Сайты партнеров




GEO приглашает

26 октября в самом сердце Москвы, в доме Пашкова, журнал Forbes отметил 100-летний юбилей. Мероприятие стало финальным в череде торжеств, посвященных юбилею легендарного бизнес-издания по всему миру


GEO рекомендует

В расписании авиакомпании Lufthansa на лето 2018 появилось пять новых маршрутов. Они свяжут Франкфурт с Глазго, Кишиневом, Санторини и Меноркой, а Фуншал на Мадейре с Мюнхеном. Билеты уже в продаже


Белогривые загадки

текст:
Облака

Попробуйте себе вообразить чрезвычайно странное облачко – диаметром всего 1,5 мм, зато высотой почти 8 метров. К тому же оно еще и перевернуто с ног на голову: его нижняя часть значительно холоднее верхней, хотя обычно с облаками дело обстоит ровно наоборот.

Это странное облачко, не испытывающее влияния турбулентности, недолговечно: просуществовав всего несколько секунд, оно исчезает. Его создали в лаборатории, в узкой длинной трубе, снабженной системой охлаждения, оплетенной шлангами и кабелями. Сконструировали эту установку ученые из Лейпцигского института исследований тропосферы имени Лейбница.

«Мы хотим наконец понять, что заставляет облака расти, как они кристаллизуются и как летающие в воздухе частички пыли способствуют их формированию», – рассказывает сотрудница института Хайке Векс. С этой целью немецкие ученые комбинируют в установке разные субстанции, из которых могут состоять природные облака, – мельчайшие аэрозольные частицы и водяной пар.

Люди всегда пытались разгадать тайну «белогривых лошадок», но из всех атмосферных явлений облака до сих пор остаются самыми загадочными. Наверняка  известно лишь то, что они нам нужны. Облака выполняют по крайней мере две функции, без которых была бы невозможна жизнь на Земле.

Во-первых, облака играют важнейшую роль в процессе круговорота воды, ее перераспределения в природе. Они вбирают влагу, которая испаряется с поверхности планеты (океаны, реки, озера, леса), и переносят туда, где она снова выпадает в виде дождя или снега.

Облака постоянно нависают над большей частью земной поверхности. То есть, разумеется, они не застывают неподвижно, а проплывают – иногда почти над самой землей, иногда на высоте 18 километров. Благодаря им в атмосфере циркулирует около 15 биллионов тонн воды. И примерно каждые десять дней этот трудновообразимый запас полностью обновляется. «Нависающее над одним квадратным километ­ром земной поверхности кучевое облако вертикальной мощностью около 500 м содержит до 200 тонн воды», – говорит Хайке Векс.

Облака играют определяющую роль в процессе распределения тепла в атмосфере. Водяной пар, из которого образуется облако, поднимаясь с поверхности Земли, забирает ее тепловую энергию и разносит по планете. Помимо этого облака, отбрасывая тень, приносят прохладу. Но есть и такие, которые задерживают тепло, излучаемое поверхностью Земли, не позволяя ему уходить в космос. Такой вот «двусторонний зонтик».

Процессы, протекающие внутри этих атмосферных образований, весьма сложны. Их трудно наблюдать и еще труднее строить какие-то прогнозы.

Облака непредсказуемы: возникают спонтанно и могут так же внезапно, без видимых причин исчезнуть. Они чрезвычайно разно­образны: иногда похожи на клочья ваты, иногда на морские волны, иногда на прозрачную белую вуаль. Над нашими головами проплывают то черные грозовые или голубовато-серые тучи, то пушистые барашки ослепительной белизны. Но дело не только во внешних различиях: облака могут состоять из мельчайших водяных капель, из смеси таких переохлажденных капель с кристаллами льда, из одних льдинок.

При каких условиях формируются скоп­ления, как долго они могут существовать? На эти вопросы ученые до сих пор не нашли четких ответов, как впрочем и на множество других, связанных с физикой и химией облаков.

Но как-то систематизировать то, что проплывает у нас над головами, мы, конечно, пытаемся. Всемирная метеорологическая организация (ВМО) классифицирует облака по их расстоянию от поверхности Земли. В умеренных широтах можно наблюдать облака различных ярусов: нижнего (на высоте до 2 км), среднего (2–7 км), верхнего (5–13 км) и облака вертикального развития, которые могут занимать пространство от нижнего до верхнего яруса.

Кроме того, выделяют десять различных родов облаков (см. схему на странице 191), которые в свою очередь подразделяются на многочисленные виды и подвиды.

На первый взгляд формирование облака происходит относительно просто: вода под воздействием солнечных лучей испаряется и ее молекулы вместе с теплым воздухом поднимаются вверх. Один кубический метр воздуха при температуре 20°С и нормальном давлении может содержать до 17 граммов водяного пара. С увеличением высоты давление и температура понижаются. А чем температура ниже, тем меньше пара может удержать атмосфера и тем большая его часть снова переходит в жидкое состояние. Это явление называется конденсацией.

Таким образом облака могут возникать в разных ситуациях: если нагревшийся у поверхности земли и ставший от этого легче воздух, поднимаясь, достигает высоты конденсации; если теплый насыщенный влагой воздух поднимается над возвышенностями; если холодные (и потому более тяжелые) воздушные массы вытесняют вверх более теплый и легкий воздух, содержащий много влаги; если теплые и влажные массы воздуха, образовавшиеся над морем, оказываются над более холодной сушей…

Но одной влаги и перепада температур недостаточно. Чтобы образовалось облако, необходимо еще наличие в атмосфере крохотных частиц, размером от 10 нанометров до нескольких миллиметров. Именно на них пар конденсируется, то есть превращается в мельчайшие капельки воды.

Эти аэрозольные частицы выступают в роли центров конденсации – без них облако не образуется, даже если атмосфера перенасыщена водяными парами.

Роль аэрозольных частиц могут выполнять легкорастворимые вещества – к примеру, морская соль. Такие частицы образуются при разбрызгивании пены на гребнях морских волн. Но основной их «производитель» – воздух, захваченный обрушивающимися волнами: его пузырьки всплывают на поверхность и лопаются. Испаряясь, аэрозоли поставляют в атмосферу микроскопические кристаллики соли.

Способствуют образованию облаков и мириады мельчайших пылинок, попадающих во время песчаных бурь в тропосферу – нижний слой атмосферы, отвечающий за погоду на Земле.

Наконец, в роли центров конденсации могут выступать споры грибов, пыльца растений, микроорганизмы, частицы копоти, попадающие в воздух в результате промышленных выбросов или лесных пожаров. Кое-кто из исследователей говорит даже о вирусах. Считается, что около четверти аэрозольных частиц биологического происхождения, а почти о половине из них мы просто ничего не знаем.

Облака в нижних слоях тропосферы в основном состоят из капель воды. Из-за сильных воздушных потоков и постоянно поступающего снизу теплого воздуха здесь особенно велика турбулентность, и капельки находятся в постоянном вихревом движении. Они сталкиваются, сливаются в капли большего размера, а когда становятся слишком тяжелыми, выпадают на землю в виде дождя.

На высотах, где температура воздуха опускается ниже –5°С, водяные облака начинают превращаться в смесь воды и льда. Еще выше, там, где температура ниже –40°С, облака полностью состоят из кристаллов льда.

Капли дождя часто начинают свой путь с большой высоты в виде льдинок, оттаивающих по мере приближения к земле. Если под воздействием турбулентности, увлекаемые то вверх, то вниз воздушными потоками, кристаллы остаются в атмосфере достаточно долго, они успевают значительно разрастись за счет столкновений с переохлажденными водяными кап­лями – и в конце концов падают на землю в виде града. Самые крупные из зафиксированных градин, весом около килограмма каждая, повергли в ужас жителей Бангладеш в 1986 году.

Облака переносят на большие расстояния не только воду, как, например, в период летних муссонов, доставляющих влагу из экваториальных широт на склоны Гималаев. Водяной пар – основа облаков – отвечает и за общий тепловой баланс Земли. Для испарения воды необходимо большое количество энергии. Молекулы воды, становясь частью воздуха, переносят ее в атмосферу. Примерно так же, как осуществляется терморегуляция нашего тела: капли пота, выступающие на коже, испаряются, и за счет этого тело охлаждается.

Отбираемая у земной поверхности водяным паром энергия (так называемая скрытая энергия испарения), естественно, не пропадает – она переносится в более высокие слои атмосферы. Там, охлаждаясь, пар снова превращается в капли воды, скрытая энергия высвобождается и передается молекулам воздуха, нагревая его.

Таким образом, за счет испарения и последующей конденсации в атмосфере снизу вверх переносится значительная энергия: например, той, что, высвобождается из одного грамма пара, достаточно, чтобы нагреть 1000 граммов воздуха на 2,2°С. Именно нагрев обеспечивает подъем воздушных масс на большие высоты.

Ветры перераспределяют водяной пар в атмосфере, и скрытая энергия испарения перемещается на большие расстояния вокруг Земли. Таким образом, самые теплые районы земного шара – такие, например, как Карибский бассейн, области тропических лесов или Индийский океан – за счет испарения теряют часть своей тепловой энергии, которую воздушные потоки разносят по всему земному шару. А это значит, что тропические и субтропические области Земли обеспечивают обогрев той же Европы не только при помощи теплых морских течений, но и через атмосферу. И облака играют в этом важную роль.

В середине 1980-х годов исследователи из Центра по изучению облаков и климата (Ла-Джолла, штат Калифорния) попытались ответить на вопрос, что защищает тропические области земного шара от перегрева? Только ли процессы испарения? А что-то несомненно должно защищать, и весьма эффективно – ведь несмотря на то, что солнце в тропиках печет беспощадно, океан там редко прогревается выше 28°С.

Выяснилось, что перегреву океана в жарких широтах препятствуют также и скопления облаков, защищающие его поверхность от солнечных лучей.

Большие плотные облака играют роль гигантского зонтика, отражающего часть инфракрасного и ультрафиолетового излучения, возвращающего его обратно в космос. В тени таких облаков температура резко снижается, и они защищают атмосферу от перегрева.

С парящими на большой высоте белыми перистыми облаками, которые состоят из слоистых скоплений кристаллов льда, дело обстоит иначе. Они пропускают к земной поверхности солнечные лучи и при этом возвращают обратно большую часть поднимающегося от земли теплового излучения. Это приводит к нагреванию, а не охлаждению земной поверхности.

Другими словами, низкие насыщенные водой облака отражают солнечное излучение, зато почти не задерживают поднимающееся тепло – так они охлаждают землю. Высокие перис­тые облака наоборот легко пропускают к земле солнечные лучи, но практически не пропускают тепло, поднимающееся в космос, – и наша планета нагревается.

Как мы видим, облака естественного происхождения играют важную роль в жизни на земле. А как насчет искусственных? Какое влияние на климат оказывают, к примеру, инверсионные следы, которые оставляют в верхних слоях тропосферы реактивные самолеты? Эти белые «борозды», которые мы так любим разглядывать в детстве, на самом деле не что иное, как «узкие» кристаллические облака, возникающие из выброшенного двигателем водяного пара. При сгорании одного литра авиационного топлива образуется около 1,25 кг пара. При температуре ниже –40°С пар замерзает моментально, и кристаллы льда вместе с частичками продуктов горения становятся центрами конденсации.

Большинство исследователей придерживаются мнения, что эти искусственные ледяные облака сами по себе не слишком влияют на климат. Однако до сих пор не ясно, в какой степени частицы реактивных следов способствуют  возникновению новых перистых облаков, из-за которых нагреваются нижние слои атмосферы. Этот процесс может привести к нежелательным последствиям.

Чем теплее становится воздушная оболочка Земли, тем больше влаги поступает в атмосферу, и тем выше вероятность экстремальных климатических явлений – ливней, гроз и мощных ураганов. Грозы могут возникать, когда массы теплого влажного воздуха, быстро поднимаясь  вверх, создают крупные скопления облаков, нередко достигающих верхней границы тропосферы (см. стр. 193).

Разрушительная сила тропических ураганов зависит от водяного пара. Поднимаясь вмес­те с массой теплого и влажного воздуха в цент­ре циклона, он конденсируется, за счет чего в средней и верхней тропосфере высвобождается большое количество тепла. Воздух еще больше нагревается и с новой силой устремляется вверх, втягивая в центр циклона все новые и новые воздушные массы.

Словом, пока тайна формирования и поведения облаков не будет разгадана, точность прогнозов погоды останется низкой.

«Мы еще в самом начале пути, – говорит Хайке Векс из Лейпцигского института исследований тропосферы. – Нам, например, все еще не хватает сведений о том, как влияет химичес­кий состав аэрозолей на возникновение облаков, или как маленькие капли становятся большими. Кроме того, мы не до конца понимаем механизм воздействия облаков на климат».

Получается, что пока ученые хорошо изучили процесс образования только тех эфемерных облачков, которые они создают в лабораторных условиях. Тут, по крайней мере, все ингредиенты известны.

11.05.2011
Связанные по тегам статьи: