Воздушный океан атмосферы Земли и его особенности
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Земля со всех сторон окутана невидимым покрывалом атмосферы, защищающим, ее и в то же время, в результате давления газов и паров, непрерывно меняющим строение земной коры. Лишь это воздушное покрывало с его сезонными течениями и сложными ежедневными движениями отделяет нас от космического пространства, в котором наблюдаются такие же резкие изменения температуры, как и на поверхности Луны. Воздух действует как огромный передатчик энергии и при помощи океанов — колоссального резервуара тепла — смягчает климаты на земном шаре. Если бы не это атмосферное покрывало, температура ночью падала бы до температуры жидкого воздуха, а днем поднималась до палящей жары в 110°. В таких условиях жизнь была бы невозможна.
Однако одного воздуха недостаточно, чтобы сделать нашу планету пригодной для жизни. Сложные, окутывающие весь земной шар воздушные потоки имеют существенное значение для распределения тепла и влаги по поверхности Земли. Без такого перемещения огромных масс воздуха земная поверхность была бы разделена на резко различающиеся между собой зоны. Суша состояла бы из бесплодных, скалистых континентов, сожженных палящими солнечными лучами, так как не было бы ни облаков, ни дождя, ни рек, которые могли бы размягчить твердые породы высоко вздымающихся первозданных гор; не было бы ни наносных почв в долинах, ни плодородных равнин, покрытых буйной растительностью.
Лишь на узкой прибрежной кромке морская влага смогла бы вступить в борьбу с ничем не ослабленными ослепительными лучами Солнца. Опаленные Солнцем пустыни простирались бы по обе стороны экватора, а вокруг полюсов раскинулись бы тундры, замерзшие и лишенные растительности. Айсберги заплывали бы из холодных полярных морей гораздо ближе к экватору, чем это случается теперь, и Земля была бы призраком, мало похожим на нашу зеленую и нарядную планету.
Циркуляция воздуха предотвращает подобный катаклизм, улучшая условия на земной поверхности. Энергия воздуха, перемещающегося над поверхностью нашей планеты, в любой момент эквивалентна энергии семи миллионов атомных бомб. Однако более одной десятой части этой энергии ежедневно теряется в результате трения между воздухом и поверхностью Земли. Каждый тянущийся вверх стебелек травы и мельчайшая рябь на воде берут свою долю этой энергии, которая непрерывно пополняется за счет солнечной радиации.
Стремительный ураган
Без непрерывной компенсации энергии, теряющейся в результате трения, население больших городов в течение недели задохнулось бы под неподвижным облаком дыма и испарений, хотя на каждого жителя нашей планеты приходится два миллиона тонн свободного воздуха.
С другой стороны, если бы не трение между воздухом и земной поверхностью, ветер несся бы все быстрее, пока не превратился бы в ураган, мчащийся вокруг Земли со скоростью тысячи миль в час.
Только самые нижние слои огромных движущихся масс воздуха приходят в соприкосновение с рельефом земной поверхности. Под действием географических факторов они создают метеорологические явления, которые мы называем погодой. А высоко над ними, причудливо переплетаясь между собой, проносятся невидимые воздушные потоки и низвергаются воздушные Ниагары. До последнего времени лишь немногие ученые высказывали предположение о наличии в верхних слоях атмосферы столь гигантских воздушных течений.
И даже фантастическая сила и скорость этих струйных потоков лишь частично характеризуют всю сложность течений в верхних слоях атмосферы. На протяжении двух столетий метеорологи, пытаясь предсказать погоду, пользовались научными исследованиями атмосферы вблизи поверхности Земли; однако все это было немногим лучше старых народных примет, передававшихся из поколения в поколение.
Где же делается погода
И вот полтора столетия назад ученые, стремясь найти закономерность в казалось бы случайных переменах погоды, перешли от наземных наблюдений к изучению верхних слоев атмосферы, поняв, что истинные причины этого явления надо искать там. Это положило начало серьезному подходу к составлению прогнозов погоды. Примерно к середине XIX века метеорологи довольно хорошо разбирались в разыгрывающейся на поверхности Земли схватке грозных сил, которые за несколько часов могли превратить покой летнего дня в вихрь разрушительного шторма. Но несовершенство метеорологических инструментов того времени не давало возможности исследовать верхние слои атмосферы. Еще ранее было известно, что движение воздушных масс во время штормов сопровождается изменениями давления; при этом имеет место определенная циркуляция воздуха.
Но в то же время оставалась неясной та закономерность, которой подчиняются эти связанные между собой явления. Иногда в течение нескольких дней не происходило никаких изменений, иногда чередование явлений происходило в обратном порядке. Так как размеры каждой вращающейся воздушной массы — циклона или антициклона — могут в поперечнике составлять тысячу и более километров, то за сутки вперед невозможно определить точное местоположение движущегося шторма. Эта проблема не решена полностью и поныне; поэтому, как по собственному горькому опыту знает каждый из нас, прогнозы погоды часто оказываются неправильными.
На первый взгляд может казаться, что вращающиеся циклоны и антициклоны, следующие через оба полушария, представляют собой всего лишь слабые местные возмущения по сравнению с большими атмосферными потоками, существование которых мы должны допустить, если хотим объяснить колоссальное по объему и непрерывное перемещение тепла из тропиков в более высокие широты. В полосе между экватором и 38-й параллелью Земля получает от Солнца тепла больше, чем излучает и отражает в пространство; в полосе же между 38-й параллелью и полюсами общая потеря тепла больше, чем его получение.
Некоторое количество тепла переносится от экватора к полюсам теплыми океанскими течениями, но это тепло — его можно точно измерить — составляет лишь небольшую долю общего перемещения энергии. Современные теории предполагают, что существенную роль в регулировании атмосферной циркуляции играют циклоны и антициклоны, хотя массы воздуха, увлекаемые ими, незначительны по сравнению с земной поверхностью; они являются как бы аккумуляторами энергии для основных атмосферных течений.
Главные системы ветров образуются под действием двух основных факторов — солнечного тепла и вращения Земли. Если бы не было вращения Земли, то существовала бы лишь одна система ветров — теплый воздух поднимался бы над экватором и распространялся высоко над Землей, прежде чем охладиться и опуститься в полярных областях.
Даже к началу 30-х годов прошлого века природа общей циркуляции воздуха не была еще вполне изучена, хотя ранее и выдвигалось предположение о том, что существенной чертой этого процесса является движение от полюсов больших масс холодного воздуха, несущих полярный режим температур в области с более умеренным климатом.
Возрастающее применение авиации стимулировало развитие метеорологии не только потому, что авиация нуждается в точных прогнозах погоды на трассах воздушных линий, но и потому, что она дает возможность исследовать физические изменения, происходящие в верхних слоях атмосферы. Прошло немного времени, и в научных исследованиях самолеты были заменены радиозондами — миниатюрными метеорологическими станциями, которые поднимаются при помощи воздушных шаров и сообщают на землю по радио данные о температуре, давлении и влажности окружающего воздуха. Их движение, ранее фиксировавшееся визуально, а теперь с помощью радара, позволяет измерять скорости ветра на различных высотах.
Но тут-то и начинаются неприятности. Так называемая «классическая» теория атмосферной циркуляции дает простую, но наглядную картину воздушных потоков: воздух нагревается над экватором и поднимается на много километров вверх; в то же время холодный плотный воздух над полюсами опускается вниз и растекается по поверхности Земли в обратном направлении. Разница давлений поддерживает высокое, медленно плывущее от экватора к полюсам воздушное покрывало. Вследствие вращения Земли на этот неизменный круговорот накладываются западные и восточные ветры. К сожалению, эта стройная картина совершенно не совпадает с результатами новых наблюдений в верхних слоях атмосферы.
Чем больше накапливалось данных, тем более беспорядочной представлялась верхняя атмосфера. Казалось, там царил хаос восходящих и нисходящих потоков, горизонтальных струйных течений, западных и восточных ветров и каждый из них следовал по своему собственному излюбленному пути.
Использование высотных метеорологических ракет и возросший интерес к «ничейным» областям, лежащим между поверхностью Земли и межпланетным пространством, привели к огромному увеличению количества научных исследований. Мало-помалу начала выявляться картина течений в верхних слоях атмосферы.
Атмосфера делится не на два участка, соответствующие полушариям, а на три. В северном полушарии холодный сухой воздух опускается из стратосферы над полюсом и распространяется к югу. Вращение Земли поворачивает его к востоку, далее он образует четыре или пять холодных потоков, которые проносятся над Северной Америкой, Азией и Европой. Так как масса воздуха вращается вместе с Землей по отношению к звездам со скоростью один оборот в 24 часа, это вращение должно проявляться по мере движения воздуха на юг, причем в тем большей степени, чем южнее мы находимся. Отдельные потоки холодного полярного воздуха могут проникать на юг примерно до широты 30°.
В полярном воздухе происходит собственное внутреннее вращение, и, если такой воздух проникнет в район, достаточно близкий к экватору, он может оторваться и образовать холодную массу, вращающуюся отдельно в окружающем океане теплого воздуха. Подобным же образом теплый влажный воздух поднимается из тропиков и затем опускается в районе 30° широты. Здесь также могут образоваться вращающиеся массы теплого воздуха, которые двигаются в более холодные северные области, причем вращение их постепенно прекращается.
В обеих этих системах вкраплений — теплого воздуха в большей массе холодного, и наоборот — происходит переход потенциальной энергии в энергию движения, так как каждое вращающееся образование постепенно утрачивает свои характерные свойства.
Массы холодного воздуха — это циклоны; вращающиеся массы теплого воздуха — антициклоны. В каждом из них тепло превращается в кинетическую энергию ветров. Месту с высоким давлением, например, центру антициклона, соответствует воздушный холм, который простирается в межпланетное пространство далеко за пределы земной атмосферы; району с низким давлением отвечает впадина. Вращение производит серию воздушных волн, бегущих вокруг Земли и орошающих животворным дождем центральные районы континентов. Отдельные потоки холодного и теплого воздуха образуют волнообразную конфигурацию на средних широтах. Можно предсказать положение и движение этих волн и таким образом указать в общих чертах тенденцию предполагаемых изменений погоды на всем земном шаре.
Этот метод, однако, не может быть использован при составлении местных прогнозов, когда приходится учитывать факторы, действующие на поверхности Земли. В северном полушарии горизонтальная циркуляция в слое воздуха, находящемся в непосредственной близости к Земле, резко отличается от циркуляции в верхних слоях: к северу от 60-й параллели ветер на уровне моря преимущественно восточный, выше направление его прямо противоположно.
Между полярной и тропической воздушными зонами, между Парижем и Каиром, находится область, в которой вертикальные потоки воздуха имеют обратное направление по сравнению с указанными выше потоками над полюсами и экватором. В этой области теплый воздух опускается вниз, а холодный поднимается вверх.
Но это не противоречит законам гравитации и термодинамики. Промежуточная воздушная область получает энергию от двух соседних областей, а также от циклонов и антициклонов; при столь большом количестве энергии все становится возможным, даже нарушение гравитации.
Несмотря на то, что указанная теория противоречит выдвинутым ранее, значительное количество экспериментальных работ подтверждает ее правильность. Если в сосуд с водой, края которого нагреваются, бросить краску и начать медленно вращать его, мы получим плоскую фигуру, аналогичную картине распределения давлений в земной атмосфере. Эта модель, которая по своей форме и пропорциям соответствует уравнениям, основанным на скорости вращения и разности температур, воспроизводит даже небольшие вихри воздуха в нижних слоях атмосферы и быстрые струйные течения верхних слоев.
После обработки данных, полученных в ходе работ МГГ, наши сведения о движении земной атмосферы значительно пополнятся. Кроме того, к измерениям, проводимым обычными способами, добавятся данные, получаемые при помощи искусственных спутников, не испытывающих беспорядочного влияния воздушной оболочки Земли. Тогда, может быть, метеорологи узнают больше о действии миллионов тонн двуокиси углерода, вылетающих из труб, о влиянии на длительные изменения погоды радиоактивных отбросов, о причинах периодических оледенений и о происхождении продолжительных — от двух до десяти лет — засух, наблюдающихся на половине территории США. И, может быть, метеорологи смогут предсказывать погоду даже на завтра.
Автор: Кеннет Джонс.