Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

Данные аппараты сразу имели на борту инфракрасные камеры или датчики. Дело в том, что главным фактором погоды является температура, которую как раз данные приборы и фиксируют. Дождь идет, когда теплый влажный воздух встречается с холодным; облака возникают, когда вода нагревается на поверхности и охлаждается на высоте, где температура ниже; перепад давления возникает из-за того, что горячий воздух менее плотный и легкий, чем холодный. Он давит с меньшей силой. Ветер дует из области с высоким давлением в область низкого. Яркий пример – бриз. Днем Земля нагревается быстрее, чем вода. Над почвой давление уменьшается, и ветер дует с моря. Вечером и ночью земля быстро остывает, а вода продолжает держать тепло. Направление ветра тут же меняется от суши в сторону воды. Это было известно и до космических полетов, а данные с орбиты могли бы показать глобальные процессы и детали локальных.

Например, есть так называемые ячейки Хэдли и более слабые ячейки Феррелла. Это явления циркуляции воздуха поперек широты. Полярные регионы освещены меньше тропических. Холодный воздух от полюсов стремится перетечь ближе к экватору и вытесняет теплый воздух. Затем он нагревается, и ситуация повторяется. В итоге происходит зональная циркуляция. Ячейки Хэдли образуются преимущественно в тропиках, а Феррелла – в средних широтах. Данные структуры ответственны за появления пассатов – тропических ветров.

Космические данные показали, что ячейки Хэдли в последнее время увеличиваются, видимо, в связи с глобальным потеплением, а ячейки Феррелла вносят все меньший вклад в климат.

Температурные градиенты показали наличие тепловых волн, известных как волны Россби. Об их существовании было объявлено еще в 1939 году, но благодаря спутникам и глобальному мониторингу стали появляться данные о влиянии волн Россби на погоду и формирование циклонов и антициклонов. Волны Россби возникают из-за силы Кориолиса и температурного градиента, при этом вращение Земли стремится закрутить этот поток. Волны Россби похожи на ячейки Хэдли по принципу появления, но в них поток не циркулирует, а двигается вокруг Земли, совершая колебания. Волны наблюдаются в основном в верхних слоях атмосферы. На потоки воздушных масс ниже влияет еще и рельеф.

В полузамкнутом Карибском море возникает целая куча эффектов. Например, спутник TOPEX/Poseidon обнаружил 120‐дневные колебания уровня воды и температуры. Они происходят из-за взаимодействия и теплообмена потоков воздуха от Гольфстрима, волн Россби и сложной циркуляции открытого океана и Карибского бассейна.

Горы тоже оказывают влияние, задерживают воздушные потоки, а хребты их перенаправляют. Часто из-за этого образуются характерные розы ветров. Их тоже изучают с орбиты с помощью эффекта Доплера по изменению радиосигнала. Многие ветровые аномалии в гористой или холмистой местности даже получили свои имена. Самый известный теплый ветер, идущий с гор, называется фен (в дальнейшем он дал название электроприбору).

Рельеф влияет и на морские течения, которые переносят теплые и холодные массы воды. Самый яркий пример – закручивающийся восьмеркой вдоль границ Америки и Европы уже упомянутый Гольфстрим.

Еще влияние на погоду оказывают перепады давления. Толща воздуха притягивается к Земле, и чем она тяжелее, тем давление выше. Во-первых, оно зависит от плотности газа. Поскольку атмосфера в среднем однородна по составу, концентрация частиц зависит от температуры. Давление изменяется с высотой – чем дальше от Земли, тем меньше гравитация и больше объем, что приводит к уменьшению концентрации частиц. Это главный фактор снижения температуры с высотой. На давление могут влиять локальные изменения состава газов, чаще всего – из-за увеличения количества газообразной воды вследствие испарения. Немаловажный фактор – приливное взаимодействие Луны. Она своим притяжением создает горб не только на морской поверхности, но и сплющивает и вытягивает в свою сторону воздушную оболочку Земли. Соответственно, там, где прилив, давление больше, а там, где отлив, – меньше. Солнце тоже сильно притягивает к себе и создает горб, но, в отличие от ситуации с Луной, здесь есть дополнительный фактор. Излучение заставляет атомы отлетать в сторону от источника. Солнечный ветер «сдувает» атмосферу от освещенной стороны к ночной. Движения атмосферы, вызванные гравитационными силами, исследовались в эксперименте «Ракурс». Гравитация работает одинаково для всех слоев атмосферы, поэтому используются камеры, которые фотографируют верхние слои атмосферы – ионосферу. Фильтры на них реагируют на свечения атомарного кислорода на длине волны 557 нанометров. Гравитация вызывает колебания атмосферы, и где-то газов становится больше, а где-то меньше. Области сжатия, так как концентрация кислорода в них выше, будут светиться сильнее, чем области расширения. При этом еще измеряется высота атмосферы – насколько далеко от Земли можно зарегистрировать свет от кислорода.

Наконец, просто потоки встречных, однонаправленных или расходящихся ветров могут изменить давление в области. Яркий пример – глаз бури. Вихревой поток влажного и холодного воздуха играет роль стены. Он не дает уравновесить давление. Так, в области высокого давления может находиться регион с низким давлением. В такой ситуации могут возникнуть эффекты, ухудшающие ситуацию и приводящие к появлению опасных ураганов и торнадо. Теплый воздух из-за низкого давления опускается, а не поднимается. Он подпитывает испарение воды из океана. Пар поднимается вверх уже в области высокого давления, отдает энергию на усиление скорости и раскручивание потоков ветра.

В эксперименте «Ветер» отрабатывается новая технология определения скорости воздушных масс. Нагретая вода имеет собственное радиотепловое излучение со свойством поляризации, то есть электромагнитная волна имеет определенную ориентацию и колеблется в определенной плоскости. По изменению поляризации можно судить о структуре поверхности воды, например, о появлении ветровых волн. Если поверхность воды имеет наклон, то на МКС придет и наклоненное поляризованное излучение. На движение электромагнитной волны влияет наличие влаги в атмосфере, так что можно определить и толщину облаков. У метода высокая точность – до нескольких сантиметров, – но есть много ограничений в зависимости от положения станции на орбите. Можно получить много информации, но в ней легко запутаться. Со временем и накоплением экспериментальных данных удастся отработать технологию и лучше определять облачность и скорость ветра.

Когда первые спутники «Метеор» стали фиксировать все параметры, на Земле ученые не смогли их все обработать – настолько их было много. Да даже сейчас мощные компьютеры пасуют перед такой задачей, хотя на три дня могут с хорошей точностью рассчитать все взаимодействия ветра, тепла и давления.

Однако результат был, и он оказался просто колоссальным. Точность прогноза возросла в разы. До XIX века предсказывали погоду только шаманы с бубном, а вероятность того, что прогноз на следующий день сбудется, составляла в лучшем случае менее 10 %. Правда, тогда никто не говорил о температуре