Несчастья невских берегов. Из истории петербургских наводнений - Ким Померанец

Над приземным слоем до высот 1-2 км располагается пограничный слой тропосферы (используется разная терминология: планетарный пограничный слой, нижний слой, слой трения, слой возмущения, слой механического перемешивания). Здесь еще достаточно велико влияние подстилающей поверхности, которое выражается в различиях – градиентах – метеорологических элементов с высотой, хотя они и не столь значительны, как в приземном слое. Здесь развиваются нижние обложные и дождевые облака.

Над пограничным слоем находится средний слой тропосферы до высот 6-8 км, теперь именуемый чаще свободной атмосферой. Здесь местные особенности подстилающей поверхности проявляются уже несущественно. Здесь развиваются главные процессы текущей погоды – горизонтальное и вертикальное движение воздуха, формируется основная облачность. Здесь можно пренебречь некоторыми факторами, рассмотреть движение крупных объемов воздуха – воздушных масс – в «чистом» виде, без деталей, затемняющих основной процесс. Здесь с достаточным основанием принимаются определенные допущения, на которых основаны принципы повседневных краткосрочных (на 1-3 суток) прогнозов погоды. Такие прогнозы для свободной атмосферы составить проще, чем для пограничного и приземного слоев, поэтому их составление предшествует прогнозам для нижних слоев.

Над свободной атмосферой находится верхний слой тропосферы – выше 6-8 км и до нижней границы стратосферы. Здесь влияние подстилающей поверхности практически отсутствует. Здесь отмечается минимальная в тропосфере температура воздуха, причем всегда отрицательная. На эту высоту проникают вершины мощных кучевых и грозовых облаков, а остальная, самая верхняя облачность состоит из мельчайших ледяных частиц.

От 15—20 км и до 50—60 км простирается стратосфера, которая оставалась неизвестной до конца XIX в. А теперь она усиленно изучается, хотя бы потому, что это сфера действия ракет и высотной авиации. Температура в стратосфере почти постоянна, около -50°, или медленно повышается. Удивительно, что состав воздуха остается почти неизменным далеко за пределами тропосферы, до высот 100—500 км. Сухой воздух состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода и очень малых долей инертных газов (аргона, гелия, неона, радона), а также переменных примесей – водяного пара, углекислого газа и трехатомного кислорода (озона). Постоянство газового состава атмосферы не влияет, на первый взгляд, на движение воздуха, но оно позволяет принять очень важную гипотезу «сплошной среды», благодаря которой метеорологи пренебрегают движениями отдельных молекул воздуха, а изучают динамику его больших объемов. Особенно важна гипотеза сплошной среды при изучении атмосферы математическими методами.

Из переменных примесей в воздухе очень важен водяной пар, хотя его содержание не превышает нескольких долей процента. Это единственная составная часть воздуха, которая при температурных условиях в атмосфере может переходить из газообразного состояния в жидкое и твердое с поглощением и выделением больших количеств тепла. Именно наличие водяного пара делает атмосферу живой, осязаемой, с облаками, дождями, туманами. 90% водяного пара сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое тропосферы. Водяной пар вместе с углекислым газом определяют «парниковый эффект», пропуская солнечное тепло к земной поверхности и задерживая ее излучение, благодаря чему нижние слои воздуха оказываются самыми теплыми. В стратосфере водяного пара нет, там нет облаков и осадков, там совершенно сухо, очень холодно и безжизненно. Можно сказать еще проще и короче: в стратосфере нет погоды в понимаемом нами смысле. Выше 100—120 км постоянный газовый состав воздуха нарушается: более тяжелые молекулы остаются на этом уровне, легкие поднимаются в космос.

Об озоне известно, что его слой защищает нас и вообще все живое на планете от губительного радиоактивного космического излучения. Полагают, что озонный экран сыграл главную роль в эволюции биосферы, так как его защитное действие обусловило заселение суши живыми организмами.

В последние 20—30 лет интерес к озонному слою существенно возрос в связи с обнаружением в нем «дыр», сквозь которые патогенное излучение достигает Земли, угрожая жизни. Виновником неблагоприятного явления считаются изменения термодинамики нижней стратосферы, как в результате естественных колебаний, так и под влиянием хозяйственной деятельности людей. Мы – люди, все более стремясь к удобствам и комфорту, выбрасывают в атмосферу ежегодно сотни тысяч тонн вредных веществ, которые вступают в химические реакции с озоном и разлагают его. Принято немало соглашений, резолюций, конвенций с целью регулирования производства вредных примесей. Однако в этих бумагах нет обязывающих решений, и проблема остается «замороженной». Все хотят жить хорошо сегодня, сейчас, а что будет потом… Авось пронесет, а после нас хоть потоп, хоть «озоновые дыры». Тем более что наука не единодушна по поводу этой проблемы, да и не бескорыстна, пожалуй… И все же число защитников природы растет. Вокруг экологических идей образуются политические партии и движения, признанные международным сообществом. Нобелевская премия мира 2007 г. присуждена бывшему вице-президенту США Альберту Гору за активные усилия в защиту окружающей среды.

Слой атмосферы от 60 км до 400 км называется ионосферой, так как на этих высотах образуются потоки электрически заряженных частиц. Они влияют на радиосвязь, особенно при повышенной активности Солнца. Ионосфера связана с магнитным полем Земли, вызывая полярные сияния. В некоторых исследованиях утверждается, что усиленные процессы в ионосфере каким-то образом повышают циклоническую деятельность в тропосфере. Каким? Этот вопрос исследуется…

Добавим, что, по некоторым представлениям лито-, гидро– и атмосфера являются частями биосферы, объединяющей все части планеты, где возможно существование живых организмов. «Жизнь всей Земли с ее атмо-, гидро– и литосферой, со всеми растениями, животными и со всем населяющим Землю человечеством следует рассматривать как жизнь одного общего организма».[181]

Причины и особенности движения воздуха

Мы представляем себе атмосферу Земли как беспокойную среду, находящуюся в непрерывном движении. Строго говоря, ничто в этом мире не остается в покое. Но движения воздуха и воды представляются особенно естественными, какими-то сами собой разумеющимися. Также интуитивно мы предполагаем, что существуют какие-то силы, под влиянием которых эти движения совершаются. Но для изучения этих сил интуиции недостаточно. Требуется обратиться к основным физическим законам и выяснить, что это за силы, каковы их особенности, каким образом они действуют на метеорологические элементы, какими величинами они выражаются.

Сила тяжести – действует по закону всемирного тяготения Ньютона. Она вездесуща: любая пушинка, каждая материальная частичка, яблоко, упавшее на голову Ньютона (легенда или быль?) – все без исключения притягивается к центру Земли пропорционально массам частиц и обратно пропорционально квадрату расстояний между ними. Физики относят силу тяжести к массовой (объемной) силе, действующей на единицу массы любого вещества, независимо от того, находятся ли рядом другие частицы. Метеорологи уточняют – в том числе и на единицу массы воздуха. А сила на единицу массы есть ускорение этой силы. По известным значениям массы Земли и ее радиуса вычислили ускорение силы тяжести (ускорение силы земного притяжения, ускорение свободного падения), оказавшееся равным 9,8 м/сек2. Оно несущественно зависит от географической широты и высоты места.

Движение воздуха совершается на вращающейся Земле, то есть в системе координат, движущейся с ускорением. Планета вращается вокруг собственной оси, совершая полный оборот за сутки, благодаря чему у нас происходит смена дня и ночи. Вращается Земля и вокруг Солнца, совершая полный оборот за год, благодаря чему у нас меняются времена года. Два вида вращения известны нам со школьных лет. Правда, не столь известен и менее привычен тот факт, что годовое вращение совершается со скоростью 30 км/сек. Так и летим мы все в мировом пространстве стремительно и легко, совершенно того не замечая…

Важнейшее, с точки зрения динамической метеорологии, вращение Земли вокруг своей оси означает неизбежное появление дополнительных массовых – инерционных – сил, действующих на частицы воздуха. По направлению радиуса вращения появляется центробежная сила, ускорение которой на полюсах равно нулю, поскольку полюса лежат на оси вращения. На экваторе центробежная сила заметна, но и там ее ускорение в сотни раз меньше ускорения силы тяжести, составляя примерно 0,03 м/сек2. Поэтому в атмосферных движениях центробежной силой позволительно пренебречь. Она лишь очень незначительно увеличивает силу тяжести на полюсах по сравнению с экватором.