Саймон Кинг, Клэр Насир

Чем пахнет дождь?

Саймон

Моей жене Эмме – за поддержку и наших прекрасных детей Ноа и Нелл

Клэр

Моему лучшему критику Сиенне и моему невероятному мужу Крису

What Does Rain Smell Like?

by SIMON KING and CLARE NASIR Text copyright © Simon King and Clare Nasir, 2019

Originally published in the English language in the UK by 535, an imprint of Bonnier Books UK Limited, London. The moral rights of the author have been asserted

© Коробейников А.Г., перевод на русский язык, 2022

© ООО «Издательство «Эксмо», 2022

Введение

Все мы – предсказатели погоды. Каждый день, даже каждый час большинство из нас стремится оценить погодные условия. Это заложено в человека как биологический вид: наблюдение и понимание постоянно меняющегося неба оставило на нас неизгладимый отпечаток.

Наш мир основан на тонком равновесии между принятием стихий и борьбой с ними. Поэтому вполне естественно смотреть на небо, стремясь найти закономерности, которые могли бы подсказать, что произойдет далее. Тона и оттенки, завитки и формы, танцующие над горизонтом, подсказывают нам, что произойдет, когда мы выйдем из дома. Начиная с первых тысячелетий существования человечества и вплоть до нынешнего экономического и экологического воздействия и изменения климата, погода остается непременной частью нашей жизни. Но наши отношения с погодой не ограничиваются постоянными попытками приспособиться к текущим условиям, мечтами о снеге на Рождество или о солнце на ближайшие выходные. Возможность пролить свет на метеорологический кавардак, который происходит в мире, ценна сама по себе и служит причиной тому, что многие из нас делают это занятие своей профессией. Книга, которую вы держите в руках, – для тех, кто, как и мы, интересуется метеорологией.

Для нас метеорология – настоящая страсть и важная часть жизни на протяжении последних десятилетий. Саймон увлекся погодой, когда ему было семь лет, и Великая Буря 1987 года прошлась по Южной Англии, причинив серьезный ущерб и вызвав панику. Для Клэр понимание закономерностей в атмосфере и океанах посредством математики и физики тоже стало занятием на всю жизнь еще в детстве. Мы оба – профессиональные метеорологи, сотрудники метеорологической службы Великобритании, и мы очень много говорим о погоде. И нас постоянно спрашивают о погоде!

Эта книга – прекрасное дополнение к любому разговору о погоде. Она полна потрясающих фактов и цифр и дает ответы на многие часто задаваемые вопросы о метеорологии. Мы освещаем самое интересное, стараясь обратить внимание на наименее известные и порой несколько удивляющие загадки погоды и климата. Давайте же вместе отправимся в путешествие, погрузившись в сложный, прекрасный и восхитительный мир погоды!

Саймон Кинг, Клэр Насир

Сентябрь 2019

Солнце

Отчего небо голубое?

В повседневной жизни мы принимаем тот факт, что небо голубое (конечно, если оно не затянуто облаками!) Воздух, разумеется, не голубой, но, если говорить упрощенно, свет от Солнца, проходя через атмосферу, кажется нам голубым. Чтобы понять это, потребуется впоследствии разобраться с тем, как именно свет распространяется по воздуху. Хоть Солнце и кажется нам желтым или оранжевым диском в небе, исходящий от него свет на самом деле белый. Белый свет состоит из всего спектра цветов радуги: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Каждый из этих цветов обладает своей энергией, с которой распространяется в небе: мы называем этот показатель длиной волны. Когда белый свет от Солнца проходит сквозь нашу атмосферу, лед, водяные капли и молекулы газа разлагают свет на указанные выше разные цвета. Этот процесс известен как рэлеевское рассеяние – в честь британского физика XIX века лорда Рэлея. Голубой цвет рассеивается значительно сильнее, чем все остальные, и наши глаза более привычны к тому, чтобы определять более короткие длины волн (с этой стороны спектра и находится голубой). В ясный солнечный день голубой будет казаться более ярким ближе к Солнцу, а не к горизонту. Дело в том, что белый свет рядом с Солнцем проходит меньший путь и не так сильно рассеивается, как рядом с линией горизонта, где он кажется более светлым, почти молочным.

Как солнце влияет на погоду и климат на Земле?

Солнце играет важнейшую роль в существовании Земли и всей Солнечной системы. Эта звезда влияет на погоду и климат на Земле во многих отношениях: она обеспечивает нас светом и теплом, а от ее огромной силы притяжения зависят орбиты планет. Поверхность Солнца – это кипящий котел, где яростные, беспокойные газы выделяют в окружающее пространство невероятное количество энергии, которая порой поступает в слои земной атмосферы. Но прежде чем разобраться с волшебным воздействием солнечной энергии на жизнь на Земле, давайте рассмотрим саму нашу звезду. Радиус Солнца составляет 695 510 км, а радиус Земли – 6371 километр. Иначе говоря, в Солнце может уместиться 1 миллион 300 тысяч таких планет, как Земля. Большинство ученых полагают, что возраст Солнца составляет 4,6 миллиарда лет, то есть оно лишь немногим старше Земли, которой 4,5 миллиарда. Наша звезда на 92 % состоит из водорода и всего на 8 % – из гелия и других элементов, которые имеются в следовых количествах: кислород, углерод и азот. Давление и температура просто невероятные, именно поэтому Солнце ведет себя как гигантский реактор ядерного синтеза. Однако оно имеет внутреннюю и атмосферную структуру, хотя и является газовым шаром, работающим на ядерном топливе. Вдали от раскаленного ядра температура Солнца охлаждается с 15 млн °C до всего лишь двух миллионов – этого недостаточно для запуска процесса ядерного синтеза. А поверхность Солнца, откуда и исходит видимый свет звезды, еще прохладнее: 5500 °C. Однако внешние слои солнечной атмосферы снова оказываются намного горячее: температура опять достигает 2 млн °C.

Зоны Солнца

Структура Солнца

Ядро: гравитационное притяжение в ядре приводит к огромному давлению и температуре до 15 млн °C. В процессе ядерного синтеза образуется гелий – при слиянии атомов водорода; образующаяся энергия излучается вовне, попадает во внешние слои Солнца, а затем и в космос.

Зона лучистого переноса: она окружает солнечное ядро и играет ключевую роль в излучении энергии синтеза в форме фотонов (волн или частиц света). Любому отдельно взятому фотону требуется на это несколько сотен тысяч лет, поскольку процесс включает в себя постоянное поглощение и новое излучение фотонов солнечными газами. Этот слой составляет 45 % солнечного радиуса и охлаждается по мере отдаления от ядра. При контакте с внешней конвективной зоной этот слой теряет около 13 млн °C.

Конвективная зона: ее температура составляет около 2 млн °C, это самая отдаленная из зон внутреннего строения Солнца. Энергия, полученная из соседней зоны лучистого переноса, передается на поверхность Солнца посредством конвекции (повышения и понижения температуры). Это можно увидеть на поверхности Солнца, где чередуются темные (более холодные области) и светлые (более теплые) пятна. Когда фотоны достигают поверхности Солнца, порождается свет – его-то и видно с Земли. Как зона лучистого переноса, так и конвективная зона холоднее, чем ядро.

Есть ли у солнца атмосфера?

Как и у Земли, у Солнца есть атмосфера, которую можно разделить на три слоя.

• Фотосфера – внутренний слой атмосферы, который излучает свет при температуре около 5500 °C. Толщина этой сферы составляет около 500 км, там можно увидеть извергающуюся плазму и более темные и прохладные пятна на Солнце.

• Хромосфера более горячая, чем фотосфера, увидеть ее можно только во время солнечного затмения – она выглядит как красное сияние. Температура хромосферы увеличивается с высотой до 20 000 °C.

• Солнечная корона – самый горячий слой атмосферы, здесь в 300 раз жарче, чем в фотосфере: до 2 млн °C. Обычно корону с Земли не видно, однако иногда ее можно рассмотреть во время полного солнечного затмения: это белые завитки или полоски ионизированного газа, испускаемые этим слоем. Охлаждаясь, этот газ становится солнечным ветром. Существуют разногласия относительного того, почему самым горячим оказывается внешний слой солнечной атмосферы, но некоторые ученые предполагают, что взрывы на поверхности короны высвобождают большое количество энергии, эквивалентное взрыву водородной бомбы в десять мегатонн, причем каждую секунду происходят миллионы таких взрывов.

Солнце кружится, вращается вокруг своей оси, летит по орбите или колеблется?

Оно колеблется, но лишь незначительно. Дело в том, что гравитационные силы планет оказывают некоторое влияние на их звезду – Солнце. Оно вращается вокруг своей оси, но не так, как планеты. Земля, например, вращается как твердый структурированный геоид, большая часть которого остается на месте, в то время как Солнце, огромный газовый шар, при вращении ведет себя не как твердое тело. В различных областях Солнца различен и уровень вращения. Кроме того, Солнце вместе со всей Солнечной системой движется по орбите галактики Млечный Путь: Солнечная система находится в одном из ее рукавов. В свою очередь, галактика Млечный Путь движется по направлению к галактике Андромеды.

Как воздействует на землю солнечный свет?

В течение года на Землю поступает постоянный поток солнечного излучения. Однако интенсивность его попадания на земную поверхность зависит от времени года и широты (то есть удаленности конкретной точки от экватора). Чтобы земля и вода могли нагреться, солнечный свет должен быть преобразован в тепло или инфракрасную энергию. Это преобразование происходит, когда свет встречается с поверхностью. Отражающая поверхность будет переизлучать меньше энергии, чем поглощающая. Показатель того, сколько света отражается от поверхности, называется альбедо. Интересно, что очень немногие поверхности на Земле можно назвать полностью отражающими (альбедо = 1) или полностью поглощающими (альбедо = 0). Например, альбедо свежевыпавшего снега равно 0,8, а альбедо леса – около 0,15. Облака частично блокируют и отражают солнечный свет. От поверхностей белого цвета – к примеру, снега, свет в основном отражается, в то время как более темные поверхности, такие как леса и океаны, поглощают больше света. Свет, попадающий на Землю, либо отражается, либо поглощается, но чаще всего происходит нечто среднее, потому что редко можно говорить о полном отражении или поглощении. Глубина воздействия солнечного света зависит от того, на какую поверхность он попадает. Если свет падает на твердую почву, то глубоко он не продвигается и обогревает этот неглубокий слой в значительно большей степени, чем, например, слои жидкости, как в море, где солнечный свет проникает гораздо глубже и поглощается, обращаясь свет в тепло, распределяемое по значительно большему объему. Вот почему температура в пустынях днем невыносимо высокая, а после наступления сумерек опускается до 0 °C: ночью поверхность быстро отдает тепло. Море же постепенно нагревается за весенние и летние месяцы и тепло отдает медленно. Это оказывает огромное влияние на снижение колебаний температуры воздуха – как над водными массами, так и над прилегающей сушей. В прибрежных районах обычно более мягкие зимы, минимальные температуры не так экстремальны, как в континентальных районах, а летние месяцы менее жаркие, с меньшими максимумами. Когда свет отражается, и полученное тепло вновь излучается в атмосферу, оно начинает циркулировать по земному шару. Земная атмосфера играет роль одеяла, которое удерживает значительную часть этого тепла. Это объясняет, почему Луна такая холодная: солнечный свет поступает на ее поверхность, но там нет атмосферы, которая задерживала бы тепло. Солнечный свет преобразуется не только в теплоту, но и в химическую энергию посредством фотосинтеза растений – еще один жизненно важный для Земли процесс.

Какизменяется количество солнечного света на земле от севера к югу?

Положение Земли относительно Солнца подразумевает, что больше всего солнечного излучения приходится на экватор. Солнце непосредственно оказывается над экватором во время весеннего и осеннего равноденствия (когда день и ночь длятся одинаково), так что прямые солнечные лучи падают на экватор. В самой северной и самой южной точке Солнце оказывается во время летнего и зимнего солнцестояния. Летнее солнцестояние – самый длинный день в Северном полушарии, а зимнее – кратчайший, поскольку в это время Солнце достигает самой южной точки Южного полушария.

Полярный день

На полюсах максимальный уровень солнечного излучения наблюдается во время летнего солнцестояния, но, в отличие от экватора, солнечные лучи на полюсах косые и падают под углом. В это время тьма не наступает – светло круглые сутки. Летом к северу от Северного полярного круга и к югу от Южного полярного круга наступает так называемый полярный день, причем длительность полярного дня увеличивается в высоких широтах. С 12 июня по 1 июля на Северном полярном круге светло круглые сутки. За Южным полярным кругом полярный день длится более двух недель – неделю до 21 декабря и неделю после.

Полярная ночь

В районе зимнего солнцестояния, наоборот, на несколько недель Солнце полностью исчезает за горизонтом, погружая высокие широты Земли в полную тьму – долгую «полярную ночь». Именно в это время устанавливаются рекорды низких температур. Нынешний мировой рекорд с момента ведения записей установлен в Антарктиде: –89,2°C. По спутниковым данным ученые определили, что в некоторых частях Восточной Антарктиды температура может опускаться и ниже – например, в июле 2004 года она упала до –98.6 °C. Хотя во время осеннего равноденствия Солнце и начинает полностью исчезать за горизонтом, некоторое время в сутках все еще имеются сумерки – все более темные, – и, наконец, не остается ни малейшего намека на свет. На Северном полюсе это происходит в середине ноября и длится до конца января. Солнце вновь появляется во время весеннего равноденствия. Можно сказать, что для Северного полюса полдень соответствует летнему солнцестоянию, а полночь – зимнему.

Почему на земле четыре времени года?

Времена года определяются интенсивностью солнечного излучения. Дело не в том, насколько близко Земля подходит к Солнцу, хотя справедливо утверждать, что орбита Земли представляет собой эллипс. Причина смены времен года в том, что ось вращения нашей планеты наклонена; сейчас этот наклон составляет 23,4 градуса (хотя со временем показатель немного изменяется). Когда Земля совершает оборот вокруг Солнца за год, этот наклон сохраняется, в результате каждое полушарие отклоняется от Солнца зимой и приближается к Солнцу летом. Когда полушарие наклонено в сторону Солнца, падающие на него солнечные лучи гораздо более концентрированны, и поэтому воздух более теплый. Зимой же происходит обратный процесс. Для регионов, прилегающих к экватору, все сводится к смене сухих сезонов влажными, поскольку ветер реагирует на изменения интенсивности солнечного излучения и распределения тепла у поверхности. В средних широтах это приводит к переходу от осени к холодному зимнему сезону, а потом к весне и лету. Без наклона Земли не было бы и времен года.

Что такое ультрафиолетовое излучение?

Ультрафиолетовое излучение – это часть электромагнитного спектра излучения. Слово «излучение» означает электромагнитную энергию, испускаемую Солнцем. Его можно разделить на части в зависимости от длины волны и частоты излучения. Солнце испускает широкий и постоянный спектр волн. Они подразделяются на несколько категорий.

Радиоволны: самая низкая частота и наименьшая энергия. Диапазон длин волн, соответственно, от 1 см до 100 км. Их можно использовать для коммуникации: они способны переносить информацию или сигналы из одного места в другое. Радио– и телевизионные станции, как и компании сотовой связи, используют для передачи сигналов именно радиоволны. Звезды и планеты тоже испускают радиоволны, которые могут уловить радиотелескопы на Земле, принимающие радиочастоты электромагнитного спектра.

Микроволны: следующая по частоте часть спектра. Их длина составляет от 1 мм до 30 см. Они могут проходить через объекты, вызывая колебания воды и жира и повышение температуры, почему их и используют в микроволновых печах, а также для передачи данных – в мобильных телефонах и WiFi.

Инфракрасное излучение: средняя часть электромагнитного спектра испускает инфракрасную энергию, которая, по сути, является невидимым теплом. Однако не вся инфракрасная энергия вырабатывает тепло. В широком смысле длина волны в этой части электромагнитного излучения варьируется от нескольких миллиметров до 750 нанометров, или 0,75 микрон. Более короткие волны используются в технологиях создания изображения, а более длинные испускают тепло. Радиация – один из трех способов перемещения тепла по Земле (два других – конвекция и проводимость). В этом случае солнечный свет, попадая на поверхность Земли, излучается обратно как инфракрасная тепловая энергия.

Видимый свет: свет, который может различить человеческий глаз. Эта часть спектра делится по цветам радуги: от более низких частот, излучающих красный цвет, до более высоких, дающих голубой, синий и фиолетовый. Объекты поглощают и отражают световые волны разной длины. Цвет, который мы видим, связан с соотношением поглощения и отражения. Например, черный объект, поглощающий все волны видимого света именно поэтому выглядит черным, в то время как белый предмет отражает все световые волны, вследствие чего кажется белым. В промежутке возможны самые разнообразные сочетания.

Ультрафиолетовое излучение: электромагнитное излучение, о котором пишут, вероятно, чаще всего. Оно невидимо невооруженным глазом, его нельзя почувствовать, но ультрафиолетовые (УФ) лучи – причина загара кожи и ее сгорания при слишком длительном пребывании на солнце. Однако небольшое количество УФ-лучей – важное условие выработки организмом необходимой дозы витамина D. Кроме того, они используются в промышленных и медицинских целях для уничтожения бактерий и создания флуоресценции.

Рентгеновское излучение: волны с очень высокой частотой и огромной энергией, которые испускает солнечная корона. Рентгеновские лучи излучаются только очень горячими газами. Они не проходят сквозь атмосферу Земли, которая играет роль плотного экрана, но испускаются некоторыми объектами на Земле. Например, рентгеновский аппарат направляет интенсивные пучки электронов в небольшое пространство, что дает достаточно энергии для выработки рентгеновских лучей. Эти лучи с легкостью проходят через мягкие ткани, но не через кости, что позволяет диагностировать переломы.

Гамма-лучи: самые короткие волны, обладающие самой высокой частотой и, следовательно, самой высокой энергией. Эти лучи далеко не распространяются. Доходя до внешних слоев атмосферы Солнца, они поглощаются плазмой и испускаются заново с менее высокой частотой. Отличить рентгеновские лучи с наивысшей частотой от гамма-лучей практически невозможно, однако происхождение двух этих видов волн различно. Гамма-лучи излучаются ядрами атомов в процессе распада ядра, а рентгеновские лучи испускаются электронами.

Все эти волны излучают энергию на Землю и в космос. В то время как воздух, звук и вода передают энергию посредством механических волн или возмущений, им нужна среда для распространения.

Электромагнитным волнам среда не нужна: они распространяются в виде волн или частиц света (фотонов) и могут проходить через космический вакуум. Характеристики всех этих электромагнитных волн различны, однако они движутся в пространстве с одинаковой скоростью – около 300 тысяч километров в секунду. Когда же они достигают атмосферы Земли, все меняется: только волны определенной длины способны проникнуть в атмосферу, а еще меньше – дойти до земной поверхности. Хотя атмосфера Земли кажется нам прозрачной, ее слои непроницаемы для рентгеновского и гамма-излучения, и это хорошо, потому что такие лучи опасны для людей.

Атмосфера Земли проницаема только для световых волн определенной длины: можно провести аналогию с открытыми, закрытыми или приоткрытыми окнами.

Видимый свет, конечно, добирается до поверхности. Некоторым радиоволнам это тоже удается, другие отражаются от ионосферы (слоя атмосферы Земли на расстоянии более 85 км от земной поверхности, где высока концентрация ионов и электронов, отражающих часть радиоволн). То же верно и для инфракрасного и ультрафиолетового излучения: одни лучи проходят, другие отражаются обратно в космос, третьи поглощаются верхними защитными слоями атмосферы.

Что такое озоновый слой?

Большая часть ультрафиолетового излучения поглощается озоновым слоем. Эта невероятно тонкая прослойка состоит из газа озона, располагается в верхних слоях стратосферы – в 10–50 километрах от поверхности Земли, и весьма эффективно защищает нас от большей части ультрафиолетовых лучей. В XX веке потребовалось несколько десятилетий, чтобы понять, что чрезмерное использование хлорфторуглеродов (ХФУ) разрушает озоновый слой стратосферы. В нем обнаружились озоновые дыры, и после бурных дискуссий в мире запретили использовать ХФУ в холодильниках и аэрозолях, чтобы компенсировать причиненный ущерб. Сейчас, когда мы давно уже живем в XXI веке, некоторых ученых беспокоит то, что слишком тонкий озоновый слой впоследствии может чересчур увеличить количество ультрафиолетовых лучей, которые достигают Земли.

Как на нас воздействуют разные типы ультрафиолетового излучения?

Ультрафиолетовое излучение (УФ-лучи) можно разделить на подтипы: ультрафиолет А, ультрафиолет В и ультрафиолет С, имеющие разную длину волны.

• Ультрафиолет А (315–400 нм) – ближнее УФ-излучение, длинноволновой диапазон, проходит сквозь атмосферу;

• Ультрафиолет В (280–315 нм) – среднее УФ-излучение, 90 % поглощается озоновым слоем, 10 % проходит сквозь атмосферу;

• Ультрафиолет С (100–280 нм) – дальнее УФ-излучение, коротковолновый диапазон, полностью поглощается озоновым слоем и не доходит до поверхности Земли.

На жизнь на Земле главным образом влияет ультрафиолетовое излучение типа А (на его долю приходится около 95 % от всего УФ-излучения). Именно оно используется, в частности, в соляриях и вызывает загар. Известно, что чрезмерная доза ультрафиолета А приводит к раку кожи. Если ультрафиолет А способен глубоко проникать в кожу (в дермис и подкожные слои), то ультрафиолет В может попадать лишь на поверхность кожи (эпидермис). Однако именно воздействием ультрафиолета В объясняются ожоги и покраснение внешнего слоя кожи. Он также играет ключевую роль в развитии рака кожи, а наибольшую активность проявляет в районе полудня.

Что такое УФ-индекс?

Мы не можем увидеть или почувствовать УФ-лучи на нашей коже, но они играют важную роль в развитии рака кожи у людей во всем мире. Когда в прогнозе погоды сообщается о том, что ожидается высокий уровень УФ-излучения, нужно принять меры предосторожности, чтобы защитить кожу от вредоносных лучей Солнца. Уровень УФ-излучения, достигающего поверхности, вычисляется при помощи компьютерных моделей, которые учитывают не только интенсивность солнечного излучения на земной поверхности и над ней, в том числе в облаках, но и толщину озонового слоя стратосферы, высоту поверхности над уровнем моря и другие факторы – например, время суток и газовый состав нижних слоев атмосферы. В 1992 году Всемирная организация здравоохранения и Всемирная метеорологическая организация ООН ввели шкалу прямо пропорциональную интенсивности УФ-излучения. Низший уровень – 1 (нет/очень мало излучения – обычно ночью); высший – 11+ (чрезвычайный риск вредоносного УФ-излучения).

Как различается уровень ультрафиолетового излучения?

Уровень УФ-излучения, достигающего Земли в определенное время или в определенном месте, колеблется в течение года в зависимости от расположения Солнца на небе. Над экватором Солнце большую часть года находится высоко, поэтому уровень УФ-излучения здесь обычно тоже высок. Но чем дальше от экватора, тем сильнее уровень УФ-излучения зависит от времени года. Зимой Солнце стоит на небе низко, и уровень УФ-излучения, достигающего поверхности, ниже, чем летом, когда Солнце стоит высоко, и УФ-лучи находят более прямой путь сквозь атмосферу Земли (а также проходят через более тонкий слой озона), тем самым сохраняя большую часть своей энергии. Для стран, находящихся в умеренных широтах, таких как Великобритания, самый высокий уровень УФ-излучения наблюдается в июне, когда Солнце выше всего стоит в небе. В это время самый высокий в Великобритании индекс УФ-излучения – обычно 7, в редких случаях – 8. Уровень ультрафиолета в апреле сопоставим с августовским, а ведь весной в целом холоднее, чем летом. Поэтому в апреле люди обычно более уязвимы к солнечному излучению, чем, например, в августе из-за ложного ощущения, что Солнце не такое мощное: хотя на улице не так тепло, уровень УФ-излучения практически одинаковый. Важную роль играет и время суток: с 10 утра до 3 дня Солнце достаточно высоко, чтобы уровень УФ-излучения поднялся. Среди других факторов, определяющих этот показатель – облачный покров, высота, почвенный покров и атмосферный озон.

• Облачный покров: в очень облачные дни уровень УФ-излучения может сильно сократиться (иногда облака слишком тонкие, так что УФ-излучение все еще достаточно сильное).

• Высота: с каждыми 300 метрами подъема уровень УФ-излучения повышается на 2 % из-за разрежения воздуха.

• Почвенный покров: земная поверхность различной структуры по-разному отражает ультрафиолетовое излучение. На пляже морская вода отражает примерно на 10 %, а песок – до 15 % больше УФ-лучей, чем более темные поверхности – трава или скалистые местности. Белая же поверхность, такая как снег и лед, отражает на 80 % больше УФ-лучей. Все это приводит к повышенному риску обгорания.

• Атмосферный озон: озон в атмосфере задерживает УФ-лучи, так что отслеживание толщины озонового слоя необходимо для определения интенсивности УФ-излучения, которое в итоге достигнет поверхности Земли. Количество озона над нашими головами колеблется в зависимости от широты, долготы и времени года. Иногда озоновый слой в какой-либо из частей неба существенно истончен. Озоновые дыры порой могут формироваться в определенное время года – например, весной над Антарктикой.

Как вращение Земли влияет на погоду?

В космосе вращается все – от астероидов и планет до звездных систем и галактик. Это называется сохранением углового количества движения, которое досталось нам со времен образования Вселенной, когда газ и пыль образовали Солнце и планеты вокруг него. Объекты в космосе продолжают свое движение с тех пор, как начали двигаться. Это явление известно как инерция. Земля не только вращается вокруг Солнца – она обращается и вокруг собственной оси. И это обращение необходимо для поддержания существования жизни на Земле: без него все было бы совершенно иначе. Без центробежной силы возобладала бы сила тяжести, океаны передвинулись бы к полюсам, где притяжение сильнее всего, а обнажившаяся суша доходила бы от экватора до умеренных широт. Земной год длился бы примерно столько же, как сейчас, а вот день на Земле равнялся бы году. Уже эти два фактора полностью изменили бы климат на Земле, и это стало бы катастрофой для привычной нам жизни. Обращение Земли вокруг своей оси удерживает в равновесии океаны и атмосферу, благодаря ему в игру вступают другие силы, помимо гравитации. Например, сила Кориолиса – это сила инерции, которая отклоняет жидкости на вращающейся системе координат (Земле). Она действует перпендикулярно оси вращения и считается «кажущейся силой», поскольку отмечается наблюдателем на Земле, а не испытывается собственно движущейся жидкостью.

Поверхность Земли движется не с той же скоростью, что и атмосферный воздух. То, что мы сверху воспринимаем как прямой поток воздуха, у поверхности будет отклоняться, поскольку Земля продолжает вращаться. В Северном полушарии это отклонение направо, то есть к западу. Сила Кориолиса наиболее отчетливо чувствуется у полюсов: чем ближе к экватору, тем меньше она оказывает влияние на погоду. Сила Кориолиса создает спирали из облаков и воздуха, которые переносят влагу и тепло по планете. Области низкого давления в средних широтах, напоминающие доску для дартса, обусловлены силами, связанными с вращением Земли: теплый воздух, движущийся на север, сталкивается с холодным воздухом, распространяющимся на юг. Когда эти воздушные массы смешиваются, начинается циркуляция. На спутниковых изображениях видны великолепные вихри циклонов с четко различимым «глазом» в центре и вращающимися облаками на периферии – это свидетельство существования силы Кориолиса. Знаменитые пассаты[1] на тридцатых широтах – еще один пример того, как сила Кориолиса формирует погоду на планете. Северо-восточные ветры к северу от экватора сближаются с юго-восточными ветрами к югу от экватора. Те и другие отклоняются от прямого движения к северу или югу силой Кориолиса (вправо – в Северном полушарии, влево – в Южном). Район, где встречаются эти ветры, носит название тропической зоны конвергенции; именно она порождает пояс низкого давления, который окружает атмосферу Земли близ экватора.

Что такое солнечные бури и какое влияние они оказывают на Землю?

Солнце кажется с Земли лишь далеким огненным шаром, однако его влияние не ограничивается светом и гравитационным притяжением. Поверхность Солнца активна и полна энергии, высокозаряженные частицы с нее постоянно прорываются в космос, и Земля порой оказывается на линии огня.

Солнечный ветер

Это нескончаемый поток высокозаряженных частиц, испускаемых Солнцем. Во время мощных вспышек плазмы, известных как корональные выбросы массы, постоянный поток солнечного ветра изменяется. Плазма выбрасывается во всех направлениях, разгоняется до скорости 3000 километров в секунду и разогревается до температуры 1 млн °C. Но самое невероятное ее свойство в том, что эта плазма обладает магнитным полем и притягивается к магнитному полю Земли, причем сильнее всего это притяжение в районе Северного и Южного полюсов. Иногда эти высокозаряженные частицы устремляются к Земле, опоясывая планету; сильнее всего – опять же у полюсов. Голубые, зеленые, красные лучи порой образуют неясную цветную завесу, порой же – четкий спектр вихрей. Все это – свидетельство того, что солнечные газы подобрались к нам ближе, и находятся не в 150 миллионов километрах (расстояние от Земли до Солнца). Солнечный ветер, притянутый магнитным полем Земли, поглощается и смешивается с газами из внешних слоев атмосферы Земли – термосферы. Столкновение заряженных солнечных частиц с кислородом приводит к образованию красного и зеленого свечения, а с азотом – фиолетового и розового. Эта захватывающая картина танцующего света бывает видна близ полюсов, и возможность увидеть ее – предмет желаний многих людей. Сияния наблюдаются только в темные и холодные месяцы; летом у Полярного круга Солнце почти не покидает небосвода.

Протуберанцы и корональные выбросы массы

Протуберанцы – это крупные выбросы электромагнитного излучения с поверхности Солнца. Они испускают в космос высокозаряженные солнечные частицы, но есть и другие, более серьезные события, которые оказывают сильное воздействие на жизнь на Земле. Речь о корональных выбросах массы – более мощном и значительном варианте солнечных вспышек. Эти солнечные вихри достигают Земли за 3–4 дня: достаточный срок, чтобы подготовиться к тому вреду, который они способны нанести. Энергия этих частиц проникает сквозь внешние слои атмосферы, где образуются полярные сияния. Они воздействуют на магнитное поле Земли и мешают работе электросетей, радиосвязи и спутников.

Буря Кэррингтона

В 1859 году, в конце августа, в солнечной короне произошел корональный выброс массы, и частицы отправились к Земле с помощью чрезвычайно сильного солнечного ветра. В Северном и Южном полушариях были видны сияния – очень необычный случай, поскольку, как правило, они наблюдаются в районе полюсов. В данном же случае их можно было видеть в австралийском Квинсленде и на Кубе. Однако последствиями этой геомагнитной бури были не только великолепные визуальные явления в верхних слоях земной атмосферы. Телеграфные сети в Северной Америке и Европе отказали: со столбов летели искры. Хоть подобные события и редки, буря Кэррингтона – не единичный случай в истории. Совсем недавно, в 2012 году, корональный выброс массы лишь немного разминулся с Землей. В нашу цифровую эпоху солнечный ветер такой интенсивности возымел бы значительно более серьезные и дорогостоящие последствия. За двадцать лет до того корональный выброс массы мощностью в 20 миллионов атомных бомб выпустил в космос облако протонов и электронов. С помощью солнечного ветра, это облако добралось до Земли и вывело из строя электросеть канадской компании Hydro-Quebec, отвечающей за производство, транспортировку и сбыт электроэнергии: 6 миллионов человек в течение 9 часов оставались без электричества. Хотя это событие имело меньший масштаб, чем буря Кэррингтона, оно напомнило о том, что солнечные бури – реальность, и что они происходят каждые несколько дней.

Пятна на солнце и солнечные циклы

Каждый солнечный цикл длится 11 лет. Он достигает своего пика, солнечного максимума, и постепенно скатывается к солнечному минимуму. Каждый цикл связан с силой магнитного поля Солнца: наибольшая – во время солнечных максимумов, именно тогда и образуется основная часть солнечных пятен. Во время солнечных минимумов пятна на Солнце встречаются редко, таким образом, количество солнечных пятен – это хороший индикатор солнечной активности, а также отклика Земли на это возмущение.

Что такое пятна на Солнце?

Цвет: пятна на Солнце – темные пузырьки или области, которые возникают на поверхности Солнца. Они состоят из двух частей: тени (более темной) и окружающей ее полутени.

Расположение: при более пристальном рассмотрении оказывается, что солнечные пятна расположены в фотосфере – внутреннем слое солнечной атмосферы, более холодном, чем ее внешние слои (хромосфера и корона).

Температура: имеют более низкую температуру, чем окружающее их пространство – около 3700 °C, то есть примерно на 1000 °C холоднее, чем вся фотосфера.

Размер: могут быть во много раз больше Земли.

Образование: возникают благодаря внутреннему магнитному полю Солнца, которое «выдувает» поток частиц на поверхность, формируя таким образом пятно.

Появление: показываются в определенных районах сферы Солнца – в 15–20 градусах от солнечного экватора. Они никогда не встречаются к северу или югу от 70-й широты.

Время: обычно появляются во время солнечного максимума, то есть наибольшей активности Солнца.

Пятна на Солнце – надежный признак высокой солнечной активности: рядом с ними происходят вспышки плазмы, что приводит к образованию протуберанцев и самых страшных чудовищ – корональных выбросов массы. Солнечный ветер переносит эту массу высокозаряженных частиц в космос, где поток, привлеченный ее магнитным полем, иногда направляется в сторону Земли. С 1645 по 1715 год наблюдался солнечный минимум – активность солнечных пятен была почти нулевой. Это совпало с малым ледниковым периодом. Данный период получил название минимума Маундера, однако среди некоторых ученых до сих пор ведутся жаркие дебаты насчет того, почему именно было так холодно. Стала ли погода следствием солнечного минимума? Нужно заметить, что малый ледниковый период случился примерно в то же время, что и увеличение вулканической активности, в результате которого в верхние слои атмосферы попали частицы, блокировавшие солнечные лучи и еще сильнее уменьшившие воздействие Солнца. Более общий вопрос звучит так: есть ли какие-то доказательства влияния изменений в активности Солнца на климат? В каком-то отношении – безусловно: со временем количество солнечной энергии увеличивается и уменьшается, и солнечный максимум ассоциируется с более высоким уровнем УФ-излучения, которое влияет на жизнь на Земле и на происходящее в атмосфере. Во время солнечных минимумов, когда активность пятен на Солнце наименьшая, УФ-излучение тоже слабее. Конечно, все это оказывает свое воздействие, однако следует учитывать и значительное увеличение уровня загрязнения, в том числе парниковыми газами, и реакцию Земли на это загрязнение, так что отделить влияние солнечной активности от влияния изменения климата и его естественных флуктуаций практически невозможно.

Стихии

Солнце определяет погоду на Земле на всех уровнях. Влияние Солнца, расположенного в 150 миллионах километров от нас, пронизывает каждый слой атмосферы, приводя к изменениям освещенности, температуры, влажности и атмосферного давления. Постоянно изменяющиеся в связи с этим свойства воздуха в разных сочетаниях и пропорциях создают природные стихии. В первую очередь это ветер, облака и осадки. За этим кроется множество более конкретных природных явлений всех форми видов – например, снег, туман и струйные течения. Рассмотрев их, мы сможем точно узнать, как именно они влияют на мир вокруг нас.

Ветер: самая влиятельная погодная стихия на Земле

Ветер – вероятно, самая значительная из погодных стихий на Земле. Часто мы отмахиваемся от него как от неприятности, из-за которой портится прическа, дождь летит прямо в лицо или – что более серьезно – происходят массовые разрушения, когда ветер переходит в ураган или торнадо. Однако эта стихия невероятно важна как в глобальном, так и в локальном масштабе. В первом случае ветер необходим для перемещения теплого воздуха с экватора на полюса, чтобы регулировать температуру. Стихия также распределяет по земному шару влажность – без него не существовало бы круговорота воды в природе. В локальном масштабе ветер – одна из основных причин почти любых погодных явлений. При этом он важен не только для метеорологии, но и для географии и природных ландшафтов, которые тоже сформированы ветром: от эрозии гор до распространения пыльцы цветов и растений.

В метеорологии ветер определяется очень просто – поток воздуха. Поток может быть вертикальным, восходящим или нисходящим, или горизонтальным, распространяющимся в любом направлении. В обычном метеорологическом прогнозе вам сообщают скорость и направление ветра. При этом направление указывается исходящее: юго-западный ветер дует не на юго-запад, а с юго-запада. Скорость ветра может колебаться от спокойных 0–5 м/с до ураганных – более 33 м/с и, наконец, до реактивных потоков, например, в торнадо, где скорость достигает 134 м/с.

Чтобы понять, как движется воздух, нужно учесть температуру и давление. Когда Солнце нагревает воздух, атомы и молекулы возбуждаются, они начинают колебаться и беспорядочно двигаться, и между ними увеличивается пространство. Этот разогретый воздух тем самым расширяется и начинает подниматься вверх. В более холодном воздухе, соответственно, атомы и молекулы приближаются друг к другу, воздух становится более плотным и опускается вниз. Это движение вверх и вниз и определяет атмосферное давление: поднятие теплого воздуха снижает давление у поверхности, а холодный воздух, опускающийся вниз – увеличивает. Когда на каком-то участке атмосферы возникает разность давления, воздух естественным образом перетекает из области высокого в область более низкого давления, где воздуха меньше. Это движение воздуха и есть ветер. Чем больше разность давления между двумя участками воздуха, тем сильнее ветер. Зоны низкого давления создают влажную и ветреную погоду: воздух быстро движется к центру низкого давления, создавая сильный ветер, а при восхождении образует облака и дождь.

Конечно, все не так просто, как изложено здесь. В глобальном масштабе нам известно, что Солнце нагревает экватор сильнее, чем полюса. Это значит, что воздух у экватора тоже нагревается, а следовательно, расширяется и поднимается. Когда воздух доходит до пределов атмосферы и не может двигаться дальше, он начинает продвигаться в сторону одного из полюсов – к северу или к югу. В процессе воздух начинает остывать и вновь опускается к поверхности. Достигнув ее, он вновь перенаправляется на север или на юг. Воздух, попавший опять на экватор, со временем нагревается – и процесс возобновляется. Сам процесс, как вы, возможно, уже знаете, называется циркуляцией. Это так называемая циркуляционная ячейка Хэдли[2]. В средних широтах находится ячейка Феррела[3], а у полюсов – полярная ячейка[4]. Именно благодаря этим циркуляционным ячейкам на экваторе не так жарко, а на полюсах не так холодно.

Усложним. Земля вращается вокруг своей оси, совершая один оборот за 24 часа. Это вращение создает силу Кориолиса, которое отклоняет ветры при их движении на север или юг вправо или влево – в зависимости от полушария. У поверхности сочетание глобальных циркуляционных ячеек и силы Кориолиса порождает так называемые пассаты. В районе экватора и тропиков в Северном полушарии они дуют с востока на запад (поэтому ураганы начинаются на западе Африки и движутся на запад же – к США и Карибскому морю). В средних широтах Северного полушария направление пассатов западное: они дуют в Европу через северную часть Атлантического океана. Эти доминирующие ветры порой препровождают ураганы с восточного побережья США на восток в океан. Это обстоятельство – главная причина того, что в Великобритании ветер дует в основном с юго-запада.

Каждый раз, когда вы слушаете прогноз погоды или самостоятельно смотрите на карту ветров, вы можете определить, в каком направлении дует ветер, посмотрев на отмеченные на карте области высокого и низкого давления. Мы уже объясняли, что ветер дует из области высокого давления в область низкого, но тут в игру вступает и сила Кориолиса: ветер не движется по прямой, а закручивается вокруг этих областей высокого и низкого давления: по часовой стрелке в первом случае и против часовой – во втором.

Семейство струйных течений

Если у поверхности при встрече двух циркуляционных ячеек образуются пассаты, в верхних слоях атмосферы на этих границах дуют другие типы ветров – струйные течения. По сути это узкая полоска сильных ветров, которые могут начинаться, заканчиваться или разделяться, струясь в атмосфере вокруг земного шара. Существует два основных струйных течения: субтропическое, которое находится между ячейками Хэдли и Феррела, и полярное – между ячейкой Феррела и полярной ячейкой. Последнее движется довольно хаотично, но в целом направлено с запада на восток в зональном (прямо с запада на восток) или в меридиональном направлении (отклоняясь в сторону оси север – юг). Скорость струйных течений может быть различной, но обычно воздух движется со скоростью от 18 до 75 м/с. Высота струйных течений в атмосфере – 7–12 км, а ширина – всего 100 км. Метеорологи особенно интересуются струйными течениями, поскольку по ним проходит граница между теплым и холодным воздухом, а смена их скорости и направления непосредственно влияет на погоду у поверхности. Полярное струйное течение наиболее важно для живущих в умеренных широтах. Оно вызывается температурными различиями между холодным воздухом у полюсов и теплым воздухом в субтропиках. Течение наиболее выражено зимой по всей Северной Америке, Атлантике и Северной Европе. По мере того как Полярная струя петляет и меняет форму, она может приводить к переменным погодным условиям в Великобритании день ото дня, неделя за неделей. Это один из первых факторов, который анализируем мы, метеорологи. Если полярное струйное течение проходит к северу от Великобритании, воздух обычно теплее среднего, поскольку он приходит из субтропиков. Если оно проходит к югу от острова, то воздух может быть холоднее, поскольку ветры дуют с севера, из Арктики. Когда струйное течение проходит близко к Великобритании и Северной Европе, шансы на влажную и ветреную погоду значительно выше.

Воздействие субтропического струйного течения не так очевидно, как воздействие полярного, поскольку разница температур между субтропиками и тропиками не так велика. Субтропическое струйное течение тоже неравномерно в течение года: зимой оно сильнее, а летом практически отсутствует. Хотя это течение не так сильно влияет на погоду, как полярное струйное течение, с ним связано явление индийских муссонов[5].

Еще одно важное течение – африканское восточное струйное течение. Оно несколько отличается от двух основных, поскольку располагается ниже в атмосфере – на высоте примерно 3 км. В отличие от полярного и субтропического струйных течений, африканское направлено с востока на запад: оно начинается в Восточной Африке и дует через весь континент в сторону Атлантического океана. Оно вызывается разностью температур между раскаленной пустыней Сахарой на севере и более холодными водами Гвинейского залива. Сильнее всего африканское восточное струйное течение поздним летом и ранней осенью, когда распространяется от Эфиопии до Гамбии. Хотя максимальная скорость ветров африканского восточного струйного течения составляет всего 11–13 м/с, оно играет важную роль в зарождении тропических штормов и ураганов над Атлантикой.

Местные ветры

Горы могут интересным образом влиять на образование и распространение ветров. Такие крупные объекты отклоняют направление ветров – те распространяются либо вокруг гор, либо над их вершинами. В этом случае воздух направляется туда, куда не собирался: изменяются его давление, влажность, температура, а иногда и сила потока.

Один из местных ветров с официальным названием в Великобритании – хелм[6], который дует над Пеннинскими горами на севере Англии. Когда воздух стабилен, вертикального движения практически нет. Дело в том, что верхние слои воздуха не пускают ветер выше, служа своеобразной крышкой. Если этот верхний слой находится в 300 метрах от вершины горы, восходящие потоки воздуха сжимаются и приобретают ускорение, так что когда ветер спускается с другой стороны гор, он становится сильнее. В Камбрии, когда ветер дует с северо-востока, этот эффект наблюдается на высшей точке Пеннинских гор – горе Кросс-Фелл. В результате на ее юго-западном склоне образуется сильный ветер хелм. Проходя над вершиной Кросс-Фелла, воздух создает волновые потоки, в итоге образуется большое облако. Это облако тоже известно как хелм – оно существует постоянно, это темная, угрожающего вида туча, которая сползает с вершины Кросс-Фелла.

Эффект фёна

Эффект фёна[7] может приводить к созданию совершенно различных погодных условий по обе стороны горного хребта. Этот эффект можно наблюдать в самых разных уголках земного шара, но в Великобритании он заметнее всего над горами Шотландии и Уэльса. Воздух с Атлантики, теплый и влажный, попадает в гористую местность. В это время температура воздуха может достигать приблизительно 10 °C. Воздух поднимается вверх по горам, охлаждается, образует тяжелые тучи, которые могут пролиться дождем. Когда воздух доходит до вершины горы и спускается по склону с обратной стороны, он становится более сухим и теплым. Это происходит потому, что насыщенный влагой воздух, поднимаясь и опускаясь в атмосфере, ведет себя не так, как сухой. Вот почему с подветренной стороны горы в небе не так облачно и температура достигает 18 °C, а с другой стороны погода совершенно иная.

Мистраль

В южной Франции и на побережье Средиземного моря порой случаются сильные холодные северные или северо-западные ветры, известные как мистраль. Чаще всего они бывают весной или зимой, но встречаются практически в любое время года: дуют со скоростью до 27 м/с в течение недели или даже больше. Иногда мистраль разгоняется до 50 м/с, нанося значительный ущерб. Этот ветер образуется, когда в Бискайском заливе существует область высокого давления, а в районе Корсики или Сардинии – низкого. В этом случае северный или северо-западный ветер стремится через долину французской реки Роны к средиземноморскому побережью. Ветер оказывает воздействие далеко не только на долину Роны: он затрагивает Прованс, Лангедок, даже Корсику и Сардинию. Часто мистраль дует после прохода над регионом холодного фронта – в этом случае после мистраля устанавливается более свежая и солнечная погода, хотя так бывает и не всегда. Но если это случается, то видимость улучшается настолько, что небо кажется еще более лазурным, а Альпы видны на расстоянии в полторы сотни километров.

Вода

Примерно 71 % поверхности Земли покрыто водой – это около 1,386 миллиона квадратных километров. Именно поэтому наша планета из космоса выглядит голубой. Дело в том, что океаны состоят из молекул воды, которые поглощают волны определенной длины эффективнее других. Более длинные волны красного цвета поглощаются у самой поверхности воды. Чем глубже вода, тем больше поглощаются волны других цветов – оранжевые, желтые, зеленые, остается только голубой. Невероятно, но 96,5 % всех запасов воды на Земле сосредоточено в океанах – это соленая вода. Остальная часть, чуть более 3 %, пресная. Она существует в различных формах: водяной пар (газ), жидкая вода, которая течет в ручьях, реках и озерах и просачивается под землю, где либо впитывается в почву, либо накапливается в подземных озерах и водоносных пластах. Вода содержится во всех формах жизни – от людей до растений.

Вода существует и в твердой форме – это лед, который в виде ледников, снега или собственно льда содержит в себе большую часть пресной воды на Земле – около 68 %. Из этого количества 90 % приходится на Антарктику – около 30 миллионов квадратных километров. Иными словами, если бы все льды Антарктиды растаяли, уровень воды в Мировом океане поднялся бы на 58 метров. Существенен ледяной покров и над Гренландией: около 99 % льда на Земле сосредоточено в этих двух регионах. Эти ледяные покровы образуются, когда зимой падает снег; до лета включительно он остается лежать в твердой форме, затем слои снега накапливаются и уплотняются, сжимая нижние слои.

Вода на Земле движется в любом агрегатном состоянии. Водяной пар, будучи газом, движется с большой скоростью – его переносят земные ветры. Жидкая вода движется медленнее всего: ее запасы на поверхности Земли пополняются сверху. Ледяной покров движется постоянно, дрейфуя под собственным весом вниз и в сторону моря. Тающий лед восполняется идущим сверху снегом, и система сохраняет баланс. Это движение воды в различных агрегатных состояниях, постоянный обмен между океаном и воздухом, называется гидрологическим циклом, или круговоротом воды в природе. Пресная вода перерабатывается и возобновляется благодаря следующим процессам: испарение, транспирация, конденсация, выпадение осадков, инфильтрация и водослив.

• Испарение: вода в жидкой форме переходит в газ или водяной пар (например, когда высыхает лужа).

• Транспирация: это испарение не из водоемов, а из листьев растений.

• Конденсация: переход воды из газообразного состояния в жидкое; ее можно наблюдать ежедневно – так образуются облака.

• Выпадение осадков: конденсация приводит к выпадению осадков: дождь, снег, град или изморось – вода выпадает на поверхность Земли в жидком или твердом виде.

• Инфильтрация: вода просачивается в почву, где либо поглощается, либо пробивается дальше через камни, что порой приводит к образованию подводных озер и водоносных пластов.

• Водослив: вода переносится по поверхности земли, образуя резервуары-озера или попадая в реки, которые со временем впадают в море.

В чем разница между дождем и ливнем?

В целом можно считать, что вся вода, которая льется с неба – это дождь. На этом можно бы и остановиться, но есть причины разграничивать типы осадков, например, различать дождь и ливень. Фундаментальная разница состоит в типах облаков, которые приводят к образованию дождя. Посмотрите на небо, и вы увидите самые разные облака. Выделяют около девяти различных типов на основании их формы, структуры и высоты, хотя обычно все эти типы не встречаются в одно и то же время.

Нас будут интересовать два основных вида облаков: слоистые и кучевые. Слоистые облака образуются при слиянии и конденсации двух воздушных масс, из которых одна холоднее другой. По сравнению с кучевыми эти облака не отличаются большой глубиной. Образование слоистых облаков связано с горизонтальным движением воздуха, известным как адвекция и создающим вереницу из множества облаков, которые могут струиться, но не поднимаются высоко. Слоистые облака обычно плотно затягивают небо на десятки, а то и сотни километров во всех направлениях. В них постепенно накапливаются и растут облачные капельки, и со временем облака проливаются дождем. Собственно говоря, это и есть дождь с метеорологической точки зрения. Небо кажется налитым тяжелыми сгущающимися тучами, дождь идет продолжительное время, солнечные лучи не пробиваются. Иногда дождь сильный, иногда прерывистый, а после ухода облаков устанавливается более сухая погода, и небо становится более ясным.

Ливневые облака образуются иначе. Они называются кучевыми облаками и могут перерастать в значительно более мощные и крупные грозовые, или кучево-дождевые облака. Это огромные величественные создания, которые словно взрываются в небе, доходя вверх до невидимого потолка тропосферы. Такое облако кажется гигантской наковальней в небе.

Кучевые облака образуются в результате вертикальных движений воздуха – так называемых термиков, потоков, которые поднимаются от локальных очагов разогретой земли, а не благодаря столкновению воздушных масс разной температуры, образующему слоистые облака. Этот процесс называется конвекцией. Воздух поднимается вверх, потому что он теплее, а следовательно, и легче окружающей среды. Теплый воздух поднимается, если он окружен более холодным. Верно и обратное: холодный воздух не может подниматься вверх, если его окружает более теплый воздух.

Метеорологи не без оснований проводят различие между дождем и ливнем: дело в индивидуальном восприятии влажной погоды. Дождь обычно начинается медленно, обретает интенсивность и медленно заканчивается – эта модель действует не всегда, но чаще всего. Облака затягивают небо так, что Солнце исчезает. Ливневый же дождь – это более короткий период влажной погоды, сопровождаемый шквалистым ветром и временным понижением температуры. При этом Солнце виднеется на небосводе. Итак, дождь продолжителен, ливень краток и силен. Иногда ливень следует за дождем, как в классической норвежской модели циклонов[8]: сперва появляются слоистые облака (дождевые), а за ними идут кучевые (ливневые). От толстого слоя облаков, затянувших все небо, до свободной конвекции, когда каждое облако отделено от соседей, так что остаются свободные участки голубого неба. Отсюда и английское выражение sunshine and showers – грибной дождь.

Когда чаще идет ливень, а когда – чаще дождь?

Распределение кучевых облаков колеблется в течение года. Зимой ливни формируются над морем и затрагивают лишь прибрежные регионы. Дело в том, что в море тепло сохраняется дольше, чем на суше. Сочетание сравнительно теплого моря и источника холодного воздуха (например, ветер из Арктики) приводит к столкновениям восходящих теплых потоков и более холодной воздушной среды в верхних слоях. Через месяц-полтора после зимнего солнцестояния солнечные лучи набирают силу, и первые робкие кучевые облака начинают появляться над сушей. В Великобритании это может происходить в феврале и служит верным признаком того, что весна уже на подходе.

К апрелю солнечное излучение вступает уже в полную силу и в сочетании со все еще очень холодным воздухом вверху приводит к образованию крупных кучевых облаков, которые вызывают сильные, а порой и частые апрельские ливни. Ливень – это общее название для любых осадков, вызванных кучевыми облаками. Когда воздух очень холодный, эти осадки могут иметь форму снега или снежной крупы. Если в воздухе присутствует много энергии, и на горизонте преобладают грозовые облака, идет ливневый град с большой вероятностью грозы: град, гром, молния, шквальный ветер. Кроме того, конечно, апрельские ливни порой обещают радугу…

Стены дождя из перистых облаков в значительно большей степени связаны с системами низкого давления, которые изначально образуются над океаном и переносятся по небу струйными течениями. Хотя в средних широтах лето может выдаться влажным, температурный контраст между Арктикой и тропиками гораздо сильнее выражен как раз не в летние месяцы. Эта разность температур не только порождает более сильное струйное течение; сильные высотные ветры обычно формируются на полпути между Исландией и Азорскими островами, то есть в умеренных широтах. Именно поэтому осенью и весной здесь нередки шторма: мощное струйное течение порождает области низкого давления над всей Средней Атлантикой и проявляется в виде дождя и ветра в Великобритании и Северо-Западной Европе.

Какую форму имеет капля дождя?

Традиционно каплю дождя изображают в виде слезы с заостренным верхом и нижней частью в виде луковицы. Но существует ли эта классическая форма в атмосфере? Чтобы понять, как выглядит капля дождя, падающая с неба, важно обратиться к ранним этапам ее образования. Облако формируется из скопления мельчайших частиц воды в результате того, что водяной пар охлаждается и переходит из газа в жидкость, при этом центром конденсации служат микроскопические частицы пыли. Водяные капли в облаке мельче дождевых в 10–1000 раз. Средний размер водяной каплив облаке – 10–15 микрон (микрон – 1/1000 мм). Она имеет сферическую форму и практически невесома: легко удерживается в состоянии суспензии внутри парящего в воздухе облака. Когда концентрация сферических капель в облаке доходит до определенного предела, они начинают сливаться друг с другом. При рождении типичная дождевая капля – результат объединения 10 тысяч капель облака. На этом этапе они все еще сферические, но по мере того, как дождевая капля присоединяет к себе все больше мелких капелек, начинается битва между двумя силами: силой поверхностного натяжения, которая удерживает капельки вместе, и силой воздушного потока, сквозь которую она летит; в результате капля падает на земную поверхность. Чем больше капля, тем больше из-за сопротивления воздуха давление на ее нижнюю часть, и эта восходящая сила делает каплю плоской. Из-за перепада давления верхняя часть капли получается закругленной, а нижняя плоской – нечто вроде расплющенного маффина. Чем больше объем капли, тем больше скорость падения и сопротивление воздуха. В результате капля не обретает классическую форму слезы – воздух разделяет ее на ряд более мелких капелек, многие из которых возвращаются к сферической форме, прежде чем вновь увеличиться или долететь до поверхности Земли.

Почему не все облако сразу проливается дождем?

Среднее кучевое облако весит около полумиллиона килограммов, то есть примерно как сто слонов. Трудно представить себе, как такое тяжелое образование может висеть в воздухе. Однако облако состоит не только из мелких капелек, но и из большого количества воздуха (представляющего собой смесь газов, в том числе водяного пара). Равновесная скорость этих микроскопических капелек – около 10 метров в час. Таким образом, с высоты, скажем, 2000 метров облачная капелька будет лететь до поверхности Земли 200 часов. Сопротивление воздуха и воздушные потоки, например, восходящие, имеют большую скорость. Облака формируются, плывут и наращивают свой объем в воздухе, который движется вверх. Только когда капельки сливаются в крупные дождевые капли и становятся в 300 раз больше, их равновесная скорость, то есть скорость падения, возрастает, так что они добираются до поверхности Земли за несколько минут.

Вернемся к облаку. Как мы уже выяснили, облака – это скопление мельчайших частиц воды или льда, именуемых облачными капельками. В облаке таких капелек триллионы триллионов, и чем темнее облако, тем ближе друг к другу расположены эти капельки. Внутри облака дуют ветры, которые сталкивают или соединяют их так, что образуются более крупные облачные капельки – этот процесс называется коалесценцией (слипанием). Облако с высокой плотностью капелек обычно серого цвета. Когда достаточное количество этих капелек сливается воедино, образуется дождевая капля, достаточно тяжелая, чтобы упасть на землю. Не все дождевые капли образуются и падают одновременно, поэтому интенсивность ливней может быть различной. Пока воздух не станет более сухим, процесс образования облачных капелек из водяного пара и центра конденсации и формирования из них дождевых капель идет непрерывно. Дождевые капли растут с разной скоростью и падают только тогда, когда становятся достаточно тяжелыми, чтобы преодолеть восходящие потоки воздуха. Конечно, в этом им помогает сила притяжения. Поэтому дождь идет, но, поскольку каждая капля имеет собственное время образования, все капли в облаке падают в разное время. Если имеется постоянный приток влажного воздуха, то процесс формирования капель дождя продолжается, а сам дождь идет с новой силой.

Чем пахнет дождь?

Дождь приобрел запах с тех времен, когда на планете от океанов отделился первый континент, грозовые облака разошлись и солнечный свет наполнил воздух энергией, прогрел моря и осушил показавшуюся из них землю. Но только в 1964 году запах дождя обрел название – петрикор. Это запах земли до, во время и после дождя, особенно после продолжительной засухи. Это современное название древнего жизнеутверждающего запаха: «петра» переводится как камень, а «ихор» – «кровь из вен божества», то есть дословно петрикор – «божественная кровь камня». Первое научное исследование петрикора было проведено в 1960-е годы двумя австралийскими учеными, которые проанализировали все стадии процесса образования этого запаха. Перед дождем повышенная влажность высвобождает содержащиеся в почве соединения, что позволяет газам и частицам из сухой почвы распространиться в атмосфере. Когда начинается дождь, падение капель на сухую почву приводит к выбросу газов из пор в камнях и земле, то есть частички земли улетают в воздух. Запах становится более интенсивным. Когда дождь заканчивается, его запах задерживается во влажном воздухе. Этот процесс имеет механическую (воздействие падающих капель) и химическую (высвобожденные пузырьки газа и частицы земли, попавшие в воздух) составляющие.

Петрикор – это запах, с которым знакомы многие поколения, особенно в тех местах планеты, где сезоны делятся на сухой и дождливый. Сезонов дождей ждут – они несут с собой воду, урожай и отдохновение от жаркого, пыльного климата. Это ежегодное предвкушение очень хорошо знакомо жителям Индийского субконтинента. Предмуссонная жара усиливается в марте, апреле и мае. Палящее солнце приводит к температурам порядка 40–50 °C. От душного, жгучего и загрязненного воздуха нет спасения. Несложно представить себе облегчение миллионов жителей, которое сопровождает муссонные дожди: воздух очищается, а спекшаяся земля охлаждается. В атмосфере разливается пьянящий аромат, который преобразуется в свежий запах, знакомый всем жителям Индии. Петрикор – запах, который обещает, что реки вновь наполнятся, а урожая хватит на следующий год. Этот запах настолько почитаем, что небольшая парфюмерная фабрика в деревне Каннаудж штата Уттар-Прадеш выпускает только продукцию с этим небесным ароматом. Сотни лет многие поколения старались поймать и воспроизвести этот землистый запах. Эфирные масла, которые используются на фабрике, извлекаются из сухой земли, в которую проник влажный воздух и капельки воды. Это позволяет поймать нужный оттенок аромата. Это важнейший запах Индии, запах жизни.

В западном мире более известен геосмин – такое название дали запаху, который получается при падении капель дождя на почву и асфальт: это смесь органических веществ, бактерий почвы и озона.

Что такое «зимние осадки»?

В Великобритании зимой или даже весной порой в прогнозе погоды можно услышать «зимние осадки», и это выражение может оставить в недоумении. Осадки – это общее слово для всего, что падает с неба, будь то дождь, слякоть, град или снег. Хотя для многих осадки – прежде всего дождь, в холодную погоду осадки часто оборачиваются снегом, слякотью и ледяным дождем.

Как образуется град?

Град выпадает в любое время года, но в Великобритании чаще всего это происходит зимой и ранней весной. Однако самый серьезный град может идти поздней весной и летом, когда в атмосфере достаточно энергии для формирования грозовых или кучевых мощных облаков. Эти облака собираются в верхних слоях атмосферы, где температура воздуха ниже точки замерзания. В этих облаках переохлажденные водяные капельки движутся вверх-вниз, переносимые восходящими и нисходящими потоками воздуха. Оказываясь в верхней части облака, эти капельки замерзают, образуямаленькие льдинки града. Процесс продолжается, когда они начинают падать и попадают в слои воздуха, температура которых выше точки замерзания и в которых достаточно своих водяных капелек. Так льдинки покрываются тонким слоем воды, после чего восходящие потоки воздуха вновь возносят их в холодную часть облака, где они снова замерзают. Этот цикл повторяется много раз, пока градина не становится достаточно тяжелой, чтобы противостоять восходящим потокам воздуха. В этот момент она начинает падать на поверхность земли. Если бы нам удалось рассечь градину напополам, мы увидели бы концентрические слои, образованные в процессе движения, подобные годовым кольцам деревьев.

Размер градины зависит от того, сколько раз она подвергалась замораживанию, а это, в свою очередь, обусловлено силой восходящих и нисходящих потоков воздуха внутри облака. Если очень теплым летним днем на небе появилось большое грозовое облако, то восходящие потоки воздуха, скорее всего, сильны – в этом случае градины будут оставаться в облаке довольно продолжительное время и подвергнутся нескольким циклам таяния и повторного замораживания. Тогда и градины будут большими: некоторые из них могут достигать размера мяча для гольфа, и воздействие они оказывают совершенно невероятное. Крупнейшая в истории наблюдений градина имела диаметр 20,3 см. Она упала на землю в Южной Дакоте летом 2010 года и ее масса составляла 880 граммов! Конечно, такие огромные градины могут нанести серьезный ущерб. Можно считать, что град – одна из самых недооцененных стихий в плане потенциального урона. Когда в США случались мощные шквалы с градом, машинам, посевам и зданиям наносился значительный вред, а страховые выплаты исчислялись миллионами долларов.

В апреле 2013 года град напомнил о своих разрушительных возможностях: в аэропорту Кандагара в Афганистане на летное поле обрушился тридцатиминутный шквал; градины достигали размера мяча для гольфа. На военной базе град разбил лобовые стекла автомобилей и повредил все, что находилось под открытым небом, в том числе британские и американские самолеты. Ремонт и списание имущества обошлись британскому правительству в 13 млн фунтов стерлингов[9]. Кроме того, значительно пострадала боеспособность армии, поскольку самолеты вышли из строя.

Ледяной дождь: ведь это просто лед, правда?

Возможно, вам не доводилось слышать про ледяной дождь – это довольно редкий природный феномен. Однако он может быть одним из самых опасных типов осадков зимой. В зимнее время осадки зарождаются в виде либо переохлажденных капелек жидкой воды, либо снега, либо мелких шариков льда в облаке. Если нижняя часть атмосферы, известная как пограничный слой, очень холодная (ее температура ниже 2 °C), осадки выпадают в виде снега или мокрого снега. Однако в некоторых случаях ближе к поверхности располагается тонкий слой теплого воздуха. Проходя через него, осадки слегка разогреваются и превращаются в дождь, но, выходя из этого тонкого слоя теплого воздуха и подлетая к поверхности, где воздух холоднее, осадки вновь охлаждаются – получаются переохлажденные капельки жидкой воды. Переохлажденная вода – это жидкая вода, существующая при температуре ниже нуля. Продолжая падать, эти переохлажденные капельки попадают на поверхность и мгновенно замерзают. Такой ледяной дождь приводит к тому, что на поверхности образуется слой льда – гололед. Машины, дороги, линии электропередач и железнодорожные пути покрываются льдом, и это чрезвычайно опасно. В Великобритании гололед образуется не так часто, а вот в США могут идти настоящие ледяные ливни, после чего все покрывается льдом. Ледяной дождь превращает дороги в ледяные катки, так что по ним очень опасно ездить. Порой даже деревья и линии электропередач прогибаются под весом образовавшейся наледи.

Мокрый снег

Это, наверное, самый простой для объяснения тип зимних осадков, поскольку он не уникален. Собственно говоря, в метеорологии мокрый снег даже не выделяется отдельно. В официальных погодных сводках мы называем его «смесью снега и дождя». Когда снег и ледяные шарики попадают из облака в чуть более теплый (0–2 °C) воздух у поверхности Земли, снег и лед начинают таять, образуя капли жидкой воды, то есть дождь. Если более теплый слой воздуха в этом случае недостаточно плотный, процесс может не завершиться полностью до падения осадков на землю, и в этом случае на поверхность попадает смесь частично растаявшего снега, ледяных шариков и дождевых капель.

Снег

В метеорологии снегу дается простое определение – «твердые осадки в форме ледяных кристаллов». Если вы когда-нибудь видели снег под микроскопом, или, по крайней мере, вам попадались его увеличенные фотографии, то вы можете понять, насколько он прекрасен. Природа порой завораживает, и то, как образуется снег и как он преобразует нашу среду обитания – один из примеров ее поразительной работы. Кроме того, снег пробуждает ребенка внутри многих из нас (если только мы не спешим по делам во время сильного снегопада).

Снег образуется из облаков при температуре ниже нуля, так что водяной пар переходит из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое и образуя ледяные кристаллы. Количество кристаллов постоянно увеличивается, как и частота их столкновений. В результате этого процесса появляются снежинки. Наступает момент, когда снежинка становится слишком большой и тяжелой. Восходящие потоки воздуха, действующие в облаке, уже не могут ее удержать, и сила притяжения побеждает: снежинка летит к Земле. Если воздух на всем протяжении ее пути от облака к земной поверхности тоже имеет температуру ниже нуля, то снежинка и при падении сохранит свою структуру ледяного кристалла. А если поверхность тоже достаточно холодная, то снег не будет таять. В том случае, когда земля теплее необходимого, начинается процесс таяния. Однако при большой интенсивности снегопада снежинок на землю попадает столько, что они не дают начаться процессу таяния, и образуется снежный покров. В этом объяснении слишком много «если», к тому же видно, что, когда температура воздуха близка к нулю, снег идет редко, что создает проблемы любому метеорологу!

Действительно ли все снежинки уникальные?

Поскольку процесс образования снежинок очень сложен и зависит от весьма незначительных различий в температуре, давлении и влажности, почти все снежинки разные. Крайне маловероятно, что вам удастся найти две абсолютно одинаковые, однако у всех них есть несколько общих черт: они шестиугольные и имеют шесть сторон. У одних стороны гладкие, как у шестиугольной тарелки, у других из каждой стороны выходит по лучу – с такой решетчатой формой у нас чаще всего и ассоциируются снежинки. Если сфотографировать первые моменты жизни снежинок, когда водяной пар охлаждается и становится ледяным кристаллом, то все они будут выглядеть практически одинаково – как плоский шестиугольник. Двигаясь в облаке, этот шестиугольник подвергается воздействию самых разных температур, изменяется и влажность, что приводит к дальнейшему изменению формы. Собственно говоря, не у всех снежинок можно отчетливо выделить шесть углов. У снежинок имеется восемь основных форм: звездчатые дендриты, столбики и иголки, увенчанные столбики, папоротниковидные звездчатые дендриты, кристаллы алмазной пыли, треугольные кристаллы, двенадцатилучевые снежинки; иней и снежная крупа.

Форма снежинки зависит главным образом от температуры и влажности. Например, плоские тарелочки образуются в более сухом воздухе, чем дендриты, а простые тарелочки и столбики – в более теплом воздухе (выше 20 °C), чем сложные структуры, которые формируются в более холодных условиях. Как видите, под микроскопом снег очень сложен!

Чаще всего фотографируют снежинки в форме звездчатых дендритов, у которых из центрального шестиугольника исходит по шесть лучей. Именно лучи снежинок делают каждую из них уникальной. Путь, который проделала из облака и внутри него каждая снежинка, формирует эти лучи независимо один от другого, хотя все лучи одной снежинки выглядят примерно одинаково, поскольку условия их образования были одними и теми же.

Типы снежинок

Бывает ли слишком холодно для снега?

Этот вопрос нам задают очень часто. Каждый раз, когда столбик термометра падает ниже нуля и прогнозируется снег, он действительно выпадает. Теоретически ответ – нет, а практически – да. Например, не может быть ситуации, когда снег падает, условно говоря, при температуре –6 °C, а при похолодании он внезапно заканчивается. Нет такой температурной точки, при которой снег бы резко начинал или переставал падать.

Вы запутались? Давайте разбираться.

Снежинки образуются в той части облака, где температура ниже нуля. Чтобы снег стал падать на поверхность, воздух между нею и облаком тоже должен иметь температуру ниже нуля, иначе все растает. При этом температура воздуха просто должна быть ниже точки замерзания – теоретически не имеет значения, насколько именно. Однако значение имеет влажность – количество влаги, необходимое для образования снежинок. Чем холоднее воздух, тем меньше влаги он может удержать, и тем меньше образуется снежинок. Таким образом, правильный вопрос должен звучать так: «Бывает ли слишком сухо для снега?»

Прекрасное доказательство этой теории можно найти в том месте, в котором, как вы, возможно, полагали, снег должен идти постоянно – в Антарктиде. Этот пустынный, холодный, ветреный и ледяной континент кажется снежным и белым. Формально он классифицируется как пустыня. В Антарктиде так холодно, что в атмосфере над ней содержится очень мало водяного пара, так что и осадков выпадает крайне мало. Но когда снег все-таки идет, он ложится на ледяной покров и накапливается там десятками и сотнями лет.

Правда ли, что снег – самая важная стихия на Земле?

Снег очень важен для жизни на Земле, и это несмотря на то, что слишком сильный снегопад может спровоцировать транспортный коллапс, закрытие школ и всеобщий хаос. В наших городах он, возможно, не так уж и нужен, но где-то его наличие точно необходимо. К счастью, каждый год на полюсах и на вершинах гор снега в изобилии – около 46 млн квадратных километров. Поскольку снег кажется белым, он служит отличным зеркалом. Это важно, поскольку он отражает большую часть энергии Солнца обратно в космос. В метеорологии это свойство называется альбедо. Альбедо белых поверхностей равно единице, а черных – нулю. Снег может отражать до 90 % поступающих солнечных лучей. Хотя его количество в течение года может быть разным, особенно в Северном полушарии, снег регулирует температуру Земли, охлаждая планету и держа под контролем ее среднюю температуру. Это одна из причин проблем, вызванных глобальным потеплением: тает больше снега, и Земля отражает меньше солнечного излучения.

Снег играет большую роль и в локальном масштабе: он важен для местных сообществ и экосистем. Люди, живущие в гористых районах, рассчитывают на весеннее и летнее таяние снегов как на источник питьевой воды и орошения посевов. А многим растениям и животным снежный покров обеспечивает защиту зимой, изолируя почву и сохраняя ее тепло, подобно одеялу.

Лед

Если вы вдруг сомневались, то лед – это вода в твердом агрегатном состоянии. В большинстве случаев лед образуется, когда вода замерзает до 0 °C и ниже. Мы говорим «в большинстве случаев», поскольку, как уже упоминалось, вода может оставаться жидкостью и при температуре ниже 0 °C – это так называемая переохлажденная вода.

Она замерзает, когда молекулы водорода и кислорода (H_2O) становятся такими холодными, что замедляются и слипаются друг с другом, образуя твердый кристалл. Одна из самых интересных характеристик льда заключается в том, что он, хотя и твердый, на самом деле менее плотный, чем жидкая вода. Мы не будем вдаваться в подробности, но на молекулярном уровне во льду больше воздушных карманов между связанными водородом и кислородом, чем в жидкой воде. Вот почему лед плавает в воде и не тонет. Представьте себе, что было бы, если бы молекулярная структура льда была такова, что он бы не плавал, а шел ко дну сразу после образования. Условия жизни в океанах были бы совершенно иными, не появлялось бы полярных льдов и айсбергов. Планета выглядела бы совершенно иначе, а тех форм жизни, которые населяют ее сейчас, вероятнее всего, просто не существовало бы.

Насколько важен лед?

Совокупность замороженной воды на всем земном шаре называется криосферой. Этот термин охватывает все запасы льда на суше и на море, включая Антарктиду, Арктику, ледники, ледовые шапки, айсберги, вечную мерзлоту и замерзшие реки и озера. В течение года общее количество льда на Земле меняется со сменой сезонов. Наибольшим изменениям подвергается количество морского льда в Арктике и Антарктике: летом лед там активно тает. В Арктике зимой площадь ледяного покрова достигает 14–16 млн квадратных километров, а летом – только 7 миллионов. В Антарктике колебания еще более значительны: зимой это 17–20 миллионов, летом – 2–4 млн квадратных километров морского льда. Конечно, значительные запасы льда сосредоточены и на суше: в Антарктиде, например, ледяной покров простирается приблизительно на 14 млн квадратных километров, в Гренландии – 1,7 миллиона, а ледники в остальном мире занимают приблизительно 726 тысяч квадратных километров. Стоит отметить, что на Антарктиду и Гренландию приходится около 68 % мировых запасов пресной воды.

Как вы, возможно, помните из раздела этой главы о снеге, его белизна, или альбедо, очень важна для Земли, поскольку, отражая поступающие солнечные лучи, снег регулирует температуру на планете. Альбедо – это показатель отражательной способности поверхности. Черная поверхность поглощает поступающую солнечную энергию, а отражает очень мало, так что альбедо почти равно нулю. Альбедо белых поверхностей ближе к единице – они обладают очень хорошей отражающей способностью. Стоит заметить, что большинство домов в средиземноморском регионе белые, а на Ближнем Востоке – почти все машины. Дело просто в том, что белый цвет отражает большую часть солнечной энергии, так что находящимся внутри дома или автомобиля не так жарко, как было бы в черной машине или помещении.

Альбедо океанов безо льда составляет около 0,06, то есть всего 6 % поступающей солнечной энергии отражается обратно в атмосферу, а 94 % поглощается и используется для нагрева океана. Альбедо морского льда равно примерно 0,5–0,7, то есть поглощается только 30–50 % поступающей энергии, из-за чего поверхность остается более прохладной. Если на льду имеется слой снега, то альбедо еще выше – порядка 0,9, то есть поглощается всего 10 % солнечной энергии, а 90 % отражается обратно в космос. И все эти цифры действительно значимы. Летом и осенью происходит значительное нагревание этих ледовых районов, что сокращает время на восполнение запасов льда и снега за зиму. Равновесие здесь очень хрупкое. Общее альбедо снижается, система поглощает больше тепла, что ускоряет таяние льдов. Чем быстрее тают льды, тем ниже альбедо, и этот процесс вызывает значительное беспокойство, поскольку формируется положительная обратная связь. Правда, усмотреть положительные моменты здесь сложно: в системе климата таяние льдов – свой собственный злейший враг, поскольку таяние льдов вызывает еще большее таяние льдов.

Поверхность земли на 75 % состоит из воды, которая на 97 % соленая и только на 3 % пресная. Значительная часть пресной воды заключена в ледниках и ледовых шапках планеты. За лето таяние небольшого количества этого льда в горных районах обеспечивает людей необходимой пресной водой, а также снабжает сельское хозяйство, ирригационные системы, промышленность и гидроэлектростанции. Поскольку полярные области очень чувствительны к изменениям климата, а здешний лед особенно уязвим для антропогенных изменений, ученые интенсивно их изучают. Ледовые шапки и ледники сформировались здесь сотни тысяч лет назад: год за годом в этих местах выпадает и накапливается снег. Толщина некоторых ледников несколько километров. Каждый год количество выпавшего снега зависит от климата, и химия льда на молекулярном уровне может многое рассказать нам о состоянии атмосферы. Пробурив скважину в ледяном покрове и добыв ледяные керны[10], ученые могут изучить толщину соответствующих слоев льда и присутствующие в нем пузыри. Это может многое рассказать нам о концентрации парниковых газов, продолжительности ледниковых периодов и общей стабильности климата за последние 10 тысяч лет.

Изучив ледяной керн, ученые выясняют, какое количество углекислого газа, метана и других парниковых газов было в атмосфере в определенный период. Наличие пепла, пыли или других аэрозольных частиц может свидетельствовать о вулканической активности и ее влиянии на климат того времени. Изучение молекулярной структуры ледяного керна позволяет ученым получить представление о выпадавших в прошлом осадках, что, в свою очередь, может рассказать о стоявших в то время температурах. Как археолог или палеонтолог раскапывает почву или окаменелости, чтобы узнать что-то новое о прошлом, так и палеоклиматологи «копаются» в ледяном керне, чтобы узнать, какая погода была в прежние времена. Чем глубже слой, с которого мы можем извлечь ледяной керн, тем дальше мы можем путешествовать назад во времени. Одна из скважин, которые пробурили в Антарктиде, позволила извлечь образцы льда возрастом 2,7 миллиона лет. Это невероятное вещественное доказательство давно ушедшего климата, со всеми ледниковыми периодами и изменениями концентрации углекислого газа. В Антарктиде, Гренландии, Арктике и даже некоторых ледниках пробурено множество ледяных скважин. Ученые стараются собрать как можно больше данных для построения глобальной компьютерной модели. При помощи знаний в области атмосферной физики климатологи анализируют климат прошлых эпох и строят компьютерную модель для предсказания будущих изменений климата на нашей планете.

Насколько опасно таяние льдов?

Мы уже говорили, как от таяния льдов изменяется альбедо поверхности Земли – она меньше отражает и больше поглощает солнечной энергии. Впрочем, вероятно, большинству людей не это кажется основной проблемой, связанной с таянием льдов. Одним из самых серьезных последствий глобального потепления и изменений климата считается подъем уровня моря. Однако не любое таяние льдов действительно приводит к подъему уровня моря – все зависит от того, где этот лед расположен.

Когда Саймон был еще юн и только собирался стать метеорологом, он посетил организованную Британской антарктической службой дискуссию о климате на этом огромном ледяном континенте, который простирается во все стороны от Южного полюса. Выступающие применили простой, но эффективный способ демонстрации разных типов влияния таяния плавучего льда и ледников суши. Этот эксперимент поразил его воображение и укрепил в намерениях!

Участники выступления взяли два стакана – один наполовину заполненный водой, другой – пустой. В каждый стакан бросили по паре кубиков льда и оставили таять. Многие из вас, вероятно, посчитают (как и Саймон), что уровень воды повысится в обоих стаканах. Однако когда весь лед растаял, в пустом сухом стакане появилась вода, а уровень воды во втором стакане, изначально наполненном водой наполовину, не изменился. Этот процесс можно масштабировать в миллион раз, но результат не изменится. Причина, по которой мы не видим существенных изменений уровня Мирового океана при таянии морских льдов, состоит в том, что имеющийся лед уже вытесняет определенный объем воды. А таяние – это просто восстановление того же объема воды, который был изначально вытеснен. Однако здесь есть один немаловажный факт: соленая и пресная вода имеют разную плотность. Пресная вода менее плотная, чем соленая, так что пресноводный лед обладает большим объемом, чем эквивалентная масса морской воды. Поэтому когда тает пресноводный лед, образуется больший объем воды, чем изначально вытесненный. Эта разница очень невелика – по оценкам ученых, таяние плавучего льда повышает уровень моря всего на 0,005 мм в год.

Мы имеем здесь в виду, что, хотя таяние льдов в Арктике определенно приводит к глобальному потеплению из-за снижения альбедо, уровень моря при этом почти не повышается. Но в случае с таянием континентальных ледников это не так. Главный фактор беспокойства за подъем уровня моря – разрушение и таяние ледяных щитов в Гренландии и в Антарктиде. Если растают и они, и другие континентальные ледники, то общий уровень моря может подняться на 70 метров. Последствия будут невероятными: сотням миллионов людей придется покинуть родные места, так как 40 % населения Земли живет в пределах 100 километров от морского побережья.

Может ли вода замерзнуть, но не стать льдом?

Все мы знаем, что H_2O может существовать в одном из трех состояний: газообразном (водяной пар), жидком (вода) или твердом (лед). Хорошо известно также, что если нагреть воду, то она станет паром, а если охладить ниже нуля, то превратится в лед. Но так бывает не всегда. В метеорологии мы порой имеем дело с веществом H_2O, все еще существующим в жидком состоянии при температуре до –40 °C. В таком виде она называется переохлажденной водой. Мы уже упоминали ее мельком в других главах книги, однако сейчас давайте остановимся на ней поподробнее.

При температурах ниже нуля молекулам воды, чтобы начать процесс кристаллизации в лед, нужно найти какое-либо ядро – микроскопическую пылинку, частичку грязи или пыльцы, или ледяной кристалл. Если такого ядра не находится и капелька воды остается «чистой» (содержит только молекулы водорода и кислорода), то кристаллизации не происходит. Вода не может замерзнуть сама по себе, пока не дойдет до температуры –40 °C, при которой начинается образование однородных кристаллов. Переохлажденная вода может присутствовать во многих облаках, но чаще всего – в облаках средней высоты, например высококучевых и высокослоистых, которые находятся достаточно высоко, чтобы температура в них была ниже нуля, но выше –40 °C, чтобы лед не образовывался сам по себе. Увидеть разницу можно невооруженным глазом: ледяные облака обычно имеют гладкий белый цвет и клочковатую структуру и парят очень высоко в небе.

Правда ли, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Что? Ответ очевиден – конечно, нет. Если поставить в морозильную камеру два стакана с водой – один с холодной, другой с горячей, – можно предположить, что холодная вода достигнет точки замерзания быстрее, чем горячая. Однако проводились эксперименты, в которых более горячая вода действительно замерзала быстрее, и причины этого веками ставили ученых в тупик! Возможно, вам случалось видеть один великолепный эксперимент: при очень холодной погоде чашку кипятка выплескивают в воздух, и вода немедленно замерзает, образуя мельчайшие кристаллики льда. С холодной водой в тех же условиях такое не случится.

Все началось с танзанийского школьника, Эрасто Мпембы, который в 1963 году на одном из занятий по поварскому искусству заметил, что горячая вода остывает быстрее, чем холодная. Мальчик должен был приготовить мороженое: он разогрел в кастрюле сливки и сахар, но охладить смесь не успел, поэтому пришлось класть ее в морозильник горячей. Спустя время Эрасто, к своему удивлению, заметил, что его мороженое замерзло в холодильнике быстрее, чем у одноклассников. Пораженный этим результатом, он обратился к школьному учителю, но тот только посмеялся над его заявлением. Позднее Эрасто сменил школу, в которую однажды пригласили профессора Денниса Осборна. Мальчик поделился с ним своими наблюдениями, после чего тот провел собственный эксперимент и получил схожие результаты. Нужно также отметить, что еще Аристотель, греческий философ IV века до н. э., писал: «Если вода была предварительно нагрета, она быстрее замораживается; потому что так она быстрее охлаждается». Осборн и Мпемба опубликовали результаты экспериментов совместно, и эффект получил название «Эффект Мпембы».

Ученые, однако, разделились в своем отношении к этому эффекту, поскольку в нескольких экспериментах не удалось воспроизвести результаты Мпембы, но были и удачные повторения. Существует множество теорий относительно того, как работает этот эффект, но проблема в том, что ученые не вполне уверены, что какая-то из этих теорий может служить полным и единственным объяснением, так что горячие споры вокруг явления продолжаются.

Туман

В простейшей трактовке туман – это облако у самой поверхности Земли, которое приводит к снижению видимости до 1000 метров и менее. Любое снижение видимости, вызванное облаком у земной поверхности, именуется туманом или мглой. Оно связано с тем, что облако состоит из миллиардов мельчайших водяных капелек, которые становятся на пути у солнечного света к вашему глазу. Поэтому чем плотнее туман, тем хуже сквозь него видно.

Туманы делятся на два основных типа: радиационные и адвекционные. Прежде чем объяснить разницу, нужно заметить, что способ образования тумана в обоих случаях одинаков. Воздух содержит невидимый глазу водяной пар. Чтобы убедиться в этом, прижмите ладони к лицу и несколько раз в них выдохните: вы почувствуете, что они становятся влажными, поскольку водяной пар изменяет свое агрегатное состояние, становясь жидкостью. Когда воздух охлаждается, он достигает точки, в которой водяной пар начинает конденсироваться в мельчайшие водяные капельки. Температура, при которой это происходит, называется «точкой росы», и синоптикам очень важно ее знать. Как и температура воздуха вообще, точка росы[11] может значительно изменяться в зависимости от времени года и географического положения. Если температура воздуха становится примерно на 2 градуса ниже точки росы, наступает критический момент, и водяной пар превращается в воду. Таким образом, туман образуется, когда в воздухе у земной поверхности находится достаточно взвешенных водяных капелек, чтобы затруднить видимость.

Существуют различия в том, как именно воздух охлаждается до температуры точки росы. Наиболее распространен зимой радиационный туман. Для его образования из всех погодных условий важнее всего ветер. Для формирования радиационного тумана он должен быть очень слабым. Слишком сильный ветер – и нижняя часть атмосферы, известная как пограничный слой, становится слишком турбулентной и перемешанной (хотя в незначительной степени это и необходимо). Такой туман называется радиационным, потому что воздух у земной поверхности охлаждается тепловым излучением. Чаще всего воздух охлаждается настолько при чистом небе, когда значительная доля тепла уходит в атмосферу (при сильной облачности образуется своего рода теплое одеяло, которое не дает температуре слишком снизиться ночью). Воздух продолжает охлаждаться, температура падает до двух градусов ниже точки росы, и образуется туман, который к утру постепенно рассеивается, поскольку Солнце начинает прогревать верхний слой тумана или почву. Кроме того, рассеять туман может и поднявшийся ветер.

Адвекционный туман образуется чаще всего над поверхностью воды – над озером или морем. Физический процесс охлаждения и конденсации воздуха над поверхностью точно такой же. Однако в случае адвекции теплый влажный воздух движется поверх сравнительно более холодного воздуха над поверхностью воды. Это значит, что теплый воздух начинает охлаждаться и, наконец, перестает удерживать влагу, после чего образуются водяные капельки. Появляется туман. В отличие от радиационного тумана, для которого нужен слабый ветер, адвекционный туман может образоваться при умеренных и даже сильных ветрах: воздух перемещается над поверхностью воды. Ветер часто переносит туман вглубь суши, так что в некоторых случаях на побережье может быть туман, хотя дальше видимость полная. Адвекционный туман может держаться по нескольку часов и даже дней, если имеется постоянный приток теплого влажного воздуха поверх более холодного воздуха над поверхностью воды.

Примерно так же, как адвекционный, образуется и туман на склоне холма – в этом случае теплый влажный воздух движется вверх по холму или горе. Восходящий таким образом воздух охлаждается и конденсируется, достигая точки росы. По сути это тоже облако, формирующееся на склоне холма или горы, но в этом тумане видимость снижается еще сильнее.

Иногда в прогнозе погоды ведущий или метеоролог говорит о переохлажденном тумане. Это попросту туман, который образуется при температуре ниже точки замерзания. Водяные капельки, из которых состоит туман, могут не замерзать, а существовать в виде переохлажденной воды. Она начинает замерзать, когда капли долетают до поверхности земли, после чего запускается процесс кристаллизации. Поэтому, хотя такой тип тумана тоже характеризуется снижением видимости, можно заметить, как формируются белые льдинки – изморозь.

В случае тумана предсказать погоду где угодно довольно сложно, поскольку она становится очень фрагментированной. В некоторых случаях можно догадаться, что туман образуется на очень большой территории; в других ситуациях он формируется клочками, но при этом бывает очень плотным. Такой тип тумана – один из самых опасных: вы едете себе в условиях отличной видимости, но время от времени внезапно въезжаете в полосы плотного тумана.

Первое, что нужно знать в таких случаях синоптику – общее состояние климата. Как мы уже выяснили, для образования радиационного тумана необходим слабый ветер. Кроме того, нужно определить точку росы для воздушной массы в этом районе и спрогнозировать, насколько упадет температура. Если она достигнет двух градусов ниже точки росы, высока вероятность образования тумана, особенно если в пограничном слое будет достаточно влажно.

В долинах особенно часто образуется радиационный туман, и для подобных районов прогнозирование тумана будет более точным. Дело в том, что температура здесь может быть ниже, чем в окрестностях, так что вероятность того, что она упадет ниже точки росы, более значительна. Предсказать, когда туман рассеется, тоже очень сложно. Работая метеорологом в британских ВВС, Саймон много раз по утрам пытался объяснить летчикам, когда туман может рассеяться достаточно, чтобы можно было вылететь. Один из вариантов рассеивания тумана – повышение температуры воздуха, отчего туман «сгорает»: водяные капельки нагреваются, пока не превращаются обратно в водяной пар. Для определения температуры, при которой рассеивается туман, а затем времени, за которое установится эта температура воздуха, используются метеорологические методики и специальное оборудование. Без доступа к профессиональным методам предсказания погоды можно использовать простое, хотя и довольно общее правило. Возьмите порядковый номер текущего месяца и прибавьте два – так вы получите время, за которое рассеивается туман. Например, если на дворе сентябрь, девятый месяц, добавьте два и получите, что туман рассеется примерно в 11 утра. Но помните, что такой метод работает не всегда.

Кроме того, туман может рассеяться и при усилении ветра, который смешает слои тумана и разгонит капельки. Набежавшие ночью облака тоже могут рассеять туман: появившись над ним, они немного прогреют землю. Если же облака наплывут на туман утром, они, напротив, помешают ему рассеяться: Солнце не сможет в достаточной степени прогреть верхний слой тумана или землю. С туманом всегда сложно.

Чтобы предсказать адвекционный туман, в том числе над морем и на склоне холма, мы вновь стремимся рассмотреть более общую картину. Например, стоит задаться вопросом: не гонит ли теплый фронт в Великобританию теплый воздух? Если ответ утвердителен, мы оцениваем точку росы и предсказываем температуру. Во многих случаях, когда с запада или юго-запада через Великобританию движется фронт теплого воздуха, образуется множество низких облаков и повышается влажность, что создает предпосылки для образования адвекционного тумана над побережьями и склонами холмов. Такой тип формирования тумана предсказать несколько проще, чем радиационный.

Что такое «гороховый суп»?

Так иногда называют очень плотный туман. Этот термин появился в 1820 году, когда один художник образно назвал лондонский воздух плотным, как гороховый суп. В то время часто снижение видимости вызывал не только туман: дома отапливались углем, и в больших городах вроде Лондона существовали значительные проблемы с экологией, в воздухе висел плотный смог. В те дни, когда дул слабый ветер и образовывался туман, в сочетании со смогом он чрезвычайно затруднял видимость. Воздух был так загрязнен, что от сажи и сернистого газа становился ядовитым, что приводило к смерти пожилых людей, детей и больных с проблемами дыхательной системы. «Гороховый суп» случался настолько часто и приводил к таким плачевным последствиям, что после самого ужасного смога, когда в 1952 году в Лондоне было зафиксировано около 12000 смертей, связанных с ним, был принят Закон о чистом воздухе.[12] Хотя сейчас в Великобритании уже нет таких серьезных проблем со смогом и загрязнением воздуха, особенно густой туман мы до сих пор иногда называем «гороховым супом».

Туманные факты

Мгла – это условия, при которых видимость не превышает 1000 метров. При тумане видимость составляет более 1000 м, но менее 8 км. Во время дымки видимость от 2 до 10 км, но влажность менее 70 % (т. е. воздух слишком сухой для ограничения видимости из-за водяных капель).

Самое туманное место на Земле, где туман стоит более 200 дней в году – Большая Ньюфаундлендская банка[13] близ канадского острова Ньюфаундленд.

В 2006 году по всему юго-востоку Англии несколько дней стоял плотный туман, переходящий в ледяной, что вызвало хаос в этом излюбленном месте проведения рождественских каникул. За пять дней отменили несколько сотен авиарейсов.

Жители чилийской пустыни Атакама, одного из самых засушливых мест на Земле, «ловят туман» сетями. Когда туман идет с побережья, на сетях оседают водяные капельки. Они скатываются в желобки – так в пустыне собирают воду. Таким образом в день можно получать до 70 литров воды.

Плотный туман помог Джорджу Вашингтону в Войне за независимость, когда 29 августа 1776 года, через несколько недель после подписания Декларации Независимости, Вашингтон и его армия попали в осаду в Нью-Йорке. Из-за плотного тумана, окутавшего британские позиции, осаждающие не могли двигаться. Пока британцы пережидали туман, Вашингтон с девятитысячной армией выскользнул из Бруклина без единого выстрела.

Туманная радуга – это радуга, которая образуется во время тумана. Когда Солнце находится у вас за спиной, свет отражается от водяных капелек тумана точно так же, как от дождя. Цвета радуги часто очень размыты, поскольку водяные капельки тумана меньше, чем дождевые.

Молния

Насколько горяча молния?

Вряд ли вы видите молнии очень часто, поэтому, вероятно, удивитесь, узнав, что в среднем во всем мире каждую секунду поверхность Земли поражает около сотни ударов молнии. Большая часть этих ударов молнии приходится на тропики – на регионы, известные как «горячие камины» (hot chimneys), где достаточно тепловой энергии для регулярного образования больших грозовых облаков, а следовательно, и грозовых ливней. Наша атмосфера имеет электрический заряд, и даже в хорошую погоду его можно измерить у поверхности земли. При образовании грозовых туч заряд растет, и в землю начинают бить молнии. Как нам известно, в грозовых облаках действует множество нисходящих и восходящих потоков. Смесь водяных капелек и льда в облаке испытывает значительную турбулентность, столкновения частичек порождают трение, а оно, в свою очередь, приводит к образованию в облаке статического заряда. Это означает присутствие как положительно, так и отрицательно заряженных частиц, и они, естественно, отталкивают друг друга. Положительно заряженные частицы собираются в верхней части облака, а отрицательные устремляются вниз – как батарейка с плюсом и минусом. Когда накапливается достаточный заряд, атмосфера стремится к его выравниванию, так что следует мощный и быстрый удар молнии от отрицательного полюса в положительный. По большей части удар направлен снизу вверх – это так называемая внутриоблачная молния. Земная поверхность тоже имеет положительный заряд, так что если электрический потенциал достаточен, то удар молнии направляется на Землю, такая молния называется «облако – земля». Технически у самой молнии нет температуры, поскольку это просто поток электрических зарядов. Однако когда молния проходит сквозь воздух или другой материал, она нагревает этот материал. Воздух после этого становится очень горячим: температура в долю секунды поднимается почти до 27 500 °C. Это почти в пять раз горячее, чем поверхность Солнца (5500 °C). Именно в ходе этого процесса во время грозы образуется звук грома. Создается канал, который в сочетании с сильным мгновенным нагревом сразу же сжимает окружающий воздух, отчего образуются ударные волны. Именно эти сильнейшие вибрации окружающего воздуха докатываются до нашего уха и порождают звук. Если удар молнии случился неподалеку, мы словно слышим удар кнута. Если молния ударила далеко, то звук успевает исказиться и доходит до нас уже как глухое продолжительное ворчание.

Может ли молния служить человечеству?

Числа впечатляют: в одном ударе молнии около миллиарда джоулей энергии – этого достаточно для снабжения электричеством целого дома в течение месяца. Так что теоретически овладеть этой энергией и использовать ее как возобновляемый источник – великолепная идея. Однако это не сработает, и вот почему. Во-первых, хотя энергия одного удара молнии действительно огромна, она расходуется за долю секунды. У нас пока нет инженерных методик, которые могли бы помочь захватить такое огромное количество энергии в краткий промежуток времени, сохранить его и затем распределять в течение более длительного периода. Во-вторых, молния совершенно непредсказуема, так что практически невозможно указать место, куда она ударит. По большей части молнии случаются в тропических широтах, где плотность населения невелика. Но даже если бы нам удалось овладеть энергией молний, бьющих по всей Земле, то, по подсчетам специалистов, ее хватило бы для обеспечения всего лишь около 8 % домохозяйств США.

Куда молния бьет неоднократно?

Чаще всего молнии наблюдаются в тропических районах, поскольку там больше тепловой энергии, а следовательно, и конвекции, необходимой для образования мощных грозовых облаков: источников гроз, грома и молнии. Больше всего ударов молний приходится на Центральную Африку, Центральную Америку и Юго-Восточную Азию. В этих районах они чаще всего случаются в гористой местности. Гористый ландшафт обеспечивает восходящие потоки воздуха, что способствует дополнительной конвекции. Если прибавить к этому еще и озеро, то избыточная влажность легко переносится вверх, способствуя грохоту гроз и ярким вспышкам молний. В Венесуэле, где река Кататумбо впадает в озеро Маракаибо, в год случается в среднем 250 ударов молний на квадратный километр – около 28 вспышек в минуту. Еще одно место с сильным электрическим зарядом – горная деревушка Кифука в Демократической Республике Конго, где на квадратный километр ежегодно приходится 158 ударов.

Облака

Откуда появляются облака?

Каждый день облака движутся по небу, величественно плывут и куда-то исчезают. Их вечно меняющаяся форма и продолжительность существования обусловлена влиянием Солнца, суши и моря. Но не любой слой земной атмосферы может быть местом образования облаков. Выделяют семь различных слоев атмосферы, каждый из которых обладает уникальными свойствами, позволяющими защищать нашу планету. Самый нижний слой переносит воду между сушей и морем во всех ее агрегатных состояниях, поддерживая богатство и разнообразие жизни.

Тропосфера, нижний слой атмосферы, содержит кислород, активизирующий жизненные процессы, множество азота и небольшое количество крайне необходимой смеси из углекислого газа, водяного пара и других парниковых газов. Именно здесь идет постоянная работа погодной машины: тепло и вода распределяются по всему земному шару. Самое важное – то, что воздух охлаждается по мере набора высоты. Уже этот фактор приводит к конвекции, адвекции и конденсации – основным инструментам образования облаков. Оно происходит на всех уровнях тропосферы: взаимодействие, смешивание, подъем вверх и растворение в океанах.

Состав облаков

Спросите группу пятилеток, из чего состоят облака, и минимум один из них выкрикнет: «Из пуха!» В общем, так они и выглядят. Однако белое вещество, которое плывет в воздухе, образовано миллиардами микроскопических облачных капелек, которые борются между собой за пространство. В итоге они сливаются воедино и становятся белым пушистым облаком.

Если оставить в покое пух, то вообще-то основные составные части облака – водяной пар и тепловая энергия. Под действием тепла воздух, наполненный водяным паром, переносится в более холодную среду посредством адвекции или конвекции, а затем конденсация преобразует водяной пар в мельчайшие водяные или ледяные капельки. Ядра конденсации, такие как соль и пыль, тоже служат ключевым компонентом образования облачных капелек. Мельчайшие конденсированные молекулы воды собираются воедино, примыкая к аэрозолям большего размера. Ядра конденсации имеют размер около одного микрона, а молекулы воды – примерно 0,0001 микрона. По мере того как к ядру конденсации прилипает все больше водяных молекул, начинают образовываться облачные капельки, каждая вокруг своей аэрозольной частицы. Легкость облачных капелек позволяет им оставаться во взвешенном состоянии и образовывать облако, пока продолжается приток водяного пара.

Процесс образования облаков

Конвекция – подъем воздуха при нагревании

Адвекция – горизонтальный перенос тепла с движением воздуха

Конденсация – охлаждение водяного пара (газа) и его преобразование в воду (жидкость)

Подъем и спуск – Солнце разогревает Землю с разной интенсивностью. Поток воздуха сначала поднимается, затем опускается, образуя зоны высокого (опускающийся воздух) и низкого (поднимающийся воздух) давления. Эти потоки воздуха переносят воду и тепло. Это идеальная энергетическая система, которая позволяет избежать экстремального холода и жары, сухости и влажности. Дождевые леса, пустыни, тундра, полярные шапки и покрытые зеленью средние широты существуют благодаря погодной системе Земли, которая обеспечивает планету яркой палитрой голубых, зеленых, белых, коричневых и всех остальных красок.

Парад облаков

Обычно на небе происходит следующий погодный сценарий: сначала движется теплый фронт (на метеорологических картах он обозначен красными полукружиями на красной линии), а за ним – холодный (синие треугольники на синей линии). Каждый этап этого процесса характеризуется своим типом облаков, которые могут подсказать наблюдателю, какой именно фронт движется сейчас на небе. Воздушные массы неодинаковы по плотности – холодные плотнее, теплые легче, – и они не просто сливаются воедино – более теплый воздух оказывается поверх более холодного. Изначально между ними есть отчетливые границы, но затем они начинают смешиваться. Это можно видеть по изменению структуры облаков. Сначала формируются слоистые облака, затем – очень нестабильные кучевые.

• Перистые облака – высокая вуаль, сквозь которую проходят солнечные лучи. Первоначально теплый воздух огибает области холодного воздуха, примерно как ветер, который огибает ледяную глыбу. Первое смешивание происходит в верхней части тропосферы, о чем говорят тянущиеся по небу перистые облака. Эти тонкие клочковатые облака состоят из ледяных кристаллов, они могут быть сигналом того, что облака будут и дальше затягивать небо, и вскоре пойдет дождь.

• Высокослоистые облака, заслоняющие Солнце, находятся на средней высоте. Теплый воздух медленно проникает внутрь холодной воздушной массы, и в небе протягивается вереница облаков. Высокослоистые облака не меняют погоду – это предшественники более низких облаков, которые впоследствии прольются дождем.

• Слоисто-дождевые облака: из названия следует, что это облака, которые состоят из нескольких слоев и вызывают дождь. На этом этапе толстый слой из облака и влаги начинает доминировать в атмосфере, поднимаясь снизу вверх. Это именно дождевые облака, они висят в небе тяжело и низко, следуют за более высокими облаками и свидетельствуют о наступлении дождливой погоды и плохой видимости: зафиксированный теплый воздух смешивается с нижними слоями атмосферы. Эту влажную умеренную зону мы именуем теплым сектором.

• Кучевые облака: когда слоисто-дождевые облака уходят, небо очищается, говоря о том, что теплые воздушные массы сменяются более холодным и чистым воздухом. На этом этапе воздух нестабилен, и в небе начинают формироваться кучевые облака. Они свидетельствуют о приходе холодного фронта или о возвращении холодного воздуха. Их форма значительно четче очерчена, именно присутствие этих обособленных облаков приводит к прогнозу «облачно с прояснениями». Когда кучевые облака становятся крупнее – от «плоских» до «средних» и «мощных», – могут пойти ливневые дожди. Начинает дуть шквальный ветер, меняющий направление по часовой стрелке – лишнее свидетельство перехода от теплого фронта к холодному. Кучевые облака не всегда образуются низко над землей – они могут формироваться и в верхней части тропосферы, где воздух столь же неустойчив. Такие облака называются высококучевыми, если они образуются в среднем слое тропосферы, и перисто-кучевыми – если формируются в самом верхнем ее слое.

Образование, развитие и движение этого семейства облаков прекрасно фиксируют спутниковые снимки. На них можно увидеть вихри, закручивающиеся к центру низкого давления и простирающиеся на сотни километров. На подобных изображениях легко распознать гладкие формы облачного слоя и неплотные неравномерные, все в мелких волнах узоры кучевых облаков, что тоже свидетельствует об изменениях воздушных масс.

Проще говоря, эти крупные погодные системы – результат противостояния различных воздушных масс. Представьте себе огромную массу холодного воздуха, направляющуюся на юг из ледяного северного царства, и массу теплого, наполненного тропической влагой воздуха, пробивающую себе путь на восток. В какой-то момент они сталкиваются над океаном – два огромных массива воздуха, каждый со своими характеристиками. Это битва севера и юга, холода и тепла, полюса и тропиков. Слоистые облака, возможно, не приводят в восхищение тех, кто фотографирует и рисует небо или просто любит на него смотреть, но их взаимодействие с кучевыми облаками в некотором отношении можно считать окончанием рассказа о развитии облаков. Их совместный марш по небу – это нечто мощное и необозримое. Это объединение двух крайностей – тропиков и полюсов. Низкое давление и связанные с ним системы погодных фронтов необходимы для перераспределения тепла и воды по земному шару. Каждое облако вносит свой вклад: от тонких перистых облаков – первого признака того, что воздушные массы начинают смешиваться и погода меняется – до самых мощных кучевых, появляющихся в арьергарде и знаменующих собой переход от дождя к ливню и более чистому и холодному воздуху.

В какой момент облака проливаются дождем?

Возможно, вопрос о том, как дождь удерживается в облаке, еще сложнее, чем вопрос о том, из чего состоят сами облака. Эти чудесные переносчики воды по небу буквально окружены вопросительными знаками.

Мы знаем, однако, что в результате столкновений между облачными капельками образуются более крупные капли. Этот процесс называется коалесценцией (слипанием). Еще немного столкновений – и облачные капли преобразуются в дождевые. Пока еще сила локальных потоков внутри облака, вопреки силе тяжести, удерживает капли во взвешенном состоянии, и от нее зависит, будет ли дождь, и в какой именно момент он начнется. Когда капли достигают определенной массы, они становятся слишком тяжелыми для восходящих потоков, после чего сила тяжести одерживает победу.

Почему кажется, что нижние кромки всех облаков находятся на одной высоте?

По мере набора высоты воздух охлаждается, а при охлаждении наступает пороговое состояние: водяной пар больше не может оставаться газообразным, он начинает конденсироваться с образованием облаков. Это называется уровнем конденсации кромки облаков. В этот момент воздух становится достаточно холодным, чтобы содержащаяся в нем влага начала формировать мельчайшие капельки жидкой воды, из которых, в свою очередь, образуются облака. Эта температура называется точкой росы и изменяется от местности к местности, но в одном районе воздух обычно имеет примерно одинаковые свойства, уровень конденсации тоже почти одинаков, так что облака в одном районе формируются примерно на одной высоте.

Сколько времени живут облака?

Облака живут, пока существуют достаточные внутренние потоки, чтобы поддерживать конвекцию, конденсацию и коалесценцию, и пока существует постоянный приток в облака тепла и водяного пара. Этот постоянный процесс – одна из причин, по которым все водяные капли не падают в одно и то же время. Еще одно соображение, которое нужно принять во внимание – смешивание с более сухим воздухом и испарение воды из облака. Облака могут нагреваться солнечными лучами и длинноволновым излучением поверхности Земли. Туман или слоистые облака, образующиеся прохладным утром, часто исчезают к восходу Солнца: кажется, будто оно «сжигает» облако, которое просто испаряется. Когда приток водяного пара ослабевает, облака уменьшаются и исчезают. У некоторых облаков это происходит, когда дневная температура падает на закате (теряется конвекция). У других – после смешивания двух разных масс воздуха с нейтрализацией их энергий (теряется адвекция).

Все дело в конвекции

Хотя невооруженным глазом заметить это трудно, воздух в солнечный день живет активной жизнью. Энергия солнечного света впитывается земной поверхностью. Часть ее отражается обратно в нижние слои атмосферы в виде инфракрасногоизлучения – тепла. Когда воздух становится теплее своего окружения, восходящие потоки теплого воздуха (лучшие друзья планеристов) медленно поднимаются вверх. Солнце продолжает прогревать поверхность, и температура нижних слоев воздуха продолжает расти. Этот процесс называется конвекцией и состоит в переносе тепла в такой среде, как воздух: более теплый воздух поднимается вверх и тем самым становится менее плотным, чем его окружение. Локальное восхождение тепла действительно важно, но самым важным топливом для облака, жизненно необходимым для его образования и развития, служит влага. Проходя над водой, воздух накапливает запасы водяного пара, притом, что интересно, чем выше температура, тем больше объем водяного пара, который может содержать в себе воздух. Когда горячий воздух восходит с поверхности и присоединяется на высоте к более холодному, завязка драматических событий заканчивается. Наблюдая за разыгрывающейся в небесах пьесой, метеорологи, любители следить за погодой и охотники за торнадо, нередко употребляют короткую и выразительную аббревиатуру – КДПЭ (САРЕ). Она расшифровывается как конвективная доступная потенциальная энергия (Convective Available Potential Energy) – это показатель количества энергии, доступного для формирования бури. Он говорит о том, насколько плотной будет буря, и насколько велика вероятность образования торнадо.

Как понять, что гроза близко?

Прогноз погоды может сообщать о вероятности гроз в течение дня, но нередко грозы так и не случаются. Хотя синоптики могут предсказать наличие подходящих атмосферных условий для формирования грозовых облаков и, соответственно, гроз, гораздо сложнее предсказать, где именно эти облака образуются. Вы словно следите за кукурузой, которая жарится на сковороде: условия идеальны для того, чтобы зерна кукурузы начали взрываться, но нет никакой возможности угадать, какое именно зерно и в какой части сковородки взорвется первым. В день, когда предсказаны грозы, можно по определенным признакам понять, затронет ли гроза именно вас.

Первое, что вы замечаете, – это образование кучевого облака, типичного летнего пушистого облака в небе. Если в атмосфере достаточно тепла и влажности, кучевые облака превращаются в мощнокучевые. Они становятся все более плотными и темными. На следующей стадии облака развиваются в грозовые. Если слышен гром, то вы понимаете, что гроза на подходе. Когда она приближается, иногда перед звуком грома видны молнии – чаще это происходит ночью, когда вспышки более заметны. Дело в том, что свет движется быстрее звука, так что, если гроза все еще находится на определенном расстоянии, вы увидите молнию раньше, чем до вас докатится звук грома.

Возможно, в детстве вы считали время между вспышкой молнии и звуком грома, чтобы понять, насколько близко подошла гроза. В целом это довольно хороший способ определения расстояния до грозы. Для более точных математических вычислений сосчитайте секунды, прошедшие от молнии до грома, и разделите это время на пять – вы получите мили[14], которые отделяют вас от грозы. Разумеется, если за вспышкой молнии сразу же следует гром, то эпицентр грозы прямо над вами.

Все вышеописанное рассказывает о случаях, когда грозы формируются локально, но они могут образовываться и иными способами, и выглядит это более драматично. Во время «испанского шлейфа[15]» теплый влажный воздух движется с Кастильского плоскогорья на север, через Францию к Великобритании. Если это происходит в то же время, когда прохладный воздух Атлантики проходит Великобританией с запада, в атмосфере создается значительная нестабильность. Воздух с поверхности легко поднимается в атмосферу, образуя грозовые облака. Предсказать подобные события можно по наличию в небе так называемых башенковидных облаков, которые метеорологи порой любовно называют «медузами». В слове «любовно» нет иронии: это довольно красивые облака, которые закручиваются высоко в небе завитками и спиралями – зрелище не самое частое. Это верный признак того, что в средних слоях атмосферы наступает нестабильность, и если нижняя часть атмосферы тоже становится нестабильной из-за повышения температуры у поверхности, то это может привести к быстрой дестабилизации всей атмосферы и образованию мрачно нависающих грозовых туч.

Некоторые утверждают, что могут почуять наступление грозы. И это довольно странно: когда Саймон работал метеорологом на военных базах, он проводил довольно много времени снаружи, глядя в небо и наблюдая за погодой. И он определенно уверен, что мог «почуять», когда начнется гроза (впрочем, у него было преимущество в виде других собранных данных). Однако мнение науки по поводу такого чутья довольно неоднозначно, и хотя некоторые исследователи верят, что в нашем организме при наступлении грозы что-то происходит, большая часть вопросов пока не получили ответа. Существующие теории указывают на сильное падение давления перед грозой, на что реагируют жидкости нашего организма – особенно у тех, кто страдает артритом. Если у вас достаточно чувствительное обоняние, то приближение грозы можно и унюхать. В разделе о том, чем пахнет дождь, вы узнали, что запах дождя называется петрикором. Иногда этот запах может разноситься порывистыми ветрами на многие километры задолго до дождя. При увеличении электрической активности грозы и ударах молнии образуется озон. Это слово происходит от латинского[16] слова со значением «пахнуть» – и действительно, этот газ обладает отчетливым запахом, который знаком нам по работающему ксероксу. Чем больше озона вырабатывается и разносится по ветру перед грозой, тем больше вероятность почувствовать ее приближение собственным носом.

Кучевые облака

До того, как сравнительно недавно удалось картографировать и спроецировать атмосферные процессы, наблюдение за небом было ежедневной задачей метеорологов. Мы отмечали изменения оттенков, форм и теней, и это давало нам понять, что произойдет дальше. Великолепная кружащаяся масса облаков в небе в определенную погоду отражает невидимые процессы, которые в погоде себя проявляют.

Форма и высота

Если воздушные потоки первыми реагируют на перемену в количестве тепла и воды в воздухе, то облака укрепляют и проявляют эти перемены. Везде, где воздух движется и взаимодействует с различными средами, образуются облака – это самые заметные и явные признаки того, что будет дальше. Искусство наблюдения за облаками начинается с фиксации и описания их формы и высоты, и уже эти два фактора многое говорят о том, когда пойдет дождь и когда вновь выглянет солнышко.

Выраженная пузырчатая форма облаков связана с тем, что воздух в этом месте быстро нагревается и поднимается вверх, в более прохладные области. Это значит, что облако образовано локальными условиями, и осадки из таких облаков – это чаще всего ливень. К такому типу облаков относятся все кучевые облака, и хотя ливни проливаются только из самых низко расположенных, образовываться они могут во всех слоях атмосферы. Кучевые, или дождевые, облака обычно образуются над сушей, когда энергии Солнца достаточно для прогрева поверхности, то есть, начиная с ранней весны (иногда даже с поздней зимы). В самые холодные месяцы, когда Солнце светит слабее, и суша не прогревается в достаточной степени, такие облака образуются над сравнительно более теплыми морями, особенно если воздух сверху более прохладный, как случается, когда дует холодный северный ветер. Зимой на побережье больше осадков, но во внутренних районах суши недостаточно энергии для их формирования, хотя сильный ветер может принести осадки в более холодные внутренние области. Зимой осадки чаще всего выпадают в виде смеси снега и дождя или чистого снега.

Цвета и оттенки

Если облака имеют ярко-белый цвет, и практически видны их верхушки, то они, конечно, будут заслонять Солнце, но при этом будут просто танцевать по небу, пока не высохнут и не исчезнут или не перейдут в более бесформенное состояние. Чем темнее облака и чем более грозно они выглядят в небе, тем больше шансов на то, что разразится серьезная непогода. Восходящие потоки воздуха приводят к конденсации водяных и ледяных капель, что в свою очередь вызывает сильный пронизывающий ветер и такие же сильные ливни. Если облака продолжают прибывать, а небо обложено ими на несколько километров, то стоит ждать молнии, грома, ливней, града и шквальных ветров. Если они сливаются в одну клокочущую массу, то пора бежать со всех ног: ждите торнадо. Форма облаков – хороший предвестник того, каких атмосферных явлений стоит ожидать.

Семейство кучевых облаков

Перисто-кучевые облака: небольшие кучевые облака, образуются на высоте около 7500 м.

Высококучевые облака: формируются на высоте около 3000 м.

Кучевые облака: образуются на высоте ниже 2100 м и вызывают ливневые дожди, чаще всего живут недолго.

Грозовые облака: самые крупные из всего семейства, образуются по всей тропосфере сверху вниз, вызывают грозы.

Кучевые и грозовые облака

Эти величественные облака образуются выше всех остальных в тропосфере – на высоте 8–13 километров, но, в отличие от своих более плоских родственников, слоисто-кучевых облаков, по большей части не живут долго. Кучево-дождевые, или грозовые облака, часто именуемые грозовым фронтом, появляются резко и, хотя и не всегда, обычно выдыхаются и исчезают в течение часа.

Взрывная природа грозовых облаков угадывается по их форме наковальни. Нагретый воздух, полный капелек влаги, поднимается в верхние слои тропосферы, где натыкается на невидимый потолок. Он ударяется о стратосферу – следующий слой атмосферы, где воздух теплее, чем внизу, что мешает образованию облаков. Поэтому вместо того, чтобы подниматься вертикально вверх, эти потоки начинают двигаться во всех направлениях, распространяя облака по небу и придавая им хорошо известную форму наковальни.

Есть жаркие районы, где на небе нечасто появляются облака: это пустыни и саванны; а порой и в местах, которые вообще-то полны жизнью, случаются жаркие безоблачные дни. Восходящие потоки теплого воздуха все равно формируются, но без достаточно высокой влажности воздуха облака образоваться не могут. Воздух, поднимающийся вверх днем, необязательно приводит к формированию облаков: требуется поступление влаги. Однако в течение дня у побережья может образоваться циркуляция: более холодный и влажный воздух с моря замещает воздух, поднимающийся с земли, формируя зону низкого давления. Циркуляция усиливается, если морской бриз на берегу сталкивается или сливается с преобладающим ветром иного направления. Линия конвергенции ветра с большой силой выталкивает воздух вверх, так что все ингредиенты налицо, и после сухого и солнечного дня на небе появляются облака, заслоняют солнце, и начинается дождь.

Что происходит внутри грозового облака?

Грозовые облака – самые крупные и опасные типы облаков. Они не только предвещают гром и молнию, но и могут преобразовываться в сверхмногоячеечные грозы и торнадо или выпускать так называемые дочерние ячейки, перерастая в мезомасштабные конвективные комплексы (МКК). Эти системы достигают в ширину более сотни километров и порождают сильнейшие ветры, в том числе торнадо, а также сильные ливни, град и частые молнии.

Мы можем многое рассказать о том, что происходит внутри грозового облака, благодаря допплеровскому радиолокатору. Помимо анализа осадков из облака, устройство может измерять скорость и направление движения осадков внутри самого облака. Это помогает нам понять, насколько сильны восходящие и нисходящие потоки в облаке; метеорологи даже могут предсказать с его помощью образование торнадо.

Вряд ли вы захотели бы когда-нибудь оказаться внутри грозового облака. Резкие вертикальные ветры закрутили бы вас, как в стиральной машине, а крупный град и проскакивающие между облаками молнии также поставили бы ваше выживание под угрозу. Если бы вы смогли пережить все перечисленное, то отрицательные температуры вызвали бы у вас обморожение – и это в лучшем случае. Вот почему пилоты самолетов любой ценой избегают встречи с такими облаками. Но иногда судьба даже самых компетентных пилотов заставляет пережить такое свидание. Например, есть известная история о том, как подполковнику Уильяму Рэнкину пришлось катапультироваться из своего реактивного истребителя из-за поломки двигателя на высоте 14300 м. К счастью, на нем была кислородная маска, иначе на такой высоте он бы просто задохнулся. Падая, он попал прямо в верхнюю часть грозового облака, где температура составляла около –50 °C. Его подхватили сильные ветры, вокруг были молнии, громы, дождь и плотная черная туча. Его парашют должен был автоматически раскрыться на высоте 3000 метров, но через пять минут, когда, по его подсчетам, Рэнкин должен был долететь до этой высоты, раскрытия не произошло: восходящие потоки воздуха противостояли силе тяжести, периодически подбрасывая летчика вверх, к облаку. В итоге парашют все-таки раскрылся, но это только ухудшило ситуацию: парашют был подхвачен восходящими потоками и Рэнкина снова, уже в который раз, затянуло в облако. Пока он влетал в облако и вылетал из него, вокруг продолжали бить молнии, что сопровождалось оглушительным грохотом грома. Начиналось обморожение, а водяного пара было так много, что ему казалось, будто он тонет. После 40 минут борьбы за жизнь в грозовом облаке он наконец смог выбраться вниз и спрыгнуть на землю с практически целым парашютом. Несколько следующих недель ему пришлось провести в больнице, где его лечили от обморожения, декомпрессионной болезни и множества травм и кровоподтеков.

Знакомьтесь: слоистые облака

Семейство слоистых облаков

Слоистые облака: низкие и бледные (из них часто выпадает изморось)

Слоисто-кучевые облака: волнообразной формы, висят низко в небе и обычно не проливаются дождем.

Высокослоистые облака: загораживают Солнце, располагаются в средней части тропосферы (2–3 км), тусклого цвета

Перисто-слоистые облака: пелена высоких облаков, настолько разреженных, что они не блокируют ни солнечный, ни лунный свет. Состоят из ледяных кристаллов, находятся на высоте 6–12 км.

Слоистые облака существуют на всех уровнях тропосферы. В верхней ее части они образованы частицами льда, в нижней они почти бесформенны и вызывают то, что мы называем «нудным моросящим дождиком». Это типичная реплика метеорологов старой школы.

В игру вступают адвекцияи семейство слоистых облаков

Облака, занимающие значительную площадь неба, не обладающие четкой формой и кажущиеся более плоскими, чем остальные, обычно относятся к слоистым. Они образуются посредством адвекции или инверсии кучевых облаков (если температура с набором высоты внезапно увеличивается). Если кучевые облака образуются на месте посредством конвекции, то причиной возникновения слоистых является адвекция. Эти облака иногда довольно плотные, но в них почти отсутствует вертикальное движение, зато горизонтально они могут простираться на многие километры. Когда образование таких облаков приобретает значительные масштабы, они проливаются дождем. Эти облака живут дольше, поскольку они покрывают большую площадь и менее подвержены влиянию локальных явлений, происходящих ближе к поверхности.

Перистые облака: жди непогоды

Посмотрите на небо, подождите, пока его начнет затягивать, а облака будут становиться плотнее, и засекайте время – дождь уже близко. Вращение Земли добавляет системе импульса и энергии, и ветры начинают дуть со значительной силой, когда облака снижаются и начинается дождь. Внимательному наблюдателю перистые облака скажут о том, что ветер и дождь находятся примерно в 800 километрах от него: это шесть часов, чуть больше или меньше в зависимости от скорости атмосферных явлений.

Будут ли ночью заморозки?

После заката земля теряет источник обогрева – солнечный свет. Если небо чистое, то накопленное за день тепло быстро уйдет и смешается с более холодным воздухом вверху, так что земная поверхность остынет. Плотные облака хорошо сохраняют тепло в ночное время: они служат одеялом, удерживая полученное за день тепло в низших слоях атмосферы. В этом может заключаться разница между морозной и обычной ночью. В самые жаркие летние дни облачное небо может усугублять сильную жару, поддерживая высокую влажность и чрезмерно высокую температуру воздуха. Звездная ночь сменяется морозным утром, росистым рассветом, а порой и туманом. Чаще всего, если не происходит вторжения другого воздушного фронта, самые низкие температуры наблюдаются через полчаса после восхода солнца, поскольку земля продолжает терять тепло даже после того, как Солнце набирает высоту в небе. В это время солнечный свет все же поступает на землю, и эта энергия преобразуется в тепло, поэтому воздух снова начинает медленно прогреваться.

Как мы предсказывали облака и дожди раньше?

Четыре великих пословицы о погоде

Ночью небо красно – пастуху прекрасно. Утром небо красно – пастуху опасно

Этот незамысловатый стишок порой оказывается необыкновенно мудрым. Он описывает так называемое рассеяние света, или рассеяние Рэлея, когда солнечные лучи встречаются со взвешенными в атмосфере частичками пыли, рассеивающими голубой свет и оставляющими более длинные волны красного света. Ночью небо красное, когда севшее солнце освещает его снизу. Это сулит сухую и теплую погоду и ясное утро. Поскольку погода в Великобританию приходит по большей части с запада, то солнце, видное уже после заката, говорит о том, что с запада не надвигаются облака. «Утром небо красно – пастуху опасно» – эта часть говорит о том, что хорошая погода, или область высокого давления, сейчас находится к востоку, так что есть немалые шансы, что вскоре наступит менее приятная погода.

Кольцо вокруг Луны – дожди уже видны

Облака многое могут рассказать о погоде в ближайшее время. Кольцо вокруг Луны – это удивительным образом отраженный свет, проходящий через тонкий верхний слой перистого облака, состоящий из прозрачных ледяных кристаллов. Это лунное гало образуется благодаря различным хитроумным оптическим явлениям. Такой процесс называется рефракцией: ледяные кристаллы разлагают свет на его составляющие. Все остальные облака заслоняли бы Луну, но перистые могут рассказать о погоде, надвигающейся из местностей за сотни километров от нас. Пелена перистых облаков может затянуть небо, их нижние кромки углубляются, и в итоге начинается дождь.

Чистая Луна – к скорым морозам

Если не брать в расчет летние месяцы, когда в средних широтах морозов обычно не бывает, эта пословица чаще всего верна: ясные ночи, как правило, холодные. Днем Солнце обычно нагревает нижние слои атмосферы. Когда ночью этот источник тепла утрачивается, воздух остывает. Однако слой облаков служит хорошей изоляцией: тепло не уходит из нижнего слоя атмосферы. Без облаков же теплый воздух расходится во все стороны и остывает. В зимние и смежные с ними месяцы такое остывание может доходить до 0 °C и ниже, так что чистое небо – четкий признак того, что ночь будет морозной.

Сосновые шишки открываются к хорошей погоде

Этой пословице сопутствует научное объяснение. Открытие и закрытие сосновых шишек связано с влажностью воздуха. Каждая шишка состоит из чешуек; в сухую погоду эти чешуйки высыхают, шишка становится жесткой и открывается. Тем самым семена в ней становятся доступными для ветра, который может подхватить их и разнести по окрестностям. Влажный воздух оказывает на сосновую шишку противоположное действие: чешуйки впитывают влагу, приобретают эластичность и закрываются, защищая семена в их естественном положении. Таким образом, когда сосновые шишки открываются, жди сухой погоды, а когда закрываются – дождей.

Общая картина атмосферы

Мы, метеорологи, часто склонны дробить погоду и климатические условия по различным регионам – от пустынь и дождевых лесов до средних широт и даже более мелких зон, например, островов и взгорий. Но движение воздуха не признает преград и границ. Даже самые высокие горы не могут полностью воспрепятствовать этому неостановимому потоку.

Масштабная циркуляция воздуха клубится, ныряет, извивается и проносится над землей такими сложными и разнообразными способами, что можно говорить о полной взаимосвязи всех уголков Земли. Эта взаимосвязь между сухостью и влажностью, теплом и холодом оказывается на поверку еще более глубокой: воздух взаимодействует с океанами, он скользит по поверхности, постоянно превращаясь из газа в жидкость и наоборот. Шквальный ветер вызывает движение вод на поверхности, атмосферные вихри проникают в самые темные бездны океанов, а более устойчивые долгосрочные ветры изменяют круговорот воды в океанах не только горизонтально, но и вертикально, что, в свою очередь, приводит и к изменению погоды в этой местности.

Если смотреть сверху, то океаны похожи на непроницаемое стекло, однако постоянное движение воды оказывает невероятное воздействие на атмосферу. Океанская вода путешествует над планетой вдоль и поперек; даже самая холодная вода из антарктических придонных масс порой поднимается кверху, создавая приток самых холодных струй в океане, а впоследствии и в воздухе.

Атмосфера и океан не противостоят друг другу – они гармонично сосуществуют. Воздух быстрее реагирует на изменение климата, вода в океанах запаздывает, но их истории, в конечном счете, переплетаются. Ледниковые периоды, Эль-Ниньо и муссоны обязаны своим развитием и существованием тому и другому. Нельзя рассказывать историю атмосферы, игнорируя историю океанов. Именно здесь, между воздухом и водой, общая картина воздействует на частную, здесь появляются плоды настоящего сотрудничества между океанами и атмосферой.

Как воздух путешествует по миру?

Прежде чем ответить на этот вопрос, важно рассказать кое-что об общих принципах движения воздуха. Во-первых, воздух естественным образом движется из области, где воздуха больше (зона высокого давления), в область, где его меньше (зона низкого давления). Во-вторых, благодаря вращению Земли воздух движется из зон высокого давления к зонам низкого давления не прямо. Это явление известно как сила Кориолиса – так называемая «кажущаяся» сила, связанная с вращением Земли. Она отклоняет потоки воздуха, исходящие из областей высокого давления и направленные в области низкого. Эта сила действует и на те, и на другие области. Направление ее зависит от полушария: в Северном полушарии воздух движется против часовой стрелки вокруг зон низкого давления и по часовой стрелке вокруг зон высокого давления, а в Южном полушарии картина обратная.

Теплый влажный воздух поднимается кверху, и этот процесс продолжается, пока воздух, окружающий этот поток, остается более холодным. В конечном счете происходит столкновения теплых и холодных воздушных масс. Свойства этих масс отличаются: теплый воздух менее плотный, так что при столкновении большая часть теплого воздуха уходит вверх. Это небольшое отклонение в развитии погодных процессов становится нормальной циркуляцией, поскольку сила Кориолиса продолжает оказывать свое влияние.

Со временем восходящий воздух остывает и начинает конденсироваться, образуя облака и дождь. У поверхности этот восходящий воздух замещается, и в результате центростремительного движения окружающего воздуха формируется центр области низкого давления. Это замещение воздуха продолжается, пока восхождение воздуха не прекращается, что, в свою очередь, происходит, когда среда становится однородной (т. е. между слоями воздуха разной высоты нет температурной разницы). Однако в нижней части атмосферы восходящий воздух снижает давление у поверхности, и возникают зоны низкого давления.

Зоны высокого давления содержат больше воздуха, и он движется вниз. Нисходящий воздух не образует облака, но может удерживать уже существующие. В Северном полушарии воздух циркулирует к наружи и по часовой стрелке. Зоны высокого давления подпитывают зоны низкого давления, и воздух естественным образом переходит оттуда, где его больше, туда, где его меньше: это газ, и он ведет себя так же, как и все остальные газы.

Какая погода связана с высокими низким давлением?

Низкое давление может вызывать погодные явления любой силы и величины – от локальных зон низкого давления, где образуются дожди и ветры для небольших районов, до огромных систем вроде циклонов, которые могут распространяться на тысячи километров. Погода, обусловленная высоким давлением, обычно спокойная, тихая и устойчивая. Летом высокое давление сулит теплую хорошую погоду. Зимой, в морозные дни, иногда бывает туман, иногда облака, – но какая бы погода ни установилась в зоне высокого давления, она обычно устанавливается надолго. Высокое давление у земной поверхности кажется бледной тенью низкого, но со временем оно обретает силу. Установившееся высокое давление приводит к прочному установлению погоды: если эта погода туманная, то ухудшается качество воздуха; если ярко светит солнце, то нужно ждать жару и засуху.

Что такое блокирующий антициклон?

Области высокого давления, или антициклоны, как они называются с технической точки зрения, могут быть неустойчивыми или же существовать некоторое время. Зимой воздух чаще опускается вниз, поскольку он плотный и холодный. В течение зимних месяцев, особенно над обширными областями суши, воздух может значительно охлаждаться, потому что для прогрева поверхности не хватает солнечного света. Это может служить причиной образования квазистационарных сезонных областей низкого давления в холодное время года. Именно поэтому температуры в России и Центральной Европе могут опускаться так низко. Порой устойчивые области высокого давления доминируют зимой и в Скандинавии. Когда воздух становится более холодным и плотным, струйные течения начинают его огибать, при этом они часто ослабляются и разрушаются. Воздух остается холодным, так что антициклон, или область высокого давления, не двигается сместа. Это так называемый блокирующий антициклон – устойчиво существующая на одном месте воздушная масса. Блокирующие антициклоны возникают не только зимой и не только над сушей – они могут формироваться в любое время года и над сушей, и над морем. Летом блокирующие антициклоны могут способствовать усилению и распространению жары, что также влияет на жизнь и на суше, и в море. Избыток жары вредит растениям и фауне и может привести к засухе – словом, чрезмерная жара вредна для всех. Зимой блокирующие антициклоны способствуют дальнейшему охлаждению и распространению холодного плотного воздуха, а любая влага превращается в воздухе в снег или лед. Азорский антициклон – это большой полупостоянный антициклон, который возникает и заканчивается в центральной части Северной Атлантики. Иногда Азорский антициклон продолжается так долго, что кажется нескончаемым. Он входит в группу субтропических антициклонов, которые располагаются в районе 30 градусов северной широты. Впрочем, подобный же набор существует и в Южном полушарии.

Однако чрезвычайные погодные условия возникают не только в блокирующих антициклонах. Представьте себе большой камень в ручье: он рассекает поток воды, которому приходится его обтекать. В других случаях камень так велик, что почти полностью останавливает поток – так и области низкого давления отклоняются блокирующим антициклоном. Они проходят по краям антициклона, и такая схема сохраняется на протяжении всего его существования, так что последовательность потоков низкого давления вносит нестабильность в погодные условия того же района. Окружающие блокирующий антициклон области, таким образом, тоже находятся под его влиянием, но при этом устанавливается совершенно иная погода. Если антициклон установился над Великобританией, то зона низкого давления формируется в Атлантике и движется на северо-восток, принося в Исландию дожди и ветры. В Великобритании и в большей части Западной Европы лето 2018 года было очень жарким и сухим из-за области высокого давления, возникшей там в летние месяцы. В то же время в Исландии лето было одним из самых дождливых за всю историю наблюдений, поскольку остров находился практически на линии огня, и депрессия следовала за депрессией, так как зоны низкого давления двигались на периферии зоны высокого давления в том же направлении.

В атмосфере существует два типа блоков: омега-блокирование и расщепляющее блокирование. Оба приводят к наступлению долговременной устойчивой погоды, будь то антициклон или циклон. Первый тип, омега-блокирование, получил название по греческой букве «омега», поскольку его результат напоминает по форме ее заглавную букву «Ω». Зона высокого давления находится под аркой этой «омеги» между довольно стабильными областями низкого давления, которые формируют два более мелких завитка по обе стороны арки. В зоне высокого давления погода сухая и спокойная, но по обе стороны от нее идет проливной дождь, а иногда еще и дуют сильные ветры. Если эти области находятся над сушей, результатом могут стать наводнения и сели.

В мае 2016 года омега-блокирование привело к страшным наводнениям в Западной Европе: рекордные осадки выпали в Иль-де-Франсе (регион Парижа), а Сена частично затопила французскую столицу. Родственен омега-блокированию и второй тип, расщепляющее блокирование. При нем зона высокого давления находится к северу от зоны низкого и рассекает струйное течение верхних слоев, так что обе области остаются на месте, что обеспечивает установление сухой и влажной погоды соответственно.

Что такое Эль-Ниньо?

Каждые несколько лет в обычно засушливых центральных и северных регионах Чили и Перу выпадают обильные дожди. Когда случается этот парадокс, местные называют его «Эль-Ниньо», то есть «мальчик» или «дитя», а точнее – «младенец Христос», поскольку этот период чаще всего приходится на Рождество. Обычно считалось, что Эль-Ниньо происходит примерно каждые семь лет, но чем больше мы узнаем об этом погодном явлении, тем яснее понимаем, что оно происходит регулярно и имеет куда большие масштабы, чем предполагалось изначально.

Зарождение этих обложных ливней – следствие процессов, которые происходят внизу, в глубинах холодных вод прилежащей области Тихого океана. Эль-Ниньо начинается, когда прогреваются воды у берегов Чили и Перу. Известное своей низкой температурой течение Гумбольдта, которое движется с юга из холодных широт, смешивается с более теплым экваториальным контртечением, продвигающимся к югу. Обычно холодные океанические воды охлаждают воздух над ними, так что в области течения возникает меньше тепловой энергии и образуется меньше облаков. Хотя в этом регионе часто образуются туманы, дожди здесь идут редко, о чем свидетельствует расположенная неподалеку пустыня Атакама – одно из самых засушливых мест на Земле. Почвы в этой части Чили и Перу сухие, истощенные и покрытые пылью – в них отсутствуют необходимые для поддержания жизни питательные вещества. Растительность здесь скудная; зато в холодном океане к западу вода обогащена кислородом и питательными веществами и буквально кишит жизнью. Местная экономика основана на рыбной ловле – прежде всего на добыче анчоусов.

Иногда холодное течение Гумбольдта ослабевает, когда навстречу ему текут теплые воды с севера (иными словами, когда начинается Эль-Ниньо); тогда над ним собираются темные, похожие на луковицы облака, и разверзаются хляби небесные. Сухая почва не может справиться с огромными объемами воды, которые полностью ее затопляют. Это сложное время для местного населения: наводнения и последующие оползни могут лишить людей крова и даже жизни. Хотя Эль-Ниньо дает местным жителям крайне необходимую воду, приток теплой морской воды из экваториальных областей наносит вред рыбе. Что с нею происходит дальше – вопрос дискуссионный: одни считают, что рыба погибает в слишком теплой воде, другие – что она мигрирует на юг, туда, где похолоднее.

Почему в этой части Тихого океана так холодно?

Шведский океанограф Вагн Вальфрид Экман обнаружил, что ветер перемещает морскую воду и лед, причем не только поверхностные слои. Особенно это характерно для Южного полушария, где южный ветер гонит поверхностные воды океана на 45 градусов влево от направления ветра, то есть к северо-западу, иными словами – прочь от побережья Южной Америки. Дело здесь в том, что вращение Земли приобретает дополнительную результирующую силу, известную как сила Кориолиса. Ее влияние распространяется на определенную глубину, так что океанические воды забирают влево до 90 градусов – таким образом, наблюдается сильное течение на запад, от берега. Это явление получило название экмановской спирали. Обратная картина имеет место в Северном полушарии, где преобладающие ветра отклоняют поверхностные течения на 45 градусов вправо к направлению ветра, а толщу воды – вплоть до 90 градусов вправо.

Юго-восточные пассаты в этой части мира дуют на север, вдоль восточного побережья Южной Америки. Эта теория объясняет тот факт, что не только поверхностные океанические течения отклоняются на 45 градусов от береговой линии, но и значительные глубинные течения отходят от нее на 90 градусов, что вызвано ветрами и силой Кориолиса. В процессе холодные воды из глубин океана перемешиваются с более теплыми водами поверхности. Этот процесс называется апвеллингом и обеспечивает постоянный приток холодной, богатой кислородом и питательными веществами воды. Вот почему океан здесь буквально кишит жизнью, а над холодными водами стоит устойчивая погода.

У Эль-Ниньо (исп. «мальчик») есть сестричка, Ла-Нинья (исп. «девочка»). Ла-Нинья – название, данное значительному дополнительному охлаждению вод в юго-восточной части Тихого океана: здесь вода еще холоднее, чем этого следовало бы ожидать. Вот уже несколько десятилетий фазы потепления и охлаждения в этой части океана носят эти названия – Эль-Ниньо (потепление), нейтральная (обычная температура океана, то есть холодная), Ла-Нинья (сильное охлаждение), – а также множество переходных случаев. Эль-Ниньо – это не просто локальное обращение вспять океанических течений, которое, взаимодействуя с нижними слоями атмосферы, приносит бури на северо-западное побережье Южной Америки, да и воздействие его не ограничивается Перу и частью Чили. Это часть более крупного явления, которое именуется ENSO (El Niño – Southern Oscillation, Эль-Ниньо – Южная осцилляция) и действует на протяжении несколько тысяч километров в южных тропических широтах Тихого океана. Его влиянием объясняются многие погодные аномалии по всему миру.

Ячейка Уокера – это поток воздуха, который при обычном, «нейтральном» сценарии движется с востока на запад в южной части Тихого океана – из зоны высокого давления на юго-востоке океана в зону низкого давления над Юго-Восточной Азией и северо-востоком Австралии. Здесь воздух поднимается вверх и отправляется назад в Южную Америку, где ячейка замыкается, и все повторяется заново. Представьте себе Южную Америку с одной стороны и Юго-Восточную Азию – с другой, а над ними небо. Воздух циркулирует здесь по часовой стрелке, образуя правильный прямоугольник: поток спускается к поверхности над Перу и Чили, затем следует на запад над поверхностью океана, где поднимается вверх над северо-востоком Австралии и Юго-Восточной Азией. Здесь воздух направляется через океан к востоку, но на этот раз на большей высоте, где и доходит до исходной верхней точки над Южной Америкой. Нарисуйте дождь над Юго-Восточной Азией и солнце над Перу и Чили – и вы получите полное представление об этом механизме. Нисходящий воздух препятствует формированию осадков, отсюда солнечная погода и пустыня Атакама. Восходящий воздух образует облака и приводит к дождям – такова обычная погода для тропических регионов северо-востока Австралии и Юго-Восточной Азии. Таков типичный сценарий.

Однако во время Эль-Ниньо картина наблюдается обратная. В Чили и Перу идет дождь, поскольку воздух сначала поднимается вверх (из-за низкого давления), а затем, уже на некоторой высоте, отправляется на запад. Над Юго-Восточной Азией и северо-востоком Австралии воздух спускается (так как теперь там зона высокого давления) и погода становится сухой.

Такое временное изменение погодных условий на двух берегах южной части Тихого океана называется Южной осцилляцией. Это своеобразные гигантские качели: из нейтрального сценария погода переходит к сценарию Эль-Ниньо и обратно к нейтральному, а иногда и к противоположному – Ла-Нинье. Это невероятно мощные глобальные колебания погодных условий, которые распространяются на тысячи километров. Все вместе они известны как ENSO. В некоторые годы маятник колеблется слишком сильно и долго, что приводит к противоположному сценарию – серьезным последствиям для обоих субконтинентов. В Перу и Чили проливные дожди вызывают оползни, наводнения и недостаток рыбы. В то же время в Юго-Восточной Азии и на северо-востоке Австралии происходит ровно противоположное: небо расчищается, дожди прекращаются, и тропическая зеленая растительность становится жертвой беспощадных солнечных лучей. Засуха, неурожаи и лесные пожары не заставляют себя ждать. На западе южной части Тихого океана солнечные лучи проникают сквозь толщу неглубоких морей, где обычно процветают настоящие подводные джунгли, в изобилии водится рыба и растут коралловые рифы. Избыток солнечного света вредит кораллам, подводная жизнь несет значительный урон и порой полностью вымирает.

Хотя в игру вступает еще множество факторов, это явление, господствующее над южной частью Тихого океана, вносит изменения в погодные сценарии и в других частях земного шара. Ячейка Уокера поднимается в верхнюю часть тропосферы, этого верхнего элемента погодного механизма, что вызывает пертурбации в Северном полушарии и затрагивает даже стратосферу. Все это влияет на погодные циклы по всему миру.

Даже слабый или умеренный Эль-Ниньо может спровоцировать холодные зимы в южных штатах США, а в нейтральные годы температура зимой выше обычной. Снижается и количество осадков. В годы Эль-Ниньо наблюдается меньший приток холодного воздуха из Арктики в Канаду и северные штаты США: в этом случае в этих районах становится не так холодно, но выше вероятность ливней.

Недавнее исследование показало, что Эль-Ниньо ответственен за 70 % засушливых лет на Аравийском полуострове, особенно на юге и юго-востоке. Ла-Нинью удалось в 38 % случаев связать с годами повышенного уровня осадков в этих районах. Также Эль-Ниньо связывают с более холодными и суровыми зимами на севере Европы: установлена его корреляция с внезапным потеплением в стратосфере, которое ослабляет обычно сильные атлантические струйные течения, отвечающие за более мягкую и влажную погоду в Великобритании и Северо-Западной Европе. Вместо него начинают преобладать восточные ветры, которые несут зимнюю стужу и повышают вероятность снегопадов и образования льда.

Эль-Ниньо обвиняют даже в увеличении частоты ураганов на северо-востоке Тихого океана и сокращении частоты тропических ураганов над Атлантикой. Это во многом связано с так называемым сдвигом ветра, при котором горизонтальные ветры на высоте изменяют вертикальную структуру ураганов. Таким образом, Эль-Ниньо можно считать причиной множества погодных явлений по всему миру, но его собственный феномен до сих пор изучен не до конца, так что в течение всего года за ним пристально следят, чтобы суметь предсказать плохую погоду в других частях земного шара.

Можно сказать, что в глобальном смысле Эль-Ниньо – Южная осцилляция оказывает влияние и на среднегодовую температуру планеты. Сильные проявления Эль-Ниньо связаны с потеплением Тихого океана, а это избыточное тепло поступает в атмосферу, что приводит к повышению среднегодовой температуры. Самые теплые годы за историю наблюдений соответствуют сильным проявлениям Эль-Ниньо. Наоборот, если в данный год проявлялась Ла-Нинья, при которой тихоокеанские воды холоднее обычного, велика вероятность, что средняя температура этого года относилась к наиболее холодным.

Глобальное потепление и эффект Альбедо

Альбедо – это способность поверхности отражать солнечный свет: 100 % – полное отражение, 0 % – абсолютно черная поверхность. Светлоокрашенные поверхности, такие как лед или снег, хорошо отражают солнечный свет, а следовательно, имеют высокое альбедо. Темные поверхности, например, зеленые поля, поглощают больше солнечного света, а отражают гораздо меньше. Часть поглощенного света впоследствии излучается обратно в виде инфракрасной энергии, или тепла, поэтому говорят, что у темных поверхностей альбедо меньше.

Криосфера – термин для обозначения регионов земного шара, покрытых снегом, льдом или замерзшей землей, так называемой вечной мерзлотой. Эти поверхности встречаются не только в высоких широтах, но и на большой высоте. Арктика зимой покрыта морским льдом, а Антарктида почти полностью закована в лед на протяжении большей части года. От внешнего края этих ледников периодически откалываются глыбы, которые уплывают в открытые воды и там со временем тают. Криосфера играет важнейшую роль в регулировании температуры Земли. В целом можно сказать, что безо льда поглощалось бы гораздо больше солнечного света, суша и море были бы значительно теплее, а уровень моря намного выше, что привело бы к серьезным последствиям.

Зимой озера замерзают, и снежный покров распространяется далеко на юг. Около 68 % всей пресной воды на Земле сосредоточенов форме льда. В процентах от всего количества воды (включая океаны и моря) это 1,7 %. Кажется, что это немного, но воздействие льда на климат на Земле огромно. Годовое распределение льда и снега не остается неизменным. В Северном полушарии максимальный снежный покров случается зимой, а в Южном полушарии в те же месяцы он минимален. Когда же в Южном полушарии наступает зима, лед и снег начинают распространяться на север от Южного полюса. В то же время морской лед в Северном полушарии весной и тем более летом начинает отступать к северу, к Полярному кругу. Конечно, это упрощенное толкование, из которого можно заключить, что теоретически баланс снега и льда в мире не очень заметно меняется в течение года. Однако здесь в игру вступают иные факторы, которые влияют на количество снега и льда в определенные времена года и могут снизить или повысить альбедо, что в итоге предопределяет температуру нашей планеты. Один из важнейших факторов, влияющих на криосферу – наступающее глобальное потепление, которое замедляет сезонный рост снежного и ледяного покрова и ускоряет таяние морского льда. Уменьшается из-за него и объем старого льда, который восполняется каждую зиму свежим снегом и тем самым поддерживает существование огромных ледников в Гренландии, Антарктиде и некоторых частях Исландии.

Хотя солнечное излучение не так значительно отличается от года к году (солнечный минимум наступает каждые 11 лет), реакция атмосферы на солнечный свет меняется в зависимости от таких факторов, как количество парниковых газов, крупные погодные явления вроде Эль-Ниньо и количество солнечного излучения, которое отражается в виде тепла по всему миру. Самый важный фактор здесь – температура воздуха и поверхности океана. Разумеется, данная область изучена еще недостаточно, особенно большое поле для исследования представляет убывание арктического морского льда. Многие климатологи считают, что Арктика полностью лишится льда уже в этом столетии. Теплые течения препятствуют образованию льда, а штормовые моря не способствуют ледоставу в осенние месяцы. Мы, возможно, подходим к точке невозврата. В целом более теплые, чем обычно, зимы оказывают негативное влияние на восстановление ледяного покрова за осенние и зимние месяцы. Вопрос в том, что мы будем делать без арктического морского льда?

Безо льда во многих регионах земного шара поверхность станет темнее, будет поглощаться больше солнечного света, который со временем будет возвращаться в атмосферу в виде тепла. Моря станут теплее, их уровень поднимется, штормовая погода станет более частым гостем. На границе между теплым и холодным фронтами образуются сильные ветры, например струйные течения, а также зоны низкого давления средних широт. Без таких температурных различий климат на северо-западе Европы был бы совершенно иным. Во многих отношениях воздействие глобального потепления остается неизвестным или непонятным.

Быстрое долгосрочное таяние льдов можно назвать процессом с «положительной обратной связью». Иными словами, изначальное неравновесие системы, такое как разогревание Арктики, может значительно усилиться – вплоть до той точки, после которой система уже не сможет вернуться в исходное состояние. В данном случае все просто: чем меньше льда, тем больше поглощается тепла, так что повышается температура окружающей среды, а это способствует таянию, а не замерзанию. Следующий шаг после формирования положительной обратной связи – это «точка невозврата», в которой состояние резко меняется, и наступает иное состояние: например, вымирание биологического вида означает полную невозможность вернуться в предыдущее состояние. Многие климатологи указывают на то, что таяние льдов на Земле должно пройти через такую точку невозврата; кое-кто утверждает даже, что она уже была достигнута.

Исчезают ли ледники?

Ледниками покрыто около 10 % поверхности Земли. Это замороженные массивы, на долю которых приходится около 75 % мировых запасов пресной воды. Ледники растут и отступают в разные времена года, а их объем восполняется благодаря снегу в зимние месяцы. Они никогда не остаются стабильными, им присущ собственный определенный ритм. Ледники существуют во многих частях земного шара – их можно встретить и на экваторе (на вершине Килиманджаро в Кении), и на шапках исландских вулканов. Равнинные ледники формируются и движутся вниз по течению, к открытой воде или фьордам. Как и морской лед, ледники играют важную роль в поддержании альбедо Земли. Сезонное таяние льда весной и летом необходимо многим уязвимым экосистемам, прежде всего горным биомам.

В апреле 2019 года научный журнал Nature опубликовал новое исследование 19000 ледников, в котором выяснилось, что в период с 1961 по 2016 год планета лишилась 10,6 триллионов тонн льда – этого было бы достаточно, чтобы покрыть все 48 материковых штатов США льдом толщиной 120 сантиметров. В статье утверждалось, что зафиксированный за это время подъем уровня моря на 30 % вызван таянием ледникового льда. В другом независимом исследовании, опубликованном в том же году в журнале The Cryosphere, говорилось, что в 18 из 19 ледовых районов Земли уровень льда уменьшается.

Варианты прогнозов, основанных на текущем и былом состоянии ледяного покрова, могут быть разными, но доказательств того, что в будущем льда не останется, все больше. Единственный лыжный курорт в Боливии, расположенный на хребте Чакалтая, закрылся в 2009 году: ледник за двадцать лет так сократился в объеме, что в итоге практически исчез. А когда утрачивается лед, мир теряет куда больше, чем просто лед.

Почему так важен стратосферный полярный вихрь?

Стратосфера – это следующий слой атмосферы, расположенный над тропосферой. В свою очередь, тропосфера – зона, где формируется погода, нижняя часть атмосферы, в которой воздух охлаждается по мере набора высоты. Нижняя часть стратосферы, напротив, очень холодная; с набором высоты ее температура как раз повышается. Частично это связано с наличием ультрафиолетового излучения и озонового слоя.

Стратосферный полярный вихрь – это очень быстрые ветры, которые отмечаются в стратосфере на высоте до 50 километров. Зимой эти ветры движутся против часовой стрелки вокруг Северного полюса (похожая система низкого давления образуется на той же высоте вокруг Южного полюса в Южном полушарии). Ветры набирают силу и обретают направление по мере того, как воздух охлаждается осенью и зимой. Стратосферный полярный вихрь образуется каждую зиму в результате значительных температурных градиентов, то есть различий в температуре между полюсами и средними широтами. Особенно значительна эта разница зимой, поскольку в Арктике в это время нет ни солнечного света, ни другого стабильного источника тепла. Вихрь продолжает усиливаться зимой и естественным образом распадается, когда солнечный свет возвращается весной.

В отдельные годы цепочка высоких струйных течений, распространяющихся в средних широтах, может вклиниваться в стратосферный полярный вихрь, ослабляя и разбивая этот обычно замкнутый зимний циклон. Порой эти ветры ослабевают и даже меняют направление. Эти слабые, изменившие направление ветры высвобождают и сжимают холодный воздух, до того буквально запертый в полярном вихре. Тем самым образуется так называемое внезапное атмосферное потепление, воздействие которого можно будет почувствовать в средних широтах через несколько недель.

В Великобритании большую часть времени зимы мягкие – лишь иногда наступает более холодная и суровая погода. Мы называем это явление мобильным сценарием; депрессии образуются по всему Атлантическому океану и движутся на восток/северо-восток, гонимые сильным струйным течением. Так более мягкий воздух над океанами переносится на сушу. Когда же зимний стратосферный полярный вихрь ослабевает, или же происходит такое чрезвычайное явление, как внезапное атмосферное потепление, струйные течения могут утратить силу или зональность. Это, в свою очередь, препятствует появлению фронта с запада, т. е. Атлантического океана, приносящего мягкий влажный воздух. Тогда доминировать начинают ветры с континента, восточные и северо-восточные, которые несут в Британию более холодный воздух, утративший все тепло в течение континентальной зимы.

Великобритания – это остров, береговая линия которого насчитывает сотни километров. Северное море, хоть это всего лишь узкая полоска воды, в достаточной степени добавляет влажности этим холодным восточным и северо-восточным ветрам. Холодный воздух в сочетании с влажностью моря приводит к образованию ливней, которые немедленно превращаются в снег, встретившись с более холодным воздухом над сушей. Порой в Британии это приводит к настоящим снежным катастрофам.

В конце февраля – начале марта 2018 года произошло явление, которое пресса окрестила «зверем с востока» – хороший пример того, как внезапное стратосферное потепление, случившееся несколькими неделями раньше, повлияло на погоду у поверхности по всему северу и западу Европы. Внезапное стратосферное потепление в январе 2018 года привело к тому, что струйное течение утратило мобильность и силу; более мягкие западные ветры и сопутствующие им дожди прекратились, уступив место восточным ветрам. Воздух на большей части территории Европы стал существенно холоднее, над Скандинавией установилась область высокого давления, которая погнала поверхностные потоки воздуха с очень холодного севера континента в сторону Великобритании. Преобладание этих морозных восточных и северо-восточных ветров привело к установлению холодной погоды во всех частях страны.

Затем с востока подступили сильные снегопады. Они формировались над Северным морем, шли один за другим и вызывали повсюду хаос и разрушение на протяжении нескольких дней. Примерно через неделю юг Великобритании настиг ураган «Эмма», который принес еще более холодный воздух. Дождь сперва превратился в дождь со снегом, а затем и в снег, продолжались снежные бури и штормы.

Однако внезапное стратосферное потепление не всегда играет по одним и тем же правилам; бывает, что оно и не приводит к суровой зиме в Европе и Великобритании. В 2016 году внезапное стратосферное потепление случилось в радиусе 50 км вокруг Северного полюса, однако у поверхности суши это никак не отразилось на погоде, поскольку другие явления глобального характера нейтрализовали его мощь. В январе 1987 года по всей Великобритании бушевали снежные бури, а температура ниже нуля стояла целую неделю. Причина была в сильной блокирующей зоне высокого давления над Скандинавией, которая пригнала в Великобританию морозный сибирский воздух, однако никакого внезапного стратосферного потепления не наблюдалось.

Внезапные стратосферные потепления бывают и вокруг Южного полюса. Однако их годовая частота составляет всего 4 % по сравнению с 50 % вокруг Северного полюса. Дело в том, что струйные течения в Южном полушарии носят более зональный характер. У них нет пиков и минимумов, так что течения не вклиниваются в стратосферный полярный вихрь настолько часто. За последние шестьдесят лет в Южном полушарии было зафиксировано всего два внезапных стратосферных потепления – в 2007 и 2019 годах. Если же они все-таки случаются в конце зимы, это приводит к бурям над Патагонией, Новой Зеландией и Южной Австралией, а также к образованию западных ветров, которые приносят сухую и жаркую погоду в Восточную Австралию.

Погодные явления настолько связаны между собой, что порой самые отдаленные события, которые происходят даже выше тропосферы, могут иметь фундаментальные и значительные последствия для погоды на поверхности. В остальное время, впрочем, погода определяется процессами в нижней части атмосферы.

Что такое индийский муссон?

Слово «муссон» восходит к арабскому «мавсим» – «время года». Оно обозначает перемену ветра с северо-восточного на юго-западный. Этот поток воздуха становится более влажным и теплым и приносит на Индийский субконтинент сезон дождей.

Жара усиливается летом, по мере того как Солнце светит все ярче. Температуры в Индии и Пакистане доходят до 40–50 градусов, а иногда пересекают и эту отметку. Земля иссушается, ручьи пересыхают, а реки превращаются в жиденькие струйки. Воздух становится грязным и пыльным, все мечтают о дожде. Юго-западный муссон меняет к лучшему жизнь миллионов людей. Каждый год он начинается примерно в июне, и буквально в течение нескольких недель вода вновь приходит в реки, а гнетущий воздух очищается и охлаждается. Происходит все это благодаря простому, но эффективному механизму. Направление ветра меняется, потому что земля в это время года значительно более горяча, чем окружающие моря, при том, что в зимние месяцы ситуация иная. Значительная температурная разница между океанскими водами (20 °C) и обжигающей жарой на субконтиненте создает градиент давления между севером и югом, при этом над сушей возникает область низкого давления. Горячий воздух поднимается вверх, а на его место приходит более холодный и влажный океанский. Сочетание жары и влаги создает огромные, насыщенные дождем облака.

Движение Солнца к северу от экватора после весеннего равноденствия оказывает влияние на глобальное распределение ветров и воздушного давления. Одна из важных погодных зон носит название внутритропической зоны конвергенции. Здесь глобальные ветры, дующие над тропиками и наполненные влагой, схлестываются и образуют грозы. Когда в Северном полушарии лето и весна, внутритропическая зона конвергенции дрейфует на север, что и объясняет обширные и сильные дожди, которые выпадают на Индийском субконтиненте.

Каждый год, как часы, в конце мая или начале июня фронт обильных ливневых дождей, подчас сопровождаемых грозами, образуется к югу от материковой Индии и распространяется по всему Бенгальскому заливу, в том числе в Мьянму и Бангладеш. В атмосфере в это время содержится столько воды, что она при первой возможности выпадает на Землю, порой с настоящими разрушениями. Дожди продвигаются дальше на север, достигая в июле Пакистана и предгорий Гималаев. По большей части явление связано с силой Солнца и направлением ветра, однако география региона тоже играет важную роль. Гималаи служат северной границей дождей – это барьер для их дальнейшего распространения на север. Без них муссон продолжил бы свой победный марш в сторону Тибета, Афганистана и России. Жара спадает, и Индия снова расцветает яркими красками – наступает время празднеств.

Для многих районов сезон дождей, который длится от шести недель до трех месяцев, жизненно важен, если учесть, насколько сухо там может быть в течение всего остального года. Муссонные дожди вновь наполняют реки, возвращают жизнь почве и питают водные ресурсы последующие восемь месяцев. Сельское хозяйство полностью зависит от этого короткого влажного сезона. Рисовые, чайные и молочные фермы год за годом выживают только благодаря юго-западному муссону.

Гидроэлектростанции тоже зависят от стабильных потоков воды, так что поставки энергии и экономика Индии и соседних стран в целом вынуждены рассчитывать на длительный период дождей каждое лето. Порой юго-западный муссон даже называют «настоящим министром финансов Индии». Однако немногое требуется этому масштабному погодному явлению для сдвига в ту или другую сторону от нормы. Здесь играют роль многие факторы, и в некоторые годы муссон из праздника может превратиться в настоящую катастрофу. Если воды слишком много, это оборачивается затоплением городов и сел, погубленными жизнями и разрушением сельскохозяйственных угодий. Для многих сезон юго-западного муссона 2018 года прошел совершенно непримечательно, но в штате Керала на западе Индии ливневые дожди привели к самому серьезному наводнению за последние сто лет и гибели сотен людей. Если же дожди недостаточно сильные, то это приводит к неурожаю, и тогда стоимость пищи и электричества взлетает до небес, а бедность растет.

Рекордные дожди: самые влажные места на Земле

Среди самых влажных районов Земли заметно выделяются Дарджилинг и Шиллонг в Индии. Красоту и богатство местных рек, лесов и водопадов можно, вероятно, считать светлой стороной мрачных темных дождевых туч, которыми изобилуют эти части Индии. Самые засушливые месяцы – январь и декабрь, но даже тогда 60 миллиметров осадков за месяц – обычное явление. А за звание самого дождливого места на Земле соперничают два местных населенных пункта – Маусинрам и Черапунджи. В обеих деревушках выпадает почти 12 метров осадков в год.

Эти поселения находятся на высоте 1200 метров от уровня моря. Преобладающий ветер с Бенгальского залива, полный влаги, устремляется в эти края с низин, из Бангладеш. Поскольку воздух поднимается вверх, он охлаждается и конденсируется, образуя облака и дожди. Подъем воздуха вверх – одна из предпосылок местной дождливой погоды, другая причина – муссон. Эта часть Индии находится на северном краю действия юго-западного муссона, поскольку дальнейшее его распространение заблокировано Гималаями. Поэтому на деревушки выливается огромное количество осадков, которые не прекращаются по шесть месяцев в году.

В мире есть множество других климатических зон с локальными муссонами, но все они расположены в тропиках. Интенсивность, распределение и ход этих сезонов дождей зависят от местоположения суши и воды, температурных градиентов и связанных с ними процессов обмена давлением воздуха.

Почему важны пустыни?

На Земле есть сухие и влажные области, эти различные климатические зоны называются биомами. Одна пятая суши на Земле занята пустынями. Обычно эти регионы слабо заселены: в пустынях живет около одной шестой части населения планеты. Это регион, в котором среднегодовое количество осадков (дождя, снега и т. д.) не превышает 25 сантиметров. Однако для существования пустынь важнее скорость потери воды: именно она влияет на образование характерного ландшафта – пустой и засушливой зоны без явно видимого биоразнообразия (полной противоположности биому дождевых лесов). В пустынях случаются дожди, но лишь эпизодически, порой никаких осадков там не выпадает на протяжении нескольких месяцев, а то и лет. В таких местах обычно высокий уровень испарения и транспирации: вода быстро исчезает и с поверхности, и из обитающих там растений. Уровень испарения и транспирации превышает уровень осадков минимум в 2 и максимум в 33 раза, поэтому в пустыне мало растительности и скудная фауна.

Какое место занимают пустыни в глобальной циркуляции воздуха в атмосфере?

Пустыни будут всегда. Классическая модель циркуляции воздуха в атмосфере описывает глобальное распределение тепла от тропиков к полюсам. Хотя от года к году имеются незначительные отличия, эта модель достоверно изображает крупные воздушные потоки, восходящие и нисходящие, по мере их движения на север и юг от экватора. Самое сильное солнечное излучение наблюдается на экваторе – эта зона называется тропиками, воздух здесь быстро поднимается, формируя облака и вызывая дождь. Он добирается до верхней части тропосферы (атмосферной «фабрики погоды»), направляется на север и юг и постепенно спускается. Нисходящий воздух сокращает образование облаков, становится сухим и жарким, так что вместо дождевых лесов в этих районах образуются пустыни. Эта первая, ближайшая к экватору циркуляция носит название ячейки Хэдли. К северу и югу от нее действуют две другие: ячейка Феррела формирует климатические условия в средних широтах, а полярная – на обоих полюсах. Как мы уже видели, от этой модели существует множество отклонений, а атмосферная система не просто более сложна, но и постоянно взаимодействует с океаном внизу, стратосферой вверху и соседними ячейками. Однако это хороший способ представления основных механизмов, который дает простое объяснение тому, почему пустыни на Земле расположены чаще всего на широте 20–30 градусов к северу и югу от экватора.

Пустыни, находящиеся к северу и югу от тропиков, называются субтропическими пустынями. Это жаркие области, в число которых входят и травянистые саванны, и такие засушливые зоны, как Сахара в Северной Африке.

Пустыни можно обнаружить и близко к океану, если вдоль берега проходит холодное океаническое течение. Например, пустыня Намиб находится на западе Африки примерно на 24 градусах южной широты и тянется вдоль береговой линии Намибии. Ее сухой климат обусловлен Бенгельским течением – частью Южного Пассатного течения. Это холодное течение, вызванное преобладающими юго-восточными ветрами с крайнего юга Африки и локальным апвеллингом у береговой линии, который поднимает из глубин более холодную воду.

Атакама соседствует также с холодным течением Гумбольдта, и здесь тоже имеет место локальный апвеллинг. Это одно из самых засушливых мест на Земле: здесь выпадает менее 1 мм осадков в год. Еще один фактор, способствующий такому климату – т. н. дождевая тень. Атакама зажата между двумя горными цепями – Андами и Чилийским береговым хребтом. Доминирующие ветры любого направления высушивают воздух, пройдя через горы, после чего он нисходит в пустыню.

Хотя Антарктида имеет площадь 13,8 млн квадратных километров и покрыта льдом и снегом, ее фактически можно классифицировать как пустыню. Дело в том, что в ее внутренних областях выпадает менее 51 мм осадков, то есть 5 см льда и снега в год, а некоторые места еще засушливее. Сухие долины Мак-Мердо – одно из самых засушливых и неприветливых мест на Земле, так что ученые даже сравнивают их с холодной и сухой марсианской пустыней. Они расположены недалеко от моря Росса. Этот ряд параллельно идущих долин между морем Росса и Восточноантарктическим ледяным щитом легко обнаружить на спутниковых фотографиях благодаря их темной бесснежной поверхности. Долины расположены в тени невысоких Трансантарктических гор. Холодный и сухой ветер, именуемый катабатическим, порой разгоняется до 90 м/с, обдувая склоны, обращенные к морю, и препятствуя образованию в этой области снега и льда.

Недалеко от Антарктиды ушла пустыня Сахара, занимающая площадь 9 миллионов квадратных километров в Северной Африке. Она далеко не вся покрыта песком: в некоторых ее частях имеется растительность, а ближе к Средиземному морю встречаются кустарники и даже кое-какие леса. К югу пустыня перерастает в тропическую саванну с сезонными дождями, где в отдельные годы пейзаж становится действительно зеленым. Но над основной частью Сахары почти постоянно расположена зона высокого давления; такая стабильность атмосферы препятствует образованию дождевых облаков.

Пустыни, конечно, не очень богаты жизнью по сравнению, например, с тропическими лесами. Условия существования в них обычно очень суровы, однако они играют важную роль, внося биоразнообразие: пустынные виды отсутствуют в других климатических зонах мира. Частично это связано с тем, что над пустынями доминируют огромные ячейки высокого давления: например, в Сахаре бывает около 3600 часов солнечного света в год, то есть Солнце светит 86 % дневного времени. Гарантированный солнечный свет – отличная возможность овладеть этим естественным природным ресурсом.

Как Сахара влияет на погоду в мире?

Нередко мы упускаем из виду тот факт, что пустыни нельзя воспринимать изолированно. Их воздействие кажется малозаметным, но на деле ощущается даже в отдаленных от них регионах.

Когда в Сахаре начинаются штормовые ветра, они уносят песок и другие частицы пустынной почвы. Эти частицы легко переносятся благодаря сильным ветрам и процессу конвекции (восхождению нестабильного воздуха) и оказываются на значительной высоте. В зависимости от направления ветра на этом уровне пустынная пыль может распространяться по всему земному шару, но, поскольку обычно над Сахарой дуют восточные ветра, ее песок летит через Атлантический океан. Мониторинг этого процесса при помощи отражающих лазеров, делающих видимой поднявшуюся вверх и летящую через океаны из Сахары пыль, играет важную роль в разрешении проблемы сохранения дождевых лесов. Согласно измерениям, около 27 миллионов тонн пустынной пыли ежегодно достигает амазонских дождевых лесов. Эта пыль – важный источник фосфора, который восполняет постоянный недостаток этого элемента, вымываемого сильными дождями в бассейне Амазонки. Однако речь не только об Амазонке: оказывается, что примерно 43 миллиона тонн пыли отправляются еще дальше – на экологические нужды Карибского бассейна и других регионов.

Международные исследования, которых в этой области становится все больше, показали, что пыль Сахары обеспечивает дождевые леса бассейна Амазонки существенным количеством макро– и микроэлементов. В этом регионе живет более половины из примерно 10 миллионов растений, животных и насекомых, здесь сосредоточено около 1/5 мировых запасов пресной воды, этот биом дает 20 % всей мировой выработки кислорода. Поэтому восполнение потребности амазонских дождевых лесов в минералах песком из Сахары, которая расположена в нескольких тысячах километров, – удивительное проявление синергии природных систем Земли, причем совершенно противоположных на первых взгляд климатических зон.

Как тропические дождевые леса лияют на погоду в мире?

Тропические дождевые леса – районы густой растительности, отличающиеся значительным биоразнообразием и частыми обильными дождями. Это территория джунглей. На дождевые леса приходится всего около 6 % суши, но при этом здесь обитает половина всех видов животных и растений Земли. Количество осадков в год в тропических дождевых лесах составляет 250–450 сантиметров, кроме того, здесь очень жарко и влажно. Более 50 % дождевых лесов находятся в тропической и умеренной зоне – и большинство их считается тропическими. Больше половины дождевых лесов сосредоточено в Латинской Америке, и еще треть дождевых лесов всего мира – в Бразилии. Однако они имеются также в Австралии, Азии и (меньше всего) в Африке. Дождевые леса можно назвать сердцем мирового климата. Именно дождевые леса играют ключевую роль в глобальном климатическом цикле, испаряя в атмосферу миллионы тонн водяного пара, насыщая грунтовые воды питательными веществами и минералами, а также производя и поглощая в огромных количествах углекислый газ и кислород. Их влияние на атмосферу трудно переоценить. Они занимают важнейшее место в круговороте воды в природе. Вода постоянно меняет свое агрегатное состояние. Она может пребывать в форме льда, течь в руслах рек и ручьев, водоворотами кружиться в озерах. В атмосфере вода представлена в виде водяного пара – самого распространенного из парниковых газов (на него приходится более 90 % всего объема парниковых газов). Этот пар может конденсироваться в облаках, плывущих по небу и подвергающихся воздействию тепла океанов и массивов суши снизу. Такой постоянный круговорот разумно перераспределяет тепло, энергию и воду по всему земному шару.

Еще один источник водяного пара, помимо океанов, рек и озер, – растения и деревья и происходящие в них процессы транспирации (выделение влаги телом растения) и испарения (перехода воды из жидкой формы в газообразную). Очищенная вода из корней поступает в листья и в конце концов отправляется в атмосферу в форме водяного пара.

Более 50 % (а в очень густых дождевых лесах – до 75 %) осадков, выпадающих над дождевыми лесами (в тропических и умеренных широтах), возвращаются в атмосферу благодаря транспирации и испарению. Интересно, что большая часть воды, поступающая в атмосферу в виде водяного пара, возвращается в леса дождем: так природа обеспечивает сохранение водного ресурса дождевых лесов. Все эти цифры много говорят о том, насколько важна экосистема дождевых лесов для поддержания жизни на Земле. На них приходится 15–20 % общемирового испарения воды и 65 % всех дождей на суше. Обезлесение значительно снижает уровень водяного пара в атмосфере: меньше становятся облачность и количество осадков. Процесс эвапотранспирации (суммарного испарения воды) охлаждает атмосферу, поскольку потребляет энергию на испарение воды из листьев, благодаря чему температура в лесу остается относительно постоянной. Сокращение лесного покрова не только ухудшает качество почвы и снижает биоразнообразие, но также увеличивает изменчивость температуры воздуха: выше вероятность сильной жары в дневное время. Последствия истощения лесного покрова оказываются далеко идущими и выходят за пределы локальных экосистем.

Влияют ли горы на характер атмосферной циркуляции?

Любое изменение течения воздушных потоков тем или иным образом воздействует на их динамику. Меняться могут направление ветра, скорость, влажность, температура. На многих континентах имеются значительные горные массивы: Гималаи, Скалистые горы, Альпы, Анды. Эти величественные хребты оказывают значительное влияние как на погоду в своих регионах, так и на характер более масштабной атмосферной циркуляции. Анды – одна из самых длинных горных цепей в мире, протянувшаяся на 7000 километров вдоль оси север – юг в Южной Америке. Анды служат барьером между восточной частью Тихого океана на западе и остальным континентом на востоке. Благодаря этому барьеру к востоку от гор установилась очень влажная погода, а к западу образовалась засушливая пустыня Атакама. Кроме того, подобно другим высоким горным хребтам, на вершинах Анд лежат снег и лед, что вносит свой вклад в эффект альбедо, охлаждающий атмосферу (солнечный свет в основном отражается, а не поглощается). Сильнейшие тропические дожди идут на восточной стороне Анд и питают разнообразные формы жизни амазонской сельвы, что является одним из ключевых факторов в регулировании уровня углекислого газа и водяного пара в атмосфере по всему миру.

Гималаи играют важную роль в формировании климата почти по всей Азии. В этой горной системе находятся десять восьмитысячников из четырнадцати, существующих на Земле. К югу лежит Индийский субконтинент, где летом преобладают муссонные дожди. Такое положение Гималаев не только позволяет этому региону получать жизненно важную воду в больших количествах, но и препятствует проникновению на юг холодных ветров из Сибири, что служит одной из причин теплого тропического климата в Индии. Кроме того, существование Гималаев, как и других крупных горных систем, вызывает пертурбации и даже отклонения ветров по всей тропосфере. Сильный ветер, обтекающий горную вершину, спускается вниз, что может провоцировать изменения погоды. С севера на юг на западе Северной Америки вытянулись Скалистые горы, из-за них ветры на этом континенте значительно отклоняются к северу и югу (а не дуют с запада, как это предполагалось бы исходя из вращения Земли). Для региона это значит, что холодный ветер может доходить до южных штатов США, а в Канаде, напротив, может устанавливаться сильная жара. Холодные сухие ветры, дующие через Скалистые горы – неотъемлемый компонент формирования смерчей в так называемой Аллее Торнадо. Эти радикальные изменения в характере ветров далее распространяются на восток, через Атлантический океан, в сторону Европы. Иногда погодные условия, наблюдаемые на Среднем Западе США, через несколько дней устанавливаются на западе Европы (впрочем, с распространением на восток они неизбежно корректируются при взаимодействии с океаном). Положение, форма и высота гор – важные факторы, влияющие на атмосферные явления во всем мире.

Как сильно отличается погода на вершинах гор?

Погода в горных районах может быть любой: холодной, ветреной, влажной, снежной, морозной, теплой, сухой или солнечной. Если собираетесь взойти на гору, помните, что погода может поменяться в любой момент – понимание таких изменений может спасти вам жизнь. При определенных условиях зимний день на одном из горных склонов может показаться вам летним.

Как изменяется погодный фронт, проходя над горами?

Горы служат естественным барьером для ветра. Они отклоняют воздух вверх, после чего его характеристики меняются: ускоряется охлаждение и увеличивается конденсация. Образуются облака, начинается дождь. Такой тип формирования дождя называется орографическим. Но это только половина дела: к тому времени, как воздух достигает другого склона горы, он уже совершенно изменяется. Та погода, которую испытаете на себе вы, зависит от того, где именно на горе вы находитесь. С точки зрения потенциальных погодных различий горы можно разделить на две части: наветренная сторона, открытая ветру преобладающего направления, и подветренная сторона, которая защищена от него в значительно большей степени. Погода с наветренной стороны чаще всего (хотя и не всегда) заметно отличается от погоды с подветренной стороны.

Преобладающее направление ветра оказывает значительное влияние на эту сторону горы – по сути, она постоянно находится на линии огня. Именно наветренная сторона вызывает подъем воздуха. Восходящий воздух значительно быстрее охлаждается, создавая плотные тяжелые облака, полные капелек влаги. Когда такое облако поднимается вверх по склону, на наветренной стороне часто начинается мелкий дождик. Иногда он переходит в полноценный дождь (который и называется орографическим). Именно благодаря постоянным дождям эта сторона горы всегда богата растительностью, хотя часто опустошается ветром, а солнечный свет порой не доходит до поверхности по нескольку дней.

Меняется не только влажность: чем выше в гору – тем холоднее, со временем температура падает ниже нуля, и дождь превращается в снег. Этот уровень высоты называют уровнем замерзания, или снеговой линией. Когда начинается буря, дождь становится снегом, а затем свирепые ветры обращают его в метель. Нулевая видимость и морозный воздух – смертельное сочетание для любого альпиниста. Когда же ветер начинает спускаться с другой стороны горы, вся влажность из воздуха уже исчезает. Нисхождение этого воздуха увеличивает степень сжатия. А когда газ сжимается, он разогревается, так что, спускаясь с подветренной стороны гор, воздух становится более теплым. Невероятно! Такой ветер называется фёном, а парадокс в целом – эффектом фёна.

Впрочем, более сухой и теплый ветер, спускающийся с гор, носит и другие имена в зависимости от региона. В Скалистых горах, например, его именуют чинуком. Тот же механизм лежит в основе эффекта дождевой тени – района, где не устанавливается влажная погода. Это можно наблюдать в самых засушливых местах Земли: например, в Андах преобладающий ветер восточный, что оставляет Атакаму в дождевой тени с подветренной стороны. Проиллюстрируем огромное влияние, которое это явление может оказывать на температуры. Итак, представьте себе гору высотой 3000 метров. Воздушная масса начинает свое движение с наветренной стороны горы при температуре, допустим, 18 °C, а закончит у самой земли на подветренной стороне уже при температуре 26 °C.

Ветры, дующие у земной поверхности, более медленные из-за трения. Над морем трение меньше, но все равно есть. Выше воздух высвобождается, ветер становится сильнее и свободнее. Это так называемый градиентный ветер. Когда он наталкивается на горы, происходит отдача, высвобождается много энергии, в результате ветер усиливается. Особенности топографии приводят к тому, что ветер быстро распространяется во всех направлениях: так образуется турбулентность. Особенно сильна она, если воздух нестабилен и стремится вверх. На вершине горы скорость ветра обычно в два-три раза выше, чем у поверхности.

Дело не только в нестабильном воздухе, который стремится вверх, что приводит к образованию ветров, дующих в различных направлениях. Когда стабильный ветер движется горизонтально и натыкается на гору, он отклоняется. На подветренной стороне горы образуются вихревые облака. Ветры могут значительно усиливаться, моментально создавая резкие зоны турбулентности, которые причиняют неприятности воздушным судам на малой высоте. Свидетельством турбулентности с подветренной стороны может служить образование там вихревых облаков. Это результат конденсации воздуха вследствие порывов ветра.

Почему на вершинах гор холодно?

Обычно считается, что температура воздуха падает на 1 °C за каждые 100–150 м высоты. Это связано с рядом факторов:

• Солнечный свет оказывает гораздо больше влияния на плоскую поверхность, чем на поверхность под углом, он сильнее разогревает землю, а следовательно и воздух.

• С набором высоты атмосферное давление становится ниже, что позволяет воздуху распространяться на большие расстояния и, следовательно, охлаждаться (обратное тоже верно: когда воздух сжимается, он нагревается).

• Ветер на высоте сильнее, и воздух интенсивнее перемешивается, что тоже приводит к охлаждению.

При этом, хотя в горах и холоднее, на вершине гор у вас гораздо больше шансов обгореть. Почему? На высоте ультрафиолетовое излучение сильнее. В солнечный день для того, чтобы обгореть, на высоте требуется намного меньше времени, чем на поверхности: чем выше, тем атмосфера тоньше, и тем больше она пропускает ультрафиолетового излучения. И наоборот: самая нижняя часть атмосферы – самая плотная, и это хорошая новость для миллионов организмов, живущих на уровне моря.

Какие места на Земле – погодные рекордсмены?

Пустыни, дождевые леса и горы – вот районы Земли, в которых могут наблюдаться экстремальные погодные условия. На 2019 год рекорды были такими (за всю историю наблюдений):

• Самое жаркое место на Земле – 56,7 °C, Фернес-Крик, Долина Смерти (пустыня Мохаве), 10 июля 1913 года

• Самое холодное место на Земле – 89,2 °C, станция Восток (Советское плато, Антарктида), 21 июля 1983 года

• Наибольшее количество осадков за год – 26470 мм, Черапунджи, штат Мегхалая, Индия, 1860–1861 годы (дождевые леса к югу от Гималаев)

• Самое сухое место на Земле – 0 мм в год, сухие долины Макмердо, Антарктида (холодные пустыни)

• Самое сухое населенное место на Земле – Арика, Чили (часть пустыни Атакама), 0,76 мм осадков в среднем за год.

Добро пожаловать в мир струйного течения

Струйное течение – одно из важнейших направлений работы любого метеоролога. Анализ местоположения, формы и силы струйного течения позволяет получить огромное количество информации о том, что происходит у поверхности. Поскольку струйное течение – это один из высотных ветров, которые курсируют на большой скорости высоко в небе, усмотреть связь между поверхностью Земли и самым потолком тропосферы может быть непросто. Однако именно струйные течения часто обвиняют во всем подряд – от арктических морозов до иссушающей жары. Возникает вопрос: почему же ветер, который дует где-то в тринадцати километрах над поверхностью Земли, оказывает такое существенное влияние на погоду у самой поверхности?

Струйное течение змеится над Атлантическим океаном и соединяет на этой высоте воздух над Северной Америкой и Европой. Оно принадлежит к крупному семейству сильных высотных ветров, которые проносятся над Землей в средних широтах и носят общее название волн Россби. Если посмотреть на полюса нашей планеты из космоса, можно увидеть, что эти ветры образуют в Северном полушарии венчик из воздушных волн, которые иногда расширяются, иногда сокращаются, но всегда движутся по кругу в восточном направлении. Эти ветры формируются там, где полярный воздух сталкивается с тропическим. Официальное название струйного течения над Атлантическим океаном – Полярное струйное течение. Холодный воздух движется на юг, теплый воздух – на север. Эти две воздушные массы встречаются над средними широтами, однако в силу неустойчивой природы этих ветров могут распространяться дальше на север или на юг.

Центральные ветры струйного течения обычно самые сильные, особенно если поток скорее зональный (прямой), чем интенсивный (с минимумами и максимумами). К северу от этих высотных ветров воздух холоднее, к югу – теплее. Это хороший способ определить тип воздушной массы (холодная или теплая), которая накрыла определенный район: надо выяснить, по какую сторону от основной струи он находится. Чем больше разница температур, тем сильнее струйное течение, и тем большее влияние оно оказывает на погодные условия у поверхности Земли.

Выраженная разница температур также создает в этой зоне значительные различия в давлении. Почему? Холодный воздух тяжелее, чем теплый, и оттого начинает спускаться вниз. Поэтому в столбе холодного воздуха быстро начинает падать давление по сравнению с окружающим теплым воздухом. Еще одно объяснение заключается в том, что скорость изменения давления в холодном воздухе больше, потому что его масса с высотой быстрее меняется: воздух все сильнее сжимается, оттого и изменения происходят быстрее.

Граница между холодным и теплым воздухом вдоль струйного течения выражена четко. Хотя мы знаем, что воздух обычно перетекает из зоны, где воздуха больше, в зону, где его меньше (от высокого давления к низкому), абсолютно прямого пути из одной в другую не будет – этому мешает вращение Земли. Ветры, следующие в зону низкого давления, отклоняются силой Кориолиса. Таким образом, струйные течения движутся в соответствии с разницей температур, однако они всегда будут отклоняться, поскольку воздух стремится сгладить эту разницу.

Зимой разница температур между полюсами и тропиками значительно больше, поскольку тропики в течение года теряют не так много тепла, в то время как Северный полюс окутан полной темнотой и погружен в холод. Поэтому струйные течения сильнее всего зимой, как и разница давления. Все это оказывает влияние на распределение давления на поверхности, а следовательно – и на ветер, дождь и бури. Форма, местоположение и мощность областей пониженного давления, многие из которых образуются над открытыми водами, определяются струйным течением. Если эти ветра сильные, то течение почти наверняка окажется зональным или прямым – с запада на восток. Оно почти не отклоняется, так что погодный фронт быстро следует курсом через Атлантический океан. Тогда говорят о мобильности погодного фронта, а если струйное течение проходит близко к суше, например, Великобритании, то это часто ведет к ветреной и влажной погоде.

Зимой 2013–2014 годов Великобритания оказалась на пути последовательно сменявших друг друга погодных фронтов. Струйное течение проходило прямо над островом. Поэтому, хоть погода и была сравнительно мягкой, в некоторых районах страны за зиму было зафиксировано наибольшее число осадков за историю наблюдений. Особенно много их выпало на Сомерсетских равнинах; бури и штормовой ветер привели к немалым повреждениям.

Когда струйное течение проходит над Великобританией, погода часто меняется, но обычно остается ветреной и влажной. Если струйное течение забирает к северу от Великобритании, то страна оказывается по его теплую сторону, что обеспечивает более теплые и мягкие погодные условия. Летом в таких случаях бывает очень тепло, а на севере идут дожди – вплоть до Исландии. Если струйное течение проходит к югу от Великобритании, остров оказывается по холодную сторону, температура становится низкой, так что зимой действительно может наступить зима – со снегом, льдом и морозами.

Как влияет на погоду форма струйного течения?

Форма струйного течения очень важна для определения местоположения зон высокого и низкого давления: от нее зависит, будет ли фронт блокирующим или мобильным. Представьте себе быстро текущую по шлангу воду: из распылителя она буквально вырывается во всех направлениях. Высокое давление в шланге сменяется низким снаружи. Похожий механизм можно наблюдать в струйном течении, когда воздух вырывается из центральной части потока сильных ветров. На освободившееся место воздух поступает снизу: он быстро поднимается и образует облака, дожди и сильные ветры.

На входе в струйное течение воздух движется быстро, воздушная масса сверху сокращается, в результате у земли образуется зона низкого давления. В игру вступают и другие динамические факторы: у воздушных столбов имеется собственный компонент вращения – так называемая завихренность, и его сила зависит от изменения скорости и направления ветра с набором высоты. При усилении этого вращения у поверхности земли формируются более глубокие области низкого давления, что может привести к ухудшению погодных условий. Таким образом, можно сказать, что взаимодействие верхних и нижних слоев атмосферы проявляется в распределении давления воздуха и температуры, которое придает дополнительную энергию погодным системам.

Что такое ложбины и гребни?

Ложбины образуются, когда воздух направляется к югу, что способствует образованию систем низкого давления. Когда струйное течение ныряет сначала на юг, а затем на север, подобно букве U, на поверхности воздух резко поднимается вверх, вызывая облачность и дожди. Поэтому форма струйного течения – хороший индикатор того, над какими регионами будут формироваться области низкого давления. Гребни струйного течения вызывают высокое давление, то есть нисхождение воздуха, что приводит к спокойной стабильной погоде.

Когда в струйном течении несколько изгибов и волн, вся система распространяется медленнее, как полноводная река, текущая по равнинному ландшафту, лишь изредка выбирая более прямой путь. Когда течение реки встречает сопротивление скал или донного осадка, река начинает извиваться, а порой и вовсе останавливается. Если же течение извивается, оно замедляется, и распространение воды задерживается; это же относится и к струйному течению. Летом, когда высокое давление удерживается почти постоянно, сильная жара может сохраняться надолго, но если Великобритания оказывается в зоне низкого давления, которой некуда деться из-за блокирующего нисходящего потока воздуха, то дождь может продолжаться весьма значительное время.

В других частях света действуют свои собственные струйные течения. В особенности это относится к Японии и Северной Америке. В этих регионах живет значительная часть населения Земли, и климат здесь располагает к хорошим условиям существования: большую часть времени здесь не слишком жарко и не слишком холодно, дождь идет, но не стеной, сохраняется идеальный баланс солнечного света и облачности, выражена смена времен года, земля плодородна и растительность обильна. За все это нужно сказать спасибо струйному течению, которое приносит с собой перемены погоды и сохраняет температуру воздуха на умеренном уровне, пригоняя с океанов теплый воздух зимой и сдерживая жару во время повышения континентальных температур летом: чрезвычайные погодные условия могут возникнуть здесь только при блокировании широких систем давления.

Что такое погодная бомба?

Если вы слышите выражение «погодная бомба», то, возможно, сразу представляете, как правительства или организации стараются овладеть силами погоды, чтобы изготовить бомбу и куда-нибудь ее сбросить, например, наслать на какой-нибудь город ураган или торнадо. Идея использовать энергию урагана или молний не так уж утопична, но сделать из нее бомбу?! Итак, что же такое погодная бомба на самом деле? Ее подлинное метеорологическое название – взрывной циклогенез – может помочь в этом разобраться.

Вы, наверное, уже слышали о тропических циклонах – масштабных деструктивных погодных системах, существующих в тропическом поясе мира; вариациями таких тропических циклонов являются ураганы и тайфуны. Существуют и нетропические циклоны – это области низкого давления, образующиеся в средних широтах. Хотя они формируются не так, как их тропические родственники, основной принцип их работы одинаковый: воздух в центре области низкого давления вращается по часовой стрелке (в Северном полушарии) или против часовой стрелки (в Южном полушарии). Этот приток воздуха на поверхность приводит к конвергенции, так что воздух начинает подниматься вверх. Именно такое развитие и укрепление циклонов мы и называем циклогенезом.

Рождение бури

Мы должны начать рассказ с полярного струйного течения – быстро движущейся высоко в атмосфере полосы воздуха, которая извивается над средними широтами. Она перемещается со скоростью 250–300 километров в час на высоте 9–12 километров, и именно этот быстрый ветер отделяет холодный воздух с полюсов от теплого воздуха тропиков. Извиваясь, он перераспределяет теплый и холодный воздух по регионам. Для Великобритании наибольшее значение имеет движение этого струйного течения вокруг Северной Америки и через Атлантику. Если течение сильно отклоняется к северу или югу, у поверхности начинаются небольшие колебания – конвергенция и дивергенция: воздушные потоки либо сходятся, либо расходятся. Если говорить о зонах низкого давления, то нас больше интересуют зоны конвергенции. Когда воздушные потоки сходятся, единственное направление, в котором воздух может проследовать дальше – вверх. Восходящее движение воздуха создает область низкого давления у поверхности, и именно в этот момент формируется циклонная погодная система.

При подходящих исходных условиях атмосферы эта только что образовавшаяся небольшая область низкого давления продолжает расти и развивается в циклонную погодную систему средних широт. Образуются холодный, теплый и окклюдированный фронты. Весь процесс циклогенеза от рождения до зрелости обычно занимает от трех до пяти дней. Однако если струйное течение особенно сильное и в нем имеются значительные колебания, то этих условий уже достаточно для циклогенеза. Воздух быстро поднимается вверх, а давление у поверхности так же быстро падает. Если давление снижается более чем на 24 миллибар за 24 часа, этот процесс называют «взрывным циклогенезом». Другое его название – «рождение бомбы» или «погодная бомба». Порой жестокая буря в средних широтах рождается буквально из ничего за сутки-другие.

Хотя термины «взрывной циклогенез» и «погодная бомба» используются в метеорологии десятилетиями, ведущие газеты и социальные сети заинтересовались ими лишь в последнее время. Часто можно встретить тревожные заголовки или посты о «погодных бомбах» с описанием самых апокалиптических сценариев. В реальности же подобные бури постоянно случаются в средних широтах, и по большей части это просто неприятные погодные явления, вызывающие высокие волны, сильные ветры и дожди. Не то чтобы мы хотели сказать, что этого всего не надо опасаться. Поскольку они образуются очень быстро, модели компьютерного прогнозирования не всегда справляются с предсказанием и отслеживанием погодных бомб. Мы часто можем с уверенностью предсказать наступление штормовой погоды с потенциально разрушительными ветрами. Однако необходимо постоянно проверять наши прогнозы, поскольку данные о том, где и когда погодные условия окажутся наиболее суровыми, могут меняться.

Среди погодных бомб, поражавших Великобританию в обозримом прошлом, можно назвать ураган «Дорис» (февраль 2017 года), в ходе которого погибла женщина, и еще два человека получили тяжелые травмы. Скорость ветра в горах Северного Уэльса доходила до 42 м/с, а в низинах составляла 27–34 м/с. Тысячи домов остались без электричества, значительный ущерб понесла дорожная инфраструктура.

Другой печально известной погодной бомбой была Великая буря 1987 года, которая прошлась по югу Великобритании. Компьютерные модели того времени не смогли отследить распространение бури, и предупреждений не появлялось, пока не стало слишком поздно. Порывы ветра доходили до 45 м/с, что привело к смерти 18 человек и падению по меньшей мере 15 миллионов деревьев.

Где находится полоса штилей?

Полоса штилей – это экваториальная зона океана, в которой ветры обычно спокойны, однако порой могут сменяться внезапными сильнейшими бурями, а также непредсказуемо менять направление. Полоса штилей занимает пояс между 5 градусами северной широты и 5 градусами южной широты. Когда моряки говорили о полосе штилей, они опасались вовсе не промедления в плавании: полоса штилей, по слухам, вообще могла не позволить кораблю добраться до места назначения. Проблема была не в том, что корабли с грузами опаздывали: вступление в полосу штилей резко снижало шансы на выживание. «Сказание о старом мореходе»[17] удивительно точно описывает болезненное и мучительное плавание в полосе штилей.

Погода в море в принципе часто бывает экстремальной: в открытом океане снижается эффект трения, так что ветры дуют сильнее. Над теплыми тропическими водами происходит глубокая конвекция воздуха, и часто возникают опаснейшие бури с громами, молнией и штормовыми ветрами. Но полоса штилей – нечто совершенно иное. Это капризное, переменчивое создание, которое завлекало моряков в зону видимого спокойствия, без доминирующих ветров или сильных океанических течений, мешая добраться до дальних берегов. Воздух здесь поднимается вертикально, вместо того чтобы двигаться по горизонтали. Однако эта зона характеризуется не только спокойной погодой. Тропический воздух насыщен влажностью и крайне нестабилен. Бури начинаются буквально из ниоткуда, атмосфера наэлектризована и в любое мгновение готова вспыхнуть и разразиться грозой. И тогда в каждую секунду ветер может задуть в каком угодно направлении, но его хаотические порывы и удары молний лишь вредят кораблю, никак не способствуя его продвижению.

Полоса штилей – одно из проявлений более крупного глобального феномена, существующего в этих тропических широтах – внутритропической зоны конвергенции. Чтобы понять свойства полосы штилей, мы должны сперва получше разобраться в характеристиках внутритропической зоны конвергенции. Как следует из ее названия, это зона шириной в несколько тысяч километров, где происходит конвергенция воздуха. Здесь сходятся друг с другом два типа пассатов – одни пассаты дуют в сторону экватора с севера, другие – в сторону экватора с юга. Те и другие слегка отклоняются силой Кориолиса в восточном направлении. Представьте себе классическую модель из трех атмосферных ячеек, в которых воздух циркулирует в горизонтальном и вертикальном направлении; восходящий и опускающийся воздух распространяет поверхностные ветры на север и юг. Когда ячейки расположены близко друг к другу и к экватору, ветры встречаются друг с другом и воздух поднимается вверх. Именно здесь происходит конвергенция воздуха из двух типов ветров и формируется полоса штилей. Этот район известен как полоса бурь, сильной жары и влажности, так как воздух характеризуется значительной конвективностью. Зона не стоит на одном месте: когда в Северном полушарии лето, она продвигается к северу от экватора: в это время солнечное излучение здесь самое сильное. Когда лето в Южном полушарии, зона смещается к югу от экватора. Во время весеннего и осеннего равноденствия, пока Солнце светит прямо над экватором, внутритропическая зона конвергенции тоже находится прямо над экватором. Когда же она дрейфует от экватора, в игру вступает сила Кориолиса, вращение Земли начинает все более значительно влиять на циркуляцию воздуха. Значительный импульс приобретают локализованные бури. Здесь развиваются глубокие системы низкого давления: действие внутритропической зоны конвергенции сочетается с волновыми возмущениями с востока, вызванными очень теплыми морями. Это территория тропических циклонов.

Внутритропическая зона конвергенции, проходящая через Индийский субконтинент, называется муссонной ложбиной и вызывает сильные сезонные дожди, которые летом Северного полушария распространяются на север к Пакистану, Бангладеш и Мьянме. Когда же лето наступает в Южном полушарии и Внутритропическая зона конвергенции смещается к югу от экватора, сезонные дожди усиливаются на севере Австралии и в Полинезии. Хоть в полосе штилей близ экватора и царит видимое спокойствие, тропические дожди и бури совсем рядом.

Одинаковый ли климат Северном и Южном полушариях?

Погода на нашей планете и климат в частности управляются довольно простыми механизмами. Один из них – превращение поверхностью земного шара энергии света в энергию тепла и последующее распределение этой энергии тепла по планете. Солнечный свет оказывает на сушу значительно более краткосрочное влияние, чем на морские воды. Суша более плотная, и световые волны могут проникать внутрь лишь на несколько сантиметров, прежде чем отразиться обратно в нижние слои атмосферы в виде инфракрасного излучения или тепла. Когда энергия солнечного света теряется (за ночь или за зиму), земля быстро остывает, и температуры воздуха могут резко пойти вниз. Океаны и моря поглощают солнечный свет медленно, причем он достигает таких глубин, на которые никогда не смог бы проникнуть на суше. Это значит, что летом температура морской воды всегда будет ниже, чем температура близлежащей суши. Но медленное высвобождение этого тепла означает, что открытые воды будут более теплыми зимой. Яркая противоположность этому – смена дня и ночи в пустыне. Например, в «жаркой» Сахаре дневной зной может быть просто невыносимым, но звездной ясной ночью, когда между землей и небом нет ничего, что могло бы удержать тепло (к примеру, облака служат хорошими теплоизоляторами), становится достаточно холодно. Таким образом, суточный перепад температур оказывается очень существенным: ночью холодно, днем жарко. Соотношение суши и моря имеет большое значение для масштабных погодных моделей. Рассмотрим это соотношение для обоих полушарий:

• Суша: в Северном полушарии больше суши, чем в Южном. Поэтому, поскольку суша летом служит своеобразным нагревательным элементом, Северное полушарие разогревается сильнее. Однако в зимние месяцы континентальные воздушные массы могут быть невероятно холодными.

• Океаны: в Северном полушарии меньше открытых вод, чем в Южном. Это приводит к значительным различиям в распределении воздушных и океанических течений на севере и на юге. Как уже говорилось, волны Россби – один из главных факторов установления мобильной и переменчивой погоды в средних широтах Северного полушария. Эти волны образуются благодаря значительному контрасту температур между Северным полюсом и тропиками, формирующему мощную полосу высотных ветров, которые определяют погоду у поверхности Земли. Теплые океанические течения – Гольфстрим в Северной Атлантике и Куросио в северной части Тихого океана – оживляют их. Они не только выравнивают температуры воздуха, но и, доходя далеко на север, при взаимодействии с атмосферой способствуют перераспределению тепла и влажности по всему Северному полушарию от полюса до экватора.

В Южном полушарии ситуация совершенно иная: самое мощное океаническое течение здесь – Антарктическое циркумполярное. Это огромная масса воды, текущая по высоким широтам Южного полушария. Она действует как гигантская подводная стена, препятствующая попаданию теплого воздуха на юг. Интересно, что соответствующее южное струйное течение значительно сильнее благодаря чрезвычайному температурному контрасту между тропиками и Антарктидой – самым холодным местом на Земле. Кроме того, поскольку суши, которая могла бы сформировать дополнительные максимумы и минимумы воздушного потока, мало, струйное течение оказывается более зональным, а ветер, соответственно, более сильным.

Где в мире?

Самое влажное место: Индия (Северное полушарие)

Самое засушливое место: пустыня Атакама (Южное полушарие)

Самое холодное место: станция «Восток», Антарктида (Южное полушарие)

Самое жаркое место: Долина Смерти (Северное полушарие)

Самое солнечное место: Юма, штат Аризона (Северное полушарие)

Самое ветреное место: Веллингтон, Новая Зеландия (Южное полушарие)

А что по широтам?

70 градусов северной широты: умеренные хвойные леса в Скандинавии, России, Гренландии и Канаде

45 градусов северной широты: средиземноморский климат – теплые моря, мягкие зимы, жаркое лето

30 градусов северной широты: преимущественно сухо и жарко, в этих широтах расположены крупнейшие пустыни

Экватор: тропическая область мира: жаркая, влажная, поросшая роскошными дождевыми лесами

30 градусов южной широты: преимущественно сухо – сюда относятся южная часть Африки и пустыни Австралии

45 градусов южной широты: ледники и хвойные леса

70 градусов южной широты: необитаемые берега Антарктиды, родной дом пингвинов и айсбергов

Циклоны, ураганы и торнадо

Возможно, вы видели спутниковые изображения крупных бурь с очень отчетливыми центрами – так называемыми глазами бури. Проносясь над землей, они оставляют за собой множество разрушений. На изображении, которое вы видели, мог быть ураган, циклон или тайфун – все они на самом деле выглядят одинаково. Более того, по сути все это одно и то же: погодные системы, которые могут порождать ливневые дожди и ветер с устойчивой скоростью в сердцевине бури как минимум 33 м/с. В метеорологии мы называем такие системы тропическими циклонами; как следует из их названия, они образуются в тропиках и формируются совершенно одинаково: тропическая депрессия (зона пониженного давления) усиливается до тропической бури, а затем может потенциально стать тропическим циклоном. Все они ведут себя примерно одинаково – так в чем же разница? Оказывается, дело в географии.

Ураганы – это тропические циклоны, которые образуются в Атлантическом океане или в восточной части Тихого. Они оказывают воздействие прежде всего на Карибский регион, Центральную Америку и США. Официально сезон ураганов длится с июня до конца ноября, период наибольшей активности – конец августа и сентябрь. В это время отмечается значительная разница температур между теплой поверхностью океана и воздухом наверху. Когда тропическая система официально получает статус бури, ей дается имя, официально одобренное советом Всемирной метеорологической организации – органом, отвечающим за все названия тропических циклонов. Существует шесть списков имен, которые сменяют друг друга каждые шесть лет и начинаются с буквы А, при том мужские и женские имена чередуются, а буквы Q, U, X, Y и Z пропускают.

Согласно данным Национального центра ураганов в Майами, среднее число поименованных тропических бурь – 10 в год, при этом в среднем шесть из них становятся ураганами, а 2–3 – мощными ураганами (с максимальной устойчивой скоростью ветра выше 50 м/с). Самый мощный в истории наблюдений ураган – Патрисия, возникший в восточной части Тихого океана в октябре 2015 года. В пиковый период давление в его центральной части составляло 872 миллибара, а максимальная устойчивая скорость ветра превышала 96 м/с. Ураган Патрисия нанес удар по западу Мексики, причинив ущерб на 460 миллионов долларов.

Тайфуны – это тропические циклоны, возникающие в западной части Тихого океана. Они могут оказывать воздействие на множество стран: от Индонезии и Филиппин до Китая, Тайваня и Японии. Хотя тайфуны могут формироваться в любое время года, обычно они возникают в период с мая по октябрь, а чаще всего – в августе. Разрушительному воздействию ураганов подвержена вся Юго-Восточная Азия, однако больше всего страдает от них север Филиппин (северная и центральная часть острова Лусон). Тайфуны возникают так же, как ураганы: тропическая депрессия в западной части Тихого океана развивает устойчивую скорость ветра до 17 м/с и становится тропической бурей, после чего получает название. Региональный специализированный метеорологический центр в Японии определяет наименование тайфуна, но сами имена изначально обсуждаются всеми странами, которым тайфуны угрожают. Самый мощный тайфун за всю историю наблюдений – супертайфун Хайян. В 2013 году он опустошил Филиппины; погибли более 6000 жителей. В пиковый период этого тайфуна устойчивая скорость ветра доходила до 87 м/с. Как и в случае с большинством тропических циклонов, основные разрушения причинил не ветер, а штормовые приливы, вызывавшие масштабные наводнения. Так, в городе Таклобане многие здания просто смыло – разрушено было около 90 % города.

Циклоны рождаются в тропической циклонной системе, сформировавшейся в Индийском океане. Они оказывают воздействие на Австралазию[18] на востоке и Мадагаскар на западе. Системы, сформированные в Бенгальском заливе и действующие на Шри-Ланку и Индию, как и те, что образуются в Аравийском море и воздействуют на некоторые страны Персидского залива, тоже проходят в метеорологии как циклоны. Отслеживанием и прогнозированием циклонов в районе Австралазии занимается Австралийское метеорологическое бюро, и оно же именует циклонную систему после того как она становится тропической бурей. Сезон циклонов в Австралии длится с ноября по апрель, в год их обычно около 13. Лишь половина из них сильные, а некоторые и вовсе не достигают земли.

Ураганы и тайфуны образуются в Северном полушарии и вращаются против часовой стрелки из-за силы Кориолиса. Циклоны, образующиеся в Индийском океане, вращаются так же. Однако циклоны южного полушария, действующие в Австралазии, вращаются по часовой стрелке. Самый мощный циклон за историю наблюдений – BOB 06 (название дано Индийской метеорологической службой), возникший на севере Индийского океана и обрушившийся в 1999 году на штат Одишана северо-востоке Индии. Он был классифицирован как очень сильный циклон, максимальная устойчивая скорость ветра составляла 72 м/с, а штормовая волна высотой 5–6 метров захлестывала на 30 километров вглубь штата. Вода полностью затопила многие города и села, погибли более 10 тысяч жителей, общий ущерб составил более 4 миллиардов долларов.

Формирование тропического циклона: три ингредиента

Мы уже отмечали, что ураганы, тайфуны и циклоны – это один и тот же тип бури, все они могут быть отнесены к «тропическим циклонам». Мощнейшие из них могут вызывать масштабные разрушения, если придутся на сушу и населенные районы, так что очень важно, чтобы метеорологи смогли заранее предупредить о возможном их наступлении. Понимание структуры, развития и жизненного цикла тропических циклонов необходимо для формирования четких инструкций по борьбе с их возможным воздействием, и это понимание нужно начинать формировать уже в момент зарождения циклона.

Давайте же проследим за образованием урагана. Сентябрь, пик сезона ураганов – и мы начинаем свое путешествие в Сомали. Примерно в 3 километрах вверх от нас африканское восточное струйное течение движется с востока на запад на скорости около 50 км/ч. День жаркий, что создает значительные восходящие потоки, и движение воздуха в струйном течении слегка отклоняется. Это тропическая волна – возмущение атмосферы, по которому можно судить о последующих событиях. Возмущение атмосферы нарастает по мере того, как течение движется над Африкой, вызывая сильные грозы. Это первый ингредиент.

Теперь мы уже в Кот-д’Ивуаре, и здесь очень влажно из-за проливных дождей, сопровождаемых молниями и громом. Велик и риск наводнения. Грозы начинают сливаться друг с другом, теперь волна получает статус «тропической депрессии» (организованной области низкого давления). Тропическая депрессия, движимая восточным ветром, отходит от западного побережья Африки и начинает пересекать открытые воды восточной Атлантики. Сейчас могут быть два пути развития событий. Если температура поверхности воды ниже 26 °C, тропическая депрессия начнет ослабеватьи в итоге закончится. Однако, если температура выше 26 °C, то у нас есть второй ингредиент. Это критическая температура, которая дает достаточно энергии для дальнейшего развития тропической депрессии.

Теперь она движется через центральную часть Атлантического океана под воздействием восточного ветра и с небольшим дополнительным ускорением, которое придает ей вращение Земли. Посмотрим, как ведет себя в атмосфере в области нашей тропической депрессии ветер. В особенности нас интересует изменение скорости и направления ветра с высотой – так называемый ветровой сдвиг. Сильный ветровой сдвиг попросту разорвет нашу тропическую депрессию, ослабляя уже образовавшийся было полноценный ураган. Однако если ветровой сдвиг отсутствует или незначителен, его развитие продолжается. Это наш третий ингредиент. Когда скорость поверхностного ветра устанавливаетсявыше 17 м/с, явление получает статус «тропической бури». Именно в этот момент ему дается имя.

Чтобы тропическая буря продолжала движение в западном направлении, температура поверхности океана должна оставаться выше 26 °C, а ветровой сдвиг в атмосфере – незначительным. Кроме того, подобные бури не любят пыль: она может замедлить их дальнейшее продвижение. Наличие пыли и песка, захваченных в Сахаре и вынесенных ветрами на много километров в море, разрушает структуру бури и лишает ее потенциала для дальнейшего развития. Эта взвешенная пыль создает сухой и горячий слой, известный как Сахарский воздушный слой.

Итак, все необходимые ингредиенты по-прежнему на месте, так что наша тропическая буря продолжает усиливаться, и когда скорость поверхностных ветров превысит 33 м/с, можно будет считать, что полноценный ураган сформирован. Теперь нам надо обратиться к шкале Саффира – Симпсона для характеристики потенциального ущерба от этого урагана. Варианты этой шкалы впервые использовались еще в 1960–1980-е годы. Она описывает интенсивность и возможный ущерб от погодных явлений. В расчет берутся давление в центре урагана, скорость ветра и потенциальная штормовая волна, однако в последнее время единственный критерий оценки и присвоения урагану категории – максимальная устойчивая скорость ветра, от 1 (самая низкая) до 5 (самая высокая).

Шкала ураганов Саффира – Симпсона, Национальная администрация по вопросам океана и атмосферы (обновленная версия от 1 февраля 2012 года)

Что происходит, когда ураганы отклоняются от своего пути?

Большинство ураганов начинают свой путь в качестве тропических депрессий или бурь в районе островов Зеленого Мыса у побережья Западной Африки. Если условия для образования тропической бури подходящие, она направится на запад через Атлантический океан под воздействием преобладающих в этих широтах восточных пассатов. Эти пассаты, как правило, продолжают гнать тропическую бурю (а затем и образовавшийся из нее ураган) дальше на запад через океан.

Глобальный ветровой режим не только приводит к появлению знаменитых пассатов, но и формирует большие области высокого и низкого давления. Например, субтропический Азорский антициклон на востоке Атлантического океана – почти постоянно действующая зона высокого давления. Ветры дуют по часовой стрелке вокруг сравнительно тихого центра этой зоны, направляя бури вовне. Более того, многие более мелкие системы низкого давления захватываются южным флангом потока этой мощной системы высокого давления, которая тянется через Атлантику вплоть до Бермудских островов.

Точное местоположение Азорского антициклона может сильно повлиять на пути бурь и ураганов на севере Атлантики. Если антициклон достаточно слаб и не доходит до крайнего запада, ураган все равно пройдет по его краям, но, скорее всего, отклонится на север гораздо раньше обычного и направится в воды Северной Атлантики, где не будет угрожать никакой обитаемой земле. Мы называем такие бури «рыбными штормами». Таким образом, метеорологи тщательно изучают дислокацию субтропического антициклона, поскольку если он обосновался в центре Атлантического океана, то это сулит очень активный сезон ураганов.

Маршруты тропических бурь и ураганов относительно субтропического гребня

Субтропический антициклон показывает общее направление маршрута, по которому может проследовать буря или ураган, однако его точный маршрут будет зависеть и от других погодных и ветровых систем, которые будут действовать в это время и над Атлантическим океаном, и даже над Северной Америкой. На направление бури воздействие оказывают также теплые моря.

Как только бури и ураганы отклоняются сначала к северу, а затем к северо-востоку, вдоль периферии субтропического циклона, они обычно оказываются в средних широтах и начинают возвращение в центральные области океана. Именно на этом этапе они постепенно утрачивают ингредиенты и характеристики, которые и дали право считать их тропическими бурями, теперь это экстратропические бури. В центральной части Атлантического океана такие бури подхватываются преобладающими юго-западными ветрами и полярным струйным течением и направляются в сторону Европы. При определенных условиях на пути экстратропических бурь может оказаться Великобритания, и результатом станет штормовая погода. В этом случае мы называем такую бурю экс-ураганом Х, где X – изначальное название урагана.

Хоть мы и описали типичный вариант продвижения бурь и ураганов, ситуация в атмосфере на самом деле куда сложнее. И в этом одна из прелестей метеорологии: нет двух полностью одинаковых погодных систем или ситуаций.

Во-первых, не все ураганы берут начало в районе островов Зеленого мыса. Часть из них зарождается над Карибским морем, другие начинают существование у прибрежных вод Центральной Америки в виде гроз, а затем движутся на север через Мексиканский залив и по дороге развиваются в бури и ураганы. Во-вторых, в зависимости от положения и силы субтропического антициклона некоторые бури и ураганы, начинающиеся в восточной части Атлантического океана, даже не доходят до середины океана, а направляются на север, как это произошло с ураганом «Офелия».

Необычный случай урагана «Офелия»

В октябре 2017 года, в сезон ураганов, над восточной частью Атлантического океана сформировалась небольшая область низкого давления. Через несколько дней колебаний она начала выказывать признаки развития в тропическую бурю. Национальный центр ураганов следил за ситуацией, и, хотя температура поверхности океана не так уж благоприятствовала дальнейшему развитию, «Офелия» все-таки стала ураганом. Через несколько дней, несмотря на местоположение, ураган получил статус крупного (категория 3) и установил рекорд, став самым восточным крупным ураганом для эры спутниковых наблюдений. Следить за этим было захватывающе – ситуация представлялась очень необычной.

Подвергнувшись влиянию других погодных условий, «Офелия» отправилась на север, пройдя близ побережья Португалии. Все это время ураган ослабевал и наконец получил статус экстратропического. В результате бывший ураган «Офелия» пришел в Ирландию, и хотя формально он уже не был ураганом, скорость ветра в нем была вполне ураганной. «Офелия» пронеслась по Великобритании, а последствия бури ощущались впоследствии и в Норвегии. Еще одним последствием этого урагана стало то, что красная пыль из Сахары и пепел лесных пожаров добрались до Португалии. Когда пепел и пыль висели в местном небе, это экстраординарное явление было заснято на камеру: над Западной Европой можно было увидеть мрачное, но впечатляющее красное солнце в красно-оранжевых небесах.

Зачем влетать в ураганы?

Точное прогнозирование тропических бурь и ураганов жизненно важно для определения направления их воздействия. Если не принять должных мер, ураган может вызвать масштабные разрушения, травмы и гибель людей. С экономической точки зрения тоже важно знать, куда может прийти ураган, поскольку урон от него для правительств и страховых компаний может составить миллиарды долларов. В этой главе мы будем говорить о мониторинге и предсказании ураганов, однако соответствующие процессы очень схожи и для циклонов с тайфунами.

Прежде чем составить прогноз погоды, необходимо получить четкую картину состояния атмосферы. Существует довольно много методов фиксации наблюдений за природой – за тем, что происходит и на земле, и в небе. После введения спутниковых систем в 1980-е годы мы получили возможность гораздо точнее представить себе атмосферу, поскольку с помощью спутниковых технологий можно изучать условия над океанами и отдаленными участками суши – теми местами, куда физически добраться довольно тяжело.

До появления спутников у нас была обширная сеть станций метеонаблюдений на земле, но лишь отдельные точки наблюдения в морях и океанах – корабли и океанические буи. Однако проблема заключалась в том, что ураганы как раз формируются и развиваются над океанами – там, где просто не было возможности измерить соответствующие условия. Лишь в 1943 году состоялся первый управляемый разведывательный полет в ураган категории 1, угрожавший техасскому городу Галвестону. Сейчас же в США есть специальная команда «охотников за ураганами», которые вылетают в воздушное пространство над Атлантическим океаном или над восточной частью Тихого океана и проводят метеорологические измерения развивающихся бурь и ураганов.

В первые годы перед охотниками за ураганами ставилась задача влететь в бурю с набором инструментов на борту, посредством которых измерялись атмосферное давление и скорость ветра во всех районах бури. Эти измерения позволяли оценить ее интенсивность и обеспечить данными модели компьютерного прогнозирования, которые должны были предоставить прогноз по маршруту и развитию бури. Одно дело – просто влететь в развивающуюся тропическую бурю с ветрами, развивающими в центре скорость около 30 м/с. И совсем другое – влетать в глаза крупнейших ураганов, где устойчивая скорость ветра могла составлять более 70 м/с, а порывы – гораздо сильнее.

Вы можете подумать, что эти люди сумасшедшие: действительно, кто захочет по доброй воле отправиться в самое сердце самой разрушительной погодной системы на Земле? Однако они вовсе не безумцы, гоняющиеся за славой, это вполне прагматичные люди. Главное для них – избежать в буре серьезной турбулентности, тех вертикальных потоков воздуха, которые порой доставляют нам неприятности во время обычных рейсов гражданской авиации. Внутри урагана эти вертикальные ветры теоретически могут даже оторвать самолету крылья. Пилоты могут определить сильную турбулентность при помощи бортовых приборов и облететь ее. Хоть после этого они и будут лететь посреди сильных порывов ветра вплоть до 72 м/с в самых мощных ураганах, все-таки это будут прямые ветры, которые не должны представлять проблем и для пилотов пассажирских самолетов.

Конечно, нельзя сказать, что полеты в ураганах вообще не представляют никакой опасности. Охотник за ураганами Джек Пэрриш из Национального управления по исследованию океанов и атмосферы рассказал нам, что с детства интересовался метеорологией, и стать охотником за ураганами представлялось ему недостижимой мечтой – примерно как любить космос и мечтать стать астронавтом. О своем первом урагане 1980 года по имени «Аллан» он вспоминал, что в первый день пролет через глаз бури показался ему не намного сложнее обычного полета на пассажирском самолете. Однако второй день был куда более экстремальным. Сильная турбулентность сдвинула с места большую часть инструментов на борту, и они начали летать по кабине, в итоге день в основном прошел в попытках водворить их на место.

Охотниками за ураганами становятся либо пилоты Национального управления по исследованию океанов и атмосферы, либо пилоты эскадрильи погодной разведки ВМФ США. Те и другие собирают отличную друг от друга метеорологическую информацию, а в составе экипажа есть и метеорологи, и инженеры. Два пилота летят вперед, а пилотажный директор координирует миссию, консультируясь с ведущими метеорологами. Члены экипажа следят за показаниями приборов и сбрасывают метеозонды. Это трубки примерно с метр длиной, в них находятся датчики погоды и GPS-датчики. Из хвостового отсека самолета их сбрасывают прямо в бурю или ураган, что позволяет измерить давление, температуру и влажность, а GPS-датчик позволяет определить скорость и направление ветра. В заранее определенных точках сбрасывается около 50 таких зондов, и ученые могут получать данные в реальном времени. Когда охотники за ураганами проходят через глаз урагана, сбрасываемый ими зонд в конце концов оказывается в океане, предварительно отправив исследователям данные о давлении в центре.

Еще один ветеран охоты за ураганами, доктор Хью Уиллоуби, рассказал нам о худшем моменте в своей практике, когда в 1989 году он влетел в ураган «Хьюго». В районе его центра бушевала серьезная турбулентность, и у них отказал мотор! Кружа на трех моторах в зоне относительного спокойствия, они стали запускать плановые для такой чрезвычайной ситуации процедуры и искать пути выхода из урагана, чтобы избежать еще большей турбулентности. К счастью, их коллеги из другого самолета охотников за ураганами, тоже проводивших наблюдения за «Хьюго», смогли вывести их в зону незначительной турбулентности. Сейчас появление спутников значительно упрощает измерения, отслеживание и прогнозирование этих бурь, однако охотники за ураганами все еще играют важную роль в процессе. Если имеется информация о том, что ураган должен пройти по суше, охотники за ураганами выполняют множество заданий, вылетая в район бури, проводя измерения внутри бури, над ней и под нею. Полученные данные в реальном времени отсылаются для анализа метеорологам Национального центра ураганов в Майами. Эти новейшие данные становятся основой для компьютерных моделей прогнозирования ураганов и в итоге позволяют повысить точность прогнозирования маршрута и интенсивности бури.

Что такое штормовая волна?

Когда тропический циклон опускается на сушу, мы часто полагаем, что самое сильное воздействие окажет ветер. Однако самой опустошительной оказывается штормовая волна: она вызывает наводнение в прибрежных районах. Штормовые волны могут превышать 2–4 метра в высоту, а морская вода затопляет сушу на многие километры, так что неудивительно, что именно штормовые волны оказываются основным поражающим фактором циклона.

Как можно судить по самому названию, штормовая волна – это водяная волна, вызванная штормовыми системами, будь то масштабные тропические циклоны или менее крупные зоны низкого давления, образующиеся в средних широтах.

Надводные области низкого давления повышают уровень воды, но незначительно. На каждый миллибар падения давления приходится 10 миллиметров повышения уровня моря. Даже если не учитывать статистический шум от локального состояния моря или волн, то поверхность океанов и морей не остается неизменной, но варьирует в зависимости от распределения давления воздуха. Проще говоря, когда зона низкого давления оказывается над сушей, она вызывает значительное повышение уровня моря и вода обрушивается на берег, что может привести к затоплению. И это лишь одна часть общей картины.

Другое важное соображение – направление и сила ветра. Положение зоны низкого давления может направлять ветры в сторону берега, и в этом случае они гонят на сушу огромные массы воды. Чем сильнее ветер, тем мощнее волны. Если у побережья мелко, это тоже повышает вероятность наводнения.

Самая мощная штормовая волна за последнее время была вызвана в 2005 году крупным ураганом 5 категории – «Катрина», который разгонялся до 78 м/с. Сегмент бури, который направлял ветры прямо на берег, находился на правом фланге урагана, а именно там штормовая волна обычно самая сильная. Ураган налетел на западную и центральную часть дельты Миссисипи. Восьмиметровые волны проникли вглубь суши на 10 км, а по рекам и заливам – на все 20 км. Сильно пострадал Новый Орлеан. Наводнение и последующие разрушения были вызваны уничтожением более 50 дамб по всему городу. Катастрофа затронула более 80 % города. Дамбы были рассчитаны лишь на ураган 3 категории.

Большие штормовые волны не всегда связаны с тропическими циклонами. Зимой 1953 года Великобритания, Нидерланды и Бельгия пострадали от огромной штормовой волны: затоплены оказались большие территории, а более 2000 человек погибли. Причиной стала большая и глубокая зона низкого давления, которая продвигалась на юг в сторону Европы через Северное море. Такое сочетание положения депрессии с высокими приливами вызвало повышение уровня моря на 5,5 м. В Великобритании урон был нанесен около 1500 км береговой линии: из-за наводнений более чем 30 тысячам жителей пришлось покинуть свои дома. Самые серьезные наводнения произошли на островах близ северного побережья Шотландии, в Абердиншире, а также в Линкольншире, Норфолке, Суффолке и Эссексе. Погибли около 300 человек по всей Великобритании, еще 223 человека погибли в море во время бури. Эта природная катастрофа стала одной из самых смертоносных за всю историю Великобритании. В результате был предложен и впоследствии реализован проект дамбы на Темзе, которая открылась в 1984 году и была призвана защитить Большой Лондон от любых будущих штормовых волн с Северного моря.

Зачем давать имена бурям?

Вот уже много лет мы присваиваем имена тропическим циклонам по всему миру для их идентификации. Мы уже упоминали здесь такие имена разрушительных ураганов и тайфунов, как Катрина, Патрисия и Хайян.

Впервые погодные системы стали получать имена в 1887 году, когда австралийский метеоролог Клемент Рэгг стал неофициально называть тропические циклоны буквами греческого алфавита (такая система частично сохраняется до сих пор) и в честь персонажей древнегреческой и древнеримской мифологии. В 1907 году он вышел на пенсию, после чего именование тропических бурь и циклонов стало более запутанным. Некоторые группы и организации неофициально использовали женские имена. В США даже существовала официальная практика давать женские имена тайфунам. В армейской авиации сухопутных войск США стало популярным давать бурям имена жен и подруг. Эта практика распространилась, и на сезон 1945 года Вооруженные Силы США разработали официальный список женских имен тихоокеанских тайфунов. Однако именование бурь было популярно не везде: так, Бюро погоды США считало неподобающим наделять тропические циклоны человеческими именами. Использование именно женских имен тоже вызывало споры.

Только в 1977 году Всемирная метеорологическая организация посчитала необходимым установить более строгий контроль и правила для наименований тропических циклонов: была учреждена комиссия по ураганам, которая в том числе взяла на себя контроль над названиями атлантических ураганов. Решено было использовать алфавитный порядок и чередующиеся мужские и женские имена. Было сформировано пять списков имен, которые должны сменять друг друга каждые пять лет. Соответствующие центры отслеживания циклонов Тихого и Индийского океана последовали этому примеру, и сегодня списки утверждаются еще до начала сезона.

Для Северной Атлантики действует шесть списков имен, которые сменяют друг друга каждые шесть лет. Используются буквы от A до W, но без Q и U. Если все имена в списке уже использованы, то следующие бури получают названия по буквам греческого алфавита. Пока что такое произошло только один раз – в сезон 2005 года. Это был самый активный сезон в истории наблюдений: все ранее утвержденные имена закончились, и пришлось задействоватьшесть букв греческого алфавита: так появились ураганы Альфа, Бета, Гамма, Дельта, Эпсилон и Дзета.

Наделение бурь именами, как подтверждает история, помогает осуществлять коммуникацию и бороться с потенциальными проблемами, которые вызывают эти циклоны. Мы не очеловечиваем погодные явления – придание им имен позволяет четко координировать работу метеорологических центров и средств массовой информации, особенно если в одно и то же время развивается несколько депрессий.

В Великобритании официальная система именований бурь отсутствовала до 2015 года. До того некоторые крупнейшие бури получали неофициальные названия от метеорологических служб, и эти имена подхватывались средствами массовой информации. Наиболее крупной и известной бурей, особенно в метеорологических кругах, стал шторм «Святой Иуда» в октябре 2013 года, получивший название от сотрудников канала Weather Channel UK (соответствующий американский канал, Weather Channel US, стал регулярно давать название зимним бурям (не ураганам) в сезоне 2012–2013). Шторм «Святой Иуда» стал одним из крупнейших в Южной Англии и привел к 17 смертям по всей Европе. Поскольку название активно использовалось в прогнозировании и во время действия шторма, такой метод преподнесения прогнозов широкой публике был признан успешным.

В 2014 году Метеорологические службы Великобритании и Ирландии совместно разработали готовый список имен бурь, которые впервые были использованы осенью и зимой 2015–2016 годов. Целью создания списка было повышение информированности населения об опасности бурь и обеспечение безопасности. Имена даются по тому же принципу, который используется Всемирной метеорологической организацией: чередование мужских и женских имен по алфавиту от A до W, за исключением Q и U. Буря получает название, когда ученые принимают решение о том, что она способна оказать значительное воздействие на Великобританию и Ирландию посредством ветра, дождя, снега или сочетания этих факторов. Первой бурей, получившей название в соответствии с этим списком, стала «Абигейл» 10 ноября 2015 года. Во время этой бури максимальная скорость порывов ветра составляла 37,5 м/с и отмечалась на Внешних Гебридах у побережья Шотландии. Более 20 тысяч домохозяйств остались без электричества. Некоторая сложность с наименованиями, впрочем, заключается в том, что все бывшие тропические бури или ураганы, которые отклоняются в Атлантическом океане в сторону Великобритании и Ирландии, продолжают называться первоначальными именами, которые были даны Национальным центром ураганов США.

Торнадо: самые разрушительные природные явления на Земле?

Все мы примерно представляем себе, как выглядит торнадо. Воздушная воронка угрожающего вида спускается из большой черной тучи, достигает земли и наносит бесчисленные разрушения. Среди всех погодных явлений торнадо занимают довольно скромное место, однако могут вызывать едва ли не самые яростные ветры на всей планете. Собственно говоря, самый сильный ветер на Земле был зафиксирован в Эль-Рино, штат Оклахома, в 2013 году: его скорость составила 134,5 м/с.

Грозы часто предвещают появление торнадо, так что первое, что нам нужно – это образование большого количества грозовых облаков. Эти облака тянутся в атмосфере на многие километры, притом внутри облака действует вертикальная тяга – как вверх, так и вниз, что способствует высокой турбулентности. Именно эти облака вызывают град и удары молний. Наличие грозовых облаков обязательно, однако для формирования торнадо нужны еще некоторые предпосылки. Чаще всего они образуются, когда грозовые облака развиваются настолько сильно, что порождают так называемые дочерние ячейки – по сути, тоже грозовые облака. Все вместе они называются «сверхъячейками»: из-за них бывают особенно сильные грозы. Сами облака образуются после того, как тепло восходит с поверхности в атмосферу, и в сверхъячейках этот восходящий воздух особенно силен и быстр – он создает мощные восходящие потоки у основания облака. Внутри облака скорость и направление потока меняется очень быстро в результате так называемого ветрового сдвига. Все эти восходящие потоки и ветровой сдвиг приводят к образованию воздушного столба, то есть вихря, в основании облака. Этот вращающийся воздушный столб начинает засасывать все больше теплого воздуха с земли, а холодный воздух внутри вихря опускается вниз. Это нисходящее движение еще сильнее отрывает вихрь от исходного облака – создается так называемое воронкообразное облако. Постепенно оно растет и вытягивается по направлению к земной поверхности, а когда соприкасается с землей, рождается торнадо.

Большинство торнадо относительно малы – их диаметр составляет около 80 метров. Они продвигаются всего на несколько километров, а скорость ветра в них обычно не превышает 45 м/с. Однако крупнейшие торнадо могут иметь до 3 км в диаметре, продвигаться на 160 км, а скорость ветра в них может составлять до 135 м/с. В отличие от тропических циклонов, которые классифицируются исключительно по силе ветра, торнадо классифицируются по сочетанию скорости ветра и масштабу нанесенного ущерба в соответствии с так называемой улучшенной шкалой Фудзиты.

Для торнадо зафиксировано несколько различных рекордов, но самым серьезным торнадо в истории наблюдений считается Торнадо трех штатов 1925 года. Хотя в то время еще не существовало улучшенной шкалы Фудзиты, считается, что тот смерч соответствовал EF5. Ему принадлежит рекорд по длине маршрута – 352 км по штатам Миссури, Иллинойс и Индиана (отсюда «три штата» в названии). Продолжался этот торнадо примерно три с половиной часа и двигался со скоростью 33 м/с. Он также оказался самым гибельным торнадо в истории США – 695 человеческих жертв.

США в принципе славятся своими торнадо, а так называемая Аллея торнадо вообще стала синонимом этого природного явления. Она тянется по штатам Великих равнин и, как принято считать, проходит через Оклахому, Канзас, Техасский выступ на севере штата, Небраску, восток Южной Дакоты и восток Колорадо. В этом регионе торнадо особенно часто образуются весной, поскольку с севера сюда стекается холодный воздух, а с юга поступает теплый и влажный воздух Мексиканского залива. Когда эти столь различные воздушные массы сталкиваются, нестабильная атмосфера наполняется влажностью и энергией, образуя мощные грозы и сверхъ-ячейки.

Хотя торнадо обычно ассоциируются с США, на самом деле они могут образовываться почти в любой точке Земли. Вы удивитесь, но по частоте смерчей (число смерчей на квадратный километр территории) Великобритания занимает второе место в мире – сразу за Нидерландами. В Великобритании бывает от 30 до 50 смерчей в год, однако большинство британцев никогда в жизни не видели ни одного. Как же так?

В чем особенность смерчей в Великобритании?

Смерчи, которые образуются в Великобритании, обычно очень малы и живут всего несколько секунд, почти не нанося урона. Однако в июле 2005 года по всей Великобритании прошли мощные грозы. Развитие сверхъячеек, предвестников образования смерчей, наблюдалось по всей Англии: за один день было зафиксировано сразу шесть смерчей. Один из них возник в Бирмингеме и на пике развития оказался одним из самых сильных в британской истории. Он спустился на застройку бирмингемских пригородов и продвинулся примерно на 7 км, причиняя необычайный урон городским постройкам. После того как Организация по исследованию смерчей и бурь (TORnado and storm Research Organisation, TORRO) и Метеорологическая служба оценили метеорологические данные и ущерб, они предположили, что скорость ветров в этом торнадо достигала 61–83 м/с. По улучшенной шкале Фудзиты такой смерч классифицировался бы как EF2 или EF3. Жертв, к счастью, не оказалось, но нанесенный смерчем урон был оценен примерно в 40 миллионов фунтов стерлингов[19] – уничтожены были здания, автомобили, деревья. Это был самый дорогой смерч в британской истории. А вот самая сильная вспышка смерчей, согласно информации TORRO, произошла в ноябре 1981 года, когда над Уэльсом и Англией навис активный холодный фронт: за день возникло 105 смерчей. Все они, впрочем, оказались слабыми и прожили недолго, поэтому обошлось без жертв.

В исследовании смерчей по всей территории Великобритании с 1980 по 2012 год выяснилось, что существует так называемая Британская аллея торнадо, которая расположена между Лондоном и Бристолем, а на север тянется до Бирмингема и Манчестера. Каждый год здесь существует 6-процентная вероятность возникновения смерча в окрестностях 10 км от любой точки этой территории.

Прогнозирование образования смерчей в Великобритании – дело довольно трудное. Если в США торнадо в основном формируются в результате мощных гроз, вызванных образованием сверхъячеек (а предсказать и отследить такое событие не очень сложно), то большинство британских смерчей образуются в узких полосках бури в холодных фронтах. В определенных метеорологических ситуациях мы можем сделать прогноз: например, если мы видим, что очень активные холодные фронты угрожают Великобритании, то можно с достаточной долей уверенности предположить образование смерчей в этот период. Можно даже предсказать, какие области подвергнутся наибольшему риску. Но на этом прогноз, по сути, заканчивается. Образование смерчей – вещь настолько непредсказуемая, что из двух совершенно идентичных метеорологических ситуаций одна приведет к образованию множества смерчей, а другая не породит ни одного.

Среднегодовая вероятность образования смерчей (%)

По статье: ‘Climatology, Storm Morphologies, and Environments of Tornadoes in the British Isles: 1980–2012’, Kelsey J. Mulder and David M. Schultz.

Как близко можно находиться к торнадо?

Каждый год в Аллее торнадо в США сотни метеорологов, фотографов и простых туристов целыми днями гоняются за бурями. Мотивация может быть самой разной – научные исследования этих смертельных вихрей, фотографирование и видеосъемка зрелищного явления, обычное стремление к приключениям. Однако всем, кто собирается охотиться на торнадо, нужно хорошо представлять себе правила безопасности, в том числе – понимать, как передвигаются и развиваются торнадо. Самые ревностные охотники за торнадо – это квалифицированные метеорологи, которые посвятили свою карьеру исследованию вихрей. Они готовятся целый год, причем наиболее активная подготовка приходится на весну, прокачивают свои транспортные средства, утяжеляя их, бронируя и набивая самым передовым метеорологическим оборудованием. Охотники за торнадо способны отслеживать погодные условия, читать радиолокационные снимки и видеть малейшие признаки образования сверхъячейки и развития торнадо.

Аллея торнадо покрывает значительную площадь, но чаще всего за торнадо охотятся в так называемом пыльном котле на Великих равнинах в штатах Техас, Канзас и Оклахома. Частично это объясняется тем, что плоские открытые пространства позволяют заметить грозы и образование торнадо за несколько километров. Недостаток этого района в том, что из-за его значительных размеров перед погоней требуется тщательное предварительное планирование и прогнозирование, иначе вам придется за несколько дней преодолеть десятки километров в бесплодных поисках чего-то стоящего.

Настоящая лихорадка начинается для охотников за торнадо в мае-июне, когда по статистике этих природных явлений больше всего. После выбора района потенциальной бури и образования торнадо поездка может продлиться несколько часов, в течение которых тщательно отслеживаются атмосферные условия. Чтобы они стали подходящими, порой приходится долго ждать, часто требуются и дополнительные изыскания. Поскольку торнадо имеют ширину от нескольких сотен метров до трех километров и живут сравнительно недолго, охотники могут либо увидеть очень мало, либо оказаться едва ли не в эпицентре событий.

Опасность оказаться близко к торнадо или прямо у него на пути довольно очевидна, но не исчерпывается попаданием в серьезную грозу: среди рисков можно назвать также молнии, крупный град и ливневые дожди. Оказаться за рулем в таких условиях – часто главная опасность для охотников. Сильный дождь и град ухудшают видимость, к тому же на дорогу могут падать столбы линий электропередач и другие препятствия, которые приходится объезжать. Когда охотники за бурями понимают, какие именно бури могут породить торнадо, они стараются соблюдать безопасную дистанцию, не оказываться на предполагаемом пути и продумывать резервный вариант отхода. Хотя охотники за торнадо часто спасались лишь чудом, а некоторые погибли в автокатастрофах во время преследования, в течение многих лет – вплоть до мая 2013 года – непосредственно из-за торнадо никто не погиб.

Рекордный торнадо в Эль-Рино

Во время печально известного торнадо в Эль-Рино, штат Оклахома, самого обширного из когда-либо зафиксированных, три охотника за торнадо оказались на его пути во время быстрого развития и погибли. В тот день атмосфера была так насыщена теплом и влажностью, что было сразу понятно: вскоре образуются значительные бури. В течение дня бури сформировали сверхъячейку, которая быстро развивалась и вскоре породила торнадо. Большинство торнадо движутся в восточном направлении, но этот направился на юго-восток, то есть именно туда, где находились люди, которые собирались за ним наблюдать. Трое охотников за торнадо, погибших в тот день, были уважаемыми профессионалами с многолетним опытом. Они работали в рамках проекта наблюдений за торнадо под названием TWISTEX. Специалисты готовились наблюдать за мощным торнадо класса EF3, когда поняли, что находятся слишком близко, и попытались скрыться. Но воронкообразное облако быстро расширялось, окутало их автомобиль и отбросило метров на восемьсот. Гибель этих троих повергла в шок все сообщество охотников за торнадо, и хотя до того непосредственных жертв смерчей не было, это событие убедительно напомнило о том, насколько непредсказуемыми могут быть торнадо и каким рискам подвергаются те, кто оказывается к ним слишком близко.

Какая погода самая убийственная?

Прежде чем мы начнем сеять массовую панику, а вы станете беспокоиться за свое здоровье и бояться погоды, давайте сразу сделаем оговорку: все зависит от того, где вы живете! Некоторые погодные явления встречаются лишь в определенных странах, да и район вашего проживания внутри страны тоже имеет значение. Например, Великобританию не может снести ураганом, так что ее жители едва ли могут погибнуть таким образом. Если вы живете в гористой местности, то штормовая волна, затопившая берег, вряд ли сможет вас уничтожить. В мире существует множество экстремальных погодных явлений: тропические циклоны, волны аномальной жары, засухи, наводнения, сильный мороз и грозы. Наводнения и тропические бури могут затронуть жизни тысяч людей за раз, но все же они случаются не так часто, как, например, грозы, которые регулярно происходят по всему миру, но не оказывают такого разрушительного воздействия.

Начнем мы, однако, именно с гроз. Напряжение удара молнии из облака достигает миллиарда вольт – в молнии примерно в пять раз жарче, чем на Солнце. Удары молнии случаются гораздо чаще, чем вы могли бы подумать: каждую секунду Землю в разных местах поражает около сотни ударов молний. Очевидно, что подавляющее большинство молний либо не удостаиваются никакого внимания, либо же приходятся на здания, снабженные громоотводами (вернее, молниеотводами), которые позволяют заземлить электрический заряд. Молнии, однако, попадают и в людей: подсчитано, что каждый год от удара молнии погибает около 4000 человек (есть даже версия, что на самом деле их число достигает 24000), многие другие получают ранения и травмы. С документированием смертельных случаев, вызванных молнией, существуют проблемы во всех странах мира, но данные, собранные для Международной конференции по обнаружению молний, указывают на то, что больше всего жертв молнийв Индии – около 2000 человек в год. При этом в пересчете на душу населения наибольшие шансы быть убитым молнией в Малави, где от подобных событий погибает в среднем 45 человек в год. Для сравнения, в Великобритании тот же показатель составляет 2 человека в год: если вы живете в этой стране, ваши шансы умереть от удара молнии составляют один к семидесяти миллионам.

Экстремальная жара и чрезвычайные морозы могут единовременно вызвать смерть гораздо большего числа людей. Согласно информации Управления ООН по снижению опасности стихийных бедствий (UNISDR), на экстремальные температуры приходится 27 % всех смертей, связанных с погодными бедствиями с 1995 по 2015 год. За это время аномальная жара убила 164 тысячи человек. В такие экстремальные периоды организм не может справиться с аномальными температурами и начинает отказывать, если не принять мер предосторожности и не найти способа охлаждения.

В 2003 году в Европу пришла тепловая волна, установились температуры существенно выше среднего, во многих странах были побиты температурные рекорды, более 72 тысяч человек скончались из-за сильнейшей жары. В 2010 году в России тепловая волна вызвала смерть более 55 тысяч человек.

Однако аномальная зимняя стужа убивает гораздо больше и чаще. За год из-за нее случается примерно 25–30 тысяч лишних смертей (статистика называет их «добавочными»). Многие из жертв были старше 85 лет – в таком возрасте мороз может вызвать респираторные заболевания: бронхит, астму и грипп. Причина таких смертей чаще всего связана с недостаточным отоплением жилых домов: пожилые люди с низким доходом не могут обеспечить свое жилье теплом, необходимым в холодное время года.

По всему миру наводнения и засухи ежегодно влияют на жизни миллиардов людей, особенно в развивающихся странах. Привести точное количество погибших из-за наводнения или засухи сложно, поскольку с отчетами в эти странах дело обычно обстоит не очень хорошо. В уже упомянутом отчете UNISDR предполагается, что в Азии и Африке наводнения происходят чаще, чем на других континентах, а число смертей в результате этого бедствия ежегодно оценивается в 8000 человек по всему миру.

Однако больше всего людей гибнет из-за бурь, в том числе ураганов, циклонов и вызванных ими штормовых волн. Предполагается, что с 1995 по 2015 год более 242 тысяч человек погибли из-за бурь. Если буря налетает на сушу, то ее воздействия ощущаются на значительной площади. Ветер причиняет значительные разрушения, а дождь и штормовая волна становятся причиной масштабных наводнений. Как мы уже говорили, наводнение в результате бури наносит больше ущерба, чем сильные ветры. И, как и следовало ожидать, бури оказывают более существенное негативное влияние на развивающиеся страны, чем на развитые, где инфраструктура в целом и службы по чрезвычайным ситуациям в частности организованы гораздо лучше.

Погодные явления

Драма, которая постоянно разыгрывается над нами в небесах, оказывает вполне физическое воздействие на нашу повседневную жизнь. Иногда мы смотрим вверх, затаив дыхание: что-то там, там наверху, заставляет нас замереть на несколько мгновений. Когда солнечный свет озаряет воздух, небо обращается в театральную сцену со множеством форм, цветов и оттенков. Иногда величественные облака не предсказывают грозной погоды, а словно бы служат демонстрацией того, сколь искусна кисть художника. Это природа как искусство. Порой мы просто поражаемся тому, что происходит в вышине, но не оставляем попыток объяснить и понять происходящее…

Радуга

Как образуется радуга?

Я уверен, что не только мы, фанаты погодных явлений, восхищаемся каждый раз, когда видим радугу в небе. Когда она появляется, вы начинаете надеяться на горшочек с золотом под дугой[20] или декламировать «каждый охотник желает знать, где сидит фазан».[21] Английское слово rainbow – калька с латинского выражения arcus pluvius, то есть «дождевая дуга». На радугу обращали внимание давно, она фигурирует в разнообразных мифах. Радуга даже появляется в девятой главе книги Бытия, согласно которой это знак, данный Богом Ною и его семье как символ того, что Он больше никогда не погубит Землю в потопе.

Радуга говорит нам о том, что одновременно идет дождь и светит Солнце. Это помогает ответить на вопрос о возникновении радуги. Физически она не существует – ее нельзя потрогать, это оптический феномен, возникающий при взаимодействии солнечного света, капелек воды и вашего глаза. Поскольку последний элемент уникален для каждого, любая радуга индивидуальна для любого человека. Тот, кто стоит в нескольких метрах от вас, видит несколько не ту радугу, чем вы: дело в том, что свет достигает задней стенки вашей сетчатки под разными углами.

Чтобы получилась радуга, нужны солнечный свет и капельки воды, но не только: важно, чтобы Солнце светило у вас из-за спины, а водяные капельки находились спереди. Для того чтобы объяснить, почему мы видим эту великолепную цветную дугу, придется обратиться к физике. Когда солнечный свет попадает на сферическую водяную капельку, он частично отражается обратно, но в большей степени он проникает внутрь капли и искривляется под другим углом – это явление известно как рефракция. Частично свет попадаетна заднюю стенку капли, от которой отражается внутрь. Угол этого отражения составляет около 42 градусов, однако разные цвета и отражаются слегка по-разному, из-за чего белый солнечный свет рассеивается и расщепляется на цвета спектра: например, фиолетовый цвет имеет наименьшую длину волны и отражается под большим углом, чем красный.

Когда свет движется обратно, по направлению к вашему глазу, вы видите весь спектр цветов – от красного до фиолетового. Хотя обычно мы видим в радуге полоски красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего и фиолетового цветов, в реальности все они расплываются друг в друге. Красная часть радуги всегда оказывается с внешней стороны дуги, а фиолетовая – с внутренней, и даже если вы не видите весь промежуточный спектр, цвета всегда располагаются в одном и том же порядке. Если только перед вами не вторичная, двойная радуга.

Как получается двойная радуга?

Теоретически все радуги должны быть двойными, потому что солнечный свет отражается в дождевой капле дважды. На практике же, поскольку во время второго отражения свет выходит наружу, он часто бледнеет, поэтому цвета получаются менее отчетливыми. Вторая радуга, кроме того, больше размером и занимает большую часть неба. Когда свет отражается вторично, последовательность цветов становится обратной, так что на внешнем краю второй радуги будет фиолетовый цвет, а за ним – синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и, наконец, красный.

Можно также отметить, что небо между двумя радугами более темное. Дело в том, что в этой полосе остается не так много света, который мог бы дойти до вашего глаза. Интересно, что эта область получила название полосы Александра – в честь Александра Афродисийского, впервые описавшего ее в 200 г. н. э.

Отраженная радуга и лунная радуга

Еще один оптический феномен, который вам, возможно, доводилось наблюдать – отраженная радуга. Она выглядит почти как двойная, но ее дуги идут по разным кривым. Или же вы могли видеть третью дугу внутри двойной радуги. Отраженные радуги чаще всего наблюдаются, когда рядом находится какой-то крупный водоем – например, море или озеро, – но встречаются они очень редко. Солнце отражается от поверхности воды, а затем отражается вновь – сквозь дождевые капли, под другим углом к пучку прямых солнечных лучей, создающему основную радугу. Перевернутая радуга часто начинается в той же точке горизонта, но центр дуги располагается выше в небе, так что эта кривая выглядит не так, как первичная радуга.

Лунная радуга вызывается не солнечным, а лунным светом; в остальном же они формируются совершенно одинаково. Лунная радуга выглядит более блекло, ее цвета менее отчетливы; она даже может порой казаться белой. Дело в том, что лунный свет значительно слабее солнечного, так что он меньше возбуждает цветовые рецепторы глаза. Интересно, что если сфотографировать лунную радугу с длинной выдержкой, на фотографии цвета проступят.

Конечно, не всегда радуга образуется исключительно после дождя. Если вы стоите спиной к Солнцу, перед вами есть капли воды, и вы располагаетесь под нужным углом, то радугу можно увидеть рядом с водопадом, в тумане или даже при поливке сада из шланга!

Радуга в облаках?

Возможно, вам доводилось видеть в небе околозенитную дугу, но вы не понимали, на что именно смотрите. Их замечают часто, называя их «перевернутыми» радугами или «улыбками неба», поскольку спектр цветов изгибается дугой не в небо, а к земле. В отличие от радуги, где цветовой спектр формируется благодаря рефракции водяных капелек, этот оптический феномен требует наличия в небе ледяных кристаллов. Большую часть времени околозенитная дуга наблюдается в перистом или перисто-слоистом облаке, которые как раз из ледяных кристаллови состоят. Поскольку эта красочная дуга образуется посредством отражения и рефракции солнечного света в ледяных кристаллах, она относится к другому классу оптических явлений, которые называются гало. Иногда можно увидеть полный 360-градусный круг вокруг Солнца, именуемый 22-градусным гало, или даже обнаружить паргелии (они же пасолнца или ложные солнца), которые появляются на три и на девять часов от настоящего Солнца.

Чтобы понять, как образуются околозенитные дуги, нам снова потребуется немного физики. Структура ледяного кристалла может быть довольно сложной и зависит от температуры и давления окружающей среды. Но все кристаллы имеют общие характеристики: у них два основания и шесть боковых сторон – это шестигранные призмы. Околозенитные дуги образуются, когда эти призмы ориентированы горизонтально и как будто уложены стопками, как тарелки. Свет от Солнца проникает в эту стопку тарелок, начиная с верхней, и выходит сбоку, через вертикальную грань призмы. Угол (90 градусов) этой рефракции внутри кристалла расщепляет белый свет на цвета спектра, которые вы и видите. Вполне вероятно, что вы проводили подобные эксперименты на уроках в школе, когда направляли луч света на белый лист бумаги через призму и видели выходящие из нее разноцветные полоски.

Для того чтобы возникла околозенитная дуга, высоко в небе должны присутствовать перистые или перисто-слоистые облака. Часто такие облака затуманивают солнечный свет, делают его молочно-белым. Когда солнце стоит низко, можно увидеть дугу на двенадцать часов. Центр ее всегда обращен к солнцу, с внешней стороны цвет дуги красный, с внутренней спектр доходит до голубого или синего.

Что такое ложные солнца?

Почти в тех же условиях, то есть при наличии в небе множества перисто-слоистых облаков, состоящих из ледяных кристаллов, вы можете увидеть 22-градусное гало, или ложное солнце. Гало – это большой диск вокруг Солнца, однако если в околозенитной дуге вы без труда можете различить отдельные цвета, то гало выглядит более размытым – четко виден разве что оттенок красного. Гало опять же образуется посредством рефракции солнечного света сквозь шестигранную призму ледяных кристаллов. Ориентация призмы при прохождении света сквозь нее различна, почему и получается гало в одном случае и дуга в другом. Большинство лучей преломляются под углом, близким к 22 градусам, и образуют яркую внутреннюю кромку гало – отсюда и название.

Гало – не только дневное оптическое явление. Если луна в небе достаточно яркая (например полная) и присутствуют перисто-слоистые облака, то происходят те же физические явления и можно увидеть бледное 22-градусное гало вокруг луны.

Ложные солнца

Если в небе полностью или частично образовалось гало, то иногда можно увидеть и ложные солнца на три и на девять часов от настоящего. По сути это самые яркие части гало, которые располагаются именно в этих позициях. Чаще всего они видны, когда Солнце стоит в небе низко, и хотя они кажутся яркими, можно, присмотревшись, заметить такой же цветовой спектр, как и в околозенитной дуге. Очень яркие пасолнца действительно можно принять за дополнительные солнца: в этом случае кажется, что в небе солнц сразу три.

Облака или инопланетные вторжения?

Атмосфера – очень динамичное пространство, и в течение одних и тех же суток расположение облаков постоянно меняется. Они все время меняют форму по мере своего развития и распада, а ветры гонят их у нас над головами. Многие из нас легко опознают обычные типы облаков, будь то пушистые кучевые, которыми изобилует наше небо летом, или вечно серые слоистые и слоисто-кучевые облака, чаще встречающиеся зимой. Однако иногда в небе можно увидеть нечто особенное.

Облака – «летающие тарелки»

Высококучевые лентикулярные облака – это тип облаков, которые выглядят как зерна чечевицы или летающие тарелки. Они не переносятся высотными ветрами. Чаще всего они образуются с подветренной стороны возвышенностей – их формирует поток воздуха, спускающийся с вершин гор. Поскольку влажный и стабильный воздух, который вынужден подниматься по горному склону, на деле не стремится ни подниматься, ни спускаться, его влажность и давление оказываются в состоянии, довольно некомфортном для него. Закономерно, что он стремится сойти вниз до привычной высоты и формирует на склоне горы с обратной стороны то, что мы именуем «стоячей волной». Если температура на гребне волны соответствует температуре точки росы, воздух начинает сжиматься и образует облако. Поскольку для образования лентикулярного облака требуются особые условия, оно, скорее всего, будет иметь вытянутую форму и гладкие края и напоминать по виду линзу. Так как холм или гора порождают волнообразные движения воздуха на много километров вперед, можно увидеть конденсацию воздуха в лентикулярное облако довольно далеко от горы. Может образоваться и сразу несколько лентикулярных облаков, иногда даже на разной высоте, так что они будут нависать друг над другом. Из-за гладких краев их часто принимают за НЛО или «облачный покров», искусственно созданный, чтобы скрыть НЛО. Особенно часты такие сообщения в США, и обычно власти приходят к выводу, что на самом деле заявители видели высококучевые лентикулярные облака. Или нет?

Высококучевые лентикулярные облака

Дырявые облака

Это еще один тип облаков, при виде которых сразу приходит в голову мысль об инопланетном вторжении! Как видно по названию, эти облака выглядят как жертвы дырокола. Официально подобные облака именуются облаками с круговым разрывом. Они образуются, когда в части облачного слоя формируются ледяные кристаллы, достаточно крупные и весомые, чтобы выпадать из облака, тем самым образуя в нем разрыв. Интересно взглянуть на то, как именно образуются ледяные кристаллы в, казалось бы, произвольной части облака.

Напомним, что во многих облаках содержится переохлажденная вода, в которой температура водяных капелек ниже уровня замерзания. Внутри облачного слоя из капелек переохлажденной воды может внезапно начаться замерзание, например, когда через этот слой пролетает самолет – особенно над его крыльями или пропеллером. Это изменение температуры может оказаться достаточно значительным, чтобы капельки воды начали превращаться в лед. Когда в одной из частей облака формируются ледяные кристаллы, срабатывает принцип домино, и начинается так называемый процесс Бержерона: окружающие капельки воды начинают замерзать. После этого более тяжелые ледяные кристаллы начинают падать из нижней части облака. Это раскрывает, откуда берется полоса, выпадающая из дырки, но не до конца объясняет саму дырку. Поскольку во время процесса Бержерона капельки переходят из жидкого состояния в твердое, выделяется незначительное количество тепла. От этого воздух расширяется и слегка поднимается вверх, что, в свою очередь, приводит к опусканию окружающего воздуха. Опускающийся вокруг дырки воздух нагревается быстрее, чем водяные капельки испаряются, создавая облачко четкой круглой или эллиптической формы.

Дырявые облака

Самые редкие облака

Некоторые облака можно увидеть гораздо реже остальных, и в этом разделе мы поговорим о трех типах облаков, наблюдать которые – большая удача, а также о некоторых других редких облачных явлениях. Чтобы такие облака сформировались, должно сойтись сразу множество условий, потому-то они и так редки. На наш взгляд, редкость этих облаков только повышает их притягательность.

Вымеобразные облака

Вымеобразные облака легко опознать по ячеистой форме. Они образуются рядом с угрожающими грозовыми кучевыми облаками или прямо под ними. Латинское название mammatus содержит корень со значением «вымя» или «грудь». И как только вы их увидите, то сразу поймете почему.

Вымеобразные облака

Они образуются только вместе с грозовыми облаками, поскольку для их формирования нужны очень сильные восходящие и нисходящие потоки воздуха. Как мы знаем, обычное образование облака запускается, когда воздух поднимается вверх, охлаждается и конденсируется, создавая водяные капельки, которые мы и видим, когда видим облако. Однако из-за сильного нисходящего потока воздуха в грозовых облаках воздух и влажность «вылезают» из нижней части облака и образуют ячейки или «сумки» облаков, которые мы и называем вымеобразными. Если вы заметили, что под грозовым облаком сформировалось вымеобразное, это значит, что воздух стал чрезвычайно нестабильным и можно ожидать сильного ветра, ливневого дождя и даже града, а также грома и молнии. Возможно, вы захотите насладиться этим красивым зрелищем, но это не отменяет необходимости как можно быстрее найти укрытие!

Перламутровые облака

Большинство облаков образуется в тропосфере, которая простирается от поверхности земли (в этом случае мы видим не облака, а туман) на 10–20 км вверх. Однако существует редкий тип облаков, которые образуются выше – в стратосфере. Официально они называются полярными стратосферными облаками, но более известны как перламутровые или переливчатые облака. Уже по их официальному названию понятно, что они образуются в стратосфере (выше 15 км), где вообще-то слишком сухо для формирования облаков, и чаще всего – в полярных регионах, хотя если в более низких широтах верхние слои атмосферы зимой достаточно холодны, то наблюдать их можно даже в Великобритании. Фотографии этих ярких светящихся облаков попали на первые полосы британских газет в январе 2017 года, когда их запечатлели над Камбрией. Было высказано предположение, что невероятно холодные условия стратосферы над арктической зоной распространились на юг, так что это облачное явление стало наблюдаемым не только в полярных широтах. В этом случае, как и в большинстве других, яркие цвета проявляются в сумерках, когда солнце располагается очень низко над горизонтом. Как и лентикулярные, перламутровые облака являются стоячими, но состоят они из очень холодных ледяных кристаллов (их температура составляет примерно 80 °C). Чтобы светиться всеми цветами радуги, перламутровое облако должно быть тонким, а кристаллы в нем – очень маленькими и примерно одинаковыми по размеру. Солнечный свет проходит через них, происходит дифракция света – он отклоняется и рассеивается на спектр. Похожий эффект можно наблюдать на поверхности мыльных пузырей.

Облака Кельвина – Гельмгольца

Это, вероятно, одно из самых редких облачных образований. Поскольку такие облака выглядят как волны, разбивающиеся о песок пляжа, они именуются волнами Кельвина – Гельмгольца в честь лорда Кельвина и Германа фон Гельмгольца, которые изучали физику атмосферной нестабильности. И уже это подсказывает нам, каким образом формируются эти разбивающиеся волны: причина в нестабильности. Когда два слоя воздуха в атмосфере движутся с различными скоростями, возникает разность потоков, которая порождает нестабильность. Более быстрый поток воздуха может «забирать» с собой верхнюю часть облачного слоя – и так получаются перекатывающиеся волноподобные структуры. Когда это происходит, на небе можно увидеть целый ряд разбивающихся волн.

Собственно говоря, точно такой же процесс идет и на поверхности моря. Ветер, дующий поверх более медленно движущейся водной массы, создает нестабильность Кельвина – Гельмгольца, которая и приводит к образованию волн. Если для формирования в атмосфере облаков Кельвина – Гельмгольца имеются нужные условия, их легко заметить: необычная форма сразу выделяет их из других типов. Основание облака будет горизонтальным, а на нем сверху будут громоздиться разбивающиеся волны облаков. Долго они не живут, так что стоит побыстрее достать фотоаппарат или телефон, чтобы их сфотографировать.

Облака Кельвина – Гельмгольца

Сумеречные лучи

Снопы солнечного света, проходя через облака и достигая поверхности земли, добавляют облакам поистине оглушительный эффект. Чаще всего это происходит на рассвете или в сумерках, когда небо наполняется оранжевым светом. Снопы света и тени разрывают облака изнутри; порой их называют «лучами Бога» или «руками Бога» – до такой степени они кажутся знаками свыше. На самом деле это всего лишь еще одна метеорологическая оптическая иллюзия: хотя и кажется, что снопы света должны сойтись в какой-то точке за облаком, в реальности они параллельны. Их кажущаяся сходимость – результат той же иллюзии, которую вы видите, глядя на дорогу или рельсы и видя, что ближе к вам они шире, чем у горизонта. Рассеяние света молекулами воздуха, пылью и водяными капельками тоже вносит свой вклад в создание этой иллюзии. Частицы в воздухе больше рассеивают короткие волны, так что вы видите меньше голубого и больше желтого и оранжевого.

Сумеречные лучи

Противосумеречные лучи

Противосумеречные лучи сложнее заметить, но они столь же интересны. Это явление наблюдается в то же время, но с другой стороны от горизонта по отношению к Солнцу, в так называемой точке солнечного противостояния. На этот раз снопы света, как кажется, сходятся не за облаком, а на горизонте. Поскольку света недостаточно, эти лучи гораздо более блеклые, так что увидеть их сложно.

Противосумеречные лучи

Что такое вилли-вилли?

Вы, наверное, думаете: при чем тут вилли-вилли, что это такое и как это странное слово связано с погодой? Тут мы, честно говоря, решили вас немного подразнить, потому что этим словом в Австралии называют пылевой вихрь. Пылевые вихри встречаются по всему миру и носят разные наименования, но слово «вилли-вилли» восходит к мифу австралийских аборигенов и обозначает различных духов.

Что же это такое? Выглядят вилли-вилли как торнадо, но сразу отметим, что это не одно и то же. Вилли-вилли и близко не обладают разрушительной мощью торнадо (хотя некоторые могут быть довольно сильными). Их сходство с торнадо заканчивается на том, что то и другое – погодные явления, связанные с вертикально ориентированным столбом ветра. Но если для появления торнадо из нижней части облака требуется грозовая сверхъячейка, то пылевые вихри (известные также как «пыльные дьяволы») появляются безо всяких облаков и образуются на поверхности земли. Ветер образует вихри и захватывает пыль, унося ее в небо.

Как возникают пылевые вихри?

Один из ключевых ингредиентов пылевого вихря – это… пыль. Неудивительно, что чаще всего пылевые вихри случаются в пустынях или других засушливых местах, где почва очень сухая. В жаркий день сухая земля может стать очень горячей, в результате чего начинают формироваться сильные восходящие потоки воздуха. Поднимаясь, воздух начинает вращаться вокруг вертикальной оси, а с дальнейшим набором высоты формирует высокий столб – как фигурист, вытягивающий руки вверх, чтобы крутиться быстрее. Этот столб вращающегося воздуха переносит пыль, и так образуется пылевой вихрь. Пока горячий воздух активно поступает в нижнюю часть вращающейся воронки, пылевой вихрь продолжает существовать и даже усиливается. С набором высоты горячий воздух остывает, опускается на землю, так что знакомая форма воронки поддерживается. Со временем доступ горячего воздуха неизбежно прекращается, а когда в воронку начинает поступать более холодный воздух, она довольно быстро распадается.

Пыльные дьяволы, как правило, невелики: вихри обычно имеют в диаметре всего несколько метров, да и вверх поднимаются не более чем на сотню метров. Скорость ветра в них составляет примерно 18–22 м/с, так что особого ущерба они не наносят. Однако иногда образуются очень большие вихри, которые доходят в диаметре до сотни метров и поднимаются в воздух метров на триста. В этих редких случаях скорость ветра может составлять 27–34 м/с, и вихрь не распадается довольно долго. Тогда может быть нанесен определенный ущерб строениям, а некоторые пылевые вихри могут даже привести к травмам людей.

Пылевой вихрь

Снежные вихри

Не надо быть метеорологом, чтобы догадаться, что снежный вихрь, или «сноунадо», как их порой называют, во многом напоминает пылевой вихрь, но состоит из снега. Нужно сделать оговорку, что, хоть второе название снежного вихря и образовано от слова «торнадо», это не смерч и не торнадо. Просто еще одна вращающаяся воронка из воздуха и снега, поднимающаяся с поверхности земли. Это явление чрезвычайно редкое – зафиксировать на камеру удалось лишь несколько случаев. Метеорологические процессы, приводящие к его образованию, несколько более сложны, чем в случае с пылевыми вихрями: должно сойтись сразу несколько предпосылок.

Снежный дьявол, так же как и пыльный, создается восходящими потоками воздуха близ поверхности земли, но если в пылевых вихрях восхождение воздуха вызвано нагреванием поверхности, то здесь причина в образовании почти у самой поверхности земли столба холодного воздуха. Так создается разность температур сравнительно более теплого воздуха у поверхности и холодного воздуха наверху, в результате чего теплый воздух начинает подниматься снизу. Однако для создания снежного вихря требуется также некий ветровой сдвиг в нижней части атмосферы, где с высотой меняется скорость ветра или его направление. Воздух начинает вращаться и поднимать с собой мельчайшие частички снега – они и делают видимым весь воздушный столб. Снежные вихри видны на протяжении довольно небольшого времени и, подобно пылевым вихрям, обычно не наносят ущерба людям или сооружениям.

Огненные вихри

Огненный вихрь

Представьте себе! Если один из этих вращающихся столбов воздуха охвачен огнем, то получается огненный вихрь, он же огненный дьявол или «файрнадо», как его иногда называют. Это очень впечатляющие вихри из пепла и огня – настоящая беснующаяся стихия. В данном случае резкие восходящие потоки воздуха образуются из-за сильного жара на горящей поверхности, где температура может превышать 1000°C. Поскольку температура поверхности выше, чем при образовании пылевых столбов, огненный вихрь обычно формирует более плотный и яростный столб, который вздымается выше в небо. Чаще всего они образуются во время лесных пожаров при наличии сильного ветра. Пожары и сами служат причиной сильного ветра, в результате формируется ветровой сдвиг, который и способствует образованию вихря.

Северное сияние

Возможно, вы один из тех везунчиков, которым удалось увидеть северное сияние своими глазами. Для многих из нас эта мечта находится на одном из первых мест в списке желаний, например, для Саймона (Клэр повезло – она его уже видела). Зеленые, пурпурные, а иногда и красные сполохи, танцующие в ночном небе, кажутся настоящим волшебством.

Северное сияние по-научному именуется Aurora Borealis и по большей части наблюдается в районе Северного полярного круга. В Южном полушарии ему соответствует южное сияние – Aurora Australis. Технически никакой разницы между ними нет, но легко убедиться, что северное сияние более популярно. Дело в том, что близ Северного полярного круга просто больше суши, а потому и больше шансов приехать в какое-нибудь населенное место и увидеть там северное сияние. В районе же Южного полярного круга только Южный океан, так что, если только южное сияние не простирается на север до Новой Зеландии, Аргентины или Фолклендских островов, возможностей его увидеть практически нет.

Что же такое сияние?

Сияние вызывается взаимодействием заряженных частиц – электронов, испускаемых Солнцем, с магнитным полем и атмосферой Земли. Магнитное поле Земли устроено сложно, но в целом можно сказать, что оно ведет себя примерно так же, как обычный магнитный брусок, ориентированный с юга на север: по этой оси течет электрический ток, который с полюсов уходит в космическое пространство. На поверхности Солнца наблюдаются значительные выбросы плазмы, которая несет с собой множество заряженных частиц. Если Земля оказывается на пути этих частиц, ее магнитное поле их притягивает. Далее они неизбежно начинают двигаться в сторону Северного и Южного полюсов.

Когда в верхнюю часть атмосферы Земли (мезосферу и термосферу – 80–640 км) поступают миллиарды высокозаряженных солнечных частиц, происходит их столкновение с атмосферными газами. В результате взаимодействия газы возбуждаются и испускают фотоны – небольшие сгустки энергии в форме света. Когда энергии фотонов накапливается достаточно, она высвобождается, и мы видим, как в небе танцует северное сияние. Разные цвета, которые мы наблюдаем в этом случае, зависят от того, какие газы принимали участие в процессе, а это, в свою очередь, определяется высотой образования сияния.

Самые частые цвета – зеленый и красный. Они обусловлены молекулами кислорода в атмосфере нашей планеты. На высоте 90–100 км кислород дает ярко-зеленый и желтоватый цвета, которые мы и видим. Кислород на гораздо большей высоте, 320–350 км, дает красное свечение, поскольку возбуждается солнечной энергией. Молекулы азота, также присутствующие в воздухе, тоже возбуждаются: испускаемые ими фотоны дают красное и пурпурное свечение. Конечно, вы можете одновременно увидеть зеленые, желтые, красные и пурпурные сполохи в зависимости от того, сколько энергии заключенов сиянии, и как сочетаются друг с другом волны разной длины. Хотя великолепную картину полярного сияния можно увидеть и невооруженным глазом, те, кто умеет правильно фотографировать, могут сделать так, что значительно более яркими будут другие цвета, соответствующие волнам совершенно иной длины. Вот почему иногда фотографии полярных сияний выглядят значительно эффектнее, чем то сияние, которое вы наблюдали собственными глазами.

Где его можно увидеть?

Мы уже писали, что южное полярное сияние можно увидеть в Южном океане, а вот на суше удобных мест для наблюдения за ним значительно меньше, чем в Северном полушарии. В целом можно отметить, что чем ближе к полярному кругу, тем лучше. Однако нельзя и говорить о том, что в низких широтах Европы и Северной Америки увидеть северное сияние невозможно: все зависит от силы ветра. Зима в каждом из полушарий – лучшее время для наблюдений, поскольку в это время темные ночи длиннее, и шансов увидеть сияние больше. В Северном полушарии сезон наблюдений обычно длится с октября по май. Кроме того, надо отправиться куда-то, где достаточно темно: световое загрязнение в городах и крупных населенных пунктах способно сильно помешать наблюдениям.

Можно ли его предсказать?

Конечно же, да! Сияния сильно зависят от выбросов Солнцем заряженных частиц. Наше понимание Солнца, наблюдение за ним и космосом в целом, сильно выросло за последнее десятилетие. За поверхностью Солнца постоянно следят спутники, так что мониторинг солнечной активности ученые ведут непрерывно. Один из таких спутников носит название Advanced Composition Explorer (ACE) и находится примерно в 1,5 млн км от Земли в сторону Солнца. Он следит за выбросами коронального вещества на поверхности Солнца, вспышками на Солнце и регистрирует геомагнитную активность в режиме реального времени. Когда на Солнце фиксируется выброс коронального вещества, солнечный ветер достигает Земли максимум за трое суток. Специалисты по солнечной активности могут спрогнозировать сияние в этих временных рамках. Один из методов предсказаний, который они используют для вычисления силы геомагнитной активности, достигающей атмосферы Земли – это Kp-индекс, планетарный показатель магнитной активности. Он отслеживается в реальном времени по наблюдениям нескольких параметров и может иметь величину от 0 (активность почти отсутствует) до 9 (сильная буря). Чем выше это число, тем больше шансов увидеть сияние даже в низких широтах. Рассмотрим, например, рисунок ниже: буря с Kp=5 будет достаточно сильна, чтобы сияние увидели даже на севере Англии и в Уэльсе. Также следует отметить, что чем выше Kp, тем больше последствий для земных систем связи и линий электропередач.

Водяные смерчи

Водяные смерчи выглядят как торнадо, только над водой. Однако все не так просто: хотя водяные смерчи имеют некоторые признаки торнадо, самый частый их тип – то, что мы называем «смерчем при ясной погоде». Так или иначе, горизонт водной глади, плотное облако над ним и угрожающе вращающийся столб воздуха, соединяющий их вертикально, выглядят очень впечатляюще. Поскольку водяные смерчи образуются над водой, они обычно не наносят особого ущерба; даже если вы в это время плывете на лодке или корабле, вам надо очень постараться, чтобы встать у них на пути, поскольку обычно водяные смерчи довольно невелики. Иногда водяной смерч начинает свой путь над водой, но затем выбирается на сушу. В таком случае его начинают называть смерчем или торнадо в зависимости от особенностей формирования.

Водяной смерч при хорошей погоде

Наиболее распространенный тип водяного смерча – это водяной смерч при хорошей погоде, или смерч неторнадного типа, который называется так, потому что, в отличие от торнадо, образуется не из тяжелых грозовых облаков. Эти водяные смерчи обычно довольно тонкие и длинные, скорость ветра в них не превышает 27 м/с, а живут они не более 15 минут. Этот тип водяного смерча во многом похож на пылевой, снежный или огненный вихрь: все они берут начало у поверхности, а затем закручиваются вверх в воронке воздуха, которая в данном случае содержит воду – точнее, водяной пар. Водяные смерчи при хорошей погоде чаще всего возникают в тропиках и субтропиках с августа по октябрь, когда температура морской воды наибольшая. Для их образования требуется очень высокая влажность атмосферы, а чаще всего – еще и перистые облака. Если холодный воздух проходит по поверхности теплой воды, сразу над которой располагается слой теплого воздуха, появляется нестабильность, образуются восходящие потоки воздуха и вращение местных ветров. На поверхности воды появляется темное пятно, из которого со временем образуется каскад. Брызги морской воды начинают подниматься с поверхности и закручиваться вокруг темного пятна. Если условия останутся благоприятными, то в небо вознесется столб вращающегося воздуха и встретится с облаком. Воронка выглядит полой, она покрыта оболочкой водяного пара и может, поднимаясь вверх от воды к облакам, производить весьма внушительное впечатление. Учитывая ее внешний вид, многие считают, что водяной смерч состоит из морской воды, закручивающейся в вихрь. Однако на самом деле это не морская вода, а конденсированная атмосферная, то есть облако. Через некоторое время приток теплой воды прекращается, воронка и каскад исчезают. Хотя водяные смерчи при хорошей погоде обычно довольно слабые, некоторые могут доходить до крупных размеров и представлять опасность для судов или авиации, если этой технике не повезет находиться неподалеку.

Торнадный водяной смерч

Как подсказывает название, эти водяные смерчи более крупные и суровые и образуются так же, как и сухопутный торнадо: большое грозовое облако или система сверхъячейки создает в нижней части облака необходимое для формирования воронки вращение. Как и при образовании обычного торнадо, воронка может спуститься вниз и увеличиться в размере, что сопровождается очень сильными ветрами.

Со временем воронка опускается к водному зеркалу и становится торнадным водяным смерчем с отчетливым каскадом. Хотя на пути любого водяного смерча лучше не оказываться, этот их тип особенно опасен. Они обычно больше, сопровождаются сильными ветрами вплоть до 67 м/с и могут легко повредить лодки и другие плавсредства, которым не повезло попасть под их удар. Но еще более опасными становятся торнадные водяные смерчи, добравшиеся до суши. В этот момент они становятся обычными торнадо и могут нанести существенный ущерб людям и сооружениям.

Торнадный водяной смерч

Дожди из рыб и лягушек

Крупные водяные смерчи могут быть достаточно мощными, чтобы засосать рыб и лягушек из моря или озера. Если это происходит, и водяной смерч следует дальше на сушу, то его окончание может ознаменоваться дождем из рыб. Описано несколько случаев, когда в городах и селах на улицы внезапно с неба начинала сыпаться рыба. Если водяной смерч достаточно силен, то может поднимать рыбу, лягушек и другие живые организмы вертикально – прямо в облако. Здесь бедные животные рискуют попасть на восходящие потоки воздуха и остаться в облаке надолго. Когда облако доходит до берега, а то и продвигается на много километров вглубь, сила притяжения берет верх, и «осадки» из рыб и лягушек «выпадают» на землю.

Брокенский призрак

Атмосферные и оптические явления часто приводят к поразительным и прекрасным эффектам, но иногда получается нечто более зловещее. Название «брокенский призрак» впервые употребил в 1780 году немецкий естествоиспытатель, который часто бродил по горам Гарц в Германии. Когда он достиг их самой высокой вершины – Брокена – то заметил в тумане фигуру, напоминавшую привидение. Она возвышалась на некотором расстоянии, вокруг нее были яркие цветные кольца, похожие на радужные. Эту фигуру ученый назвал «призраком Брокена». Но, конечно, это был вовсе не призрак, а тень самого наблюдателя, отбрасываемая на облако или туман на вершине хребта, которые увеличили эту тень в несколько раз. Для достижения такого эффекта Солнце должно находиться позади наблюдателя, так, чтобы образовалась не только тень, но и сияние, и цветные кольца – так называемая глория. Глория – это еще один вид отражения солнечного света на каплях воды в тумане или облаке. Точное физическое объяснение образования глории довольно запутанное, а перегружать вас подробностями мы не хотим. Достаточно знать следующее: солнечный свет (как вы помните, он белый) из-за вашей спины достигает водяных капелек. После этого он отражается и рассеивается в капельке и видится вашему глазу в виде отчетливых колец голубого, зеленого, красного и пурпурного цветов. Глорию можно также увидеть, если вы летите на самолете у окна и смотрите вниз на облака. Если вы и Солнце находитесь по разные стороны самолета, и под вами висят облака, то тень самолета на облаке сопровождается глорией.

Восходы и закаты

Эффектные картины погоды – важная часть наших прогнозов, в особенности те фотографии, которыми мы ежедневно иллюстрируем наши телепередачи. При ВВС существует клуб «наблюдателей за погодой», которые ежедневно присылают прекрасные снимки. Самые популярные – виды восхода или заката, когда небо светится глубокими розовыми, красными и оранжевыми красками.

Чтобы понять, как получается красивый восход или закат, поговорим сперва именно об этих ярких красках. Свет, идущий от Солнца, содержит полный спектр цветов, которые в сочетании дают белый. Когда белый свет проходит через нашу атмосферу, капельки воды, льдинки и молекулы газа расщепляют его на разные цвета, каждый из которых имеет слегка иную длину волны. У голубого цвета длина волны невелика, и он рассеивается сильнее, чем цвета с большими длинами волн. Это значит, что белый свет Солнца рассеивается по всему небу так, что человеческому глазу оно кажется голубым. Во время восхода или заката солнечный свет должен пройти больший путь по атмосфере, и только потом он достигает наших глаз. Это значит, что он проходит через большее количество молекул газа, льдинок и водяных капелек, а стало быть, и рассеивается сильнее. Голубая часть спектра рассеивается настолько сильно, что нам остаются лишь длинные волны красного, оранжевого, желтого и розового цветов – они и достигают нашего глаза. Поэтому восход и закат кажутся красными.

Как хороший закат становится лучшим?

Одна предпосылка кажется совершенно очевидной: это погодные условия. Если на небе очень облачно, идет дождь или снег, так что Солнца попросту не видно, то с хорошим восходом или закатом придется подождать. Важно, чтобы вашему взгляду ничто не мешало упасть на восток (в случае восхода) или на запад (в случае заката). Часто лучшие восходы и закаты случаются на побережье, где хорошо виден горизонт вплоть до того момента, как Солнце окончательно встанет или сядет. Кроме того, в море отражаются все эти яркие краски, что делает общую картину еще более впечатляющей. Свободный вид на горизонт может обеспечить и гористая местность.

Конечно, едва ли вам хотелось бы, чтобы облака полностью заслонили Солнце, но небольшая облачность в небе точно не повредит прекрасному восходу или закату, особенно если облака перистые или высококучевые. Эти типы облаков состоят главным образом из кристаллов льда, которые хорошо отражают красный и оранжевый цвет, так что небо кажется полностью объятым пламенем.

Можно ли предсказать красивый восход или закат?

Изречение «Ночью небо красно – пастуху прекрасно. Утром небо красно – пастуху опасно» восходит к Библии.[22] Оно было призвано помочь людям определить, каких погодных условий следует ожидать. Какой-то смысл в этом есть, поскольку в Великобританию погода обычно приходит с запада. Таким образом, поскольку Солнце встает с востока, и его свет достигает облаков на западе, на рассвете получаются яркие красные тона, предупреждающие нас о приходе с запада новой погодной системы. Если же небо красное вечером, то садящееся Солнце на западе светит в сторону облаков, удаляющихся на восток, так что на следующий день можно ожидать хорошей сухой погоды.

Чтобы понять, ждать ли впечатляющий восход или закат, можно в определенной степени воспользоваться этой поговоркой. Например, если мы знаем, что подступает новый погодный фронт, то можно ожидать красивого восхода. То же самое можно сказать и в случае наличия в небе перистых или высококучевых облаков: они повышают вероятность увидеть впечатляющий восход или закат.

Что насчет пыли и загрязнения?

Загрязнение атмосферы иногда только усиливает общее впечатление от восхода или заката. Однако многое зависит от типа загрязнения. Если частицы достаточно крупные, они будут поглощать больше света, и цвета окажутся слишком мутными и размытыми: вы не увидите какого-то одного или двух четких цветов, например, розового или красного, а четкость красок часто считается основным критерием хорошего восхода или заката. То же, собственно говоря, верно и в течение дня. Если загрязнение слишком сильное, то небо кажется мглистым, белесым, а не ярко-голубым, которое мы привыкли видеть, если воздух чист.

Пыль ведет себя примерно так же, ведь ее частицы нередко достаточно крупные и не рассеивают солнечный свет так, как водяной пар или ледяные кристаллы. Однако пыль сама по себе может окрашивать небо красновато-желтым. В октябре 2017 года ураган «Офелия» проходил по западу Великобритании и Ирландии и принес с собой множество пыли из Сахары и пепла лесных пожаров, бушевавших тогда в Португалии и Испании. Более плотные частицы рассеяли большую часть голубого цвета, оставив в небе только красное и оранжевое. Казалось, что рассвет или закат наступили прямо посреди дня. Красное солнце над Великобританией привлекло внимание многих, вызвав даже апокалиптические настроения.

В цифровую эпоху все больше погодных явлений попадает на фотографиии затем в социальные сети. Нас очаровывают странные, необычные виды неба – загадочные облака и оптические иллюзии. Нам, метеорологам, нравится, когда люди фиксируют странные и редкие явления, порой даже не сознавая этого: у нас есть возможность погрузиться в длительные объяснения и разделить с другими наше восхищение. Интерес к небу и погоде известен с самых древних времен: атмосферные явления объяснялись пророчествами, фиксировались приметы, связанные с погодой. Сегодня мы гораздо лучше понимаем научные основы всех этих явлений, что не мешает нам восхищаться необычными и прекрасными феноменами.

Погода, космос и влияние планет

Какая погода на других планетах?

Погода на каждой планете определяется рядом факторов: формой орбиты по отношению к Солнцу, расстоянием от Солнца, продолжительностью суток, углом наклона планеты (чем больше наклон, тем больше вариативность погоды) и атмосферой планеты (или ее отсутствием). У таких отдаленных ледяных гигантов, как Уран и Нептун, внутренняя температура планеты также оказывает влияние на режим циркуляции.

Меркурий

Меркурий – яркое подтверждение того, что чрезмерная близость к Солнцу не дает практически никаких природных преимуществ. Эта невыразительная сероватая планета – самая маленькая в Солнечной системе, в ее атмосфере не задерживается тепло. Поэтому здесь нет ни облаков, ни дождя, ни ветра, а разность температур экстремальная: иссушающая жара днем и ужасный холод ночью. Меркурий вращается вокруг своей оси очень медленно, так что Солнце встает здесь раз в 176 земных дней. Напротив, вокруг Солнца планета обращается с невероятной скоростью – год здесь длится всего 88 земных дней.

КРАТКО О МЕРКУРИИ

Расстояние от Солнца: 57,9 млн км

Продолжительность суток: 4222,6 часа

Угол наклона: 0 градусов

Средняя температура: 167 °C

Атмосфера: очень тонкая

Масса: 0,06 массы Земли

Спутники: 0

Погода: напоминает лунную, практически отсутствует из-за очень тонкой атмосферы

Венера

Хотя Венера и расположена дальше от Солнца, чем Меркурий, это самая жаркая планета в Солнечной системе. С точки зрения климата Венера ужасна: атмосфера сформирована толстым слоем углекислого газа, и поверхность закрыта кислотными облаками, которые сохраняют тепло. Глобальное потепление во всей своей красе. Суровые высотные ветры дуют по всей планете, приводя в движение желтые и белые облака и затемняя поверхность, что препятствует наблюдениям. Венера очень медленно вращается вокруг своей оси – медленнее всех остальных планет, так что Солнце встает здесь всего дважды в году. Еще одна странность состоит в том, что это движение осуществляется по часовой стрелке, в результате чего планета приобрела почти идеально сферическую форму. Год на Венере короче земного, и при трехградусном угле наклона разницы в погодных условиях по всей поверхности планеты практически не наблюдается.

КРАТКО О ВЕНЕРЕ

Расстояние от Солнца: 108,1 млн км

Продолжительность суток: 2802 часа

Угол наклона: 3 градуса

Средняя температура: 464 °C

Атмосфера: очень плотная

Масса: 0,8 массы Земли

Спутники: 0

Погода: очень жаркая – иллюстрация чрезвычайного глобального потепления

Земля

Земля – единственная известная нам планета, жизнь на которой не только зародилась, но и процветает. Это произошло благодаря поддерживающей жизнь смеси атмосферных газов, окутывающих планету: она состоит из азота, кислорода, водорода, углекислого газа и микропримесей некоторых иных газов. Тонкий озоновый слой, расположенный над погодообразующим слоем атмосферы, защищает нас от вредоносного эффекта ультрафиолетового излучения. В нижней части атмосферы солнечный свет преобразуется в тепло у поверхности Земли, что вызывает движение воздуха вверх и вниз. Образующиеся зоны высокого и низкого давления, постоянно находящиеся в движении, отвечают соответственно за сухую и влажную погоду. Перераспределение тепла и влажности на тысячи километров благодаря атмосферным ветрам и океаническим течениям сглаживает экстремальные погодные условия и способствует образованию разнообразных экосистем. Угол наклона Земли в 23,4 градуса обеспечивает формирование времен года, так что погодные условия на земном шаре оказываются самыми разнообразными.

КРАТКО О ЗЕМЛЕ

Расстояние от Солнца: 149,6 млн км

Продолжительность суток: 24 часа

Угол наклона: 23,4 градуса

Средняя температура: 15 °C

Атмосфера: сравнительно тонкая

Масса:5,97 x 10^24 кг

Спутники: 1

Погода: баланс, обеспечивающий существование человека

Марс

Марс, известный также как Красная планета, можно считать холодной пустыней. В некоторых отношениях он напоминает Землю: на обеих планетах есть ледяные полярные шапки, времена года (которые на Марсе обеспечиваются 25-градусным углом наклона) и значительные погодные фронты. Марс находится дальше от Солнца, его атмосфера гораздо тоньше, а климат на планете за миллиарды лет сильно изменился: некоторые ученые предполагают, что когда-то Марс был способен удерживать воду. Сейчас климат на планете экстремальный: в атмосфере очень высокое содержание углекислого газа, а сухая природная среда практически не удерживает влагу. Имеются северный и южный полюса и полярные шапки на них, состоящие из льда и замороженного углекислого газа. Красный цвет поверхности Марса придает высокое содержание железа, а чрезвычайно выраженная эллиптическая орбита и наклон оси обеспечивают резкие и сильные изменения климата, которые часто проявляются в виде свирепых песчаных бурь. Хотя атмосфера Марса довольно тонка, она полна облаков, ветров и пыли. Температура здесь намного ниже земной, и в целом по планете разница температур еще более значительна, чем на Земле. На полюсах температура может доходитьдо –125 °C, а в дневное время в экваториальных областях – до 20 °C.

КРАТКО О МАРСЕ

Расстояние от Солнца: 227,9 млн км

Продолжительность суток: 24,7 часа

Угол наклона: 25,2 градуса

Средняя температура: –20 °C

Атмосфера: очень тонкая

Масса: 0,107 массы Земли

Спутники: 2

Погода: пыльные бури

Юпитер

Это один из двух газовых гигантов, рекордсмен по массе и размерам: Юпитер в 11 раз больше Земли. Кроме того, эта планета быстрее всех вращается, что приводит к более плоским полюсам и выпуклому экватору. Слабая система колец Юпитера состоит из трех полос пыли, которые видны намного хуже, чем грозные облака и бури, которые придают планете ее неповторимый вид. У Юпитера газообразная атмосфера, которая окружает более плотную, хотя и недостаточно четко определенную внутреннюю часть планеты. Состоит атмосфера по большей части из водорода с небольшим участием гелия и других элементов. Температурные колебания на Юпитере очень сильны: средняя температура составляет около 145 °C прямо под слоем облаков, а температура ядра оценивается примерно в 24 000 °C. Это способствует нагреванию планеты посредством процесса конвекции (подъем воздуха). Хоть на Юпитере и нет отчетливых времен года, поскольку угол наклона составляет всего три градуса, на планете постоянно свирепствуют бури. В небе висят плотные облака из кристаллов аммиака, расположенные полосами в широтном направлении. Полосы окрашены в желтый, коричневый и белый цвет: более темные соответствуют областям нисходящего воздуха, более светлые – областям восходящего движения атмосферы. Когда эти облачные полосы взаимодействуют друг с другом, образуются бури. Самая известная из них – Большое Красное Пятно, ураган, развивающий скорость более 115 м/с. По размеру Большое Красное Пятно эквивалентно двум Землям и существует уже более 400 лет, хотя есть признаки того, что сейчас оно уменьшается в размерах. Среди других погодных явлений на Юпитере присутствуют молнии и полярные сияния, так что в целом справедливо говорить о том, что погодные условия на Юпитере напоминают земные, но, как и все на этой планете, погодные явления здесь имеют гораздо больший масштаб и более яркие эффекты.

КРАТКОО ЮПИТЕРЕ

Расстояние от Солнца: 778,6 млн км

Продолжительность суток: 9,9 часа

Угол наклона: 3,1 градуса

Средняя температура: –145 °C

Атмосфера: очень плотная

Масса: 318 масс Земли

Спутники: 67

Погода: штормовая

Сатурн

Хотя Сатурн не так велик, как Юпитер, он тоже относится к газовым гигантам. Он расположен еще дальше от Солнца, поэтому средняя температура Сатурна составляет –178 °C. Кольца есть у четырех планет – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, однако у Сатурна они наиболее отчетливые. Планету окружают четыре ледяных кольца, что наряду с 62 спутниками чрезвычайно сильно привлекает внимание ученых. Столь же интересна и погода на Сатурне. Сильный наклон оси, 27 градусов, приводит к образованию времен года, каждое из которых длится около семи земных лет. При этом день на Сатурне почти такой же короткий, как и на Юпитере: 10,7 часа. В атмосфере Сатурна толстыми слоями располагаются желтые, серые и коричневые облака, состоящие из аммиака (верхние слои) и льда (нижние слои). Эти облака разгоняются по всей планете сильными струйными течениями и мощными бурями. Как и на Юпитере, на Сатурне имеются крупные буревые пятна, где скорость ветра может достигать 450 м/с. Часты здесь и молнии. Миссия «Вояджера» в 1981 году обнаружила шестиугольное облачное образование, простирающееся на 12 700 километров над северным полюсом Сатурна, на других планетах подобного не встретишь. Как появилось такое впечатляющее геометрическое тело, состоящее из жидкости и ветров, пока выяснено не до конца.

КРАТКО О САТУРНЕ

Расстояние от Солнца: 1433,5 млн км

Продолжительность суток: 10,7 часа

Угол наклона: –26,3 градуса

Средняя температура: –178 °C

Атмосфера: очень плотная

Масса: 95 масс Земли

Спутники: 62

Погода: бури, молнии, ветер до 450 м/с

Уран

Первый из двух ледяных гигантов, Уран кажется голубовато-зеленым благодаря высокому содержанию метана в атмосфере. У него тоже есть бледные кольца, на данный момент их насчитали 13 – они состоят из пыли и более крупных частиц. На этом ледяном гиганте зафиксирована самая низкая температура среди всех планет Солнечной системы: –224 °C. Однако в среднем температуры здесь все-таки повыше, чем на самой отдаленной планете Солнечной системы – Нептуне.

Ученые предполагают, что крайне низкие температуры связаны со странным расположением планеты: она вращается вокруг своей оси, практически лежа на боку – под невероятным углом 98 градусов, – а оборот вокруг Солнца занимает 84 года. Из этого также следует, что лето и зима, когда постоянно светит Солнце и царит тьма соответственно, на планете длятся десятилетиями, так что разница температур очень значительная. Внутренняя система обогрева Урана значительно слабее, чем у Юпитера и Сатурна, так что динамика его атмосферы существенно меньше, чем на других планетах. Однако погодные фронты здесь все же существуют: сильные ветры гоняют по атмосфере полосы льдистых метановых облаков. На поверхности порой возникают темные буревые пятна, но причины их возникновения пока еще не выяснены до конца.

КРАТКО ОБ УРАНЕ

Расстояние от Солнца: 2872,5 млн км

Продолжительность суток: 16,1 часа

Угол наклона: 97,8 градуса

Средняя температура: –195 °C

Атмосфера: очень плотная

Масса: 14,5 масс Земли

Спутники: 27

Погода: чрезвычайно холодная, сильные ветры

Нептун

Этот ледяной гигант расположен дальше всего от Солнца, а погоду на нем можно назвать самой странной во всей Солнечной системе. Большая часть его плотной массы приходится на метан, аммиак и водород. Присутствие метана, поглощающего волны красного цвета и оставляющего голубой, и придает Нептуну отчетливо голубую окраску. Белые точки и черточки на поверхности Нептуна – это высокие облака из замерзшего метана. У планеты как минимум пять бледных колец из пыли и камней, которые отлично получаются на фотографиях – хотя это единственная планета, которую не увидеть с Земли невооруженным взглядом. Ось вращения Нептуна наклонена на 28 градусов, примерно как у Земли, и на этом голубом гиганте, как и на нашей голубой планете, есть времена года, то есть периодические колебания погоды. Эти времена года могут длиться более 40 лет, поскольку один оборот Нептуна вокруг Солнца занимает 165 земных лет. Погода и ветры на Земле связаны с Солнцем, а Нептун получает в 900 раз меньше солнечного света, однако на этой планете происходят сильные бури, о чем можно судить по темным пятнам, и постоянно дуют мощные ветры. Это самая ветреная планета из всех восьми: скорость ветра здесь может достигать 555 м/с. Ученые продолжают дискуссии по многим вопросам, связанным с погодой на Нептуне: некоторые ученые указывают, что она обусловлена не только воздействием Солнца, но и галактическими космическими лучами или частицами высокой энергии из-за пределов Солнечной системы.

КРАТКО О НЕПТУНЕ

Расстояние от Солнца: 4495,1 млн км

Продолжительность суток: 16,1 часа

Угол наклона: 28 градусов

Средняя температура: –200 °C

Атмосфера: плотная

Масса: 17,1 массы Земли

Спутники: 14

Погода: холодная, темная и ветреная

Как атмосфера защищает жизнь на Земле?

Атмосфера служит щитом для жизни на Земле. Смесь газов в ней необходима для защиты и обеспечения выживания различных видов биосферы и экосистем планеты. Примерно на 78 % атмосфера состоит из азота, на 21 % – из кислорода, а остальной процент составляют водяной пар, углекислый газ и другие газовые примеси.

Как защищают Землю отдельные слои атмосферы?

Температурный профиль атмосферы Земли в зависимости от высоты

Тропосфера

Тропосфера – это погодообразующий слой. Его высота составляет около 20 км, нижний край тропосферы доходит до поверхности Земли. Этот невероятно важный слой поддерживает жизнь, так как в нем циркулируют тепло и водяной пар: этот круговорот умеряет разницу температур и распределяет воду по планете. Одно из важнейших свойств тропосферы состоит в том, что с набором высоты она охлаждается. Это позволяет водяному пару конденсироваться и образовывать облака и дождь. Хотя тропосфера не служит щитом для всего, что поступает из космоса, роль водяного пара трудно переоценить. Этот парниковый газ играет важнейшую роль в регулировании температуры по всей планете. Поступающее солнечное излучение он поглощает не так эффективно, однако может поглощать отраженное от поверхности Земли инфракрасное (тепловое) излучение.

Стратосфера

Стратосфера и тропосфера соприкасаются на границе, которая называется тропопаузой. В тропопаузе практически прекращается формирование погоды. Дело в том, что температурный профиль стратосферы совершенно иной: с высотой стратосфера, имеющая высоту около 50 км, нагревается – температура нижней части составляет примерно –50 °C, но постепенно стратосфера становится все теплее, так что в верхней ее части температура уже около нуля. Это значит, что воздух из верхней части тропосферы не может подниматься в стратосферу. Таким образом, самая холодная часть стратосферы – нижняя, и именно здесь располагается стратосферный полярный вихрь, хотя его воздействие на распределение тепла и влажности по планете и связано с механикой тропосферы. Стратосферный полярный вихрь выполняет свои функции. Он образуется над полюсами во время мрачной зимы, постоянно охлаждается и достигает низшей точки температуры к концу декабря. Наличие сильного вихря, вызывающего мощные ветры вокруг полюсов, позволяет сохранять разницу температур с более низкими широтами и подпитывает сильное струйное течение в средних широтах. Именно это струйное течение переносит избыток тепла от экватора на север, смягчая экстремальные температуры, перенося энергию и влажность. Наиболее знаменитая и эффективная часть стратосферы, создающая щит вокруг планеты, называется озоновым слоем. Озона, то есть кислорода О_3, в ней содержится менее 10 частей на миллион, но и такая концентрация куда выше, чем во всех остальных частях атмосферы. Здесь поглощается 97–99 % поступающего вредоносного ультрафиолетового излучения, и именно это поглощение нагревает данный слой атмосферы.

Мезосфера

Мезосфера быстро охлаждается до –100 °C. Дело в том, что уровень поглощения солнечного излучения здесь резко падает. Это очень толстый слой, доходящий местами до 35 км. Именно в мезосфере происходит впечатляющее явление – падение звезд. На самом деле это метеоры, которые сгорают в этом слое, не достигая Земли. Таким образом, мезосфера защищает нашу планету от разнообразных камней и другого космического мусора, который притягивается из космоса гравитационным полем Земли. Метеоры проходят через экзосферу и термосферу, поскольку в этих слоях мало что может их задержать, однако, к счастью, в мезосфере достаточно газов, которые могут замедлить движение потенциально опасных объектов. Это замедление вызывает трение и последующее нагревание, и большинство метеоров распадаются и превращаются в пар. Однако так случается не всегда, о чем свидетельствует испещренный кратерами ландшафт многих земных континентов. Мезосфера, таким образом, спасает миллионы жизней – возможно, даже только за год.

Термосфера

Рядом с самым холодным слоем атмосферы находится ее самый жаркий слой. Температуры здесь могут достигать 2000 °C – благодаря поглощению ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Интересно, что именно здесь, в 500–1000 километрах от поверхности Земли образуются полярные сияния, когда заряженные частицы, летящие от Солнца, сталкиваются с атомами кислорода и азота, создавая невероятные яркие цвета.

Экзосфера

Экзосфера тянется от границ термосферы вверх, на 10000 км от поверхности Земли: это ворота в открытый космос и местонахождение многих искусственных спутников. Чрезвычайно высокий температурный профиль термосферы влияет на эту внешнюю оболочку атмосферы: происходит остывание с 2000 до 0 градусов, воздух холоднее всего по ночам. Атмосфера здесь довольно разреженная, однако можно обнаружить следы таких газов, как кислород и углекислый газ. Это последний слой атмосферы, который еще испытывает силу притяжения Земли. Важно отметить, что экзосфера – первый слой защиты от солнечного излучения, она первой встречает любой летящий к Земле объект.

Действительно ли астероиды – главная угроза Земле?

В своей последней книге «Краткие ответы на большие вопросы», опубликованной в 2018 году, физик-теоретик Стивен Хокинг приводит свои соображения по поводу одной из главных угроз Земле – столкновения с астероидом. У нас нет никакой защиты от подобного события, которое могло стать причиной вымирания динозавров 66 миллионов лет назад. Несмотря на то, что у Земли довольно мощная защитная система, состоящая из нескольких слоев атмосферы, каждый из которых служит своей основной цели, наличие множества ударных кратеров свидетельствует о том, что летящие из космоса камни иногда все же проникают в атмосферу, а некоторые долетают и до поверхности. Согласно спутниковым данным, от 5 до 300 тонн космической пыли ежедневно попадает в атмосферу, и частично эта пыль образуется после сгорания более крупных объектов. Однако сначала давайте определимся с терминами.

• Астероид: крупное каменистое тело в космосе, не имеющее атмосферы, однако вращающееся по орбите вокруг Солнца. Чтобы считаться астероидом, тело должно быть не менее метра в ширину, хотя порой имеет диаметр в сотни километров. Церера, крупнейший известный астероид диаметром 940 км, сейчас считается карликовой планетой. Астероид Веста, или (4)Веста, занимает второе место – 525 километров в диаметре. Между Марсом и Юпитером расположена самая богатая астероидами часть Солнечной системы, так называемый главный пояс астероидов. Предполагается, что околоземные астероиды некогда сошли с орбиты этого пояса астероидов. Кроме того, значительное количество астероидов имеется в поясе Койпера и облаке Оорта.

• Метеороид: любое космическое тело диаметром менее метра считается метеороидом. Это небольшие камни или частицы, вращающиеся по орбите вокруг Солнца. Они достаточно регулярно попадают в земную атмосферу. Если метеороид испаряется в атмосфере Земли, то становится метеором, которые часто называют падающими звездами. Орбита Земли часто оказывается на пути обломков хвоста кометы, которые и образуют метеоры, производящие впечатление падающих звезд. Постоянная орбита таких комет, как, например, комета Свифта – Таттла, позволяет довольно уверенно предсказывать ежегодные метеорные потоки, например, Персеиды в августе.

• Метеорит: если крупные метеороиды или астероиды переживают пролет через недружественную земную атмосферу, их называют метеоритами. Тысячи метеоритов не оказывают на поверхность Земли никакого воздействия, сгорая в нижних слоях атмосферы и ненадолго озаряя собой небо. Однако некоторые космические камни, обычно весом менее полукилограмма, все же пролетают через атмосферу, ударяются о земную поверхность и проходят практически незамеченными. Обнаружить их позволяет только всплеск энергии после того, как метеорит разобьется о землю. От такого столкновения могут задрожать стекла в окнах, взбаламутиться вода, оказаться поваленными леса. Однако на Землю периодически падают и более крупные метеориты, оставляя на поверхности большие кратеры. Впрочем, это очень редкие события, которые порой разделяют десятки тысяч лет.

• Болид: это очень яркий метеор, который, как правило, взрывается в атмосфере; иногда его еще называют огненным шаром. Болиды могут создавать ударные волны, попадая в нижние слои атмосферы и производя разрушительное воздействие. В феврале 2013 года болид диаметром около 18 м взорвался в небе, выбив окна по всему российскому городу Челябинску; пострадали 1200 человек.

Следы былых ударов

Крупнейший в мире кратер (по крайней мере, из изученных), образованный ударом астероида, Вредефорт, находится недалеко от Йоханнесбурга в ЮАР. Возраст кратера оценивается в 2 миллиарда лет, а радиус составляет 190 км. Геологи в подробностях изучили концентрические полукруглые гребни, все еще заметные по бокам кратера и неопровержимо свидетельствующие об ударе астероида. Предполагается, что астероид имел в диаметре 5–10 км: уже одних этих размеров достаточно, чтобы дать представление о том, какую огромную энергию должен был сохранять астероид перед ударом. Сложно сравнивать другие кратеры с Вредефортом, но все же в мире существует немало и других впечатляющих образцов.

Диаметр кратера Чиксулуб на мексиканском полуострове Юкатан составляет 180–240 км. С точки зрения геологии он сравнительно молод, т. к. сформировался всего 65 миллионов лет назад. Есть серьезные основания считать, что именно этот астероид стал причиной гибели динозавров. Мощь столкновения вызвала ударные волны по всем биомам Земли, в воздух поднялись огромные клубы пыли и других частиц, окутавшие всю планету, исполинские цунами полностью покрыли водой все доступные массивы суши. Однако кратер оставался неизвестен до конца 1970-х годов, когда на место прибыла геологическая разведка, представлявшая мексиканскую нефтяную компанию. За прошедшие тысячелетия провал глубиной 900 м почти исчез – сейчас его глубина составляет всего несколько метров. А совсем недавно, в декабре 2018 года, поступили сообщения о том, что в Беринговом море утонул какой-то огненный шар. Он появился на спутниковом изображении, где «сиял так же ярко, как Венера», что свидетельствовало о большом количестве энергии в момент его взрыва в 26 километрах над Землей – 173 килотонны, то есть в 13 раз мощнее бомбы, упавшей на Хиросиму.

Что будет, если крупный астероид столкнется с Землей?

По подсчетам ученых, астероиды диаметром более 25 метров, но менее километра нанесут урон в локальном масштабе. Любой астероид диаметром 1–2 км окажет глобальное воздействие. Самыми серьезными последствиями падения такого астероида станут мощнейшие порывы ветра и взрывные и ударные волны. Перепад давления воздуха вызовет разрывы внутренних органов у людей и животных, а взрывная волна отшвырнет тела и сравняет с землей здания и леса. Среди других чудовищных последствий будут резкое повышение температуры, летящие осколки, цунами, землетрясения, образование кратера и уничтожение прямым воздействием всего живого в окрестностях места удара. Как и иные крупные объекты в космосе, астероиды испытывают влияние силы тяжести, так что у них есть собственные орбиты. Поэтому их маршруты сравнительно легко предсказать. Каталогизация околоземных объектов – титанический труд: космос просто переполнен ими, и каждый год их оказывается все больше. Найти околоземные объекты в ряду других обломков, вращающихся в космосе – все равно что найти иголку в стоге сена, и все же астрофизики добились в этом деле немалых успехов.

Часто ли астероидам удается миновать атмосферный щит Земли?

Примерно раз в год какой-нибудь астероид размером с автомобиль влетает в земную атмосферу, воспламеняется из-за трения и становится ярким огненным шаром, который горит, пока не достигнет суши или воды. Примерно раз в 2000 лет до Земли долетает метеорит размером с футбольное поле, причиняя серьезный ущерб. Каждые несколько миллионов лет, по расчетам ученых, с Землей сталкивается астероид, размеров которого достаточно для опустошения целого региона или глобальных разрушений. Однако сейчас все больше экспертов считает такие оценки консервативными. Частично это объясняется тем, что на Земле больше воды, чем суши, так что вполне можно предположить, что метеориты и астероиды чаще тонут в океане, чем разбиваются о твердь. Под водным зеркалом океана может быть скрыто множество кратеров, которые со временем разрушились и видоизменились. Кроме того, многие более мелкие кратеры и углубления за тысячелетия могли зарасти, выветриться или покрыться лавой после извержений вулканов. Это одна из причин, по которым Луна кажется значительно больше изрытой кратерами, чем Земля: там отметины от ударов сохраняются миллионы лет. На самом же деле Земля привлекает больше метеороидов и астероидов, чем Луна, из-за большей силы притяжения (т. к. у Земли попросту больше масса и объем).

Как на Землю воздействует сила тяжести?

Наличие силы тяжести – непременное условие для существования жизни. Все объекты притягиваются этой силой один к другому. Без этой силы космос не был бы структурирован, и не существовало бы того, что мы сейчас называем Вселенной. Масса объекта определяет значение силы тяжести, так что наибольшая сила тяжести у Солнца – крупнейшего тела в нашей Солнечной системе: оно притягивает все планеты и другие объекты.

Фазы Луны

Сила тяжести зависит также и от расстояния: чем дальше друг от друга два тела, тем меньше притяжение между ними. Вот почему Луна оказывает значительное влияние на земные приливы и отливы. Нахождение Солнца и Луны на одной оси вызывает прилив воды на сушу и ее отлив – в зависимости от расположения всех трех небесных тел друг относительно друга. Полнолуние и новолуние подсказывают наблюдателю, что гравитационное притяжение Солнца и Луны действует в одном направлении: полная Луна полностью открыта солнечному свету, а новолуние происходит, когда Луна полностью закрыта тенью Земли. Оба эти явления связаны с тем, что Солнце и Луна вместе вызывают наибольшее гравитационное притяжение Земли. Если освещена лишь часть Луны, то она находится под углом к Солнцу, так что сила притяжения будет слабее. Когда Луна и Солнце расположены на одной оси, их силы притяжения складываются, что приводит к высоким приливам. Когда они действуют в разных направлениях, то эти силы противостоят друг другу и результирующая сила оказывается куда более слабой, вызывая менее значительные квадратурные приливы. Самые высокие приливы бывают в ночь равноденствия, когда Солнце находится прямо над экватором, а Луна и Земля расположены на одной оси. Во время же солнцестояния амплитуда прилива минимальна.

Как сила тяжести действует на воздух?

Гравитация необходима, чтобы атмосфера оставалась на своем месте. Без силы тяжести воздух просто утек бы в космос. Сила тяжести направлена вниз, и она служит неотъемлемой составляющей любого атмосферного процесса. У поверхности Земли воздух сжимается под весом верхних слоев воздуха, так что давление здесь гораздо выше, чем на больших высотах. С высотой воздух становится более разреженным, так что в какой-то момент людям становится невозможно им дышать.

Гравитации противостоят локальные силы. Когда Солнце достаточно сильное и быстро нагревает планету, воздух у поверхности разогревается, становится менее плотным и поднимается вверх. Его быстро замещает воздух с других участков рядом с поверхностью, который снова разогревается и поднимается. В этом этом районе формируется собственная погода – облака, ливневые дожди, усиление ветра, изменение температуры. Это локализованная область более низкого давления, иными словами – зона восходящего воздуха. Когда Солнце садится и воздух охлаждается, давление у поверхности нормализуется, поскольку воздух теряет энергию и опускается вниз. Изменение давления воздуха – ключевой фактор, определяющий локальные погодные условия. Как и все остальные атмосферные процессы, сила притяжения всегда присутствует, но часто подвергается какой-то нейтрализации.

Погода и технологии

Можно ли полагаться только на прогноз погоды на сайте или в мобильном приложении?

Цифровизация все более стремительна, мы все больше и больше полагаемся на смартфоны и другие гаджеты в плане необходимой информации. Узнать прогноз погоды сейчас гораздо проще, чем в 1990-е годы, когда нужно было либо ждать выпуска новостей по телевидению, либо слушать прогноз по радио, либо читать его в газете. Сейчас новости доступны 24 часа в сутки, прогнозы погоды постоянно обновляются, а когда мы путешествуем, погодные мобильные приложения предлагают прогноз для любого города мира. Однако мы регулярно получаем одну и ту же жалобу: почему прогноз в приложении или на сайте меняется буквально каждый час? Чтобы ответить на этот вопрос, надо понимать, как именно составляется прогноз.

Прежде чем предсказывать погоду на будущее, нужно хорошо понять, какова погода в мире прямо сейчас. Для этого мы проводим наблюдения за погодой на поверхности – измеряем температуру, ветер, давление, влажность и облачный покров. В атмосферу выпускаются метеозонды, которые собирают данные с ее различных слоев. Самолеты, океанические буи, корабли и спутники тоже обеспечивают метеорологов значительным количеством данных. Каждый день миллионы метеосводок собираются по всему миру и отправляются во всемирные центры прогноза погоды, например, в Метеорологическое бюро Великобритании, Европейский центр по среднесрочному прогнозированию погоды, Японское метеорологическое агентство и Национальную службу погоды США. Чтобы превратить поступившие данные наблюдений в прогнозы, ученые разработали математические уравнения и программные коды, которые помогают определить то, как воздух ведет себя и формирует погоду во всем мире. Это так называемый прогноз погоды в цифровой форме – он требует сложных физических и математических вычислений, для которых нужна большая мощность компьютеров. В каждом из уже упомянутых крупных метеорологических центров имеются свои «суперкомпьютеры», которые способны переработать обилие данных, полученных в результате наблюдений, в прогнозы, проводя септиллионы (тысячи миллиардов) вычислений в секунду. В результате получается прогноз погоды на ближайшие несколько часов или дней.

Метеорологи пользуются также различными типами погодных моделей: одни дают нам однозначный прогноз, другие – 50 различных вариантов прогноза. Ансамблевое прогнозирование основано на том, что с самого начала в модель вносятся небольшие изменения, после чего анализируются полученные на выходе результаты. Это позволяет получить представление об определенности и вероятности прогнозов. Если все 50 прогнозов оказываются похожи друг на друга, фиксируется отсутствие практических расхождений, так что мы можем быть вполне уверены в прогнозе, но если все 50 сценариев оказываются разными, то в итоговом прогнозе смело можно усомниться.

Прогнозирование погоды – сложный процесс, довольно далекий от научной точности, однако за последние тридцать лет технологии и знания шагнули так далеко, что прогноз на четыре дня в Великобритании сейчас так же точен, как прогноз на день в 80-е годы. Если же говорить о погодных мобильных приложениях, то их огромное количество, все они берут данные из разных ресурсов, а алгоритмы отображения данных заметно отличаются. Некоторые приложения выводят почасовые данные на пять дней вперед, другие предлагают суточный прогноз на 20 дней. Одни прогнозируют лишь несколько параметров погоды, другие представляют значительно более широкий спектр метеорологических данных. Одни показывают процентную вероятность осадков, другие не имеют такой функции. Одни погодные приложения контролируются специалистами-метеорологами, другие полностью опираются на компьютерные модели.

Разные погодные приложения могут показывать несколько отличающиеся данные уже на 12 часов вперед, которые к тому же словно бы меняются ежечасно. Дело в том, что алгоритмы в основе этих приложений каждый час подгружают новые данные наблюдений для уточнения прогноза, как если бы вы посмотрели в окно и заметили, что на самом деле сейчас более солнечно/влажно/сухо, чем предполагалось исходя из модели компьютерного прогнозирования. Эта новая информация может повлиять на прогноз на ближайшие 6–12 часов: алгоритмы обновляются, и символы на экране погодного приложения вашего смартфона могут измениться. В Великобритании основные модели прогнозирования запускаются каждые шесть часов, так что в этих интервалах могут наблюдаться наибольшие изменения в прогнозировании, особенно если речь о прогнозах на 2–5 дней вперед: небольшие изменения в начале работы модели могут привести к значительным изменениям на выходе.

Можно ли контролировать дождь и что такое засев облаков?

Люди веками стремились каким-то образом контролировать погоду: пытались противостоять надвигающемуся на район урагану, напускали туман на взлетные полосы во время Второй мировой войны, стреляли из снежных пушек, чтобы на горнолыжных курортах было больше снега, вызывали дождь для борьбы с засухой в сельском хозяйстве. Управление погодой дается непросто, и пока успехи в этом деле, как и его экономическая ценность, сомнительны. Однако вызывание дождя – один из типов изменения погоды, который, как считается, оправдывает вложения.

Первые зафиксированные попытки вызвать дождь относятся к XIX веку, когда в США появились дельцы, утверждавшие, что на это способны. Отчаявшиеся фермеры, урожай которых погибал от засухи, платили этим «специалистам». Однако никаких научных способов вызвать дождь тогда не существовало, так что эти шарлатаны просто забирали деньги и отправлялись в следующий район, к другим, ни о чем не подозревавшим земледельцам. Вскоре эта практика прекратилась, но идея как-то повлиять на погоду, чтобы вызвать дождь, с тех пор остается неизменно привлекательной.

Самые ранние действительно научные эксперименты по вызыванию дождя прошли в 1946 году, когда американский ученый Винсент Шефер попытался получить искусственные облака в «облачной камере». Во время одного из своих экспериментов он применил сухой лед, после чего оказалось, что в камере образовалось много водяного пара и облака все же сформировались. Лед оказался тем ядром, к которому прикрепились водяные капельки. В природе в роли ядра выступают тот же лед, пыль, соль или песок. Метеорологи называют их облачными ядрами конденсации. Если удастся увеличить количество таких ядер конденсации внутри облака, можно стимулировать развитие водяных капелек, так что образуется больше воды, которая затем прольется дождем.

Методы засева облаков вскоре привлекли внимание правительств и, разумеется, вооруженных сил. В армиях начали проводить собственные исследования возможностей вызывать дождь с военными целями. В Великобритании в начале 1950-х годов Министерство обороны стало участвовать в экспериментах по изменению погоды. Из обнародованных ВВС Radio 4 выдержек из протокола совещания министерства авиации, прошедшего в ноябре 1953 года, очевидно, что военные уже тогда заинтересовались возможностью усиления снега и дождя искусственным путем. Среди возможных применений называлось «затруднение движения войск противника» и «повышение уровня воды в реках и ручьях, препятствующее переправе войск неприятеля». Эксперименты, проведенные военно-воздушными силами, получили название операции «Кумулюс» и заключались в том, чтобы вводить сухой лед в облака.

15 августа 1952 года городок Линмут в графстве Девон пострадал от одного из сильнейших внезапных наводнений своего времени. Через город пронеслись вода, грязь и камни, погибли тридцать пять человек. В то время случившееся посчитали всего лишь ужасным стихийным бедствием, и это убеждение господствовало многие годы, пока не были рассекречены документы министерства обороны. Расследование ВВС показало, что эксперименты в рамках операции «Кумулюс» проходили неподалеку на той же неделе. Документы также свидетельствовали о том, что после катастрофы операцию почти сразу же свернули. Хотя до сих пор нет твердой уверенности в том, что засев облаков действительно способствовал ливню, в ходе расследования ВВС обнаружились документы, свидетельствовавшие о крайнем недовольстве Министерства авиации и Министерства финансов, где осознали, что вызывание дождя способно нанести вред не только военным целям и солдатам противника, но и мирным жителям.

Зачем засевать облака?

Напрашивается вопрос: почему же это открытие кажется таким важным, если эксперименты так быстро свернули? Помимо всех указанных выше вариантов военного применения, от недостатка дождей страдает сельское хозяйство. Если пшеница у фермера не получит достаточно влаги и начнется неурожай, то все его хозяйство будет разрушено. Вот почему американские фермеры в XIX веке так охотно платили дельцам, обещавшим вызвать дождь. Даже в наши дни посевы нередко страдают от продолжительной засухи. Однако сейчас активно заселяются даже самые пустынные районы мира, например, Объединенные Арабские Эмираты, где просто не хватает воды для всего растущего населения страны. За последнее десятилетие технология засева облаков значительно продвинулась вперед и превратилась в масштабный бизнес. Хотя все еще сложно точно предсказать, насколько засев облаков увеличит уровень осадков, оценки говорят об увеличении на 15–35 %. В последнее время оказалось, что засев облаков не только позволяет повысить уровень осадков в одной местности, но и дает возможность предотвратить дождь в других районах. Например, в 2008 году во время церемонии открытия Олимпийских игр в Пекине организаторы так хотели избежать дождя, что подразделение по модификации погоды Китайской метеорологической службы получило задание рассеять облака над стадионом «Птичье гнездо». Специалисты выпустили в небо над городом 21 ракету с засевающим реагентом – иодидом серебра. Это вызвало ливневые дожди в городе Баодин к юго-западу от Пекина, так что облака не добрались до столицы, и в вечер церемонии открытия было сухо.

Наиболее распространенный способ засева облаков – сброс реагентов с самолетов прямо в облака. Как только ученые обнаруживают нужный тип облаков (это кучевые дождевые облака) в день, когда планируется вызвать дожди, самолеты летят прямо в облако и сбрасывают ракеты с реагентом.

Насколько распространен в мире засев облаков?

Мы уже говорили про Китай, где действует крупнейшее в мире подразделение по модификации погоды. Помимо разгона облаков во время Олимпийских игр 2008 года они занимались предотвращением града, опасного для посевов, и вызыванием дождя для борьбы с пылевыми бурями. Крупнейший проект подразделения – попытки противостоять ежегодной засухе на Тибетском плоскогорье. Для этого в десятках тысяч специальных камер сжигается твердое топливо и производится иодид серебра. Затем он доставляется в атмосферу: им засевают облака, чтобы вызвать дождь. Цель ученых – повысить уровень осадков над регионом в три раза больше Испании, доведя их до 10 млрд кубометров в год.

Засевом облаков занимается более 50 стран, среди основных игроков на этом рынке – Китай, США и ОАЭ. Недостаток воды – основная проблема стран Персидского залива, где быстро растет население и изменяется климат. В ОАЭ регулярно засевают облака, чтобы чаще вызывать дожди. По оценкам Национального метеорологического центра ОАЭ, каждая операция по засеву облаков обходится в 5000 долларов – получается, что за 300 тысяч долларов государство может получить на 30 % больше воды.

В ОАЭ понимают, что эффективность засева облаков по-прежнему остается довольно низкой, так что значительные средства инвестируются в разработку более эффективных методов, именно поэтому эта отрасль науки в стране развита едва ли не лучше всех в мире. Исследования ведутся в двух направлениях: первое – улучшение методики засевов облаков, второе – поиск совершенно новых идей по повышению уровня осадков. На первом пути пока побеждает использование нанотехнологий: инженер-химик Линда Цзоу уже получила результаты, которые могут привести к повышению количества крупных водяных капель в облаке на 300 %.

Этично ли вызывать дождь?

Всемирная метеорологическая организация постановила, что методы модификации погоды необходимы в тех районах земного шара, где действительно требуется борьба с засухой. В подобных условиях незначительное искусственное вызывание дождя считается допустимым методом. Однако как ученые, так и политики с большей осторожностью относятся к более масштабным проектам по модификации погоды, например, на Тибетском плоскогорье. В атмосфере нет границ между государствами, и некоторые указывают на то, что если производить массированный засев облаков, чтобы вызвать дождь в одной стране, то это приведет к «иссушению» облаков, которые могли бы пролиться дождем на другое государство. Перед нами довольно интересная проблема, обсуждение которой наверняка будет продолжаться, хотя в то же время методики модификации погоды могут стать общепринятой практикой.

Можно ли считать засев облаков решением глобальной проблемы засухи?

В локальном масштабе преимущества засева облаков для увеличения объема дождевой воды очевидны. В странах, где засев облаков активно используется для помощи сельскому хозяйству и получения воды для общественных целей (США, Китай, ОАЭ), выгоды очевидны. Однако во всех этих странах по крайней мере имеются предпосылки для модификации погоды: прежде всего, там на небе есть облака для засева, позволяющего повысить уровень осадков. Засуха же характеризуется полным отсутствием осадков на протяжении длительного периода. Это означает, что в странах или регионах, где официально объявляется засуха, в атмосфере попросту недостаточно влажности для формирования облаков. А технология создания облаков пока отсутствует. Таким образом, хоть засев облаков и может помочь в локальном масштабе, он не дает эффекта для крупных регионов и не облегчает искоренение засухи.

Можно ли изменить маршрут урагана?

В некоторых случаях люди пытались изменить погоду, чтобы получить военные преимущества, однако большинство сегодняшних методов модификации погоды направлено на улучшение локальных погодных условий. В принципе попытка защитить жизнь и собственность людей от разрушительных сил природы не выглядит особенно безумной, но возможно ли это? Можем ли мы действительно отклонять от маршрута или даже разрушать тропические циклоны, прежде чем они обрушатся на сушу, ведь это отменило бы необходимость в массовой эвакуации и спасло бы от разрушений, человеческих жертв и огромных экономических убытков?

Остановить или отклонить ураган от его пути – задача чрезвычайно сложная. Обычно ураган содержит невероятное количество энергии. Только энергия ветра в урагане составляет примерно половину энергии, выработанной за год всеми электростанциями мира. Энергия, которую ураган высвобождает, образуя облака, в двести раз больше годового мирового потребления электричества, а тепловая энергия урагана эквивалентна тому, как если бы 10-мегатонная атомная бомба взрывалась каждые 20 минут, что в 700 раз больше, чем атомная бомба, сброшенная в 1945 году на Хиросиму. А теперь подумайте о том, насколько больше энергии в ураганах 4 и 5 категории, например, «Катрине» или «Ирме».

Первые попытки

Попытки бороться с ураганами начались в 1940-е годы, когда ученые США заинтересовались возможностью ослабления бурь с помощью ледяных кристаллов. Исследования получили название проекта «Циррус». В 1947 году самолет вылетел на побережье штата Джорджия, чтобы сбросить на ураган сухой лед. Физические процессы здесь те же, что и при вызывании дождя: в ядре урагана должно образоваться больше снега и льда, что теоретически приведет к снижению энергии и ослаблению этого циклона. Хотя тот ураган действительно изменил свой маршрут, «Циррус» никак на это не повлиял. Никаких результатов представить не удалось, поэтому проект заморозили.

После того как в конце 1940-х и в 1950-х годах на США обрушился ряд опустошительных ураганов, правительство страны загорелось идеей вернуться к попыткам их модификации, и действующий на тот момент президент Дуайт Эйзенхауэр[23] создал комиссию по исследованию этого вопроса. В 1962 году был учрежден проект «Стормфьюри», участие в котором принимали ученые из Национальной научно-исследовательской лаборатории по ураганам и Центра вооружений ВМФ США. Идея была примерно такая же, как и у проекта «Циррус», но в распоряжении команды «Стормфьюри» оказались более передовые технологии засева облаков и методы распределения засева внутри урагана. План состоял в том, чтобы распылить в больших количествах частицы иодида серебра вокруг «глаза бури». После тестирования и дальнейших исследований в 1969 году участники проекта засеяли ураган «Дебби», что привело к ослаблению ветра на 15–30 %. Однако очень сложно было с уверенностью сказать, стало ли ослабление ветра прямым результатом засева или же произошло естественным образом в связи с изменившимися природными условиями. Проект «Стормфьюри» закрылив 1980 году.

Первые попытки остановить бурю не принесли результатов и в конце концов были оставлены, однако до сих пор при каждой серьезной угрозе урагана продолжаются требования что-то предпринять, чтобы не допустить возможных разрушений. Некоторые даже предлагают сбрасывать на ураган бомбы. Проблема, однако, в том, что, поскольку энергия урагана в несколько раз выше энергии атомной бомбы, это ни к чему не приведет – разве что ураган немного разогреется. Кроме того, тем самым будет создан ядерный ураган, который вызовет радиоактивный дождь и уничтожит все экосистемы, да и нас заодно!

Итак, засев ураганов и сбрасывание на них бомб вряд ли сработают. Возможно, лучшим способом будет управление ураганом на том этапе, на котором он еще не накопил достаточно энергии. Для этого нужно обратить внимание на области, где формируются ураганы, и понять, как мы можем изменить здесь температуру, влажность, скорость и направление ветра. Обдумав эту идею, известный шотландский профессор Стивен Солтер предложил остужать океан в тех областях, где ураганы начинают серьезно усиливаться. Он предполагает, что при температуре поверхностных вод ниже критических 26 °C снизится и тепловая энергия, так что ураганы будут более слабыми. Профессор разработал «раковину Солтера» – насос, использующий энергию волн и перемешивающий воду в океане так, чтобы более теплая вода уходила с поверхности в морские глубины. Однако предполагается, что для достижения цели таких насосов потребуется несколько сотен, а то и тысяч. Поэтому, несмотря на научную обоснованность проекта, имеются серьезные сомнения в его реализации.

Профессор Солтер также предложил способ слегка осветлять облака в области образования ураганов. Этот метод напоминает схемы засева облаков в проектах «Циррус» и «Стормфьюри», но идея состоит в том, чтобы на пути урагана распылять в небо аэрозоли с радиоуправляемых лодок. Это должно осветлить облака и повысить их отражающую способность, что, в свою очередь, сократит количество солнечного света, достигающего поверхности моря, и следовательно, снизит температуру.

Ураганы могут наносить многомиллионный и даже многомиллиардный ущерб, так что вкладывать деньги в технологии, призванные снизить их интенсивность или отклонить их от маршрута, вовсе не кажется безумием. Однако, судя по всему, нам еще долго не удастся обрести контроль над этими мощными погодными системами, так что, возможно, сейчас лучше вкладывать средства в прогнозирование ураганов, предупреждение о них и снижение ущерба.

Каков прогноз на ядерную зиму?

В конце 1970-х – начале 1980-х годов, в разгар холодной войны, существовало геополитическое напряжение между СССР (восточным блоком) и США и их союзниками из Западной Европы (западным блоком). Риск ядерной войны был чрезвычайно высок. Каждая из сторон обладала ядерным арсеналом, и угроза его использования висела в воздухе.

Наука и история уже показали нам, что происходит с городом, на который сбрасывают атомную бомбу. Ядерные бомбы фактически приносят на Землю кусочек Солнца, причем за долю секунды. Взрывная и тепловая волны атомной бомбы разрушают здания и убивают всю жизнь вокруг, а затем начинают выпадать радиоактивные осадки: радиация воздействует на все живое в нескольких километрах от зоны поражения, а с меньшим эффектом – на весь мир, по мере того, как радиоактивная пыль и облака разносятся ветром. Все мы представляем себе разрушения, которые может нанести такое оружие, но никто обычно не думает о долгосрочных климатических последствиях атомной войны. Вы, впрочем, вероятно, уже представляете себе планету с опустевшими городами, где вечно холодно и темно. В начале 1980-х годов было снято несколько фильмов и телесериалов, изображавших постапокалиптическое будущее в мире, где бушевала ядерная война. Однако полная картина такой катастрофы выглядела бы намного ужасней, чем когда-либо воссоздавали в кино.

При чем тут погода?

Концепция ядерной зимы возникла в начале 1980-х годов, когда Геофизический союз США провел совещание по вопросу климатического эффекта атомной войны. Забудьте ненадолго о взрывной волне и радиации в момент падения бомбы на город. Взгляните на следующий отрезок времени. По всему пораженному району будут полыхать огромные пожары, в атмосферу начнет поступать большое количество дыма, часть которого, скорее всего, проникнет в нижние слои стратосферы. Поскольку в стратосфере нет дождевых облаков, возможности «вымыть» оттуда частицы дыма нет – он останется там надолго. Почему это важно? Предполагалось, что даже небольшое количество дыма в верхних слоях атмосферы снизит количество солнечной энергии, то есть солнечного света, попадающее на поверхность Земли, и в результате наступит глобальное похолодание. Простая физика.

Климатологи, знакомые в то время главным образом с последствиями извержений вулкана, считали, что могут применить уже разработанные модели климата для исследования эффектов ядерной зимы. Эти модели предполагали выброс в атмосферу большого количества аэрозольных частиц и серной кислоты при извержении вулкана, так что ученые просто заменили эти выбросы дымом, как от массированных пожаров.

Индийско-пакистанская модель

Одна из самых поразительных компьютерных симуляций сценария ядерной зимы была выполнена группой американских ученых, оценивавших последствия возможной ядерной войны между Индией и Пакистаном. В начале 1980-х годов оба государства располагали примерно 50 атомными бомбами вроде той, что уничтожила Хиросиму. Исходя из этих данных, модель должна была рассчитать, сколько дыма поднимется в атмосферу в результате масштабной войны с применением всех бомб. Предполагалось, что в атмосфере окажется 5 миллионов тонн дыма – такое количество, разумеется, со временем воздействует на всю планету. Будут наблюдаться региональные различия в изменении температур, однако во всех странах без выхода к морю установится температура ниже нуля. На Земле станет темнее, разрушится озоновый слой, и до поверхности будет доходить значительно больше ультрафиолетового излучения. Серьезно пострадают флора, фауна и природные экосистемы. После публикации данных этой модели все больше людей стали понимать глобальные последствия ядерной войны и осознавать, что страна, развязавшая ее, фактически убивает не только противника, но и себя.

Но почему мы должны доверять таким моделям? Давайте вернемся к вулканам, раз уж ученые начинали свои расчеты с них. В апреле 1815 года произошло крупное извержение вулкана Тамбора в Индонезии. На тот момент это было самое значительное извержение за всю историю наблюдений. Хотя оценки разнятся, считается, что погибло около 70 тысяч человек. Огромное количество пепла попало в атмосферу и разлетелось по всей планете, что оказало значительное влияние на климат. На следующий год температура в мире упала в среднем на 0,4–0,7 °C. Кажется, что это совсем немного, но эффект был очень значительным: 1816 год вошел в историю как «год без лета». Это была сельскохозяйственная катастрофа: по всему Северному полушарию случился неурожай, не хватало еды. Хотя «год без лета» стал результатом природной катастрофы, основной принцип – попадание в атмосферу огромного количества дыма, пепла и диоксида серы, заслоняющих солнечный свет и снижающих общемировую температуру – такой же, как и в случае потенциальной ядерной зимы.

Несмотря на все разногласия времен холодной войны, американские и русские ученые в начале 1980-х годов представили сценарии наступления ядерной зимы тогдашним главам СССР и США – Михаилу Горбачеву и Рональду Рейгану. Те изучили исследования и вняли призывам. Рейган даже официально заявил, что массовое применение ядерного оружия уничтожит Землю. В результате последовало сокращение ядерного вооружения с обеих сторон, было подписано несколько договоров, обязывающих обе державы сократить ядерный арсенал. С тех пор он неуклонно снижается во всем мире, но, к сожалению, в то же время увеличивается количество государств, которые обладают ядерным оружием. Недавние исследования с применением уточненных по сравнению с началом 1980-х годов моделей климата принесли те же результаты: проблема никуда не делась.

Может ли модификация климата спасти планету?

Методы модификации климата, такие как вызывание дождя, позволяют некоторым странам восполнять локальный недостаток воды, хотя, как мы уже отмечали в отношении Китая, существуют и более масштабные проекты. Предпринимаются и другие попытки изменять погоду, например, вмешиваться в распространение ураганов, шквалов с градом, туманов, однако сейчас мы вступаем в ту эпоху, когда изменение климата ощущается в глобальном масштабе. Ученые требуют как можно быстрее сократить выбросы углекислого газа и добиться того, чтобы мировые температуры не превышали значения, после которого начнут сказываться долгосрочные масштабные эффекты глобального потепления. Все мы надеемся, что правительства всех государств изменят свою политику и начнут сотрудничество в деле спасения нашей планеты. Многие считают, что и этого недостаточно, поэтому становятся инженерами-экологами. Можно ли остановить повышение температуры инженерными методами и уберечь планету от необратимого вреда?

Сейчас обсуждается несколько вариантов прекращения глобального потепления или даже снижения температуры. Среди самых безумных предложений – отодвинуть Землю подальше от Солнца или разместить в космосе огромные зеркала, которые будут отклонять солнечное излучение. То и другое, разумеется, выглядит сюжетом из научной фантастики. Однако в идее установки в космосе гигантских зеркал есть и рациональное зерно: облака в атмосфере – это естественные отражатели поступающего на Землю солнечного излучения. Чем белее и ярче эти облака, тем больше их отражательная способность, что понижает температуру на поверхности Земли. Один из проектов предусматривает опрыскивание облаков над морем тонким аэрозолем из морской воды. Особенно удачным это может оказаться в полярных районах: полюса охладятся, а подъем уровня моря остановится. Токсичных химических веществ для этой цели не требуется, и цена проекта кажется сравнительно приемлемой. Однако такое вмешательство может сильно сказаться на региональных режимах погоды и привести к сокращению осадков, так что оценивать такой тип модификации погоды следует с осторожностью: нужно сперва доказать, что преимущества перевесят недостатки.

Еще один вариант снижения общемировой температуры – искусственно воспроизвести все, что происходит в естественных условиях при извержении вулкана. История неопровержимо доказывает, что крупные вулканические выбросы приводят к похолоданию во всем мире. После извержения филиппинского вулкана Пинатубо в 1991 году в стратосфере оказалось множество частиц пыли, пепла и аэрозолей, что привело к снижению общемировой температуры на полградуса в последующие два года. Кажется, что этого маловато, но не стоит забывать, что потепление сейчас составляет полтора градуса по сравнению с доиндустриальным уровнем, так что снижение на полградуса достаточно значительно. Вопрос, однако, состоит в том, можно ли впрыснуть в атмосферу аэрозольные частицы, которые окажут такое же воздействие и приведутк снижению общемировой температуры. Теоретически мы можем направить в стратосферу достаточное количество оксида серы, который образует аэрозоли, отражающие солнечный свет обратно в космос. И это действительно снизит общемировую температуру. Но разумно ли закачивать в атмосферу парниковые газы, чтобы нивелировать воздействие других парниковых газов, да еще без полного понимания возможных побочных эффектов?

Вероятно, наиболее разумная на данный момент идея модификации климата, получающая все большее распространение среди инженеров, – это непосредственная фиксация двуокиси углерода в воздухе. Фиксация двуокиси углерода – не новая идея. Многие заводы и фабрики, испускающие парниковые газы, используют технологию фиксации двуокиси углерода, которая удаляет из выбросов в атмосферу углекислый газ. После этого он либо поступает в хранилище, либо продается для иных целей. Хотя это позволяет сократить выбросы углекислого газа в атмосферу, процесс все равно связан со сжиганием ископаемого топлива и только замедляет неизбежное повышение общемировой температуры: углекислого газа в атмосфере не становится больше, но его содержание и не убывает. Нам же нужно разработать процесс сокращения содержания двуокиси углерода в атмосфере. И вскоре это может стать реальностью: уже почти готова технология, где, если упрощать, используются огромные вентиляторы, которые всасывают воздух, удаляют оттуда углекислый газ и возвращают воздуху же очищенным. Пока, однако, технология работает для небольших объемов и нуждается в масштабировании.

Модификация климата для всех?

После принятия Конвенции 1978 года о предотвращении изменений в окружающей среде в ответ на тайную операцию «Попай»[24] было решено запретить государствам военное воздействие на природную среду. В 2010 году приняли еще и конвенцию по биологическому разнообразию, запретившую другие формы модификации погоды и геоинжиниринга.

В чем важность этих конвенций? Они запрещают такие методы модификации погоды, которые «путем сознательного управления естественными процессами» изменяют «динамику, состав или структуру Земли (включая ее биоту, литосферу, гидросферу и атмосферу) или космического пространства». Поэтому, например, осветление облаков подпадает под действие международных конвенций, поскольку в этом случае возможен климатический ущерб для других стран, и ситуация может стать поводом для возникновения напряженности в международных отношениях. Любые достаточно серьезные методы модификации климата в глобальном масштабе потребуют сотрудничества всех стран мира. Это не должно стать проблемой, правда?!

Погода и война

Любой командир воинского подразделения подтвердит вам, что погода на войне имеет большое значение. Эти слова подкрепляются множеством исторических примеров: всегда важно знать, какие природные условия будут накануне военных событий. Можно вспомнить и 1588 год, когда благоприятные ветры и шторма внесли значительный вклад в разгром британцами испанской Непобедимой Армады, и Первую мировую войну, когда в течение всего «грязевого сезона» на Западном фронте не было перемен.

Война и прогнозы погоды

Официальные прогнозы погоды появились в 1861 году, когда вице-адмирал Королевского флота Роберт Фицрой опубликовал первый суточный прогноз погоды в газете The Times.Он был уверен в своей способностипредсказывать погоду, стал пионером метеорологии и основал в 1854 году прообраз современной Метеорологической службы Великобритании в составе Министерства торговли. Основной целью первых прогнозов погоды было предупредить о надвигающейся опасности моряков торгового и военного флота. Эти прогнозы были очень приблизительными, и Фицроя часто высмеивали, когда он оказывался неправ. После нескольких лет предсказаний с переменным успехом в 1865 году он вышел на пенсию, но его идеи породили целое движение метеорологов, стремившихся получить больше знаний о том, как работает атмосфера, и распространивших действие прогнозов на день вперед.

Через несколько десятилетий после первой публикации прогноза Фицроя в The Times метеорология развилась в полноценную науку, поэтому прогнозы погоды стали привычным делом для Европы и Северной Америки. В начале Первой мировой войны в британской армии быстро поняли, что им требуется помощь со стороны Метеорологической службы – главным образом для предсказания направления и силы ветра. Если на поле боя могли пустить газ, армии требовалось знать, в каком направлении и как быстро он будет распространяться, а предсказания относительно высотных ветров помогли бы артиллерии и авиации, которой нужна информация об облачности и туманах.

Метеоданные стали настолько важным делом, что их ежедневно требовалось все больше и больше. К 1918 году метеопрогнозы стали важной составной частью военной стратегии Британии. С развитием технологий и военного дела в т. ч. по мере появления новых самолетов в составе Военно-воздушных сил прогнозы погоды стали постоянно учитываться при разработке тактики. К началу Второй мировой войны Метеорологическая служба насчитывала уже несколько тысяч сотрудников.

Победные прогнозы погоды

Перед высадкой в Нормандии в июне 1944 года все военные аспекты операции тщательнои скрупулезно планировались. Транспортировка тысяч солдат на кораблях и самолетах через Ла-Манш была нелегкой задачей, поскольку командование союзников никак не могло обеспечить хорошую погоду. Условия должны были быть оптимальными: ни сильного ветра, ни волнения на море, ни низких облаков, ни плохой видимости. Высадка должна была проходить на рассвете, при максимальном отливе (чтобы обнажить защитные позиции германской армии), а желательно и в полнолуние, чтобы во время ночной переправы не испытывать недостатка освещения. Все это подразумевало, что для операции едва-едва подходили 3–5 дней в июне.

Учитывая столь узкое окно, командование союзников требовало во время планирования операции обеспечить как можно более подробную метеорологическую информацию. Занималось этим подразделение под руководством полковника авиации Джеймса Стэгга. Под его началом объединились три команды метеорологов: из Метеорологической службы, британского ВМФ и американская группа. Все они использовали слегка разные методы прогнозирования. Эти различия приводили к тому, что Стэггу часто приходилось самому интерпретировать три противоречащих друг другу прогноза погоды перед тем как делать доклад высшему командованию.

Кроме прочего, от него требовали представлять прогноз на пять дней вперед, хотя в то время максимально возможным был точный прогноз на ближайшие 12–24 часа. Погодные наблюдения велись с земли, кораблей и самолетов в Великобритании и Франции. При этом немецкие метеонаблюдения были зашифрованы, так что трудно было понять, что происходит на земле. К счастью, дешифровщики из Блетчли-парка[25] в городе Милтон-Кинс смогли взломать этот шифр, и союзники получили доступ к информации о погодных условиях по всей Европе.

По мере того как окно из 3–5 дней с оптимальным приливным ритмом и фазой Луны приближалось, давление на Стэгга усиливалось: теперь от прогнозов погоды зависела вся операция. К сожалению, погодные условия в конце мая – начале июня 1944 года были очень нестабильными, дули сильные ветра, лил дождь, поэтому предсказать наступление подходящего погодного окна было непростой задачей. В итоге днем «Д»[26] для проведения операции «Оверлорд» было избрано 5 июня, но из-за плохой погоды 4 июня высадку пришлось отложить. Однако с каждым днем отсрочки приливы становились все сильнее, и давление на метеорологов снова усилилось.

Конфликт случился и внутри метеорологического подразделения: все три группы синоптиков выступили с различными вариантами прогноза. Стэгга прессовало начальство, но изменить что-либо в прогнозе он не мог – это было невозможно. Представители Метеорологической службы и флота предполагали, что 6 июня погода может наладиться, но американцы не соглашались. Стэгг представил свой прогноз, согласно которому условия в этот день должны были быть удовлетворительными. Генерал Эйзенхауэр, верховный главнокомандующий силами союзников, отдал приказ о высадке.

Прогноз оправдался не до конца: хоть погода немного и успокоилась, ветер оставался сильным, а море в Ла-Манше – беспокойным. У многих солдат началась морская болезнь, некоторые суда перевернулись, а парашютисты приземлились не там, где изначально рассчитывали, так как ветер был сильнее предполагаемого. Однако история напоминает нам, что высадка в день «Д» и вся операция «Оверлорд» окончились успешно. Если бы полковник Стэгг не решил представить более оптимистичный прогноз, следующая возможность (полнолуние и максимальный отлив) представилась бы только через две недели. Если бы операцию отложили до этого времени, погода могла бы сильно ухудшиться: ветер был близким к штормовому, а в проливе образовались шестиметровые волны. После сильной бури в те дни генерал Эйзенхауэр написал Стэггу: «Слава богам войны, что мы уже успели высадиться».

Военные метеорологи

Сейчас уже совершенно очевидна важность прогнозов погоды в военное время, но она не ограничивается армией. С увеличением британских военно-воздушных сил во время Второй мировой войны стало ясно, что самолеты сильно зависят от погодных условий, что привело к учреждению Метеорологического подразделения добровольческого резерва ВВС. Тысячи сотрудников гражданской Метеорологической службы приняли активное участие в его работе и действовали на военных базах Великобритании и Европы, обеспечивая авиацию необходимыми прогнозами. Тысячи жизней удалось спасти своевременными предупреждениями о нелетной погоде.

Вскоре после окончания войны многих сотрудников этого подразделения сократили – для поддержки вылетов по выходным и участия в маневрах осталось всего 200 человек. В мирное время нужды в целом подразделении метеорологов не было, так что его в итоге полностью расформировали. Однако в начале 1960-х годов с усилением холодной войны потребность в прогнозах погоды снова стала нарастать. В 1963 году метеорологическое подразделение было учреждено вновь, но на сей раз оно было оформлено официально – как Мобильная метеорологическая часть Королевских Военно-воздушных сил. Его прерогативой стало «обеспечение метеорологической поддержки вооруженным силам Великобритании в тех районах, где местная метеорологическая поддержка недостаточна».

Спецбригада метеорологов

Хоть Мобильная метеорологическая часть и была полноценным подразделением Королевских ВВС, в ее составе в основном были метеорологи, инженеры и наблюдатели из резерва, имевшие гражданскую работу в Метеорологической службе, часто связанную с военными нуждами. Призванные в армию, они продолжали заниматься привычным делом, но уже в других местах. Специалисты занимались метеорологической поддержкой во время холодной войны и на маневрах, но главную пользу Мобильная метеорологическая часть принесла во время Фолклендской войны 1982 года. Подразделение было расквартировано на острове Вознесения, где предоставляло прогнозы погоды военным самолетам, летящим на Фолкленды, и бомбардировщикам Vulcan, взлетавшим с аэродрома Порт-Стэнли.

В 1990-е годы конфликты на Ближнем Востоке спровоцировали войну в Персидском заливе. Вооруженные силы приходилось перебрасывать туда, где местной метеорологической поддержки не было, поэтому в центр событий была отправлена и Мобильная метеорологическая часть. Сначала военные командиры считали, что обойдутся без прогнозов погоды, потому что «в пустыне всегда жарко и солнечно», однако после ряда бурь и гроз им все же пришлось обратиться к метеорологам. На пике своей активности мобильные команды метеорологов действовали в Восточной Европе, Ираке, Афганистане и странах Персидского залива, предоставляя метеорологическую информацию непосредственно войскам, участвовавшим в сражениях.

Выступать или нет?

Сейчас метеорологи из мобильной части играют важную роль в планировании миссии и ее осуществлении. Их прогнозы куда более подробны, чем те, которые вы видите по телевизору, слышите по радио или читаете в Интернете. Здесь намного больше точной информации о высоте и количестве облаков, о видимости, об изменении направления и скорости ветра за данный период, о вероятности наступления более суровых погодных условий – и это лишь некоторые пункты прогноза. На ежедневных планерках метеорологам предоставляются главные роли. Они информируют командование о том, какой погоды следует ожидать на следующий день, а затем во время операции проводятся специализированные метеорологические совещания с руководителями армейских и авиационных подразделений.

Погода и флот

Хотя Мобильная метеорологическая часть обслуживает британскую армию и Королевские ВВС, погода имеет жизненно важное значение и для флота, в чем легко убедиться, если обратиться к истории: ведь пионером прогнозов погоды был вице-адмирал Роберт Фицрой. В свое время метеорологические сводки для флота составляла непосредственно Метеорологическая служба в общем порядке, но постепенно погодные данные становились для операций военного флота все важнее, и в 1937 году было учреждено специальное Флотское подразделение метеорологии и гидрографии. С этого времени вы могли поступить во флот и заниматься там метеорологией и гидрографией. Как и мобильная метеорологическая часть, флотское подразделение метеорологии играет важную роль в операциях британского флота по всему миру, помогая извлекать военные выгоды из погодных условий. Оба подразделения тесно сотрудничают в Метеорологическо-океанографическом центре совместных операций в Хай-Уайкомбе.

Может ли погода стать решающим фактором в войне?

Ирвинг Крик, американский метеоролог и инженер, как-то сказал: «Нация, которая первой сможет обрести контроль над погодой, станет ведущей в мире». Мы уже убедились, насколько важна погода для военных действий, так что нет ничего удивительного, что многие страны предпринимали попытки управлять погодой либо во благо себе, либо для затруднения действий противника.

Начнем с управления погодой для собственной выгоды. В 1942 году, во время Второй мировой войны, из-за тумана на аэродромах Великобритании было потеряно много летных часов. Уинстон Черчилль приказал своему главному советнику по науке лорду Черуэллу «как можно более оперативно» найти решение проблемы. Черуэлл предложил зажигать множество костров вдоль взлетно-посадочных полос, тем самым повышая температуру воздуха и разгоняя туман. Это решение получило название FIDO (Fog Investigation and Dispersal Operation – операции по искусственному рассеянию тумана), и первый успешный эксперимент был проведен в ноябре 1942 года, когда удалось разогнать почти 200-метровый густой туман. После этого установки FIDO были размещены на большинстве английских аэродромов. Правда, многое упиралось в стоимость: каждая такая операция требовала большого количества топлива – 100 тысяч галлонов бензина и керосина в час. Однако в разгар боевых действий такие траты были сочтены оправданными: разгон тумана создавал летные часы, меньше самолетов гибло при попытке приземлиться в тумане. Говорилось даже, что введение FIDO приблизило конец войны и спасло жизни тысячам летчиков.

Во время войны во Вьетнаме американское правительство провело тайную операцию по модификации погоды, чтобы получить преимущество в боевых действиях. В Юго-Восточной Азии армия США начала совершенно секретные действия по засеву облаков. Целью операции «Попай»[27] было вызвать сильные дожди в районе тропы Хо Ши Мина и воспрепятствовать снабжению вьетнамской армии. Предполагалось, что ливни размоют дорожное покрытие, вызовут оползни и наводнения, так что дорога частично вообще перестанет существовать. Операция по засеву облаков была проведена 54-й эскадрильей разведки погоды, которая обычно занималась сбором метеоданных. Лозунгом операции было «создавать грязь, а не войну». Каждый день в сезон дождей (с марта по ноябрь) проводилось по два вылета с засевом облаков. Официально неизвестно, насколько успешными были результаты операции, поскольку она была окутана покровом секретности. После того как о ней все-таки стало известно, прошли слушания в Конгрессе, однако и командование армии, и президент Никсон отрицали ее существование.

И все же операция «Попай» вызвала немалое общественное беспокойство. Модификация погоды в военных целях устанавливала очень опасный прецедент. В результате в 1978 году в силу вступила Конвенция о предотвращении изменений в окружающей среде, направленная на запрет использования методов модификации погоды с целью причинения ущерба или нанесения разрушений. С тех пор исследования в области модификации погоды очень ограничены. Существует, однако, множество теорий заговора, сторонники которых полагают, что тайные проекты по управлению погодой в военных целях продолжают реализовываться.

Начинались ли войны из-за погоды?

Отвечая на этот вопрос, мы хотим напомнить о фундаментальных различиях между погодой – ежедневными и еженедельными атмосферными условиями, и климатом – совокупностью значительно более долгосрочных погодных условий, которые устанавливаются на десятилетия.

Насколько нам известно, маловероятно, чтобы изменения погоды на ежедневной или еженедельной основе когда-либо приводили к крупным войнам, а вот изменения климата, возможно, и имели такие последствия. Конечно, стоит быть очень осторожными, непосредственно увязывая изменения климата с началом конфликтов в мире, но они определенно могли стать одним из факторов. В 2018 году Всемирный банк[28] выпустил отчет, в котором утверждалось, что изменение климата отрицательно сказывается на производстве продуктов питания, особенно в сельских районах, где живет 80 % всех находящихся за чертой крайней бедности. Представьте, например, что район, где вы живете, подвергся сильной засухе и там больше нельзя заниматься сельским хозяйством. Вероятно, вы захотите переехать. Этот фактор может, таким образом, усилить миграцию между странами, которая, в свою очередь, способна спровоцировать конфликты. То же самое можно сказать о более агрессивных стихийных бедствиях – ураганах, наводнениях, аномальной жаре. Некоторые исследователи предполагают, что повышение общемировой температуры на 0,5°C увеличивает вероятность конфликта на 10–20 %.

Яркий пример конфликта такого типа – «климатическая война» в Сирии, где пятилетняя засуха (2006–2011 годы) разорила 75 % крестьянских хозяйств и уничтожила 85 % скота (данные ООН). Эта засуха вынудила сняться со своих мест более 10 миллионов сирийцев, и страна закружилась в вихре яростной гражданской войны. Считается также, что в Йемене, Ливии и Южном Судане засухи стали важным фактором начала гражданских войн.

Климатические беженцы

В отчете Всемирного банка за 2018 год исследовался вопрос климатических миграций. Было высказано предположение, что к 2050 году, если не будет предпринято никаких мер по борьбе с изменением климата, появится более 143 миллионов климатических беженцев – в основном из Экваториальной Африки, Южной Азии и Латинской Америки. Самые бедные слои населения будут вынуждены сниматься с мест из-за сокращения производства зерна, недостатка воды и подъема уровня моря. И речь идет не только о развивающихся странах – пострадает и развитый мир.

Парижское соглашение 2018 года утверждает, что общемировую температуру необходимо удержать хотя бы на уровне около полутора градусов выше доиндустриального уровня, но считается, что и это значение все-таки вскоре не устоит. Кроме того, по некоторым оценкам, даже если необходимую температуру удастся сохранить, уровень моря к 2100 году, скорее всего, все равно повысится на 50 см (и это еще сравнительно консервативный показатель – нам доводилось встречать и более агрессивные климатические модели). Это значит, что таким крупным прибрежным городам, как Нью-Йорк, Майами, Лондон, Бангкок и Шанхай будет грозить затопление. Всего повышение уровня моря будет угрожать более чем 500 крупным городам. Многим их жителям придется переехать вглубь континента. В более жарком мире пустыни начнут двигаться на север – и в том числе большую часть Средиземноморья ожидает опустынивание. Если не принять меры, жители стран средиземноморского бассейна тоже вынуждены будут уехать на север. Подобные климатические миграции вряд ли станут непосредственной причиной конфликта, однако они наверняка вызовут нестабильность, которая, как подсказывает история, всегда угрожает миру.

Изменение климата

Природные изменения климата

Изучение климата Земли в прошлом – невероятно сложная задача. Предмет изучения огромен. Чтобы понять нынешние и будущие изменения климата, важно прежде всего разобраться с климатическими ритмами, существовавшими до того, как антропогенный фактор стал ключевым в этом вопросе.

История климата в двух словах выглядит так: Земля всегда переживала климатические изменения – среднегодовая общемировая температура падала настолько, что наступали ледниковые периоды, а затем поднималась до такого уровня, что исчезали даже полярные ледовые шапки. За последний миллиард лет случилось пять или шесть оледенений, между которыми наступали короткие более теплые эпохи, так называемые межледниковья. Самое раннее оледенение произошло 2,4–2,1 млрд лет назад, а пик последнего наступил 18 тысячлет назад. В то время средняя общемировая температура была на шесть градусов ниже, чем сейчас. Повторимся: всего на шесть градусов ниже, но этого было достаточно, чтобы Земля погрузилась в ледниковый период.

Кажется, что шесть градусов – это мало, однако это общемировая температура, средняя по всей поверхности нашей планеты – от Северного полюса до экватора и далее до Южного полюса, включая все, что между ними. Это средняя температура за все сезоны: зимние и летние, сухие и влажные, холодные и жаркие. С климатической точки зрения разница в шесть градусов просто колоссальна.

Во время последнего ледникового периода медленное падение температуры привело к формированию ледяного покрова, который, в свою очередь, начал распространяться от полюсов к умеренным широтам. Пресная вода стала льдом, как следствие этого, значительно понизился уровень моря, а доступной для круговорота воды и водяного пара стало меньше. Ледниковые периоды характеризуются отсутствием осадков: под ледяным покровом земля страдает от засухи и опустынивания. Механизмы, управляющие мировой погодой в наши дни, в ледниковую эпоху были куда менее выражены: ослабевали процессы конвекции, испарения, распределения водяного пара посредством сильных ветров; погодные фронты также проявлялись весьма незначительно. Есть также убедительные свидетельства того, что ослабление крупных океанических течений приводит к сдвигам климата. Теплые течения, которые переносят тепло на север и обращают холодные глубинные воды на юг, не могут функционировать нормальным образом во время ледниковых периодов.

Но что первично? В пределах ледниковых периодов происходят заметные колебания. Эта система гораздо сложнее, чем просто очень сильный холод. В течение ледникового периода тоже наблюдаются минимальные и максимальные общемировые температуры. До сих пор ледниковые периоды, наступавшие на Земле, были связаны с естественной разницей в уровне солнечного излучения. При всех переменных, касающихся климата и погоды, восходы и закаты Солнца – это известная константа, однако уровень солнечного излучения в долгосрочной перспективе может колебаться. Его интенсивность меняется, что оказывает значительное влияние на климат Земли, на жизнь и биоразнообразие. Суммарная солнечная активность циклична, солнечный цикл составляет примерно 11 лет, и от этого во многом зависит скорость похолодания или потепления, вызванных другими процессами.

Форма орбиты Земли, или эксцентриситет, тоже колеблется со временем. Каждые 100 тысяч лет орбита становится сначала более вытянутой, почти эллиптической, а потом снова практически круглой. Когда орбита эллиптическая, Земля сильнее удаляется от Солнца, что в соответствующие времена года приводит к резкому похолоданию. Сейчас Земля как раз на эллиптической орбите. Она оказывается дальше всего от Солнца, когда в Северном полушарии наступает лето. Угол наклона Земли меняется раз в 41 тысячу лет – с 21,3 до 23,4 градуса. Чем больше угол, тем больше разница между временами года: лето жарче, а зима суровее. Это тоже вносит свой вклад в земной климат, причем даже больший, чем расстояние планеты от Солнца. Уровень солнечного излучения также зависит от того, насколько колеблется, подобно волчку, ось вращения Земли – это называется прецессией. Эти колебания связаны с действием на Землю притяжения Солнца и Луны. При сильной прецессии уровень солнечного излучения может значительно снизиться, что вызовет соответствующее изменение климата Земли. Однако действуют и другие процессы. Механизм положительной обратной связи ускоряет похолодание или потепление, стоит погодному маятнику качнуться в одном из этих направлений. Увеличение площади Земли, покрытой ледниками, ведет к увеличению альбедо, планета отражает больше солнечного света и меньше его поглощает (соответственно, поступает меньше тепла), это приводит к дальнейшему снижению температуры. Хоть подобные системы и не всегда работают как часы, в истории Земли были периоды быстрого похолодания, которое само по себе ускоряло образование льда и его распространение на большие территории.

Еще один механизм, действующий во время ледниковых периодов – снижение содержания углекислого газа. Дело здесь по большей части в его поглощении морями и океанами. Двуокись углерода – мощный парниковый газ, который отлично задерживает тепло, чем повышает температуру нижней части атмосферы. Связывание углекислого газа во время продолжительных холодов препятствует нагреву атмосферы, так что общемировая температура падает еще сильнее. Но как только газ высвобождается, начинается быстрое потепление, и климат вновь меняется.

Стоит еще отметить, что крупные извержения вулканов также оказывают на климат огромное влияние. Большие объемы пепла и вулканической пыли, которое выбрасывается в верхнюю атмосферу при крупных извержениях, могут оставаться там месяцами, если не годами, а это снижает интенсивность солнечного излучения. Трудно вычислить, впрочем, влияет ли это краткосрочное охлаждение сильнее, чем образование при извержениях новых парниковых газов, которые могут более эффективно удерживать тепло.

В целом нужно отметить, что естественные колебания уровня солнечного излучения и другие природные процессы, происходящие на Земле, сильно и постоянно влияют на климат, то погружая планету в мир вечного льда, то разогревая до предела. Масштабы пространственной и временной шкалы, на которых происходят эти изменения, кажутся невероятными. История климата Земли имеет фундаментальное значение для понимания будущих процессов. А теперь представьте себе, что в течение двух миллиардов лет температура планеты понижалась и повышалась, колеблясь в определенных рамках десятками тысячелетий, а за последние сто лет наблюдается ее беспрецедентный рост. Тепла поступает так много, что нарушаются все естественные процессы.

Влияет ли антропогенное изменение климата на погодный режим?

Если вкратце – да, антропогенное изменение климата уже меняет погодные режимы. С начала промышленной революции выбросы углекислого газа в атмосферу значительно увеличились. Это приводит к повышению среднемировой температуры, которое неизбежно продолжится, пока не будут приняты радикальные меры по прекращению дальнейших выбросов и снижению общего количества углекислого газа в атмосферепланеты. Климатологи однозначно утверждают, что, пока повышается среднемировая температура, режимы погоды продолжат изменяться. Особенно это заметно на примере частоты наступления экстремальных погодных условий. Хотя погода и климат очевидным образом связаны, между ними есть важное различие: погода существует сейчас и в ближайшем будущем – горизонт погоды ограничивается днями, месяцами, самое большее сезонами. Климат же описывает среднестатистические погодные условия за десятилетия или тенденции, которым следуют режимы погоды. Это означает, что значительные суточные или недельные колебания погоды (включая и наступление экстремальных погодных условий) за более длительный период времени сглаживаются и становятся менее значительными.

Когда наступает аномальная жара, случается наводнение или сильнейшая буря, люди задаются вопросом: «Связано ли это с изменением климата?» Одиночное экстремальное погодное явление не выводитсяне посредственно и однозначно из глобального потепления. Однако ученые с уверенностью утверждают, что любые современные экстремальные погодные явления с большой вероятностью определенным образом связаны с изменением климата. В 2018 году в Великобритании и конкретно в Англии было самое теплое, если не сказать – жаркое, лето за историю наблюдений. Исследования Метеорологической службы показали, что антропогенные изменения климата повысили вероятность наступления такой рекордной жары в 30 раз.

А что с наводнениями? В более теплом воздухе удерживается больше водяного пара, чем в холодном, так что в будущем дожди, вероятно, будут чаще и сильнее. Довольно очевидно, что при дальнейшем повышении температуры атмосфера Земли сможет удерживать больше влаги, что потенциально приведет к росту количества осадков. В пятом экспертном отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата утверждается, что при дальнейшем разогреве Земли вероятно увеличение количества осадков во многих регионах планеты, в том числе в центральных областях Северной Америки и некоторых областях Европы. В Великобритании, по оценкам Метеорологической службы, летом (в июне-августе) в ближайшие годы осадки будут случаться реже, но при этом будут более интенсивными, что потенциально может привести к внезапным наводнениям.

Глобальное потепление и связанные с ним изменения климата изменят привычные для нас режимы погоды, и хотя в краткосрочной перспективе нескольких дней или месяцев мы можем этого не заметить, предполагается, что экстремальные погодные явления станут чаще – в ближайшие десятилетия стоит ожидать новых рекордов.

Глобальное потепление

В чем разница между изменениями климата и глобальным потеплением?

Часто эти понятия кажутся полными синонимами – многие действительно полагают, что они обозначают одно и то же. Однако глобальное потепление – это всего лишь один из симптомов изменения климата, к которым относятся не только антропогенные изменения, внесенные в климат суши и морей, но и естественная вариативность атмосферных режимов Земли, в том числе периодические изменения солнечной активности. Включает это понятие и последствия потепления: повышение уровня моря, таяние ледников и экстремальные природные явления. Глобальное потепление – часть большой проблемы, связанной с изменением климата. Под ним понимается потепление климата, связанное с увеличением содержания парниковых газов, которое, в свою очередь, вызвано деятельностью человека: сжиганием ископаемого топлива, методами ведения сельского хозяйства и промышленной деятельностью.

Парниковый эффект

Парниковый эффект и парниковые газы – практически синоним глобального потепления. Цель постройки парника – сосредоточение максимального количества солнечного света в закрытом помещении. В этих условиях свет превращается в тепло, которое задерживается внутри; тем самым температура воздуха в парнике значительно повышается по сравнению с наружной. Парниковые газы удерживают тепло и затем испускают его вновь.

Состав парниковых газов:

• Водяной пар

• Метан

• Углекислый газ

• Озон

• Окись азота

Как парниковые газы задерживают тепло?

Энергия света попадает на Землю и поглощается поверхностью планеты, превращаясь в процессе в тепловую. Эта тепловая энергия далее излучается в нижнюю часть атмосферы. Часть ее в процессе пропадает – рассеивается. Однако значительную часть задерживают парниковые газы, поглощая и возвращая обратно. Наличие в атмосфере планеты парниковых газов означает, что процесс этот идет непрерывно, и тепло остается у земной поверхности. Причина, по которой эти газы так хорошо улавливают тепло, связана с их молекулярными строительными блоками. Все эти газы обладают достаточно свободной молекулярной структурой, которая позволяет им вибрировать при поступлении энергии. Эта инфракрасная энергия возбуждает газ и испускается обратно.

Земля без парникового эффекта?

Парниковые газы необходимы для поддержания жизни на Земле. Без них общемировая температура на нашей планете была бы примерно нулевой, то есть такой, при которой вода обращается в лед. Парниковые газы – это кровь, текущая по организму, поддерживающая в нем тепло и жизнь. Уровень содержания этих невероятно важных газов должен быть не слишком высоким и не слишком низким. Как оценить это содержание? Концентрация каждого из газов оценивается по трем характеристикам:

1. Количество газа в атмосфере

2. Продолжительность пребывания в атмосфере

3. Влияние на атмосферу (потенциал глобального потепления)

Все парниковые газы удерживают тепло. Одни из них преуспевают в этом больше других. Например, метан как парниковый газ во много раз эффективнее двуокиси углерода, так что изначально оказывает куда более разрушительное воздействие на климат, активно поглощая тепло. Это побочный продукт сгорания природных газов, однако большое количество метана производится при промышленном скотоводстве, много метана выделяет при таянии и вечная мерзлота. Метан не задерживается в атмосфере столь же долго, как углекислый газ. Впрочем, содержание метана в атмосфере, как и содержание углекислого газа, также продолжает расти.

Что такое углеродный цикл?

Из всех парниковых газов углекислый – самый распространенный, что и неудивительно: он участвует в процессе дыхания, его постоянно вдыхают и выдыхают животные, растения, планктон, даже камни и почва на суше и в море. Как и цикл круговорота воды, углеродный цикл состоит в поглощении, выделении и перераспределении углекислого газа. Этот цикл относится к биогеохимическим. Во время фотосинтеза растения поглощают углекислый газ, который наряду с водой и солнечным светом необходим для образования углеводов. Эти углеводы накапливаются в растении, позволяя ему расти, а побочным продуктом всего процесса становится кислород, который и выделяется в атмосферу. Природа утилизирует энергию окружающей среды с невероятной эффективностью. Зеленые растения производят большую часть того кислорода, которым мы дышим, но фитопланктон и цианобактерии, скрытые под поверхностью океана, как предполагают, дают до половины кислорода во всем мире. Органические вещества, накапливающиеся в почве, формируют огромные запасы углерода в форме угля, газа и нефти. Тысячи лет люди ведут поиски залежей этого топлива, а когда поиски приобретают промышленные масштабы, огромное количество углекислого газа поступает в атмосферу и беспрецедентным образом изменяет ее долговременный нормальный состав.

Измерение содержания двуокиси углерода

Содержание углекислого газа измеряется в частях на миллион – это число молекул углекислого газа в соответствующем числе молекул воздуха после удаления водяного пара. Например, «372 части углекислого газа на миллион» значит, что в каждом миллионе молекул сухого воздуха в среднем содержится 372 молекулы углекислого газа. Этими измерениями занимаются климатологи: вводя различные значения содержания углекислого газа в компьютерные модели климата, можно вычислить реакцию Земли, которая проявляется в виде повышения общемировой температуры. За последние 800 тысяч лет содержание углекислого газа колебалось от 180 молекул на миллион в ледниковые периоды до 280 молекул на миллион в межледниковье. До промышленной революции в XIX веке содержание углекислого газа также составляло примерно 280 молекул на миллион.

В 1958 году доктор Чарльз Килинг из Океанографического института Скриппса начал регулярно фиксировать уровень содержания углекислого газа на метеостанции в потухшем вулкане Мауна-Лоа на Гавайях. Место было выбрано за отсутствие загрязнений, поэтому наблюдения обеспечивали четкие и точные данные по уровню содержания углекислого газа. Сейчас это седловая точка для климатологов мира, заложившая стандарты измерения количества углекислого газа. С 1958 года и по наши дни данные на Мауна-Лоа получают регулярно. Получившийся график, названный кривой Килинга, многое говорит об изменении содержания углекислого газа за последние 70 лет и считается вехой в истории изучения роста концентрации этого парникового газа.

График Килинга демонстрирует устойчивое повышение концентрации углекислого газа год от года, а в последние десятилетия этот рост ускорился. Интересно, что подробные наблюдения Килинга показали и сезонные вариации: содержание углекислого газа в атмосфере падает весной и летом Северного полушария, когда растущие растения в процессе фотосинтеза поглощают больше CO_2. Пик же приходится на осень и зиму и связан с процессом дыхания растений и почвы, в ходе которых выделяется гораздо больше углекислого газа. Доктор Килинг одним из первых связал рост концентрации углекислого газа со сжиганием углеводородов. Когда он начинал свою работу на Гавайях, содержание углекислого газа составляло около 316 молекул на миллион, что уже значительно превышало доиндустриальный уровень в 280 молекул на миллион. Он отмечал, что если концентрация углекислого газа повысится до 400 молекул на миллион, то угроза стремительного потепления во всем мире будет нешуточной.

В 2013 году на метеостанции в Мауна-Лоа впервые зафиксировали это значение. С того года показатель 400 молекул на миллион стал нормой, теперь же уровень растет еще быстрее. Это не первый случай, когда атмосфера Земли наполнилась углекислым газом и превратила планету в печку. Примерно 55 миллионов лет назад случился кратковременный период аномальной жары: внезапный выброс углекислого газа и метана разогрел планету более чем на 5 градусов. Это привело к массовому вымиранию морских и сухопутных обитателей, большая часть планеты стала непригодной для обитания, а арктические и антарктические воды стали по сути субтропическими. Недавно в 500 км от Южного полюса были обнаружены ископаемые остатки деревьев. Это был так называемый палеоцен-эоценовый термический максимум, продолжавшийся около 100 тысяч лет. Это отдаленное событие, случившееся еще до появления Homo sapiens, позволяет понять, что происходит прямо сейчас. Потепление медленно нарастало более 20 тысяч лет – но нынешняя эскалация выбросов СО_2 длится более 200 лет. Данные о том периоде климатической истории Земли – это не просто важный урок на будущее, но и свидетельство того, как может измениться ситуация на планете.

Что такое чувствительность климата?

Основная задача климатологии – изучение чувствительности климата Земли к увеличению выбросов углекислого газа. Этот показатель демонстрирует, каким будет глобальное поверхностное потепление в результате антропогенных выбросов СО_2. Исследования чувствительности климата опираются на климатические модели, последние наблюдении и данные о предыдущих состояниях климата Земли для оценки текущих и будущих температурных тенденций. Все процессы здесь протекают сложно, необходимо учитывать некоторую неопределенность. Многие сценарии учитывают механизмы обратной связи: изменение ледяного покрова, образование облаков в связи с учащением штормовой погоды, задержка реакции океанической среды и поглощение углекислого газа. Все это значит, что в результате получается скорее некий диапазон общемировых температур в будущем, нежели четко определенный показатель.

Каковы глобальные последствия разогревания планеты?

Изучение последствий изменения климата – не новая отрасль науки, хотя в последнее время количество исследований такого влияния на все сферы жизни значительно выросло. Тем не менее, поиски в этом направлении ведутся больше века и начались еще до достижения научного консенсуса. Первой указала на наличие парникового эффекта американская исследовательница Юнис Фут в своей работе 1856 года «Обстоятельства, влияющие на тепло солнечных лучей». Ученая заключила, что углекислый газ захватывает тепло, так что атмосфера, богатая этим газом, будет иметь более высокую температуру. Сорок лет спустя шведский ученый Сванте Аррениус провел первое исследование антропогенного влияния на климат, в котором предположил, что уменьшение содержания углекислого газа в атмосфере может привести к наступлению нового ледникового периода, а удвоение этого содержания повысит температуру в мире на 5–6 °C.

К середине XX века опасения по поводу повышения уровня углекислого газа в атмосфере распространились в научном сообществе и среди первых защитников окружающей среды. Первые компьютерные модели стали подсчитывать парниковый эффект, еще без учета механизмов обратной связи, таких как ускорение таяния льдов. Так выяснилось, что удвоение концентрации СО_2 в атмосфере повысит общемировую температуру на 2 °C

С тех пор компьютерное моделирование стало учитывать больше факторов, и сценарии будущего стали мало-помалу очевидны. Фактически исследования сорвали завесу с того, что происходило на заднем плане промышленной революции. Сыграло свою роль в увеличении наших знаний о предмете и появление спутниковых снимков: мы стали постоянно отслеживать температуру на суше и на море, фиксировать таяние и уменьшение ледяного покрова планеты, отступление ледников, опустынивание и общее изменение ландшафта Земли.

Мы стали свидетелями того, как сбываются прежние прогнозы: изменение климата происходит прямо у нас на глазах. Первые суперкомпьютеры работали сутки, чтобы предсказать погоду на сутки вперед. После этого произошел взрывной рост вычислительной мощности компьютеров (его удвоение каждые 18 месяцев в соответствии с законом Мура[29]), что породило новое поколение климатических моделей с возможностями глубокого обучения, и их результаты показывают еще большую зависимость от повышения уровня СО_2.

Однако необязательно заглядывать далеко вперед, чтобы понять, что нас ожидает.

На Марсе слишком мало парниковых газов. Хотя тонкая атмосфера Марса по большей части состоит из углекислого газа, в ней недостаточно метана и водяного пара, так что парниковый эффект крайне незначителен. Поэтому поверхность Марса в основном холодная, свидетельств жизни на планете пока не найдено.

Напротив, на Венере переизбыток парниковых газов. Содержание углекислого газа в атмосфере Венеры в 19 тысяч раз больше, чем на Марсе, и в 154 тысячи раз больше, чем на Земле. Хотя Меркурий ближе к Солнцу, именно Венера – самая горячая планета Солнечной системы, и все из-за значительного влияния парникового эффекта!

Какие результаты получила Межправительственная группа экспертов по изменению климата?

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) в составе ООН публикует регулярные отчеты, предсказывающие будущий климат на Земле. Она пользуется трудами тысяч климатологов со всего мира. Последние изыскания этого научного органа отражены в обновленном отчете МГЭИК за 2018 год и имеют значительно более определенный характер, чем прежние выводы. Климатологи всего мира стоят сейчас плечом к плечу и выдают одни и те же предупреждения. Сейчас ожидается повышение общемировой температуры на 1,5–4,5 °C, и этот прогноз, скорее всего, сбудется к концу XXI века. Диапазон опирается на различные варианты прогнозируемого объема будущих выбросов углекислого газа – от значительного их понижения до сохранения текущей нормы.

Выводы МГЭИК суммируют исследования ведущих климатологов всего мира – научные теории, эксперименты, мнения и консенсус со стороны тех, кто посвятил свою жизнь изучению климата на Земле. Эти грустные выводы побудили правительства принимать профилактические меры и заключать международные соглашения. В 2015 году по Парижскому соглашению большинство стран взяло на себя обязательства следить за тем, чтобы глобальное потепление не составило более 2 °C. Через три года в отчете МГЭИК за 2018 год основное внимание было уделено последствиям глобального потепления на 1,5 °C по сравнению с доиндустриальным уровнем. Отчет содержал 6000 ссылок, он был подготовлен 91 автором из 40 стран и носил действительно глобальный характер. В отчете указывалось, что потепление на 1,5 °C далеко не так фатально, как потепление на 2 °C. Это показывает, в частности, сколько сейчас вкладывается труда и проводится интенсивных исследований для этой научной отрасли: уровень неопределенности снижается, укрепляется уверенность в точности будущих прогнозов.

Если приглядеться к последствиям, которые глобальное потепление обещает человеческой жизнии природе, порой кажется, что его вызвал какой-то мрачный жнец с гигантским серпом, отбрасывающий откуда-то из космоса жуткую тень на нашу прекрасную голубую планету. Отчеты МГЭИК – это сложные доклады, предназначенные не для всех, но в них содержатся и позитивные решения, которые могут умерить масштабы, казалось бы, неотвратимого апокалипсиса. Поддержание текущего уровня глобального потепления может спасти множество жизней. Сочетание изменений в поведении, инноваций в финансировании экоустойчивого развития, запрет методов, наносящих урон экологии, как на уровне гигантских корпораций, так и для малого бизнеса – вот практические предложения, содержащиеся в этом отчете.

Последствия глобального потепления в будущем сейчас изучаются очень активно. В основном большинство климатологов уверено в том, как природные системы Земли будут вести себя в ответ на неестественное потепление. Меньше уверенности, однако, в том, насколько быстро наступят последствия, а также в их интенсивности и масштабе. Все зависит от того, какое количество углекислого газа будет по-прежнему выбрасываться в атмосферу, и насколько чувствительным окажется климат к дальнейшему увеличению его содержания в воздухе. Ответственность за концентрацию углекислого газа в будущем лежит на нас.

В последнем отчете МГЭИК содержатся различные варианты сценариев, отличающиеся друг от друга в основном уровнем потепления, который основан, в свою очередь, на содержании в атмосфере парниковых газов и его изменении со временем. Конечно, присутствует и некоторая неопределенность, основанная на том, как мы будем реагировать на проблему глобального потепления. Так или иначе, большинство специалистов полагают, что риски, связанные с климатом, на данный момент беспрецедентны и представляют угрозу для жизни, так что необходимо быстро и решительно принимать эффективные меры.

Каковы основные последствия глобального потепления для погоды?

Аномальная жара, засуха, ливневый дождь

Общее повышение температуры в мире приведет к частой аномально жаркой погоде. В некоторых регионах участятся засухи, в других же дополнительное тепло вызовет периодические сильные ливни с угрозой наводнений и оползней. Так, например, в средних широтах, как предполагается, станет больше очень жарких дней, когда среднесуточная температура на 3 °C превысит текущие значения. Важно отметить, что при глобальном потеплении более чем на 1,5 °C риск аномальной жары и рекордно высоких температур увеличивается еще сильнее. Особенно сильно будет повышаться температура ближе к полюсам, но гораздо больше «жарких денечков» будет и в тропиках.

Засухи и циклоны

Может показаться странным, что изменение климата, согласно предсказаниям, повлечет за собой учащение и засух, и ливневых дождей. Наибольшую обеспокоенность вызывает тенденция к наступлению экстремальных условий: сильнейшие волны аномальной жары будут создавать предпосылки для продолжительной засухи, а более мощные бури могут стать причиной серьезных наводнений из-за ливневых дождей. Ожидается более широкое распространение засухи из-за длительных периодов отсутствия осадков. Например, в 2019 году на Аляске выдался самый сухой июнь за всю историю наблюдений, а весна перед этим была невероятно влажной. Весенний ледоход начался на два месяца раньше обычного – в марте, а не в мае. По всем новостным каналам в июне и июле показывали совещания по поводу густого дыма, стоявшего над всем штатом из-за неконтролируемых лесных пожаров. Не помогала делу и установившаяся с июля сильная жара: в Анкоридже и на большей части территории южной Аляски температура была рекордной – на 15–20 °C выше обычной. Затем жара поползла к северу. Причиной ее стал «тепловой купол», или блокирующий антициклон – зона высокого давления, обеспечивающая жаркую и сухую погоду. Однако обычно такой антициклон существует несколько недель или даже дней, а тут погода установилась на несколько месяцев. Количество дней с экстремальной погодой за такой небольшой промежуток времени просто поражает. И сейчас наступление подобной погоды гораздо более вероятно, чем всего несколько десятилетий назад, будучи связано с антропогенными выбросами углекислого газа. Именно на это ссылались, комментируя в 2019 году множество экстремальных погодных явлений. Поскольку в атмосфере скапливается больше тепла и, соответственно, больше энергии, циклоны (в том числе тайфуны и ураганы) вызывают куда более сильный дождь. Понять, где, как и когда дождь будет становиться сильнее, в целом непросто, уверенности в его предсказании меньше. Однако компьютерные модели подсчитали, что доля суши, которая будет затронута наводнениями, вырастет.

Повышение уровня моря

Ожидается повышение уровня моря, но его масштаб будет опять же зависеть от того, насколько удастся сократить выбросы углекислого газа. Океаны и моря реагируют на глобальное потепление медленнее, чем земная твердь, но эта задержка означает, что даже при замедлении потепления и постепенном обращении его вспять уровень моря продолжит повышаться еще долгое время. Устойчивое повышение предполагается даже после 2100 года. Между тем более 600 млн человек (почти 10 % населения Земли) живут в прибрежных районах, расположенных не выше 10 м над уровнем моря. Почти 2,4 млрд человек (около 40 % населения Земли) живет не более чем в 100 км от побережья. Наиболее уязвимы небольшие острова: приход соленой воды разрушит тонкий баланс местных экосистем, наводнения сделают многие районы необитаемыми, а в итоге значительные области суши попросту окажутся под водой.

Таяние ледяного покрова

Таяние ледяного покрова Гренландии и Антарктиды сулит значительные риски: уровень моря может подняться на несколько метров, и потепление на 1,5–2 °C только ускоряет эти процессы. Уже сейчас есть свидетельства того, что арктический лед тает вдвое быстрее, чем лед в других уголках мира. Эта быстрая потеря льда, за которой мы уже много лет наблюдаем при помощи спутниковых фотографий, создает механизм положительной обратной связи и еще больше нагревает моря в высоких широтах: если прежде свет отражался от поверхности ледника благодаря высокому альбедо, то сейчас, после таяния, он поглощается более темной поверхностью суши.

Страдает ли Мировой океан от аномальной жары?

Повышение общемировой температуры воздействует и на океаны. Недавние волны аномальной жары в Великобритании и Европе распространялись и на соседние моря, так что температура водной поверхности соответственно повышалась. Уже одно это приводит к изменению химических, биологических и физических процессов в морских водах. Повышение температуры моря повышает кислотность воды и снижает содержание в ней кислорода. В годы действия Эль-Ниньо чрезмерное нагревание океана ведет к обесцвечиванию кораллов. Гибнет морская растительность, вымирают рыбы и коралловые рифы. Исследователи уже сообщают о значительном обесцвечивании кораллов самого южного в мире рифа у острова Лорд-Хау близ побережья австралийского штата Новый Южный Уэльс. Оно произошло в 2018–2019 годах, когда большая часть страны страдала от аномальной жары. Март 2019 года был самым жарким за всю историю наблюдений в Австралии – температура превысила нормальное среднее значение на 2 °C. Наибольший урон наблюдался на мелководье. Самое тревожное, что этот остров намного южнее тропических вод у побережья Квинсленда, где ранее в годы Эль-Ниньо в основном наблюдалось обесцвечивание кораллов, а начало 2019 года даже не объявлялось сезоном Эль-Ниньо. Привычные к более холодным водам организмы вынуждены мигрировать, что создает массированное давление на существующие экосистемы холодных вод.

В 2011 году беспрецедентная аномальная жара над океаном вызвала необратимые изменения морской жизни в Акульей бухте у берегов Западной Австралии. Вершина местной пищевой цепочки – бутылконосый дельфин, и популяция этих животных сократилась за последующие шесть лет на 12 %, хотя жара длилась всего два месяца, а температура повышалась на 2–4 °C относительно нормального среднего значения. В некоторых районах погибло 90 % водорослей, что сразу же сказалось на множестве видов рыбы, морских гребешков и крабов – часть из них тоже вымерла. Экологическая катастрофа коснулась всех уровней пищевой цепочки.

Все эти случаи доказывают, что глобальное потепление сейчас влияет на все системы Земли, и последствия его можно увидеть не только в заголовках новостей.

Вымирание видов

На суше риск полного или частичного вымирания биологических видов при глобальном потеплении существенно повышается. Исследования, рассматривающие последствия потепления с разных сторон, демонстрируют, что с каждым лишним градусом эти последствия становятся не только более серьезными – наблюдается экспоненциальный рост. Исследователи из Центра Тиндалла по изучению изменения климата в 2018 году проанализировали 80 тысяч видов растений, млекопитающих, птиц, рептилий и земноводных в 35 областях Земли с наибольшим биоразнообразием. Оказалось, что, если не остановить изменение климата (т. е. среднемировая температура повысится на 4,5 °C), может вымереть до 50 % видов, а если ограничить потепление до 2 °C – 25 %. Среди основных проблем, вызванных изменением климата, можно назвать засухи, перебои с водой из-за нарушения цикла осадков, снижение биоразнообразия и нарушение пищевой цепочки. Лесные пожары и аномально жаркая погода чаще случаются в засушливых районах. Еще одно возможное последствие – распространение инвазивных видов (например, комаров), что тоже ведет к нарушению биоразнообразия. Уменьшение площади тундры и бореальных лесов, которое также может случиться из-за изменения климата, способно нарушить хрупкое равновесие этих экосистем.

Каковы последствия для людей?

В 2016 году 24 миллиона человек повсей планете вынуждены были оставить свои дома из-за наводнений, засухи и бурь. Обычно это число составляет примерно 14 миллионов, но погодные явления 2016 года были особенно агрессивными. Однако едва ли не важнее то обстоятельство, что на 2019 год девять самых жарких лет из десяти пришлись на период с 2005 года (а наблюдения ведутся с 1880-го).

Все мы уязвимы для последствий изменения климата – под угрозой наша жизнь, имущество, пресная вода и пища. Некоторые, впрочем, находятся в особенно угрожаемом положении: это малообеспеченные люди, пациенты с хроническими заболеваниями или инвалидностью, иммигранты, коренные народности, дети, беременные женщины и пожилые люди. Сюда же можно отнести общества, которые в значительной мере зависят от сельского хозяйства и рыбной ловли, – главным образом в развивающихся странах и небольших островных государствах.

Рост содержания парниковых газов вызывает аномально жаркую погоду, да и в обычные дни температура несколько выше средней. Такой перегрев вредит человеческому организму. Многие погибают во время жары от перегрева и термического шока, особенно уязвимы люди с хроническими заболеваниями дыхательных путей и сердечно-сосудистой системы. Когда в 2003 году в Великобритании наступила аномально жаркая погода, погибли 2000 человек, а в Европе за тот же период жара унесла 70 тысяч жизней.

Однако отрицательно сказывается на здоровье не только зной. В жаркое время года значительно ухудшается качество воздуха, что тоже оказывает свое негативное влияние. Низкий уровень озона, аэрозоли в воздухе и повышение концентрации пыльцы, связанное с увеличением длительности вегетационного периода – вот лишь некоторые факторы, влияющие на наше здоровье в чрезвычайно жаркие сезоны. Частота трансмиссивных заболеваний, таких как малярия и лихорадка Денге, передаваемые комарами, или болезнь Лайма, которую вызывают клещи, тоже связана с экстремальной температурой и сильными осадками. В США с 2001 по 2014 год было выявлено значительно больше случаев болезни Лайма на северо-востоке страны, что соответствует прогнозам по инфекционным и трансмиссивным болезням в условиях изменения климата.

Давление на почву в связи с высокими температурами и экстремальными погодными условиями приводит к снижению урожайности, в том числе – урожайности важнейших пищевых культур для миллионов жителей Африки и Азии: например, меньше удается вырастить кукурузы, риса, кофе и пшеницы. Во время аномально жаркой погоды в Европе в 2018 году, когда температура поднималась выше 30 °C даже за полярным кругом, лесные пожары и засуха, поразившие крупные области континента, привели к массовому неурожаю зерновых. Это была самая сильная засуха за последнее время, которая обанкротила многих фермеров.

Никто из нас не остров[30]. Это особенно ярко проявляется в случае с повышением уровня моря и наводнениями. Жидкости следуют по пути наименьшего сопротивления. Когда океаны разогреваются и лед тает, уровень воды поднимается. Морская вода загрязняет питьевую воду и нарушает хрупкое равновесие прибрежных пресноводных экосистем. Огромные площади обитаемого побережья становятся необитаемыми. Между тем в приморских регионах, расположенных не выше 10 метров над уровнем моря, проживает более 600 миллионов людей – почти 10 % всего населения Земли, причем сюда относятся крупнейшие мегаполисы, такие как Лондон и Нью-Йорк.

Однако эти участки суши особенно уязвимы при наводнениях, вызванных не только долговременным повышением уровня моря, но и штормовыми волнами. Даже при потеплении на 1,5 °C прогнозируется повышение уровня моря на 26–77 см по сравнению с 2005 годом, что ставит под удар по меньшей мере 136 портовых мегаполисов.

Все более масштабное влияние антропогенных изменений климата приводит к общему ослаблению экономики. Ныне ущерб от наводнений оценивается чаще в деньгах, а не в жизнях, и для развитых стран он составляет миллиарды долларов/евро/фунтов стерлингов. Усугубляют положение экономики перегруженные из-за погодных катаклизмов больницы и потерянное рабочее время. Экологическое давление на сушу и море снижает производительность сельского и рыболовецкого хозяйства и в то же время увеличивает интенсивность миграции. Все больше людей смещается в небольшие районы, где и так уже живет местное население.

МГЭИК называет изменение климата «мультипликатором бедности»: потепление на 1,5 °C способно повергнуть в крайнюю бедность 100 миллионов человек. Каждая экологическая проблема становится глобальной. В августе 2019 года заголовки новостей по всему миру кричали: «Амазонские дождевые леса горят. Климатологи опасаются, что точка невозврата уже близка». Реакция оказалась чрезвычайно бурной. Это было не просто возмущение, а настоящий страх. В Амазонии творился ад, который отзывался по всему миру. В это время за минуту, согласно Бразильскому национальному институту исследования космоса, погибало целое футбольное поле амазонских дождевых лесов. Оценки, основанные на данных со спутников, показывали, что обезлесение в июне 2019 года выросло почти на 90 % по сравнению с тем же месяцем прошлого года. К июлю этот показатель достиг 280 %. Между тем способность амазонских дождевых лесов эффективно снижать содержание углекислого газа в атмосфере – ключевой компонент всей климатической системы Земли. Они влияют на все. В амазонских дождевых лесах содержится всего в четыре раза меньше углекислого газа, чем во всей атмосфере; они одни поглощают около 5 % всей двуокиси углерода, которую планета выбрасывает за год. Каждому человеку на Земле для нормального существования нужна амазонская сельва – так обстояло дело тысячелетиями. Амазонские дождевые леса называют легкими Земли, и мы все нуждаемся в них, чтобыдышать.

Как изменение климата воздействует на Великобританию?

Каждый год и каждый месяц ставятся новые мировые и локальные температурные рекорды. Общемировая среднегодовая температурная кривая за последние сто лет демонстрирует крутой подъем, а не волну с гребнями и спадами, которая была характерна для нее в последние 100 тысяч лет.

Повышение температуры за последние 100 лет

Радикальное повышение температуры, которое можно увидеть в конце этого графика, не имеет аналогов в истории климата. Именно его доктор Чарльз Килинг назвал «явно существующей опасностью». Климатологи указывают на наличие восходящей тенденции и за пределами этого графика.

В британском отчете о климате за 2018 год сообщается о продолжающейся в стране тенденции к потеплению. Указывается, что за всю историю наблюдений с 1884 года десять самых теплых лет пришлись на последние годы, начиная с 2002.Это соответствует и общемировой обстановке. В отчете говорится и о продолжении повышения уровня Мирового океана, которое с начала XX века составило 16 см.

Архив температурных данных Центральной Англии больше века непрерывно фиксирует температуру в стране, и значения упорно растут – повышение уверенно продолжается. Десятилетие с 2008 по 2017 год было на 1 °C теплее, чем доиндустриальные полвека с 1850 по 1900 год, что опять же согласуется с общемировыми наблюдениями. Повышение температуры во всем мире на 1 °C создает огромное количество лишней энергии, которая не только проявляется в виде тепла, но и порождает значительные осадки. Например, в Британии за последние десятилетия их количество значительно выросло. В летние сезоны 2008–2017 годов было в среднем на 17 % более влажно, чем в предыдущее десятилетие, и на 20 % более влажно, чем в период с 1961 по 1990 год. Впрочем, как мы уже говорили, погода и климат не знают границ, так что даже если какая-то одна страна озаботится вопросом сокращения углеродного следа, это почти никак не скажется на общей картине: продолжится повышение уровня моря, не станет меньше угроз биоразнообразию, не реже будут происходить экстремальные природные явления.

Глобальная проблема требует глобальных решений.

Как остановить антропогенное изменение климата?

Многие аспекты изменения климата хорошо нам известны, но многие остаются неисследованными. Так или иначе, большинство политиков, экологов и ученых сходятся в том, что прежде всего необходимо значительно сократить выбросы углекислого газа в атмосферу.

Большая часть антропогенных выбросов парниковых газов происходит непосредственно при сжигании ископаемого топлива – угля, углеводородных газов, природного газа и нефти (в том числе бензина и дизельного топлива). Экономический рост и погодные условия (необходимость в обогреве и охлаждении) – основные факторы, определяющие количество потребляемой энергии. Исторически выбросы углекислого газа увеличивались с увеличением потребления топлива, которое стимулировало экономический рост и облегчало борьбу с бедностью. В результате возникла значительная корреляция между выбросами углекислого газа на душу населения и ВВП на душу населения. Однако цены на энергию и государственная политика оказывают влияние на источники и типы потребляемой энергии, а равно и на ее количество.

Чистая энергия

Переход к чистой энергии не может произойти сразу, но многие страны предпринимают серьезные попытки вложиться в возобновляемую энергию. Например, в Западной Европе значительно выросло производство ветровой энергии, получают и солнечную – в те периоды, когда погода позволяет. Многие десятилетия в таких регионах, как Скандинавия, единственным видом топлива было биологическое: под рукой были тысячи гектаров хвойных лесов, а доступа к запасам угля, газа и нефти не было. Гидроэлектростанции – основной источник электроэнергии в Южной Америке, где проще всего воспользоваться потенциальной энергией местных бурных рек. В мире имеются и естественные источники тепла, к которым в самые холодные месяца прибегали многие поколения людей. Геотермальная энергия в большом количестве присутствует в таких странах, как Исландия и Канада, и неудивительно, что их углеродный след значительно меньше, чем в странах, где для промышленного и частного использования полагаются на традиционные электростанции, работающие на угле и газе. Содержание углекислого газа уменьшается в тех странах, где активно внедряются более чистые альтернативные источники энергии, однако процесс этот долгий и медленный, а ископаемое топливо до сих пор считается во многих развивающихся странах необходимой предпосылкой для быстрого экономического роста.

Атомная энергия

Продолжаются споры на тему того, можно ли считать атомную энергию чистой. Топливо действительно может быть использовано повторно, но побочные продукты его производства необходимо где-то хранить на протяжении тысяч лет. Многие выдающиеся умы остаются сторонниками широкого применения атомной энергии. Возможности ее производства очень велики, так что мы можем, не ограничивая себя в энергии, выбрасывать в атмосферу гораздо меньше парниковых газов. Франция уже несколько десятилетий живет в основном на атомной энергии и, подобно Исландии и Бразилии, отличается низким уровнем выбросов углекислого газа. Идеального решения по сокращению использования ископаемого топлива пока что не существует. Применение биотоплива может увеличить цены на продукты питания и привести к обезлесению, а атомная энергия, хоть и не испускает парниковых газов, зато производит радиоактивные отходы.

Энергоэффективность

Обезуглероживание электрических систем – один из путей к энергоэффективности. Оптимизация использования энергии в помещениях посредством интеллектуальных счетчиков электричества и разумного архитектурного дизайна, основанного на возможности естественной вентиляции и изоляции внутреннего пространства, позволяют сократить энергопотребление. В последнее время появились потрясающие образцы архитектурных сооружений с минимальным энергопотреблением.

В манчестерском здании One Angel Square размещается офис компании Co-operative Group. В 15-этажном здании имеются регенерационные установки для дождевых и сточных вод, энергоэффективное светодиодное освещение, комбинированные отопительные и генераторные установки – и все это обеспечивает значительную экономию.

Транспорт

Сокращение выбросов от транспорта уменьшает содержание в воздухе не только углекислого газа, но и других токсичных веществ, которые очень сильно вредят человеческому здоровью: аэрозоли, оксиды азота, угарный газ и ядовитаясмесь углеводородов. Все больше городов мира берет на себя обязательство сократить уровень загрязнения во имя миллионов людей, живущих и работающих в этих агломерациях. Сейчас гибридные автобусы, выбросы углекислого газа от которых меньше обычных на 40 % – неотъемлемая часть городского транспорта в таких городах, как Лондон. Велодорожки и городской велопрокат – еще одна альтернатива, как и крытые пешеходные галереи, позволяющие комфортно и безопасно добраться из пункта А в пункт В пешком. Все это требует планирования и инвестиций, однако повышение качества жизни и борьба за сокращение концентрации парниковых газов в атмосфере стоят того.

Переработка, вторая жизнь вещей, сокращение потребления, многоразовое использование

С целью привлечь внимание к проблеме загрязнения океанов пластиковыми отходами британка Кейт Сэлмон с тремя друзьями переплыла Атлантический океан. Путешествие прошло тяжело, и не только из-за волдырей, сгоревших спин и боли во всех конечностях: фотографии и видеоклипы, снятые экспедицией, получились очень тревожными. На пути им попадалось больше пластика, чем дикой природы. Мусор действительно оказался глобальной проблемой. Хотя фотографии, на которых морские обитатели погибают из-за выбрасываемого человеком в океаны мусора, могут показаться чрезмерно эмоциональными, они отражают мрачную реальность и побуждают изменить ситуацию.

Стоимость переработки по-прежнему вызывает большие вопросы и порождает ряд противоречивых решений, среди которых, например, продажа мусора в другие страны, где требования не такие строгие. Кроме того, непонятно, что делать с низкокачественным пластиком, который попросту нельзя подвергнуть переработке. Такие меры, как налоги на пластиковые пакеты, общественное порицание использования одноразовых пластиковых бутылок и ограничения на коммерческую упаковку уже дали некоторые результаты. Многие, однако, считают, что этого недостаточно, и что мы стоим лишь в самом начале пути к безотходным технологиям. Очевидно, однако, что чем меньше общество потребляет, тем меньше образуется отходов.

Правительственные инициативы, побуждающие домохозяйства и компании платить за свой мусор, уже реализуются, а деньги – всегда хороший стимул. В Великобритании четкие критерии переработки мусора для частных лиц и бизнеса – хороший способ приучить всех к большей ответственности за свою продукцию и упаковку. Важную роль во влиянии на правительства и общество играют также экологические некоммерческие организации. Мероприятия по уборке улиц и пляжей, во время которых люди все же по большей части действительно убирают мусор – яркое доказательство того, что мы готовы изменить свое поведение. Индивидуальные действия таких людей, как Кейт Сэлмон, тоже привлекают внимание к проблеме переизбытка мусора.

Пища и метан

Самым распространенным парниковым газом является углекислый, однако метан (CH_4) гораздо мощнее: он удерживает как минимум в 84 раза больше тепла. С 1750 года количество метана в атмосфере удвоилось, что по большей части связано со сжиганием нефти и газа, но также этот газ выделяется из пластика и служит побочным продуктом сельского хозяйства.

Согласно отчетам Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, метан, выделяемый сельскохозяйственными животными – коровами, свиньями, овцами и домашней птицей – составляет 14,5 % всех парниковых газов в атмосфере. Львиная доля выделяемого метана приходится на коров. Виноваты в этом, разумеется, не животные, а сами методы ведения сельского хозяйства, а также наше пристрастие к мясу. Каким может быть решение? Один из вариантов – есть меньше мяса: растительная диета пойдет на пользу не только природе, но и человеческому организму. С другой стороны, исследования показывают, что если кормить скот комбикормом из водорослей, лука и пробиотиков, то выделение метана коровами сокращается вдвое. Готовится программа по отслеживанию выбросов метана, а также остальных парниковых газов, со спутников, что позволит лучше понимать, где и как выделяется метан. Особенно это полезно для обнаружения районов таяния вечной мерзлоты – процесса, при котором метан выделяется из-под земли.

Восстановление лесного покрова

Леса и болота необходимы для связывания углерода. С началом промышленной революции были вырублены огромные площади лесов – под пахотные земли и скотоводство, при этом мало кто понимал, насколько важны деревья для поддержания жизни на Земле. Леса – это легкие нашей планеты, без них мы начнем задыхаться. И дело не только в углекислом газе – леса играют важнейшую роль в круговороте воды в природе, восстанавливая и очищая водяной пар в процессе его транспирации из листьев и повторного поглощения и фильтрации корнями и почвой. В лесах существуют разнообразные экосистемы, что позволяет сохранять богатство биологических видов. Для обеспечения возобновляемости энергетических ресурсов необходимы «зеленые» технологии, а леса и болота играют важную роль в очищении воздуха и воды.

Новые данные о защитной роли лесов дают основание предположить, что их полог служит своеобразным термоизолятором: он охлаждает внутреннюю флору и фауну, когда внешняя температура высока, и обогревает, если вокруг значительно холоднее. Это может отчасти нивелировать отрицательное воздействие глобального потепления на биоразнообразие и функционирование лесов.

Сейчас изучением данной тематики занимается множество научных организаций по всему миру. Все понимают, что время уходит. Чтобы более подробно рассказать о проблеме изменения климата, потребовалось бы издать серию энциклопедий, а не пытаться уместить все в одной главе. Но мы как авторы хотели бы еще раз подчеркнуть, насколько серьезна с нашей точки зрения проблема изменения климата. И подкрепить мысли, содержащиеся в последних абзацах, мы хотели бы словами восьмого Генерального секретаря ООН Пан Ги Муна:

Спасение планеты, избавление людей от бедности, облегчение экономического роста – все это стороны одной медали. Мы должны понять взаимосвязь между изменением климата, недостатком воды, перебоями в электроэнергии, проблемами здравоохранения, безопасности пищи и эмансипации женщин. Решение одной проблемы должно стать решением всех.

Десять простых способов помочь планете

1. Есть меньше мяса

2. Покупать продукты местных производителей

3. Пользоваться общественным транспортом

4. Сажать больше деревьев и других растений

5. Внедрять энергоэффективность у себя дома

6. Покупать товары у ответственных производителей

7. Не пользоваться одноразовым пластиком.

8. Сокращать потребление, стремиться к многократному использованию и переработке

9. Запасать и экономить воду

10. Наслаждаться природой и внешним миром

Словарь терминов

Адвекционный туман – тип тумана, возникающего чаще всего над поверхностью воды, напримернад морем или озером. Теплый влажный воздух движется поверх сравнительно более холодного. Более теплый воздух сверху остывает до того момента, когда уже не может удерживать влагу, и образуются водяные капельки.

Адвекция – горизонтальный перенос тепла или энергии в жидкости.

Азорский антициклон – практически постоянная область высокого давления в южной части Северной Атлантики, недалеко от Азорских островов. Присутствие этого антициклона заставляет системы низкого давления обходить его по периметру.

Альбедо – способность поверхности отражать свет. У снега высокий показатель альбедо, у травы он гораздо ниже.

Ансамблевые прогнозы – совокупность числовых прогнозов погоды с разными начальными условиями.

Астероид – каменистое тело, вращающееся вокруг Земли; астероиды меньше планет, но все же имеют значительные размеры.

Атмосфера – слой газов вокруг планеты, удерживаемый силой притяжения этой планеты.

Атмосферное давление – вес воздуха, оказывающий давление на поверхность Земли. Измеряется в гектопаскалях (гПа) или миллибарах (мб).

Бенгельское течение – океаническое течение, следующее на север вдоль западного побережья юга Африки; часть общего режима циркуляции в южной части Атлантического океана.

Бержерона процесс – процесс, открытый в 1933 году ученым Тором Бержероном. В ходе него капельки переохлажденной воды замерзают в облаке при контакте с твердым ядром конденсации, которое затем увеличивается, по мере того как вокруг него собирается водяной пар. Основной процесс образования осадков.

Блокирующие системы – образуются, если циклоны и антициклоны в течение длительного периода остаются в одном и том же положении, что приводит к устойчивой сухой или влажной погоде – в зависимости от того, какая именно зона образовалась над регионом – высокого или низкого давления.

Блокирующий антициклон – устойчивая зона высокого давления, причина экстремальных погодных условий – отсутствия осадков в течение нескольких дней или недель; зимой может вызывать очень холодную погоду. Блокирует другие погодные режимы, в результате чего в соседних регионах могут выпадать значительные осадки.

Ветровой сдвиг – изменения в силе и направлении ветра с набором высоты. Ветровой сдвиг усиливает одни процессы в атмосфере и ослабляет другие.

Вечная мерзлота – постоянно замороженная почва.

Внезапное наводнение – происходит за короткое время в результате сильного дождя, когда на суше собирается большое количество воды или когда река быстро выходит из берегов из-за переизбытка воды. Обычно внезапное наводнение быстро достигает пика, после чего вода отступает.

Внезапное стратосферное потепление – резкое ослабление стратосферного полярного вихря над полюсами зимой, которое приводит к ослаблению сильных высотных ветров, а затем и к смене их направления. Последствия этого погодного события могут проявиться у земли через несколько недель или месяцев, когда струйные течения ослабнут и преобладать начнут другие ветры. В Европе и Великобритании результатом явления может стать значительно более суровый конец зимы.

Водяной пар – парниковый газ, состоящий из молекул воды (H_2O), газообразное состояние воды, в которое она переходит, когда жидкая вода достигает точки кипения.

Водяной смерч – вихрь или кружащийся столб воздуха, поднимающийся с поверхности воды к основанию облака. Выглядит как торнадо, а в некоторых случаях и образуется как торнадо.

Воздушная масса – масса воздуха, обладающая сходной влажностью и температурой. Это хороший индикатор условий на поверхности Земли и того, как будет развиваться погода далее. Воздушные массы классифицируются по источникам: над сушей или морем, над холодной или теплой областью.

Вспышки на Солнце – крупные выбросы излучения и плазма с поверхности Солнца. Выглядят яркими вспышками света.

Высокие приливы – приливы и отливы с наибольшей амплитудой, когда Солнце и Луна расположены по одну сторону от Земли и их притяжение наиболее сильное. Происходят дважды за лунный месяц.

Высококучевые лентикулярные облака – тип облаков, образующихся на средней и малой высоте; гладкие, имеют чечевицеобразную форму.

Высокослоистые облака – слоистые облака на среднем уровне тропосферы.

Гамма-лучи – волны с наименьшей длиной в составе электромагнитного спектра, испускаемого Солнцем.

Геосмин – органическое соединение, издающее «запах земли».

Геотермальная энергия – тепловая энергия, полученная из естественных подземных источников тепла.

Гидрологический цикл, или круговорот воды – транспорт воды во всех агрегатных состояниях (газообразном, жидком и твердом) по всему миру – от облаков до рек, океанов и льда.

Горный туман – как и в случае с адвекционным туманом, воздух охлаждается и конденсируется благодаря восходящим потокам с гор.

Гороховый суп – густой и грязный туман, распространенный в индустриальную эпоху в крупных городах со стабильными атмосферными условиями, где ни ветер, ни дождь не могли в достаточной мере очистить воздух.

Гребни – пики высотных ветров, с которыми связано высокое давление и стабильная погода на поверхности.

Гумбольдта течение – холодное океаническое течение, которое движется в северном направлении от Антарктиды в юго-восточную часть Тихого океана, оказывая воздействие на западное побережье Южной Америки.

Длина волны – расстояние между двумя гребнями или ложбинами волнового спектра. В видимом спектре наименьшую длину волны имеет фиолетовый цвет, наибольшую – красный.

Дождевая тень – сухая зона, образующаяся с подветренной стороны холмов или гор.

Дождевые облака – плотные серые беспорядочные облака, вызывающие изморось или небольшой дождь.

Закон Мура – теоретическое предположение о двукратном росте вычислительной мощности компьютеров каждые 18 месяцев.

Зимнее солнцестояние – момент наибольшей отдаленности полюсов Земли от Солнца.

Зона высокого давления – зона воздуха, который характеризуется нисходящим движением в атмосфере, а затем отражается от поверхности и закручивается вокруг центра. Свидетельствует об устойчивой погоде, однако на периферии зоны могут развиваться сильные ветры. Ячейка высокого давления может захватывать облака. В Северном полушарии эта система давления движется по часовой стрелке, в Южном полушарии – против часовой.

Зона лучистого переноса – зона во внутренней части Солнца, доминирующий процесс в ней – излучение. Находится сразу над солнечным ядром. Энергия в этой зоне образуется посредством ядерного синтеза.

Зона низкого давления – циркуляция воздуха, закручивающаяся внутрь и вверх, с которой связаны сильные ветры и дожди. В Северном полушарии воздух в зоне низкого давления движется против часовой стрелки, в Южном полушарии – по часовой.

Инфильтрация – процесс поглощения воды почвой или ее прохождения через камни, который может приводить к образованию подземных озер и водохранилищ.

Инфракрасное излучение – часть спектра электромагнитного излучения Солнца, которое преобразуется в тепловую энергию.

Ионосфера – внешний слой атмосферы Земли в 85–1000 км над земной поверхностью. Здесь сильное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца ионизирует атомы и молекулы.

Квадратурные приливы и отливы – приливы минимальной амплитуды в то время, когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют под прямым углом друг к другу (такое положение светил называется квадратурой).

Солнце и Луна противостоят друг другу, что приводит к ослаблению притяжения на Земле. Происходят дважды за лунный месяц.

Климатологи – ученые, исследующие климат или долгосрочные погодные режимы.

Конвективная доступная потенциальная энергия (Convective Available Potential Energy, CAPE) – значение доступной для конвекции энергии. Чем больше CAPE, тем больше энергии в потоке воздуха. Это надежный первый признак возможной бури, которая при глубокой конвекции может вызвать штормовой ветер, сильный дождь, град и даже торнадо.

Конвективная зона – зона во внутренней части Солнца над зоной лучистого переноса. Основной процесс в этой зоне – конвекция – позволяет теплу достигать поверхности Солнца и погружаться вглубь.

Конвекция – вертикальный перенос тепла или энергии внутри жидкости или газа.

Конвенция о предотвращении изменений в окружающей среде – договор, подписанный в 1978 году под влиянием известий о тайной операции «Попай», в соответствии с которым государствам запрещается «модифицировать погоду в военных целях».

Конденсация – процесс преобразования газа в жидкость при падении температуры воздуха до определенной точки.

Кориолиса сила – сила, действующая на жидкость на вращающейся поверхности и отклоняющая ее течение вправо в Северном полушарии и влево в Южном.

Корональные выбросы массы – взрывные выбросы плазмы из солнечной короны. Иногда следуют за вспышками на Солнце. Обычно ассоциируются с пятнами на Солнце, могут перемещаться в космическом пространстве и притягиваться магнитными полями других объектов, в том числе Земли.

Кривая Килинга – график увеличения концентрации СО_2 в Мауна-Лоа – метеостанции на Гавайских островах, где этот процесс идет неуклонно с 1958 года, когда доктор Чарльз Килинг начал проводить там наблюдения. Она показывает также сезонные вариации в изменениях уровня углекислого газа.

Криосфера – совокупность областей Земли, покрытых льдом.

Кучево-дождевые (грозовые) облака – образуются в результате конвекции, в случае, если воздух сверху значительно более холоден и наполнен влагой. Это самый крупный и самый наэлектризованный тип облаков, вызывающий грозы, сильный ветер, проливной дождь, град, гром и молнию. В основании этих же облаков образуются торнадо. Верхняя часть кучево-дождевых облаков имеет отчетливую форму наковальни: облака расширяются, достигнув верхней границы тропосферы.

Ла-Нинья – значительное охлаждение тихоокеанских вод близ западного берега Южной Америки. Эта юго-восточная часть Тихого океана и сама по себе обычно холодная, но дальнейший «апвеллинг» – подъем глубинных вод – еще сильнее понижает температуру. Результатом может стать изменение режимов погоды по всему миру.

Ложбины – минимумы высотных ветров, с которыми связано низкое давление и неустойчивая погода у поверхности.

Межледниковья – интервалы между ледниковыми эпохами, когда температура Земли значительно выше.

Мезосфера – третий слой атмосферы, расположенный непосредственно над стратосферой, в 50–80 км от земной поверхности. Температура здесь понижается с высотой. Корень «мезо» переводится как «средний», и это действительно средний слой атмосферы Земли. Это важный слой, в котором сгорают космические объекты, в том числе метеоры.

Метеозонды (баллон-зонды) – аэростаты с инструментами для измерения погоды. Они запускаются в атмосферу для измерения влажности, давления и температуры. Скорость и направление ветра определяются по GPS.

Метеор – метеороид, сгорающий в земной атмосфере; с поверхности Земли он кажется вспышкой света или падающей звездой.

Метеорит – метеороид, уцелевший при пролете через атмосферу Земли и упавший на поверхность.

Метеороид – каменистое тело, иногда с примесями металла, движущееся в космосе. Размеры варьируют от пылинки до десятиметровых скалистых образований, однако метеороид в любом случае меньше астероида.

Метеорологическая служба – национальная служба погоды в Великобритании.

Метеорологическо-океанографический центр совместных операций – погодная служба Королевского флота, специализирующаяся на метеорологии и океанографии.

Метеоспутники – космические аппараты, собирающие метеорологические и климатические данные из космоса.

Мистраль – локальный ветер во Франции и Средиземноморье. Сильный холодный северный или северо-западный ветер, часто следующий за холодным фронтом. Воздух во время мистраля очень чистый, видимость превосходная.

Наветренная сторона – сторона цепи гор или холмов, на которую дует преобладающий ветер; обычно здесь более сыро, сильнее ветер, больше облаков и вероятности дождя.

Наклонение орбиты – угол наклона планеты. Чем больше угол наклона, тем резче на планете выражены времена года.

Озоновый слой – очень тонкая часть стратосферы, поглощающая большую часть ультрафиолетового излучения Солнца – 90 % УФ-излучения области В и все УФ-излучение области С (самые короткие волны ультрафиолетовой части спектра). УФ-излучение области А способно проникать через озоновый слой.

Океанические буи – плавучие датчики, собирающие океанографические и метеорологические данные.

Околоземные объекты – все объекты в космосе, находящиеся близко к Земле.

Оледенения – интервалы в течение ледникового периода, когда температура значительно ниже средней; характеризуются продвижением ледников.

Омега-блокирование – тип атмосферной блокирующей системы, при которой зона высокого давления и прилегающие зоны низкого давления образуют форму греческой заглавной буквы омега.

Операция «Кумулюс» – британский военный эксперимент по засеву облаков. По некоторым предположениям, в 1952 году привела к внезапному наводнению в Линмуте, графство Девон, когда погибли 35 человек. Однако прямые доказательства этого отсутствуют.

Операция «Попай» – геоинжиниринговый проект времен войны во Вьетнаме, целью которого было усиление дождя над тропой Хо Ши Мина посредством засева облаков.

Организация по исследованию смерчей и бурь (TORnadoandstormResearchOrganisation, TORRO) – британская исследовательская группа, изучающая смерчи и торнадо.

Осадки – все, что конденсируется в атмосфере и падает с неба под действием силы притяжения, в том числе дождь, снег и град.

Парижское соглашение – климатическое соглашение, часть Рамочной конвенции ООН об изменении климата, подписанное в декабре 2016 года 196 странами-членами ООН и содержащее готовность поддерживать общемировую температуру на уровне менее 2 °C выше среднего значения с целью снизить отрицательное воздействие изменения климата.

Парниковые газы – атмосферные газы, поглощающие и повторно испускающие тепло. Основные парниковые газы – это двуокись углерода, метан, водяной пар и оксиды азота.

Пассаты – устойчивые сильные ветры в 30-х градусах северной и южной широты, дующие в тропиках по направлению к экватору. В северном полушарии они дуют с северо-востока, в южном – с юго-востока.

Переохлажденная вода – жидкое состояние воды при температуре ниже уровня замерзания, один из ключевых ингредиентов образования облаков и осадков.

Перисто-слоистые облака – облака в верхнем слое тропосферы.

Петрикор – запах воздуха во время дождя, последовавшего за длительной засухой.

Плазма – самое горячее агрегатное состояние вещества; самое холодное – твердое, затем идут жидкое, газообразное и плазма. Солнце достаточно горячее, чтобы образовывать плазму, которая состоит из высокозаряженных частиц. Эти частицы так наэлектризованы, что способны вырываться из гравитационного поля Солнца в космос.

Подветренная сторона – защищенная от ветра сторона горного хребта или холмов. Погодные условия здесь обычно более сухие и теплые, однако ветер может быть довольно порывистым.

Полоса штилей – экваториальная зона Атлантического океана, известная штилевыми погодными условиями, которые могут непредсказуемо сменяться бурями и жестокими ветрами.

Прецессия – колебание планеты во время вращения вокруг своей оси.

Равноденствие – момент года, когда Солнце располагается непосредственно над экватором, так что день и ночь длятся примерно одинаковое время. Это случается весной и осенью.

Радиационный туман – распространенный тип тумана, возникающий ночью при чистом небе и незначительном ветре, когда воздух, остывая, конденсируется в мельчайшие водяные капельки.

Радиоволны – длинноволновое изучение, часть спектра электромагнитного излучения Солнца.

Рентгеновское излучение – тип солнечного излучения с очень короткими волнами.

Россби волны – они же планетарные волны, высотные потоки воздуха, в составе которых имеется ряд струйных течений. Они продвигаются по средним широтам в Северном и Южном полушарии и отклоняются от полюсов и тропиков разностью температур, силой Кориолиса и сохранением уровня завихренности.

Саванна – биома, состоящая главным образом из пастбищной травы, кустарников и очень незначительного количества деревьев. Леса не могут образоваться из-за недостатка осадков. Саванна располагается между пустынями и дождевыми лесами.

Сахарский воздушный слой – горячий пыльный слой воздуха, который тянется от Западной Африки через Атлантический океан и находится выше более холодного и влажного слоя воздуха, испытывающего сильное влияние океана. Этот слой значительно снижает возможности образования погодных систем по мере набора высоты.

Связывание углерода – метод геоинжиниринга; улавливание углекислого газа, выброшенного электростанциями, прежде чем этот газ попадет в атмосферу.

Серебристые облака – редкие облака, образующиеся в мезосфере и видимые только в сумерках в высоких широтах.

Сила притяжения – сила, возникающая между двумя телами. Сила притяжения действует между любыми двумя планетами или между планетой и Солнцем. Чем больше объект, тем больше сила притяжения. Каждое тело притягивает другое.

Слоисто-дождевые облака – облака в нижней части атмосферы, приносящие дождь.

Слоисто-кучевые облака – низкие облака, где конвекции недостаточно, чтобы они потеряли слоистую форму. Распространенный тип облаков, обычно не дает дождя.

Слоистые облака – облака в нижней части тропосферы.

Солнечная буря (геомагнитная буря) – штормовой солнечный ветер, резко налетающий на Землю и движущийся к ее магнитным полюсам.

Солнечная корона – плазма, занимающая миллионы километров у поверхности Солнца.

Солнечное излучение – энергия, испускаемая Солнцем в форме спектра электромагнитного излучения.

Солнечные циклы – циклы периодических пиков и минимумов солнечной активности. Цикл перехода от незначительной активности к самым сильным вспышкам составляет около 11 лет, но со временем его продолжительность изменяется.

Солнечный ветер – поток высокозаряженных частиц, главным образом протонов и электронов, находящихся в состоянии плазмы и вылетевших из солнечной короны.

Средние широты – умеренная зона Земли, расположенная между 30 и 60 градусами северной или южной широты, где климат характеризуется наличием четырех времен года, в отличие от тропиков, для которых характерны два сезона – сухой и дождливый.

Стратосфера – второй слой атмосферы Земли, температура в котором повышается с набором высоты. Здесь расположен озоновый слой – причина того, что эта часть атмосферы более теплая.

Стратосферный полярный вихрь – сильный воздушный вихрь, образующийся в 50 км над полюсами во время полярной зимы и захватывающий в процессе циркуляции холодный воздух.

Струйное течение – быстро движущийся поток воздуха в верхней части тропосферы, формирующий погоду на поверхности в зависимости от своей силы, формы и положения. Струйное течение, движущееся через Атлантический океан, формирует и транспортирует погоду в Европу. Подобное же струйное течение движется по средним широтам вокруг земного шара.

Сумеречные лучи – оптическая иллюзия, которая выглядит как лучи солнечного света, испускаемые из точки в небе за облаком.

Супертайфун «Хайян» – смертельный тайфун, опустошивший Филиппины в 2013 году. Устойчивая скорость ветра в нем составляло 87 м/с, погибли 6000 человек.

Суточный ход температуры – разница температуры между ночью и днем, включающая минимальные и максимальные значения за сутки.

Теплый фронт – граница между холодной воздушной массой впереди и наступающей на нее более теплой и влажной воздушной массы. Сопровождается адвекцией тепла. Может образовывать более плотные облака и вызывать дождь или изморось.

Термосфера – четвертый атмосферный слой Земли, расположенный над мезосферой. Температура здесь увеличивается с высотой, что связано с поглощением солнечного излучения, и варьирует в зависимости от того же излучения.

Торнадо – интенсивный воздушный вихрь, образующийся из грозовых облаков. Самые сильные торнадо, обрушившись на сушу, могут нанести значительный урон.

Точка росы – температура воздуха, ниже которой водяной пар в воздухе начинает конденсироваться в капельки воды. Когда точка росы совпадает с температурой воздуха, велика вероятность возникновения тумана.

Тропическая депрессия – крупная область низкого давления, расположенная над тропиками; периодически здесь образуются циклоны.

Тропическая зона конвергенции – зона нестабильного воздуха и ливневых тропических дождей в области конвергенции двух воздушных масс. Каждый год она сдвигается на север и юг в зависимости от положения Солнца и придает дополнительные энергию и импульс сезонным дождям во всем мире, в том числе индийским муссонам.

Тропосфера – нижний слой атмосферы, где температура с набором высоты снижается, что приводит к образованию облаков и формированию погоды. В этом слое атмосферы круговорот воды позволяет полностью восполнять ее количество во всех агрегатных состояниях.

Углеродный цикл – биогеохимический цикл обмена углеродом между воздухом, водой и сушей.

Улучшенная шкала Фудзиты – числовая шкала силы торнадо на основании оценок видимого урона от торнадо, который соответствует силе ветра.

Ультрафиолетовое излучение – часть электромагнитного спектра, испускаемого Солнцем. Большая его часть поглощается озоновым слоем стратосферы, однако небольшое количество проникает на поверхность Земли, вызывая загар и рак кожи.

Уокера ячейка – теоретический элемент атмосферной циркуляции, описывающий подъем и снижение воздуха в тропиках, распространяющийся на юг по южной части Тихого океана. Используется в объяснении явления ENSO.

Ураган – циклон, развивающийся над тропическими водами Атлантики, над северо-восточной частью Тихого океана и над Карибским морем.

Уровень конденсации кромки облаков – высота, на которой влажность восходящего потока воздуха достигает 100 % и начинают формироваться облака.

Феррела ячейка – один из трех элементов циркуляции земной атмосферы – типов общего перемещения воздуха в трех измерениях над земным шаром. Ячейка Феррела располагается над средними широтами и находится к югу от полярной ячейки и к северу от ячейки Хэдли.

Фёновый ветер (эффект фёна) – теплый ветер, спускающийся на подветренную сторону гор после того, как его свойства изменились на наветренной стороне. Воздух становится более сухим и теплым, в небе меньше облаков. Спускаясь с подветренной стороны гор, воздух сжимается, что еще больше его нагревает. Поэтому разница температур с двух сторон горы может быть очень значительной.

Фотосфера – видимая поверхность Солнца, испускающая свет.

Хлорфторуглероды (ХФУ) – химические соединения, применявшиеся в холодильниках, аэрозолях и системах кондиционирования воздуха, но запрещенные в 1996 году, после того как было доказано их разрушительное воздействие на озоновый слой стратосферы – жизненно важную часть атмосферы, защищающую Землю от вредоносного ультрафиолетового излучения.

Холодная пустыня – сухая область планеты с очень низкими температурами, как, например, в Антарктиде.

Холодный фронт – граница между теплой и влажной воздушной массой впереди и более холодной воздушной массой позади. Вызывает смену направления ветра, падение температуры, ливневые дожди и порывы ветра.

Хромосфера – слой атмосферы Солнца, расположенный над фотосферой и значительно более горячий – 6000–20000°C.

Циклон – масштабная вихревая штормовая система, в центре которой находится область низкого давления; скорость ветра в ней составляет более 14–16 м/с (в зависимости от установок метеослужбы). На основании силы и расположения циклонов их подразделяют на тропические бури, ураганы и тайфуны.

Численный прогноз погоды – использование математических уравнений и атмосферных/океанических моделей для предсказания будущих погодных сценариев на основании текущих погодных условий.

Штилевая турбулентность – порывы ветра, прерывающие стабильное движение воздуха. Когда ветер встречает на своем пути гору и отклоняется от маршрута, создаются вихревые потоки; после этого с подветренной стороны горы могут создаваться порывы ветра.

Штормовая волна – волна воды значительно выше обычной, образованная в результате штормовой погоды, когда давление воздуха падает, что повышает уровень моря, и когда сильные ветры влекут воду с поверхности в определенном направлении. Может приводить к затоплению прибрежных районов, если следует в сторону суши.

Эвапотранспирация – совокупность процессов транспирации и испарения, в ходе которых вода из деревьев и других растений (транспирация) и почвы (испарение) транспортируется в атмосферу, где преобразуется из жидкости в газ (водяной пар).

Экватор – центральная линия, опоясывающая Землю на нулевом градусе широты.

Экзосфера – внешняя оболочка атмосферы, непосредственно граничащая с космосом и постепенно переходящая в него, по мере того как содержание атомов и молекул в ней уменьшается до нуля.

Экмановская спираль – реакция поверхности воды на ветер. Сила Кориолиса отклоняет поверхностное водное течение на 45 градусов влево относительно направления ветра в Южном полушарии, а глубинное течение – на 90 градусов к направлению ветра. Такое распыление течения воды выглядит спиральным, это один из процессов, вызывающих «апвеллинг» в юго-восточной части Тихого океана. В Северном полушарии вода отклоняется от направления ветра вправо.

Эксцентриситет – форма орбиты планеты вокруг Солнца, от круговой до эллиптической.

Электромагнитное излучение – тип излучения, испускаемый Солнцем и состоящий из спектра волн разной длины – от длинных радиоволн до коротких гамма-лучей. Ультрафиолетовое и инфракрасное излучение тоже входят в этот спектр.

Эль-Ниньо – период потепления тихоокеанских вод близ западного побережья Южной Америки, которое приводит к обращению вспять пассатов в экваториальной зоне Тихого океана. По всему миру изменяются режимы погоды; это часть более масштабного явления, известного как ENSO (El Niño—Southern Oscillation, Эль-Ниньо – Южная осцилляция, см. ниже).

Эль-Ниньо – Южная осцилляция, ENSO (El Niño—Southern Oscillation) – смена режима давления, связанная с наступлением Эль-Ниньо. В юго-восточной части Тихого океана обычные зоны высокого давления становятся зонами низкого давления, что, в свою очередь, приводит к значительному повышению давления в его юго-западной части. Это вызывает сухую погоду в Северо-Восточной Австралии и Юго-Восточной Азии, которая может развиться в аномальную жару и засухи.

Южное Пассатное течение – крупная океаническая циркуляция в южной части Атлантического океана.

Ядерная зима – продолжительный период холодной погоды после ядерной войны, когда огромное количество пыли и пепла, вызванное детонацией атомных бомб, остается в атмосфере и на много лет блокирует солнечный свет. Климатические последствия могут быть весьма далеко идущими, основные из них – резкое сокращение числа осадков и понижение температуры.

Ядерная энергия – энергия, образующаяся при ядерных реакциях плутония и урана на атомных электростанциях. Считается энергией с низким уровнем выбросов углекислого газа.

Благодарности

Эта книга не состоялась бы, если бы не наш великолепный редактор Мадия Алтаф. Спасибо тебе за поддержку и руководство и за то, что ты слушала нас, даже когда мы говорили вовсе не о погоде! Большое спасибо Вики Уайт – самому замечательному и преданному своему делу литературному агенту. Вики, без твоего беспредельного вдохновения и энергии мы никогда бы не смогли написать эту книгу и не начали бы работу с издательством Bonnier Books UK.

Саймон

Я беспредельно благодарен своей жене Эмме за поддержку, особенно во время написания этой книги. Все это время она занималась с Ноа и Нелл, чтобы дать мне возможность писать. Спасибо тебе, дорогая, я очень это ценю! Мое увлечение погодными явлениями началось уже в детстве, так что я хотел бы поблагодарить своих родителей и учителей за то, что поддерживали во мне эту страсть, персонал факультета метеорологии университета Рединга за прекрасное обучение, а также Метеорологическую службу и BBC – за работу моей мечты.

Клэр

Спасибо моей великолепной семье, которая с пониманием относилась к моему детскому увлечению погодой. Спасибо всем сотрудникам Метеорологической службы – их любовь к работе, опыт и научная дотошность всегда остаются для меня источником вдохновения. Спасибо моим наставникам-метеорологам – профессору Филу Дайку, Джиму Бэйкону, Маргарет Эмерсон и Робу Варли.

* * *

Примечания

1

Пассаты – устойчивые сильные ветры в 30-х градусах северной и южной широты, дующие в тропиках по направлению к экватору. В северном полушарии они дуют с северо-востока, в южном – с юго-востока. Словарь использующихся в книге терминов приведен в конце.

2

Ячейка Хэ́дли (или ячейка Гадлея) – элемент циркуляции земной атмосферы, наблюдаемый в тропических широтах. Характеризуется восходящим движением у экватора, направленными к полюсам потоками на высоте 10–15 км, нисходящими движениями в субтропиках и потоками по направлению к экватору у поверхности. Эта циркуляция определяет погоду и климат в тропиках.

3

Ячейка Феррела – элемент циркуляции земной атмосферы в умеренном поясе. Находится примерно между 30 и 65 градусами северной широты и 30 и 65 градусами южной широты, ограничена субтропическим хребтом с экваториальной стороны и полярным фронтом – с полярной. Считается второстепенным циркуляционным элементом и полностью зависит от ячейки Хэдли и полярной ячейки.

4

Полярная ячейка – элемент циркуляции земной атмосферы в приполярных районах Земли, имеет вид приповерхностного вихря, который закручивается на запад, выходя из полюсов; и высотного вихря, закручивающегося к востоку.

5

Муссоны – ветры, идущие из тропиков к экватору (летом дуют с океана, зимой – с материка)

6

Хелм (Helm Wind) – сильный северо-восточный ветер, единственный, у которого на Британских островах есть название.

7

Фён – сильный, порывистый, теплый и сухой местный ветер, который встречается с подветренной стороны горного хребта.

8

Норвежская модель циклона – теория, согласно которой циклоны развиваются по мере продвижения вверх и вдоль фронтальной границы, в конечном счете перекрывая фронт и достигая баротропно холодной среды.

9

По среднему курсу 2013 года – около 650 млн рублей.

10

Керн – образец породы цилиндрической формы, полученный из скважины при ее бурении посредством керноотборника с кольцеобразным буровым долотом.

11

Точка росы – это температура воздуха, при которой содержащийся в нём пар достигает состояния насыщения и начинает конденсироваться в росу.

12

Закон о чистом воздухе был введен в 1956 и отменен в 1993 году. Закон утвердил ряд мер по снижению загрязнения воздуха: обязательный переход к бездымному топливу, особенно в густонаселенных «зонах контроля дыма», чтобы уменьшить дымовое загрязнение и концентрацию двуокиси серы от домашних пожаров, сокращение выбросов газов, песка и пыли из дымовых труб.

13

Большая Ньюфаундлендская банка – обширная шельфовая отмель в Атлантическом океане у канадского острова Ньюфаундленд площадью в 282 500 км^2.

14

Одна сухопутная миля – 1,61 километра.

15

Испанский шлейф – модель погоды, при котором шлейф теплого воздуха движется от Иберийского плато или Сахары до северо-запада Европы, где случаются сильные грозы. Эта метеорологическая картина может привести к экстремально высоким температурам и интенсивным дождям в летние месяцы, наводнениям, разрушительным градам, штормам и торнадо.

16

На самом деле древнегреческого. – Прим. пер.

17

Поэма английского поэта Сэмюэла Тейлора Кольриджа, написанная в 1797–1799 гг.

18

Австралазия – регион, включающий в себя Австралию, Новую Гвинею, Новую Зеландию и прилегающие к ним острова Тихого океана. – Прим. пер.

19

По среднему курсу за 2005 год – более 2 млрд рублей.

20

По ирландскому поверью, горшочек с золотом ждет каждого, кто сможет найти конец радуги.

21

Фраза, помогающая запомнить последовательность цветов радуги.

22

В Синодальном переводе Мф 16:2–3: «Вечером вы говорите: будет вёдро, потому что небо красно; и поутру: сегодня ненастье, потому что небо багрово».

23

Дуайт Эйзенхауэр – 34-й президент США с 1953 по 1961 гг., генерал армии, государственный и военный деятель.

24

Операция армии США по использованию климатического оружия во время войны во Вьетнаме.

25

Блетчли-парк – особняк, расположенный в Блетчли, в центре Англии, в историческом и церемониальном графстве Бакингемшир. В период Второй мировой войны в этом месте располагалось главное шифровальное подразделение Великобритании – Правительственная школа кодов и шифров, позже получившая имя «Центр правительственной связи».

26

День «Д» – общепринятое военное обозначение дня начала какой-либо военной операции.

27

Операция «Попай» (англ. Operation Popeye) – операция по использованию климатического оружия армией США во время войны во Вьетнаме (1965–1973). Название операции было дано по имени мультипликационного персонажа моряка Попая.

28

Всемирный банк – международная финансовая организация, целью которой является организация финансовой и технической помощи развивающимся странам.

29

Закон Мура – эмпирическое наблюдение, изначально сделанное Гордоном Муром, согласно которому (в современной формулировке) количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Часто цитируемый интервал в 18 месяцев связан с прогнозом Давида Хауса из американской компании Intel. – Прим. пер.

30

Это выражение – отсылка к словам английского поэта и проповедника Джона Донна (1572–1631), аллегорически означающим, что все люди друг с другом связаны, даже если эта связь и не кажется им очевидной.

Content

Саймон Кинг, Клэр Насир
Чем пахнет дождь?

Введение

Солнце

Отчего небо голубое?

Как солнце влияет на погоду и климат на Земле?

Почему на земле четыре времени года?

Что такое ультрафиолетовое излучение?

Как вращение Земли влияет на погоду?

Что такое солнечные бури и какое влияние они оказывают на Землю?

Пятна на солнце и солнечные циклы

Стихии

Ветер: самая влиятельная погодная стихия на Земле

Вода

Какую форму имеет капля дождя?

Лед

Туман

Молния

Облака

Откуда появляются облака?

Парад облаков

В какой момент облака проливаются дождем?

Почему кажется, что нижние кромки всех облаков находятся на одной высоте?

Сколько времени живут облака?

Кучевые облака

Знакомьтесь: слоистые облака

Перистые облака: жди непогоды

Будут ли ночью заморозки?

Как мы предсказывали облака и дожди раньше?

Общая картина атмосферы

Как воздух путешествует по миру?

Что такое Эль-Ниньо?

Глобальное потепление и эффект Альбедо

Почему так важен стратосферный полярный вихрь?

Что такое индийский муссон?

Почему важны пустыни?

Как тропические дождевые леса лияют на погоду в мире?

Как сильно отличается погода на вершинах гор?

Добро пожаловать в мир струйного течения

Что такое погодная бомба?

Где находится полоса штилей?

Одинаковый ли климат Северном и Южном полушариях?

Циклоны, ураганы и торнадо

Формирование тропического циклона: три ингредиента

Что происходит, когда ураганы отклоняются от своего пути?

Зачем влетать в ураганы?

Что такое штормовая волна?

Зачем давать имена бурям?

Торнадо: самые разрушительные природные явления на Земле?

Какая погода самая убийственная?

Погодные явления

Радуга

Облака или инопланетные вторжения?

Самые редкие облака

Что такое вилли-вилли?

Северное сияние

Водяные смерчи

Брокенский призрак

Восходы и закаты

Погода, космос и влияние планет

Какая погода на других планетах?

Как атмосфера защищает жизнь на Земле?

Действительно ли астероиды – главная угроза Земле?

Как на Землю воздействует сила тяжести?

Погода и технологии

Можно ли полагаться только на прогноз погоды на сайте или в мобильном приложении?

Можно ли контролировать дождь и что такое засев облаков?

Можно ли изменить маршрут урагана?

Каков прогноз на ядерную зиму?

Может ли модификация климата спасти планету?

Модификация климата для всех?

Погода и война

Война и прогнозы погоды

Военные метеорологи

Погода и флот

Может ли погода стать решающим фактором в войне?

Начинались ли войны из-за погоды?

Изменение климата

Природные изменения климата

Влияет ли антропогенное изменение климата на погодный режим?

Глобальное потепление

Словарь терминов

Благодарности

Примечания