100 великих тайн Земли, стр. 28

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.

Время летних гамма-гроз

В день летней грозы многих и теперь, как в древние времена, охватывает оторопь, ощущение угрозы. Сколько раз за лето каждый из нас видит вспышку молнии на небесах, и всякий раз ее огонь кажется таинственным – этот затертый эпитет словно свежеет от жара молнии, наливается кровью. Да и ученый мир подтвердит, что, как ни сильна наука, познавшая все от атомов до созвездий, перед феноменом молнии – электрического разряда, возникающего между грозовой тучей и поверхностью Земли, – долго пасовала и она.

Всякий раз огонь молнии кажется таинственным

Так, неясно было даже, почему небо вдруг рассекают эти ослепительные вспышки, что вызывает их. Зарождение молнии начинается с того, что в грозовом облаке происходит разделение электрических зарядов: отрицательно заряженные частицы отделяются от положительно заряженных. Так в грозовом облаке создается электрическое поле. Когда его напряженность достигает критической величины – 2 миллионов вольт на метр, в облаке возникает пробой. Лавина электронов мчится в сторону земли, оставляя после себя полосу (канал) ионизованного воздуха. По этому каналу к земле устремляется молния. Сила тока в канале достигает 100 тысяч ампер, а температура – 30 тысяч градусов. Стремительно расширяющийся поток воздуха и порождает мощную звуковую волну, которая воспринимается нами как гром. Таково популярное объяснение этого феномена.

Как ни стройна эта теория, она не подтверждается фактами. Судя по результатам измерений, напряженность электрического поля в грозовом облаке примерно в 10 раз ниже той критической величины, которая нужна для того, чтобы вспыхнула молния.

В начале 1990-х годов российский физик Александр Гуревич, подыскивая объяснение этому факту, предложил новую гипотезу. В атмосферу нашей планеты постоянно проникают высокоэнергетичные частицы, прилетающие из космоса. При их столкновении с молекулами азота и кислорода образуются, в частности, электроны, движущиеся очень быстро. Электрическое поле, возникшее в грозовом облаке, по расчетам Гуревича, разгоняет их почти до световой скорости. Для этого достаточно, чтобы напряженность поля составляла порядка 200 тысяч вольт на метр, что хорошо совпадает с результатами наблюдения. При столкновении этих электронов с молекулами воздуха возникают все новые высокоэнергетичные электроны. Настоящей лавиной они мчатся к земле, вызывая пробой в атмосфере. При этом испускается рентгеновское и гамма-излучение, которое фиксируют спутники.

Итак, все больше фактов доказывает, что молнии порождаются частицами, прилетевшими из космоса. Однако многое в происходящем процессе по-прежнему неясно ученым. Так, энергия и интенсивность рентгеновского излучения, возникающего во время грозы, не совпадает с моделью, предложенной Гуревичем. Стоит добавить, что мы по-прежнему очень далеки от того, чтобы использовать энергию молнии для своих целей.