Глава 1

ПЯТЫЙ ОКЕАН ПЛАНЕТЫ

Мы живем на дне сказочно прекрасного океана. Он велик и безбрежен. Это — раскинувшаяся над нами воздушная оболочка планеты.

И вас мы приглашаем совершить увлекательное путешествие в этот удивительный мир. На каждом шагу мы будем ощущать и слышать его, но никогда не сможем увидеть, потому что это царство Великого Невидимого — мир земной атмосферы.

Земля, вращаясь вокруг Солнца, никогда не расстается со своей газовой оболочкой, потому что и на нее распространяются силы притяжения. А атмосфера, словно в благодарность Земле, защищает ее от чрезмерного перегрева и охлаждения и охраняет все живое от губительных космических лучей. Рассеивая солнечный свет, она помогает освещать те участки земной поверхности, на которые не попадают прямые солнечные лучи, делает плавным переход от дня к ночи. Одновременно она представляет собой огромный экран, где природой демонстрируются «волшебные» картины, служит средой для распространения звуков, движения облачных масс, полетов воздушных кораблей.

Что же представляет собой атмосфера?

Много веков и тысячелетий понадобилось человеку, чтобы познать некоторые тайны воздушного океана.

В течение длительного времени люди не знали, что дневной свет, облака, ураганы, грозы, полярные сияния, миражи и другие явления связаны с существованием атмосферы. Не представляя себе, что такое воздух, не зная его свойств, они считали «необыкновенные» и грозные явления, происходящие в атмосфере, проявлением сверхъестественных сил. В древних летописях есть немало примеров того, как необычные небесные явления принимались за «божьи знамения», предвещавшие людям гибель, войны, голод... До настоящего времени дошло немало историй прошлого, когда в тех или иных стихийных бедствиях обвиняли дьявола, чертей, ведьм и другую «нечистую силу».

Истина с трудом пробивала себе дорогу, преодолевая косность и невежество; много веков прошло, пока было доказано, что воздух — не «пустота», как думали многие, а физическое тело, обладающее массой, объемом, способностью сжиматься и расширяться, изменяя свою плотность.

Итальянский ученый Галилео Галилей (1564—1642) был первым, кто доказал, что воздух имеет массу. Он дважды взвесил одну и ту же бутыль — холодную и нагретую, и оказалось, что во второй раз она весила меньше. Сейчас мы знаем, почему так произошло: от нагревания объем воздуха стал больше и часть его улетучилась. А тогда это было одним из многих великих открытий, совершенных этим гениальным ученым.

Его ученику Э. Торричелли (1608—1647) мир обязан изобретением в 1643 г. барометра. Стеклянную трубку длиной около метра, запаянную с одного конца, он наполнил ртутью и, заткнув отверстие пальцем, опустил ее в вертикальном положении в сосуд с ртутью. Когда он открыл отверстие трубки, ртуть в ней понизилась, но остановилась на высоте 760 мм выше ее уровня в сосуде. Эта и была величина атмосферного давления. Воздух по всей толще атмосферы давит на земную поверхность с силой 1.033 кг на 1 см ².

Французский физик и математик Б. Паскаль (1623— 1662) вычислил общую массу воздушного океана, да так точно, что впоследствии были внесены лишь небольшие поправки. По новейшим данным, масса воздушного океана равна 5,15 квадрильона т. Трудно представить себе, как она велика: если сравнить массу атмосферы и массу Земли, то последняя только в миллион раз тяжелее.

Какую силу тяжести испытывает на себе каждый человек от воздушной пирамиды, которая ежесекундно, в течение всей жизни, давит на него? В среднем масса ее равна почти 15 т. Однако мы не чувствуем чудовищного груза, и он не сплющивает нас лишь потому, что внутри нас — в легких, крови, мышцах — находится воздух — значит, внешнее давление уравновешивается внутренним давлением воздуха.

Но стоит быстро подняться на высокую гору, и разность массы воздушных столбов у подножия горы и на ее вершине сразу дает о себе знать сильными болезненными ощущениями.

Изобретение приборов для измерения температуры, влажности и давления воздуха дало в руки ученых ключи к познанию многих загадок воздушного океана. Величайшие открытия в физике, химии, метеорологии и в других науках помогли преодолеть неправильные и суеверные представления о различных явлениях природы, господствовавших в прошлом.

Итак, наш пятый океан состоит из воздуха — бесцветного, прозрачного и невидимого. Он не только окутывает Землю, но и содержится буквально во всем, что нас окружает,— в воде, твердых и органических веществах, даже в незначительных трещинах и пустотах. Воздух нужен всем живым существам — людям, животным, растениям. Без воды и пищи человек может просуществовать в течение нескольких дней, а без воздуха — только несколько минут.

Из воздушного океана один человек за сутки «выпивает» около 11 тыс. л воздуха.

Что же это за магическое вещество, которое присутствует в воздухе и дает жизнь всему существующему на Земле?

На этот вопрос ученые долго искали ответ.

Шведский химик К. В. Шееле в 1770 г. открыл, что в составе воздуха присутствует газ, без которого не горит никакое вещество. Такое же открытие сделал и английский химик Дж. Пристли. Исследователи назвали его «огненным газом». Позднее французский химик А. Л. Лавуазье назвал этот газ кислородом. Знаменитые химики, открывшие «огненный газ», и не подозревали об его еще более удивительных свойствах — «гореть» внутри живых существ, быть для них подлинным элексиром жизни. И этот газ мы «пьем» из воздушного океана, вдыхая в легкие воздух. Он делает жизнетворной нашу кровь, питающую клетки и ткани организма.

Больше всего в воздухе азота — 78,1% от всего объема, кислород составляет 20,93%, и, наконец, аргон занимает совсем скромное место среди этой троицы — 0,93 %. В ничтожных количествах в воздухе присутствуют углекислый газ, водород, гелий, неон, криптон и другие газы. В атмосфере находятся многие механические примеси — пыль, микроорганизмы, жидкие и твердые частицы. Вода, испаряясь с поверхности океанов, морей, озер и рек, тоже поступает в воздух и присутствует в нем в виде бесцветного водяного пара. Метеорологи подсчитали: в атмосфере одновременно находится около 14 тыс. км³ влаги, испаряющейся с поверхности земного шара; 86% этого количества дает Мировой океан, остальное — суша.

Масса содержащейся в атмосфере влаги очень велика, примерно 14 000 млрд. т.

Водяные пары — временные гости атмосферы. Путешествуя с ветрами, они охлаждаются и выпадают на землю в виде дождя, снега, росы, инея, града. В среднем за 9 дней происходит полное их обновление в атмосфере.

Значит, в течение года в атмосфере побывает в среднем 577 трлн. т воды. Поистине титаническую работу производят воздушные потоки — ветры, разнося по миру столь огромные грузы.

Состав трех основных газов в атмосфере неизменен, а примеси в ней случайные, количество их все время меняется. Например, происходит извержение вулкана, из земных недр в атмосферу выбрасывается огромное количество пепла, и долго потом он в виде мельчайших пылинок держится в воздухе, пока ветры не разнесут его далеко от места извержения.

Как же высоко от поверхности Земли распространяется воздух? Каковы его свойства на высоте?

Арабский ученый-физик Альгазен, живший в XI в., высказал предположение, что атмосфера распространяется на 52 тыс. шагов от поверхности Земли.

Шесть веков спустя Э. Торричелли сделал попытку подсчитать высоту атмосферного столба; по его расчетам, она оказалась равной 50 милям (80 км).

Ученые понимали, что несовершенные расчеты и умозрительные заключения могут таить в себе ошибки. Нужны были более точные доказательства.

Люди взбирались на высокие горы, запускали в небо воздушные змеи, поднимались на воздушных шарах. Однако все это было в пределах 8—12 км от поверхности Земли.

Потом этот «потолок» повысили управляемые воздушные корабли — дирижабли и самолеты, а после изобретения шаров-пилотов и радиозондов изучение атмосферы быстро продвинулось вперед.

Радиозонд впервые в мире был запущен в 1930 г. недалеко от Ленинграда. Резиновый шар, наполненный водородом, поднял специальный прибор вверх до высоты 40 км. Поднимаясь вверх, он передал условные радиосигналы, характеризующие температуру, давление и влажность воздуха на разных высотах.

Новые сведения о строении атмосферы получены в последние десятилетия, когда в воздушный океан стали запускать метеорологические ракеты и спутники. Они достигают верхних слоев атмосферы и языком цифр, условных сигналов и кодов рассказывают о температуре, давлении, плотности и влажности воздуха, о том, сколько тепла излучает Солнце, как изменяются магнитное и электрическое поля Земли, и др.

Сегодня раскрыты уже многие тайны атмосферы. По новейшим данным, верхняя граница ее находится на высоте более 2 тыс. км от поверхности Земли, а выше простирается межпланетное пространство. По мере удаления от Земли значительно меняются температура, давление и плотность воздуха. Так было выяснено, что атмосфера состоит из пяти основных слоев.

Нижний — самый плотный, теплый и жизненно важный для животного и растительного мира слой — называют тропосферой. В нем находится почти вся влага. Здесь формируются и движутся облака, посылающие на Землю дождь, снег, град, бушуют грозы, ураганы, бури, метели, возникают удивительные оптические явления — миражи, гало, радуга. Высота тропосферы над полюсами самая небольшая — 8—10 м, над тропиками — 16—18 км. По мере подъема от поверхности Земли становится все холоднее: температура понижается в среднем на 0,6° на каждые 100 м.

Над тропосферой, до высоты почти 55 км от Земли, располагается стратосфера — слой разреженного воздуха, температура которого достигает — 50—60°С.

Выше находится мезосфера (55—80 км); здесь значительно теплее: температура воздуха +20°С. У верхней границы мезосферы, где снова становится холодно, можно наблюдать серебристые облака.

Над мезосферой, примерно до высоты 1000 км, расположена термосфера, или ионосфера, с очень разреженным и сильно наэлектризованным воздухом. В нижней половине этого слоя наблюдаются полярные сияния.

Самый верхний слой атмосферы называют экзосферой или сферой рассеивания. Разряжение воздуха здесь очень велико. Атомы воздуха движутся в разных направлениях и с очень большой скоростью. Часть из них улетучивается в межпланетное пространство. Экзосфера еще мало изучена.

Мир Великого Невидимого никогда не знает покоя. Если посмотреть на него со спутников Земли, то можно увидеть, как в этом беспокойном мире зарождаются, перемещаются и затухают, чтобы появиться вновь, гигантские, глобальные вихри и множество порождаемых ими завихрений и воздушных течений.

На первый взгляд, движения воздуха кажутся хаотическими. Но, изучая перемещение воздушных масс, ученые установили, что они подчиняются определенным закономерностям.

В основе причин, заставляющих воздух перемещаться, лежит разность температур и атмосферного давления. Больше всего солнечного тепла получают тропические области, хорошо обогреваются зоны субтропиков, а совсем слабо — полярные районы. В зависимости от того, над каким участком Земли находится воздух, он нагревается или охлаждается.

Нагретый воздух расширяется, становится менее плотным и поднимается вверх, а его место занимают менее теплые массы воздуха, притекающие со стороны. Этот процесс наблюдается повсюду, охватывает всю атмосферу.

В области тропиков с поверхности океанов и морей испаряется огромное количество воды. Отсюда поднимаются вверх массы теплого воздуха и уходят прочь, унося тепло и водяные пары; они образуют постоянные воздушные течения — антипассаты. На смену ушедшему воздуху из субтропических широт текут постоянные воздушные потоки — пассаты. Так и получается четко выраженное двухслойное течение: внизу пассаты, стремящиеся к экватору, а над ними в противоположном направлении, на высоте 4—15 км, двигаются антипассаты. Под влиянием вращения Земли оба гигантских воздушных потока отклоняются: пассаты в северном полушарии приобретают северо-восточное направление, а в южном полушарии — юго-восточное. Антипассаты дуют соответственно с юго-запада и северо-запада.

Удалившись в обе стороны от экватора на значительное расстояние, потеряв по пути тепло и потому став более плотными и тяжелыми, антипассаты начинают снижаться в области субтропиков. Здесь они образуют область высокого атмосферного давления.

Часть опустившегося воздуха вовлекается в систему пассатов и направляется к экватору, замыкая кольцо воздушных течений — их круговорот между экваториальной и субтропической зонами. Другая часть направляется в сторону полюса, давая начало западным ветрам умеренных широт; навстречу им из полярных областей двигаются холодные уплотненные массы воздуха. Они преодолевают сопротивление встречных более теплых масс и, прорвавшись в умеренные широты, приносят туда холодную погоду. В районе взаимодействия холодных и теплых воздушных масс возникают бурные процессы, порождающие целые системы гигантских и малых вихрей планеты.

Перемещение воздуха вдоль земной поверхности, происходящее из-за разности атмосферного давления, называют ветром. Кроме пассатов и антипассатов, действуют сезонные ветры муссоны (по-арабски «муссон» означает «сезонный»), возникающие от неравномерного нагревания воздуха над сушей и океаном. Летом муссоны дуют с моря на сушу, зимой — в обратном направлении.

У муссонов есть младшие «братья» — бризы — местные ветры, дующие на короткие расстояния и живущие менее суток. Они зарождаются на берегах морей, озер и некоторых больших рек. Днем суша нагревается сильнее, чем море, поэтому нагретый легкий воздух поднимается, а на смену ему притекает прохладный морской. Ночью суша охлаждается и направление воздушных потоков меняется на противоположное.

Действие ветра можно сравнить с рекой. Она течет из более высоких мест в низкие — из гор на равнину. Подобно реке воздух течет из районов с высоким атмосферным давлением туда, где оно ниже. И чем значительнее разность давления, тем большей скоростью обладает ветер.

Скорость — наиболее важная характеристика ветра. Обычно мы говорим: «слабый, сильный, очень сильный ветер». Когда эти определения не подходят, часто употребляем слова «ураган», «буря», а в других странах и иные термины — «багио», «вилли-вилли», т. е. очень сильный, ураганный ветер.

Но что такое «ураганный», или «очень сильный» ветер? Можно ли его охарактеризовать на языке цифр? И можно ли вообще как-то измерить силу ветра?

Оказывается, есть способы, при помощи которых ветру дается довольно строгая оценка.

Чтобы измерить скорость ветра, пользуются анемометрами. На вертикальную ось анемометра вверху крепят лопасти-пропеллеры в виде полушарий; нижнюю часть оси соединяют со счетным механизмом. Ветер приводит в движение лопасти, а счетчик фиксирует обороты; в зависимости от их числа и определяют скорость ветра, обычно выражаемую в метрах за одну секунду. Зная эту величину, обращаются к шкале Бофорта и по ней оценивают ветер любой силы в зависимости от скорости и того воздействия, которое он оказывает на окружающие предметы, растения и др. Эта шкала проста и удобна, ею широко пользуются во всем мире.

Шкала Бофорта

Итак, мы рассказали о том, что такое ветер и как оценивать его силу. Но метеорологам этого мало. Их интересует, где находятся области высокого и низкого давления, каковы температура и влажность воздуха, есть ли на небе облака и какие, идет ли дождь или снег. Все эти метеорологические элементы в совокупности определяют погоду, т. е. состояние нижнего слоя атмосферы в том или ином районе и в определенный момент времени.

Мы хорошо знаем, как непостоянна погода. Сегодня тепло и солнечно, а завтра может похолодать и пойти дождь или разразиться гроза.

Человек всегда находился в зависимости от погоды, особенно в те далекие времена, когда занимался охотой, примитивным земледелием и скотоводством. От погоды зависели условия его существования. Не зная причин тех или иных явлений, люди обожествляли силы природы. Во время засухи в царской России устраивались молебны. Толпы народа выходили на поле, несли иконы, хоругви; совершалось богослужение, священник кропил поля, испрашивая «божьей благодати» — дождя на иссохшие нивы. У народов Австралии, например, и до сих пор существуют колдуны, будто бы обладающие секретами вызывать дожди.

Наблюдения за погодой ведутся с давних пор. У всех народов существуют приметы плохой и хорошей погоды.

Это Тлалок — бог дождя у древних народов Мексики. Облик бога символизирует животворный союз земледелия и плодородия почв.

Воробьи купаются в пыли, собака катается по земле, пчелы забиваются в ульи и гудят, ласточки летают у самой земли — жди ненастья. Если дым поднимается вверх столбом, петухи поют до полуночи, а ласточки совершают полет высоко — погода будет хорошая. Невозможно перечислить все народные приметы. Важность наблюдений за погодой нашла отражение даже в русской поэзии; помните, как говорится об этом в стихотворении А. С. Пушкина «Приметы»?

Записи о погоде в России вели стрельцы, охранявшие Московский Кремль. До нашего времени дошли отрывки таких записей, сделанных во второй половине XVII в. Вот пример: «1657 года, января 30. День до обеда холоден, а после обеда оттепелен, а в ночи было ветрено». А вот летняя запись: «1666 года, июля 9, понедельник. С утра была мгла великая, а в полдни дождь небольшой».

Науку об атмосфере называют метеорологией. Она начала развиваться в России после того, как в 1725 г. в Петербурге Академией наук были организованы наблюдения за погодой.

Очень многое для развития знаний об атмосфере сделал М. В. Ломоносов. Он занимался конструированием метеорологических приборов, написал несколько работ по метеорологии и геофизике.

Жизнь настойчиво выдвигала требования, чтобы люди не только знали, почему происходят те или иные изменения погоды, но и умели бы их предвидеть.

Ливни, размывающие дороги, порождающие и углубляющие овраги, катастрофические наводнения, ураганы и другие бедствия заставляли ученых более глубоко вникать в природные процессы.

Но для того чтобы изучить какие-нибудь явления, нужно вести за ними длительные наблюдения, причем не в одном, а во многих пунктах, расположенных в разных районах. Для этого во многих странах мира, в том числе и в России, создавались метеорологические станции. Своеобразным толчком к развитию метеорологических наблюдений в международном масштабе послужило следующее.

В середине прошлого века Россия вела трудную Крымскую войну с Турцией, Англией и Францией, стремившимися подорвать ее влияние на юге и не дать выхода в Средиземное море.

Осенью 1854 г. союзники решили взять штурмом Севастополь. Объединенный англо-французский флот вошел в Черное море и высадил на побережье десант. 13 ноября вечером поднялся сильный ветер, перешедший в ураган. За три штормовых дня было уничтожено 59 кораблей противника, разметаны палатки и склады с имуществом и продовольствием. Этот ураган вошел в историю над названием «Балаклавская буря».

Французский ученый Леверье заинтересовался вопросом о причинах возникновения бури. Он собрал сведения о состоянии погоды в дни, предшествовавшие катастрофе, и установил, что ураган зародился у берегов Великобритании, пересек Средиземное море и вышел к Крыму. Ему сопутствовали грозы и ливни.

И тогда Леверье осенила догадка: если наблюдать за бурей, знать направление и скорость ее передвижения, то можно предупредить грядущую катастрофу. После его исследований общественное мнение склонилось к тому, что возникла необходимость организации службы погоды международного значения. Вскоре она была создана в некоторых странах, в том числе в России. Состояние погоды и наблюдения за циклонами и бурями стали передаваться по телеграфу, а позднее и по радио.

23 октября 1874 г. в порты Балтийского моря полетело первое телеграфное предупреждение о надвигающемся шторме. Ночью 24 октября над Балтийским морем и Финским заливом разбушевались ураганные ветры. Их ждали, поэтому суда заранее ушли в укрытые места; ущерба почти не было.

Названная дата — день рождения штормовой службы в России, значение которой быстро росло. Совершенствовались методы предсказания, увеличивалось число потребителей. Предсказания опасных явлений нужны были всем — морякам, рыбакам, авиаторам, железнодорожникам.

Типовая метеорологическая станция. Здесь изучают элементы природы. Такие станции разбросаны по территории всего земного шара: они есть в тайге и тундре, в городах и пустынях, среди морских просторов... На участке школьной метеостанции.

Надежные предсказания (их называют прогнозами) составить не просто. Для этого необходима подробная информация о состоянии погоды в разных частях страны и за рубежом. Эту работу выполняют метеорологические станции, где приборы регистрируют температуру и влажность воздуха, атмосферное давление, направление и скорость ветра, осадки, облачность и многое другое.

Метеорологические станции устраивают в разных частях страны так, чтобы своими наблюдениями они могли характеризовать погоду различных районов. Поэтому их можно встретить всюду — в обжитых и безлюдных местах, в городах и пустынях, в горах и на равнине, в тайге и тундре, на островах, среди океанских просторов, даже на дрейфующих льдинах. Там, где условия для жизни наблюдателей очень тяжелы, действуют автоматические установки: они сами наблюдают и передают по радио необходимые cведения.

В нашей стране насчитывается более 10 тыс. пунктов, где ведутся систематические наблюдения за погодой. В определенный час, днем или ночью и независимо от того, какая погода — идет дождь или ясно, бушует метель или разыгралась гроза, наблюдатель выходит на площадку, чтобы записать в книгу показания приборов.

Научно-исследовательское судно «Космонавт Владимир Комаров» исследует верхние слои атмосферы, взаимодействие океана и воздушной оболочки, распространение радиоволн и их зависимость от состояния космического пространства.

Результаты наблюдений поступают в центры или управления Гидрометслужбы, а оттуда передаются в Москву, в Гидрометеорологический центр СССР. Через 2—3 часа здесь скапливается информация со всего северного полушария.

Полученные данные наносят на карты. У каждого пункта, где находится метеостанция, приславшая телеграмму, условными знаками изображают состояние погоды на час наблюдений. Если, например, кружок зачернен и рядом стоит двоеточие, значит, здесь небо было полностью закрыто облаками и шел дождь. Цифра у пункта — температура воздуха. Стрелка, введенная в кружок и ориентированная относительно стран света, показывает, откуда дует ветер, а ее оперение — силу ветра в баллах по шкале Бофорта; например, стрелка с длинным пером на конце означает, что сила ветра равна 2 баллам, с коротким пером — 1 балл. Снег изображают звездочкой, туман — тремя горизонтальными черточками, грозу — зигзагообразной линией со стрелкой на конце. Другими условными значками обозначают гололедицу, иней, метель, морось и иные явления. Так принято записывать погоду во всем мире.

Корабль оснащен электронно-вычислительной аппаратурой.

Есть еще на картах плавные линии, идущие по всему полю или образующие системы замкнутых колец или овалов, в средней части которых стоят большие буквы «В» и «Н». Эти линии называют изобарами; они соединяют точки с одинаковым атмосферным давлением и в общей сложности изображают картину барического «рельефа» местности. «В» означает область высокого атмосферного давления, это — воздушная «гора». Посмотрев на карту, вы увидите, что стрелки, обозначающие ветер, стремятся как бы уйти прочь от этой «горы», разбежаться в разные стороны. Так оно и есть на самом деле: ветры дуют из области повышенного давления к периферии. «Н» на карте обозначает область низкого давления, куда устремляются со всех сторон ветры.

Такие карты называют синоптическими (греч. «синоптикус» — обозревающий все вместе). Они испещрены знаками и пересечены изобарами и линиями, разделяющими атмосферные фронты, где происходят столкновения холодных и теплых воздушных масс, порождающие большие и малые вихри планеты.

Готовые карты поступают в Бюро погоды, где составляют прогнозы погоды. Здесь работают синоптики. Синоптические карты для них — открытая книга. Внимательно изучая их, синоптики следят за взаимодействием и перемещением воздушных масс, проводят линии раздела между воздушными фронтами, определяют погоду в разных частях страны. Анализируя данные, специалисты устанавливают направление и скорости передвижения циклонов и антициклонов. Все, вместе взятое, позволяет им составлять прогнозы погоды.

Прогнозирование погоды и особенно опасных явлений природы имеет большое жизненное значение: вовремя дать предупреждение о том, где и когда может разразиться ливень, произойти наводнение, обрушиться свирепый ураган, разыграться снежная буря, внезапно ударить мороз. Получив такой сигнал, принимают меры, чтобы спасти посевы, скот, сады, сохранить человеческие жизни.

И когда вы слышите по радио: «Передаем сводку погоды... По сообщению Гидрометцентра...» — знайте, то, о чем вы услышите, основано на труде сотен и тысяч людей, несущих круглосуточную вахту во многих местах нашей Родины и всего мира.

Большой вклад в это нужное дело вносят школьники, особенно в нашей стране. При многих школах имеются метеорологические площадки, где учащиеся ведут наблюдения за погодой и передают сводки в районные метеостанции.

Мы рассказали об атмосфере, ее общей циркуляции, о тех процессах и изменениях, которые происходят в нижней части воздушной оболочки, о том, как человек, вторгаясь в тайны природы, познает их причины и закономерности.

Далее мы познакомим вас с разнообразными большими и малыми вихрями и ветрами планеты, играющими важную роль в хозяйственной деятельности человека.