Все права на текст принадлежат автору: Фриц Пфейфер.
Это короткий фрагмент для ознакомления с книгой.
Погода интересует всехФриц Пфейфер

Очерк общей и прикладной метеорологии

Под редакцией канд. геогр. наук Б. П. КАРОЛЬ

DR. FRITZ PFEIFER

WETTERZEICHEN ÜBERALL

Ein Streifzug durch die allgemeine und angewandte Meteorologie

Urania — Verlag

Leipzig — Jena — Berlin

Атмосфера вчера, сегодня и завтра

Огромная газовая оболочка окружает земной шар. Она содержит примерно 1044 молекул различных газов и давит на нашу планету с силой около 51 квадриллиона тонн. Человек не в состоянии реально представить себе такие гигантские числа. Мы приводим их в самом начале книги для того, чтобы читателю стало ясно, что атмосфера — не ничто, не пустота, а весьма важная составная часть нашей планеты. Господствующие в ней необузданные силы приносят каждый год неисчислимые бедствия и даже смерть тысячам людей. Когда ураганы тропических широт за несколько часов уничтожают результаты труда человека, когда они беспощадно сметают с лица земли деревни и целые города, каждый раз возникает вопрос: как же это могло случиться? А причины наводнений или засух? Мы считаем, что получили удовлетворительные ответы, когда нам объяснили, какие метеорологические условия вызвали избыточное выпадение осадков или, наоборот, большую сухость почвы и воздуха. Но метеорологические условия неотделимы от процессов, происходящих в атмосфере. Общая картина метеорологических явлений может быть понята только в том случае, если мы будем рассматривать атмосферу как неотъемлемую часть нашей планеты. Поэтому мы прежде всего предлагаем рассмотреть, каким образом возникла воздушная оболочка Земли и как она на протяжении миллионов лет приобретала свои свойства. Поскольку атмосфера существует уже много миллиардов лет, а точные измерения производятся лишь около 200 лет, образование воздушной оболочки может рассматриваться лишь на основании теоретических исследований. При этом многие стороны данной проблемы пока остаются невыясненными.

Считается установленным, что первоначально Земля была огромным газовым шаром[1]. По мере охлаждения газы и пары, составлявшие шар, переходили в жидкое состояние, и затем постепенно формировалась твердая тонкая оболочка земной коры. Еще мало известны физические и химические свойства, которыми обладала атмосфера во время постепенного отвердевания поверхности земного шара. Однако представители различных отраслей естественных наук — астрономы, астрофизики, геофизики, геологи — утверждают, что в период выделения газообразных веществ из пород, которые образовались при отвердевании земной коры, т. е. около двух миллиардов лет тому назад, состав атмосферы был совершенно иным, чем сейчас. Возможно, что в период возникновения атмосфера Земли была такой же, как сейчас у гигантской планеты Юпитер, поверхность которой находится в стадии отвердевания. Основными составными частями земной атмосферы тогда были углекислый газ, азот, водяной пар, метан и аммиак.

Несомненно, что на ранних стадиях развития Земли ее газовая оболочка представляла собой густой и ядовитый туман, через который не пробивался ни один луч света. В атмосфере Земли непрерывно конденсировался водяной пар, но еще долгое время дожди не увлажняли поверхность планеты, ибо она была очень горячей и выпадавшие осадки тотчас же испарялись. Еще не вполне выяснено, куда девался углекислый газ, содержание которого в первичной атмосфере было очень высоким, и как в ней появился кислород. До возникновения твердой коры Земли в ее газовой оболочке, по всей вероятности, уже имелся кислород, но позднее, при образовании горных пород, содержащих кремний, он оказался связанным. Новое образование кислорода в земной атмосфере объясняют следующим образом. После первоначального использования кислорода в атмосфере должны были остаться многочисленные углеводороды. По мнению Опарина, в результате частых разрядов молний в атмосфере образовались различные аминокислоты, которые явились предпосылкой для появления жизни на Земле. На протяжении невообразимо длительных отрезков времени некоторые бактерии расщепляли углекислый газ на углерод и кислород. Содержание углекислого газа в атмосфере непрерывно уменьшалось, а кислорода увеличивалось. В эти древние эпохи атмосфера получала тепло главным образом в результате соприкосновения с земной поверхностью. В настоящее время внутренняя теплота земного шара вносит лишь очень незначительный вклад в нагревание атмосферы. Решающую роль в нагревании атмосферы играет солнечная радиация, которая обусловливает смену времен года и изменение температуры воздуха в течение суток. Много миллионов лет тому назад на Земле не было ни смены времен года, ни чередования дня и ночи, так как верхняя граница атмосферы отражала обратно в мировое пространство приходившую к ней солнечную радиацию. Можно считать, что, когда охлаждение земной коры закончилось, химический состав атмосферы уже не претерпевал существенных изменений.

В более поздние геологические эпохи развития земного шара в атмосфере имели место большие колебания метеорологических элементов на обширных пространствах. Они являлись причиной колебаний климата, который в свою очередь менял облик земной поверхности.

Особенно резкими были колебания климата в периоды, получившие название ледниковых. Интересно, что эти периоды всякий раз наступали после того, как Земля покрывалась густыми лесами и на ней образовывались каменноугольные бассейны. Оледенение распространялось из полярных областей к югу и достигало умеренных широт Земли. Теоретические исследования показывают, что атмосфера сильно охлаждалась, когда пышно развивающийся растительный покров уменьшал содержание в ней углекислого газа. Расчеты подтверждают, что без углекислого газа температура воздушной оболочки Земли действительно должна была бы понизиться. Несмотря на то что эта теория встречает возражения, все же считается твердо установленным, что даже незначительные изменения химического состава атмосферы могли явиться причиной изменений теплового режима на Земле.

Другое объяснение причин возникновения ледниковых периодов основано на предположении об изменении радиационного режима вследствие некоторых особенностей вращения Земли вокруг своей оси. По астрономическим данным было рассчитано количество солнечной радиации, приходившей к земному шару в разные периоды его существования. Оказалось, что периоды наименьшего прихода радиации к различным районам Земли совпадали с наступлением здесь ледниковых периодов. Мы не будем вдаваться в рассмотрение вопроса, какая из двух теорий заслуживает большего доверия. Отметим лишь, что обе они говорят о возможном влиянии на климат нашей планеты и земных, и космических факторов.

Наряду с крупномасштабными и весьма длительными изменениями климата уже в историческое время возникали незначительные изменения в воздушном океане, которые можно характеризовать как малые колебания климата.

Так, например, период с 1600 по 1850 г., во время которого альпийские ледники спускались далеко в долины, можно считать малым ледниковым периодом. Но постепенно льды отступили в горы, и только груды щебня и камня (конечные морены), перенесенные ими в долины, свидетельствуют об этом холодном периоде.

Колебание климата мы наблюдаем и в Арктике в течение четырех последних десятилетий. Так, на Шпицбергене средняя зимняя температура воздуха за 26 лет (с 1912-13 до 1938-39 г.) повысилась на 10°. В южных районах Гренландии, где еще в 1931-32 г. существовали огромные ледяные пещеры, служившие приютом полярным исследователям, теперь раскинулись зеленые луга, на которых пасутся стада овец. Однако уже появляются признаки окончания потепления Арктики и начала похолодания. Именно поэтому приходится говорить не о коренных изменениях, а лишь о некоторых колебаниях климата.

Как же будет в дальнейшем изменяться запас энергии в земной атмосфере? Некоторые ученые считают, что Землю ожидает холодная смерть. Непрерывная потеря Солнцем части массы должна привести к увеличению расстояния между планетами и светилом.


Отклонение средней зимней температуры воздуха от многолетней средней в южных районах Гренландии.


Согласно этому предположению, Земля, удаляясь от Солнца, попадет на орбиту, по которой в настоящее время движется, окажем, Марс или Юпитер. Тогда поступление солнечной радиации на нее действительно резко уменьшится, а температура воздуха резко понизится и будет составлять —100°. Другие исследователи придерживаются мнения, что земная атмосфера действительно начнет выхолаживаться, но затем снова разогреется. Прежде чем в результате непрерывной утери массы светила сколько-нибудь существенно увеличится расстояние от Солнца до Земли, ядерные реакции на Солнце начнут ускоряться, и в конце концов на нем разгорится «атомный пожар». Атомный реактор, находящийся в центре Солнца, будет постепенно расширяться в направлении к внешней оболочке светила, пока не начнется лавинообразное превращение водорода в гелий. Интенсивность солнечного излучения при этом неимоверно возрастет, и на Земле произойдет опасное усиление круговорота энергии. Земля окажется опустошенной ураганами невиданной интенсивности до того, как все живое на ней будет сожжено.

Однако мы можем не опасаться ни холодной смерти Земли, ни атомного пожара на Солнце, ибо периоды, на протяжении которых развиваются геологические и астрономические процессы, чрезвычайно велики по сравнению с продолжительностью существования человечества.

От мифов о погоде к спутниковой метеорологии

С момента появления человек вынужден был бороться за свое существование и защищать себя от таких сил природы, как наводнения, раскаленные потоки вулканической лавы или разрушительные бури. Несколько столетий тому назад представления человека о воздушном океане были весьма несовершенны. Было лишь установлено, что воздух не имеет вкуса и запаха и его невозможно ни видеть, ни осязать. Лишь с того времени, когда для изучения атмосферы начали применять точные приборы, воздух, этот загадочный невидимка, стал предметом серьезных геофизических исследований. Определение понятия «атмосфера» вырабатывалось тысячелетиями, но и теперь сведения о размерах воздушного океана и о движениях в нем не являются достаточно полными. Вспомним хотя бы о запусках искусственных спутников Земли, которые дали нам некоторое представление о недавно еще совершенно неизвестных явлениях в атмосфере.

Сейчас можно понять исследователей прошедших столетий. Они не знали, что воздух — это вещество, поддающееся точным физическим измерениям. Около 2000 лет тому назад Аристотель в трехтомном труде по метеорологии дал правильное объяснение многих явлений, протекающих в атмосфере. Однако он еще не мог себе представить, что ветер является результатом движения воздуха, и страстно опровергал подобные утверждения некоторых своих сограждан.

500 лет тому назад никто не подозревал, что такие «небесные» явления, как дневной свет и облака, связаны с существованием воздушной оболочки, окружающей земной шар.[2]

В средние века воздух считался чем-то неосязаемым и его отождествляли с пустотой. Явления погоды считались результатом взаимодействия Земли с другими планетами. Поэтому понятно значение исследований Коперника, Галилея, Бруно и Кеплера, которые доказывали ошибочность господствовавшего в то время космогонического представления, согласно которому Земля якобы находится в центре Вселенной. Несмотря на то, что эта картина была заимствована у древних греков, с изобретением телескопа она не могла сохраниться. Теперь каждый мог убедиться в том, что планеты вращаются не вокруг Земли, а вокруг Солнца.

Рационалистическое мировоззрение и пытливый ум исследователей рассеивали мистический туман средневековых представлений. Новые открытия, связанные с природой космических явлений, помогали физике, химии, медицине и метеорологии одерживать победы над вздорными и суеверными представлениями средневековья. Во всех областях знания прежние догматические утверждения подвергались суровой проверке опытом, практикой. Правда, каждый исследователь в это время был предоставлен самому себе, а некоторые ученые подвергались насмешкам или вообще изгонялись из общества. Однако торговых людей и мореплавателей уже привлекают результаты физических опытов, вероятно, не столько из интереса к развитию чистой науки — математики, астрономии и т. п., сколько в расчете на то, что эти опыты со временем помогут созданию новых машин и приборов, очень полезных в практической деятельности. Ко времени Тридцатилетней войны в метеорологии уже были заложены необходимые основы для объективного научного исследования. Бургомистр города Магдебурга Отто фон Герике и итальянец Эванджелиста Торричелли независимо друг от друга убедительно доказали, что воздух имеет вес. Воздух был впервые взвешен, когда удалось создать вакуум. Это открытие было существенным, так как до сих пор философы утверждали, что пустого пространства быть не может — «природа боится пустоты». С помощью барометра Герике нашел вес воздуха, и тем самым бывший невидимка превратился в реальное физическое тело, которое можно было измерить.

Началось выяснение природы атмосферного давления. По инициативе Паскаля француз Перье проделал в 1648 г. свой знаменитый опыт с барометром. Он измерил давление у подножия и на вершине горы Пюи-де-Дом, имеющей высоту 1465 м, и подтвердил предположение Паскаля о том, что с увеличением высоты атмосферное давление уменьшается. Сразу же возник вопрос о высоте верхней границы воздушного океана. Ответить на этот вопрос в то время было еще невозможно, ибо не существовало ни воздушных шаров, ни искусственных спутников Земли, с помощью которых теперь изучаются верхние слои земной атмосферы. Поэтому представления разных ученых о высоте атмосферы мало согласовались между собой. Например, Кеплер, открывший законы движения планет, считал, что «атмосфера не может иметь столь большую высоту, чтобы покрывать все известные горные вершины. Горы Атлас, Олимп и горы Азорских островов возвышаются над верхней границей атмосферы». По мнению Кеплера, эта граница лежала на высоте не более 3000 м.

Лишь сравнительно немногие ученые были убеждены в правильности новых, т. е. физических, путей исследования атмосферы. Книги в то время писали на латинском языке, которого народ не знал. Этим отчасти можно объяснить, что широкие массы по-прежнему суеверно придерживались различных примет о погоде или доверяли вздорным книгам погоды, столетним календарям погоды и т. п.

Развивавшееся капиталистическое общество все более порывало с устаревшими представлениями, которые тормозили дальнейший его прогресс. Парусные корабли уже достигали вод Антарктики, да и сведения о климате других районов земного шара тоже приобретали все более важное значение. Стало невозможным ограничиться утверждениями древних греков, которые на основании чисто астрономических данных выделили на Земле три климатических пояса — тропический, умеренный и полярный, отделявшиеся друг от друга тропиками и полярными кругами. Исследование климата приобрело характер общественной задачи. В XVIII в. почти все государства организовали на своих территориях сеть метеорологических станций, на которых проводились не только визуальные наблюдения за элементами погоды, но и инструментальные измерения атмосферного давления и температуры воздуха. Так, например, Гёте, занимавший пост государственного министра, организовал в 1823 г. в Тюрингии большое число наблюдательных станций.[3]

Выдающийся ученый и путешественник Александр Гумбольдт построил первые в мире карты изотерм. На таких картах пункты с одинаковой температурой воздуха соединяются плавными линиями, называемыми изотермами. Проведение изолиний в то время было весьма затруднительным, так как сеть станций была очень редкой. Но это был первый шаг к познанию климатических особенностей на большой территории. На картах изотерм стало видно, как велики климатические различия между северным и южным полушариями и как сильно влияет распределение моря и суши на пространственное изменение температуры воздуха.

Еще одно крупное открытие помогло дальнейшему изучению воздушной оболочки Земли. В 1771 г. английский химик Дж. Пристли и шведский ученый Шееле независимо друг от друга обнаружили, что воздух на одну четверть состоит из газа, принимающего участие во всех процессах горения. Они назвали его огненным газом. Современное же его название — кислород — было введено в науку французским химиком Лавуазье. Однако в то время метеорология мало занималась химическими исследованиями атмосферы.

В XVIII в. не имелось возможности для изучения погоды, т. е. непрерывных изменений состояния воздушного океана. Для этого необходимо было получать результаты одновременных метеорологических наблюдений с достаточно обширной территории и не позднее чем через несколько часов. Такая возможность появилась лишь в середине XIX в., когда физики Гаусс и Вебер изобрели телеграфную связь[4]. С развитием телеграфа возник и новый раздел метеорологии — синоптическая метеорология. Термин «синоптический метод» означает метод одновременного обзора обширной территории. До введения этого метода погода для некоторого пункта прогнозировалась на основании наблюдений за ходом метеорологических явлений только в этом пункте. Подобным методом прогнозирования является, например, и народная примета: «Ясный закат — к хорошей погоде». Погода на следующий день определялась по виду вечернего неба. С появлением телеграфа метеоролог смог «видеть» распределение погодных явлений в пространстве и предсказывать, например, бури и грозы, которые в данном пункте в момент прогнозирования еще ни в чем не проявлялись.

Значительно изменились методы предсказания погоды лишь с 1851 г. На Всемирной выставке в Лондоне по телеграфу ежедневно получали сведения с 22 метеорологических станций и строили синоптические карты погоды. Так впервые оказалось возможным предсказывать движение воздушных масс на обширной территории.

Первые официальные службы погоды были созданы несколькими годами позднее. Поводом для этого послужило следующее событие. Во время Крымской войны, в 1854 г., англичане и французы, осаждая русский порт Севастополь, надеялись захватить город после обстрела. Однако внезапно началась буря, во время которой, между прочим, затонул французский военный корабль «Генрих IV». Французское военное министерство запросило директора парижской астрономической обсерватории Леверье, можно ли было заблаговременно предсказать приближение этой бури. Леверье проделал большую и кропотливую работу. Он сопоставил показания барометров в том месте, где произошла катастрофа, и в окружающих районах и пришел к заключению, что траектория бури могла быть предсказана заранее. Это открытие привело к зарождению службы погоды в Европе.

Дове, возглавлявший в то время германскую метеорологию, отвергал возможность предсказания погоды. Поэтому в Берлинском бюро погоды первые сводки погоды появились лишь в 1883 г. Конгресс США также медлил с организацией службы погоды, пока во время урагана в 1869 г. не погибло в районе Великих озер 2000 кораблей. Уже через год после катастрофы в США начала работать служба погоды.

Когда метеорологи поняли, что погода формируется не у земной поверхности, а в более высоких слоях атмосферы, началось интенсивное изучение всей толщи воздушного океана. В конце XIX и в начале XX в. началась организация высокогорных метеорологических обсерваторий. (Старейшая высокогорная обсерватория на горе Зоннблик уже через несколько лет будет располагать 100-летним рядом наблюдений.) Однако было установлено, что значения метеорологических элементов, измеренных на отдельных горных станциях, не характеризуют действительного состояния свободной атмосферы на той же высоте над равнинной местностью. Горный массив существенно искажает поле ветра и температуры, присущее свободной атмосфере.

На развитие метеорологии XX в. оказали влияние два выдающихся события: открытие стратосферы Р. Ассманом и Тейсеран де Бором в 1900 г. и организация сети аэрологических (радиозондовых) станций, начавшаяся с 1934 г.[5] Радиозонд представляет собой метеорологический прибор, поднимаемый на шаре на значительную высоту — часто до средней части стратосферы. Во время подъема радиозонд измеряет атмосферное давление, температуру и влажность воздуха. Три датчика, воспринимающие значения этих метеоэлементов, включены в цепь небольшого коротковолнового передатчика, который при подъеме излучает определенные радиосигналы. Если, например, температура воздуха изменяется с высотой, то меняется и характер радиосигналов. Регистратор, находящийся на земле, фиксирует сигналы, посылаемые радиозондом, и уже во время его подъема можно получать данные о физическом состоянии атмосферы.

Метеорологи еще 35 лет тому назад строили только приземные карты погоды, нанося на них значения метеорологических элементов в виде чисел или условных значков. А когда в результате международного сотрудничества в области радио- и телеграфной связи стали общедоступными также и данные измерений в высоких слоях атмосферы, повсеместно начали строить не только приземные, но и высотные карты погоды. В настоящее время наличие таких карт стало непременным условием хорошего прогноза погоды.

В период с 1934 по 1938 г. наряду с развитием сети аэрологических станций увеличивалось число наземных: метеорологических станций в тропических широтах и полярных районах.

В настоящее время на поверхности земного шара имеется около 11 000 метеорологических станций. Они располагаются на суше, на кораблях погоды и на дрейфующих льдинах. Кроме того, особые радиометстанции автоматически или по особому сигналу — запросу — передают в эфир сведения из труднодоступных районов. К современным средствам исследования атмосферы относятся также метеорологические ракеты. В СССР, США и Канаде ракеты дают службе погоды ценные сведения о физическом состоянии средней стратосферы.

Для составления прогнозов погоды все шире используются искусственные спутники Земли. Так, например, «Тайрос-II» с высоты примерно 1000 км обнаружил атмосферный вихрь над Индийским океаном. Телевизионные изображения этого вихря, переданные на Землю, позволили своевременно предупредить прибрежные станции о его приближении. Кораблями погоды этот вихрь не был обнаружен.

Постепенно становилась все более очевидной необходимость разработки единой международной программы метеорологических исследований на всей планете. Примером всемирного сотрудничества явилось проведение Международного полярного года в 1882–1883 и в 1932–1933 гг. Было решено, что такое мероприятие будет проводиться через каждые 50 лет. Однако позднее ученые договорились о том, чтобы уже через 25 лет после Второго международного полярного года начать новые и невиданные по размаху одновременные международные научные исследования планеты. Период проведения совместных исследований получил название Международного геофизического года (МГГ). Этот период продолжался с 1 июля 1957 г. по 31 декабря 1958 г.

В период Международного геофизического года, продолженного еще на один год и названного годом Международного геофизического сотрудничества (МГС), расширились представления в области метеорологии и была значительно развита прежняя классическая схема состояния и строения атмосферы. В частности, стало известно, что атмосфера — нечто большее, чем простая смесь кислорода, азота, инертных газов и водяного пара. В ней, кроме того, в изобилии встречаются различные атомы и атомные ядра, которые постоянно вторгаются в атмосферу из космоса, взаимодействуют с ней и либо достигают земной поверхности, либо снова возвращаются в космическое пространство. Если несколько десятилетий тому назад атмосферу считали резко отграниченной от космоса, то результаты ракетных измерений заставляют рассматривать ее скорее в качестве сложного связующего звена между твердой поверхностью земного шара и космическим пространством. Еще неизвестно, как далеко простирается атмосфера в космос. Однако бесспорно, что воздушная оболочка Земли проникает и в область солнечной материи, причем обе они непрерывно взаимодействуют между собой. Доказательством взаимодействия являются, например, тесная связь между солнечной активностью и полярными сияниями, колебания земного магнитного поля, имеющие характер магнитных возмущений и бурь, различные изменения в ионосфере и другие явления, происходящие в воздушном океане. Новейшие измерения вблизи верхней границы атмосферы показали, что, кроме солнечной радиации, в земную атмосферу проникает жесткое рентгеновское излучение и корпускулярный поток. Советские геофизики установили большую роль потоков энергии в атмосферных процессах. Благодаря успехам Советского-Союза в области исследований с помощью спутников скоро осуществится давняя мечта геофизиков и метеорологов о создании аппарата, непрерывно вращающегося вблизи верхней границы атмосферы и измеряющего энергетический баланс, а также баланс вещества. Не исключено, что и прогноз погоды будет строиться на совершенно новых основах.

Мы видим, таким образом, как одни научные открытия последовательно вытекают из других. Имевшиеся ранее данные об атмосфере помогли созданию искусственных спутников Земли и даже искусственных планет солнечной системы. Спутники же в свою очередь открывают для метеорологии новые возможности исследований, которые позволят получить новые сведения об атмосфере.

Воздух можно взвесить

Пожалуй, не существует такой квартиры, в которой не имелось бы комнатного барометра (анероида). Слегка постучав по стеклу прибора, следят за движением стрелки и определяют, возрастает или падает атмосферное давление.

Атмосферное давление и характер его изменения являются непременной основой прогноза погоды. Барометр измеряет давление столба атмосферы, имеющего основание 1 см2 и простирающегося от уровня установки барометра до верхней границы атмосферы. Это является для нас привычным. Но потребовался длинный ряд исследований, прежде чем стало понятно, что воздух имеет вес. Вернемся мысленно к тому времени, когда человек впервые заставил природу ответить на вопрос, можно ли рассматривать воздух в качестве некоторого физического тела.

Нашими знаниями о сущности атмосферного давления мы обязаны двум исследователям, которым удалось независимо друг от друга измерить это давление: итальянцу Эванджелиста Торричелли (1608–1647 гг.) и немцу Отто фон Герике (1602–1682 гг.).

Сейчас невозможно сказать, какие причины побудили Герике заняться поисками «пустоты», т. е. созданием сильно разреженного пространства. Своими опытами с воздушным насосом Герике установил, что «существует ничто, т. е. вакуум, из которого исходит какая-то мощная сила». Герике действительно удалось создать пустоту[6].

Однако его противники по-прежнему считали, что пустоты не существует.

Спор этот был разрешен с изобретением барометра. Герике пристроил к стене своего дома высокую трубу, нижний конец которой был погружен в сосуд с водой. Верхний ее конец находился на уровне второго этажа дома. К этому концу трубы Герике присоединил свой насос. После каждого движения поршня вода в трубе поднималась все выше. Следовательно, вместо вакуума в трубе оказался столб воды, который в конце концов поднялся до верхнего конца трубы. Это несколько смутило Герике. Почему не удалось создать вакуум? Может быть, труба была слишком короткой? Тогда Герике надставил трубу так, что длина ее достигла приблизительно 12 м — конец ее находился на уровне третьего этажа. Снова был пущен в ход насос, и опять вода в трубе начала подниматься. Но она достигла лишь некоторого уровня и выше не поднималась, несмотря на энергичную работу насоса. Герике нашел объяснение этому неожиданному явлению. Воду в трубу втягивает не какое-то таинственное вещество, а вес воздуха, который давит на жидкость в нижнем сосуде. Столб воды в трубе поднимается, пока его вес не уравновесит вес столба воздуха. Верхний конец столба воды располагался между третьим и четвертым этажом дома Герике. А над водой в трубе была пустота. Так было доказано, что не природа боится пустоты, а атмосферное давление является причиной того, что все «пустые» пространства заполняются воздухом.

Герике не только объяснил природу атмосферного давления, но также исследовал изменение его во времени. При приближении бури высота водяного столба в его барометре всегда была меньше, чем при хорошей погоде. Известно, что Герике заранее предсказал приближение сильной бури, которая нанесла Магдебургу значительный ущерб. В то время Герике узнал об опытах итальянца Торричелли, который создал вакуум с помощью трубки длиной всего 1 м, наполненной ртутью. Хотя Герике полагал, что его вакуум лучше, так как создан путем откачивания воздуха, все-таки впоследствии стандартным прибором для измерения атмосферного давления стал ртутный барометр Торричелли, в котором достигается гораздо более полный вакуум, чем в приборе Герике.

Заслуга Герике состоит в том, что он изобрел воздушный насос, сумел создать вакуум и впервые измерил атмосферное давление с помощью водяного барометра. Правда, пространство над водой в его барометре не являлось абсолютным вакуумом, оно заполнялось водяным паром. В зависимости от температуры окружающего воздуха давление водяного пара в трубке барометра становилось то больше, то меньше. Следовательно, высота столба воды в трубке не была однозначной мерой атмосферного давления. Кроме того, барометр, трубка которого имела высоту 12 м, был очень неудобен. Высота же ртутного столбика в барометре Торричелли была всего 80 см. Торричелли получил действительно идеальный вакуум, так как переворачивал трубку, запаянную с одного конца и заполненную ртутью, и погружал свободный ее конец в сосуд с ртутью.

На широкой сети современных метеорологических станций для измерения атмосферного давления используются ртутные барометры, действие которых основано на принципе, открытом Торричелли. Существует два типа ртутных барометров: чашечный и сифонный. Наиболее распространенным типом чашечного барометра является стандартный станционный метеорологический барометр[7]. Он состоит из железной чашки[8], трубки Торричелли, приспособления для отсчета и защитной латунной оправы. Когда атмосферное давление возрастает, часть ртути переходит из чашки в трубку и высота ртутного столбика в трубке увеличивается. Когда же давление падает, то часть ртути из трубки снова переливается в чашку. С помощью шкалы и нониуса высоту ртутного столба в трубке можно отсчитать с точностью до 0,1 мм, 0,1 мб, 0,1 торра или 1 н/м2 в единицах СИ.

Около 100 лет тому назад один из изобретателей спектрального анализа, Р. В. Бунзен, переконструировал трубку Торричелли. Он придал ей U-образный изгиб. Если такую трубку заполнить ртутью, а затем осторожно перевернуть, то ртуть из трубки не выльется. Как и в чашечном барометре, атмосферное давление будет уравновешиваться столбом ртути. Барометр Бунзена, который стал называться сифонным барометром, — очень точный измерительный прибор. Для определения атмосферного давления таким барометром должна быть измерена высота уровня ртути в обоих коленах барометрической трубки. Благодаря этому атмосферное давление может быть определено сифонным барометром с точностью уже не до 0,1 мм ртутного столба, как чашечным, а до 0,01 мм.

Однако высота ртутного столба в барометре не является однозначной мерой атмосферного давления, ибо она зависит еще от двух других физических величин: температуры и ускорения силы тяжести. Поясним это на примере. Если в некотором пункте атмосферное давление в какие-либо два различных момента одинаково, то высота ртутного столбика в барометре может не быть одинаковой, если в эти моменты неодинакова температура ртутного столбика в барометре. С увеличением температуры ртуть расширяется. Поэтому если при сделанных выше предположениях имеет место одинаковое атмосферное давление, то высота ртутного столбика будет больше в тот момент, когда температура выше. Точно так же на показание барометра влияет и сила тяжести. Примем теперь, что в двух пунктах, находящихся на различных широтах (например, на Северном полюсе и на экваторе), имеет место одинаковое атмосферное давление и одинаковая температура в помещении, где расположены барометры. Тогда показание барометра на Северном полюсе будет меньше, чем на экваторе, ибо более значительная сила тяжести имеет место на полюсе: ртуть здесь будет несколько более тяжелой. По международному соглашению в измеренную высоту ртутного столбика принято вводить поправки, которые делают эту высоту такой, какой она была бы при температуре 0° и при силе тяжести на широте 45°.

Показания барометров, исправленные этими поправками, можно сравнивать между собой на какой бы широте, высоте и при какой бы температуре они ни были отсчитаны. Давление ртутного столбика высотой 1 мм при температуре 0°, при такой силе тяжести, какая отмечается на широте 45°, и на уровне моря, в честь Торричелли названо торром. У земной поверхности атмосферное давление составляет в среднем около 760 торр. Это давление называют также физической атмосферой. Существует и другая единица давления — миллибар (мб), причем

760 торр =1013,22 мб,

1 торр = 1,33317 m6≈4∕3 мб,

1 m6≈3∕4 торр.

Каждый знает, что в сводках погоды сообщается атмосферное давление. Однако речь идет не о фактическом весе воздушного столба над пунктом, в котором измерено давление, а о так называемом приведенном давлении. Как это следует понимать?

Паскаль установил, что атмосферное давление убывает с увеличением высоты. Поэтому давление, измеренное, например, в Варнемюнде, Берлине и Веймаре, нельзя сравнивать, ибо перечисленные пункты лежат не на одинаковой высоте над уровнем моря. Если мы пренебрежем сравнительно небольшими колебаниями давления во времени в каждом из этих пунктов, то показание барометра в Варнемюнде всегда будет больше, чем в Берлине или Веймаре. Вследствие меньшей высоты Варнемюнде над уровнем моря столб воздуха над этим пунктом всегда выше, а потому и тяжелее, чем над Берлином. Если отсчитанные показания барометров будут использоваться для прогноза погоды, то может возникнуть ложное впечатление, будто над югом ГДР всегда располагается область пониженного давления, а над севером — область повышенного давления. Поэтому данные об атмосферном давлении можно использовать для прогноза погоды лишь в том случае, если их привести к одинаковой высоте, или к уровню моря, так как в качестве одинаковой высоты избран уровень моря (нормальный нуль).

Это приведение осуществляется довольно просто, так как известно, что в нижнем слое атмосферы увеличению высоты на 8 м соответствует уменьшение давления на 1 мб. Например, если барометр, установленный на высоте 104 м над уровнем моря, показал 1005 мб, то давление, приведенное к уровню моря, будет равняться


Зависимость высоты ртутного столба в барометре и температуры кипения воды от высоты над уровнем моря.


1005 + 104/8 = 1005 + 13 = 1018 мб.

Примерно через 200 лет после изобретения барометра был предложен иной принцип измерения атмосферного давления. Он основан на деформации упругой цилиндрической латунной коробки, из которой выкачан воздух. Такая коробка применяется в широко распространенных комнатных барометрах-анероидах. По имени изобретателя она получила название коробки Види. С изменением давления коробка деформируется, а стрелка, соединенная с коробкой системой рычагов, показывает на шкале величину давления.

К сожалению, укоренился старинный обычай снабжать шкалу давления в таких барометрах надписями: «буря и дождь», «устойчивая погода»[9]. Эти надписи создают впечатление, будто погода зависит только от атмосферного давления, что не соответствует действительности. Гораздо большее значение может иметь наблюдение за тенденцией давления, т. е. за тем, растет ли оно или падает.

Однако и при наличии таких данных еще невозможно точно указать, как будет развиваться погода в дальнейшем. Вполне может случиться, что при непрерывном росте давления будет лить дождь или, несмотря на падение давления, погода будет улучшаться. Атмосферное давление лишь в том случае приобретает основное значение при прогнозировании погоды, если сопоставляются данные, полученные на тысячах метеостанций земного шара. Лишь при сопоставлении выявятся обширные области повышенного и пониженного давления, по перемещению которых можно предсказать бурную или спокойную погоду. Постоянное сравнение значений атмосферного давления в разных пунктах земного шара является одной из основ современных методов предсказания погоды.

На дне воздушного океана

Атмосферу сравнивают с мощной машиной, к которой непрерывно подводится тепло и которая производит механическую работу. Тепловая машина атмосферы питается солнечной энергией, которая пронизывает мировое пространство и достигает нашей планеты. В результате работы этой машины в воздушном океане возникают изменения, которые мы и называем погодой. Когда сверкает молния или ураганы производят свои страшные опустошения, становится особенно очевидным, какой огромный обмен энергией происходит в атмосферной машине. Однако мы все же не всегда отдаем себе отчет в том, что «нагревателем» тепловой машины является земная поверхность. Именно здесь, на дне воздушного океана, энергия солнечных лучей превращается в тепло. Когда под воздействием лучистой энергии Солнца и излучения атмосферы земная поверхность нагревается, говорят о типе инсоляции. Ночью же, а в зимнее время и днем, Земля отдает тепло в мировое пространство в виде длинноволнового излучения. В этом случае говорят о наличии типа излучения[10]. Рассмотрим несколько подробнее явления, происходящие при типе инсоляции.


Инсоляционный тип теплового баланса.


Солнечные лучи приходят на земную поверхность, т. е. на оголенную почву, растительный покров, водную поверхность озер, морей и океанов, на тысячи городских крыш и т. д. Здесь они поглощаются и превращаются в тепло. Одна часть этого тепла проникает в глубь почвы, другая — расходуется на испарение воды с земной поверхности, а третья — на нагревание воздуха. Таким образом, при типе инсоляции земная поверхность действует подобно гигантской горячей плите, нагревающей слой атмосферы над ней. Естественно, что это нагревание оказывается наиболее сильным в непосредственной близости к земной поверхности, так же как и комнатный воздух сильнее нагревается вблизи печи. Следовательно, приземный слой атмосферы принимает наибольшее участие в изменениях температуры вблизи поверхности. Этот слой оказывается связующим звеном между земной поверхностью и всей толщей воздушного океана. Нагревание атмосферы при типе инсоляции происходит вследствие того, что наиболее нагретые порции воздуха отдельными струями покидают приземный слой и поднимаются в более высокие слои атмосферы. Во время подъема эти струи воздуха отдают свое тепло окружающему воздуху. С увеличением высоты их теплоотдача уменьшается.

Ночью же, т. е. при типе излучения, наоборот, от земной поверхности вверх распространяется охлаждение.

Таким образом, при ясной солнечной погоде температура воздуха в течение суток вблизи земной поверхности может изменяться более чем на 20°, тогда как на высоте 300 м, например на Эйфелевой башне, изменение не превышает 2–4°. Приземный слой атмосферы привлекает внимание не только потому, что в нем протекают интересные физические процессы, но также и потому, что различные биологические явления происходят почти исключительно в этом слое. Люди, животные и растения существуют именно в этом нижнем слое атмосферы. Поэтому его иногда называют также биосферой, или сферой жизни.

В солнечные дни, и особенно в безоблачные, нагревание приземного слоя атмосферы бывает значительным. В такие дни мы можем наблюдать чрезвычайно интересные оптические явления. Они возникают, когда друг над другом располагаются два (или более) слоя воздуха с различной температурой и между ними имеет место большой скачок плотности воздуха. Каждому известно явление миража над нагретыми шоссейными дорогами. Предметы, изображения которых возникают на расстоянии 200–500 м, кажутся искаженными до неузнаваемости, так как в неодинаково нагретых слоях атмосферы световые лучи различно преломляются. На дорогах в холмистой местности, где наблюдается наиболее сильный ветер, температурные контрасты между поверхностью дороги и воздухом выражены особенно резко. Дорога или шоссе при этом кажется гладкой как зеркало. В долинах между холмами перегретые слои воздуха толще, чем над холмами. Поэтому в долинах поверхность шоссе или дороги уже не такая гладкая, а деревья и автомобили кажутся погруженными в озеро. Часто наблюдаются курьезные миражи: автомашина без колес или человек в сидячем положении, как бы парящий в воздухе, тогда как лошадь или повозка невидимы.


Нижний мираж (мираж пустыни),XB — холодный воздух, ТВ — теплый воздух, ТП — теплая поверхность.


Подобные явления возможны, когда в атмосфере холодный слой воздуха располагается над нагретым. Мираж, возникающий в этом случае, называют миражом пустыни, или нижним миражом. Особенно часто такой мираж встречается в тропических и субтропических странах, где его называют фата-моргана, или барэль-шайтан (дьявольское озеро). В дневные часы над раскаленными песками горы кажутся перевернутыми вершиной вниз. Травы, растущие на земной поверхности, кажутся пальмами. Облик людей искажается, они превращаются в какие-то диковинные существа. Войска Наполеона встретились с такими миражами в Египте. Во время похода солдаты внезапно увидели, что их со всех сторон окружает вода. Куда бы они ни двигались среди раскаленных песков, ничего, кроме бесконечной водной поверхности, не было видно. Говорят, что солдаты ожидали конца света и были крайне изумлены, когда к вечеру эта мерцающая голубая гладь на их глазах начала расплываться и наконец совсем исчезла.


Верхний (полярный) мираж. ТВ — теплый воздух, XB — холодный воздух, ХП — холодная поверхность.


В тех областях земного шара, где преобладает излучение радиации и теплый воздух чаще располагается над более холодным, также наблюдаются миражи, называемые полярными, или верхними. Они сыграли особую роль в истории открытий Арктики. В 1818 г. английские исследователи Джеймс и Джон Росс вышли в море, чтобы открыть Северо-Западный проход, т. е. северный водный путь из Атлантического океана в Тихий вокруг Америки. Когда они достигли Баффиновой Земли, проход оказался закрытым горами. Дальнейшее продвижение к западу было бессмысленным. Они повернули назад и сообщили, что морского пути между океанами нет. Примерно через 100 лет американский адмирал Р. Пири пошел тем же путем и тоже увидел удивительную горную страну, которую он назвал Землей Крокера. Он хотел продолжать плавание, так как надеялся найти в этих горах залежи железа и золота. Однако льды преградили ему путь. Следующую экспедицию в этот район предпринял Д. Макмиллан. Чем ближе он подходил к этой своеобразной горной стране, тем дальше она от него отступала. Когда льды преградили путь кораблю, Макмиллан продолжил путешествие пешком. С наступлением вечера — он перестал верить своим глазам — горы уходили от него все дальше и дальше, а после захода солнца исчезли совсем. Горы, перед которыми отступили Росс и Пири, представляли собой всего лишь мираж, отражавший далекие горные хребты. Он был вызван воздействием на атмосферу сильно выхоложенных ледяных полей Арктического бассейна.

При всех типах миражей действительные размеры объектов всегда искажаются. Это объясняют непрерывным перемещением струй теплого и холодного воздуха в дневные часы. Ночью же, когда земная поверхность выхолаживается, охлаждение передается прилегающим к ней слоям атмосферы. Однако образование холодного слоя воздуха вблизи поверхности не протекает спокойно. В холмистой местности холодный воздух стекает с возвышенностей в долины, а на смену ему приходит теплый из более высоких слоев атмосферы. Опустившийся теплый воздух возле земной поверхности выхолаживается. Таким образом, не только днем, но и ночью вблизи поверхности движение воздуха способствует изменениям температуры.

В результате возникающих при этом колебаний плотности воздуха изменяется яркость и форма далеких источников света, появляется так называемое мерцание звезд.

Исследование мелких астрономических объектов и фотографирование неба с помощью гигантских телескопов становятся невозможными на дне воздушного океана. Чтобы избежать атмосферных помех, средние и крупные телескопы стали монтировать на высоких каменных или металлических цоколях, так как предполагалось, что на высоте 20–50 м над земной поверхностью помехи будут ослаблены. Однако эти меры принесли мало пользы. Наиболее благоприятным местом для наблюдений за звездами оказались высокие горные вершины. Но даже и там приземный слой атмосферы часто настолько возмущен, что невозможно получить достаточно четкие снимки астрономических объектов. Вот почему обсерватория на горе Китт-пик (штат Аризона, США) будет иметь 100-метровую башню, на верхней площадке которой и будут установлены астрономические приборы.

Формы ландшафтов земной поверхности весьма разнообразны. Чередование суши и моря, влажных джунглей и обширных пустынь способствует неодинаковому нагреванию деятельной поверхности в различных районах земного шара. В ясные дни поверхность песчаной пустыни нагревается до 60°, тогда как колебания температуры поверхности моря на той же широте составляют всего несколько градусов. В метеорологии говорят в таком случае о различном круговороте тепла или о разном тепловом балансе. Степень нагревания земной поверхности зависит прежде всего от того, сколько солнечной энергии расходуется на испарение воды с почвы и растительного покрова. Поверхность участков почвы, с которых происходит испарение, более прохладна. На увлажненных лугах, в лесах и на водоемах солнечная радиация расходуется главным образом на испарение воды. Эти участки земной поверхности по отношению к сухим песчаным участкам суши оказываются своеобразными холодильниками. ...



Все права на текст принадлежат автору: Фриц Пфейфер.
Это короткий фрагмент для ознакомления с книгой.
Погода интересует всехФриц Пфейфер