Краткая история почти всего на свете - Билл Брайсон

Значительная часть наших знаний о том, что происходит там, наверху, получена на удивление недавно. Струйные течения, обычно отмечаемые на высоте 9-11 тысяч метров, способны достигать скорости 300 км/ч и в огромной степени влиять на состояние погоды целых материков, а ведь об их существовании не подозревали, пока летчики не стали залетать в них во время Второй мировой войны. Даже теперь о многих атмосферных явлениях существует весьма приблизительное представление. Время от времени в полеты самолетов вносит оживление вид волнового движения, известного в обиходе как турбулентность при ясном небе. Два десятка таких происшествий в год — достаточно серьезное дело, чтобы о нем сообщить. Эти случаи не связаны ни со строением облаков и ни с чем-либо другим, что можно обнаружить визуально или с помощью радаров. Это просто зоны внезапной турбулентности среди безмятежно спокойного неба. В одном таком случае самолет, летевший в тихую погоду из Сингапура в Сидней над центральной Австралией, вдруг упал на 90 м — достаточно, чтобы не пристегнутых к креслам пассажиров подбросило к потолку. Пострадало двенаддать человек, один серьезно. Никто не знает, что служит причиной таких опасных для целостности корабля воздушных ям.

Процесс, в результате которого воздух перемещается в атмосфере, аналогичен тому, что движет внутренним механизмом планеты, это — конвекция. В экваториальных широтах влажный теплый воздух поднимается вверх, пока не встречает препятствие в виде тропопаузы и затем распространяется вширь. Удаляясь от экватора, он остывает и опускается вниз. Достигнув нижней точки, часть воздуха стремится к областям низкого давления и, завершая кругооборот, поворачивает к экватору.

На экваторе конвекционный процесс обычно стабилен и погода, как и следует ожидать, солнечная и ясная, но вот в умеренных поясах характер погоды в большей мере определяется сезоном, местонахождением и просто случайными факторами, что приводит к бесконечному противоборству воздушных систем высокого и низкого давления. Системы низкого давления создаются поднимающимся воздухом, который уносит в небо молекулы воды, образуя облака и в конечном счете вызывая дождь. Теплый воздух может содержать больше влаги, чем холодный, потому тропические и летние ливни бывают самыми обильными. Таким образом, областям низкого давления свойственна облачная, дождливая погода, а области высокого давления несут ясные солнечные дни. Когда же обе эти системы встречаются, это часто бывает заметно по облакам. Например, слоистые облака — те самые неприятные скучные, облегающие все небо, — возникают, когда насыщенным влагой восходящим воздушным потокам не хватает сил, чтобы пробиться сквозь находящийся выше слой более плотного воздуха, и они расползаются вширь, как дым по потолку. В самом деле, если вы как-нибудь понаблюдаете за курильщиком, проследите за поднимающейся кверху в неподвижном воздухе струйкой дыма, то хорошо представите, как это происходит. Сначала дым поднимается прямо вверх (это называется ламинарным течением, запомните это слово, если хотите произвести на кого-нибудь впечатление), а затем расстилается широким волнистым слоем. Самый мощный компьютер в мире, самым тщательным образом контролирующий окружающую среду, не сможет точно предсказать, какую форму примут эти завитки дыма, так что можете представить себе трудности, стоящие перед метеорологами, когда они пытаются предсказать такие движения в кружащемся, продуваемом ветром полномасштабном мире.

Что мы знаем наверняка, так это то, что, поскольку солнечное тепло распределяется неравномерно, на планете возникает разница в атмосферном давлении. Воздух не может этого терпеть и поэтому мечется из стороны в сторону, пытаясь всюду уравнять положение вещей. Ветер — это попросту способ, которым воздух пытается поддерживать равновесие. Воздух всегда перетекает из областей высокого давления в области низкого давления (как и следует ожидать; представьте что-либо наполненное воздухом — воздушный шар, или пневматический баллон, или самолет с выбитым иллюминатором — и вспомните, как настойчиво сжатый воздух стремится вырваться наружу), и чем больше разница в давлении, тем сильнее ветер.

Между прочим, ветер набирает силу заметно быстрее, чем растет его скорость, например, при скорости 300 км/ч он не просто в десять, а в сто раз сильнее ветра скоростью 30 км/ч — и потому значительно разрушительнее. Добавьте к этому эффекту несколько миллионов тонн воздуха, и результат может получиться весьма внушительный. Тропический циклон за двадцать четыре часа способен высвободить столько энергии, сколько потребляет за год богатая страна средних размеров, такая как Англия или Франция.

О стремлении атмосферы к равновесию первым высказался Эдмонд Галл ей — он поспевал всюду, — а в восемнадцатом веке эту идею последовательно развил его соотечественник Бритон Джордж Хэдли, обнаруживший, что восходящие и нисходящие токи воздуха имеют свойство создавать «ячейки» (с тех пор известные как «ячейки Хэдли»). Будучи юристом по профессии, Хэдли в то же время живо интересовался погодой (в конце концов, он же был англичанином), кроме того, он предположил наличие связи между своими ячейками, вращением Земли и наблюдаемыми отклонениями воздушных потоков, которые порождают пассаты. Однако детали этих процессов объяснил в 1835 году профессор механики Высшей политехнической школы в Париже Гюстав-Гаспар Кориолис, и теперь мы ныне называем это явление эффектом Кориолиса.[245] (Другим достижением Кориолиса в Школе было внедрение водяных охладителей, которые, по-видимому, до сих пор известны там как кориосы.) На экваторе Земля вращается с порядочной скоростью 1675 км/ч, хотя по мере приближения к полюсам скорость значительно падает; например в Лондоне и Париже около тысячи км/ч. Если вдуматься, объяснение самоочевидно. Когда вы находитесь на экваторе, вращающейся Земле приходится за сутки переносить вас на весьма значительное расстояние — около 40 тыс. км, прежде чем вы вернетесь на исходное место, тогда как, стоя у полюса, вам может потребоваться всего лишь несколько метров, чтобы совершить полный оборот; хотя в обоих случаях на возврат в точку отправления потребуется 24 часа. Отсюда следует, что чем ближе к экватору, тем быстрее приходится вращаться.

Эффект Кориолиса объясняет, почему все, что движется в воздухе по прямой линии вбок от направления вращения Земли, отклоняется вправо в Северном полушарии и влево в Южном. Все дело в том, что под нами поворачивается Земля. Классический пример: представьте, что вы стоите в центре большой карусели и кидаете мяч кому-нибудь, находящемуся на краю. Когда мяч долетит до края, тот, кому вы его кидали, продвинется вперед, и мяч пролетит позади него. В его глазах это будет выглядеть так, будто мяч отклонился в сторону. Это и есть эффект Кориолиса, и именно он заставляет тропические циклоны крутиться волчком. Сила Кориолиса объясняет, почему при стрельбе из корабельных орудий делается поправка влево или вправо; иначе снаряд, летящий на 25 км, отклонится примерно на 100 м и безобидно плюхнется в море.

Принимая во внимание практическую и психологическую важность погоды почти для каждого из нас, удивительно, что метеорология не существовала как наука до самого начала XIX века (правда, сам термин «метеорология» существует с 1626 года, когда его употребил Т. Грейнджер[246] в книге о логике).

Проблема отчасти заключалась в том, что для получения удовлетворительных результатов в метеорологии нужны точные измерения температуры, а термометры долгое время было изготовлять труднее, чем можно подумать. Для получения точных показаний требовалось проделать в стеклянной трубке очень ровное отверстие, а это было нелегко. Первым, кто решил эту задачу, был голландский инструментальный мастер Габриель Даниель Фаренгейт. В 1717 году он изготовил точный термометр. Правда, по непонятным причинам он градуировал прибор таким образом, что тот обозначал точку замерзания 32 градусами, а точку кипения 212 градусами.[247] Эта числовая эксцентричность с самого начала создавала известные неудобства, и в 1742 году шведский астроном Анд ере Цельсий придумал конкурирующую шкалу. Как бы в доказательство того, что изобретатели редко делают все абсолютно правильно, Цельсий принял точку кипения за нуль, а точку замерзания за 100 градусов. Правда, вскоре их поменяли местами.

Чаще всего отцом современной метеорологии называют английского фармацевта Люка Хоуарда, получившего известность в начале XIX века. Сегодня о нем главным образом помнят в связи с тем, что в 1803 году он дал названия типам облаков. Хотя Хоуард был активным и уважаемым членом Линнеевского общества и применял принципы Линнея в своей новой системе, в качестве форума для сообщения о своей новой классификации он выбрал менее известное Аскезианское общество. (Вы, возможно, вспомните по одной из предыдущих глав, что члены его предавались необычным удовольствиям от вдыхания закиси азота, так что нам лишь остается надеяться, что там отнеслись к сообщению Хоуарда с незамутненным вниманием, как оно того заслуживало. В этом вопросе его биографы хранят странное молчание.)