Саймон Кинг – Чем пахнет дождь? Ясные ответы на туманные вопросы о климате и погоде (страница 8)
В метеорологии снегу дается простое определение – «твердые осадки в форме ледяных кристаллов». Если вы когда-нибудь видели снег под микроскопом, или, по крайней мере, вам попадались его увеличенные фотографии, то вы можете понять, насколько он прекрасен. Природа порой завораживает, и то, как образуется снег и как он преобразует нашу среду обитания – один из примеров ее поразительной работы. Кроме того, снег пробуждает ребенка внутри многих из нас (если только мы не спешим по делам во время сильного снегопада).
Снег образуется из облаков при температуре ниже нуля, так что водяной пар переходит из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое и образуя ледяные кристаллы. Количество кристаллов постоянно увеличивается, как и частота их столкновений. В результате этого процесса появляются снежинки. Наступает момент, когда снежинка становится слишком большой и тяжелой. Восходящие потоки воздуха, действующие в облаке, уже не могут ее удержать, и сила притяжения побеждает: снежинка летит к Земле. Если воздух на всем протяжении ее пути от облака к земной поверхности тоже имеет температуру ниже нуля, то снежинка и при падении сохранит свою структуру ледяного кристалла. А если поверхность тоже достаточно холодная, то снег не будет таять. В том случае, когда земля теплее необходимого, начинается процесс таяния. Однако при большой интенсивности снегопада снежинок на землю попадает столько, что они не дают начаться процессу таяния, и образуется снежный покров. В этом объяснении слишком много «если», к тому же видно, что, когда температура воздуха близка к нулю, снег идет редко, что создает проблемы любому метеорологу!
Поскольку процесс образования снежинок очень сложен и зависит от весьма незначительных различий в температуре, давлении и влажности, почти все снежинки разные. Крайне маловероятно, что вам удастся найти две абсолютно одинаковые, однако у всех них есть несколько общих черт: они шестиугольные и имеют шесть сторон. У одних стороны гладкие, как у шестиугольной тарелки, у других из каждой стороны выходит по лучу – с такой решетчатой формой у нас чаще всего и ассоциируются снежинки. Если сфотографировать первые моменты жизни снежинок, когда водяной пар охлаждается и становится ледяным кристаллом, то все они будут выглядеть практически одинаково – как плоский шестиугольник. Двигаясь в облаке, этот шестиугольник подвергается воздействию самых разных температур, изменяется и влажность, что приводит к дальнейшему изменению формы. Собственно говоря, не у всех снежинок можно отчетливо выделить шесть углов. У снежинок имеется восемь основных форм: звездчатые дендриты, столбики и иголки, увенчанные столбики, папоротниковидные звездчатые дендриты, кристаллы алмазной пыли, треугольные кристаллы, двенадцатилучевые снежинки; иней и снежная крупа.
Форма снежинки зависит главным образом от температуры и влажности. Например, плоские тарелочки образуются в более сухом воздухе, чем дендриты, а простые тарелочки и столбики – в более теплом воздухе (выше 20 °C), чем сложные структуры, которые формируются в более холодных условиях. Как видите, под микроскопом снег очень сложен!
Чаще всего фотографируют снежинки в форме звездчатых дендритов, у которых из центрального шестиугольника исходит по шесть лучей. Именно лучи снежинок делают каждую из них уникальной. Путь, который проделала из облака и внутри него каждая снежинка, формирует эти лучи независимо один от другого, хотя все лучи одной снежинки выглядят примерно одинаково, поскольку условия их образования были одними и теми же.
Этот вопрос нам задают очень часто. Каждый раз, когда столбик термометра падает ниже нуля и прогнозируется снег, он действительно выпадает. Теоретически ответ – нет, а практически – да. Например, не может быть ситуации, когда снег падает, условно говоря, при температуре –6 °C, а при похолодании он внезапно заканчивается. Нет такой температурной точки, при которой снег бы резко начинал или переставал падать.
Вы запутались? Давайте разбираться.
Снежинки образуются в той части облака, где температура ниже нуля. Чтобы снег стал падать на поверхность, воздух между нею и облаком тоже должен иметь температуру ниже нуля, иначе все растает. При этом температура воздуха просто должна быть ниже точки замерзания – теоретически не имеет значения, насколько именно. Однако значение имеет влажность – количество влаги, необходимое для образования снежинок. Чем холоднее воздух, тем меньше влаги он может удержать, и тем меньше образуется снежинок. Таким образом, правильный вопрос должен звучать так: «Бывает ли слишком сухо для снега?»
Прекрасное доказательство этой теории можно найти в том месте, в котором, как вы, возможно, полагали, снег должен идти постоянно – в Антарктиде. Этот пустынный, холодный, ветреный и ледяной континент кажется снежным и белым. Формально он классифицируется как пустыня. В Антарктиде так холодно, что в атмосфере над ней содержится очень мало водяного пара, так что и осадков выпадает крайне мало. Но когда снег все-таки идет, он ложится на ледяной покров и накапливается там десятками и сотнями лет.
Снег очень важен для жизни на Земле, и это несмотря на то, что слишком сильный снегопад может спровоцировать транспортный коллапс, закрытие школ и всеобщий хаос. В наших городах он, возможно, не так уж и нужен, но где-то его наличие точно необходимо. К счастью, каждый год на полюсах и на вершинах гор снега в изобилии – около 46 млн квадратных километров. Поскольку снег кажется белым, он служит отличным зеркалом. Это важно, поскольку он отражает большую часть энергии Солнца обратно в космос. В метеорологии это свойство называется альбедо. Альбедо белых поверхностей равно единице, а черных – нулю. Снег может отражать до 90 % поступающих солнечных лучей. Хотя его количество в течение года может быть разным, особенно в Северном полушарии, снег регулирует температуру Земли, охлаждая планету и держа под контролем ее среднюю температуру. Это одна из причин проблем, вызванных глобальным потеплением: тает больше снега, и Земля отражает меньше солнечного излучения.
Снег играет большую роль и в локальном масштабе: он важен для местных сообществ и экосистем. Люди, живущие в гористых районах, рассчитывают на весеннее и летнее таяние снегов как на источник питьевой воды и орошения посевов. А многим растениям и животным снежный покров обеспечивает защиту зимой, изолируя почву и сохраняя ее тепло, подобно одеялу.
Лед
Если вы вдруг сомневались, то лед – это вода в твердом агрегатном состоянии. В большинстве случаев лед образуется, когда вода замерзает до 0 °C и ниже. Мы говорим «в большинстве случаев», поскольку, как уже упоминалось, вода может оставаться жидкостью и при температуре ниже 0 °C – это так называемая переохлажденная вода.
Она замерзает, когда молекулы водорода и кислорода (H2O) становятся такими холодными, что замедляются и слипаются друг с другом, образуя твердый кристалл. Одна из самых интересных характеристик льда заключается в том, что он, хотя и твердый, на самом деле менее плотный, чем жидкая вода. Мы не будем вдаваться в подробности, но на молекулярном уровне во льду больше воздушных карманов между связанными водородом и кислородом, чем в жидкой воде. Вот почему лед плавает в воде и не тонет. Представьте себе, что было бы, если бы молекулярная структура льда была такова, что он бы не плавал, а шел ко дну сразу после образования. Условия жизни в океанах были бы совершенно иными, не появлялось бы полярных льдов и айсбергов. Планета выглядела бы совершенно иначе, а тех форм жизни, которые населяют ее сейчас, вероятнее всего, просто не существовало бы.
Совокупность замороженной воды на всем земном шаре называется криосферой. Этот термин охватывает все запасы льда на суше и на море, включая Антарктиду, Арктику, ледники, ледовые шапки, айсберги, вечную мерзлоту и замерзшие реки и озера. В течение года общее количество льда на Земле меняется со сменой сезонов. Наибольшим изменениям подвергается количество морского льда в Арктике и Антарктике: летом лед там активно тает. В Арктике зимой площадь ледяного покрова достигает 14–16 млн квадратных километров, а летом – только 7 миллионов. В Антарктике колебания еще более значительны: зимой это 17–20 миллионов, летом – 2–4 млн квадратных километров морского льда. Конечно, значительные запасы льда сосредоточены и на суше: в Антарктиде, например, ледяной покров простирается приблизительно на 14 млн квадратных километров, в Гренландии – 1,7 миллиона, а ледники в остальном мире занимают приблизительно 726 тысяч квадратных километров. Стоит отметить, что на Антарктиду и Гренландию приходится около 68 % мировых запасов пресной воды.
Как вы, возможно, помните из раздела этой главы о снеге, его белизна, или альбедо, очень важна для Земли, поскольку, отражая поступающие солнечные лучи, снег регулирует температуру на планете. Альбедо – это показатель отражательной способности поверхности. Черная поверхность поглощает поступающую солнечную энергию, а отражает очень мало, так что альбедо почти равно нулю. Альбедо белых поверхностей ближе к единице – они обладают очень хорошей отражающей способностью. Стоит заметить, что большинство домов в средиземноморском регионе белые, а на Ближнем Востоке – почти все машины. Дело просто в том, что белый цвет отражает большую часть солнечной энергии, так что находящимся внутри дома или автомобиля не так жарко, как было бы в черной машине или помещении.