Чтение онлайн

Итак, на движение воздуха влияют две массовые силы: тяжести и кориолисова. Имеют место также поверхностные силы, действующие между частицами воздуха. Основной из них, приводящей в движение воздушные массы, является сила барического градиента. Она действует перпендикулярно – по нормали – к изобарам (линиям равного атмосферного давления), действует в сторону уменьшения давления и рассчитывается по разности давления в двух точках, деленной на расстояние между точками. Выражается в миллибарах или миллиметрах ртутного столба на 1 градус дуги меридиана (111,2 км) или, для простоты на 100 км. Имеет порядок 0,0001, сравнимый с силой Кориолиса, что очень важно.

Другая поверхностная сила – сила трения, возникающая между частицами или слоями воздуха, которые движутся с разными скоростями. Она пропорциональна изменению скорости по нормали к движению. Эта сила стремится затормозить потоки и сравнять скорости соседних слоев воздуха. Поскольку в атмосфере преобладают беспорядочные – турбулентные – движения больших объемов воздуха, взаимодействующих между собой, то сила трения способствует обретению потоками некой средней скорости. Силу трения называют также силой турбулентного трения или силой турбулентной вязкости. Понятно, что она особенно существенна в пограничном и приземном слоях атмосферы, где из-за различных свойств подстилающей поверхности наиболее выражены беспорядочность и различие скоростей движения. Интенсивность турбулентности изменяется в очень широких пределах, она в тысячи раз превышает интенсивность безвихревых – ламинарных – движений.

Наличием нескольких сил в атмосфере и множеством связей между ними объясняются прежде всего сложности изучения атмосферных процессов и трудности их предсказания. Астрономические явления, подверженные действию одной силы, изучаются и предсказываются проще и точнее, чем в метеорологии. Там, в престижном ныне космосе, властвует только сила всемирного тяготения. Там объекты представляются материальными точками. Там нет необходимости принимать гипотезу сплошной среды. Поэтому движения планет, лунные и солнечные затмения, расположение созвездий рассчитаны практически точно и на много-много лет вперед.

Но метеорологические сложности и трудности в значительной мере упрощаются самой природой, которая «изощрена, но не злонамеренна» (по Эйнштейну). Силы, действующие в атмосфере, далеко не всегда и не везде действуют сообща. Они как-то очень мудро распределяются в пространстве и времени. В свободной атмосфере, например, мала сила трения и существенны лишь сила барического градиента и сила Кориолиса. Причем они уравновешивают друг друга: градиент направлен поперек изобар в сторону низкого давления, а сила Кориолиса поперек движения и вправо (в северном полушарии…) от него. В результате воздух подчиняется равнодействующей этих сил и перемещается по изобарам. Такое движение метеорологи называют геострофическим. Оно происходит равномерно и прямолинейно, не испытывая ускорений. Поэтому геострофическое движение, «геострофический ветер» (гео – земля, строфа – поворот, смысловой перевод: огибающий землю) легче рассчитывать и предвычислять, поэтому прогнозы атмосферного давления составляются сначала для свободной атмосферы, а затем уж для пограничного и приземного слоев.

У подстилающей поверхности и силы и масштабы движения другие. Под влиянием силы трения, из-за значительных перепадов температуры, влажности, ветра в вертикальном и горизонтальном направлениях здесь преобладают вихревые турбулентные движения, уступающие по масштабам движениям в свободной атмосфере. Они ответственны за образование местной облачности, за формирование гроз в летнее время, за порывистость ветра при грозах. В грозовых облаках вертикальные движения сравнимы по скорости с горизонтальными. За 15—20 минут облака достигают высот 5-7 км и охватывают 10—15 км по пространству. На высотах происходит конденсация, накопление влаги, и гроза сопровождается обильным дождем.

Можно было бы продолжать подобные, хотя нестрогие, описания воздушных движений различного масштаба. Важно лишь подчеркнуть, что в атмосфере существует иерархия движений и явлений, позволяющая последовательно подходить к их изучению. Циклоны и антициклоны как погодообразующие факторы содержат в себе более мелкие особенности погоды, но и сами не являются первостепенными. Они возникают на фоне более глобального процесса – общей циркуляции атмосферы, источником которой служит неравномерное распределение солнечного тепла по планете.

В жаркой и влажной экваториальной зоне воздух поднимается вверх, образуя область пониженного давления и слабых переменных ветров. От высоких, почти стратосферных, слоев происходит его опускание и растекание в пограничный и приземный (скорее – приводный, поскольку в той зоне больше океана, чем суши) слои, где воздух перемещается совершенно устойчиво на юго-запад в северном полушарии и на северо-запад в южном. Это – зоны пассатов, располагающиеся от 30-х градусов северной и южной широты до экваториальной зоны затишья. Нисходящие движения вблизи 30-х широт приводят к образованию субтропических поясов высокого давления, где ветры слабы и облачность незначительна. Примерно с 35-й и до 60-й широты располагаются зоны умеренного климата с чередованием сезонов года и явным преобладанием западного переноса, на фоне которого образуются знакомые нам атмосферные фронты, циклоны и антициклоны. По мере приближения к полюсам находится сначала область пониженного, а вблизи полюсов – повышенного давления.

Все зоны общей циркуляции отличаются поширотными зональными потоками воздуха, хотя вдоль меридианов также происходит перенос, но существенно менее активный.

Классификация разномасштабных атмосферных движений, установленная по мере развития метеорологии, привела к специализации исследований и различным подходам к решению практических и теоретических задач. Атмосферу теперь изучают физики, математики, химики, географы, и, хотя успехи в метеорологии кажутся более скромными, чем в других естественных науках, движение вперед несомненно.

Город, особенно большой, представляет собой пространство, где окружающая среда претерпела изменения от воздействия людей. Здания и сооружения, промышленность, транспорт, хозяйственная деятельность в целом становятся факторами, влияющими на погоду. Так повелось с древнейших времен. «Я почувствовал перемену в настроении, лишь только покинул смрадный воздух Рима, воняющий дымными печами, изрыгающими отвратительные чад и сажу» (Сенека, начало новой эры…). Почти через 2000 лет законодатель современной архитектуры, сторонник строительства крупных мегаполисов Ле Корбюзье предупредил: «Большой город грозит нам катастрофой…».[182]

Атмосферные движения – основная причина распространения загрязняющих веществ. Газообразные загрязнители переносятся с воздухом сами по себе, жидкие вещества превращаются в аэрозольные примеси, твердые переносятся в виде мелкой пыли. Перенос загрязнителей завершается их поглощением биосферой, живыми организмами, которые, в свою очередь, распространяют вредные вещества или накапливают их.

С начала 1960-х гг., когда в наш обиход вошло понятие «экология» (наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания), городская метеорология стала особой сложной самостоятельной проблемой. К тем же годам относится становление природоохранных мероприятий по стране в целом. Стало невозможным скрывать и умалчивать неблагополучное состояние воздушного бассейна и его негативное влияние на качество жизни. В послевоенные годы происходил рост промышленности и ее концентрация в определенных районах, но долгое время считалось, что загрязнения окружающей среды не происходит. Гидрометеорологической службе пришлось начинать новые виды работ по выявлению источников вредных выбросов, определению их состава, особенностей их распространения. Эти работы часто встречали сопротивление со стороны ведомственных и административных органов. Но к началу 1970-х гг. удалось разработать методы исследований, установить принципы регулирования хозяйственных воздействий, ввести, в частности, критерии опасности в виде предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных примесей в воздухе и воде.

Понятию ПДВ было дано следующее определение: «Предельно допустимый выброс – это научно-технический норматив, который устанавливается из условия, чтобы содержание загрязняющих веществ в приземном слое воздуха от источника или их совокупности не превышало норматив качества воздуха для населения, животноводства и растительного мира». Практическое внедрение разработок по охране атмосферы проходило медленно, но все же с 1980 г. ввели нормы выбросов для стационарных источников загрязнения. В перестроечные и последующие годы многие мероприятия по проблеме охраны окружающей среды замедлились или вообще были приостановлены.