Чем пахнет дождь? Ясные ответы на туманные вопросы о климате и погоде - Саймон Кинг

грозовых туч заряд растет, и в землю начинают бить молнии. Как нам известно, в грозовых облаках действует множество нисходящих и восходящих потоков. Смесь водяных капелек и льда в облаке испытывает значительную турбулентность, столкновения частичек порождают трение, а оно, в свою очередь, приводит к образованию в облаке статического заряда. Это означает присутствие как положительно, так и отрицательно заряженных частиц, и они, естественно, отталкивают друг друга. Положительно заряженные частицы собираются в верхней части облака, а отрицательные устремляются вниз – как батарейка с плюсом и минусом. Когда накапливается достаточный заряд, атмосфера стремится к его выравниванию, так что следует мощный и быстрый удар молнии от отрицательного полюса в положительный. По большей части удар направлен снизу вверх – это так называемая внутриоблачная молния. Земная поверхность тоже имеет положительный заряд, так что если электрический потенциал достаточен, то удар молнии направляется на Землю, такая молния называется «облако – земля». Технически у самой молнии нет температуры, поскольку это просто поток электрических зарядов. Однако когда молния проходит сквозь воздух или другой материал, она нагревает этот материал. Воздух после этого становится очень горячим: температура в долю секунды поднимается почти до 27 500 °C. Это почти в пять раз горячее, чем поверхность Солнца (5500 °C). Именно в ходе этого процесса во время грозы образуется звук грома. Создается канал, который в сочетании с сильным мгновенным нагревом сразу же сжимает окружающий воздух, отчего образуются ударные волны. Именно эти сильнейшие вибрации окружающего воздуха докатываются до нашего уха и порождают звук. Если удар молнии случился неподалеку, мы словно слышим удар кнута. Если молния ударила далеко, то звук успевает исказиться и доходит до нас уже как глухое продолжительное ворчание.

Может ли молния служить человечеству?

Числа впечатляют: в одном ударе молнии около миллиарда джоулей энергии – этого достаточно для снабжения электричеством целого дома в течение месяца. Так что теоретически овладеть этой энергией и использовать ее как возобновляемый источник – великолепная идея. Однако это не сработает, и вот почему. Во-первых, хотя энергия одного удара молнии действительно огромна, она расходуется за долю секунды. У нас пока нет инженерных методик, которые могли бы помочь захватить такое огромное количество энергии в краткий промежуток времени, сохранить его и затем распределять в течение более длительного периода. Во-вторых, молния совершенно непредсказуема, так что практически невозможно указать место, куда она ударит. По большей части молнии случаются в тропических широтах, где плотность населения невелика. Но даже если бы нам удалось овладеть энергией молний, бьющих по всей Земле, то, по подсчетам специалистов, ее хватило бы для обеспечения всего лишь около 8 % домохозяйств США.

Куда молния бьет неоднократно?

Чаще всего молнии наблюдаются в тропических районах, поскольку там больше тепловой энергии, а следовательно, и конвекции, необходимой для образования мощных грозовых облаков: источников гроз, грома и молнии. Больше всего ударов молний приходится на Центральную Африку, Центральную Америку и Юго-Восточную Азию. В этих районах они чаще всего случаются в гористой местности. Гористый ландшафт обеспечивает восходящие потоки воздуха, что способствует дополнительной конвекции. Если прибавить к этому еще и озеро, то избыточная влажность легко переносится вверх, способствуя грохоту гроз и ярким вспышкам молний. В Венесуэле, где река Кататумбо впадает в озеро Маракаибо, в год случается в среднем 250 ударов молний на квадратный километр – около 28 вспышек в минуту. Еще одно место с сильным электрическим зарядом – горная деревушка Кифука в Демократической Республике Конго, где на квадратный километр ежегодно приходится 158 ударов.

Облака

Откуда появляются облака?

Каждый день облака движутся по небу, величественно плывут и куда-то исчезают. Их вечно меняющаяся форма и продолжительность существования обусловлена влиянием Солнца, суши и моря. Но не любой слой земной атмосферы может быть местом образования облаков. Выделяют семь различных слоев атмосферы, каждый из которых обладает уникальными свойствами, позволяющими защищать нашу планету. Самый нижний слой переносит воду между сушей и морем во всех ее агрегатных состояниях, поддерживая богатство и разнообразие жизни.

Тропосфера, нижний слой атмосферы, содержит кислород, активизирующий жизненные процессы, множество азота и небольшое количество крайне необходимой смеси из углекислого газа, водяного пара и других парниковых газов. Именно здесь идет постоянная работа погодной машины: тепло и вода распределяются по всему земному шару. Самое важное – то, что воздух охлаждается по мере набора высоты. Уже этот фактор приводит к конвекции, адвекции и конденсации – основным инструментам образования облаков. Оно происходит на всех уровнях тропосферы: взаимодействие, смешивание, подъем вверх и растворение в океанах.

Состав облаков

Спросите группу пятилеток, из чего состоят облака, и минимум один из них выкрикнет: «Из пуха!» В общем, так они и выглядят. Однако белое вещество, которое плывет в воздухе, образовано миллиардами микроскопических облачных капелек, которые борются между собой за пространство. В итоге они сливаются воедино и становятся белым пушистым облаком.

Если оставить в покое пух, то вообще-то основные составные части облака – водяной пар и тепловая энергия. Под действием тепла воздух, наполненный водяным паром, переносится в более холодную среду посредством адвекции или конвекции, а затем конденсация преобразует водяной пар в мельчайшие водяные или ледяные капельки. Ядра конденсации, такие как соль и пыль, тоже служат ключевым компонентом образования облачных капелек. Мельчайшие конденсированные молекулы воды собираются воедино, примыкая к аэрозолям большего размера. Ядра конденсации имеют размер около одного микрона, а молекулы воды – примерно 0,0001 микрона. По мере того как к ядру конденсации прилипает все больше водяных молекул, начинают образовываться облачные капельки, каждая вокруг своей аэрозольной частицы. Легкость облачных капелек позволяет им оставаться во взвешенном состоянии и образовывать облако, пока продолжается приток водяного пара.

Процесс образования облаков

Конвекция – подъем воздуха при нагревании

Адвекция – горизонтальный перенос тепла с движением воздуха

Конденсация – охлаждение водяного пара (газа) и его преобразование в воду (жидкость)

Подъем и спуск – Солнце разогревает Землю с разной интенсивностью. Поток воздуха сначала поднимается, затем опускается, образуя зоны высокого (опускающийся воздух) и низкого (поднимающийся воздух) давления. Эти потоки воздуха переносят воду и тепло. Это идеальная энергетическая система, которая позволяет избежать экстремального холода и жары, сухости и влажности. Дождевые леса, пустыни, тундра, полярные шапки и покрытые зеленью средние широты существуют благодаря погодной системе Земли, которая обеспечивает планету яркой палитрой голубых, зеленых, белых, коричневых и всех остальных красок.

Парад облаков

Обычно на небе происходит следующий погодный сценарий: сначала движется теплый фронт (на метеорологических картах он