Всем хорошо известно, какой разнообразной может быть наблюдаемая погода. Она бывает жаркой, холодной, ненастной, ветреной, сухой, облачной и т. п. Мы знаем также, что погода постоянно меняется — то мороз, а то оттепель, то безоблачно, а то пасмурно, проходит шторм или гроза.
Как же возникает та или иная погода и почему она меняется? Известно, что поверхность земного шара под действием солнечных лучей нагревается неодинаково. Арктические и антарктические районы сильно охлаждены. Экватор и тропики более прогреты. Континенты по сравнению с океанами охлаждены зимой и прогреты летом. Когда в северном полушарии наблюдается зима, в южном — лето.
Неодинаковое тепловое состояние разных районов поверхности земли приводит к различному нагреванию располагающихся над ними масс воздуха, так как в основном воздух нагревается от поверхности земли. Создаются огромные очаги прогретых до различной степени воздушных масс, горизонтальные размеры которых достигают нескольких тысяч километров. Между воздушными массами возникают переходные зоны. Если эти зоны выражены резко, они становятся границами воздушных масс и называются воздушными фронтами. Воздушные массы и их границы могут перемещаться. Рассмотрим движение воздушной массы и познакомимся с происходящими в ней процессами.
В тех географических районах, куда перемещаются более охлажденные воздушные массы, естественно, происходит похолодание, а в тех, куда перемещаются более прогретые, — потепление. Для более полной характеристики ожидаемой погоды надо знать, какой будет облачность и осадки в этих воздушных массах. Для этого необходимо учесть следующее обстоятельство. Пришедшая масса воздуха, очевидно, может быть холоднее или теплее подстилающей поверхности, над которой она находится. В зависимости от этого она будет или нагреваться, или охлаждаться.
Различие температур воздушной массы и подстилающей поверхности и приводит к разным типам погоды. Для наглядного объяснения этого возьмем сосуд, наполненный водой с температурой выше 4° (температура наибольшей плотности воды), и будем его подогревать снизу. Нижние слои воды в сосуде начнут прогреваться и, расширяясь, подниматься вверх, а более холодные сверху опустятся вниз. Возникнет вертикальное движение воды в сосуде, которое будет продолжаться, пока температура всей воды не достигнет точки кипения. Если же мы этот сосуд поставим на лед, то нижние слои воды, охлаждаясь, станут более плотными и сохранят свое место в низу сосуда. В целом вода будет остывать постепенно, передавая охлаждение верхним слоям посредством теплопроводности. В этом случае не возникнет вертикального движения воды, пока она не охладится до 4°.
Аналогичный процесс происходит и в воздушной массе. Действительно, если воздух в нижнем слое прогреется, то он начнет расширяться и подниматься.
При охлаждении нижнего слоя воздуха он станет плотнее и поднятие не произойдет, а охлаждение будет медленно передаваться путем теплопроводности выше лежащим слоям.
Для образования облаков и осадков огромное значение имеет движение воздуха вверх. Он может подниматься вертикально или скользить вверх по какой-то наклонной поверхности, например по склону горы или по массиву менее подвижного холодного воздуха. В том и другом случае он будет расширяться. Это произойдет потому, что с высотой уменьшается толщина выше лежащего слоя воздуха, который давит на него сверху. Поднимающемуся воздуху становится, говоря образно, свободнее, и он увеличивает свой объем. Расширяясь, воздух, как всякий газ, охлаждается. Процесс охлаждения воздуха от поднятия и является главным условием для образования облаков.
В воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара, который поступает в результате испарения с поверхности океанов и материков. Известно, что холодный воздух содержит меньшее предельное количество водяного пара, чем более теплый, например, в одном кубическом метре воздуха при температуре —20° содержится не более 1,08 г, а при температуре +20° — не более 17,2 г. Поэтому воздух, охлаждаясь от 4-20 до —20°, потеряет 16,12 г водяного пара, который перейдет в капли воды или кристаллы. Так водяной пар, находящийся в воздухе, превращается в облака.
Облака возникают на разной высоте и приобретают различную форму в зависимости от характера движения воздуха. При подъеме его по вертикали образуются облака кучевообразных форм: кучевые облака хорошей погоды, плывущие в виде комков ваты, мощные кучевые облака, представляющие собой как бы нагроможденные горы, и, наконец, ливневые и грозовые облака с «башнями» и «наковальнями». При движении воздуха вверх по наклонной поверхности возникают слоистообразные формы облаков. В нижних слоях атмосферы наблюдаются слоисто дождевые облака, из которых выпадают обложные осадки. Выше образуются высоко-слоистые, из которых также могут выпадать осадки. И, наконец, на высоте 7000—9000 м наблюдаются перисто-слоистые облака, состоящие из кристаллов льда и закрывающие небо тонким беловатым слоем, через который может быть видно солнце или лупа. Вокруг этих светил облака образуют беловатые круги. На тех же высотах, но выше перисто-слоистых облаков возникает особый вид перистых облаков в виде нитей с загнутыми концами, также состоящих из ледяных кристаллов.
Движение воздуха может приобретать и волнообразный характер. Это происходит тогда, когда разнородные массы воздуха с различными скоростями скользят горизонтально одна над другой. На границе таких воздушных масс образуются воздушные волны. Они приводят к образованию волнистых форм облаков в виде грядок или барашков различной величины.
В нижнем слое атмосферы волнистые облака имеют довольно мощный вид и называются слоисто-кучевыми. Из них часто выпадает моросящий дождь или снег. На высоте 2000—4000 м облака приобретают вид небольших комочков ваты, расположенных рядами или отдельными кучками, и называются высоко-кучевыми. В еще более высоких слоях возникают так называемые перисто-кучевые облака, которые также имеют вид комочков, но более прозрачных и мелких, и располагаются такими же рядами, как и высоко-кучевые, напоминая рябь на поверхности моря. Ни из высоко-кучевых, ни из перисто-кучевых облаков осадки не выпадают.
Вернемся к воздушной массе. Допустим, что пришедшая воздушная масса оказалась холоднее той поверхности, па которую она натекает. Тогда ее движение будет сопровождаться прогреванием воздуха, его расширением, поднятием и, как мы уже знаем, в конечном счете образованием облаков кучевообразных форм. При таких процессах образование мощных облаков и выпадение осадков наблюдаются редко; между облаками возникают просветы, появляющиеся при опускании воздуха из верхних слоев. Когда воздух опускается, он, сжимаясь, нагревается и поэтому облака в нем не образуются, а существовавшие раньше облака исчезают, так как капли или кристаллы, из которых они состоят, испаряются.
Теперь посмотрим, что происходит, если пришедшая воздушная масса оказалась теплее поверхности. Она будет медленно охлаждаться снизу от слоя к слою. При достаточном охлаждении содержащийся в воздухе водяной пар будет превращаться в чрезвычайно мелкие капельки или кристаллики — у поверхности земли возникнет туман. Иногда такой туман поднимается и переходит в слоистое облако, из которого часто выпадают моросящие осадки.
На этом закончим краткое знакомство с воздушной массой обратимся к описанию фронтов.
Фронты бывают теплые и холодные.
Теплый фронт — это наступление передней части более теплого воздуха, который вытесняет ранее находившийся .на территории холодный воздух. Холодный воздух, будучи более плотным и тяжелым, отступает медленно, как бы цепляясь за землю. Поэтому теплый воздух скользит, поднимаясь по поверхности массива холодного воздуха.
Наступление теплого воздуха сопровождается образованием мощной слоисто-дождевой затягивающей все небо облачности с обложным дождем, который продолжается около 4—6 часов и более. В 600—700 км перед фронтом на высоте 7—9 км наблюдаются перистые и перисто-слоистые облака. Около солнца или луны, просвечивающих через перисто-слоистые облака, образуется беловатый круг. После прохождения фронта наступает потепление, так как приходит более теплая воздушная масса. В зависимости от характера ее взаимодействия с подстилающей поверхностью наблюдается та или иная погода.
Холодный фронт — это наступление передней части холодного воздуха, который, будучи более плотным, как бы подсекает теплый воздух, отрывает его от земли, выбрасывает вверх и одновременно берет его как бы себе на спину. Такой подъем вверх воздушных масс сопровождается появлением мощных кучевообразных облаков, дающих ливневые осадки, грозами и шквалами. После прохождения фронта могут выпадать осадки и обложного характера из слоисто-дождевых облаков, возникших при натекании теплого воздуха на холодный. В результате взаимодействия холодной воздушной массы с теплой подстилающей поверхностью образуются отдельные кучевые облака с просветами, переходящими к полному прояснению.
Прохождение теплых и холодных фронтов обычно сопровождается усилением ветра и изменением его направления.
Рассмотрим еще некоторые образования земной атмосферы. В ней нередко возникают воздушные вихри-циклоны и антициклоны. Циклоны — это такие воздушные вихри, которые имеют в центре более низкое давление атмосферы. Ветры в них направлены (в северном полушарии) против часовой стрелки к центру. Антициклоны — вихри с более высоким давлением в центре и с системой ветров, дующих по часовой стрелке от центра. В циклонах наблюдается приток масс воздуха к центру. С одной стороны притекают теплые массы, с другой -— холодные; они разграничиваются фронтами. Циклоны являются, как правило, носителями ненастной ветреной погоды со значительной облачностью и осадками. В передней части циклона наблюдается потепление, а в тыловой — похолодание. Антициклоны несут, как правило, малооблачную безветренную без осадков погоду, зимой морозную, летом теплую или жаркую. В передней части антициклона наблюдается чаще похолодание, а в тыловой — потепление.
Таким образом, мы видим, что все то, что привыкли называть погодой, есть внешнее проявление весьма сложных физических процессов атмосферы. Такие явления, как изменение температуры воздуха, дожди, различного вида облака, ветер не существуют сами по себе, независимо друг от друга, а тесно связаны и объединяются под общим названием «погода». Так возникает погода циклона или антициклона, погода теплого или холодного фронта, погода теплой или холодной воздушной массы.
Конечно, здесь были очень упрощенно рассмотрены процессы, происходящие в атмосфере. На самом деле они гораздо сложнее. Однако и это уже дает представление о формировании погоды.