Дождь – атмосферные осадки, выпадающие из облаков в виде капель воды диаметром от 0,5 до 6–7 мм. Жидкие осадки с меньшим диаметром капель называются моросью. Капли с диаметром больше 6–7 мм разбиваются при падении на меньшие. Интенсивность дождя колеблется от 0,25 мм/ч (моросящий дождь) до 100 мм/ч (ливень). Дождь выпадает, как правило, из смешанных облаков (преимущественно слоисто-дождевых и высокослоистых), содержащих при температуре ниже нуля переохлажденные капли и ледяные кристаллы. Упругость насыщения водяного пара над каплями больше, чем над ледяными кристаллами при той же температуре; поэтому облако, даже не насыщенное водяным паром по отношению к каплям воды, будет пересыщено по отношению к кристаллам. Это приводит к росту кристаллов при одновременном испарении капель. Укрупняясь и утяжеляясь, кристаллы выпадают из облака, примораживая к себе при этом переохлажденные капли. Входя в нижнюю часть облака или под него в слои с положительной температурой воздуха, они тают, превращаясь в капли дождя. Меньшая роль в образовании дождя принадлежит слиянию облачных капель между собой.
Жидкость – одно из агрегатных состояний вещества. Основным свойством жидкости, отличающим ее от других агрегатных состояний, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объем. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твердым телом и газом: газ не сохраняет ни объем, ни форму, а твердое тело сохраняет и то и другое. Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведет себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает несохранение формы (внутренних частей жидкого тела). Молекулы жидкости не имеют определенного положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии. Вещество в жидком состоянии существует в определенном интервале температур, ниже которого переходит в твердое состояние путем кристаллизации или аморфного превращения, а выше – испарением в газообразное. Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси, причем многие жидкости могут выполнять функцию растворителей.
Капля – небольшой объем жидкости, ограниченный поверхностью вращения или близкой к ней. Форма капли определяется действием сил поверхностного натяжения и внешних сил. Капли образуются: при стекании жидкости с края поверхности или из малых отверстий, при конденсации пара, при распылении жидкости и эмульгировании. Роса образуется при конденсации водяного пара на поверхностях, туман и облака – при конденсации водяного пара на пылинках воздуха. Форма капли определяется совокупным действием поверхностного натяжения и других внешних сил. Микроскопические капли, для которых сила тяжести не играет определяющей роли, имеют форму шара – тела с минимальной для данного объема поверхностью. Крупные капли в земных условиях имеют шарообразную форму только при равенстве плотностей жидкости капли и окружающей ее среды. Падающие дождевые капли под действием силы тяжести, давления встречного потока воздуха и поверхностного натяжения принимают вытянутую форму. На несмачиваемых поверхностях капли приобретают форму приплюснутого шара.
Конвекция (от лат. convectio – доставка) – перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. Различают естественную, или свободную, и вынужденную конвекцию.
Ледник – масса льда преимущественно атмосферного происхождения, испытывающая вязко-пластическое течение под действием силы тяжести и принявшая форму потока, системы потоков, купола или плавучей плиты. Ледники образуются в результате накопления и последующего преобразования твердых атмосферных осадков снега при их положительном многолетнем балансе. Общим условием образования ледников является сочетание низких температур воздуха с большим количеством твердых атмосферных осадков, что имеет место в холодных странах высоких широт и в вершинных частях гор. Однако чем больше суммы осадков, тем выше могут быть температуры воздуха. Преобразование снега в лед может идти как при отрицательной температуре, так и при температуре таяния. В первом случае – путем рекристаллизации, вызываемой давлением вышележащей толщи и уменьшением пористости снега. Во втором случае – посредством таяния снега с повторным замерзанием талой воды в толще.
Мировой океан – основная часть гидросферы, составляющая 94,1 % всей ее площади, непрерывная, но не сплошная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова и отличающаяся общностью солевого состава. Воды Мирового океана составляют основную часть гидросферы Земли – океаносферу. Воды океана составляют более 1338 млн кубических километров. Единство океана как водной массы обеспечивается ее непрерывным движением как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. В океане, как и в атмосфере, нет резких природных границ, все они более или менее постепенны. Здесь осуществляется глобальный механизм трансформации энергии и обмена веществ, который поддерживается неравномерным нагревом солнечной радиации поверхностных вод и атмосферы.
Океан играет огромную роль в формировании климата Земли. Под действием солнечной радиации вода испаряется и переносится на континенты, где выпадает в виде различных атмосферных осадков. Океанические течения переносят нагретые или охлажденные воды в другие широты и в значительной мере ответственны за распределение тепла по планете. Вода обладает большой теплоемкостью, поэтому температура океана меняется гораздо медленнее, чем температура воздуха или суши. Если факторы, вызывающие течения, постоянны, то образуется постоянное течение, а если они носят эпизодический характер, то формируется кратковременное, случайное течение. Течения, температура воды в которых выше средней температуры для тех же широт, называют теплыми, ниже – холодными, а течения, имеющие ту же температуру, что и окружающие его воды, – нейтральными. Скорость течений в среднем не превышает 10 м/с, а в глубину они распространяются не более чем на 300 метров.
Молния – гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим ее громом. Наиболее часто возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда образуются в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.
Муссоны (франц. mousson, от араб. маусим – время года) – устойчивые сезонные переносы воздуха у земной поверхности и в нижней части тропосферы. Характеризуются резкими изменениями направления от зимы к лету и от лета к зиме, проявляющимися над обширными районами Земли.
Парниковый эффект (оранжерейный эффект) атмосферы – свойство атмосферы пропускать солнечную радиацию, но задерживать земное излучение и тем самым способствовать аккумуляции тепла Землей. Земная атмосфера сравнительно хорошо пропускает коротковолновую солнечную радиацию, которая почти полностью поглощается земной поверхностью, так как альбедо земной поверхности в общем мало. Нагреваясь за счет поглощения солнечной радиации, земная поверхность становится источником земного, в основном длинноволнового, излучения, прозрачность атмосферы для которого мала и которое почти полностью поглощается в атмосфере.
Пассаты (от голл. passaat) – воздушные течения в тропических широтах океанов, сравнительно устойчивые в течение всего года. Являются частью общей циркуляции атмосферы. Общее направление пассата – с Востока на Запад. В нижней части тропосферы (на высоте 1–2 км) его дополняют меридиональные составляющие, направленные преимущественно к экватору; в результате в Северном полушарии пассаты чаще всего являются северо-восточными ветрами, а в южном – юго-восточными. Пассаты тесно связаны с субтропическими океаническими антициклонами (дуют по обращенным к экватору перифериям этих антициклонов). Над материками в тропиках, где режим ветра более изменчив, они выражены менее определенно, а в ряде районов заменяются муссонами.
Погода – совокупность непрерывно меняющихся значений метеорологических элементов и атмосферных явлений, наблюдаемых в данный момент времени в той или иной точке пространства. Понятие "погода" относится к текущему состоянию атмосферы, в противоположность понятию "климат", которое относится к среднему состоянию атмосферы за длительный период времени. Если нет уточнений, то под термином "погода" понимают погоду на Земле. Погодные явления протекают в тропосфере (нижней части атмосферы) и в гидросфере. Выделяют периодические и непериодические изменения погоды. Периодические изменения погоды зависят от суточного и годового вращения Земли. Непериодические обусловлены переносом воздушных масс. Они нарушают нормальный ход метеорологических элементов. Несовпадение фазы периодических изменений с характером непериодических приводят к наиболее резким изменениям погоды.
Стратосфера (от лат. stratum – слой и сфера) – слой атмосферы между тропосферой и мезосферой (от 8–16 км до 45–55 км), температура в стратосфере в общем растет с высотой. Газовый состав воздуха в стратосфере сходен с тропосферным, но в нем меньше водяного пара и больше озона с наибольшей концентрацией в слое от 20 до 30 км. Тепловой режим стратосферы в основном определяется лучистым теплообменом, в меньшей степени – вертикальными движениями и горизонтальным переносом воздуха.
Струйное течение – воздушное течение в верхней тропосфере и в нижней стратосфере с почти горизонтальной осью, характеризующееся большими скоростями, относительно малыми поперечными размерами и большими вертикальными и горизонтальными градиентами ветра. Такое течение напоминает гигантскую струю среди относительно слабых ветров окружающей атмосферы.
Тропопауза (от греч. τροπος – поворот, изменение и пауза) – часть атмосферы, переходный слой от тропосферы к стратосфере. Расположена в среднем в 12 км от поверхности Земли. Толщина тропопаузы составляет от нескольких сотен метров до 2–3 километров. Высота тропопаузы зависит от географической широты, циклонической деятельности и сезона (летом тропопауза расположена выше, чем зимой). В субтропиках наблюдаются разрывы тропопаузы, обусловленные мощными струйными течениями. Тропопауза над отдельными районами часто разрушается и формируется заново. В тропопаузе градиент температуры, имеющийся в тропосфере, уменьшается; иногда наблюдается температурная инверсия.
Тропосфера (от греч. τροπος – поворот, изменение и сфера) – нижняя, преобладающая по массе часть земной атмосферы, в которой температура понижается с высотой, простирается в среднем до высот 8–10 км в полярных широтах, 10–12 км в умеренных, 16–18 км в тропических. Над тропосферой располагается стратосфера, от которой она отделена сравнительно тонким переходным слоем – тропопаузой. В тропосфере сосредоточено более всей массы атмосферного воздуха. Среднее атмосферное давление на верхней границе в умеренных широтах менее атмосферного давления у земной поверхности. Самые высокие горы остаются в пределах тропосферы, и вся деятельность человека проходит в тропосфере, только космический и воздушный транспорт выходит за пределы тропосферы – в стратосферу.
Турбулентность – явление, наблюдаемое во многих течениях жидкостей и газов и заключающееся в том, что в этих течениях образуются многочисленные вихри различных размеров, вследствие чего их гидродинамические и термодинамические характеристики (скорость, температура, давление, плотность) испытывают хаотические флуктуации и потому изменяются от точки к точке и во времени нерегулярно. Этим турбулентные течения отличаются от так называемых ламинарных течений. Большинство течений жидкостей и газов в природе (движение воздуха в земной атмосфере, воды в реках и морях, газа в атмосферах Солнца и звезд и в межзвездных туманностях и т. п.) и в технических устройствах являются турбулентными.
Фронты атмосферные (фронты тропосферные) – промежуточные, переходные зоны между воздушными массами в тропосфере. Зона атмосферного фронта очень узка по сравнению с разделяемыми ею воздушными массами, поэтому ее приближенно рассматривают как поверхность раздела двух воздушных масс разной температуры, называемой фронтальной поверхностью. На синоптических картах атмосферный фронт изображают в виде линии (линия фронта). Поверхность фронта располагается наклонно к земной поверхности, причем холодный воздух лежит в виде очень пологого клина под теплым.
Циклон (от греч. κυκλώνας – кружащийся, вращающийся) – атмосферное возмущение с пониженным давлением в центре и вихревым движением воздуха. Различают внетропические и тропические циклоны. Последние обладают особыми свойствами и возникают гораздо реже.
Циркуляция атмосферы – общая система крупномасштабных воздушных течений над земным шаром. В тропосфере сюда относятся пассаты, муссоны, воздушные течения, связанные с циклонами и антициклонами, в стратосфере – преимущественно зональные (западные и восточные) переносы воздуха с наложенными на них так называемыми длинными волнами. Циркуляция является важнейшим климатообразующим процессом. Характер погоды и его изменения в любом месте Земли определяются не только местными условиями теплооборота и влагооборота между земной поверхностью и атмосферой, но и циркуляцией атмосферы.
Благодарности
Автор с большим удовлетворением вспоминает плодотворные обсуждения рукописи со своими коллегами и отмечает, что замысел книги подсказал в свое время академик РАН Э. П. Кругляков, а доктор ф.-м. наук, профессор М. Б. Менский высказал ряд ценных предложений.
Автор подозревает, что замечательные специалисты издательства "Страта", в особенности изумительный редактор Светлана Викторовна Волкова, вполне могли бы и обойтись без его участия, но вот сам автор без их разносторонней высоко профессиональной работы был бы совершенно беспомощен.