В начале эры научно-технического прогресса, в 1836 г., в Англии построили железную дорогу между Лондоном и Бристолем. Буквально спустя два года талантливый инженер Брунель сумел продлить ее до... Нью-Йорка, спроектировав для этой цели „Грейт Вестерн" — один из первых трансатлантических пароходов. Теперь из Англии в Америку и наоборот можно было попасть всего за две недели. В переводе с английского „Грейт Вестерн" означает „Великий Западный",— такое же название получил и весь новый путь сообщения между Лондоном и Нью-Йорком.
И в те годы, и намного позднее, когда на морских дорогах появились паротурбинные трансатлантики, время перехода через океан в сторону Европы в среднем оказывалось несколько меньшим времени, затрачиваемого на переход в обратном направлении. Для пароходов типа „Грейт .Вестерн" это различие достигало 2—3 суток, гигантские же лайнеры XX в. „прибегали" из Америки в Европу хоть на полчаса-час, но быстрее, чем из Европы в Америку. Почему?
Поскольку мы уже знаем структуру общей циркуляции атмосферы, на этот вопрос ответить несложно: суда, идущие в Америку, тормозятся встречными морскими волнами, которые поднимает колоссальный воздушный поток, огибающий земной шар с запада на восток,— планетарный западный перенос. По своим масштабам и значению он в неизмеримо большей мере, чем скромный пароход прошлого, достоин называться Великим Западным, потому что является практически главнейшим фактором, определяющим характер погоды на огромных территориях, которые раскинулись от субтропиков до полярных широт.
Итак, каков он, Великий Западный? Анализируя общую циркуляцию атмосферы, мы могли убедиться в том, что он не является однородным потоком воздуха чисто западного направления. Даже при осреднении за много лет на картах давления видны крупномасштабные волны, искажающие западный перенос и придающие ему меридиональные составляющие. На ежедневных картах погоды западный перенос маскируется циклонами и антициклонами, в которых наблюдаются самые разнообразные по направлению ветры, однако подавляющее большинство атмосферных вихрей смещается с запада на восток, и поэтому при осреднении данных наблюдений за ветром за длительный срок все-таки вырисовывается неплохая картина общего западного переноса воздушных масс. Пользуясь знакомыми аналогиями, Великий Западный перенос можно образно уподобить медленно текущей реке с множеством больших и малых водоворотов.
Циклоны в области западного переноса возникают, как правило, на атмосферных фронтах — длинных линиях раздела теплых и холодных воздушных масс. В средних широтах главными фронтами являются полярный, разделяющий умеренную и тропическую воздушные массы, и арктический, образующийся между арктическим и умеренным воздухом. На полярном фронте, где отмечаются более резкие контрасты температуры, циклоны формируются чаще.
Механизм формирования циклонов связан с возникновением на главном атмосферном фронте огромных, длиной около 1000 км, волн. Причин волнообразования на первоначально невозмущенном фронте много, но главная из них — динамическая неустойчивость границы раздела постоянно перемещающихся воздушных масс. Однако для синоптиков важнее другое: всякая крупная волна на атмосферном фронте обязательно превращается в циклон. Как только возникает волна, теплый воздух в ней идет на север, а холодный устремляется на юг. Кроме того, за счет действия силы трения эти потоки начинают сходиться к центру волнового возмущения и, сталкиваясь, подниматься вверх. Конвергенция и подъем воздушных масс неизбежно приводят к обострению температурных контрастов в зоне фронта и падению давления воздуха у вершины волны. В результате этого возникает циклон.
Восточный участок главного фронта в циклоне называется теплым фронтом, потому что здесь теплый воздух наступает на холодный; западный участок — холодным фронтом, так как тут теплый воздух вытесняется холодным. Для каждого фронта в циклоне характерна своя система ветров, облачности и осадков, то есть определенный тип погоды. Вне фронтов, в однородных воздушных массах, также формируются определенные погодные условия. Когда проходит циклон, можно наблюдать, как чередуются различные типы погоды. Совокупность всех этих погодных условий называют циклонической погодой. Чтобы представить себе, как изменяются условия погоды при прохождении циклона, рассмотрим его трехмерную (пространственную) структуру.
В окрестностях теплого фронта теплый воздух активно наступает на линию фронта, движется практически перпендикулярно к ней, а холодный воздух переносится почти параллельно этой линии, то есть медленно от нее отступает. Следовательно, теплая воздушная масса догоняет и перегоняет холодную. Представим себе этот процесс в пространстве. Теплый воздух натекает на клин холодного, как это изображено на рис. 16. Поверхность, разделяющая теплую и холодную воздушную массы, поднимается от приземной линии фронта на восток, но ее наклон к горизонту очень мал: на каждые 200 км по горизонтали приходится 1 км по вертикали (на рис. 16 вертикальный масштаб сильно увеличен). Таким образом, приземная линия фронта на синоптической карте — это линия, на которой поверхность раздела теплого и холодного воздуха пересекается с поверхностью земли. Скорость подъема теплого воздуха не очень большая — около 5—10 см/с (средняя горизонтальная скорость ветра 5—10 м/с), но вполне достаточная, чтобы содержащаяся в нем влага начала конденсироваться в капли воды и могли бы образоваться облака.
Впереди теплого фронта появляется протяженная облачная система. Вдали от линии фронта, на востоке, возникают легкие перистые облака (Cirrus, или Ci), ближе к ней они сменяются сплошной пеленой тонких перисто-слоистых облаков (Cirrostratus, или Cs), через которые просвечивают Солнце и Луна. Еще ближе к линии фронта небо застилают высоко-слоистые облака (Altostratus, или As). Они незаметно переходят в слоисто-дождевые облака (Nimbostratus, или Ns), из которых и выпадает дождь или снег.
Итак, сначала через пункт наблюдения проходит облачная система теплого фронта. Осадки, выпадающие перед фронтом, продолжительные (6—8 ч), но не очень сильные. Как только линия фронта минует наблюдателя, температура воздуха быстро повышается. Зимой при прохождении теплого сектора циклона наступает оттепель, небо становится серым и тяжелым; летом — жаркая и душная погода, мгла застилает горизонт, так как в воздухе содержится большое количество водяного пара и пыли.
Около холодного фронта динамика атмосферы иная: холодный воздух догоняет теплый и стремительно вытесняет его вверх. Здесь скорость подъема теплого воздуха очень велика (достигает нескольких метров в секунду), что порождает сильную турбулентность — вихревое движение воздуха, а следовательно, и значительное усиление ветра, вплоть до шквала. Летом быстрый подъем теплого воздуха сопровождается образованием кучево-дождевых облаков, зимой—мощных слоисто-дождевых облаков.
1 — теплый фронт, 2 — холодный фронт, 3 — фронт окклюзии.
Облака СЬ, возникающие на холодном фронте в средних широтах, отличаются от своих экваториальных „собратьев" меньшей высотой (10—12 км). Они наступают непрерывной полосой, от горизонта до горизонта. В наших краях катастрофические ливни, град, наиболее сильные порывы ветра и смерчи связаны именно с фронтальной облачностью СЬ. Зимой самые обильные снегопады дают фронтальные облака Ns.
Особенно эффектно облачная стена холодного фронта, свинцово-синяя внизу и ослепительно белая вверху, выглядит на открытом месте. Она появляется почти внезапно, потому что ширина облачной системы относительно невелика, а скорость ее движения довольно большая. Обычно еще за час-полтора до прохождения фронта ничто не предвещает резкой перемены погоды. Лишь иногда на небе появляются одинокие чечевицеобразные облака верхнего яруса — Altocumulus lenticularis (Ac lent.), имеющие правильную эллипсовидную форму, что подчас сбивает с толку энтузиастов поиска неопознанных летающих объектов.
После прохождения холодного фронта наступает резкое похолодание, небо быстро проясняется, ветер не утихает и меняет направление на северо-западное или северное. Очень часто в холодном воздухе образуются быстро бегущие слоисто-кучевые облака (Stratocumulus, или Sc), вытянутые в довольно правильные гряды и перемещающиеся параллельно направлению ветра.
Циклон имеет несколько стадий развития, и на синоптической карте иногда можно видеть сразу несколько циклонов, находящихся на разных стадиях. Сначала на полярном (или арктическом) фронте образуется крупномасштабная волна, затем формируется молодой циклон с хорошо выраженными теплым и холодным участками главного фронта. Для следующей стадии характерно постепенное смыкание теплого и холодного фронтов, которое начинается от центра циклона: холодный фронт вследствие большой скорости перемещения догоняет теплый. Этот процесс носит название окклюзии, а формирующийся в результате объединенный фронт — фронта окклюзии. Фронт окклюзии разделяет холодные воздушные массы передней и тыловой частей циклона. Между этими воздушными массами сохраняется температурный контраст (именно поэтому фронт окклюзии и называется фронтом), но он гораздо меньше, чем контрасты температуры в молодом циклоне.
В процессе окклюзии теплый воздух циклона постепенно вытесняется вверх. На приземных синоптических картах хорошо видно, что при этом происходит неуклонное сокращение теплого сектора, который наконец совсем исчезает. Наступает стадия полностью окклюдированного циклона. На этой стадии однородный вихрь холодного воздуха уже не имеет энергии для дальнейшего развития и вскоре разрушается, распадаясь на более мелкие вихри.
Продолжительность отдельных стадий развития циклона непостоянна, но его полный жизненный цикл в среднем составляет 4—5 дней, а изредка достигает недели. На рис. 40 показано развитие циклона по данным спутниковых изображений облачности в инфракрасном излучении, которая выглядит белыми пятнами, полосами и спиралями. Хорошо видно, что циклон — это круговой вихрь, его изображение немного напоминает фотографии галактик со спиральными рукавами. Только в циклоне эти рукава состоят не из звезд, а из облаков и связаны с атмосферными фронтами.
Циклоническая погода в средних широтах — настолько частое явление, что в русской литературе она выступает порой как одно из главных действующих лиц, помогая понять настроения и переживания людей. Зимой после жестоких зимних морозов в теплом секторе циклона часто бывают оттепели.
Оттепель после метели.
Только утихла пурга,
Разом сугробы осели
И потемнели снега.
В клочьях разорванной тучи
Блещет осколок луны.
Сосен тяжелые сучья
Мокрого снега полны.
Падают, плавятся, льются
Льдинки, втыкаясь в сугроб.
Лужи, как тонкие блюдца,
Светятся около троп.
Н. Заболоцкий „Оттепель"
В зимнее время с потеплением связаны и высокая влажность воздуха, и низкие облака, и слякоть. Все это, конечно, сказывается и на настроении людей.
„А еще помню я много серых и жестких зимних дней, много теплых и грязных оттепелей, когда становится особенно тягостна русская уездная жизнь, когда лица у всех делались скучны, недоброжелательны,-- первобытно подвержен русский человек природным влияниям! — и все на свете, равно как и собственное существование, томило своей ненужностью..."
И. А. Бунин „Жизнь Арсеньева"
Летом в теплом секторе циклона устанавливается жаркая, душная и мглистая погода, которая, хотя и по-своему, но тоже „давит" на человека.
Бывало солнце без лучей
Стоит и рдеет в бездне пара,
Тяжелый воздух полон жара;
Вода чуть движется; над ней
Склонилась томными ветвями
Дерев безжизненная тень;
На поле жатвы, меж скирдами,
Невольная почиет лень,
И кони спутанные бродят,
И псы валяются; молчат
Село и холмы; душен сад,
И птицы песен не заводят...
Н. М. Языков „Тригорское"
После сырой оттепели или духоты похолодание всегда желанно, особенно осенью, когда приход зимы задерживается и дожди становятся невыносимыми.
„Темнота шyмeлa за стенами плеском дождя и ударами ветра, и страшно было подумать о тех, кого, может быть, застигла эта ненастная ночь в непроглядных лесах.
Однажды ночью я проснулся от странного ощущения. Мне показалось, что я оглох во сне. Я лежал с закрытыми глазами, долго прислушивался и наконец понял, что я не оглох, а попросту за стенами дома наступила необыкновенная тишина... Я открыл глаза. Белый и ровный свет наполнял комнату. Я встал и подошел к окну — за стеклами все было снежно и безмолвно. В туманном небе на головокружительной высоте стояла одинокая луна, и вокруг нее переливался желтоватый круг... большая серая птица села на ветку клена в саду. Ветка закачалась, с нее посыпался снег. Птица медленно поднялась и улетела, а снег все сыпался, как стеклянный дождь, падающий с елки".
К- Г. Паустовский „Прощание с летом"
Холодный фронт циклона приносит с собой похолодание и прояснение. Внезапный переход от мглы и сырости к морозной и солнечной погоде — одно из наиболее эффектных явлений природы. Пожалуй, наиболее яркую картину этого явления и его влияния на настроение человека нарисовал Пушкин:
Вечор, ты помнишь, вьюга злилась,
На мутном небе мгла носилась;
Луна, как бледное пятно,
Сквозь тучи мрачные желтела,
И ты печальная сидела —
А нынче... погляди в окно:
Под голубыми небесами
Великолепными коврами,
Блестя на солнце, снег лежит;
Прозрачный лес один чернеет,
И ель сквозь иней зеленеет,
И речка подо льдом блестит.
Вся комната янтарным блеском
Озарена. Веселым треском
Трещит затопленная печь.
Приятно думать у лежанки.
Но знаешь: не велеть ли в санки
Кобылку бурую запречь?
„Зимнее утро"
Прекрасны и лаконичны описания погоды в японской поэзии. Япония — тоже страна циклонов, и еще в средние века в ней появляются хокку — трехстишья, в которых воссоздаются неподражаемые образы природы. Так, известный японский поэт XVII в. Басе очень точно передает состояние природы буквально в первые минуты после прохождения холодного фронта в летнее время:
Луна летит меж туч,
Кругом деревьев ветви
Еще роняют дождь.
Вслед за серией циклонов, как правило, приходит антициклон. При этом почти всегда небо становится безоблачным, зимой наступает мороз, а летом жара, вплоть до засухи. Лишь иногда в утренние часы все пространство, занятое антициклоном, покрывается плотной однородной пеленой тумана. Это случается и зимой и летом, когда воздух внутри антициклона достаточно влажен. Возникновению условий для образования утреннего тумана способствует безоблачная ночь, в течение которой приземный слой воздуха дополнительно охлаждается вследствие беспрепятственного излучения тепла земной поверхностью. К утру температура воздуха достигает критических значений, и содержащаяся в нем влага начинает конденсироваться в мельчайшие капли, составляющие туман. Температура, при которой начинается конденсация влаги, называется точкой росы, а утренние туманы в антициклонах получили название радиационных, так как охлаждение приземного слоя воздуха осуществляется за счет излучения поверхностью земли инфракрасной радиации.
Бывают особые виды антициклонической погоды, связанные с внезапной остановкой антициклона. Как уже отмечалось, обычно в зоне западного переноса барические образования, в том числе и антициклоны, хотя скорость их движения меньше, чем у циклонов, перемещаются с запада на восток. Когда один из центров высокого давления вдруг останавливается, в атмосфере возникает ситуация, которую синоптики называют блокирующей. Действительно, антициклон как бы закрывает дорогу идущим вслед за ним циклонам, и они тоже останавливаются или начинают огибать антициклон с севера или с юга. „Напирая" на неподвижный антициклон, циклоны способствуют резкому росту градиентов давления на его западной периферии, и тогда в этой части антициклона наступает ветреная и жаркая погода.
„Был жаркий и ветреный полдень: сильный, шелковисто-горячий, то затихающий, то буйно растущий шум сада вокруг дома, тень и блеск в деревьях, мотанье туда и сюда мягко гнущихся ветвей... Когда ветер, густо шумя, рос, приближался, он вдруг раскрывал всю эту древесную зелень, окружавшую окна тенистого кабинета, показывал в ней знойно-эмалевое небо, и тотчас раскрывалась и тень на белом потолке — потолок, светлея, становился фиолетовым. Потом опять затихало, ветер, убегая, терялся где-то вдали сада, над обрывом к прибрежью".
И. А. Бунин „Жизнь Арсеньева"
В центре неподвижных, стационарных антициклонов медленно иссушается земля, желтеют травы и наконец наступает настоящая засуха. Ее формированию помогают ветры восточной периферии антициклона — знаменитые суховеи, приносящие прохладный воздух северных широт. Влажность принесенного суховеями воздуха невелика, и точка росы в нем соответственно довольно низка. В условиях солнечной погоды за несколько дней этот воздух нагревается на 10—15 °С, и поэтому точка росы в нем никогда не достигается, даже при периодическом ночном охлаждении. Создаются очень засушливые условия: многие дни на небе нет ни облачка, а на землю не выпадает ни капли росы, не говоря уже о дожде.
Теперь, когда нам известны основные типы циркуляции воздуха и условия погоды в циклонах и антициклонах, вернемся еще раз к народным приметам краткосрочных изменений погоды. Эти приметы, в отличие от примет долгосрочных, более достоверны и тесно связаны с закономерностями синоптической метеорологии. Они почти все имеют разумное физическое объяснение и позволяют предсказывать погоду на несколько часов вперед по местным признакам.
Представим себе, что мы находимся в условиях летнего антициклона (безоблачно, безветренно, жарко) и вдруг поднимается легкий, постепенно усиливающийся ветер.
Примета: „Если стояло долгое затишье и подул ветер — будет дождь".
Действительно, усиление ветра вызывается ростом градиентов давления воздуха, а это означает приближение циклона и, следовательно, переход к дождливой погоде.
Можно предсказать наступление ненастья по облакам и световым явлениям в атмосфере.
Примета: „Перистые облака предвещают ненастье на два дня и более".
Эта примета тоже связана с приближением циклона. Перистые когтевидные облака (Cirrus uncinus, или Ci unc.) — самые первые видимые предвестники теплого фронта. Еще более надежным признаком приближения циклона являются перисто-слоистые облака. Проходя через них, солнечный и лунный свет преломляется ледяными кристалликами облаков, или испытывает дифракцию. При этом наблюдаются очень эффектные оптические явления: гало и венцы. Гало — это возникающие вокруг светил, в основном вокруг Солнца, белые тонкие окружности с угловым радиусом 22 и 46 градусов. Венцы представляют собой концентрическое сияние, непосредственно прилегающее к Луне или Солнцу, малые круги.
Гало и венцы можно видеть довольно часто. Если Солнце просвечивает как бы сквозь легкую пелену, закройте его видимый диск рукой, и вы увидите хотя бы часть гало, а иногда и полный его круг.
Приметы: „Круги вокруг Солнца — к дождю или снегу";
„Месяц с кругом несет воду в своем роге".
Эти приметы следует уточнить. Если сначала видны малые круги, а потом большие, значит, кристаллы облаков растут, облачность развивается и вероятность дождя или снега очень велика; если же сперва наблюдается гало, а затем венцы,— облачность размывается и теплый фронт может пройти без дождя.
Перисто-слоистые облака отмечаются примерно на расстоянии 500—600 км от приземной линии теплого фронта, следовательно, по их появлению можно прогнозировать момент прохождения теплого фронта (при скорости движения циклона 30—50 км/ч он наступает через 12—14 ч), а также начало выпадения дождя или снега из слоисто-дождевых облаков (примерно через 5—7 ч).
Осадки теплого фронта обычно умеренные и идут монотонно, долго... Но вот поднимается ветер и начинает, как говорят в народе, разгонять облака. Значит, близка приземная линия теплого фронта, у которой всегда растут градиенты давления и усиливается ветер. Проходит фронт — и дождь прекращается, система фронтальных облаков перемещается дальше на восток. Таким образом, говорить, что ветер „разгоняет облака", было бы неточно: на самом деле вслед за его усилением прекращается дождь, и эти явления связаны одной цепью синоптических процессов.
Примета: „Сильный ветер во время дождя предвещает хорошую погоду".
Повышение температуры воздуха в теплом секторе циклона происходит не скачком, а постепенно. О том, что оно действительно произойдет, зимой можно судить, например, по поведению дыма.
Примета: „Дым из труб опускается вниз и стелется по земле — жди оттепели".
Физическая сущность явлений, связанных с этой приметой, заключается в том, что повышенная влажность теплого воздуха обусловливает интенсивную конденсацию водяного пара на частицах дыма, которые становятся тяжелыми и опускаются к земле. В антициклоне, где влажность воздуха невысока, дым поднимается вверх столбом.
Примета: „Дым столбом — к морозу, к вёдру".
Летом в теплом секторе циклона вследствие высоких влажности и температуры воздуха часто бывают сильные послеполуденные грозы.
Примета: „Духота без града не обойдется".
Как уже говорилось выше, холодный фронт циклона приближается и проходит быстро и этому процессу практически не сопутствуют видимые предвестники. Поэтому и народных примет, позволяющих предсказывать похолодание после теплой погоды и зимой и летом, найти не удалось. Зато приметы установления ясной погоды после прохождения холодного фронта есть.
Приметы: „Звезды мерцают — к холоду";
„Рога Луны остры и ярки — к вёдру".
Холодный воздух циклона намного прозрачнее, чем теплый, так как в нем мало влаги и пыли, поэтому после прохождения холодного фронта резко улучшается видимость удаленных предметов, в том числе и небесных тел.
Самыми популярными из народных примет погоды являются, пожалуй, те, которые связаны с цветом неба при закате Солнца.
Приметы: „Багровые зори — к ветрам";
„Если закат красный — будет ясно";
„Если закат красный — будет дождь".
Приметы явно противоречивые. Какую же из них можно считать правильной?
Если мы наблюдаем красный закат после прохождения холодного фронта, то верна первая примета, потому что в холодной воздушной массе циклона погода не только ясная, но и ветреная.
Цвет вечернего неба зависит от состояния воздуха. Если воздух влажный, то к вечеру при его охлаждении влага частично конденсируется и образуются мельчайшие капельки тумана или дымки. В этом случае преобладает равномерное рассеяние солнечного света на каплях тумана, небо становится беловатым или желтоватым, то есть принимает цвет не разложенного на отдельные составляющие солнечного света. Если же воздух сух — преобладает рассеяние солнечного света на молекулах воздуха, в этом случае оно избирательно: больше всего рассеиваются коротковолновые голубые и зеленые лучи. Но вечером до поверхности земли они не доходят, потому что на закате, когда Солнце стоит низко над горизонтом, им приходится преодолевать очень большой слой воздуха (в 5—10 раз более мощный, чем в полдень), зато красные лучи почти беспрепятственно пронизывают сухую вечернюю атмосферу. Таким образом, небо и Солнце становятся в нашем восприятии красными. Следовательно, верной нужно считать также и вторую примету, а третью — неверной.
Как же объяснить существование третьей приметы? Возможно, здесь произошло некоторое смещение понятий. Дело в том, что по отношению к утренней заре (не к вечерней!) эта примета, как правило, верна. Красный цвет утреннего неба, так же как и вечернего, свидетельствует о том, что в нижних слоях атмосферы нет тумана или дымки. Но после ясной ночи, когда земная поверхность и нижние слои воздуха должны, как правило, сильно охлаждаться, появление тумана или дымки почти неизбежно. При красном цвете утренней зари что-то предохраняет приземный воздух от охлаждения в течение нони. Это могут быть или облака, или высокая влажность воздуха в средних и верхних слоях атмосферы. Однако на небе почти нет облаков, раз видна заря, и остается заключить, что именно высокая влажность „не выпускает" ночью тепловую радиацию Земли в космос. Значит, в целом атмосфера является влажной и вероятность дождя в данном случае велика.
Таким образом, краткосрочные приметы погоды, имеющие надежное научное объяснение, можно успешно использовать для предсказания изменений погоды на несколько часов.