Повітряний океан атмосфери Землі та її особливості
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Земля з усіх боків оповита невидимим покривалом атмосфери, що захищає, її і в той же час, в результаті тиску газів і парів, безперервно змінює будову земної кори. Лише це повітряне покривало з його сезонними течіями і складними щоденними рухами відділяє нас від космічного простору, в якому спостерігаються такі ж різкі зміни температури, як і на поверхні Місяця. Повітря діє як величезний передавач енергії і за допомогою океанів – колосального резервуара тепла – пом’якшує клімати на земній кулі. Якби не це атмосферне покривало, температура вночі падала б до температури рідкого повітря, а вдень піднімалася до пекучої жари в 110°. У таких умовах життя було б неможливе.
Однак одного повітря недостатньо, щоб зробити нашу планету придатною для життя. Складні повітряні потоки, що огортають всю земну кулю мають істотне значення для розподілу тепла і вологи по поверхні Землі. Без такого переміщення величезних мас повітря земна поверхня була б розділена на різко відмінні між собою зони. Суша складалася б з безплідних, скелястих континентів, спалених палючими сонячними променями, тому що не було б ні хмар, ні дощу, ні річок, які могли б розм’якшити тверді породи високих первозданних гір; не було б ні нанесених грунтів в долинах, ні родючих рівнин, покритих буйною рослинністю.
Лише на вузькій прибережній кромці морська волога змогла б вступити в боротьбу з нічим не ослабленими сліпучими променями Сонця. Опаленні Сонцем пустелі простягалися б по обидва боки екватора, а навколо полюсів розкинулися б тундри, замерзлі і позбавлені рослинності. Айсберги запливали б з холодних полярних морів набагато ближче до екватора, ніж це трапляється тепер, і Земля була б примарою, мало схожою на нашу зелену і ошатну планету.
Циркуляція повітря запобігає подібному катаклізму, покращуючи умови на земній поверхні. Енергія повітря, що переміщається над поверхнею нашої планети, в будь-який момент еквівалентна енергії семи мільйонів атомних бомб. Однак більш однієї десятої частини цієї енергії щодня губиться в результаті тертя між повітрям і поверхнею Землі. Кожна стеблинка трави, що тягнеться вгору і найдрібніші брижі на воді беруть свою частку цієї енергії, яка безперервно поповнюється за рахунок сонячної радіації.
Стрімкий ураган
Без безперервної компенсації енергії, що втрачається в результаті тертя, населення великих міст протягом тижня задихнулося б під нерухомою хмарою диму і випарів, хоча на кожного жителя нашої планети припадає два мільйони тонн вільного повітря.
З іншого боку, якби не тертя між повітрям і земною поверхнею, вітер нісся б все швидше, поки не перетворився б на ураган, який мчить навколо Землі зі швидкістю тисячі миль на годину.
Тільки самі нижні шари величезних рухомих мас повітря приходять в зіткнення з рельєфом земної поверхні. Під дією географічних чинників вони створюють метеорологічні явища, які ми називаємо погодою. А високо над ними, химерно переплітаючись між собою, проносяться невидимі повітряні потоки і спадають повітряні Ніагари. До останнього часу лише деякі вчені висловлювали припущення про наявність у верхніх шарах атмосфери таких гігантських повітряних течій.
І навіть фантастична сила і швидкість цих струменевих потоків лише частково характеризують всю складність течій у верхніх шарах атмосфери. Протягом двох століть метеорологи, намагаючись передбачити погоду, користувалися науковими дослідженнями атмосфери поблизу поверхні Землі; проте все це було трохи краще старих народних прикмет, що передавалися з покоління в покоління.
Де ж робиться погода
І ось півтора століття тому вчені, прагнучи знайти закономірність у здавалося б випадкових змінах погоди, перейшли від наземних спостережень до вивчення верхніх шарів атмосфери, зрозумівши, що справжні причини цього явища треба шукати там. Це поклало початок серйозному підходу до складання прогнозів погоди. Приблизно до середини XIX століття метеорологи досить добре розбиралися в сутичці грізних сил, що розігруються на поверхні Землі, які за кілька годин могли перетворити спокій літнього дня у вихор руйнівного шторму. Але недосконалість метеорологічних інструментів того часу не давала можливості досліджувати верхні шари атмосфери. Ще раніше було відомо, що рух повітряних мас під час штормів супроводжується змінами тиску; при цьому має місце певна циркуляція повітря.
Але в той же час залишалася неясною та закономірність, якій підпорядковуються ці пов’язані між собою явища. Іноді протягом декількох днів не відбувалося ніяких змін, іноді чергування явищ відбувалося у зворотному порядку. Так як розміри кожної обертової повітряної маси – циклону або антициклону – можуть в поперечнику складати тисячу і більше кілометрів, то за добу вперед неможливо визначити точне місце розташування рухомого шторму. Ця проблема не вирішена повністю і понині; тому, як з власного гіркого досвіду знає кожен з нас, прогнози погоди часто виявляються неправильними.
На перший погляд може здаватися, що рухомі циклони й антициклони, які слідують через обидві півкулі, являють собою всього лише слабкі місцеві обурення в порівнянні з великими атмосферними потоками, існування яких ми повинні допустити, якщо хочемо пояснити колосальне за обсягом і безперервне переміщення тепла з тропіків в більш високі широти. У смузі між екватором і 38-й паралеллю Земля отримує від Сонця тепла більше, ніж випромінює і відображає в простір; в смузі ж між 38-ю паралеллю і полюсами загальна втрата тепла більше, ніж його отримання.
Деяка кількість тепла переноситься від екватора до полюсів теплими океанськими течіями, але це тепло – його можна точно виміряти – складає лише невелику частку загального переміщення енергії. Сучасні теорії припускають, що суттєву роль у регулюванні атмосферної циркуляції грають циклони й антициклони, хоча маси повітря, що захоплюються ними, незначні в порівнянні з земною поверхнею; вони є як би акумуляторами енергії для основних атмосферних течій.
Головні системи вітрів утворюються під дією двох основних чинників – сонячного тепла і обертання Землі. Якби не було обертання Землі, то існувала б лише одна система вітрів – тепле повітря піднімалося б над екватором і поширювалося високо над Землею, перш ніж охолодитися і опуститися в полярних областях.
Навіть до початку 30-х років минулого століття природа загальної циркуляції повітря не була ще цілком вивчена, хоча раніше і висувалося припущення про те, що істотною рисою цього процесу є рух від полюсів великих мас холодного повітря, несучих полярний режим температур в області з більш помірним кліматом.
Зростаюче застосування авіації стимулювало розвиток метеорології не тільки тому, що авіація потребує точних прогнозів погоди на трасах повітряних ліній, але й тому, що вона дає можливість досліджувати фізичні зміни, що відбуваються у верхніх шарах атмосфери. Минуло небагато часу, і в наукових дослідженнях літаки були замінені радіозондами – мініатюрними метеорологічними станціями, які піднімаються за допомогою повітряних куль і повідомляють на землю по радіо дані про температуру, тиск і вологість навколишнього повітря. Їхній рух, раніше фіксувався візуально, а тепер за допомогою радара, дозволяє вимірювати швидкості вітру на різних висотах.
Але тут-то і починаються неприємності. Так звана «класична» теорія атмосферної циркуляції дає просту, але наочну картину повітряних потоків: повітря нагрівається над екватором і піднімається на багато кілометрів вгору; в той же час холодне щільне повітря над полюсами опускається вниз і розтікається по поверхні Землі у зворотному напрямку. Різниця тисків підтримує високе, повільно рухоме від екватора до полюсів повітряне покривало. Внаслідок обертання Землі на цей незмінний кругообіг накладаються західні і східні вітри. На жаль, ця струнка картина зовсім не збігається з результатами нових спостережень у верхніх шарах атмосфери.
Чим більше накопичувалося даних, тим більше безладною представлялася верхня атмосфера. Здавалося, там панував хаос висхідних і низхідних потоків, горизонтальних струменевих течій, західних і східних вітрів і кожен з них слідував за своїм власним шляхом.
Використання висотних метеорологічних ракет і все більший інтерес до «нічийних» областей, лежачих між поверхнею Землі і міжпланетним простором, привели до величезного збільшення кількості наукових досліджень. Мало-помалу почала виявлятися картина течій у верхніх шарах атмосфери.
Атмосфера ділиться не на дві ділянки, відповідні півкулям, а на три. У північній півкулі холодне сухе повітря опускається зі стратосфери над полюсом і поширюється на південь. Обертання Землі повертає його на схід, далі він утворює чотири або п’ять холодних потоків, які проносяться над Північною Америкою, Азією і Європою. Оскільки маса повітря обертається разом із Землею по відношенню до зірок зі швидкістю один оборот в 24 години, це обертання повинно проявлятися в міру руху повітря на південь, причому тим більшою мірою, чим південніше ми знаходимося. Окремі потоки холодного полярного повітря можуть проникати на південь приблизно до широти 30°.
У полярному повітрі відбувається власне внутрішнє обертання, і, якщо таке повітря проникне в район, досить близький до екватора, він може відірватися і утворити холодну масу, обертову окремо в навколишньому океані теплого повітря. Подібним же чином тепле вологе повітря піднімається з тропіків і потім опускається в районі 30 ° широти. Тут також можуть утворитися обертові маси теплого повітря, що рухаються в більш холодні північні області, причому обертання їх поступово припиняється.
В обох цих системах вкраплень – теплого повітря в більшій масі холодного, і навпаки – відбувається перехід потенційної енергії в енергію руху, оскільки кожне обертове утворення поступово втрачає свої характерні властивості.
Маси холодного повітря – це циклони; обертові маси теплого повітря – антициклони. У кожному з них тепло перетворюється в кінетичну енергію вітрів. Місцю з високим тиском, наприклад, центру антициклону, відповідає повітряний пагорб, який простягається в міжпланетний простір далеко за межі земної атмосфери; району з низьким тиском відповідає западина. Обертання виробляє серію повітряних хвиль, що біжать навколо Землі і зрошують життєдайним дощем центральні райони континентів. Окремі потоки холодного і теплого повітря утворюють хвилеподібну конфігурацію на середніх широтах. Можна передбачити положення і рух цих хвиль і таким чином вказати в загальних рисах тенденцію передбачуваних змін погоди на всій земній кулі.
Цей метод, однак, не може бути використаний при складанні місцевих прогнозів, коли доводиться враховувати фактори, що діють на поверхні Землі. У північній півкулі горизонтальна циркуляція в шарі повітря, що знаходиться в безпосередній близькості до Землі, різко відрізняється від циркуляції у верхніх шарах: на північ від 60-ї паралелі вітер на рівні моря переважно східний, вище напрямок його прямо протилежний.
Між полярною і тропічною повітряними зонами, між Парижем і Каїром, знаходиться область, в якій вертикальні потоки повітря мають зворотний напрямок в порівнянні з зазначеними вище потоками над полюсами і екватором. У цій області тепле повітря опускається вниз, а холодне піднімається вгору.
Але це не суперечить законам гравітації і термодинаміки. Проміжна повітряна область отримує енергію від двох сусідніх областей, а також від циклонів і антициклонів; при такій великій кількості енергії все стає можливим, навіть порушення гравітації.
Незважаючи на те, що вказана теорія суперечить висунутим раніше, значна кількість експериментальних робіт підтверджує її правильність. Якщо в посудину з водою, краї якого нагріваються, кинути фарбу і почати повільно обертати її, ми отримаємо плоску фігуру, аналогічну картині розподілу тисків у земній атмосфері. Ця модель, яка за своєю формою та пропорціям відповідає рівнянням, заснованим на швидкості обертання і різниці температур, відтворює навіть невеликі вихори повітря в нижніх шарах атмосфери і швидкі струменеві течії верхніх шарів.
Після обробки даних, отриманих в ході робіт МГГ, наші відомості про рух земної атмосфери значно поповняться. Крім того, до вимірювань, проведених звичайними способами, додадуться дані, одержувані за допомогою штучних супутників, що не випробовують безладного впливу повітряної оболонки Землі. Тоді, може бути, метеорологи дізнаються більше про дію мільйонів тонн двоокису вуглецю, що вилітають з труб, про вплив на тривалі зміни погоди радіоактивних викидів, про причини періодичних зледенінь і про походження тривалих – від двох до десяти років – посух, що спостерігаються на половині території США . І, може бути, метеорологи зможуть передбачати погоду навіть на завтра.
Автор: Кеннет Джонс.