более 5 км характер ветрового режима такой, будто никакого холодного воздуха в нижней тропосфере вовсе не имеется. Следовательно, холодный антициклон формируется под воздействием не особого ветрового режима в средней тропосфере, как субтропический антициклон, а тяжелого холодного воздуха нижней тропосферы. В наиболее суровые зимы отроги холодного сибирского антициклона месяцами удерживаются над Европой, включая даже районы Италии и пролив Ла-Манш. Чем интенсивнее при этом поток холодного континентального воздуха, тем дольше сохраняется тихая сухая погода.

Возможно, читателя заинтересовал вопрос: почему при антициклоне обычно бывает хорошая погода?

Существенное различие между циклоном и антициклоном состоит в том, что атмосферные фронты в циклоне усиливаются, а в антициклоне ослабевают или даже размываются. А так как именно на атмосферных фронтах явления погоды наиболее резко выражены, в области циклона мы постоянно встречаемая с дождливой и ветреной погодой, в антициклоне же преобладает тихая и в большинстве случаев ясная погода. Однако осадки выпадают не только на атмосферных фронтах. Следовательно, выпадению осадков в антициклоне препятствует какой-то процесс. По результатам радиозондирования удалось изучить распределение температуры в тропосфере, т. е. ее термическую стратификацию, и объяснить причины хорошей погоды в антициклоне.

Дело в том, что в центре антициклона господствует нисходящее движение — воздух из верхней тропосферы опускается в среднюю и даже в нижнюю тропосферу. Поскольку атмосферное давление наиболее велико у земной поверхности и с высотой непрерывно убывает, то при опускании воздух как бы сжимается. В связи с этим температура его повышается на 1° при опускании на каждые 100 м. Возникает так называемая инверсия оседания. Температура воздуха на высоте, скажем, 600 м может оказаться на 10° и более выше температуры у поверхности земли. Это имеет большое значение для развития облачности в антициклоне.

Как уже говорилось, большой приход солнечной радиации к земной поверхности обусловливает нагревание воздуха в нижнем слое. Удельный вес нагретого воздуха уменьшается, и теплые струи поднимаются в более высокие слои атмосферы. Чем выше поднимается воздух, тем сильнее он охлаждается, и на высоте, на которой водяной пар может конденсироваться, происходит образование облаков. Но если на высотах 600— 1000 м, т. е. в слое, где образовалась инверсия оседания, температура выше, чем у поверхности земли, восходящее движение воздуха быстро прекращается, так как он оказывается более холодным, чем окружающий его воздух. Слой инверсии становится по отношению к восходящему воздуху задерживающим слоем.

Если восходящее движение воздуха прекращается ниже уровня конденсации, то облака не возникают. Поэтому и зимой, и летом в области повышенного атмосферного давления обычно преобладает тихая ясная погода. Колебания температуры воздуха от дня к ночи при этом очень велики. Только на периферии антициклона сохраняется сплошной облачный покров и местами выпадают осадки. Поэтому-то во время отпуска мы радуемся, когда в сводке погоды говорится о предстоящем усилении антициклона, который будет обусловливать своим влиянием погоду в ближайшие дни.

Однако мы должны помнить, что осадки, необходимые для увлажнения почвы и для роста сельскохозяйственных культур, в достаточном количестве выпадают только в циклонах. Поэтому нам не следовало бы говорить о том, что с циклонами связана плохая погода. Под воздействием областей повышенного атмосферного давления постоянно находятся многие районы земного шара. Вспомним о малонаселенных тропических широтах, в которых пояс высокого атмосферного давления препятствует выпадению осадков. В этих странах люди бывают счастливы, когда барическая ложбина, т. е. полоса пониженного давления, приносит долгожданный дождь.

Если атмосферное давление падает, это служит признаком разрушения антициклона.

Жизнь человека и многие явления окружающего нас мира так или иначе связаны с погодой. Так, вся живая природа приспосабливает фазы своего развития к ходу погодных процессов. Если явления погоды не сильно отклоняются от многолетних средних характеристик, то такие явления, как вскрытие почек на деревьях, высиживание птенцов скворцами или отлет диких гусей в жаркие страны, тоже происходят в более или менее определенные календарные сроки. Но животные и растения не могут приспособиться к таким колебаниям, как сильные оттепели среди зимы.

Из истории известны такие годы, когда в январе зацветали деревья, птицы высиживали птенцов, а перед новым годом можно было купаться в реке. В 1186 г. в мае уже шла жатва хлебов, а в июле созрел виноград. Но известны и такие годы, когда холодный северный воздух так долго удерживался над Центральной Европой, что половодье на Эльбе и Одере, связанное с весенним таянием снега, заканчивалось лишь в конце августа, а через несколько недель возобновлялось в связи с выпадением обильных осенних осадков в горных районах.

Теперь, когда мы рассмотрели процессы возникновения циклонов и антициклонов, определяющих развитие погоды, и побеседовали о часто встречающихся в природе аномалиях погоды, уместно наконец поставить вопрос о том, что же вообще представляет собой погода.

Метеорологи определяют погоду как результат взаимодействия отдельных метеорологических элементов или как состояние атмосферы в данный момент в определенном месте. Таким образом, в метеорологических определениях понятия «погода» обращается внимание на то, чтобы по возможности конкретизировать это довольно расплывчатое понятие, и на то, чтобы исключить из него все явления, происхождение которых не связано с атмосферой.

Под погодой понимают изменение всех метеорологических элементов, причем если в каком-либо комплексе изменится лишь один из элементов, то это часто заметно изменяет весь характер погоды. Возможно, например, что два атлантических циклона, характеризующиеся на первый взгляд очень сходными барическими полями, в действительности создадут совершенно разный характер погоды.

Многие связывают представление о погоде не столько с физическим состоянием атмосферы, сколько с взаимодействием между атмосферой и живой и неживой природой. Поэтому говорят о хорошей или плохой погоде, смотря по тому, благоприятна она или неблагоприятна для человека. Нервного больного интересует не столько прогноз прихода бури или выпадения осадков, сколько те боли, которые он начинает испытывать при приближении атмосферного фронта. Для него был бы гораздо важнее прогноз такой погоды, которая позволила бы ему избавиться от этих болей. Таким образом, отдельными людьми понятие «погода» воспринимается весьма субъективно. Тем не менее одной из дальних целей метеорологии действительно является не только правильное предсказание состояния атмосферы, но и предвидение взаимодействия между атмосферой и окружающей природой. Лишь тогда, когда эта цель будет достигнута, предсказание погоды приобретет еще большее значение в практической деятельности человека. Начало этому уже положено.

Вспомним хотя бы прогнозы состояния дорог в зимнее время года, сводки погоды для сельского хозяйства, обзоры погоды для рыболовного промысла, предсказание погоды для строительных организаций и т. д.

Ураганы

Ежегодно тысячи людей становятся жертвами различных стихийных бедствий — землетрясений, извержений вулканов и т. п. Много людей гибнет и по вине разбушевавшегося воздушного океана. По грубым подсчетам, грозные явления погоды ежегодно оставляют без крова до полумиллиона человек. Самое ужасное атмосферное явление — тропические ураганы. Когда они перемещаются с моря на сушу, путь их напоминает поле страшной битвы. В настоящее время нет точных данных ни об энергии сильных ураганов, ни о скорости ветра в них, так как при их прохождении метеорологические приборы для измерения скорости ветра большей частью выходят из строя.

Различают два вида вращающихся атмосферных вихрей: торнадо (смерчи) и тропические ураганы (бури). Оба вида атмосферных возмущений производят сильнейшие разрушения. Однако причины возникновения и процессы развития их различны.

Торнадо представляет собой воздушный вихрь, который в виде вращающейся воронки опускается из облаков и через несколько минут достигает земной поверхности. Этот вращающийся вихрь, называемый также тромбом, существует от пяти секунд до нескольких часов. Скорость ветра во вращающемся хоботе, диаметр которого достигает 100 м, бывает столь огромной, что ее не удается измерить обычными приборами. Тяга, развивающаяся в центре торнадо, часто может быть оценена только косвенно, по воздействию, которое вихрь произвел на все, что находилось на его пути. Давление ветра в торнадо может в 100 раз превышать давление ветра, имеющего скорость 10 м/сек. Поэтому не приходится удивляться тому, что автомашины, попавшие в торнадо, относило на несколько сотен метров в сторону, людей выбрасывало (как бы высасывало) через окна помещений наружу, а баллоны с газом лопались из-за резкого понижения внешнего давления. В южных широтах США от торнадо за последние 30 лет погибло около 8000 человек.

Когда торнадо движется над морем, с поверхности поднимается высокий столб воды. Мореплаватели утверждают, что ночью такой водяной столб часто бывает виден на очень большом расстоянии. Он кажется светлым и равномерно освещенным со всех сторон. Как выяснилось, это некогда таинственное световое явление объясняется фосфоресцированием микроорганизмов, поднятых торнадо с поверхности моря вместе с водой.

Тропические ураганы (бури) представляют собой типично морское явление. Они возникают преимущественно осенью в тропических широтах. Энергию они черпают из теплого морского воздуха. Они представляют собой небольшие по площади, но очень интенсивные циклоны, скорость ветра в которых достигает 400 км/час. В центре такого урагана атмосферное давление может упасть до 680 торр, что значительно меньше, чем в обычных циклонах.

Тропические ураганы возникают главным образом на границе между различными воздушными массами. Новейшие исследования показывают, что в их формировании принимает участие даже холодный воздух умеренных широт. Когда осенью при расчленении субтропического пояса повышенного давления этот воздух втягивается в пассатную циркуляцию, скачки температуры и влажности на границах между воздушными массами становятся особенно резкими. На земном шаре шесть районов являются очагами зарождения таких ураганов: Вест-Индия, севернее Антильских островов; район островов Зеленого Мыса; Филиппины и Япония (здесь они называются тайфунами); Бенгальский залив (циклоны); район Мадагаскара (ураганы Маврикия) и, наконец, Австралия (вилли-вилли). Как в северном, так и в южном полушарии тропические ураганы сначала смещаются навстречу общему направлению воздушного потока, т. е. на запад, а затем в северном полушарии меняют направление на северное, а в южном — на южное. В конце концов они вливаются в общий западный перенос умеренных широт и вместе с ним перемещаются на восток. Двигаясь над северными районами Атлантического океана, ураганы большей частью значительно ослабевают еще до прихода к побережью Европы.

Круговой вихрь, каким является тропический ураган, имеет в центре глаз бури; это штилевая и безоблачная зона диаметром от 20 до 50 км. Теоретические исследования пока еще не дали удовлетворительного объяснения возникновения глаза бури. По-видимому, воздушное течение, направленное к центру вихря, достигает столь большой скорости, что развивается колоссальная центробежная сила, не дающая этому течению добраться до центра. Воздух движется при этом так же, как автомобиль, который при крутом повороте на большой скорости может быть сброшен с дороги огромной центробежной силой.

Районы действия тропических ураганов (по Брайссинг-Молдау). Такими районами являются побережья континентов в тропических и субтропических широтах.

Глаз бури первоначально исследовался с самолетов лишь на малых высотах, т. е. между нижней границей облачности и поверхностью моря. В настоящее время самолеты нередко перелетают зону глаза бури сверху, на высоте около 6 км, и сбрасывают на парашюте метеорологический зонд. Во время падения он передает на Землю радиосигналы, характеризующие атмосферное давление и влажность воздуха на высотах. Таким способом можно измерить, в частности, давление в центре вихря.

Направление и скорость ветра в тропическом урагане изучаются следующим методом. С помощью доплеровского радара, находящегося на борту самолета, могут быть точно измерены характеристики его движения (скорость, высота полета и т. д.). Для этого с разных сторон самолета радиолокаторами излучаются к поверхности моря высокочастотные импульсы. Отразившись от поверхности, эти импульсы возвращаются на самолет тем позднее, чем больше скорость его полета. Поскольку собственная скорость известна, дополнительная скорость может быть вызвана только воздействием воздушного течения.

Тропические ураганы вызывают большие опустошения. В 1954 г. в Японии тайфун Мария лишил крова около 100 000 человек. Большой паром «Тоя-Мару», на борту которого находилось 1220 пассажиров, затонул в течение нескольких минут. Спаслось лишь 155 человек. Во время прохождения тайфуна Вера в сентябре 1959 г. в японском порту Исокава погибло более 4500 человек. Эти катастрофы были вызваны не только ветровым давлением тайфунов, но и порождаемой ими высокой приливной волной, смывающей все, что встречается на ее пути. В центре тайфуна господствует очень низкое атмосферное давление, которое приподнимает поверхность воды в океане и придает ей форму пологой водяной горы. Если в открытом море возникновение подобной водяной горы мало заметно, то на побережье она может вызвать большие неприятности. Диаметр водяной горы составляет от 10 до 30 км. Ее энергия реализуется лишь тогда, когда эта гора сжимается, проникая в какую-либо узкую морскую бухту, в небольшой залив или пролив. В 1737 г. при прохождении тайфуна над Нижней Бенгалией высота приливной волны в Бенгальском заливе достигала 12 м. Погибло 20 000 крупных и мелких судов. Без крова осталось 250 000 человек. Столько же людей было смыто в море. Когда в 1876 г. ураган пронесся над устьем Ганга, высота приливной волны здесь достигла 14 м. При этом смыло в море около 100 000 человек.

Неизменно возникает вопрос: какие меры принял человек для защиты от стихийных бедствий? Можно ли вообще защититься от них?

В XV в. в Европе уже знали о тропических ураганах, но сведения об их силе были очень противоречивыми. Ведь тогда еще не велись одновременные метеорологические наблюдения во многих пунктах, как это делается в наши дни. Если раньше одновременно в нескольких районах океана возникало несколько ураганов, их часто принимали за один ураган, охватывающий сразу весь океан. Первая встреча европейцев с тропическими ураганами произошла в 1495 г., во время плавания Колумба в Америку. Он потерял при этом три корабля. Бодаделли, нагрузивший в Вест-Индии свои корабли богатой добычей и возвращавшийся в 1502 г. в Европу, также вскоре после выхода из гавани попал в шторм. Его корабли, за исключением одного, утонули. Так европейцы впервые узнали силу тропических ураганов.

В XIX в. между метеорологами разгорелся горячий спор, являются ли тропические ураганы обычными циклонами или какими-то другими атмосферными образованиями. Этот вопрос мог быть разрешен лишь в, случае создания специальной штормовой службы, которая занималась бы систематическим изучением тропических бурь. Между тем уже начали появляться первые книги о том, как должен маневрировать корабль, застигнутый тропическим ураганом. Рекомендовалось прежде всего организовать на каждом корабле наблюдения за атмосферным давлением, ветром и облачностью, чтобы заблаговременно заметить приближение урагана и принять меры, позволяющие уклониться от встречи с ним. Если все же корабль оказывался настигнутым ураганом, ему рекомендовалось держать курс перпендикулярно направлению ветра.

В начале нашего столетия на побережьях были организованы специальные наблюдательные станции и служба штормовых оповещений. Мореплавателям было вменено в обязанность немедленно сообщать о своих наблюдениях над ураганами. В 1937 г. американский конгресс одобрил план посылки в районы тропических ураганов специальных особо устойчивых кораблей для проведения метеорологических наблюдений. Этот план встретил возражения: преднамеренное введение корабля в районы с разбушевавшейся стихией рассматривалось как самоубийство. В таких областях наблюдались волны высотой до 65 м!

Однако судовые наблюдения, не говоря уже о трудности проведения их на борту корабля, давали лишь характеристику явлений в самых нижних слоях.

Зато достаточно надежным средством проникновения внутрь урагана оказался самолет. Вдохновленные мужественными полетами Линдберга, который в 1927 г. впервые пересек Атлантический океан, и адмирала Бэрда, достигшего на самолете Южного полюса, во время второй мировой войны два американских летчика совершили (без ведома своего командования) полет в тропический ураган. Они пролетели через глаз бури и впервые наблюдали вертикальные движения воздуха в таком урагане.

В обязанность ВВС США входит выяснение состоя* ния тропических бурь, приходящих на побережье. С борта самолета результаты наблюдений немедленно передаются по радио на опорные станции в Атлантическом океане, на Бермудских островах и в г. Майами (штат Флорида, США). Местоположение и траектория урагана через каждые 6 часов передаются радиостанцией Вашингтона в эфир. Это дает возможность кораблям, находящимся в море, вовремя изменить курс и избежать встречи с ураганом.

Другим методом исследования тропических ураганов является подъем на ракете или на самолете и затем сбрасывание падающего зонда.

Методов прямого воздействия на тропические ураганы до настоящего времени еще не существует. Энергия их слишком велика, и человек пока еще не может изменить путь урагана или разрушить его полностью. Известный «охотник за ураганами» Гордон-Клоузер, который с необычайным упорством пытался решить проблему искусственного вызывания осадков и имел для этого целую эскадрилью самолетов, собирался провести свои эксперименты также и в тропическом урагане. Он рассчитывал, что сможет путем засева в облака йодистого серебра вызвать досрочное выпадение града[29]. Но во время одного из полетов в область тропического урагана он погиб.

У тех, кто „делает погоду“

Почти никогда один день не бывает совершенно похож на другой. Кажется, будто погода имеет бесконечное число разных вариантов и почти никогда не повторяется. Едва лишь тишина и солнце успокоят человека и окружающую его природу, как вновь раздаются стоны деревьев под порывами бурного ветра. Только метеорологи могут предсказать развитие событий в атмосфере. Не следует обижаться на них, если они иногда несколько ошибаются в своих прогнозах, особенно если эти прогнозы настраивают вас на минорный лад, а погода развивается в мажорном духе.

Побываем в рабочем кабинете того, кто «делает погоду» на завтра, т. е. сопоставляет различные данные о будущем ходе погоды. Мы здороваемся с синоптиками под треск телетайпов, непрерывно отстукивающих пятизначные числа на бесконечной бумажной ленте. Все здесь происходит в стремительном темпе. Персонал бережет каждую минуту драгоценного времени. Сюда, в бюро погоды, стекаются сообщения о погоде из всех сколько-нибудь важных пунктов северного полушария. Чтобы оценить все эти многочисленные сведения, их наносят на карты. Так, например, на рабочем столе синоптика, работающего в наших районах, мы большей частью находим карту погоды для всей Европы. Это не обычная географическая карта, а скорее схема, имеющая формат небольшого стола. На ней напечатаны градусная сетка, контуры континентов и множество пронумерованных кружочков. Эти кружки указывают местоположение станций. Ради удобства вместо географических названий используются условные номера станций. Все метеостанции земного шара объединены в большие группы, местоположение которых не всегда совпадает с границами государств, и пронумерованы по определенной системе. Так, например, метеостанции Чехословакии и Австрии объединены в общую группу 11, а метеостанции Франции образуют группу 07. В бюро погоды все данные о погоде шифруются по специальному коду, причем местоположение метеостанций характеризуется номером группы и номером самой станции. Так, например, пятизначное число 10453 означает, что речь идет о станции 453, расположенной в ГДР на горе Брокен.

Техники-наносители наносят на карты погоды метеорологические данные, т. е. результаты метеорологических наблюдений, поступающие в бюро погоды по телеграфу или телетайпу. Вскоре рабочая карта погоды превращается в непонятный для непосвященного хаос цифр и значков. Эти цифры и значки заключают в себе труд тысяч метеонаблюдателей, которые примерно за 1,5 часа записали в свои наблюдательские книжки облачность и значения других метеоэлементов — атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, ветра и т. д., закодировали эти данные и передали их в бюро погоды. Метеорологические наблюдения проводятся повсюду на земном шаре, в том числе и на недоступных просторах Антарктиды, где наблюдатели, не щадя своих сил, выполняют эти наблюдения со столь же высокой точностью, с какой ведутся они, скажем, на борту кораблей погоды в бурном океане в районе Исландии.

Специальный анализ карты погоды, составленной по данным отдельных станций, позволяет метеорологу увидеть в хаосе цифр вполне определенную систему. Так, например, всю область, в отдельных пунктах которой отмечено выпадение осадков, он покрывает зеленым цветом. Зоны тумана отмечает желтым цветом, а точки с одинаковым атмосферным давлением через каждые 5 мб соединяет линиями, называемыми изобарами. Поэтому на синоптической карте мы видим изобары, только кратные 5, например 995, 1000, 1005, 1010 мб и т. д. Когда изобары проведены, выявляются области повышенного и пониженного атмосферного давления, ложбины и гребни, т. е. барические системы, которые оказывают влияние на погодообразующие процессы.

Тесной и прямой связи между атмосферным давлением и ходом погоды не существует. Но имеется связь между давлением и движением воздуха. Если рассматривать ход изобар в высоких слоях атмосферы, можно выявить закономерности, связывающие расстояние между изобарами и их кривизну со скоростью и направлением ветра в этих слоях. С помощью циркуля и логарифмической линейки можно предвычислить ветровой режим и перемещение атмосферных фронтов, движущихся вместе с воздушными течениями. Таким образом, целью синоптического анализа становится, в сущности, выявление зон осадков, областей падения и роста атмосферного давления и других метеорологических факторов. В результате анализа делается предположение о будущем ходе погоды.

Важной предпосылкой успешного прогноза погоды является фронтолопический анализ, т. е. выявление поверхностей раздела между различными воздушными массами. При хорошо развитом циклоне это не так трудно, как при областях пониженного давления в зародышевой стадии, когда во фронтальной зоне еще нет заметного изменения метеорологических явлений. В развитых циклонах положение атмосферных фронтов совпадает с зонами осадков или с зонами, в которых резко меняется давление, видимость, а также упругость водяного пара. В тех местах, где ветры дуют навстречу друг другу, метеоролог с большой уверенностью предполагает существование атмосферного фронта. Если волна только начинает формироваться, заметить ее довольно трудно. Лишь очень опытный метеоролог может, тщательно анализируя все данные о погоде, своевременно обнаружить такую волну и связанные с ней будущие атмосферные фронты.

Кроме приземной карты погоды, синоптик пользуется еще высотными картами. Эти карты дают представление о среднем распределении температуры и о полях воздушных течений на разных высотах. С помощью специальных диаграмм, на которые наносятся результаты радиозондирования атмосферы, синоптик получает сведения о характере вертикального распределения температуры в атмосфере, т. е. о температурной стратификации. На стенах его кабинета висят карты тенденции, на которые нанесено изменение при земного давления за последние три часа и за последние сутки. На одной из таких карт синоптик может увидеть, например, усиление переноса тепла в районе Исландии. По карте грозовой тенденции он может установить районы, благоприятные для формирования гроз, и т. д.

Во время работы метеоролог не имеет возможности подолгу задерживаться у каждой карты. В кабинете непрерывно звонит телефон. «Будет ли футбольный матч опять проходить под дождем?»— беспокоятся спортсмены. Они думают, что метеоролог должен это знать еще за три дня до матча. В большинстве случаев метеоролог может предсказать, например, предстоящее усиление ливневой деятельности, но указать место или время выпадения дождя за три дня вперед он не может. Затем приходит запрос из МТС: скоро ли закончатся дожди в горном районе, где тракторы застревают на пашне. Если осадки будут продолжаться, диспетчер должен перестроить план обеспечения полевых работ техникой. Планеристы желают знать, кучевая или слоистая облачность будет на следующий день.

Все хотят получить от синоптика точный ответ на свои вопросы. Люди приспосабливаются к погоде, предсказанной синоптиком. Вероятность дальнейшего развития погоды каждый потребитель оценивает применительно к области своей деятельности. Часто неправильное планирование работы определенных отраслей народного хозяйства в результате неверного прогноза погоды или неправильного его истолкования может привести к миллионным убыткам. В метеорологическом обслуживании нуждаются не только сельское хозяйство и промышленность. Кораблевождение, авиация, автотранспорт, а также ряд организаций, например, спортивные, тоже заинтересованы в регулярном получении узкоспециализированных метеорологических прогнозов. Особенно быстрого метеорологического обслуживания требует авиация.

Каким же образом метеоролог, используя синоптическую карту, разрабатывает прогноз погоды? Перед ним встает вопрос: как будут в дальнейшем перемещаться антициклоны, а также бесчисленные циклоны и связанные с ними атмосферные фронты? Легче всего это установить, если на высотах наблюдается общий перенос воздуха с Атлантического океана на районы Центральной Европы. В этом случае атмосферные возмущения смещаются довольно быстро. Существует целый свод правил, определяющих местоположение этих возмущений на следующий день. Так, например, известно, что над поверхностью моря барические образования перемещаются со скоростью, равной половине скорости ветра на высоте 5500 м. При движении воздуха с запада на восток гребни высокого давления через 24 часа займут район, в котором накануне, например, находился циклон. Если сравнить положение центра циклона на наземной синоптической карте и на высотах, то можно получить представление о наклоне оси циклона в пространстве. Наклон оси также позволяет установить, находится ли циклон в развитой стадии или разрушается и потому будет оставаться на том же месте.

Советская метеорологическая ракета.

Годичные кольца сосны. По ним можно проследить за периодичностью осадков, связанной с пятнообразовательной деятельностью Солнца.

Солнечные зеркала, установленные в Пиренеях и нагревающие солнечными лучами плавильную печь. Параболическое зеркало.

Пиранометр. Под действием прямой и рассеянной солнечной радиации зачерненные и белые клетки нагреваются неодинаково. Разность температуры спаев термоэлемента измеряется или записывается.

Параболическая антенна радиотелескопа для наблюдений за вспышками на Солнце. Наблюдения с помощью такого телескопа можно проводить даже при пасмурном небе (фото агентства Центральбильд).

Видимое изображение Солнца вблизи горизонта часто искажается из-за неодинакового преломления лучей различной длины волны. Слева заход солнца в морском тропическом воздухе, справа — в морском арктическом воздухе.

Схема различных типов гало.

Правила, которыми пользуется метеоролог, позволяют построить прогностическую карту погоды или графическим методом, или с помощью электронных вычислительных машин. Там, где имеются машины, перемещение барических полей в атмосфере вычисляется следующим образом. Вся территория Атлантического океана и Европы на карте покрывается определенной сеткой. По атмосферному давлению на сухопутных станциях и на кораблях погоды вычисляется предстоящее изменение давления во всех точках пересечения (узлах) такой сетки. Изменения давления, называемые барическими тенденциями, вводятся в блок команд электронного мозга. Электронная вычислительная машина в зависимости от продолжительности интервала, на который требуется составить прогноз, должна для каждой из 1200 точек пересечения проделать все вычисления 10–20 раз. Современные вычислительные машины могут в течение одной секунды сложить около 10 000 восьмизначных чисел. Для простого предвычисления будущего поля давления электронной вычислительной машине потребуется 1/4 часа. Конечный результат, который выдаст машина, — это отпечатанная прогностическая карта.

Возникает вопрос: почему же при столь четкой организации международной метеорологической службы все же встречаются неудачные прогнозы? Этот вопрос должен быть отнесен не столько к организационной стороне метеорологической службы, сколько к научным основам современных методов прогнозирования погоды.

Термодинамические процессы в атмосфере и радиационный режим еще не могут учитываться при выполнении расчетов. Это связано, во-первых, с тем, что во многих пунктах земного шара пока еще ведутся не систематические наблюдения за радиационным и тепловым балансом. Во-вторых, если бы систематические наблюдения и проводились, учет их результатов привел бы к почти безграничному увеличению числа необходимых вычислительных операций. Кроме того, строящиеся на прогностических картах линии возмущения можно лишь с некоторой осторожностью принимать за поверхности раздела, имеющие погодообразующее значение. Так, например, холодный фронт, который сегодня проходит от Норвегии или Франции до Испании и представляет собой единую полосу гроз, может завтра перестать как-либо влиять на погоду. Наоборот, иногда поверхность раздела между различными воздушными массами, выраженная сначала совсем слабо, может дать осадки над значительной частью Центральной Европы.

Оправдываемость суточных прогнозов погоды составляет в настоящее время 85 %. Повышение оправдываемости прогнозов при современных методах прогнозирования может быть достигнуто только путем расширения сети метеорологических станций и пунктов радиозондирования.

Кроме прогнозов погоды на одни сутки, составляют также прогнозы средней продолжительности. Они разрабатываются уже не в кабинете синоптика, ведущего оперативное обслуживание народного хозяйства, авиации и т. п., а в других помещениях, где имеются таблицы и синоптические карты прошлых лет. В прогнозе средней продолжительности (на 1–7 дней) нельзя точно указать время наступления и интенсивность того или иного метеорологического явления. При составлении прогноза средней продолжительности рассматривается лишь тенденция к потеплению или похолоданию, увеличению или уменьшению вероятности выпадения осадков и т. п. Чтобы сделать заключение, из синоптических карт за прошлые годы выбираются все карты, на которых синоптическое положение было сходным с положением в данное время. Затем из числа отобранных карт производится еще одна выборка: отбираются все карты, по отношению к которым предшествующее развитие погодообразующих процессов также было аналогично нынешнему их ходу. Если эти условия выполнены, делают с некоторыми оговорками вывод, что будущее развитие погоды пойдет так же, как в отобранных случаях, независимо от того, наблюдалось это 2 года или 8 лет тому назад.

Существуют и другие методы составления прогнозов средней продолжительности, учитывающие физическое состояние атмосферы в исходный момент. Прогноз средней заблаговременности, основанный на таких методах, бывает успешным, если зональная циркуляция не перестраивается на меридиональную или наоборот.

Составление долгосрочного прогноза погоды опирается уже не только на сопоставление карт с аналогичным синоптическим положением, но еще и на учет многолетних колебаний атмосферного давления, охватывающих значительную часть земной поверхности. В результате многолетних наблюдений сведения о географическом распределении средних значений атмосферного давления в отдельные месяцы довольно точны. Так, если осенью над центральными и восточными районами Атлантического океана атмосферное давление будет значительно отличаться от среднего многолетнего, то это неизбежно окажет влияние на характер будущей зимы. Следовательно, рассматривая осеннее распределение атмосферного давления за прошлые годы, можно дать прогноз погоды на следующую зиму. Тахой метод аналогов не может объяснить причины возникновения колебаний в ходе погоды, но он позволяет предсказать, суровой или мягкой будет зима, сухим или дождливым — лето и т. п. Таким образом, краткосрочный прогноз погоды составляется с учетом только исходного синоптического положения, прогноз средней продолжительности учитывает крупномасштабные особенности этого положения, а долгосрочный прогноз — изменение общей циркуляции атмосферы за предшествующее полугодие на обширной части земной поверхности.

При долгосрочном прогнозе погоды воздушная оболочка рассматривается как некоторая колебательная система, в которой волны атмосферного давления в разные отрезки времени располагаются симметрично относительно определенных моментов. Колебания атмосферного давления происходят примерно в одни и те же дни, хотя в разные годы эти дни приходятся на различные календарные даты. Когда в ходе атмосферного давления удается обнаружить моменты, относительно которых колебания давления симметричны, то по предыдущему ходу давления легко предсказать и последующие его изменения. Однако колебания атмосферы происходят через неодинаковые отрезки времени. Так, например, колебание с 12-дневным периодом может смениться колебанием 28-дневного периода. Поэтому в момент перехода от одного колебания к другому симметрия нарушается и, прежде чем строить долгосрочный прогноз погоды, нужно дождаться нового состояния атмосферы. Данный метод долгосрочного прогноза иногда может давать удовлетворительные результаты на протяжении многих недель, а затем оказаться совершенно непригодным.

Новейшие исследования подтвердили, что общий характер погоды в течение года зависит от пятнообразовательной деятельности Солнца. В частности, хорошо оправдавшийся прогноз засушливого лета 1959 г. был составлен с учетом ритмов солнечных пятен.

Если долгосрочные прогнозы погоды еще не оправдываются так же хорошо, как краткосрочные, то это объясняется не отсутствием хорошей методики прогнозирования, а недостаточными рядами метеорологических наблюдений, чтобы иметь возможность вскрыть все закономерности атмосферных процессов.

Итак, посетив бюро погоды, мы увидели, что при составлении прогноза погоды метеоролог не просто высказывает свои догадки о будущей погоде, а опирается на закономерности физических процессов в атмосфере. Качество прогнозов погоды зависит от качества метеорологических наблюдений, от быстроты передачи полученных результатов, от уровня развития используемой техники и, наконец, от опыта синоптика.

Человеку свойственно преувеличивать число ошибочных прогнозов погоды, поэтому, к сожалению, синоптиков чаще ругают за неудачные прогнозы, чем находят слова одобрения, чтобы отметить сравнительно высокую оправдываемость прогнозов погоды.

Каждый вечер мы видим дежурного синоптика на экране телевизора и внимательно слушаем прогноз на завтра. Если бы мы попросили радиокомментатора так же определенно высказаться о политических или хозяйственных событиях завтрашнего дня, то он счел бы это либо шуткой, либо грубым личным оскорблением. Но ведь задача метеоролога, состоящая в том, чтобы предсказывать события в воздушном океане, часто бывает ничуть не проще!

От добросовестного заблуждения к сознательному обману

До нас дошли мифы о погоде и заклинания дождя, созданные народами давно исчезнувших цивилизаций. В грозных явлениях природы — извержениях вулканов, вспышках молний, выпадении обильных дождей — наши предки видели безграничную власть божественных сил. Когда засуха губила урожай на полях, то призывали на помощь богов. Возникали мифы о погоде. Позднее появились представления о чудесах в природе. Люди стали приносить жертвы уже не богам, как раньше, а волшебникам, которые, якобы, умели «управлять» погодой. Такие волшебники пользовались божественными почестями и получали много даров.

Однако довольно быстро люди поняли, что единственной защитой от непогоды могли стать лишь своевременные предупредительные меры, например, устройство дамб для борьбы с наводнениями, искусственное орошение полей для борьбы с засухой и т. п. Но необходимо было знать заранее, когда наступит то или иное нежелательное явление погоды — нужно было научиться предсказывать погоду.

В те далекие времена еще не существовало представления о различии между воздушной оболочкой Земли и космическим пространством. Предполагалось, что погоду можно предсказывать так же точно, как движение небесных тел. Возникла наука астрометеорология.

В древнем рабовладельческом обществе это вменялось в обязанность высокопоставленным лицам и главам государств. Во времена Аристотеля в Египте жрецы обязаны были предсказывать не только погоду, но и урожай.

Китайский император, считавшийся сыном неба, должен был в ежегодном календаре сообщать своему народу о будущих небесных событиях. Поэтому жрецы были обязаны составлять специальные годовые прогнозы погоды, которые оглашались под названием императорских. Часто случалось так, что в этих «прогнозах» оставались непредсказанными и наводнения, и засухи. Это воспринималось народом как признак размолвки между «небом» и императором. Тогда «верноподданные» считали своим религиозным долгом низложить императора. Сыну неба приходилось отречься от престола, ибо его жрецы плохо предсказали будущую погоду.

Несмотря на то, что предсказания основывались на совершенно ошибочных представлениях, они все же были некоторым шагом вперед по сравнению с мифами о погоде или с «прогнозами» волшебников.

С возникновением христианства роль мифов о погоде снова возросла. Церковников не интересовало предсказание погоды. В средние века всемогущего молили отвратить страшные силы природы и дать дождь и хороший урожай. Но вскоре необходимость самим заботиться о своем существовании заставила (прежде всего крестьянина и рыбака) следить за изменениями погоды и даже пытаться самим ее предсказывать.

Оказалось, что это не так уж трудно. Надо было лишь внимательно следить за небом. Ведь уже давно было известно, что движение облаков, цвет неба, поведение животных и растений как-то указывают на изменение погоды. Для людей средневековья сильные укусы мух и всплески рыб на реке или в озере были верным признаком ненастья.

Можно ли и сейчас найти в примерах зерна истины?

«Когда небо похоже на клочковатую шерсть, то хорошая погода сменится плохой». До известной степени эта примета справедлива и в настоящее время, ибо волнистые облака, действительно напоминающие клочки шерсти, часто предшествуют вторжениям в Европу влажного воздуха с Атлантического океана и приближению зон осадков. Но почему именно в «12 святых ночей» (т. е. с 25 декабря по 6 января) должны проявить себя силы, которые определят погоду на целый месяц вперед? Чрезвычайно широкое распространение получили и некоторые ошибочные представления о взаимодействии между погодой и живой природой, о мнимых целебных действиях дождя и росы и др. Так, например, непонятно, как может роса уничтожить веснушки на лице?

Церковь была уже не безразлична к возникновению народных примет погоды. Она даже пропагандировала их. Оказалось удобным выступить в поддержку представления о том, будто существуют определенные дни, погода которых якобы характеризует погоду некоторых следующих за ними отрезков времени. Вспомним хотя бы о датах 2 февраля и 27 июня. Поскольку каждый день года был назван именем того или иного святого, то такие дни использовались церковью, чтобы напомнить народу об этих святых и о соответствующих местах из священного писания. Так, например, утверждалось, что в дарьин день (15 февраля) выпадает снег, а в день Агафьи (6 февраля) вода бежит с гор.

В большинстве случаев совершенно неизвестно, в какой местности возникла та или иная примета погоды. Точно так, как в наши дни прогноз погоды, составленный для Западной Европы, не представляет никакой ценности, например, для Арктики, так и некоторые народные приметы погоды, имеющие реальный смысл там, где они появились, становятся бессмысленными в других районах. Взаимосвязи между атмосферными явлениями и жизнедеятельностью человека и животных тоже не настолько однозначны, чтобы по ним можно было уверенно делать заключения о будущей погоде.

До наших дней у некоторых народов сохранилась вера в столетний календарь погоды. Возникновение его, по-видимому, связано с монастырем Лангхейм, находившимся в епископстве Бамберг. Монахи этого монастыря умели ценить земные блага и множить свои богатства. Им принадлежали в этом районе самые плодородные земли и наиболее богатые рыбой пруды. И лишь погоду, от которой зависели животноводство и земледелие, они не умели предсказывать. Настоятель монастыря Мориц Кнауэр (1613–1664 гг.) начал вести наблюдения над окружающей природой. В течение семи лет он делал записи о погоде, урожае, эпидемиях и других событиях, казавшихся ему важными. Семилетний период он выбрал, так как считалось, будто погоду целого года обусловливает какая-либо из семи известных в то время планет солнечной системы (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, а также Солнце и Луна, которые тоже относили к числу планет, ибо они вращались (!) вокруг Земли). На основании этих наблюдений он составил и издал «Всеобщий домашний календарь».

В конце XVII в. один из списков этого календаря попал в руки врача Кристофа Гельвина из Эрфурта. Гельвиг переработал его и, не ссылаясь на автора, распространил в виде «Столетнего календаря», якобы действительного на период с 1701 по 1800 год. При этом записи наблюдений Кнауэра Гельвиг превратил в прогноз. Кроме того, поскольку 1700 г. был високосным, то данные о погоде Гельвиг просто-напросто сдвинул на один день вперед. Явления же погоды, которые Кнауэр наблюдал в год Юпитера, были Гельвигом приписаны году Солнца, и наоборот.

«Столетний календарь» только в Германии выдержал до 200 изданий, был переведен на индийский и японский языки. Пользоваться этим календарем было чрезвычайно просто: надо только установить, какая из планет «управляет» данным годом, а затем прочитать о событиях, предстоящих в этом году. Так, например, о погоде в октябре в год Юпитера можно узнать, что: «с 1 по 14-е — дождливо и довольно прохладно, в ночь на 15-е — снег, с 15 по 21-е — дождливо и ветрено, а затем до конца месяца — хорошая и довольно теплая погода». Ну, а о болезнях? «… Боли в позвоночнике, волдыри по всему телу и другие болезни, связанные с нарывами и гноем». Следовательно, остается только проверить оправдываемость таких «прогнозов», а также постараться, по возможности, подготовиться к предстоящим болезням.

Представление о том, будто каждая планета управляет режимом отдельного года, безусловно, лишено всякого смысла. Если бы характер погоды действительно повторялся через каждые семь лет, то как можно было бы объяснить, например, сильную засуху в 1947 г. или наводнение в 1954 г. в центральных районах ГДР?

«Всеобщий домашний календарь» Кнауэра, несомненно, является для нас интересным историческим документом и памятником культуры той эпохи, но никакого научного значения он не имеет.

Представление о семилетием цикле в ходе погоды было большим заблуждением Кнауэра. Гельвиг же превратил его в сознательное мошенничество.

Однако и до настоящего времени «Столетний календарь» все еще продолжает распространяться. В ФРГ недавно опять издана книга, цель которой извлечь новую прибыль из наблюдений, некогда проведенных Кнауэром. Один мюнхенский издатель говорит, что он получил в свое распоряжение экземпляр собственноручных записей Кнауэра и утверждает, что сведения, ранее опубликованные в «Столетнем календаре», были ошибочными. Он претендует на новое издание столетнего календаря, которое, конечно, будет «правильным».

Но поскольку в наше время едва ли кто поверит в такой календарь, издатель старается создать вокруг своей затеи некоторую шумиху.

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.

Много шума из ничего

Примерно 200 лет тому назад стало известно, что молния представляет собой кратковременный электрический разряд между грозовым облаком и земной поверхностью или между двумя облаками. Физическое объяснение молнии выглядит с житейской точки зрения несколько суховатым. Однако как велик наш испуг, когда близкая молния неожиданно ударяет в землю! Разветвленный, ярко светящийся ствол молнии, сопровождающийся раскатами грома, производит очень сильное впечатление. Поэтому неудивительно, что молния стала символом могучих стихийных сил. И все же она является лишь сравнительно слабым отражением предшествующих мощных термодинамических процессов в атмосфере. Разряды молнии — не случайность, а важная составная часть электрического баланса Земли и атмосферы, но возникают они лишь от случая к случаю и всегда сопровождаются большим шумом.

Грозы являются настоящими генераторами атмосферного электричества. Рассмотрим процесс возникновения грозы несколько подробнее. Облако называют грозовым, когда в нем происходят электрические разряды и слышен гром. Грозовым становится мощное кучевое облако, похожее на высокую башню и обладающее достаточной энергией. Кучевое же облако появляется в случае, когда теплый воздух, поднимаясь из нижней и средней тропосферы в более высокие слои атмосферы, охлаждается и содержащийся в нем водяной пар начинает конденсироваться. При этом выделяется тепло, которое дополнительно подогревает поднимающийся воздух и тем самым способствует дальнейшему еще более быстрому подъему его. Бурно развиваются восходящие движения, особенно в центральной части облака. В верхних слоях тропосферы в результате конденсации водяного пара появляются уже не облачные капли, а ледяные кристаллы. Они образуют над облаком ледяную пелену, похожую издали на наковальню. После появления наковальни в облаке начинают возникать электрические разряды. Каким же образом при таком вначале чисто термодинамическом процессе возникает грозовое электричество?

Эффект Ленарда. Воздушный поток разрушает крупную каплю, в результате чего возникают мелкие капельки, несущие на себе электрические заряды.

В ливневом облаке капли воды, беспорядочно двигаясь в струе восходящего воздуха, непрерывно сталкиваются друг с другом и разрушаются. При этом возникает особое физическое явление, называемое эффектом Ленарда. Оно состоит в том, что в оболочке капли при падении возбуждается отрицательный электрический заряд, тогда как в центральной ее части возникает положительный заряд. При разрушении капли ее оболочка дает множество мелких капелек, заряженных отрицательно, а центральная часть — более крупную каплю, заряд которой противоположен заряду мелких капель. Восходящие потоки воздуха уносят мелкие отрицательно заряженные капли в верхнюю часть облака, тогда как тяжелые капли, несущие положительный заряд, остаются внизу. Таким образом, восходящие потоки не только разрушают крупные капли, но еще и сортируют их остатки, посылая мелкие отрицательно заряженные капли вверх, а крупные положительно заряженные— вниз. Наличие в облаке множества капель, заряженных одинаково, равносильно появлению в нем объемных электрических зарядов. Когда разность потенциалов между частями облака, имеющими объемные заряды разного знака, становится достаточно большой, то появляются условия, благоприятные для возникновения молнии.

Стадии образования осадков в грозовом облаке (кучево-дождевое облако с наковальней), по Финдайзену.

Стадии: А — начальная, Б — града, В — 1-я дождя, Г — 2-я дождя, Д — заключительная. 1 — капли, 2 — переохлажденные капли, 3 — дождь, 4 — ледяные кристаллы, 5 —< ледяная крупа, 6 — снежная крупа, 7 — град.

Воздушные течения и распределение объемных зарядов в грозовом облаке (кучево-дождевое облако с наковальней).

Однако при создании грозового электричества, когда вершины ливневого облака оледеневают и появляется ледяная пелена, развивается другой процесс.

Когда ледяные кристаллы соприкасаются с переохлажденными каплями, они тотчас намерзают на кристаллы. Внутри кристаллов возникает разделение электрических зарядов. Ледяные или снежные кристаллы внешне являются электрически нейтральными, но внутри они несут тот или иной заряд. В восходящем потоке воздуха эти кристаллы, как и капли воды, часто сталкиваются и разрушаются или смерзаются, отдельные их осколки приобретают заряды различных знаков. Восходящие потоки «сортируют» эти осколки ледяных кристаллов, которые таким образом тоже способствуют образованию в облаке объемных электрических зарядов противоположного знака.

Разность потенциалов между двумя точками в атмосфере может быть измерена путем зондирования или каким-либо другим способом. Интересно отметить, что даже в ясную погоду разность потенциалов между разными уровнями в атмосфере составляет 120 вольт на метр. Следовательно, между двумя точками, отстоящими друг от друга по вертикали на 2 метра, разность потенциалов примерно равна напряжению на полюсах штепсельной розетки в комнате. Из этого, конечно, не следует, что каждого человека в атмосфере может ударить током. В каждом проводящем теле электрическое напряжение выравнивается, т. е. исчезает, если только на концах проводника разность потенциалов не восстанавливается, как в динамо-машине или в батарее карманного фонаря. Поскольку человек стоит на земле, а каждый проводник, соединенный с землей, принимает ее потенциал, то никакой разности потенциалов между ногами и головой человека при ясной погоде не возникает. Однако постоянная разность потенциалов в атмосфере действует на все заряженные частицы, т. е. на все ионы. Положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженной земной поверхности, а отрицательные ионы и электроны перемещаются в более высокие слои атмосферы. Поток положительных ионов к земной поверхности нейтрализует часть ее отрицательного заряда, ибо воссоединение зарядов противоположного знака влечет за собой уменьшение разности потенциалов. Расчеты показали, что поток положительных ионов из атмосферы к земле мог бы нейтрализовать ее заряд в течение нескольких часов. Но поскольку отрицательный заряд земной поверхности остается неизменным, то, очевидно, существует непрерывный приток отрицательных ионов или электронов, численно равный притоку к ней положительных ионов. Электрический заряд земной поверхности поддерживается, в частности, грозовой деятельностью. Грозы служат той динамо-машиной, которая постоянно поддерживает определенную разность потенциалов между высокими слоями атмосферы и земной поверхностью. При каждом ударе молнии к земной поверхности подводится отрицательное электричество. Если при работе обычной динамо-машины электроны движутся по проводникам, то при грозе электроны и ионы движутся через атмосферу. Она до известной степени создает электрическое сопротивление проводника, т. е. систему, потребляющую энергию. Во время грозы разность потенциалов в атмосфере может увеличиваться до 100 000 в на метр. В этих случаях с заостренных предметов — травинок, деревьев и башен, а также с волос и пальцев человека — могут соскакивать в воздух электроны, стремясь соединиться с находящимися в воздухе зарядами противоположного знака. Это так называемые тихие разряды, имеющие очень эффектный вид. Когда такой разряд на заостренных предметах становится достаточно сильным, на фоне темных грозовых облаков или ночного неба вблизи острия возникает зеленовато-голубоватое свечение. Оно может быть настолько сильным, что кажется, будто верхушки мачт и башен горят огнем. Это явление получило название огней Эльма. Неоднократно наблюдавшиеся в одном из портов Японии «японские огни», известные также под названием холодных огней, по-видимому, тоже представляют собой редкую форму огней Эльма.

Грозовые облака, безобидные на вид, но тем не менее иногда в течение нескольких часов дающие столько же осадков, сколько в нормальных условиях выпадает за целый месяц.

Результатом ливней бывают большие разрушения.

Разветвленная молния над мостом Вашингтона в Нью-Йорке (фото агентства Центральбильд).

Атмосферно-электрическая станция в Вансдорфе (Дрезден). Все здание покрыто проволочной сеткой с таким расчетом, чтобы разность потенциалов не возникала между приборами для измерения напряженности электрического поля, смонтированными на крыше, и земной поверхностью.

Отложения зернистой изморози на горе Брокен. Зернистая изморозь, образующаяся в результате намерзания капель переохлажденного тумана, растет навстречу ветру.

Тающая зернистая изморозь на горе Брокен.

Гора Брокен в зимнем одеянии. Брокен — самая снежная гора в ГДР.

Когда воины Ганнибала переходили через Альпы, то на остриях их копий бушевало настоящее море огня, что было ими расценено как предзнаменование будущих побед.

Возникновение объемного заряда и сопровождающих его явлений типа огней Эльма является предпосылкой для электрического разряда, т. е. для молнии. Каков же, однако, путь развития молнии? Отдельные фазы этого электрического разряда удалось выяснить при измерениях под облаками и внутри облаков. При разности потенциалов 30 000 в на метр начинается разряд, который предшествует видимой молнии и называется лидером. Лидер развивается отдельными ступенями, каждая из которых длится несколько тысячных долей секунды, так что лидер успевает за это время продвинуться в сторону земной поверхности лишь на 50—100 м. При этом из многих путей лидер выбирает тот, который дозволяет ему достигнуть земной поверхности возможно быстрее. Как правило, развитие наиболее мощного основного канала Молнии происходит быстрее, чем всех других побочных ее каналов — ответвлений. Когда основной канал молнии приблизится к земной поверхности, навстречу ему с земли начинают двигаться заряды противоположного знака. Через образовавшийся таким образом главный канал в течение 10 микросекунд, т. е. со скоростью, достигающей 1/10 скорости света, проскакивает весь заряд данной молнии[34]. Все каналы, по которым пробегает электрический ток, образуют знакомую нам линейную (ветвистую) молнию. Молния внутри облака образуется совершенно так же, как между облаком и землей, но только при этом выравниваются электрические заряды разных частей облака.

Нелегко представить себе процесс развития грозового разряда, т. е. распространение ионов отдельными ступенями, создающее линейную молнию. Поясним этот процесс на примере из механики. Всем, конечно, хорошо известны самосвалы, у которых специальный механизм поднимает одну сторону кузова и машина автоматически разгружается. Такие грузовики используются для перевозки песка и камней. Проследим внимательнее за процессом разгрузки песка из кузова самосвала. Когда кузов начинает подниматься, то лишь в отдельных его местах небольшие струйки песка толчками сдвигаются к заднему борту машины. Чем круче наклоняется кузов, тем сильнее будет двигаться песок. Точно так же при постепенном увеличении разности потенциалов между облаком и землей электрический заряд начинает ступенями продвигаться в воздухе. Наконец весь заряд устремляется к земной поверхности. Это происходит, как в примере с песком при достаточно крутом наклоне кузова самосвала. Далее представим себе, что в кузове находится не песок, а какое-то горючее вещество, например порох, который при разгрузке падает на какую-нибудь горячую поверхность. В этом случае порох, достигнув земли, воспламенится сам и тотчас же подожжет все мешки с порохом, еще оставшиеся в кузове или летящие из него к земле. Совершенно так же, когда объемный электрический заряд доходит до земной поверхности, то начинает «гореть» вся та область, внутри которой ионы успели дойти до земли. Благодаря этому и возникает разветвленная линейная молния. Подготовка молнии происходит гораздо медленнее, чем сам разряд. От начала отделения положительных и отрицательных зарядов в облаке до образования лидера часто проходит более получаса, тогда как сама молния длится лишь доли секунды.

Молнию можно еще сравнить с падением груза в паровом молоте. Машина медленно поднимает тяжелый груз вверх, а когда он достигает определенной точки, то удерживающий его трос освобождается и груз быстро падает вниз вдоль тех же направляющих стержней, по которым его поднимали вверх. Когда груз падает на сваю, забиваемую в землю, то мы поражаемся силе его мгновенного удара. Но ведь сначала машина должна была поднять этот груз, а эта-то медленная ее работа обычно не так сильно бросается нам в глаза.

В грозовом облаке при вспышке молнии создаются носители электричества, т. е. ионы. Восходящими движениями воздуха, господствующими в таком облаке, ионы поднимаются на высоту до 5000–7000 м. И лишь когда разность потенциалов между облаком и землей станет достаточно большой, ионы и электроны найдут путь к земной поверхности и тогда блеснет молния. При этом первоначальный, но имеющий решающее значение процесс образования ионов в облаке идет еще медленнее и спокойнее, чем поднимается груз в рассмотренном примере с паровым молотом.

Во время каждой грозы наблюдается в среднем 60 электрических разрядов, а сила тока в одном разряде составляет 60 000 ампер. Но в связи с тем, что разряд происходит очень быстро, энергия молнии оказывается сравнительно небольшой. При напряжении 2 000 000 в, силе тока 60 000 ампер и продолжительности разряда 0,001 секунды энергия молнии в соответствии с формулой

вольт-ампер-секунда = ватт-секунда

составит 2 000 000 60 000 0,001 ватт-секунд = 33,3 киловатт-часов или 29 000 килокалорий.

Это примерно соответствует энергии, получаемой при сжигании всего 3,5 кг каменного угля.

Таким образом, представление о том, что из молний можно добывать значительную энергию, является совершенно ошибочным. Кроме того, на земле пришлось бы расставить много миллионов установок, чтобы «поймать» хотя бы ничтожную часть молний.

Однако, поскольку энергия молнии высвобождается за очень короткое время, мощность молнии довольно велика. Она может за 0,001 секунды составлять 150 миллионов лошадиных сил. Так как энергия молнии переходит в тепло за столь короткое время, то при ударе возможны большие разрушения. За несколько миллисекунд, например, могут полностью испариться сотни метров телефонных проводов.

Нет ничего удивительного в том, что в средние века молнии приписывалась чудодейственная сила. Конечно, средневековые суеверия, связанные с молнией (например, представление о том, что во время грозы нельзя пользоваться вилками), отошли теперь в далекое прошлое. Если принимать эти суеверия всерьез, то пришлось бы во время грозы не есть, не смотреть в окна и даже не указывать на молнию пальцем. Не существует в природе и гнезд молний, т. е. таких точек, куда чаще всего ударяет молния и которые будто находятся в местах слияния подземных водоносных жил и вблизи разных таинственных мест.

Молнии действительно ударяют, как правило, в наиболее высокие предметы — башни, колокольни, высокие деревья и т. д. Поэтому, хотя и опасно во время грозы находиться на открытой местности, еще опаснее прятаться под деревьями. Оказавшись во время грозы на открытом месте, не надо бояться промочить одежду. Если молния на пути к земной поверхности и заденет человека, то вероятность смертельного поражения в мокрой одежде будет меньше, чем в сухой, так как первая лучше проводит электричество.

По одной старинной поговорке, во время грозы надо прятаться под буком и стараться избегать дуба. Так ли это? Наблюдения показывают, что молнии действительно чаще оставляют свои следы на дубах, чем на буках. Однако это еще не значит, что молния на самом деле чаще ударяет в дубы.

Крона бука имеет такое строение, что во время грозового ливня по его стволу стекает больше воды, чем по дубу. Вода при ударе молнии превращается в водяной пар и оказывает теплоизолирующее действие, поэтому на стволе остается едва заметный след, а число ударов молнии в бук занижается. Другое широко распространенное объяснение якобы более частым ударам молнии в дуб, чем в бук, заключается в том, что корневая система дуба распространяется глубже и достигает уровня грунтовых вод, т. е. дуб становится хорошим проводником электричества. Однако еще неизвестно, действительно ли корни дерева, которые на глубине 2 м уже становятся довольно тонкими, могут оказать решающее влияние на путь молнии?

При ударе молнии выделяется тем большее количество тепла, чем больше сопротивление материала того предмета, в который ударила молния. Поэтому в ветвях и на стволах деревьев молния оставляет сильно обуглившийся след, тогда как металлический молниеотвод лишь едва нагревается. Отсюда возникли представления о горячей и холодной молнии. Разрушение молнией каменных или кирпичных стен и расщепление древесных стволов связано с мгновенным испарением содержащейся в них воды, в результате которого развивается сила, без труда разрушающая дерево или стену.

Замечательная и в прошлом совершенно необъяснимая особенность молнии заключается в том, что нередко она несколько раз подряд ударяет в одно и то же здание. Многократные удары молнии в одно здание случаются и в наши дни. Поэтому вполне можно верить прежним устным и письменным сообщениям об этом. Раньше думали, что под такими зданиями находятся неизвестные водоносные жилы или залежи руды. Однако причина этого явления лежит не под фундаментом здания, а заключается в следующем: когда в строение ударяет молния и оно начинает гореть, то пламя ионизирует воздух. Горячие газы и дым уносят вверх образовавшиеся ионы. В результате этого воздух в зоне радиусом до 300 м становится более электропроводным. Очередная молния, движущаяся к земле вблизи очага пожара и попадающая в область сильно ионизированного воздуха, отклоняется от первоначальной траектории и направляется к центру ионного облака, т. е. к месту удара одной из предыдущих молний.

Нередко наблюдается даже и третий удар молнии в уже горящее здание.

Большинство молний сопровождается громом. Он возникает при внезапном очень сильном нагревании молнией воздуха, который быстро расширяется. После удара расширившийся воздух возвращается в канал молнии. Порции воздуха, стекающиеся сюда с разных сторон, сталкиваются, в результате чего и возникает гром. В месте удара молнии гром раздается как резкий треск, а на большом расстоянии от этого места в результате многократного отражения от облаков и от инверсионных слоев атмосферы приобретает характер глухих раскатов. По длине интервала времени между вспышкой молнии и ударом грома можно судить о расстоянии до молнии. Скорость звука составляет 330 м/сек. Поэтому если между вспышкой молнии и ударом грома прошло, скажем, 6 секунд, то молния была примерно в 2 км от наблюдателя. Утверждают, что на месте удара молнии гром не слышен; вероятно, сильная вспышка света во время молнии, а также электризация самого наблюдателя делают его невосприимчивым к удару грома.

В Европе от молнии ежегодно погибает около 40 человек. При прямом ударе человек подвергается примерно такому же воздействию, как и при ударе током высокого напряжения. Резкое усиление сердцебиения может стать причиной прекращения работы сердца. Кроме того, раздражающее и тепловое действие молнии вызывает изменения в центральной нервной системе пораженного. В этом случае причиной смерти является паралич мышечной системы и прежде всего мышц, управляющих дыханием. Паралич нервной и мышечной систем возможен также в результате ощущения ужаса, испытываемого человеком, в которого ударила молния. Однако этот вид паралича, как правило, впоследствии проходит бесследно.

Вблизи от места удара молнии люди и животные могут получить травмы вследствие так называемого напряжения шага. Оно связано с тем, что вокруг места удара молнии образуется «воронка напряжений», т. е. электрическое поле, напряжение которого уменьшается вдоль радиусов, расходящихся от места удара молнии. Если человек или животное перемещается так, что пересекает изолинии одинаковой напряженности такого электрического поля, то ноги могут сыграть роль вилки, в которой возникает большая разность потенциалов, называемая напряжением шага. Этим можно объяснить случай, когда однажды ударом молнии в овечью отару было убито сразу 504 овцы. Чтобы не возникла такая разность потенциалов, рекомендуется, укрываясь где-либо от грозы, держать ноги плотно сжатыми.

Напряжение шага. Оно представляет опасность для человека даже в том случае, когда сама молния ударит в нескольких метрах от него.

Особым видом молнии является так называемая чёточная молния. Это явление напоминает цепочку из светящихся шаров, связанных друг с другом тонким ярким каналом, а иногда имеет вид жемчужного ожерелья. Чёточная молния очень красива и продолжается несколько дольше, чем вспышка линейной молнии. Условия возникновения чёточной молнии пока еще неизвестны, так как она не всегда образуется в пределах видимости ближайшей метеорологической станции, на которой ведутся наблюдения за — атмосферным электричеством. Поэтому очень редко удается проследить за явлениями, сопутствующими чёточной молнии, в частности, определить направление и величину вектора напряженности электрического поля. В настоящее время считают, что неточная молния образуется из линейной, распадающейся на отдельные звенья.

Весьма замечательное явление представляют собой и шаровые молнии. Это очень яркие шары размером с яблоко или даже с футбольный мяч. Шаровые молнии, как и обычные, наблюдаются во время грозы, но не в свободной атмосфере, а на земной поверхности: на улицах, дорогах или в лесу. Движутся они очень медленно и часто разрушаются с громким треском. Природа шаровой молнии еще мало исследована, так как такая молния появляется очень редко, а заранее предвидеть ее возникновение невозможно. Рассказывают, например, что несколько лет тому назад шаровая молния проникла через закрытое окно в комнату. Находившиеся в ней люди были ослеплены ярким светом и не могли проследить за ее движением. В сильном электрическом поле, созданном этой молнией, волосы людей встали дыбом и они смотрели друг на друга, не в силах произнести ни звука, так как их лица оказались как бы парализованными. Но тишина была нарушена, когда молния покатилась по полу, достигла печки, втянулась в нее через открытую дверцу и разорвалась. С оглушительным шумом из печи вырвались зола и пепел, и все в комнате пришло в хаос.

Известен и такой случай, который, возможно, покажется неправдоподобным, когда молния расплавила у одной женщины серьгу в ухе, не нанеся ее владелице сколько-нибудь значительных повреждений.

О молнии можно было бы рассказать еще многое. Все мы любим наблюдать за грозой, хотя нас пугают яркие молнии и оглушительные удары грома. Мы уже знаем природу молнии, процесс ее возникновения и внешние особенности.

Уже более двухсот лет тому назад причины возникновения молнии были в основном выяснены. В. Франклином, изобретателем молниеотвода[35]. Наряду с другими проблемами Франклин с особым вниманием изучал атмосферное электричество. С помощью батареи конденсаторов, изготовленной его современником Е. Клейстом, Франклин получал электрические искры. Он был убежден, что эти искры представляют собой маленькие молнии. Франклин не успокоился на этом и предпринял знаменитый опыт с воздушным змеем. Он снабдил игрушечный воздушный змей металлическим острием, укрепил его на пеньковом шнуре и к концу шнура привязал металлический ключ. К ключу он прикрепил шелковую ленту длиной 1 м, которая должна была служить изолятором. Когда над запущенным в воздух змеем появилось черное грозовое облако, Франклин прикоснулся к ключу пальцем, чтобы посмотреть, проскочит ли искра. Но ничего не произошло. Вскоре начался дождь, и Франклин укрылся под аркой ворот. Внезапно раздался сильный треск. Оказалось, что это молния ударила в змей и прошла через пеньковый шнур в землю. Благодаря дождю шнур стал электропроводным. Воздушный змей оказался молниеотводом. Франклин многократно повторял свой опыт и, в частности, отводил молнию к конденсатору, в котором в момент удара молнии проскакивала электрическая искра, подобная искре, создаваемой с помощью электрической машины. Тем самым Франклин доказал, что по своей природе молния действительно является электрической искрой. Он установил, что нет никакой принципиальной разницы между молнией и электрической искрой.

Когда Франклин таким образом изучил сущность молнии, он создал (1752 г.) молниеотвод и стал вести пропаганду установки молниеотводов на всех постройках. Однако принцип действия молниеотвода в то время был еще для очень многих совершенно неясен. Так, например, часто молниеотвод не заземляли, а, наоборот, вводили в жилое помещение. Некоторые считали, что металл способен удерживать молнию на некотором расстоянии от себя. Понятно, что вблизи неправильно установленных молниеотводов люди не только не были защищены от разряда молнии, но, наоборот, подвергались наибольшей опасности и часто оказывались пораженными молнией. При правильном же заземлении молниеотвод надежно защищает людей и строения.

Диагноз будущего состояния атмосферы

В 1895 г. русскому физику А. С. Попову удалось создать прибор, который мог улавливать шумы и треск, создаваемые грозой. Шумы можно было слышать, даже когда грозового облака еще не было видно. Попов в том же году доложил о своем приборе, который он назвал грозоотметчиком, Русскому физико-химическому научному обществу.

Прибор Попова был предшественником современных радиотехнических устройств. С тех пор началось бурное развитие беспроволочной радиосвязи. Однако наряду с радиоволнами, излучавшимися передатчиками, радиоприемники всегда воспринимали шумы и свисты, которых радиопередатчики не излучали. Особенно сильными они становились, когда над местом приема радиосигналов проходили грозы. Каждый радиослушатель знает это по собственному опыту. Причиной помех являются тихие разряды в атмосфере, а также, конечно, и молнии.

Таким образом, к каждому радиоприемнику приходят электромагнитные волны, излучаемые различными передатчиками, и помехи, возникающие в атмосфере.

Атмосферные помехи, столь неприятные для радиосвязи, позволяют определять местоположение зон осадков и очагов гроз. В метеорологических обсерваториях всех стран непрерывно регистрируются все атмосферно-электрические характеристики, атмосферные помехи и в том числе степень интенсивности грозовой деятельности.

При ударе молнии постоянное электрическое поле в атмосфере, называемое статическим, внезапно исчезает. Электромагнитные волны, возникающие при разряде, имеют высокую частоту. Следовательно, близкие грозы можно обнаружить по внезапному исчезновению статического электрического поля и по появлению электромагнитных волн высокой частоты. Если же грозы находятся более чем в 50 км от места наблюдений, то статическое электрическое поле ослабевает незначительно, хотя электромагнитные волны с более высокими частотами преобладают. При весьма отдаленных грозах, например, над Атлантическим океаном или в тропиках, статическое электрическое поле в наших широтах не нарушается, т. е., как и в дни с хорошей погодой, разность потенциалов составляет 120 вольт на метр. В этом случае прибор регистрирует только электромагнитные волны низкой частоты. Таким образом, исследования в области атмосферного электричества могут быть полезными и для синоптической метеорологии, ибо они дают синоптику дополнительные сведения об интенсивности грозовых очагов, о расстоянии до них и о направлении их движения.

Самый обычный радиоприемник позволяет установить, находимся ли мы в области грозы, если даже грозы еще не видно визуально. Однако определить направление или расстояние до грозовых очагов в этом случае невозможно. Местоположение источника приходящих к нам электромагнитных волн можно установить специальными приборами. Например, в Главной обсерватории метеорологической и гидрологической службы ГДР в Потсдаме имеется аппаратура, регистрирующая число молний и расстояние до грозовых очагов. Благодаря этому удается, в частности, определять скорость перемещения и интенсивность холодных атмосферных фронтов, движущихся над Атлантическим океаном, ибо на таких фронтах часто наблюдаются грозы.

В последнее время для радиовещания и особенно для радиосвязи предпочитают использовать ультракороткие радиоволны, так как в этом диапазоне частот атмосферные помехи бывают наиболее слабыми. Телевизионные передачи также осуществляются на ультракоротких волнах. Однако было замечено, что качество приема, будь это чистота звука при радиопередаче или изображения при телевизионной передаче, также подвержено колебаниям. Они возникают, когда появляются наиболее сильные атмосферные возмущения.

Как известно, ультракороткие радиоволны, в отличие от более длинных, не отражаются от слоев ионосферы. Такие волны пронизывают ее и уходят в космическое пространство. Следовательно, мы воспринимаем радиоприемниками лишь те из ультракоротких радиоволн, которые распространяются в атмосфере вблизи земной поверхности. Но и эти волны ослабляются в атмосфере то в большей, то в меньшей степени. В ультракоротковолновом диапазоне такими помехами являются уже не случайные и беспорядочные шумы и свисты, как на более длинных волнах, а тесно связанные с изменениями состояния нижних слоев атмосферы и, в первую очередь, с наличием в ней облаков и зон осадков. Если расположить вокруг одного приемника несколько передатчиков и регистрировать посылаемые ими радиосигналы, то ослабление этих сигналов будет сильнее там, где в атмосфере больше зон дождя или снегопада. Однако такая методика была бы очень неэкономной, ибо потребовалось бы много передатчиков, работающих на одинаковой частоте. Поэтому на практике используется всего один передатчик, который непрерывно излучает радиосигналы в одном определенном направлении, измеряется же энергия радиосигналов, отразившихся от тех или иных атмосферных препятствий. Так устроен радиолокатор (радар).

Определение местоположения зон осадков с помощью метеорологического радиолокатора.

Поясним действие радиолокатора с помощью совсем простого примера. Радар можно сравнить с человеком, который в очень темную ночь подает с перерывами громкие сигналы и при этом медленно поворачивается вокруг. Когда он слышит эхо, то ему ясно, что вблизи имеется препятствие — дом, забор или возвышенность. Зная направление эхо и время, за которое возвращается к нему звук, человек может определить местоположение отражающего препятствия.

То же самое происходит и с электромагнитными волнами радиолокатора. Они отражаются от любых твердых и жидких тел: от горы, от сплошного ряда домов, от корабля, плывущего в море, и от самолета, летящего в воздухе. На всех более или менее крупных судах имеются радарные установки, позволяющие даже в тумане или ночью замечать скалистые берега, плавучие айсберги и любые другие препятствия.

Ультракороткие волны длиной несколько сантиметров отражаются также от твердых и жидких частиц, взвешенных в атмосфере, и особенно от осадков. Таким образом, радар приобретает очень большое значение для обнаружения и исследования зон атмосферных осадков. Это особенно важно потому, что в наших представлениях о процессах образования осадков все еще много пробелов. До сих пор мы с помощью различных осадкомеров изучали лишь дождь, снег или град, уже выпавшие на земную поверхность, т. е. конечный результат сложных атмосферных процессов. При этом мы не имели представления о том, в каких участках облака и на каких высотах образовались эти осадки. Очаг формирования осадков не расположен непосредственно над тем местом, где они выпали, так как продолжительность их падения составляет десятки минут. Кроме того, во время падения характер осадков может измениться: снег в результате таяния превращается в дождь, а дождь — в ледяной дождь. Осадки могут полностью испариться, не достигнув земной поверхности. Только летчики могли бы получить более полное представление об условиях образования осадков в облаках. Но проведение исследований с помощью самолета ограничивается сравнительно большой его скоростью. Радиоэхо, отраженное от зон осадков, имеет различную интенсивность в зависимости от размеров капель. По интенсивности отраженных импульсов локатора можно установить, в какой части облака происходит слияние мелких облачных капель и образование крупных капель дождя. Зоны наиболее интенсивного образования таких капель чаще всего расположены ниже уровня замерзания. Они обнаруживаются на экране радиолокатора в виде светлой полосы. Зоны же образования снега, инея или крупы имеют вид отдельных светлых пятен.

Сведения о процессах возникновения дождя или снега в естественных условиях имеют особенно большое значение для решения проблемы искусственного вызывания осадков. В частности, по наземным наблюдениям нельзя решить, был ли успешным засев в облака йодистого серебра или твердой углекислоты. Даже при успешном засеве часть осадков испарится, проходя через нижние слои атмосферы. Радар позволяет точно установить, происходило ли образование осадков в облаке при введении в него ядер кристаллизации.

Непрерывное наблюдение за перемещением зон осадков представляет также очень большой интерес при составлении прогноза погоды. Поэтому были разработаны и построены специальные метеорологические радары, которыми располагают теперь метеорологические службы многих стран. Метеорологический радар работает на волне 3,2 см и имеет мощность 50 квт. Он излучает 500 или 1000 импульсов в секунду, а длительность отдельного импульса составляет миллионную долю секунды. Фокусировка импульсов производится с помощью параболического зеркала. Импульсы направляются лучевой антенной, помещенной в фокусе зеркала. Установка смонтирована на стальной мачте и вращается вокруг своей оси со скоростью 6 оборотов в минуту. Таким образом, импульсы излучаются во всех направлениях от локатора. После отражения от частиц осадков они снова улавливаются, усиливаются и появляются на экране локатора. На шкале радара интенсивность обнаруженных им осадков характеризуется в единицах, принятых в обычных метеорологических самописцах дождя.

При градуировке прибора основываются на том, что он обнаруживает зоны осадков только при определенном усилении импульсов. При максимальной чувствительности приемника на экране локатора обнаруживается даже морось. Изображение на экране локатора характеризует наибольшую протяженность зоны осадков. Затем чувствительность приемника постепенно уменьшают. Эхо, отраженное от самых мелких капель, уже не воспринимается усилителем, и контур зоны облаков на экране локатора сокращается. Теперь на нем изображается лишь область, в которой осадки имеют значительную интенсивность. По мере снижения чувствительности приемника размеры зоны осадков на экране уменьшаются. Теперь на нем отражается лишь зона самых интенсивных осадков. Помимо такого панорамного изображения зон осадков локатор еще дает возможность направить отраженные сигналы на осциллограф и по амплитуде колебаний получить представление об интенсивности осадков. Путем суммирования сигналов с помощью специального электронного устройства можно точно определить количество выпадающих осадков.

В настоящее время радиолокация стала неотъемлемой частью комплекса рабочих методов, используемых при прогнозировании погоды. Радиолокаторы позволяют следить за образованием зон осадков в радиусе 250 км, так что наблюдения на отдельных наземных метеостанциях могут быть теперь дополнены общими обзорами всей территории с помощью локаторов. Это особенно выгодно в тех районах, где сеть станций редкая. Кроме того, при наличии локатора нет необходимости передавать синоптику телеграфное извещение о том или ином особом атмосферном явлении — например, о выпадении ливневого дождя в той или иной местности. Хотя подобные извещения передаются очень быстро, их составление и передача все же занимают не менее 10 минут, поэтому предупреждение, адресованное промышленному предприятию или транспортной конторе, может оказаться устаревшим.

Помимо этого радиолокация имеет еще одно преимущество. Ночью, когда визуальные (зрительные) наблюдения за состоянием атмосферы производятся лишь в ближайших окрестностях метеорологической станции, радар работает так же, как днем, и дает метеорологу полное представление о поле осадков в большом районе вокруг станции.

Следует, однако, отметить, что измерения с помощью метеорологических радиолокаторов не могут как-то улучшить долгосрочные прогнозы погоды. Это связано с тем, что зоны осадков и атмосферные фронты представляют собой лишь особые формы превращения энергии в атмосфере. Они сравнительно кратковременны и не имеют решающего значения для развития воздушных течений в следующие дни.

Но краткосрочный прогноз погоды, безусловно, может быть детализирован с помощью радиолокационных наблюдений. Это является преимуществом для метеорологического обслуживания промышленности, сельского хозяйства и транспорта. Конечно, невозможно утром точно указать, в какой час дня выпадет ливень над Берлином или каким-либо другим городом. Но время прохождения над данным пунктом грозы, находящейся сейчас в 50 км от места установки радара, может быть определено совершенно точно. Поэтому становится вполне возможным краткосрочное штормовое оповещение потребителей. Это чрезвычайно важно, поскольку в суточных прогнозах погоды часто говорится лишь, что «возможны кратковременные ливневые осадки», причем уточнение территории, на которой выпадут осадки, не дается — эти прогнозы одинаково относятся как к южным возвышенным районам, так и к Северо-Германской низменности. Такие прогнозы мало устраивают потребителей, которые нуждаются в более конкретных данных. Правда, точный прогноз с помощью радиолокационных наблюдений может быть составлен только на 1–2 часа, но и это полезно для правильной организации работ и в ряде отраслей промышленности, и в сельском хозяйстве. Используя эту методику, служба погоды могла бы в будущем перейти к специализированным двухчасовым прогнозам погоды для разных отраслей народного хозяйства и передавать их по радио или по телевидению.

Большая опасность

Когда в конце второй мировой войны впервые в истории человечества было высвобождено значительное количество атомной энергии, возникла и до сих пор продолжается дискуссия о том, оказывают ли взрывы атомных бомб влияние на погоду. Дискуссия оживилась в связи с выпадением аномально высокого количества осадков в начале 1950-х гг. В ноябре 1951 г. произошло небывалое наводнение в Северной Италии, в январе 1953 г. опустошительное наводнение на голландском побережье Северного моря унесло 2000 жизней. В июне 1953 г. сильнейшие ливни прошли над японским островом Кюсю: погибло 400 человек, было разрушено 4000 домов, без крова остались миллион человек. В октябре 1953 г. такие же ливни прошли в Средней и Южной Италии. В июле 1954 г. наводнение охватило южные районы Баварии и центральную часть ГДР и ФРГ. Но после этого среднее количество осадков вновь уменьшилось. 1956 год был даже типично засушливым: продолжительность солнечного сияния и средние месячные температуры воздуха в этот год превысили многолетнюю норму. Ну, а как же обстоит дело с влиянием ядерных взрывов на погоду?

Количество энергии, искусственно вводимой в атмосферу при взрывах атомных или водородных бомб, существенно отличается от энергетических запасов, реализуемых при различных естественных процессах — например при грозах. В атомной бомбе за малые доли секунды распадается содержащийся в ней расщепляющийся материал, а в водородной бомбе за столь же короткое время происходит соединение атомов наполнителя (тяжелого водорода) и образование гелия — нового элемента с более высоким порядковым номером. В ходе ядерных реакций возникает смертоносное излучение, сопровождающееся выделением колоссального количества тепла.

Воздух, нагревшийся при выделении тепла в результате ядерного взрыва, поднимается в высокие слои атмосферы, т. е. происходит мощное перемещение воздуха в средней и верхней тропосфере. Конденсация водяного пара, содержащегося в атмосфере, служит причиной выпадения вблизи очага взрыва сильных ливней и града. Скоростная киносъемка, производившаяся во время и после взрыва, дает представление об изменениях облачности над местом взрыва. Было установлено, что по внешнему виду атомный гриб похож на гигантское грозовое облако или на облака, образующиеся над кратером действующего вулкана. Однако тепло концентрируется в нем на ограниченном пространстве и потому не может оказать длительного воздействия на развитие крупномасштабных явлений погоды. После многочисленных взрывов водородных бомб колебания погоды также не выходили за естественные свои пределы. Поэтому весьма рискованно говорить о каких-либо изменениях климата или об атмосферных явлениях, якобы вызванных взрывами атомных бомб. Подтверждением этой мысли является еще и то, что энергия атомной бомбы ничтожно мала по сравнению с энергией, приходящей на земную поверхность в виде солнечной радиации. Энергия атомной бомбы составляет лишь около одной миллионной доли тепла солнечной радиации, поступающей на Землю всего за одну минуту.

Бесконтрольные ядерные взрывы в атмосфере очень опасны не с точки зрения их влияния на погоду, а из-за связанного с ними радиоактивного излучения. Оно сравнительно мало влияет на атмосферу и, в частности, на степень ее ионизации, но зато представляет большую опасность для человека. Чтобы это было более понятно, остановимся сначала несколько подробнее на вопросе о балансе радиоактивности Земли.

Различают два вида атмосферной радиоактивности: естественную и искусственную. Естественная радиоактивность возникает в результате сравнительно медленного распада неустойчивых элементов, содержащихся в земной коре и являющихся членами трех радиоактивных рядов: урана, тория и актиния. По-видимому, основная часть тепла, содержащегося в недрах нашей планеты, связана с естественным распадом элементов, входящих в эти три ряда. Конечным продуктом каждого ряда является свинец. В зависимости от начального продукта атомы свинца могут иметь разную массу и, следовательно, разный атомный вес. Но химические свойства изотопов свинца будут одинаковыми. Так, например, свинец, получившийся в результате радиоактивного распада урана, имеет точно такие же химические свойства, как и естественный свинец. Но атомный вес первого составляет 206,0, а второго 207,1. Обычно свинец представляет собой смесь нескольких изотопов.

Естественные радиоактивные элементы при распаде проходят через газообразную фазу. Она-то и имеет определенное значение для радиоактивности воздуха. Радиоактивный газ называется эманацией. В зависимости от соответствующего радиоактивного ряда она носит название: радон, торон и актинон. Через поры почвы эти газы проникают в атмосферу. Здесь они распадаются в течение нескольких часов. Затем, присоединяясь к пылинкам, они возвращаются на земную поверхность в виде тяжелых металлов — висмута и свинца. Так происходит непрерывный круговорот естественных радиоактивных элементов в природе. Наряду с этими тремя радиоактивными рядами существуют и другие природные радиоактивные элементы, в частности натрий, входящий в состав поваренной соли и попадающий в наш организм вместе с пищей, а также трехатомный изотоп водорода, называемый тритием.

Происхождение естественной радиоактивности и путь ее распространения. Начальными элементами радиоактивных рядов являются уран, торий и актиний, а конечным продуктом — свинец.

Годовые дозы облучения, которым подвергается человек в естественных условиях:

излучение почвы и другие виды земного излучения. 120 миллирентгенов

излучение радия и продуктов его распада 7 миллирентгенов

космическое излучение… 30 миллирентгенов

изотоп калия 20 миллирентгенов

всего 177 миллирентгенов

Эти величины являются ориентировочными. Они различны для разных географических районов и даже зданий. Например, радиоактивность комнатного воздуха различна в деревянном доме и в бетонном здании. Большая радиоактивность в штольнях серебряных копей, там содержится много радия — продукта распада урана. Радиоактивность в плохо проветриваемых штольнях в 20 000 раз превышает нормальную радиоактивность обычного воздуха. Причиной ранней смерти горняков в прошлые времена была не «месть горного духа», а повышенная радиоактивность воздуха в рудниках.

Со времени взрыва первой атомной бомбы над Японией нам известна также и неконтролируемая искусственная радиоактивность. Специалисты по ядерной физике подсчитали, что во время взрыва было расщеплено около 1 % урана, находившегося в бомбе. Это вызвало радиоактивное излучение, равное излучению 800 000 т радия. В результате теплового и радиоактивного излучения бомбы погибло около 70 000 человек. Дозы облучения в радиусе от 1 до 2 км составляли после взрыва 500 рентгенов. Следовательно, в течение нескольких секунд создалось облучение, которое в 50 раз превышало естественное облучение, получаемое человеком за 30 лет.

После взрыва атомной бомбы в атмосфере остались радиоактивные продукты распада, т. е. возбужденные нейтронами радиоактивные изотопы различных элементов, а также 99 % массы нерасщепившегося урана. Они явились источниками различных видов проникающего излучения. Радиоактивные частицы размером в несколько тысячных долей миллиметра вместе с атмосферными пылинками разносились воздушными течениями. Большие частицы диаметром более 0,0001 мм выпадали на земную поверхность на расстоянии 100–200 км от места взрыва бомбы. Микроскопические радиоактивные частицы, взвешенные в воздухе, могут выпадать на земную поверхность в результате обычного оседания под действием силы тяжести и увеличения размеров. Когда мелкие частички оседают на более крупных и вместе с ними на протяжении нескольких месяцев и даже лет опускаются на земную поверхность, говорят о сухом выпадении радиоактивных частиц.

Другим процессом является мокрое выпадение. В этом случае расщепляющиеся продукты вымываются из атмосферы каплями дождя и достигают земной поверхности в несколько более концентрированном виде.

Какие последствия может иметь выпадение радиоактивных осадков вблизи места атомного взрыва, показывает печальная судьба 23 членов экипажа японской рыболовной шхуны «Фукури Мару» («Счастливый дракон»). Эта шхуна находилась в 90 милях от атолла Бикини, на котором 1 марта 1954 г. в 3 часа 40 минут была взорвана американская водородная бомба. Через 3 часа после взрыва на палубу шхуны выпала белая зола. Рыбаки не могли понять происхождения этой необычной золы. Вскоре люди почувствовали себя плохо, начались головные боли, кожа стала темнеть, а лица сделались красными. В зонах покраснения кожи появились пятна и опухоли, превратившиеся затем в нарывы. Когда по возвращении в свой порт рыбаков отправили в больницу, лица их уже почернели. Врачи без труда поставили диагноз: лучевая болезнь! В дальнейшем у больных пропал аппетит, начались озноб, выпадение волос, а позднее — кровотечение. Больным вводили антибиотики и делали переливание крови, но победить болезнь не удалось. Через шесть месяцев возникли нарушения функций печени. У радиста, умершего через полгода после взрыва бомбы в результате распада крови, вместо 6000 белых кровяных шариков в кубическом миллиметре крови их осталось лишь 2000.

Степень радиоактивности воздуха определяется очень просто. Концентрация искусственных и естественных радиоактивных элементов, содержащихся в воздухе, очень мала. Поэтому, чтобы измерить радиоактивность расщепляющихся веществ, необходимо их «обогатить». Для этого может быть использован, например, бумажный фильтр, который помещают перед отверстием насоса или, в самом простом случае, пылесоса. Когда воздух просасывается через такой фильтр, радиоактивные частицы осаждаются на его поверхности. Чтобы радиоактивность фильтра стала измеримой, приходится прососать достаточно большой объем воздуха. Затем фильтр помещают на покрытую эмульсией сторону фотопластинки. Через несколько дней или даже недель радиоактивные частицы, осевшие на фильтре, засветят фотопластинку. После проявления получают обычный снимок. Степень зачернения отдельных участков и их распределение по пластинке дают представление о радиоактивности частиц, уловленных фильтром.

Однако этот метод измерения радиоактивности требует весьма продолжительного времени. Поэтому на практике число распадов отдельных атомов измеряют с помощью счетчиков Гейгера — Мюллера. При использовании этого метода воздух в течение суток непрерывно просасывается через фильтр. Если мощность насоса позволяет ежечасно пропускать по 2 м^3 воздуха, то за сутки просасывается около 50 м^3. Степень насыщения фильтра радиоактивными частицами оказывается при этом вполне достаточной для точного определения степени радиоактивности воздуха. Фильтром улавливаются находившиеся в воздухе частицы как естественных, так и искусственных радиоактивных веществ. Поскольку при измерении нас интересует лишь вредная для человека искусственная радиоактивность, то необходимо разделить продукты искусственной и естественной радиоактивности. Это очень легко сделать, так как естественные радиоактивные вещества имеют сравнительно короткие периоды полураспада, т. е. распадаются за несколько часов. Через три дня после просасывания воздуха на фильтре остаются почти только одни частицы искусственных радиоактивных веществ. Тогда фильтр помещают под трубку прибора Гейгера — Мюллера, соединенную со специальным счетчиком числа импульсов. Путем тарировки счетчика с помощью стандартного радиоактивного препарата определяется радиоактивность исследуемого воздуха (в кюри на кубический метр).

Измерение радиоактивности атмосферных осадков производится следующим образом. Дождь или снег, выпавшие на плоскую поверхность площадью 1 м^2, собирают в специальный сосуд и выпаривают. Радиоактивность твердого остатка измеряют так же, как радиоактивность воздуха, т. е. с помощью счетчика. Степень радиоактивности исследуемого препарата тоже определяется только через три дня после взятия пробы.

Искусственная радиоактивность особенно опасна потому, что, например, такие расщепляющиеся продукты, как стронций (Sr^89 и Sr^90), вследствие их химического сходства с кальцием, проникают в кости животных и человека. В костях накапливаются источники радиоактивного излучения. Это излучение непрерывно воздействует на ткани и на кровь. Период полураспада стронция-90 составляет около 25 лет. Это значит, что даже через 25 лет число атомов стронция уменьшится только наполовину. В некоторых органах нашего тела может накапливаться количество радиоактивных веществ, в 100 000 раз превышающее нормальное их содержание. В желтках утиного яйца находили радиоактивный йод, количество которого в 1,5 миллиона раз превышало естественную норму.

Старый многолетний снежный покров и ледники являются своеобразными фильтрами для расщепляющихся веществ. Как известно, ледники питаются снегом, который, как и все другие виды атмосферных осадков, обладает лишь небольшой искусственной радиоактивностью. Давление верхних слоев снега на нижние, а также солнечная радиация постепенно уплотняют снежный покров и превращают его в наст и фирн. При повышении температуры воздуха часть талых вод стекает по поверхности ледников, часть испаряется. Но в обоих случаях радиоактивные вещества остаются на поверхности снега как на своеобразном фильтре. Таким образом, поверхность ледников и старого слежавшегося снега накапливает радиоактивные вещества, но на глубине 1 м концентрация радиоактивных частиц уже уменьшается на 1 %. Поэтому следует избегать долговременного использования фирна и снега для приготовления пищи и в качестве питьевой воды. Концентрация радиоактивных веществ в них может иногда в 500 раз превышать концентрацию, допустимую для питьевой воды. То же самое относится и к воде, хранящейся в цистернах.

Радиоактивное излучение, опасное для человеческой жизни, проникает в тело человека различными путями. Прямым путем является вдыхание воздуха или употребление воды, зараженных радиоактивными веществами. Значительно опаснее косвенный путь. Радиоактивные вещества, содержащиеся в почве или выпадающие на нее с атмосферными осадками, проникают в клетки растений. Растения постепенно накапливают в себе эти вещества. С растениями, используемыми в качестве корма, они проникают в мясо животных и вместе с мясом животных, овощами, молоком — в человеческий организм.

Опасность воздействия радиоактивных веществ на человека состоит в постепенном изменении характера наследственности при непрерывном действии радиации даже в малых дозах. Утверждают, что число мутаций, т. е. скачкообразных изменений наследственности под влиянием внешних воздействий, в результате облучения возрастает. Поскольку такие мутации в большинстве случаев действуют длительно и даже передаются по наследству, то дальнейший рост облучения радиацией составляет серьезную опасность для будущего развития человечества.

Контроль за изменением радиоактивности атмосферного воздуха является важной задачей метеорологии. На основании последовательных измерений степени радиоактивности проб воздуха, подвергшегося радиоактивному заражению, может быть установлена дата ядерного взрыва. Если привлечь еще и результаты наблюдений за режимом ветра в эти дни, то можно приблизительно определить и место взрыва. Этот метод используется для международного контроля за испытаниями ядерного оружия. Он не является самым надежным, но может служить хорошим дополнением к другим методам контроля. Распространение расщепляющихся продуктов в атмосфере не происходит равномерно вокруг места взрыва. Различные воздушные течения, включая, в частности, струйные течения, могут за несколько часов перенести продукты ядерного взрыва на очень большое расстояние, в то время как участки атмосферы, непосредственно примыкающие к месту взрыва, могут иметь лишь очень невысокую радиоактивность. Распространение крупных частиц радиоактивной пыли определяется именно характером воздушных течений. Все стихийные бедствия — землетрясения, извержения вулканов, наводнения— обычно прекращаются в течение нескольких часов или дней. После их окончания человек может ликвидировать причиненный ущерб. Но после взрыва атомной или водородной бомбы атмосфера остается зараженной на протяжении десятилетий, причем нет никакой возможности удалить из нее или с земной поверхности радиоактивные атомы, излучающие смертоносную радиацию.

Ядерные взрывы представляют чудовищную опасность для человечества. Жизнь наших детей и внуков уже немыслимо себе представить без разумно контролируемого мирного использования атомной энергии. С 1954 г. существуют атомные электростанции, с 1955 г. — корабли с атомными двигателями, а будущие космические летательные аппараты, по всей вероятности, тоже будут приводиться в движение атомной энергией. Весьма вероятно, что и для управления климатом в будущем тоже будет использоваться энергия атомного ядра. В научно-фантастических произведениях рассказывается о том, как с помощью атомной энергии будут регулироваться воздушные течения и как с центрального пульта управления будет задаваться программа движения всех воздушных масс на нашей планете. Однако весьма характерно, что среди авторов таких фантастических произведений совсем нет метеорологов, которых, казалось бы, все это должно касаться в первую очередь. Это имеет свое объяснение.

В метеорологии климатом принято считать средний характер погоды на обширной территории за длительный период времени (много десятилетий). Однако когда мы рассматриваем хотя бы кривые хода температуры воздуха за весьма длительный период, например, по станциям Берлин, Вена, Базель, где наблюдения производятся уже около 200 лет, то замечаем, что средняя годовая температура воздуха не является величиной постоянной, что холодные зимние и жаркие летние сезоны распределены беспорядочно. Тем не менее метеорологи не решаются говорить об изменении климата за эти 200 лет. Конечно, наблюдаются определенные колебания климата. Так, с 1795 по 1845 г. чаще бывали очень холодные зимы, в течение следующих 80 лет было больше мягких зим, а в последние 30 лет снова отмечаются очень суровые зимы.

Хотя точные причины таких колебаний климата еще неизвестны, бесспорно влияние на них огромного количества энергии. Вспомним, например, что атмосферный фронт, при прохождении которого выпадает 10 мм осадков, т. е. 10 л воды на 1 м^2, содержит запас энергии, эквивалентный энергосодержанию 10 т урана. Это в тысячу раз больше, чем заключалось в атомной бомбе, сброшенной на Хиросиму. В отдельные годы над Европой проходит до 100, а иногда даже до 600 атмосферных фронтов. Это значит, что число атмосферных фронтов может меняться в пределах 500, а в атмосфере должна содержаться энергия, равная энергии 500 000 атомных бомб. Однако мы не можем говорить о колебании климата, даже если в течение двух лет подряд проходит исключительно большое число атмосферных фронтов. Мы понимаем, что об управлении климатом следует пока говорить с большой осторожностью. Даже если предположить, что в нашем распоряжении уже имеются необходимые запасы ядерной энергии, то еще неизвестно, как заставить эту энергию воздействовать на атмосферу. До настоящего времени такая энергия вводилась в атмосферу лишь в течение тех нескольких миллисекунд, за которые происходил ядерный взрыв. Для искусственного воздействия на климат этот способ совершенно непригоден. При мгновенном вводе энергии в атмосферу возможны только стихийные бедствия. Увеличение осадков под действием ионизирующих излучений отдельных ядерных осколков вряд ли вероятно. Атмосфера и без того содержит значительное количество радиоактивных примесей, вредных для здоровья, и недопустимо загрязнять ее еще сильнее. Возможно, однако, что в будущем удастся заставить ядерные реакции в атмосфере протекать медленно и постоянно их контролировать. Но и в этом случае останется еще проблема удаления из атмосферы вредных продуктов распада, т. е. радиоактивных изотопов.

Однако изложенным выше не исчерпывается проблема искусственного воздействия на климат. Дело не только в недостатке необходимой энергии, но и в том, чтобы наиболее разумным образом ее использовать. Так, если в какой-нибудь холодный апрельский день, когда с северным ветром в Европу через Северное море пришел неустойчиво стратифицированный арктический воздух, мы захотели бы добиться общего смягчения погоды, то нам пришлось бы прогреть всю среднюю тропосферу над Европой. Атмосфера могла бы тогда стать устойчивой, прекратились бы ливни и грозовая деятельность. Но для этой цели нельзя было бы вводить энергию в атмосферу с земной поверхности, так как нагревающийся воздух приземного слоя, поднимаясь вверх и создавая сильные вертикальные перемещения в атмосфере, усилил бы штормовую деятельность, т. е. цель не была бы достигнута.

Совершенно так же с помощью искусственно вводимой энергии невозможно ни вызвать выпадение осадков в пустынях, ни добиться потепления полярных районов земного шара. Действительно, над пустынями атмосфера слишком суха и потому даже при подъеме воздуха не было бы конденсации водяного пара и развития облаков, а без этого невозможно было бы и выпадение осадков. Следовательно, здесь необходимо вводить в атмосферу не только энергию, но и водяной пар. Но песок пустынь содержит очень мало влаги и не может быть источником водяного пара. Остается использовать для этого море. Но оно слишком далеко от тех районов, где необходимы осадки. Например, если необходимо обеспечить подачу водяного пара в засушливые области Восточной Европы, то следует испарять морскую воду при западных ветрах. Однако невозможно предвидеть заранее, где именно водяной пар сконденсируется и в виде дождя выпадет на земную поверхность.

Искусственный прогрев полярных районов также невозможен. Не говоря уже о трудностях, связанных с осуществлением такой меры, необходимо представить себе, какие последствия она вызовет в соседних районах земного шара. Из опыта мы знаем, что зоны осадков возникают там, где встречаются воздушные массы различного происхождения. Невозможно заранее оценить все атмосферные явления и все возможные изменения погодных и климатических условий, которые возникли бы в умеренных широтах, если бы с некоторых пор сюда перестал поступать холодный арктический воздух. Выпадение осадков, составляющих одно из условий существования человечества, было бы поставлено под сомнение.

В то же время у читателя не должно создаваться впечатление, будто метеорология полностью отклоняет возможность использования ядерной энергии. Мы хотели только показать те трудности, с которыми следует считаться. Трудности весьма значительны, но это вовсе не значит, что они непреодолимы.

В настоящей главе мы рассмотрели радиоактивные примеси, взвешенные в атмосфере. Далее мы перейдем к нерадиоактивным загрязнениям атмосферы. Любая воздушная масса в той или иной степени загрязнена. Это зависит от места образования воздушной массы, от пути, который она проходит, и от времени года. Но с развитием промышленности к естественному загрязнению атмосферы прибавилось еще и искусственное, являющееся результатом хозяйственной деятельности человека. Поскольку мало кто знаком с современным состоянием вопроса о загрязнении воздуха, мы в следующей главе рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.

„Помойные ведра"

Ежегодно человечество сжигает миллиарды тонн угля и нефти. Около 70 % этого количества используется на тепловых электростанциях для выработки электроэнергии. Остальная часть расходуется в химической промышленности, а также на бытовые нужды (отопление и т. п.). Отработанные газы и летучие частицы, выбрасываемые в атмосферу, сильно загрязняют воздух. Это загрязнение в последние годы становится серьезной опасностью для людей, проживающих в промышленных районах. В течение 50 лет различные организации изучают вопросы очистки и улучшения состава воздуха, тем не менее загрязнение атмосферы еще не уменьшилось.

За последние полвека атмосферная пыль превратилась в один из важных метеорологических элементов, так как стала ясна ее роль во многих явлениях и процессах, изучаемых прикладной метеорологией, особенно медицинской, сельскохозяйственной и технической.

Частицы золы и дыма, попадающие в атмосферу из труб промышленных предприятий, а также частицы двуокиси серы (SO_2), окиси азота (NO), углекислоты (СО_2), окиси углерода (СО) и др. переносятся воздушными течениями на сотни километров. Только в одной Англии в воздух ежегодно выбрасывается 500 000 т золы и 2 300 000 т частиц дыма.

Рассмотрим прежде всего, что происходит в атмосфере под действием поступающих в нее примесей. Отработанные газы, распространившись в атмосфере, образуют здесь мутную среду[36]. При наличии в атмосфере примесей увеличивается поглощение солнечной радиации и, следовательно, уменьшается доля радиации, доходящей до земной поверхности. В некоторых промышленных городах, например в Лондоне, эта потеря солнечной радиации в сумме за год эквивалентна среднему приходу радиации за месяц. Атмосферные примеси избирательно поглощают радиацию разных длин волн. Наиболее сильно поглощается коротковолновая радиация. Над Лондоном при устойчивом состоянии атмосферы, когда отработанные газы рассеиваются очень медленно, поглощается до 98 % поступающей в атмосферу ультрафиолетовой радиации.

Статистика однозначно указывает на рост смертности вблизи источников загрязнения атмосферы. Исследование различных жилищ показало, что смертность среди живущих в нижних этажах зданий больше, чем в верхних. Во время сильного лондонского тумана в 1952 г. смертность за одну неделю в 9 раз превысила норму.

Увеличение смертности в жилищах, которые расположены в нижних этажах зданий, да еще выходят окнами на пыльные улицы, объясняется, конечно, не только недостатком ультрафиолетовой радиации. Дефицит ультрафиолетовой радиации составляет лишь одну сторону вредного влияния городского климата на организм человека. Рахит как типичная болезнь промышленных городов также имеет своей причиной главным образом неблагоприятные микроклиматические условия.

При поглощении солнечных лучей частицами атмосферных примесей воздух нагревается и увеличивается противоизлучение атмосферы. При этом возникает неприятное ощущение духоты; и без того жаркие летние дни становятся еще более тяжелыми для городского населения.

Примеси, взвешенные в воздухе, способствуют также конденсации водяного пара, содержащегося в атмосфере. Пылинки и частицы дыма являются ядрами конденсации. Вблизи источников дыма водяной пар конденсируется даже при относительной влажности воздуха менее 100 % и возникают весьма распространенные промышленные (городские) туманы. При въезде во многие города водителей автотранспорта встречают щиты с предупреждающей надписью: «Внимание! Городской туман!». В Лондоне в зимнее время года при антициклоническом характере погоды туманы в отдельные дни совершенно парализуют работу городского транспорта. Нередко прекращаются даже занятия в школах, так как, несмотря на электрическое освещение в классах, школьники не видят своих учителей[37].

Опасность, которую несут с собой «классические» виды атмосферных загрязнений — SO_2, СО_2, СО и другие газы, — невелика по сравнению с опасностью от выхлопных газов автомашин. Наиболее опасен поступающий при этом в атмосферу угарный газ (окись углерода), так как его сродство с гемоглобином крови в 300 раз больше, чем с кислородом. Гемоглобин, являющийся носителем кислорода в крови человека, начинает вместо кислорода соединяться с угарным газом. Снабжение клеток организма кислородом нарушается, в результате чего возникает тяжелое заболевание, а при большой концентрации угарного газа возможна даже смерть. Измерения на улицах городов Рурской области показали, что концентрация угарного газа здесь достигает иногда 0,03 % (по объему). На шахтах при такой же концентрации вредных газов горняки применяют приборы для искусственного дыхания.

Однако углеводороды, поступающие в атмосферу с выхлопными газами, еще более опасны, чем угарный газ, ибо под воздействием дневного света они образуют озониды, т. е. газы, содержащие озон (О_3). Они в тысячу раз более ядовиты, чем угарный газ. В Лос-Анжелесе, третьем по величине городе США, борьба против загрязнения воздуха озонидами стала очень острой проблемой. В городе 4 миллиона жителей и 2,5 миллиона автомобилей. Кроме выхлопных газов здесь распространены еще два источника атмосферных загрязнений. Это дым, который образуется при неполном сжигании домашних отбросов, и отходы производства нефтеочистительных предприятий. Все эти газы и дымы образуют над городом завесу, которую называют «смог» (от английских слов smoke (дым) и fog (туман).

Буквально каждый второй день смог раздражает слизистую оболочку глаз жителей города. В результате глаза их начинают слезиться. Сильно повреждается и растительный покров земли. По степени повреждения растений в разных местах можно судить об особенностях пространственного распределения вредных газов в атмосфере. Когда при антициклоническом характере погоды город слабо вентилируется и содержание озонидов в воздухе становится недопустимо высоким, дается первый сигнал тревоги, по которому население обязано погасить все домашние печи для сжигания отходов. В случае дальнейшего накопления озонидов прекращается движение автотранспорта. Некоторые американские фирмы разработали устройства, монтируемые на выхлопных трубах автомашин и перехватывающие ядовитые газы. Однако такие устройства уменьшают мощность автомобильных моторов. Поэтому естественно, что владельцы автомобилей протестуют против введения в Лос-Анжелесе закона об обязательной установке газоочистительных устройств.

Вредное действие дыма в городах и в сельской местности.

Наряду с газами, раздражающими слизистую оболочку (SO_2 и SO_3) и вредными для крови человека (СО_2, СО и NO), серьезную опасность для населения промышленных городов представляют твердые атмосферные примеси. Крупные пылинки создают перегрузку дыхательных путей и, в частности, носоглотки, а мелкая пыль, неотфильтрованная верхними дыхательными путями, проникнув в легкие, может стать причиной различных болезней. Наряду с воспалением слизистой оболочки и астматическими явлениями увеличивается и угроза инфекционных заболеваний, так как пылинки являются одновременно и носителями бактерий. Наконец, запыленный воздух является причиной слишком поверхностного нездорового дыхания.

Для полноты картины следует упомянуть о существовании и таких видов промышленной пыли, которые полезны для здоровья человека. Это, например, известковая и гипсовая пыль. Однако по сравнению с количеством вредных атмосферных примесей эта «полезная» пыль не играет заметной роли.

Загрязнение атмосферы распространяется не только на район, непосредственно примыкающий к источнику этого загрязнения. Даже на расстоянии до 50 км можно обнаружить губительное действие дыма и ядовитых газов на растительный покров. В США ущерб, ежегодно наносимый вредными дымами лишь сельскому хозяйству, исчисляется в 0,5 миллиона долларов. Повреждения растений состоят прежде всего в ожогах листвы. Следствием этого является уменьшение ассимилирующей способности листьев. Листья преждевременно вянут, рост плодов замедляется, а вкус их становится неприятным. Уменьшение урожайности сопровождается прогрессирующим ухудшением свойств почвы. Вредные следствия загрязнения атмосферы являются предметом изучения на протяжении ряда последних десятилетий.

Проблема борьбы с атмосферной пылью является и технической, и метеорологической проблемой. Промышленные предприятия — главные поставщики отработанных газов, а атмосферные условия определяют характер их распространения. Рассмотрим сначала, какие меры для уменьшения загрязнения атмосферы могут предпринять поставщики примесей. Это проблема чисто техническая. Следует прежде всего добиться более полного сжигания топлива на промышленных предприятиях, чтобы уменьшить количество золы, пепла и сажи в выбрасываемых производством дымах и газах. В Англии с 1905 г. существует закон, то которому каждый, кто допускает неполное сжигание топлива в своей печи, подвергается штрафу. Этот закон известен под названием «билля о чистом воздухе».

Кроме того, в промышленности можно принять меры к тому, чтобы связывать некоторую часть золы, выбрасываемой вместе с отработанными газами. Это особенно важно потому, что при наиболее распространенном в промышленности способе сжигания топлива вблизи стенок топки 25 % топлива вылетает в трубу в виде золы. При сжигании же предварительно распыляемого топлива эта доля возрастает до 80 %. При таких условиях на каждый квадратный километр местности ежегодно оседает 50 т золы.

Несмотря на то что мощные фильтры для улавливания пыли перехватывают только золу и пепел, но пропускают дымы и газы, установка фильтров все же имеет очень большое значение для очистки воздуха. Уже созданы и установки для улавливания дымов и ядовитых газов путем пропускания их через некоторые химически активные жидкости.

С точки зрения атмосферно-гигиенических условий лучшим способом является сжигание топлива в топках с жидким шлакоудалением. В этом случае зола связывается еще в самой топке. Зола бурого угля содержит значительное количество извести, которая может быть затем переработана в цемент, камень для кладки, газобетон, искусственные удобрения и другие материалы. Правда, коэффициент полезного действия топок при таком сжигании топлива меньше, чем при других способах, так как удаление золы и пепла с жидкостью, пропускаемой через топку, связано с большой теплопотерей и весьма трудоемким процессом. Отходные газы, возникающие в таких топках, настолько сильно охлаждаются при соприкосновении с активной жидкостью, что после выхода из трубы оседают на подстилающую поверхность в непосредственной близости. Следовательно, при применении топок с жидким шлакоудалением загрязняется в значительной степени только местность, непосредственно примыкающая к источнику загрязнения. Поэтому следует добиваться широкого применения таких топок, особенно в крупных городах.

Метеорологические службы многих стран содержат сеть станций, на которых измеряется количество примесей в атмосфере, ведется контроль за его изменением и распространением примесей. Материалы о распределении дымов и вредных газов составляют основу при выборе места строительства новых городов. Очевидно, что строительство санаториев, больниц, парков, детских площадок и тому подобных учреждений следует по возможности вести на наветренной стороне источников атмосферного загрязнения. Понятно также, что перед выбором мест для новых промышленных районов и городов каждый раз должен проводиться детальный и точный анализ местных климатических условий. В этом случае метеорология является помощником и участником планирования строительства.

Для городского микроклимата наряду с загрязнением характерно повышение температуры воздуха по сравнению с окрестностями. Приведем некоторые примеры:

Нью-Йорк (Джерси-Сити) на 1,83° теплее окрестностей

Будапешт…….„0,70

Баку………„0,49

Из этих данных видно, что большинство крупных городов имеет нездоровый климат. Увеличение температуры воздуха в городе по сравнению с окрестностями является прежде всего следствием плохого проветривания городских кварталов. Высокие дома, разделяемые лишь узкими улицами, препятствуют нормальному обмену воздуха. Воздух, застаивающийся над крышами городских строений, может сильно перегреваться. Слабое перемешивание приводит также к накоплению дыма и отработанных газов в нижнем слое атмосферы. В некоторых странах созданы атласы географического распределения загрязнения атмосферы. Однако их приходится все время перерабатывать, так как развитие промышленности ведет к непрерывному изменению условий загрязнения разных районов. Для более полного анализа действия источников атмосферных загрязнений были предприняты многочисленные экспериментальные исследования. Так, например, к газам, выделяющимся из труб, подмешивали диато-меевую пыль (диатомеи — водоросли), которая соединялась с частичками золы и переносилась по воздуху. После механического и химического анализа проб пыли, собранных в различных пунктах, лежащих вокруг исследуемой трубы, можно было обнаружить в ней подмешанные частицы и определить размеры области, в пределах которой распространялись примеси, выбрасываемые данной трубой.

Проблема борьбы с загрязнением атмосферы вредными примесями не может быть решена ни единичным предприятием, ни отдельным исследователем. Переносчик загрязнений, т. е. сама атмосфера, может в течение нескольких часов распространить их на сотни километров. Поэтому вредному влиянию загрязнения атмосферы подвергаются не только те, кто ее загрязнил, но и миллионы других людей. Значит, борьба за чистоту воздушного бассейна должна вестись как в национальных, так и в международных масштабах. Должна расти уверенность в том, что атмосфера не может более служить «помойным ведром» для различных вредных примесей и отбросов. Рабочий, занятый на тяжелых работах, ежедневно потребляет с пищей около 4000 калорий, что соответствует примерно 1 кг сахара. Он потребляет также около 1,5 л воды. Но воздуха ему нужно 10 000 л. Мы всегда требуем здоровой пищи и чистой питьевой воды. Но теперь настало время требовать здорового воздуха.

В старых городах можно лишь незначительно воздействовать на микроклимат, так как расположение жилых и промышленных кварталов не позволяет существенно изменить вентиляцию. Улучшение городского микроклимата возможно здесь только техническим путем, обеспечивающим уменьшение загрязнения воздуха. Решение этой проблемы должны начать в первую очередь промышленные предприятия.

Более благоприятные возможности появляются при строительстве новых городов или городских кварталов. Используя научные данные об особенностях городского микроклимата еще на стадии проектирования, можно учесть местные условия и оценить изменения, которые произойдут в результате строительства города.

Климат города имеет огромное значение для здоровья его населения. С увеличением количества пыли в городском воздухе увеличивается число ядер конденсации. Концентрация пыли и ядер конденсации в городе в основном определяется режимом воздушных течений. Характеристикой городского климата является степень вентиляции в городе. Поэтому при строительстве новых городов или городских кварталов особенно важно знать господствующее направление ветра. Промышленные предприятия, являющиеся источником загрязнения атмосферы, должны, как правило, располагаться с подветренной стороны жилых кварталов. Однако при строительстве мелких объектов тоже необходимо учитывать метеорологические условия. Так, при сооружении детской площадки следует учитывать одни особенности местности, а при строительстве парка для взрослых — другие. Местность, на которой оборудуется детская площадка, должна характеризоваться лишь слабым движением приземного воздуха, т. е. отсутствием сильного ветра. Поэтому вокруг площадки следует возвести забор или живую изгородь, чтобы обеспечить достаточную ветровую защиту. Вблизи живой изгороди почва и приземный слой воздуха нагреваются значительно быстрее, чем на открытом месте. В таком микроклимате дети будут чувствовать себя очень хорошо. Зато парк для взрослых должен, наоборот, хорошо продуваться, чтобы не застаивались выхлопные газы автомашин. Тем не менее выгодно обнести такой парк невысокой живой изгородью. Она не будет существенно уменьшать продуваемость и в то же время будет задерживать пыль, поднимаемую проезжающими мимо машинами.

Каким образом можно учесть все эти положения в градостроительстве, мы наглядно видим на примере типовых городов, строящихся в социалистических странах. Здесь план строительства города не связан с земельными спекуляциями или с наживой, как это имеет место в городах капиталистических стран. В качестве примера достаточно указать хотя бы на особенности городского климата в Волгограде, Баку или в Эйзенхюттенштадте.

Погода, животное и растение

Физические и химические процессы, происходящие в воздушной оболочке земного шара, являются предметом исследования общей метеорологии. Взаимодействие же между воздушной оболочкой и биологическими процессами, происходящими на земном шаре, изучает главным образом прикладная метеорология.

Общая метеорология изучает, например, процесс образования атмосферных осадков, а прикладная — осадки лишь с момента их выпадения на земную поверхность. Общая метеорология изучает образование осадков как определенный физический процесс, а прикладная метеорология оценивает его воздействие на процессы, происходящие на земной поверхности и в почве. Крестьянин зимой мечтает о том, чтобы выпало побольше снега, который защитит его посевы от вымерзания. В то же время на железных и шоссейных дорогах обильные снегопады создают большие затруднения для транспорта. Или возьмем, например, росу. Она является продуктом конденсации водяного пара, содержащегося в атмосфере, и не оказывает ни малейшего влияния на развитие погоды. В то же время выпадение росы играет важную роль в сельскохозяйственных работах, так как комбайны можно запускать только после просыхания хлебов.

Отсюда следует, что прикладная метеорология должна быть очень тесно связана с практикой. Различают пять основных отраслей прикладной метеорологии: медицинскую, транспортную, промышленную, лесную и агрометеорологию[38]. Врач, например, хотел бы знать, какие заболевания могут возникнуть при том или ином характере погоды. Крестьянин же обращает особое внимание на метеорологические явления, которые могут нанести вред посевам и повлиять на урожай. А лесовод хочет получить от климатолога данные о том, в какой местности будут наиболее благоприятные климатические условия для оптимального прироста биомассы древесных пород.

Влияние того или иного метеорологического элемента на развитие растительности сильно зависит от того, в какой фазе находится растение. Поэтому агро- или лесометеоролог должен хорошо знать требования растения к определенному метеорологическому элементу. Так, например, почти все полевые культуры в фазе вегетации, когда происходит интенсивный прирост биомассы, нуждаются в достаточном увлажнении, тогда как в фазе спелости излишняя влага может оказаться для растения очень вредной.

В настоящее время известны еще далеко не все стороны сложного взаимодействия между погодой и человеком, животным, растением. Для выяснения взаимодействия метеоролог должен работать в тесном содружестве с ботаниками, зоологами, гидрологами, физиологами и врачами.

Рассмотрим подробнее хотя бы одну из отраслей прикладной метеорологии — агрометеорологию. Она исследует влияние атмосферы на почву и растения и ставит своей целью выявление закономерностей этого влияния. Кроме того, в ее задачу входит применение своевременных защитных мер против вредных метеорологических явлений. Одной из таких задач является, например, обогрев фруктовых деревьев и виноградников во время весеннего возврата холодов и вообще весенних заморозков.

С другой стороны, предметом агрометеорологии является изучение оптимальных условий развития различных растений и изменения микроклимата, т. е. климатических условий в непосредственной близости от растений. Так, например, вблизи живой изгороди почва и приземный слой воздуха нагреваются быстрее, чем на открытой местности. Таким образом, агрометеоролог должен знать как метеорологические, так и биологические закономерности.

Чтобы исследовать влияние погоды на количество и качество урожая, нужно прежде всего по-новому обработать материал метеорологических наблюдений. Для отдельных метеорологических элементов обычно приводятся либо месячные суммы (например, суммы осадков), либо средние месячные значения (например, температуры воздуха). Эти исходные метеорологические данные необходимо переработать хотя бы потому, что начало определенных периодов в развитии сельскохозяйственных культур, а также начало тех или иных сельскохозяйственных работ или агрономических мероприятий далеко не всегда приходится как раз на первое число месяца. Таким образом, переработка обычных метеорологических данных для специальных целей сельского хозяйства приобретает в агрометеорологии огромное значение.

Уже более 100 лет накапливаются многочисленные наблюдения за сроками наступления различных биологических явлений в природе, например, за сроками цветения плодовых деревьев, сроками отлета скворцов и т. п. Материал таких наблюдений уже может быть сопоставлен с ходом погоды за длительное время. В метеорологии такие наблюдения называют фенологическими[39]. Особое внимание при таких наблюдениях обращают на установление сроков начала и окончания роста разных растений. Этот отрезок времени, называемый вегетационным периодом, имеет решающее значение для развития сельскохозяйственных культур и для определения ожидаемого урожая.

Мировая карта сроков уборки пшеницы. Каждый месяц в том или ином районе земного шара производится уборка пшеницы.

Перед внедрением новых культур или новых сортов необходимо во избежание возможных неудач предварительно определить продолжительность вегетационного периода этих культур в тех районах, где планируется их внедрение. В южных районах Европы продолжительность вегетационного периода некоторых культур достигает 260 дней, а в северных — уменьшается до 100 дней. В Южной Европе период самых высоких температур продолжается 160 дней, а в Скандинавии — ноль дней!

По сведениям, полученным о росте пшеницы в разных странах, была построена мировая карта сроков ее возделывания и наступления разных фаз ее развития. На этой карте видно, что каждый месяц в том или ином районе земного шара происходит уборка пшеницы. Начинается она в феврале на экваторе и постепенно смещается в северном полушарии к северу. В субарктической зоне пшеницу убирают в октябре. А затем лето наступает в южном полушарии. Вблизи экватора уборка пшеницы происходит в ноябре, а в южной Африке — в январе. Средние сроки жатвы могут значительно смещаться в зависимости от хода погоды. Но и за постепенным сдвигом таких смещений во времени ведутся наблюдения.

Всемирная фенологическая сеть ведет постоянные наблюдения за сроками наступления определенных периодов развития животного и растительного мира, например, за сроками появления всходов пшеницы и полной спелости ее. Результаты наблюдений передаются в национальные центры. Благодаря этому удается строить общие обзоры состояния различных сельскохозяйственных культур на земном шаре.

Но агрометеорология занимается не только статистическими разработками, но и полностью обслуживает сельскохозяйственное производство. В частности, она уделяет внимание изучению метеорологических условий развития различных болезней, поражающих сельскохозяйственные культуры. Из года в год значительная часть урожая картофеля гибнет под действием фитофторы. Эту болезнь вызывает гриб, по-латыни называемый Phytophthora infestans. Он зимует в клубнях картофеля, а после их прорастания перебирается в стебли. Распространяют фитофтору споры, которые переносятся ветром и заражают новые здоровые картофельные кусты. Развитие спор фитофторы определяется главным образом атмосферными условиями. Оно начинается при температуре 10°. Заражению подвергаются только листья, остававшиеся мокрыми примерно в течение 8 часов подряд. Заражение развивается за четыре часа. Примерно с середины июня устанавливаются температуры воздуха, благоприятные для появления фитофторы. С этого времени агрометеоролог должен непрерывно вести наблюдения за температурой воздуха, ветром, а также за смоченностью поверхности листьев, чтобы предупредить о возможности появления фитофторы. Во-время произведенное опрыскивание растений ядохимикатами позволит избежать слишком больших потерь.

Борьбу против заморозков агрометеоролог ведет в тесном контакте с садоводами и виноградарями. Метеорологическое обслуживание сельского хозяйства распространяется и на ряд других культур. Поскольку погода любого времени года имеет большое значение для сельского хозяйства, постольку и метеообслуживание его не является делом сезонным. От погодных условий сильно зависит, например, проветривание погребов и других складских помещений, сроки начала весенних полевых работ, борьба с сорняками, сроки сенокоса и уборки зерновых, время закладки кормов на силос и многие другие сельскохозяйственные работы.

К сожалению, нередко еще приходится слышать такое мнение, что крестьянин, мол, сам, без всякой агрометеорологии, отлично знает, когда и что ему надо делать. Крестьянин действительно имеет большой опыт проведения сельскохозяйственных работ. Однако его подготовка к тем или иным работам может быть полноценной только тогда, когда он точно знает, как будет развиваться погода. Кроме того, во многих странах сельское хозяйство превратилось за последние годы в крупное социалистическое производство. При этом земельные площади одного хозяйства сильно увеличились, определенные культуры сконцентрировались на небольшом числе угодий, резко улучшилась механизация всех работ. Свойственный социализму коллективный труд на сельскохозяйственных предприятиях предъявляет новые требования к агрометеорологии при массовом производстве сельскохозяйственной продукции.

В новой организации работ по производству больших масс сельскохозяйственной продукции мы имеем очень мало опыта. Так, например, следует выяснить, какие метеорологические условия наиболее способствуют использованию в тех или иных сельскохозяйственных работах различной современной техники. Поэтому необходимо постоянно давать сельскому хозяйству научно обоснованные консультации об ожидаемом воздействии предстоящей погоды на разные отрасли полеводства и животноводства.

После урагана на Филиппинах (фото агентства Центральбильд),

Просветы под мостами часто действуют как аэродинамические трубы. В такой «трубе» с проезжавшей машины были сброшены ветром снопы.

Искусственный туман над фруктовым садом уменьшает опасность замерзания цветущих деревьев.

Дождевание фруктовых деревьев является наиболее надежной защитой как от радиационных, так и от адъективных заморозков

В прежние времена крестьянин начинал свой трудовой день на основании собственного «прогноза», он фактически был предоставлен самому себе. Теперь при коллективном труде товарищеская помощь организуется в хозяйствах или районах, в которых те или иные полевые работы затянулись. Когда надо спасать урожай, то трактора перебрасываются из одних районов в другие. Однако рентабельное использование сельскохозяйственной техники возможно лишь в том случае, если учитываются все агрометеорологические условия: состояние почвы, погода, местные особенности. Сотни штатных и Добровольных наблюдателей информируют местные бюро погоды о ходе полевых работ, о состоянии посевов и т. п., а бюро погоды рассылают руководителям сельского хозяйства обзоры о состоянии сельскохозяйственного производства и о том, какие районы наиболее благоприятны для возделывания определенных сельскохозяйственных культур.

Однако для этого должна быть прежде всего проведена, так сказать, «инвентаризация» наиболее важных метеорологических элементов, должны быть собраны сведения об ураганных ветрах, об участках, затопляемых при наводнениях, о местах, подвергающихся сильным градобитиям, и т. д. При подобном метеорологическом изучении местности не удается сразу получить представление обо всех возможных здесь особых метеорологических явлениях. Ведь некоторые из них наблюдаются только один раз в пять или десять лет, и поэтому их забывают учитывать. Наряду с изучением местности необходимо опрашивать старожилов. Если мы хотим узнать, какая местность наиболее благоприятна для возделывания определенной сельскохозяйственной культуры, то необходимо также очень тщательно изучать фенологические данные. Так, если выясняется, например, что в том или ином месте ягодные кусты из года в год поражаются заморозками, то ясно, что на этом участке нецелесообразно устраивать новый ягодный питомник.

Однако всего этого еще недостаточно. Необходимой обязанностью агрометеорологов является проведение микроклиматической съемки. В зависимости от степени поражаемости заморозком того или иного склона или равнинного участка на нем устанавливается различное число метеорологических приборов, которые используются, когда метеорологические условия могут оказаться опасными для сельскохозяйственных культур. Кроме того, на исследуемой местности прокладывается несколько маршрутов для вездехода, оборудованного необходимыми приборами. Приборы укрепляются на специальных кронштейнах перед машиной или на крыше, причем датчики приборов настолько малоинерционны, что реагируют на малейшие изменения измеряемых метеорологических элементов и тотчас передают соответствующие сигналы регистраторам, укрепленным в кузове машины. С помощью вездеходов можно при различных метеорологических условиях исследовать новые участки местности. Они особенно удобны для обнаружения «озер» холодного воздуха, застаивающегося в пониженных частях рельефа, а также для обнаружения более теплых склонов различных возвышенностей. Известно, что на дне любой котловины всегда накапливается холодный воздух, тогда как на окружающих склонах образуется кольцеобразная теплая зона. Большое значение для сельского хозяйства имеет также выявление участков с наиболее сильными ветрами и районов с повышенным выпадением росы.

Распределение температуры воздуха ночью в понижении рельефа.

Если сопоставить результаты микроклиматических измерений с визуальными наблюдениями и фенологическими данными, то можно установить, какие особые метеорологические условия вызвали, например, раннее созревание пшеницы на том или ином участке. Если изучаемые культуры обладают высокой морозоустойчивостью, то озеро холодного воздуха может почти совсем не выявиться на микроклиматической карте. Ну, а если по тем или иным производственным соображениям на данном участке перестанут возделывать пшеницу и отведут его под овощи? Можно ли выращивать здесь не пшеницу, а овощи? Ответ на этот вопрос могут дать лишь маршрутные микроклиматические съемки. Они позволят установить размеры озер холодного воздуха и решить, возможно ли возделывание на данном участке сельскохозяйственных культур, чувствительных к колебаниям метеорологических условий.

До недавнего времени микроклиматические исследования не представляли большого интереса, ибо в условиях мелкого сельскохозяйственного производства невозможно было ни микроклиматическое районирование территории, ни искусственное воздействие на микроклимат. Если фруктовый сад какого-либо крестьянина оказывался на морозобойном участке, т. е. часто подвергался заморозкам, то этот крестьянин должен был знать, что через каждые 3–4 года у него будут большие убытки. После социалистического преобразования сельского хозяйства условия коренным образом изменились. Теперь можно размещать сельскохозяйственные культуры с учетом реальных особенностей местности и концентрировать полевые и садовые участки в соответствии с наиболее благоприятными условиями произрастания на них соответствующих растений. На микроклиматических картах видно, где необходимо вести работы по защите сельскохозяйственных посадок.

Составление микроклиматических карт имеет большое значение и для животноводства. Сейчас получило широкое распространение открытое содержание скота в зимних условиях. Однако часто не имеет смысла разрушать капитальный старый закрытый скотный двор, чтобы строить на этом же месте открытый хлев. В открытом хлеве скот подвергается непосредственному воздействию почти всех метеорологических элементов, кроме осадков и прямой солнечной радиации. Поэтому, перед тем как строить открытый хлев, непременно нужно провести детальное микроклиматическое исследование местности и выявить участки с сильным ветром, с застаивающимся холодным воздухом, с сырой почвой и т. п. Характеристикам микроклимата часто не уделялось должного внимания, что приводило иногда к неудачам при использовании открытых хлевов. Но эти неудачи связаны не с ошибочностью идеи открытого содержания скота, а лишь с неправильным выбором участков для строительства открытых хлевов.

Наряду с мерами искусственного воздействия на микроклимат, которые должны способствовать повышению уровня сельскохозяйственного производства и увеличению урожайности каждого гектара земли, следует отметить важное значение создания искусственного микроклимата без дополнительных затрат энергии. Эта мера, широко распространенная в садоводстве, заключается в максимально эффективном использовании метеорологических условий.

Широкое развитие производства искусственных пленок, и, в частности, полиэтилена открывает перед нами два пути. В связи с этим над огородами и даже над полями можно без больших затрат оборудовать полиэтиленовые палатки, подобные обычным парникам. Воздух в таких палатках становится теплым и влажным, а также сохраняются грунтовые воды, хотя с поверхности почвы происходит испарение. Пар конденсируется на внутренних стенках палатки, и вода стекает обратно на поверхность почвы. Полиэтилен уменьшает ночное излучение поверхности почвы и поэтому служит хорошей защитой от заморозков. Другой способ использования полиэтиленовой пленки заключается в том, что ее расстилают на поверхности почвы на весь вегетационный период. После того как машина разложит пленку на почве, она проделывает в ней отверстия; расстояние между отверстиями зависит от культуры, которая будет выращиваться на данном поле. В отверстия засевается или высаживается, например, фасоль, кукуруза или помидоры. Отверстия в пленке обеспечивают просачивание в почву дождевой воды.

Пленка имеет три основных положительных свойства. Она почти полностью поглощает солнечную радиацию и превращает ее в тепло. В результате вблизи молодых растений уже в апреле при солнечной погоде температура воздуха достигает 25–30°. В этих условиях растения развиваются быстрее и растут более пышно, так что уже ранней весной, в период наибольшего недостатка витаминов, можно получать свежие овощи. Далее, под пленкой уменьшается испарение с поверхности почвы, поэтому водный баланс земной поверхности мало изменяется под влиянием растительности. И, наконец, третье положительное свойство пленки заключается в том, что вследствие недостатка света под ней уменьшается рост сорняков.

В заключение настоящей главы мы расскажем еще об одном мероприятии, которое осуществляют агрометеорологи в Советском Союзе. Как известно, в северных районах СССР мерзлая почва оттаивает только летом, да и то на небольшую глубину. Лед на глубине сохранился здесь еще со времени последнего ледникового периода. Доказательством служат находки в этих районах (кости доисторических животных и остатки деревьев, возраст которых определяется по содержанию в них радиоактивного изотопа углерода). Мерзлая почва покрыта слоем мха толщиной до 10 см. Мох плохо проводит тепло, но испаряет много влаги. Это препятствует проникновению тепла. Советские ботаники вместе с климатологами и агрометеорологами оборудовали в тайге ряд научных станций для исследования микроклимата и климата почвы. После проведения фундаментальных исследований и опытов был разработан план сельскохозяйственного использования мерзлых почв. Прежде всего необходимо было удалить слой мха. И вот с большим трудом огромные машины начали снимать с почвы мох. Это оказало огромное влияние на микроклимат. Солнечная радиация получила возможность проникать в массивы льда. В первый же год после удаления мха тепло распространилось в лед на глубину до 30 см. Таким образом, агрометеорология способствует выращиванию овощей и фруктов.

В ледяном дворце

Из года в год прикладная метеорология приносит человеку огромную пользу. Нередко в период цветения фруктовых деревьев в районы Центральной Европы вторгается холодный арктический воздух с температурой ниже 0°. Он наносит большие повреждения листьям и цветам. Вторжения холодного воздуха известны под названием весенних заморозков, или майских холодов.

Типичное синоптическое положение при весенних заморозках антициклон над Британскими островами и циклон над Балтийским морем.

При этом особо выделяют так называемые радиационные заморозки, возникающие, когда мало подвижный холодный воздух охлаждается вследствие ночного излучения земной поверхности. В ясные ночи выхолаживание может быть очень сильным, тогда как при пасмурном небе радиационные заморозки большей частью не возникают. С другой стороны, иногда холодный воздух арктического происхождения с очень большой скоростью вторгается через Скандинавию в Европу и достигает районов Средиземного моря. Вторгающаяся воздушная масса часто несет с собой сплошную облачность, и температура воздуха даже днем не поднимается значительно выше 0°. В этом случае возникают адвективные заморозки, особенно распространенные на возвышенностях и усиливающиеся в ночные часы.

Характер заморозка и защитные мероприятия. а — радиационный заморозок, образование озера холодного воздуха (возможна защита), б — адвективный заморозок, озера холодного воздуха не возникают; (защита невозможна, опасности заморозка подвергаются все участки местности).

При радиационных заморозках огородные культуры, низкие ягодные кусты и фруктовые деревья часто оказываются в холодном воздухе, тогда как на высоте всего несколько десятков метров температура воздуха остается положительной. В глубоких долинах потоки холодного воздуха, стекающие со склонов, образуют обширные холодные озера, которые можно заметить по образующемуся над ними туману.

Для защиты теплолюбивых сельскохозяйственных культур от заморозков наиболее эффективны следующие четыре мероприятия. Первое заключается в создании дымовой завесы или искусственного тумана. Этот метод называют дымлением. Второй метод состоит в интенсивном прогревании приземного слоя атмосферы специальными грелками. При третьем методе, который используется главным образом во время радиационных заморозков, производится засасывание к земной поверхности теплого воздуха из более высоких слоев атмосферы. Наконец, четвертый метод состоит в использовании тепла, выделяющегося при замерзании воды. По этому методу растения, которым угрожает заморозок, подвергают искусственному дождеванию.

Все методы требуют довольно сложного технического оснащения и больших затрат. Поэтому особенно большое значение приобретает правильный прогноз заморозков. При этом совершенно недостаточно, основываясь на данных синоптической карты, указать лишь на вероятность возникновения заморозка в тог или иной день. Ведь микроклимат очень сильно зависит от конкретных особенностей местности, особенна от ее рельефа.

Подготовка мер борьбы с заморозками должна начинаться в дневные часы, чтобы в случае необходимости ночью можно было быстро и беспрепятственно осуществить эти меры. Опыт показывает, что арктический воздух вторгается в умеренные широты в тылу быстра перемещающихся циклонов. Такое вторжение обычна трудно предусмотреть в прогнозе погоды средней продолжительности. Когда предвидится холодное вторжение, агрометеорологические посты должны установить непрерывный контакт с соответствующими бюро погоды. Как только появляется вероятность понижения температуры воздуха ниже 0°, необходимо получить данные местной сети наблюдательных пунктов. Данные о температуре должны немедленно сообщаться дежурному метеорологу, который в случае необходимости подает сигнал о начале осуществления мер борьбы против заморозка.

Простейший метод защиты от заморозков — дымление— применяли еще наши предки. В качестве горючего при дымлении используются материалы, дающие много дыма, например сырое сено и солома. Густая дымовая завеса эффективна при заморозках до —2°. Защитное действие дыма или искусственного тумана осуществляется следующим образом. Дым или туман, которые должны быть достаточно плотными и иметь значительную вертикальную мощность, уменьшают излучение земной поверхности и выхолаживание ее идет очень медленно. Таким образом, действие дыма или тумана аналогично действию сплошного облачного покрова.

Наряду с сильно дымящим топливом используют также специальные дымовые шашки. Однако следует подчеркнуть, что дымление может быть успешным только при применении его в крупных масштабах. Кроме того, даже при умеренном ветре дымовая завеса быстро разрывается, так что эта мера борьбы с заморозками возможна лишь в тихую погоду. Советские исследователи (М. Е. Берлянд и П. Н. Красиков. Перев.) установили, что около 50 % защитного действия дымовой завесы объясняется поглощением ею длинноволнового излучения земной поверхности. Защитой от заморозка может служить не только дым, но и искусственный туман, возникающий при конденсации водяного пара в атмосфере. Так, если в качестве источника дыма используется красный фосфор, то при его сжигании конденсация водяного пара в воздухе начинается уже при относительной влажности 85 %. При конденсации каждого килограмма пара выделяется 600 ккал тепла, которое и используется для нагревания воздуха.

При адвективных заморозках, особенно сильных в период цветения деревьев и распускания их листвы и потому наносящих особенно тяжелые повреждения, дымление большей частью уже не помогает, так как отрицательные температуры наблюдаются во всей толще тропосферы. В этом случае используется другое средство — искусственный обогрев растений.

Десятки изобретателей стремятся создать наиболее совершенные грелки для сжигания топлива в целях борьбы против заморозков. Из года в год на мировом рынке появляются все новые образцы грелок, и каждое техническое новшество, которое может упростить их использование, служит основанием для разработки новой конструкции грелки. Наиболее удобна нефтяная грелка. Она чрезвычайно проста. Над резервуаром с нефтью расположена топка, в которой свежий воздух автоматически регулирует интенсивность горения нефти. Труба грелки накаляется докрасна, и тепло грелки отдается окружающему воздуху главным образом в виде излучения. Поэтому если сторона растения, обращенная к грелке, нагревается от нее, то противоположная сторона нагревается за счет перемешивания воздуха. Если одна из грелок выходит из строя, то обращенная к ней сторона куста или виноградной лозы замерзает, тогда как противоположная сторона продолжает получать тепло.

Местный обогрев позволяет бороться с заморозками до —5°. При этом на площади 1 га необходимо в течение ночи выделять около 30 миллионов ккал тепла, производимого 300 грелками.

В ГДР наиболее рентабельным горючим является не нефть, а бурый уголь. При использовании его для борьбы против заморозков на каждом гектаре следует устанавливать около 200 грелок. В течение морозной ночи они потребляют около 500 т угля. Само собой разумеется, что в течение всего заморозка необходимо с помощью термометров, снабженных радиационной защитой, проверять температуру воздуха во многих точках защищаемого участка, чтобы при необходимости добавлять топливо.

Постороннему зрителю, который не оценивает искусственный обогрев местности с точки зрения его рентабельности и эффективности, картина отепляемых виноградников представляется весьма романтичной. Как в сказочной стране, один за другим зажигаются красные огни и вскоре тысячи грелок бросают свой теплый свет в ночную тьму. Тут и там мелькают человеческие тени, будто хотят во тьме отыскать те клады и сокровища, которых не нашли днем.

На основе изучения закономерностей вертикального распределения температуры воздуха в нижних слоях атмосферы несколько лет тому назад был предложен новый метод борьбы против заморозков. Сначала он казался весьма перспективным. Казалось, что удастся перехитрить природу.

Поскольку при радиационном заморозке воздух уже на высоте 10 м может иметь положительную температуру, тогда как у земной поверхности —5°, то казалось, будто в этих случаях нет надобности зажигать грелки для искусственного обогрева нижних слоев воздуха, раз теплый воздух лежит на высоте нескольких метров от растений, подвергающихся действию заморозка. Казалось достаточным как-либо опустить этот теплый воздух сверху вниз. С этой целью в США попробовали применять мощные авиационные пропеллеры с моторами от винтовых самолетов. Такая «ветровая машина» имеется и в Гамбурге. При вращении пропеллера засасывался теплый воздух, лежавший на высоте более 20 м. С его помощью пытались разрушать приземную пленку холодного воздуха. Однако эксплуатация машины оказалась очень дорогой (около 5000 германских марок на гектар защищаемой площади). Кроме того, площадь, которую обслуживает такая машина, весьма ограниченна: машины становятся бесполезными, если приземная пленка холодного воздуха имеет вертикальную протяженность несколько сотен метров. Они, в частности, неприменимы при адвективных заморозках.

Рассмотрим в заключение один из наиболее действенных методов борьбы с заморозками, а именно искусственное дождевание. Этот метод пока еще мало исследован. Расскажем здесь о «переживаниях» некоего г-на Вундерлиха, случайно увидевшего применение этого метода. Дело было в период майских заморозков, которые в Центральных районах ГДР и ФРГ особенно часто наблюдаются 11–13 мая. Озябший г-н Вундерлих сел утром в автобус, чтобы ехать на работу. Холод очень сердил его, так как он был недостаточно тепло одет. Автоматически он предъявил кондуктору свою проездную карточку и вдруг вздрогнул от ужаса. Он не верил своим глазам: перед ним был большой фруктовый сад в полном цвету, но весь покрытый льдом и похожий на ледяной дворец. Деревья уже совершенно обледенели, длинные сосульки свешивались до земли, а сотни дождевальных установок продолжали непрерывно лить на деревья воду, которая тотчас же замерзала. Что же здесь происходило? Кто-то забыл выключить дождевальные установки? Вундерлих был вне себя от гнева. Неужели из-за чьего-то легкомыслия должен погибнуть весь урожай фруктов? Он приготовился принять решительные меры и на ближайшей остановке выскочил из автобуса. Но у него совершенно отнялся язык, когда у ограды сада он встретил десятерых мужчин, которые с удовольствием наблюдали за происходящим. Оказалось, что здесь испытывали новый метод борьбы против заморозков. Когда температура понизилась до 0°, большое число установок замедленного дождевания начали поливать фруктовые деревья водой. При дальнейшем понижении температуры вода замерзла, и листва, цветы, стволы и ветви деревьев покрылись толстым ледяным панцирем. При замерзании воды начался физический процесс, часто непонятный людям, незнакомым с физикой. Дело в том, что когда вода превращается в лед, то выделяется довольно значительное количество тепла, называемого теплотой плавления. Оно в точности равняется теплоте таяния. Как известно, при таянии льда температура смеси вода-лед не повышается до тех пор, пока не растает весь лед. Хотя к этой смеси непрерывно поступает тепло, температура начинает повышаться лишь тогда, когда льда уже не останется. Теплота таяния, затрачиваемая при переходе льда в воду, снова выделяется при обратном процессе, т. е. при замерзании воды. Именно поэтому лед сохраняет температуру 0° до тех пор, пока происходит замерзание все новых порций воды.

Теперь нам понятно, почему полив растений водой должен быть непрерывным. Перерыв привел бы к замерзанию цветов. При температуре же всего несколько десятых градуса ниже нуля они отлично сохраняются в своих ледяных оболочках, хотя температура окружающего воздуха опускается при этом до —5°. При использовании количества воды, эквивалентного интенсивности осадков 4 мм в час, на каждом гектаре выделяется столько же тепла, сколько получилось бы при сжигании 10 т угольных брикетов.

Таким образом, человек в данном случае целесообразно использует законы природы для сохранения фруктовых садов при весенних заморозках. С восходом солнца ледяной дворец начинает сверкать тысячами огней. Успех этого метода борьбы с заморозками выявился осенью. Те деревья, которые в морозные майские ночи были политы водой, гнулись под тяжестью плодов, тогда как на других деревьях, кроме листьев, ничего не было.

В ветровой тени

Если бы атмосфера всегда находилась в покое, то не было бы никакой погоды! Строго доказать это положение невозможно как раз потому, что атмосфера никогда не находится в покое. Однако интересно посмотреть, что случилось бы, если бы воздух перестал двигаться. Мы знаем, что тепло и водяной пар поступают в атмосферу от земной поверхности и что температура и влажность воздуха выравниваются тем быстрее, чем сильнее движение воздуха. Вспомним хотя бы о быстром просыхании полей при ветреной погоде. Если бы воздух не перемешивался, то теплообмен между земной поверхностью и атмосферой осуществлялся бы только путем молекулярной теплопроводности, а водяной пар проникал бы в более высокие слои атмосферы только посредством молекулярной диффузии. Теоретические исследования показывают, что интенсивность молекулярной теплопроводности и диффузии очень мала. Поэтому при отсутствии перемешивания воздуха средняя температура приземного слоя атмосферы повысилась бы до 80°. Существование жизни на Земле в современных ее формах при такой температуре было бы невозможным. Годовое колебание температуры земной поверхности распространялось бы в более высокие слои атмосферы чрезвычайно медленно. Уже на высоте 20 м его едва можно было бы обнаружить. Именно на основе этих соображений нам становится особенно ясной роль движений воздуха в переносе энергии и массы в атмосфере. Изменений погоды вовсе не существовало бы, если бы в процессе перемешивания воздуха не происходил перенос тепла и водяного пара от земной поверхности в тропосферу. Чем сильнее перемешивание, тем более резкие колебания испытывает погода. При шквалистой погоде, характеризующейся быстрой сменой солнечного сияния, ветра и дождя, взаимодействуют воздушные массы, в которых перемешивание развито особенно сильно.

В связи с этим большое значение для развития метеорологических процессов, а особенно для формирования микроклимата, имеет скорость ветра и ее изменение с высотой. Воздушные течения могут переносить отдельные частицы воздуха как по прямолинейным, так и по сильно изогнутым и пересекающимся траекториям. Какая из двух форм движения (ламинарное или турбулентное) преобладает, можно легко установить по форме струи дыма. Если ветер в приземном слое атмосферы мало меняется с высотой и воздушные частицы движутся с примерно одинаковыми скоростями по параллельным друг другу траекториям, то образуются узкие струи дыма длиной несколько километров. Наоборот, при шквалистой погоде воздушные частицы беспорядочно перемешиваются и сталкиваются друг с другом. Поэтому уже в нескольких метрах от трубы дым оказывается настолько сильно «разбавленным», что становится неразличимым.

Эти соображения о характере воздушных течений необходимо было привести здесь потому, что иначе невозможно было бы правильно понять проблему ветровой защиты, к описанию которой мы сейчас и перейдем.

Конечно, путем устройства ветрозащитных лесных полос и других сооружений невозможно повлиять на макроклимат, т. е. на погодные явления большого масштаба. Цель и смысл ветровой защиты состоят лишь в ослаблении ветра в непосредственной близости к земной поверхности. Естественно, что при этом микроклимат значительно изменяется и улучшаются условия для развития растительного покрова. В чем состоит это улучшение?

В солнечные дни температура приземного слоя атмосферы определяется в большой степени интенсивностью движений воздуха. При отсутствии ветра солнечная радиация сильно перегревает самый нижний слой атмосферы. В третьей главе мы рассказывали о миражах и других оптических явлениях в атмосфере, связанных с перегревом. При умеренном и тем более при сильном ветре перегретый слой атмосферы разрушается. Таким образом, ветровая защита прежде всего означает повышенный приход тепла к земной поверхности. Для теплового баланса земной поверхности и нижнего слоя атмосферы фактор продуваемости очень важен. Ярким доказательством является, например, раннее зацветание подснежников, крокусов и других весенних цветов в местах, защищенных от ветра.

Другая особенность ветровой защиты заключается в уменьшении испарения. Крестьянин радуется, когда после окончания снеготаяния мартовский ветер помогает полям быстрее просохнуть. Но, усиливая испарение в тот период, когда почва уже и без того достаточно сухая, ветер может принести и вред. Накопленный за зиму запас воды может под воздействием ветра оказаться очень быстро израсходованным. Когда мы говорим о запасе влаги в почве, то часто рассматриваем лишь пополнение этого запаса путем выпадения осадков. И лишь немногие вспоминают о расходных статьях водного баланса почвы: о стоке и испарении. И неудивительно: ведь выпадение осадков видит каждый, в то время как сток и особенно испарение не столь заметны. Приборы для измерения количества осадков тоже распространены значительно шире, чем испарители. Человек еще не способен сколько-нибудь существенно воздействовать на выпадение осадков, но для регулирования испарения уже есть метод, с помощью которого можно улучшить водный баланс земной поверхности и этим способствовать повышению урожайности. В течение жаркого летнего дня с суши испаряется слой воды высотой около 5 мм, что соответствует 5 л с 1 м^2. При снижении величины испарения всего на 50 % количество воды, сохраненной в почве за неделю, будет соответствовать выпадению слоя осадков высотой 17,5 мм. Это примерно равно количеству осадков, выпадающих за время одного обложного дождя.

Общий дефицит пресной воды, который в последние годы чувствуется почти повсюду в связи с растущим потреблением ее промышленностью, также может быть существенно уменьшен с помощью ветрозащиты и сопутствующего ей улучшения микроклимата. Если благодаря ветрозащитным заборам из растительности, окружающим участок периметром 10 км, ежедневное испарение уменьшится всего на 1 мм, то это будет сохранять в почве 1 миллион тонн воды. Большое значение имеют также и ветрозащитные лесные полосы. На наветренной и особенно на подветренной стороне таких полос воздушный поток сильно тормозится и переносимые им примеси, песчинки или снежинки могут откладываться на земной поверхности и накапливаться.

В степных районах Советского Союза снег составляет основную часть осадков и поэтому здесь принимаются специальные меры для задержания снега. Количество задержанного снега определяется характером препятствия, расположенного на пути воздушного потока. Если защитная полоса слабо продуваема, то снег откладывается и перед полосой, и позади нее. При большой продуваемости полосы снежный сугроб на подветренной стороне получается сравнительно пологим, но сильно вытянутым в длину. Снег при этом начинает откладываться за полосой на расстоянии, равном 10-кратной высоте полосы. Наоборот, высокие и сомкнутые полосы способствуют отложению снега на подветренной стороне.

Отложение снега возле ветрозащитной лесной полосы. Неблагоприятный эффект: а — густые полосы по обе стороны шоссе действуют как снегонакопители, б — максимальное снегонакопление происходит на подветренной стороне лесной полосы. Благоприятный эффект: в — снег сдувается с обеих сторон хорошо продуваемой лесной полосы, г — снег накапливается на подветренной стороне нескольких параллельных лесных полос.

Мы видим, таким образом, что снег может откладываться по-разному и что характер защитной полосы должен в каждом случае отвечать определенной цели. Было бы неправильно для защиты от снежных заносов шоссейной или железной дороги заложить хорошо продуваемую лесную полосу. Если необходимо, чтобы на местности оставались участки, свободные от снега, то следует использовать ступенчатые, эшелонированные полосы, на широком пространстве между которыми общий перенос снега будет постепенно затухать. Установка снегозадерживающих заборов по обе стороны от шоссе или железной дороги не только не защитит их от заносов, но вызовет прямо противоположный результат: в таком искусственном коридоре будут откладываться самые высокие сугробы.

В теплое время года лесные полосы во многих районах служат для защиты от песчаных заносов. Чтобы уменьшились завихрения мельчайшего песка на земной поверхности, необходимо ослабить воздушный поток в самом нижнем слое атмосферы. Этим можно приостановить наступление песков и связанное с ним уменьшение урожайности полей. Как в ГДР, так и в ФРГ на побережьях Балтийского и Северного морей применяется искусственное накопление песка около специально сооружаемых препятствий. Для эффективной защиты берегов от размывания на выдающихся в море песчаных отмелях устраивают специальные ловушки из круглых бревен, переплетенных ветвей и сетей. Около них быстро вырастают песчаные дюны. Их засевают специальными сортами овса и ржи, хорошо и быстро растущими на песке. Корневая система растений укрепляет песок и препятствует дальнейшему переносу его ветром. Таким образом, вмешательство человека в естественный ветровой режим позволяет создавать искусственные песчаные дюны, длину и высоту которых можно регулировать по своему усмотрению.

Во многих странах борьба против эрозии почвы стала очень актуальной. В США около 20 % площадей, используемых в сельском хозяйстве, подвержены ветровой эрозии. Непрестанная вырубка лесов коренным образом изменила климат приземного слоя атмосферы. Во многих районах ветер иссушил почву и уничтожил растительность. Поэтому ему уже нетрудно было срывать оставшиеся небольшие полоски дерна, переносить свободно лежащие частицы почвы за тысячи километров и откладывать их в районах, где ветер ослабевал. Опасность почвенной эрозии стала перед второй мировой войной в США настолько большой, что правительство запланировало устройство больших ветрозащитных лесных полос, которые должны были в меридиональном направлении пересечь всю Северную Америку. Однако во время проектирования этих полос в США выпало аномально большое количество осадков. Затем началась война и проектирование ветрозащитных полос было прекращено.

Совершенно иначе обстоит дело с организацией ветрозащиты в социалистических странах, например в Советском Союзе, а также и в КНР. На протяжении тысячелетий песчаные бури и засуха превращали цветущие и плодородные земли в пустыню. Войны и безжалостная вырубка деревьев тоже способствовали опустошению огромных площадей.

Когда-то богатый лесами Китай оказался в числе самых бедных лесом районов земного шара, хотя китайский лес отличается редкостным разнообразием древесных пород. Выкорчевывание лесов привело к увеличению площади пустыни Гоби, которая еще несколько лет тому назад угрожала поглотить расположенные к югу от нее плодородные земли. Китайцы организовали всенародное движение за восстановление лесов. К 1958 г. они уже насадили свыше 20 млрд. деревьев. К 1962 г. площадь лесов стала в 100 раз больше, чем в 1952 г., и составила 120 000 000 га. Таких успехов в борьбе со стихией человечество еще никогда не знало!

Чтобы приостановить дальнейшее продвижение пустыни Гоби на юг, на северо-востоке Китая, от Каньсу, лежащего на границе с Монголией, была заложена так называемая «Великая зеленая стена», представляющая собой огромную полезащитную лесополосу. Она должна была быть засажена к 1962 г. К этому времени она должна была достичь 2200 км в длину при ширине 1,5 км. Кроме этой основной полосы должны были быть заложены еще 94 дополнительных полосы. Этим путем предполагалось повысить урожайность на 40 % и ввести в сельскохозяйственное производство новые, ранее не обрабатывавшиеся земли.

Как было показано выше, защитное действие лесной полосы зависит от многих факторов. Однако не следует переоценивать это действие, ибо на расстоянии 20-кратной высоты такой полосы за ней снова восстанавливается нормальный режим ветра. Нецелесообразно созданные лесные полосы не только не улучшают режим ветра, но даже оказывают на него вредное влияние. Так происходит, например, в том случае, когда отдельные части полосы разрушаются в результате поломки или естественного отмирания некоторых деревьев. В таких местах возникает усиление ветра.

Следует производить весьма тщательный отбор посадочного материала для лесных полос. Этот материал ни в коем случае не должен стать очагом размножения грибков и бактерий, которые могут оказаться вредными и для полевых культур. Но эти трудности не неразрешимы. Прежде всего необходимо, чтобы та или иная полезащитная лесная полоса соответствовала климатическим и географическим условиям данной местности и ее, конечно, следует закладывать целесообразно. Не следует жалеть и труда на уход за ней.

Ветровая защита не обязательно должна состоять только из живых изгородей, полезащитных лесных полос или заборов. Разумным подбором и комбинированием различных полевых и огородных культур можно добиться того, чтобы более высокие растения (кукуруза, помидоры) служили бы ветровой защитой для более низких посадок (огурцов, фасоли, клубники). Улучшение теплового и водного баланса повышает урожайность невысоких огородных растений вдвое, а благодаря увеличенному приходу лучистой энергии растения, которые являются защитой от ветра, развиваются значительно лучше и созревают быстрее.

Ветровая защита играет определенную роль и в животноводстве. Старые капитальные скотные дворы все больше вытесняются открытыми стойлами, в которых домашние животные избавляются от вредного для них микроклимата старых хлевов. Однако открытые стойла и скотные дворы должны устраиваться так, чтобы они, с одной стороны, хорошо проветривались, но, с другой стороны, не подвергались прямому воздействию резких ветров и сквозняков. Благоприятные или неблагоприятные особенности ветрового режима любой местности могут быть в значительной степени изменены человеком.

Таким образом, мы видим, что пока не удается существенно преобразовывать климат на обширных территориях, но изменять микроклиматические условия в приземном слое атмосферы вполне можно. Для этого необходимо провести лишь некоторые научно обоснованные мероприятия на дне воздушного океана.

Годы эпидемий

В один из январских дней 1780 г. в Петербурге наблюдалась температура воздуха —43,6°. В следующую ночь температура повысилась почти на 50° и достигла + 6°. И, как это ни странно, в эту ночь у 40 000 человек начались различные простудные заболевания.

Читатель вправе задать вопрос: как это произошло и что об этом думает наука?

Не подлежит сомнению, что погода оказывает на человека очень большое влияние. На протяжении тысячелетий врачи и метеорологи изучают его. Гиппократ около 2000 лет тому назад написал семь книг об эпидемических болезнях и их связи с ходом погоды. Ему принадлежит мудрое утверждение, которое остается справедливым и в настоящее время: «Если много людей одновременно заболевают одной и той же болезнью, то причину ее следует искать в том, что является общим для всех людей, и в том, чем они чаще всего пользуются. Значит, речь идет о вдыхаемом воздухе». Лишь около 100 лет тому назад метеорологи стали серьезно изучать влияние погоды на человека.

Обратимся к примеру из современности. По статистическим данным в Вене число происшествий на транспорте при гололеде возрастает всего на 5—10 % В сущности, следовало бы ожидать гораздо большего увеличения их числа. Однако с появлением гололеда водители, зная, что езда с большой скоростью опасна, приспосабливают скорость движения к состоянию дорог. Наблюдаются, однако, и такие дни, когда при безупречном состоянии улиц и отличной видимости число аварий на городском транспорте внезапно воз растает на 30 %. Поскольку такие случаи повторяются, то причины их возникновения подверглись специальному изучению. Было высказано предположение, что какую-то роль играют метеорологические условия. И действительно, оказалось, что аварии происходят в дни, когда в верхней части тропосферы располагается циклон. По-видимому, на людей воздействуют далекие физические процессы, происходящие в тропосфере. Удалось установить, что при таких метеорологических условиях не только увеличивается число аварий на транспорте, но нарушается и нормальное самочувствие людей, в том числе учащаются некоторые заболевания — эмболия, астма, различные колики и т. д. Увеличивается также число смертельных исходов при этих заболеваниях.

Доказательством большой чувствительности к изменениям погоды является различная реакция человека на погодные условия. Иногда погода кажется теплой и приятной, иногда, наоборот, неприятной и холодной. Высказывая свои суждения о погоде, мы в сущности говорим о влиянии атмосферы, т. е. о влиянии многих метеорологических элементов, которые совместно образуют комплекс, обусловливающий тепловой баланс и тем самым наше теплоощущение.

Как известно, нормальная температура тела человека 36,5—37°. Такие значения она имеет всегда, когда человек здоров. Человеческий организм обладает свойством поддерживать постоянную температуру тела независимо от количества и качества потребляемой пищи и выделяющегося при этом количества тепла, а также независимо от степени охлаждения тела. Несмотря на то что температура окружающего воздуха может изменяться в пределах 100–150° (например, в знойных пустынях и на полюсах холода земного шара), теплообмен человека с окружающим воздухом остается постоянным. Человеческое тело теряет тепло путем теплопроводности, излучения длинноволновой радиации и турбулентного обмена при обдувании кожного покрова ветром.

Каким же образом выравнивается теплоотдача тела человека? Человеческий организм обладает особой химической терморегуляцией, начинающей действовать, когда температура воздуха опускается ниже 15°. При этих условиях в организме сгорает значительная доля вводимой в него пищи. Тем самым увеличивается приток тепла к организму. Чувство удовлетворения, испытываемое человеком при приеме пищи, тем полнее, чем она калорийнее. В пище эскимоса значительную долю составляют, как известно, животные жиры (тюлений и др.), которые сообщают организму большое количество тепла.

Наряду с химической существует еще и физическая терморегуляция. При понижении температуры окружающего воздуха сокращаются сосуды в кожном покрове. Следствием этого является уменьшение теплоотдачи тела. Кроме того, уменьшаются частота дыхания и число ударов сердца. При повышении температуры воздуха механизм терморегуляции вызывает обратные процессы. С усилением пульса лучше поступает кровь к наружным частям кожного покрова, а это увеличивает теплоотдачу тела. Если этого недостаточно, то начинается выделение пота, на испарение которого затрачивается накопившийся в организме избыток тепла.

Известно большое число различных болезней, вызванных нарушением нормального теплового баланса тела. Если, например, его теплоотдача слишком велика, то легко может возникнуть охлаждение тех или иных частей тела. Охлаждение определенным образом действует на ряд процессов, происходящих в организме. Так, например, кровь начинает хуже поступать к отдаленным участкам слизистой оболочки и различных тканей, в результате чего холод оказывает парализующее действие на коллоиды лимфы и уменьшает иммунитет организма, а это способствует усилению жизнедеятельности болезнетворных бактерий.

На теплоотдачу человека влияет не только температура воздуха, но и влажность, ветер и радиационный режим. Поэтому количественную характеристику охлаждающего влияния метеорологических элементов стремятся выразить какой-либо единой величиной. Такой величиной может служить показатель охлаждения, использующийся в медицинской метеорологии. Поясним его смысл следующим примером. Каждый человек знает, что при одинаковых метеорологических условиях, но при температуре 35° испарение тела сильнее, чем при температуре 25°. Однако если при температуре 25° относительная влажность воздуха 100 %, то человек выделяет столько же пота, сколько при температуре 35° и относительной влажности 20 %. Следовательно, показатель охлаждения в обоих случаях одинаков.

Как влажность воздуха, так и коротковолновая и длинноволновая радиация сильно влияет на теплоощу-щение человека. Если мы находимся в помещении, в котором температура воздуха 30°, но температура стен лишь 10°, то мы ощущаем холод, так как излучение тела при этом очень велико. Наоборот, если температура стен составляет 30°, то мы чувствуем себя очень хорошо даже при температуре воздуха всего 10°.

Таким образом, перечисленные выше метеорологические элементы оказывают решающее влияние на наше самочувствие. Какие же рекомендации можно дать отпускнику, отправляющемуся на отдых в горы или к морю? Должен ли он одеться потеплее или достаточно будет обычной одежды, которую он носит дома? Из опыта известно, что и в горах, и у моря охлаждение очень значительно, хотя в солнечный день в защищенных от ветра местах и может быть очень жарко.

Каждый организм реагирует на влияние окружающей среды по-своему. Поскольку речь идет о получении некоторых данных, характеризующих влияние климата на человека, возникла необходимость непрерывного измерения показателя охлаждения в различных курортных местностях. Вторая же стадия исследований состоит в решении вопроса о том, является ли это влияние в данном месте полезным или вредным для того или иного человека. Вопрос этот должен решаться не столько метеорологом, сколько врачом.

Чтобы исключить субъективизм, возможный при качественной оценке влияния климата на человека, были разработаны приборы для измерения теплопо-тери человеческим организмом при разных условиях. Простейшим из таких приборов является кататермометр. В своей основе это термометр, в довольно крупном резервуаре которого находится окрашенная термометрическая жидкость. Резервуар соединяется с капиллярной трубкой термометра. На капилляре нанесены две черты (риски), расположенные на расстоянии около 10 см друг от друга. У верхней черты надписана температура 38°, а у нижней 35°. Средняя из этих двух температур, 36,5°, соответствует нормальной температуре человеческого тела. Измерение показателя охлаждения производится довольно просто. Резервуар подогревают до 40°, благодаря чему термометрическая жидкость поднимается до верхнего конца капилляра. После подогрева термометру дают возможность постепенно охлаждаться в окружающем воздухе. Столбик жидкости сжимается и конец его достигает отметки 38°. В этот момент включают секундомер и, продолжая наблюдать за дальнейшим охлаждением термометра, замечают время, когда жидкость дойдет до отметки 35°. Чем быстрее происходит теплоотдача резервуара прибора, тем выше «показатель охлаждения» в атмосфере. Его вычисляют по формуле K = F/T, где F — величина, постоянная для данного прибора, Т — время охлаждения кататермометра, в секундах.

Многократно повторяя измерения, можно на основании полученных значений показателя охлаждения делать вывод о том, является ли погода холодной, прохладной, свежей, комфортной, теплой или жаркой. Данные о показателе охлаждения, а также прогнозы этой величины для выбора одежды и регулирования интенсивности отопления гораздо полезнее данных об одной лишь температуре воздуха.

Однако биологическое воздействие погоды связано не только с колебаниями показателя охлаждения. По всей вероятности, действуют и другие факторы, которые в настоящее время еще недостаточно изучены. Например, при очень сильном южном ветре показатель охлаждения может быть точно таким же, как и в неподвижном арктическом воздухе, но влияние погоды на человека в этих двух разных воздушных массах весьма различно.

Самочувствие людей, а особенно больных, подвергшихся ампутации конечностей, страдающих астмой и перенесших глазные болезни, может изменяться каждый день. Но существуют и такие заболевания, число которых возрастает в определенные сезоны и которые даже получили название сезонных. На многих предприятиях вывешивают у входа доску с показателями заболеваемости работников. Выяснилось, что каждый год заболеваемость характеризуется одинаковой кривой, имеющей максимумы зимой, весной, а также в летние месяцы. Весенний максимум заболеваемости объясняется наряду с метеорологическими условиями малым поступлением витаминов в человеческий организм. Летний максимум в значительной степени отражает кожные заболевания. Дело в том, что в жаркую погоду усиливается выделение пота, а это способствует развитию кожных заболеваний. Желудочные заболевания и повышенная смертность грудных детей также находятся в тесной зависимости от высокой температуры и влажности воздуха в летнее время года.

Кроме сезонных заболеваний существуют также волнообразные повторения некоторых болезней, которые дают внезапные вспышки, а затем почти совершенно исчезают. Примером являются эпидемии, распространяющиеся в умеренных широтах. В Европе имели место эпидемии, жертвами которых оказались огромные массы людей и которые иногда являлись причиной вымирания населения целых районов. Особенно сильными были эпидемии малярии, холеры, дизентерии и чумы. Как следует из бесчисленных источников, в период средневековья считали, будто эпидемии приносятся на землю из облаков вместе с выпадающими из них осадками. Особенный страх наводили на людей вторжения теплого сырого воздуха, сопровождавшиеся различными оптическими явлениями. Действительно, эпидемии всегда вспыхивали в наиболее жаркие годы, а также после крупных наводнений. Существует определенная связь между распространением эпидемий и характером погоды разных лет. Это обнаруживается также и в распространении болезней в растительном и животном мире.

Рассмотрим пример, на котором очень хорошо прослеживается влияние метеорологических условий на возникновение эпидемий в тропических широтах. Особые глисты, гнездящиеся в кишечнике человека, приводят к большой потере крови и могут даже вызвать смертельный исход. Эти глисты выводятся вне человеческого организма, на земной поверхности, где созревание их личинок сильно зависит от температурных условий. При температурах от 8 до 10° личинки уже могут развиваться, но еще неподвижны и инертны. Оптимальными для их развития являются температуры от 25 до 30°. Из этого примера видно, что такая эпидемия может возникнуть только в тропиках.

Другой болезнью, эпидемический характер распространения которой тоже зависит от погоды, является малярия. Ее возбудитель размножается в организме человека-бациллоносителя. Переносчиком бацилл является комар анофелес. Когда после всасывания крови бациллоносителя анофелес прокалывает кожу здорового человека, то заражает его. Однако такой перенос микроба-возбудителя возможен лишь при определенных температурных условиях. Если в течение некоторого периода средние суточные температуры воздуха не превышают 16°, то плазмодии не созревают и болезнь не вспыхивает. Следовательно, в условиях Центральной и Северной Европы возбудитель малярии может развиваться в теле анофелеса только в жаркие летние сезоны. Но и условия жизни самого комара тоже определенным образом ограничены метеорологическими условиями. Если комар погибает до того, как находящиеся в нем плазмодии успели созреть, то малярия не распространяется. Массовое размножение малярийного комара зависит также от влажности воздуха. Поэтому в тропических странах не наблюдается заметных вспышек малярии в те сезоны, когда выпадает мало осадков.

Влияние погоды на распространение малярии изучалось особенно подробно в Турции, в тех районах, где заболоченные равнины расположены вблизи холмов и долин. Если летом выпадают сильные дожди, то значительная часть личинок анофелеса уносится со склонов холмов и возвышенностей в долины, в результате чего на возвышенностях малярии не бывает, тогда как в болотистых низменностях условия для развития многих поколений комаров и широкого распространения малярии весьма благоприятны. Но если дожди прекращаются уже в июне, то равнины быстро просыхают, а в узких долинах между холмами и возвышенностями еще долго сохраняются условия, способствующие развитию личинок анофелеса. При этом малярией нередко заболевает и население высоко расположенных районов.

Можно было бы привести много примеров того, как погода влияет на распространение болезней и на продолжительность эпидемий. Упомянем только о распространении чумы и других болезней через блох и крыс в засушливые годы.

Эпидемии уже достаточно хорошо изучены и в большинстве случаев могут быть приняты своевременные предупредительные меры.

Однако иногда возникают некоторые еще неразрешимые проблемы. К их числу относится влияние метеорологических условий, которое называют «дально-действующим». В начале главы мы уже говорили о существовании дней, когда не только больные, но и здоровые люди становятся мрачными, раздражительными и брюзгливыми. Люди с серьезными ранами и шрамами испытывают колющие боли, а у недавно оперированных больных открывается сильное кровотечение. В этих случаях по показателю охлаждения нельзя судить о самочувствии людей, находящихся в закрытых помещениях. Подобное «дальнодействие» метеорологических условий выражается в изменении тонуса и в появлении боли, когда в атмосфере еще не видно никаких признаков изменений погоды.

Существует мнение, что весь комплекс изменений метеорологических условий в высоких слоях атмосферы немедленно вызывает определенную реакцию вегетативной нервной системы человека. Наиболее резко погода меняется в зонах теплых и холодных атмосферных фронтов. С точки зрения современной медицинской метеорологии изменения в вегетативной нервной системе человека объясняются не только комплексом метеорологических условий у земной поверхности, но также состоянием атмосферы в областях повышенного давления, перед теплым фронтом, в теплом секторе циклонов, на холодном фронте и после прохождения атмосферных фронтов.

С невозмущенным состоянием атмосферы мы встречаемся в антициклонических областях, где небо обычно почти безоблачно и где электрическое поле атмосферы не имеет заметных отклонений от нормы. Такое состояние атмосферы не оказывает влияния на самочувствие людей. Если же при падении давления небо покрывается перистыми, кучевыми или слоистообразными облаками, то мы имеем дело с возмущенным состоянием атмосферы, которое способствует увеличению заболеваний и неблагоприятно действует даже на здоровых людей.

Электромагнитное излучение оказалось особенно интенсивным при возмущенной атмосфере. Здесь имеются в виду не те электромагнитные колебания, которые возбуждаются молнией, а волны с колебаниями от 1 до 20 в секунду. По-видимому, именно такие волны главным образом и обусловливают чувствительность человеческого организма к погоде. Эти волны называются атмосфериками. Они чаще всего связаны с атмосферными фронтами, если даже на них и не наблюдается грозовой деятельности. Все люди, чувствительные к погоде, ощущают на себе влияние этих электромагнитных волн, но предсказать, как именно она изменится, они не могут. При определенном состоянии погоды некоторые люди уже предвидят ее изменение, хотя метеорологи и не успевают своевременно его предсказать. Однако это не умаляет значения синоптической метеорологии.

Молнии также оказывают до сих пор еще не объясненное влияние на состояние людей с ампутированными конечностями или страдающих головными болями. Наиболее неприятные ощущения такие больные испытывают перед вспышкой молнии, но после первого же разряда самочувствие их мгновенно изменяется. Это я могу подтвердить одним собственным наблюдением.

Несколько лет тому назад я увидел седого человека, стоявшего в темном подъезде. Он прикрывал лицо большим платком и громко стонал. Дело было утром, около половины девятого. Когда я спросил, что с ним случилось, он ничего не ответил, но продолжал стонать. Никто не мог сказать, почему старик отказывается от помощи. Прошло около часа, а он оставался все в том же состоянии. Его снова спросили, что с ним случилось. Тут его стоны перешли в бормотание и он невнятно спросил, когда же, наконец, начнется гроза. Казалось, что нет никакой связи между его странным поведением и грозой, так как на небе не было ни единого облачка. Не был ли это просто душевнобольной? На повторные расспросы он ответил, что его послали в город за покупками, хотя он не хотел выходить из дома. На улице он почувствовал сильные боли, связанные с предстоящей переменой погоды. Он снова начал стонать и дрожать. Вскоре на небе появились мощные облачные башни, облака уплотнились и началась гроза. Мужчина теперь действительно нуждался в помощи, так как его стоны становились все сильнее. Внезапно раздался громкий удар, блеснула молния. Старик сильно вздрогнул. И тут произошло нечто удивительное: он поднялся со ступенек, на которых сидел, вытер слезы и причесал волосы. Передо мной стоял очень бодрый, крепкий и здоровый на вид пожилой человек. С первой же вспышкой молнии его боли прошли. Он решительными шагами вышел из подъезда и, не обращая внимания на сильный дождь, направился по своим делам с таким видом, будто дождь, молния и гром совсем его не касались.

В искусственном климате

Как только начинает пригревать весеннее солнышко и появляется первая зеленая трава, улицы в канун выходных дней заполняются множеством людей, которые на велосипедах и мотоциклах устремляются за город. Отъехав всего на несколько километров, они располагаются на траве с намерением как можно дольше побыть на теплом весеннем воздухе. У кого нет времени на поездку за город, тот старается подышать воздухом у себя в палисаднике или хотя бы посидеть у раскрыослабленные пыльным городским воздухом, укрепляют здоровье человека. Каким бы уютным, удобным и красивым ни было наше жилище, но в течение долгой зимы у человека создается такое чувство, будто он наглухо заперт в нем и полностью изолирован от внешнего мира. Весной человек стремится на свежий воздух, хотя и не подозревает, чем, в сущности, вызвано это стремление. На самом деле оно вызывается не теснотой старинных, иногда средневековых зданий, а потребностью в свежем воздухе и солнечном свете. В ходе развития человеческого общества человек все более отрывался от естественных природных и климатических условий. Значительную часть времени трудящиеся проводят в закрытых помещениях. Это оказывает влияние на организм человека и вызывает недостаточное снабжение кожного покрова кровью, что выражается в бледности лица, а также в подверженности различным заболеваниям.

Особенности микроклимата внутри помещений.

Но чем же в сущности отличается климат в помещениях от метеорологических условий на открытом воздухе?

Одним из минусов закрытого помещения является ограниченный доступ прямых солнечных лучей и рассеянной радиации. Окна обеспечивают проникновение света в помещения, но не пропускают живительную ультрафиолетовую радиацию, которая, в частности, вызывает полезный для человека загар. Результатом является постоянная бледность конторских служащих. Для них резко возрастает угроза ожога кожи при пребывании у моря или в горах. Многие отпускники, отдыхающие у моря, получают ожоги, и даже нарывы на слизистой оболочке носа и рта, если в первые же дни отпуска сразу слишком много времени проводят на солнце. Интенсивность ультрафиолетовой радиации не уменьшается даже при тонком покрове высоких перистых облаков.

Другой особенностью климата внутри помещений является изолированность от воздушных течений, имеющих место в окружающей свободной атмосфере. В закрытом помещении воздух почти неподвижен — тепло и холод могут лишь сравнительно медленно проникать сквозь стены, двери и окна. Застоявшийся воздух обусловливает нездоровое, поверхностное дыхание и препятствует нормальному снабжению кожи кровью.

Температура жилых и рабочих помещений регулируется главным образом отоплением, тогда как влажность воздуха, за исключением немногих помещений, снабжаемых кондиционированным воздухом, не контролируется. Это существеннейшим образом сказывается на самочувствии людей, находящихся длительное время в помещениях.

В деревянных домах, а также в жилищах с деревянными полами дерево может стать регулятором влаго-содержания воздуха. При высокой температуре воздух отнимает влагу у дерева и таким образом отчасти создается некоторое автоматическое регулирование влажности воздуха. Помещения же с бетонными стенами, а также с полами из искусственных материалов не обладают способностью регулировать влажность находящегося в них воздуха. Сухой воздух, сильно нагретый паровым отоплением, кажется нам неприятным, это ведет к быстрой утомляемости. Иногда полагают, что зимой, когда помещение слишком сильно нагрето, можно уменьшить сухость воздуха, открыв окна. Но это мнение ошибочно. Даже когда на улице идет дождь, открывание окон ведет к уменьшению, а не к увеличению влажности воздуха в помещении. Метеорология дает этому точное объяснение. Все газы стремятся выравнивать различия в давлении. Это относится и к водяному пару, находящемуся в атмосфере. Произведем небольшой расчет. Пусть температура воздуха в комнате составляет 25°, а относительная влажность 30 %. Что произойдет, если мы откроем окно, когда на улице идет дождь и температура наружного воздуха 2°? Упругость водяного пара в комнате, т. е. при температуре 25° и относительной влажности 30 %, составляет 7,2 мм ртутного столба. Снаружи она при указанных условиях равна лишь 3 мм ртутного столба. Следовательно, несмотря на то что идет дождь, все же создается градиент давления пара, направленный из помещения наружу. Правда, при открытом окне воздух в помещении несколько охлаждается и ощущается некоторая свежесть. Но после закрытия окна воздух снова нагреется, а влажность его понизится и станет еще меньше, чем она была до проветривания. В сухих помещениях для устранения чувства некомфортности можно использовать лишь искусственное разбрызгивание воды, но ни в коем случае не подвешивание глиняных сосудов с водой возле отопительных устройств.

Однако, несмотря на эти особенности влажности воздуха, в помещениях упругость водяного пара изменяется соответственно колебаниям содержания водяного пара в свободной атмосфере. В отличие от температуры воздуха, которая выравнивается сравнительно медленно, водяной пар более свободно диффундирует через мельчайшие поры в стенах, благодаря чему колебания влажности воздуха оказываются одинаковыми внутри и вне помещения.

Современная архитектура различными способами стремится преодолеть отрицательные особенности климата помещений. В далеко друг от друга расставленных жилых домах и заводских цехах делают большие окна, чтобы человек мог использовать естественное дневное освещение. Это имеет неоценимое психологическое значение для повышения работоспособности. В школьных помещениях нужно использовать, по возможности, оконное стекло, пропускающее ультрафиолетовые лучи. Там, где это невозможно, следует применять трубки дневного света. Кроме того, необходимо предусматривать сооружение установок для кондиционирования воздуха при строительстве новых зданий.

В настоящее время в помещениях с кондиционированием обычно создают трехкратное очищение воздуха в течение часа. Наряду с регулированием температуры в таком воздухе желательно поддерживать оптимальную для человека относительную влажность, равную 60 %. Теплоотдача тела человека в окружающий воздух происходит в помещении очень медленно. Она вообще очень невелика, ибо здесь отсутствует охлаждающее действие ветра. Кожный покров человека приспособился к односторонней теплоотдаче тела путем излучения длинноволновой радиации и теплопроводности. Следствием этого становится плохое снабжение кожи кровью. Когда такие «конторские люди» после рабочего дня выходят на улицу в ветреную погоду, то им холодно, они зябнут и в конце концов простужаются. Организм их не в состоянии противостоять охлаждению, вызываемому ветром. В результате сильного охлаждения возникают простудные заболевания— катар, плеврит, воспаление легких и др., которых не было бы при хорошей терморегуляции тела.

Поэтому непременным условием хорошего самочувствия и высокой работоспособности человека, находящегося в помещении, является хорошая вентиляция.

Помимо рассмотренного сейчас климата помещений, существует еще целый ряд других видов искусственного климата. Любое созданное человеком или животным ограждение от окружающей атмосферы — дом, скотный двор, сарай, ангар, гараж, гнездо или нора — создают искусственную атмосферу. Климат таких помещений, как скотный двор, склад, оранжерея, теплица, парник представляет собой разновидность искусственного климата, о каждой из которых можно было бы сказать очень многое. Мы рассмотрим здесь лишь три наиболее интересных случая.

Практически интересно рассмотреть искусственный микроклимат скотных дворов, хлевов и животноводческих ферм. Интерес к изучению этого микроклимата обусловлен не только простым любопытством, но и тем, что характер окружающих условий в значительной степени определяет продуктивность и работоспособность животных. Каждый, вероятно, имел случай лично убедиться в том, в каких тяжелых условиях содержится скот в темных и сырых хлевах. Эти хлевы построены часто еще 50—100 лет тому назад. Большинство скотных дворов не отапливается. Следовательно, животное отдает окружающему воздуху зимой столько же тепла, сколько и в знойные летние дни.

По мере того как дикие звери превращались в домашних животных, их все больше отрывали от естественных климатических условий. Животные теперь не могут самостоятельно избавиться от искусственного микроклимата, созданного для них человеком. Поэтому необходимо, чтобы человек старался обеспечить своим домашним животным наиболее благоприятные для них микроклиматические условия. Неблагоприятный микроклимат скотного двора вреден для животного и плохо отражается на его организме, на продуктивности, на способности противостоять разным заболеваниям, а также на естественном ритме размножения. Мы уже упоминали о том, что домашние животные живут среди своих выделений. Естественно, что в воздух, которым дышат животные, поступают такие вредные газы, как углекислый газ, аммиак, хлор и сероводород. Если хлев слабо проветривается, то животные быстро слабеют. Поэтому основным требованием к скотным дворам является хорошее их проветривание с учетом вида животных и конкретных пород данного вида. Так, например, свиньи вдыхают нижние слои воздуха, наиболее сильно зараженные вредными газами, тогда как лошади пользуются несколько более чистым воздухом. Поэтому перемешивание воздуха в свинарнике должно быть гораздо более сильным, чем на конюшне или в коровнике. Интенсивное проветривание хлевов несколько уменьшает также опасность распространения среди животных вирусных и грибковых заболеваний.

До недавнего времени скот размещался преимущественно в капитально построенных старинных хлевах, которые часто не могли должным образом проветриваться. На зиму окна и двери хлевов тщательно запирались, так как опасались, что при низких зимних температурах воздуха животные могут заболеть. В результате дыхания и выделений животных в хлевах создавалась высокая влажность воздуха, водяной пар конденсировался на холодных стенах, с которых непрерывно стекала влага. Нам не кажется удивительным, что животные, содержавшиеся в таких условиях, часто погибали. Но крестьяне, не знавшие взаимосвязи между микроклиматическими условиями в хлевах и состоянием здоровья животных, думали, будто в их хлеву поселилась нечистая сила. Чтобы изгнать ее они в определенные дни года ранним утром обходили вокруг своих хлевов с зажженными свечами в руках. Некоторые крестьяне «объясняли» гибель скота действием каких-то земных лучей и думали, что их хлевы построены над очагами таких лучей. Доказательством считалась гибель животных, позднее помещенных в эти же хлевы. В действительности же животные гибли лишь из-за вредных микроклиматических условий. Кроме того, следует позаботиться о том, чтобы и другие метеорологические условия были благоприятными для содержания скота. Следовательно, нельзя утеплять скотный двор, закрывая наглухо окна и двери, и этим экономить топливо для обогрева курятников и помещений, в которых содержится молодняк. Описание технических средств, используемых для регулирования микроклимата скотных дворов, увело бы нас далеко за рамки настоящей главы. Но читателю и без того уже должно быть ясно, сколь важную роль для животноводства играет микроклимат скотных дворов.

Существовало мнение, будто для сохранения здоровья животных следует обязательно содержать в тепле. В настоящее время животноводы придерживаются совершенно иного мнения. Дело в том, что холод никогда не может сколько-нибудь заметно повредить здоровью скота (не считая молодняка), тогда как жара плохо переносится многими домашними животными, особенно свиньями и лошадьми. Свиньи, в частности, не выделяют пот, а покрывающий их слой сала препятствует нормальной теплоотдаче внутренних органов. Ежегодно тысячи свиней при перевозке в товарных вагонах гибнут от теплового удара, тогда как от слишком сильного холода погибает лишь несколько экземпляров.

При создании здорового микроклимата старинных скотных дворов появляется много трудностей технического характера, не говоря уже о больших денежных затратах. Является ли содержание скота в таких старинных капитальных скотных дворах благоприятным? Тем более что для содержания скота необходимо усиленное проветривание таких дворов. Так возникла мысль о зимнем содержании скота в открытых стойлах. Многие считали, что животные будут чаще болеть, если они непрерывно находятся под воздействием естественных метеорологических условий. Однако это опасение не подтвердилось, и во многих странах крупный рогатый скот и свиньи содержатся теперь в открытых стойлах.

Следует уделить внимание изучению хода отдельных метеорологических элементов, например температуры воздуха при сильных морозах или снежных заносов в местах сооружения открытых скотных дворов. Особую ценность с точки зрения гигиены представляет открытое содержание скота, так как при этом возможно облучение животных ультрафиолетовой радиацией, играющей важную роль в выращивании здоровых животных. Дневной ход освещенности и температуры воздуха оказывает особенно благоприятное воздействие на ритм размножения племенного скота, что при большей продолжительности его жизни обеспечивает и более высокую продуктивность. Зимние холода мало влияют на удои молочных коров. Сравнение удоев коров показало, что расход кормов в открытых хлевах в зимний период больше, а коэффициент их реализации меньше, чем в капитальных закрытых хлевах. Происходит, действительно, некоторое уменьшение надоев молока у коров в открытых хлевах, но зато жирность молока даже во время морозов выше нормы. Этим компенсируется некоторое уменьшение надоев. В открытых, как и в закрытых, хлевах надои могут превышать 5000 л молока в год.

Конечно, не любое животное можно содержать в открытом хлеву. Молодняк чувствителен к холодам и переводить его на открытое содержание можно в возрасте не менее 6 месяцев. В хлевах, где идет опорос свиней, температура воздуха должна быть не ниже 10°. Поэтому открытые свинарники зимой непригодны для опороса. Однако поздний весенний опорос может происходить и в открытых свинарниках при условии использования толстой подстилки и при соответствующей защите от ветра.

Таким образом, в современном животноводстве прикладной метеорологии принадлежит особая роль. Микроклимат закрытых хлевов должен быть заменен более благоприятным для животных естественным микроклиматом, свойства которого надо исследовать с помощью специальных метеорологических приборов, особенно при проектировании открытых хлевов. С учетом различных чисто хозяйственных факторов открытые хлева должны сооружаться в таких местах, где не наблюдается резких изменений метеорологических элементов. Следует избегать строить открытые хлева в низменностях, где часто застаивается холодный воздух.

После замечаний о микроклимате скотных дворов и хлевов мы хотели бы остановиться на рассмотрении двух других видов микроклимата закрытых помещений, которые известны лишь очень немногим. Речь идет об искусственном микроклимате операционных помещений в больницах и о микроклимате винных погребов в районе Токай в Венгрии.

Все снова и снова появляются сообщения о взрывах в операционных помещениях больниц. В операционных скапливаются газы различных веществ, применяемых для наркоза. Следовательно, микроклимат операционных не только вреден для находящихся здесь сравнительно долгое время людей, но при определенной концентрации газов он становится даже опасным. Поэтому в операционных помещениях необходимо, во-первых, снижать концентрацию легко воспламеняющихся газов, и, во-вторых, избегать образования каких-либо искр.

При смешении наркотизирующих средств с кислородом воздуха получается смесь, которая взрывается при температуре 100°. Такие температуры легко могут возникнуть, например, в измерительных приборах, при проскакивании разных искр, а также под действием электростатических зарядов, получающихся, например, на пылинках, увлекаемых потоком кислорода. Электрические заряды особенно активно возникают при трении различных предметов друг о друга. Природа такого трения может быть весьма различной: трение между одеждой (перлон!) и телом человека, передвижение мебели по линолеуму или, не в последнюю очередь, трение между обувью и полом. В 30 % всех случаев взрывы в операционных были связаны именно с электрическими зарядами, вызванными трением.

Поэтому электрическое напряжение, возникающее в операционных помещениях, должно немедленно устраняться. Это может быть достигнуто методом так называемой электрической связки. Под этим понимают заземление всех предметов, на которых в первую очередь могут накапливаться электрические заряды. В частности, ботинки работающего здесь персонала должны изготовляться из материалов с высокой электропроводностью, мебель должна иметь металлические-ролики и, наконец, с помощью специального метеорологического прибора необходимо вести контроль за тем, чтобы влажность воздуха оставалась достаточно высокой. Тогда на различных предметах будет отлагаться тончайшая пленка воды, которая может способствовать отводу появляющихся электрических зарядов. Но в первую очередь необходимо следить за удалением попадающей в воздух смеси наркотизирующих веществ. Смесь эфира с наркотиками опускается вниз, к полу. Поэтому отток воздуха надо устраивать внизу. Чтобы ускорить распад эфирного облака, в операционную нагнетают больше воздуха, чем отсасывают… Поэтому при 6—10 сменах воздуха в час возникает турбулизированное его состояние, противоположное ламинарному состоянию, т. е. равномерному движению, имеющему место при обычном способе отсасывания. Современные операционные часто охлаждаются до —12°, а затем снова быстро нагреваются до 30°. Созданию установки, обеспечивающей искусственный климат в операционной, должен предшествовать точный анализ естественного местного климата в данном районе.

Гораздо более приятным местом, чем операционная в больнице, являются винные погреба в Таркале (Венгрия).

Туристы, посещающие Венгрию, не покинут эту прекрасную страну, не побывав в винодельческом городе Токае, лежащем у подножия горы того же названия. Подъезжая сюда с равнины, туристы достигают горной цепи, южный склон которой и образует гора Токай. У ее подножия сливаются реки Тисса и Бодрог, которым лёссовые почвы придают желтую окраску. Склон горы Токай тоже покрыт лёссом, под которым лежат вулканические породы. Лёссовая почва, крутые склоны, большая продолжительность солнечного сияния и хорошие сорта винограда составляют основу для производства здесь всемирно известного вина токай. Однако благоприятные почвенные и микроклиматические особенности горы Токай не являются единственными условиями высокого качества выделываемого здесь вина. Из хорошего винограда только тогда получается хорошее вино, когда после периода брожения оно выдерживается в погребе с совершенно определенным микроклиматом.

Полезные грибы, определяющие высокое качество вина, могут хорошо развиваться только при определенных условиях температуры и влажности. Эти грибы покрывают стены погребов и сосуды с вином налетом толщиной 2–5 см.

Погреба Таркаля большей частью представляют собой пещеры, вырытые в склонах горы Токай. Слой вулканических пород и лёсса толщиной около 10 м, расположенный над погребами, гасит колебания температуры воздуха настолько, что суточный ее ход в погребах совсем не отмечается, а годовая волна очень сильно ослабляется, причем время наступления крайних температур смещается на 3–4 месяца по сравнению с наблюдаемым снаружи. Специальные наглухо закрывающиеся вентиляционные каналы изолируют погреба от наружного воздуха.

При дегустации вин из двух погребов Таркаля, а именно из погреба института виноделия и погреба государственного предприятия[40], было установлено, что первые из них обладают более высоким качеством.

В чем же причина различного качества вин? Кроется ли она в микроклимате погребов или заключается в различии рецептов изготовления вин разными виноделами?

Этот вопрос удалось разрешить путем исследований микроклимата погребов. Исследования проводились в течение четырех лет. Были установлены существенные различия в ходе температуры и влажности воздуха, а также упругости водяного пара в обоих погребах. Эти различия не столько влияют на процессы брожения и последующей доводки вина, сколько оказывают косвенное влияние на взаимодействие между грибами и микроклиматом в погребе.

Грибы питаются за счет летучих составных частей вина и этим лишают питания вредные виды грибов.

Грибы на стенах винного погреба института виноделия в Таркале (Венгрия).

Следовательно, грибы очищают воздух в погребах и содействуют образованию особых ароматических веществ, развивающихся в вине в течение 2–4 лет. Условия развития полезных грибов зависят от микроклимата в погребе. Оптимальная для их развития температура воздуха составляет 12° при относительной влажности 87 %. При неблагоприятных микроклиматических условиях полезные грибы погибают, а вместо них развиваются вредные, которые плохо действуют на качество вина.

Летом на стенах погреба государственного предприятия в определенных местах начиналась конденсация влаги. Полезный гриб не переносит этих неблагоприятных для него условий влажности и погибает. Это, конечно, отражается на качестве вина. Кроме того, сравнительно большие колебания температуры воздуха в этом погребе зимой тоже неблагоприятно сказываются на росте полезного гриба.

В погребе, принадлежащем институту виноделия, наоборот, условия оказались оптимальными для развития полезных грибов. Температура здесь составляла 12°, причем колебания ее за четырехлетний период наблюдений равнялись лишь 2,3°. В погребе же государственного предприятия колебание температуры было 4,3°. Благоприятные микроклиматические условия обусловили бурный рост полезных грибов в погребе института виноделия, благодаря чему здесь удавалось получать лучшие вина.

Для поддержания благоприятных микроклиматических условий проводятся специальные мероприятия. Вход в погреб разрешается только через камеру, где идет брожение вина. Эта камера служит, таким образом, воздушным шлюзом. Проветривание погреба тщательно продумано и исключает возможность конденсации водяного пара, содержащегося в воздухе, что особенно важно весной.

Посещение погребов разрешалось далеко не всем желающим, чтобы уменьшить колебания микроклимата. Но тот, кому удавалось проникнуть в эти погреба, знает о приятной прохладе в них. Кажется, что в каждой следующей бочке, из которой берется проба, вино все вкуснее. Это относится и к терпкому фурминту, и к сладкому асцу.

Взгляд в будущее

Как видно из первых глав книги, изучение атмосферы еще далеко не закончено. Постепенно открываются действующие в ней силы и явления, отбрасываются прежние представления и возникают новые взгляды на строение атмосферы и движения в ней. В связи с этим в будущем в метеорологии будет играть все более значительную роль исследование общих закономерностей атмосферы, т. е. изучение важнейших взаимосвязей между происходящими в ней процессами крупного масштаба. Пока еще не существует сети пунктов ракетного зондирования, охватывающей всю нашу планету и позволяющей непрерывно следить за процессами в средней и верхней стратосфере. Несмотря на то что организация такой сети потребует больших затрат, она все же должна быть создана. Измерения, полученные с первых метеорологических спутников, показали, что наряду с посылаемыми Солнцем лучами света в земную атмосферу проникает широкий спектр других электромагнитных волн, а также потоки различных частиц материи. Однако еще ничего не известно об их влиянии на погодообразующие процессы. Лишь тогда можно надеяться на повышение оправдываемости прогнозов, когда будет достаточно хорошо изучено взаимодействие между Солнцем и Землей.

Таким образом, метеорологические спутники будут играть значительную роль в изучении циркуляции атмосферы. Ракетной и спутниковой метеорологии скоро будет отводиться надлежащее место в любом школьном учебнике.

Удастся ли, опираясь на эти новые данные, научиться управлять погодой? Как мы уже видели, эта задача весьма сложна. Мы стремились лишь указать на исключительно большие трудности, связанные с воздействием на крупномасштабные погодные процессы. Если искусственное воздействие на формирование, например, циклонов еще не скоро станет возможным, то перспективы управления образованием облаков, регулирования гроз и воздействия на туманы значительно благоприятнее. Такие мероприятия уже дали результаты в засушливых районах Советского Союза, а также в лесных массивах на западе США.

Однако наибольшие перспективы в настоящее время имеют искусственные воздействия на микроклимат приземного слоя атмосферы. Здесь вмешательство человека может осуществляться в значительно более широких масштабах, чем это делалось до сих пор. Борьба против заморозков, ветрозащита и мероприятия по уменьшению испарения должны вестись государственными учреждениями путем гидротехнического строительства, создания каналов, мелиорации и т. п. Уменьшение испарения, так же как и уменьшение поверхностного стока вод, достигается значительно проще, чем искусственное вызывание осадков. Поэтому управление климатом следует сначала проводить не в атмосфере, а на земной поверхности.

Значительно большее внимание должно быть в будущем уделено и тем изменениям, которые неизбежно происходят в атмосфере в результате выброса в нее промышленными предприятиями твердых и газообразных примесей. Крупная промышленность превращает некогда цветущие местности в районы скопления грязи, пыли, сажи и копоти. В некоторых промышленных районах Европы и Америки загрязнение атмосферы представляет серьезную угрозу для здоровья проживающих здесь людей.

Что за польза, к примеру, в ГДР, от непрерывно растущего благосостояния, если отсутствует столь важное условие здоровой жизни, как более или менее чистый воздух?

Сооружение промышленных предприятий и городов должно быть делом не одних только строителей. Важную роль должны играть также и метеорологи[41].

Климатологию иногда представляют себе как науку мертвую, ибо она в основном занимается метеорологическими явлениями, происходившими в прошлом. Тем не менее ей принадлежит весьма важная роль в планировании будущего развития промышленности и сельского хозяйства. Содержащиеся в климатических таблицах сухие цифры, характеризующие ход метеорологических элементов в «среднем» и в «экстремумах» (т. е. в крайние, особо выдающиеся годы), приобретают весьма большое значение и оживают, когда выясняется, что они необходимы для решения практических задач. В будущем следует совершенно исключить попытки возделывания тех или иных сельскохозяйственных культур без предварительного определения количества осадков, которое может выпадать в данной местности, и возможности наступления здесь ранних осенних и поздних весенних заморозков. Транспорт также должен ориентироваться на климатические условия соответствующих районов. Ни один проектировщик не должен планировать строительство нового аэродрома в том или ином районе, пока не получит данных о повторяемости туманов на этом участке.

Прогнозы погоды еще должны подвергнуться значительной перестройке. Известно, что их оправдывае-мость составляет лишь 85 %. Это значит, что из каждых 100 прогнозов 15 не оправдываются. В будущем их оправдываемость будет неуклонно повышаться. Тогда расширится и область применения метеорологических прогнозов. Уже и теперь они находят для себя все новых и новых потребителей.

Хорошие прогнозы погоды могут ежедневно сберегать для человечества миллионные ценности. Так, например, в 1961 г. опустошительные ураганы вновь обрушились на южные районы США. Однако при этом погибло совсем немного людей, так как население было своевременно предупреждено о приближении ураганов и нашло спасение в специальных укрытиях. Это уже большой успех метеорологии.

С течением веков древняя астрология превратилась в точную науку астрономию. Со временем и метеорология превратится в точную измеряющую и вычисляющую науку метеорономию. Уже и сейчас электронные вычислительные машины по специальным программам предвычисляют, например, поле атмосферного давления. Но пройдут еще десятки лет, пока удастся пред-вычислять также продолжительность солнечного сияния, интенсивность осадков и ряд других метеорологических элементов.

От волшебников погоды до современной ракетной метеорологии науке пришлось пройти такой же трудный путь, как от физических представлений людей неандертальского периода до сооружения стартового устройства для запуска искусственных спутников Земли. Физика уже овладела космосом. Точно так же и метеорология овладеет атмосферой.

Редактор Л. П. Жданова

Худож. редактор В. А. Евтихиев

Техн. редактор И. К. Грейвер

Корректор Т. В. Алексеева

— Сдано в набор 18/VII 1935 г. Подписано к печати 16/XI 1966 г. Бумага 84х108 1/32 Бум. л. 4,19. Печ. л. 13,97. Уч. — изд. л. 14,02. Тираж 32 000 экз. Индекс ПЛ-100 Гидрометеорологическое издательство. Ленинград, В-53, 2-я линия, д. № 23.

Заказ № 1727 Цена 80 коп. Ленинградская типография № 12 им. М. И. Лоханкова Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР. Ленинград, ул. Правды, 15

Примечания

1

По теории, разработанной советскими геофизиками во главе с академиком О. Ю. Шмидтом, Земля никогда не была раскаленным газовым шаром, а образовалась в результате постепенного уплотнения гигантского облака космической пыли, состоявшего из твердых частиц различных веществ. (Прим. перев.).

2

В VII в. нашей эры арабским ученым Альгазеном была разработана теория сумерек, учитывавшая рассеяние солнечных лучей земной атмосферой. (Прим. перев.).

3

Первая сеть метеорологических станций была создана в Италии в 1654 г. В 1724–1735 гг. Лондонское королевское общество организовало метеорологические наблюдения в разных странах. В России первая сеть из 12 метеорологических станций была организована в 1733–1734 гг. Великой Северной экспедицией под руководством Беринга. (Прим. перев.).

4

Первая опытная линия электромагнитного телеграфа была построена в России в 1836 г. в Петербурге на изобретенных Шиллингом электромагнитных аппаратах.

5

Первый в мире радиозонд, изобретенный выдающимся советским ученым П. А. Молчановым, был запущен в Павловске (под Ленинградом) 30 января 1930 г. (Прим. перев.).

6

Точнее, более или менее сильно разреженное пространство. (Прим. перев.).

7

В СССР он называется станционный чашечный барометр (Прим. перев.).

8

Теперь изготовляются пластмассовые чашки. (Прим. перев.).

9

На анероидах, изготовляемых в СССР, запрещено делать на шкале такие надписи. (Прим. ред.).

10

Отдача тепла земной поверхностью в виде длинноволновой радиации происходит всегда, как днем, так и ночью, как летом, так и зимой. Но в летний день эта теплоотдача с избытком перекрывается поглощением солнечной радиации. (Прим. перев.).

11

Согласно новейшим представлениям, таких сфер насчитывают даже пять. (Прим. ред.).

12

По современным данным, температура в стратосфере сначала почти не меняется с высотой, а затем медленно повышается. (Прим. перев.).

13

Эти сведения устарели. В современной метеорологии вертикальное расчленение атмосферы на сферы производится по единому признаку, а именно по характеру изменения температуры воздуха с высотой, расчленение ионосферы — по характеру ионизации слоев. В 1962 г. Всемирная метеорологическая организация установила следующие названия слоев атмосферы: тропосфера (в среднем до высоты 11 км), стратосфера (от 11 до 50–55 км), мезосфера (от 50–55 до 80–85 км), термосфера (от 80–85 км примерно до 800 км), экзосфера (выше 800 км). Таким образом, сильно ионизированный слой атмосферы — ионосфера — в основном лежит в области термосферы.

Ниже мы стремились повсюду, где это имело значение для смысла изложения, привести терминологию автора в соответствие с указанными здесь названиями слоев. (Прим. перев.).

14

Из наблюдений с помощью спутников и ракет можно заключить, что атмосфера простирается выше этого уровня. (Прим. ред).

15

В синоптической метеорологии более принято, согласно географической классификации, различать четыре основные воздушные массы: арктическую, умеренную (полярную), тропическую и экваториальную. (Прим. ред.).

16

От английского слова invers— наоборот. В русской метеорологической литературе обычно под инверсионными слоями понимают лишь такие слои в атмосфере, в которых температура воздуха растет с высотой. Изредка говорят также об инверсиях влажности как о слоях, в которых влажность воздуха увеличивается с высотой. (Прим. перев.).

17

С 1886 г. работает обсерватория на горе Зоннблик. В СССР с 30-х годов производятся метеорологические и актинометрические наблюдения на леднике Федченко (4200 м над уровнем моря). В настоящее время такие наблюдения проводятся уже на нескольких десятках станций в горах Кавказа, Средней Азии и в других горных районах. (Прим. перев.).

18

В СССР работает примерно 250 аэрологических станций. На некоторых из них производится четыре выпуска радиозондов в сутки. (Прим. ред.).

19

В 1934 г. советские исследователи П. Ф. Федосеенко. А. Б. Васенко и Н. Д. Усыскин на стратостате «Осоавиахим» поднялись на рекордную для того времени высоту — 22 км. Но при спуске стратостата произошла авария и мужественный экипаж погиб. (Прим. перев.).

20

21 февраля 1958 г. советская геофизическая ракета поднялась на высоту 473 км (Прим. перев.).

21

По данным измерений на ракетах, средняя температура в этом слое близка к 0° с возможными отклонениями в ту или другую сторону до 20°. (Прим. ред.).

22

Природа серебристых облаков окончательно еще не выяснена. Однако большинство ученых склоняется к тому, что эти облака не связаны с космической пылью и являются результатом сгущения водяного пара. (Прим. перев.).

23

То есть избирательно поглощающих. (Прим. перев.).

24

Некоторые ученые считают, что холодный земной шар несется в горячей межзвездной плазме. (Прим. перев.).

25

Сколько-нибудь значительному нагреву снежного покрова полярных районов препятствует не только малая высота солнца, т. е. очень наклонное падение его лучей, но и большая отражательная способность чистого снега. (Прим. перев.).

26

Значительная часть длинноволнового излучения земной поверхности не уходит в мировое пространство (за исключением волн длиной от 8 до 13 мк), а поглощается атмосферой. В мировое же пространство уходит длинноволновая радиация, излучаемая не столько земной поверхностью, сколько самой атмосферой. (Прим. перев.).

27

и частицами взвешенных в атмосфере твердых и жидких примесей. (Прим. перев.).

28

точнее, горизонтальная ее составляющая. (Прим. перев.).

29

Опыты по искусственному вызыванию осадков, в том числе и града, ведутся в ряде стран. Широко поставлены такие опыты и у нас в СССР. (Прим. перев.).

30

От образования первичной, зародышевой, до превращения в облачную капля проходит довольно сложный путь развития, в ходе которого ее радиус увеличивается примерно в 10 000 раз, а объем — в 1 000 000 000 000 раз. (Прим. перев.).

31

Туман смешения является одним из наиболее редких видов тумана. Расчеты показывают, что для его возникновения необходимо смешение двух (или более) воздушных масс, имеющих резко различную температуру, но высокую влажность. Однако сближение масс, очень сильно различающихся по температуре, происходит редко. (Прим. перев.).

32

Частицы ледяного дождя отличаются от градин, кроме того, формой и внутренним строением. (Прим. перев.).

33

Градины могут иметь не только шарообразную, но и любую другую форму. (Прим. перев.).

34

Скорость света равна 300 000 км/сек (Прим. перев.).

35

В это же время атмосферное электричество и молнию изучал великий русский ученый М. В. Ломоносов. Он также предложил свою конструкцию молниеотвода. (Прим. перев.).

36

В физическом смысле идеально чистая атмосфера тоже является мутной средой, так как она состоит из молекул атмосферных газов, а эти молекулы частично поглощают и рассеивают проходящие через них электромагнитные волны. (Прим. перев.).

37

Создается впечатление, что автор несколько сгущает краски. (Прим. перев.).

38

Возможны, конечно, и другие деления прикладной метеорологии. Можно говорить, например, о сельскохозяйственной метеорологии, которая кроме лесной и агрометеорологии включает в себя еще и метеорологию сельскохозяйственных животных. Из промышленной часто выделяют в качестве самостоятельной строительную метеорологию. Из транспортной метеорологии давно выделилась и получила значительное развитие авиационная метеорология. Ряд отраслей прикладной метеорологии — промышленную, строительную, транспортную и др. — часто объединяют общим термином «техническая метеорология».

39

В СССР фенологические наблюдения проводят школьники, учителя, агрономы, пенсионеры — любители природы и многие другие добровольцы. Их работу организует и возглавляет Фенологическая комиссия Всесоюзного географического общества (Ленинград, пер. Гривцова, 6). Там же можно получить и консультацию о том, как проводить такие наблюдения (Прим. перев).

40

т. е совхоза. (Прим. перев).

41

В СССР недавно введено правило, по которому ни одно крупное промышленное и городское строительство не может вестись без согласования с центральным метеорологическим научным учреждением — Главной геофизической обсерваторией им. А. И. Воейкова (Прим. перев.).

Content

Пфейфер Фриц Погода интересует всех

Атмосфера вчера, сегодня и завтра

От мифов о погоде к спутниковой метеорологии

Воздух можно взвесить

На дне воздушного океана

Там, где создается погода

Наступление на стратосферу

На орбитах спутников

Солнце

Холодильник нашей планеты

Свет и тень

Волчок

„Кухня погоды"

Ураганы

У тех, кто „делает погоду“

От добросовестного заблуждения к сознательному обману

Осадки

Много шума из ничего

Диагноз будущего состояния атмосферы

Большая опасность

„Помойные ведра"

Погода, животное и растение

В ледяном дворце

В ветровой тени

Годы эпидемий

В искусственном климате

Взгляд в будущее

Примечания