Вода, снег и лед

Моделирование атмосферы Земли и процессов, протекающих в ней, – одна из сложнейших задач, стоящих перед учеными. Как описать поведение 5 квадрилионов тонн воздуха, составляющих оболочку Земли?

Вот простой вопрос: «С чего начинается дождь?» Точного ответа до сих пор нет. Конечно, не будет тучки на небе, и дождиком не покаплет, это известно каждому. Но что происходит за пеленой облаков? Как клубы водяного пара свертываются в капельки? Как заглянуть внутрь дождевой тучи?

Исследовать ее с самолета рискованно. В лаборатории же удается воссоздать лишь пелену тумана объемом в несколько кубических метров. Подобный клочок имеет мало общего с обычными облаками. В нашей средней полосе столп воздуха над каждым квадратным метром почвы содержит от 10 до 50 килограммов водяных паров. Правда, в основном мы не видим их. Лишь оседая на аэрозолях – песчинках и пылинках над сушей или частицах соли над океанами, – водяные пары сгущаются, образуя капли. Если бы не аэрозоли, небо всегда было бы ослепительно-голубым.

Однако, когда содержание аэрозолей в воздухе особенно высоко, это, как выяснили недавно ученые из Гетеборгского университета, ведет к уменьшению количества осадков. Ведь чем больше центров конденсации возникает в облаках, тем меньше размер дождевых капель, образующихся здесь. Порой они вдвое меньше обычного. Между тем дождь начинается, только когда капли достигают определенной величины. Маленькие же капли, хоть их и очень много, попросту не долетают до земли. Как хорошо! Значит, не пойдет дождь?

Никто не любит дождь. Довольно тучки на небе, чтобы настроение стало портиться. Кому охота брести по лужам в холодной, мокрой одежде, прилипающей к телу? Но так ли заслуженна эта скверная репутация дождя? Скажем хотя бы несколько слов в его защиту.

Дождь чистит небо. Струи воды, сбегающие на землю, смывают мельчайшие частички пыли, витающие в воздухе. В жаркие дни завеса дождя приятно освежает, в засушливую пору спасает растения от гибели. Для ученых же дождь по-прежнему таит немало загадок.

Знаете ли вы, что лишь каждое десятое облако проливается на землю дождем? Или что дождевая капля напоминает по форме скорее гамбургер, чем знакомую нам каплю воды? Или что в обычном кучевом облаке скрывается более 150 тысяч тонн водяных паров и льдинок? Попробуем же совершить путешествие в мир дождя, этот серый мир, полный белых пятен!

Нам навстречу спешат капли, и каждая из них преодолевает немалый путь, прежде чем достигнет земли. В среднем после того, как вода испарится над океаном, ее молекулы проводят в воздухе 9,5 дня до того, как водяные пары снова сконденсируются и вернутся на землю дождем. Какие же приключения происходят с ними в небесах?

Итак, любой дождь начинается задолго до дождя. Начинается с того, что в теплую, солнечную погоду в реках, морях, океанах испаряется вода. Обычно ее молекулы движутся хаотически. Однако, получив дополнительную энергию вместе с солнечными лучами, отдельные молекулы преодолевают силу поверхностного натяжения и буквально врываются в атмосферу. Верхний слой воды понемногу растворяется в воздухе, словно… сахар в воде.

Воздушные массы, насыщенные водяными парами, поднимаются, словно в лифте, на небо, поскольку теплый воздух легче холодного. Но чем выше они оказываются, тем заметнее понижаются температура и атмосферное давление. Воздушные массы остывают на один градус через каждые 100 метров. Можно сказать так: испарившись над океаном, вода, разогретая до 20°C, поднимается на высоту 2000 метров и, условно говоря, остывает до 0°. «Условно» потому, что это зависит от влажности воздуха. Чем она ниже, тем быстрее охлаждается воздух.

Когда относительная влажность воздуха достигает 100 %, водяные пары начинают конденсироваться. Их молекулы оседают на крохотных твердых частичках, снующих в воздухе, например пылинках. Так возникают капельки воды. Из них формируется облако.

Процессы, протекающие внутри облака, заметно сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Не так давно группа израильских и российских ученых попыталась выяснить механизм образования дождевых капель. По их расчетам, изложенным на страницах журнала Nature , важную роль играют воздушные вихревые потоки. Они увеличивают частоту столкновений капель, а значит, приближают дождь. Они действуют как центрифуга. Крупные, тяжелые капли вытесняются ими наружу и летят сквозь облако, сталкиваясь с другими каплями и сливаясь с ними. Поначалу капли еще удерживаются внутри облака, но когда их диаметр достигнет 200 микрометров, сила тяжести берет верх. Капли падают на землю – поначалу тонким моросящим дождем со скоростью до полуметра в секунду, а потом, достигнув миллиметровой величины (и миллионы раз столкнувшись с соседками), летят хлесткими струями со скоростью до 9 метров в секунду.

Чаще дожди бывают не теплыми, а холодными. Когда температура в воздушном слое ниже —20 °С, вокруг пылинок скапливаются ледяные кристаллы. На них быстро намерзают капельки воды. Лед буквально впитывает влагу, скопившуюся в воздухе. Зимой так образуются снежные хлопья, а летом – мелкие ледышки града. Под тяжестью собственного веса они, в конце концов, падают на землю. Их форма, размеры, траектория полета резко разнятся; их движение трудно моделировать. В теплую погоду эти крупицы льда по пути к земле тают, окатывая нас холодным дождем.

Кстати, большинство людей считает, что капли дождя имеют округлую форму, как классические капли воды, вытекающей из-под крана. Но они ошибаются. Падая на землю с большой скоростью, дождевые капли встречают такое сильное сопротивление воздуха, что утрачивают свою прежнюю форму – становятся приплюснутыми и теперь напоминают скорее гамбургер, чем маленькую сферу.

Процессы, происходящие на родине этих капель – внутри туч, мы не можем пока детально описать. Поэтому если температуру на ближайший день метеорологи научились прогнозировать, то с осадками часто попадают пальцем в небо. Лишь научившись понимать эти сложные процессы, мы сумеем точнее предсказывать, пойдет ли дождь.

А это становится все важнее! Глобальное потепление значительно усиливает циркуляцию воды на нашей планете. С повышением средней температуры на один градус циркуляция возрастает примерно на 8 %. Меняется количество осадков, выпадающих в различных регионах планеты. Усиливается неравенство в снабжении их водой. В засушливых регионах дожди будут выпадать еще реже, а те области, где осадков выпадало и так много, будут страдать от сильных ливней и наводнений.

В последние годы все чаще регистрируются необычные погодные явления, в том числе и продолжительные, очень сильные дожди. Так, в 2011 году рекордные дожди обрушились на Японию, в 2010 году рекордное количество осадков зафиксировано в Пакистане и Австралии, в 2002 году в Германии, в Рудных горах, всего за одни сутки выпало столько осадков, сколько не отмечалось в этой стране еще никогда до этого. После ливня началось «наводнение столетия» на Эльбе. Компьютерные модели и статистика подтверждают связь между потеплением и аномальным количеством осадков.

Предсказывать же погоду – значит по-прежнему решать задачу со многими неизвестными. Бабочка, взмахнувшая крылышками в далеком Китае, все так же исправно вызывает ураган на Багамах. Две бесконечности сходятся в одной и той же точке – в той, где графа прогноза по-прежнему туманна и неясна.