Часть пятая. Наука о погоде и ее предсказании [1938 Прянишников В.И. - Занимательное мироведение в вопросах и ответах]

194. Как можно просто доказать, что воздух имеет вec?

На этот вопрос можно ответить, в общем, правильно так: надо взвесить сосуд с воздухом и сосуд без воздуха. Таков один из шаблонных ответов; для решения вопроса указанным способом требуется специальное лабораторное оборудование. В итоге получается не так уж "просто", как требуется по условию.

Изучение воздуха имеет свою любопытную историю. Древние считали воздух основным элементом, из которого путем "сгущения" получаются огонь, вода и земля. Первые опыты, доказывающие вещественность воздуха, проведены приблизительно 2300 лет назад.

Греческий философ Анаксимандр (VI-VII век до нашей эры) проделал простой и убедительный опыт. В трубку, плотно закрытую с одного конца, вводился точно пригнанный поршень. До конца трубки он однако не доходил, несмотря на все старания. Вывод ясен: сжатый воздух, как вещество материальное, не дает поршню продвинуться дальше известного предела.

Современник Анаксимандра - Эмпедокл - проделал не менее простой и наглядный опыт: прозрачный сосуд, перевернутый дном вверх, погружался в воду. Вода входит в сосуд, но не достигает его дна, так как находящийся в сосуде уплотненный воздух допускает подъем воды в сосуде до определенного уровня.

Эти опыты (которые вы сами можете воспроизвести), доказывая материальность воздуха, однако не выражали ни его веса, ни величины последнего.

Долгое время опытов над воздухом не производили: физика, как и вообще все естественные науки, была запрещена церковью, считавшей, что все, что нас окружает в природе, создано "богом" и не подлежит научному объяснению.

Только Галилей (1564-1662) произвел первый опыт со взвешиванием воздуха. Он нагрел бутыль с воздухом, который, благодаря увеличению объема, частично вышел из бутыли; затем он взвесил ту же бутыль на холоду и нашел разницу в весе.

В 1642 г. Торичелли (итальянский ученый, ученик Галилея) изобрел ртутный барометр. Стеклянная трубка длиною около метра, открытая с одного конца, была им наполнена ртутью, после чего перевернутая (отверстие зажималось пальцем) погружалась в чашку, где находилась ртуть. Под действием силы тяжести ртуть в трубке опускалась, но только до известного уровня. Столб ртути в трубке, считая от уровня ее в чашке, равнялся около 76 сантиметров. Торичелли правильно объяснил это давлением наружного воздуха. Стоило в верхней части трубки, где не было воздуха, сделать отверстие, как ртуть сразу же выливалась из трубки. Опыт Торичелли доказал не только вещественность воздуха, но и давление воздуха, а следовательно, и весомость его. Что воздух оказывает давление на тела, в нем находящиеся, со всех сторон, показывает интересный опыт с "магдебургскими полушариями".

В 1650 году бургомистр города Магдебурга (в Германии) Отто фон-Герике изобрел воздушный насос, позволяющий выкачивать воздух из сосудов. В 1654 году он же произвел свой знаменитый опыт. Два полых полушария, диаметром около 40 сантиметров, плотно складывались вместе, и с помощью воздушного насоса из этого шара выкачивали воздух. 16 лошадей, запряженные по 8 с каждой стороны, не могли разнять полушарий, плотно прижатых давлением воздуха. Когда же открывали кран, полушария сами распадались.

Так еще давно было доказано, что воздух имеет вес, способен оказывать давление.

Точными научными исследованиями установлено, что воздух (представляющий собою смесь различных газов, главным образом азота и кислорода) в 770 раз легче воды. Один кубический метр воздуха на уровне моря весит 1293 грамма.^*

^*( На уровне моря на широте 45^о при температуре 0^о.)

Попробуйте вычислить вес воздуха, заключенного в объеме вашей комнаты.

195. Что произошло бы на Земле, если бы воздух внезапно исчез?

Вопрос можно поставить и несколько иначе: "На Луне нет воздуха; опишите особенности этого мира по сравнению с Землей". Обстоятельный разбор вопроса позволяет сделать важное заключение о том, каково вообще значение воздуха.

Укажем главные последствия исчезновения воздуха:

196. Почему возникает ветер и от чего зависит его сила?

Воздух находится в постоянном движении, причем частицы воздуха перемещаются как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.

Основная причина горизонтального перемещения воздуха - разница плотности воздушных масс: воздух более плотный оказывает большее давление, стремится в места, где давление меньше.

В жарких странах, над экваториальным поясом, где нагревание земной поверхности значительно больше, чем в иных местах Земли, имеются сильные восходящие потоки воздуха: нагретый, более легкий воздух вытесняется вверх менее нагретым, притекающим с севера и юга. По этой причине внизу возникают постоянные северные и южные ветры, дующие к экватору; вследствие вращения Земли вокруг своей оси, эти ветры отклоняются несколько к западу (северо-восточные и юго-восточные пассаты).

Кроме таких постоянных ветров, обусловленных тем, что в различных широтах (климатических поясах) земная поверхность, а следовательно и воздух, примыкающий к ней, получают неодинаковое количество тепла от Солнца, - наблюдаются периодические, сезонные ветры, дующие в течение полугода в одном направлении, а в течение второй половины года - в противоположном направлении. Смена направления этих ветров объясняется тем, что даже на одной широте поверхность суши и поверхность океанов нагревается и охлаждается неодинаково. Летом суша, а следовательно и воздух над ней нагревается больше, чем над океаном; оттого воздух над сушею, как более легкий, вытесняется вверх воздухом, притекающим с океана. В итоге - летом в нижних слоях атмосферы ветер дует с океана на материк, зимой же, наоборот, суша и воздух, примыкающий к ней, охлаждаются больше, чем над океаном. Поэтому зимою вытесняется вверх уже воздух над океаном, и ветер в нижних слоях атмосферы дует с суши на океаны. Такие сезонные ветры - муссоны - наблюдаются всюду, где достаточно большие материки соприкасаются с океаном, главным же образом в северной части Индийского океана, на западе Тихого океана (и значит - вдоль нашего дальневосточного побережья). Неодинаковое нагревание и охлаждение воды и суши мы всегда наблюдаем и у себя летом. Купаясь утром и днем, мы чувствуем в воде большую прохладу, чем в воздухе; вечером же и в первую половину ночи в воде теплее, чем на воздухе, потому что суша и воздух, к ней примыкающий, успели охладиться больше, чем вода. Нечто, подобное муссонам - смену направления ветра - можно наблюдать в жаркое время года на побережьи моря или большого озера: днем ветер дует с воды на сушу, ночью - наоборот. Такие суточные периодические ветры называются "бризами". Советуем проделать известный опыт со свечкой, поместив ее в зимнее время у приоткрытой двери: если поместить ее внизу, пламя будет отклоняться втекающим по низу потоком тяжелого холодного воздуха внутрь комнаты; если же поместить свечу у верха двери, то пламя будет отклоняться вытекающим наверху потоком более теплого и легкого воздуха - наружу.

Рис. 78. Обычное направление ветра летом у берега моря или большого озера. А - днем, В - поздно вечером или ночью

Сила ветра везде зависит от разного давления воздуха на одном уровне. Если разность давления на одном уровне достигает величины порядка нескольких миллиметров (ртутного столба) на расстоянии 100 километров, - то внизу возникает в этом месте сильный ветер. Чем разность давления меньше, тем и сила ветра слабее. Наконец, в тех районах, где давление воздуха почти одинаковое, наблюдается безветрие или маловетрие.

197. Как понимать выражение: "ветер в два, в три и более баллов"?

Часто в газетах при описании наводнения или бури упоминается, что ветер достиг силы во столько-то баллов.

Для того, чтобы четко представить себе силу ветра при том или ином балле, советуем обратить внимание на прилагаемую таблицу, запомнить основные признаки и при случае понаблюдать их в природе.

Шкала Бофорта

Сила ветра разбивается по так называемой шкале Бофорта на 12 баллов (см. табл. на стр. 176-177).

198. Почету при обмахивании лица мы чувствуем прохладу?

Когда нам жарко от летнего зноя или физической работы, мы обмахиваем лицо и чувствуем приятную прохладу. Чем это объясняется? Предложив такой вопрос, вы получите общий ответ: "потому что мы создаем ветер".

Это само собой разумеется, - но почему же ветер приносит прохладу?

Наше тело выделяет теплоту, и воздух, прилегающий (в данном примере) к нашему лицу, нагревается. При тихой погоде или при отсутствии искусственного ветра, вызываемого обмахиванием, теплый воздух замещается холодным очень медленно. При обмахивании или при ветре смена различных слоев воздуха происходит быстрее: нагретый воздух отгоняется, место его занимает более холодный, который и отнимает некоторое количество тепла от разгоряченной кожи.

Другая причина заключается в испарении. Наше тело через кожу всегда испаряет влагу, и требуемая для этого теплота отнимается от поверхности тела. Но воздух принимает влагу лишь до известного предела (до насыщения), после чего испарение прекращается. Если воздух спокоен, он быстрее насыщается; при ветре же влажный воздух заменяется более сухим, и испарение возобновляется.

Вследствие указанных причин, обмахивание лица приносит прохладу. Но в пустынях, где воздух сильно нагрет от раскаленного песка, ветер, напротив, приносит еще больший зной, так как воздух пустыни имеет более высокую температуру, чем человеческое тело.

199. Почему сильный мороз при тихой погоде переносится легче, чем слабый при ветре?

Правильный ответ на этот вопрос вытекает из объяснений, данных в предыдущем вопросе.

Ветер отгоняет слой воздуха, непосредственно соприкасающийся с нашей кожей, и заменяет новым холодным воздухом, также отнимающим тепло от нашего тела. При тихой погоде прилегающий к телу воздух нагревается и, являясь плохим проводником тепла, задерживает дальнейшее выделение теплоты нашим телом. Конечно, воздух, нагретый нашим телом, становясь легче, постепенно заменяется холодным, но при тихой погоде это происходит медленно, а во время ветра - быстро.

Сибиряки знают это по своему опыту. Сильные морозы при отсутствии ветра переносятся в Сибири сравнительно легко.

При испарении водяной пар поступает в воздух и, если нет ветра, то через определенное время воздух, прилегающий к белью, уже насытится водяным паром и не будет больше принимать влаги; дальнейшее испарение прекращается. Если же воздух перемещается (что происходит при ветре) и к белью примыкают все новые порции менее влажного воздуха, то испарение увеличивается (белье сохнет скорее).

201. Почему, когда весной идет лед по Неве, в Ленинграде холодно?

Ленинградцы на этот вопрос, не задумываясь, отвечают: "ладожский лед охлаждает воздух". Однако, дело здесь не в ладожском льде, а в направлении ветра. Нева течет приблизительно с северо-востока на юго-запад; ладожский лед идет только при северо-восточных ветрах, когда он сгоняется к истоку Невы. Северо-восточные ветры берут свое начало обычно в северных полярных и, следовательно, холодных странах, почему к нам и приносится холод Полярного моря. Когда пройдет ладожский лед и вновь подует ветер этого направления, опять наступают холода, хотя льда к этому времени в Неве уже нет. Эта вторая волна холода далеко простирается к югу и обычно совпадает по времени с цветением черемухи ("черемухины холода").

Загораем мы летом в ясную погоду от действия ультрафиолетовых (невидимых для глаз) лучей. Под действием этих лучей образуется в коже красящее вещество (пигмент), кожа темнеет. Сильное действие Солнца может причинить серьезные ожоги - скажется слишком положительное воздействие ультрафиолетовых лучей. Вот почему необходимо, чтобы кожа привыкла к сильному действию ультрафиолетовых лучей; солнечные ванны надо начинать с нескольких минут, постепенно увеличивая до получаса (для каждого человека продолжительность непрерывного пребывания на солнце определяется врачом).

Чем воздух чище, тем больше сказывается влияние ультрафиолетовых лучей; так, на высоких горах в разреженном воздухе часты случаи серьезных ожогов лица (это произошло с участниками экспедиции на Памир в 1928 г.). Люди загорают даже в полярных странах (например, челюскинцы возвратились из своего ледового плена сильно загорелыми).

203. Что такое погода и от чего зависит ее изменение?

Много различных толкований этого вопроса пришлось слышать автору, однако правильные ответы были редки.

Под погодой мы подразумеваем состояние воздушной массы, которая расположена или протекает в данный момент над данным районом. Состояние погоды определяется ее элементами (метеорологическими элементами). Главные метеорологические элементы таковы:

Все это только главные элементы (составные части) погоды; кроме перечисленных, играют большую роль: продолжительность солнечного сияния, количество испаряющейся воды с определенной площади и т. д. Для определения каждого из упомянутых элементов погоды имеются особые приспособления и инструменты для наблюдений.

204. Почему барометр часто неправильно "предсказывает погоду?

Барометр вообще не "предсказывает" погоду. Он показывает только величину давления воздуха в данный момент, а давление воздуха - лишь одна из составных частей погоды.

При низком давлении небо почти всегда закрыто облаками, но это еще не означает дождливой или снежной погоды, как следует из показаний барометра. Дождь и другие осадки происходят от выделения излишка влаги из воздуха при определенной температуре. Следовательно, давление здесь играет роль второстепенную: если давление низкое, а воздух достаточно сух, не будет ни дождя, ни снега. Даже если воздух содержит большое количество влаги, но в этот момент достаточно тепло, то тоже не будет осадков, несмотря на "предсказание" барометра. К этому надо прибавить, что барометр показывает разное давление на разной высоте над уровнем моря; чем выше место, тем давление меньше. Поэтому обычный барометр со стрелками (анероид) будет на высоких горах, где воздух разреженнее, всегда показывать "дождь" или даже "бурю", хотя там в это время стоит ясная и тихая погода. Итак, надо запомнить, что барометр вовсе не предсказывает погоды. Об изменении погоды с большей вероятностью, частично учитывая изменения давления, можно сделать заключение, приняв в расчет также температуру и влажность.

Зачем же тогда проставляют цифры и надписи на анероидах? Цифры показывают давление воздуха в миллиметрах соответственно высоте ртутного столба. Надписи же "переменно", "ясно" и др. - появились давно. Их стали делать мастера для того, чтобы облегчить сбыт тогда еще новых приборов.

К сожалению, многие, не зная этих особенностей металлических барометров и принципов их действия, обвиняют бюро погоды, когда погода не согласуется с показаниями барометра.

Часто на вопрос: "Когда в Ленинграде наблюдался циклон?" слышишь (например, от ленинградца) такой ответ: "В 1924 году, когда в Ленинграде было сильное наводнение".

Рис. 79. Направление ветра в циклоне (схематический план)

Однако, циклопы - гораздо более частые, можно сказать, почти повседневные явления не только в Ленинградской области, но и во многих районах СССР. Циклоном^* называется такая обширная область, в которой воздух по низу стекается от границ области к середине, имея вместе с тем восходящее движение; поднимающийся воздух наверху растекается. В антициклоне, наоборот, наверху воздух стекается, опускается и внизу растекается во все стороны. Объясняется это распределением давления: в циклоне давление воздуха по краям выше, а в центре - ниже; в антициклоне наоборот: в центре выше, а по краям ниже (см. рис. 79). Вследствие вращения Земли вокруг своей оси воздух стекается в циклонах и растекается в антициклонах не по направлению наибольшего падения давления, а отклоняется от него вправо приблизительно на угол 60^о (чем и объясняется спиралевидное движение воздуха)^**. Так как воздух в циклонах стекается к центру со всех сторон, то в определенных районах каждого циклона дуют северные ветры, в других - северо-западные, западные, юго-западные, южные и т. д.

^*( От греческого корня "цикл" - круг, окружность)

^**(В южном полушарии ветры отклоняются влево)

Если определить помощью барометра давление воздуха в разных точках на большом пространстве, то область циклона будет ограничена замкнутыми линиями равного давления (изобарами), расположенными в возрастающем порядке от центра, где наименьшее давление. В тропических районах расположение изобар можно сравнить с годовыми кольцами на спиленных деревьях; в наших широтах линии равного давления дальше отстоят друг от друга, чем изобары тропических циклонов и кроме того они замкнуты, представляют сложные извилистые очертания. Циклоны умеренных и полярных широт чаще называют минимумами.

Циклоны в наших местах охватывают громадные районы (иногда более 3000 кв. км). Ветер в наших циклонах обычно не достигает большой силы. В жарких странах циклоны невелики по площади, разница же в давлении воздуха в середине и на краях достигает большой величины, и поэтому ветер достигает там силы урагана.

Рис. 80. Распределение облачности и осадков внутри циклона. П - перистые облака. ПС - перисто-слоистые. Д - дождевые

Погода при циклонах обычно пасмурная, часто идет дождь или снег. Это происходит потому, что воздух, приближаясь к центру циклона, где теплый, более легкий воздух встречается с холодным, постепенно поднимается, а, следовательно, и охлаждается. В результате выделяется излишек влаги. Циклоны довольно быстро перемещаются (со скоростью в среднем 30-35 км в час в наших широтах). В связи с этим часто и быстро меняется погода в местностях, лежащих на пути циклона. По мере приближения центра циклона, давление воздуха понижается ("барометр падает") и стрелка анероида приближается к надписи "дождь", но часто барометр "ошибается", если влажность недостаточна или температура высока. О распределении погоды внутри циклона в различных частях его можно судить на основании рисунка 80.

Изучая ответы слушателей по этому вопросу, автору удалось подметить, что если слово "циклон" понимают часто не совсем правильно, то об антициклоне имеются почти всегда превратное представление. Некоторые пытаются отгадать смысл на основании противоположности (приставка "анти"), но это еще не является точным определением.

Антициклон действительно - прямая противоположность циклону. В циклонах воздух стекается к центру, - в антициклонах он расходится от центра. При циклонах небо обыкновенно облачно, при антициклонах - преимущественно ясно. Причина ясной антициклонной погоды следующая.

Над серединой антициклона находится плотный спускающийся воздух. Приближаясь к земле, воздух нагревается: содержащаяся в нем влага превращается в невидимый пар, и небо освобождается от облачности.

Хотя погода во многом и зависит от перемещения циклонов и антициклонов, но, зная о приближении циклона, нельзя все же делать вывода, что обязательно будет дождь, снег и т. п.; надо еще знать, какая часть циклона или антициклона пройдет через данное место (при одинаковом давлении в отдельных частях циклона и антициклона - другие элементы погоды значительно отличаются друг от друга).

Рис. 81. Распределение погоды и направление ветра внутри антициклона

В заключение нашей беседы о циклонах и погоде рассмотрим не сколько дополнительных вопросов.

Как определить без приборов направление центра надвигающегося или проходящего циклона?

Надо встать спиной к ветру и отвести левую руку на 60^о от направления дующего ветра (рука будет выдаваться несколько вперед). Направление руки укажет на центр циклона (место пониженного давления). Нахождение центра циклона важно при определении, какая часть циклона пройдет или прошла через данное место.

Циклон надвигается, но центр его проходит южнее. Какая должна ожидаться погода?

Понижение температуры - ветры восточные с переходом в северо-восточные, вероятны осадки, продолжительные, но не особенно обильные.

Циклон надвигается, центр пройдет севернее. Какой надо ждать погоды?

Обычно повышение температуры, продолжительные осадки, южный ветер сменится юго-западным, с переходом в дальнейшем в западный.

Если центр циклона прошел через место наблюдения, какая должна ожидаться погода?

Надо ожидать прояснения с понижением температуры.^*

^*( Эти дополнительные вопросы следует проработать для обоснования предсказаний погоды по местным признакам)

Конечно, погода изменяется и предсказывается не так просто, как здесь сказано. Предвидение погоды - задача очень сложная, составляющая предмет изучения специальной науки.

Как это ни будет казаться странным, но влажный воздух легче. Водяной пар, поступающий в воздушную массу, вытесняет часть основных газов, составляющих воздух, в соседние массы воздуха. Водяной же пар значительно легче, чем атмосферные газы, - поэтому, чем больше водяного пара в данной массе воздуха, тем этот воздух легче и, следовательно, чем меньше водяного пара в воздухе, тем он тяжелее.

В книге Бенуа и Никитина "Метеорология для судоводителей" имеется интересная таблица, разъясняющая сказанное.

Вес одного кубического метра воздуха в кг при давлении 760 мм и широте 45^о.

- Как же, - скажете вы, - видел, сегодня утром, когда чай пил.

Но вы ошиблись. Водяной пар невидим. То, что вы называете паром, не пар, а капельки воды, результат сгущения пара.

208. Какая разница между облаками и туманом?

Облака образуются, когда излишек пара сгущается в капельки воды, что часто происходит в циклонических областях (воздух поднимается и охлаждается). Туман образуется, подобно облаку, но близ самой земной поверхности. Следовательно, разница между облаком и туманом только та, что туман образуется внизу, а облако - наверху. Иногда туман поднимается; это значит, что внизу стало теплее, и сгущение паров происходит уже не у самой земли, а на некотором расстоянии (туман превращается в облако). Если облако опускается, - значит, влажность увеличивается, и низкая температура позволяет образоваться каплям воды у самой поверхности Земли.

209. Почему при сильном морозе над незамерзшими местами реки (или моря) клубится туман?

Потому что температура воды выше температуры окружающего воздуха и испаряющаяся влага сразу же сгущается в капли, чего при более высокой температуре не бывает. В последнем случае испарение больше, чем при холоде, но пар невидим, и потому тумана мы не наблюдаем.

Если предыдущие вопросы рассмотрены вами, то легко объяснить и причину образования дождя и снега.

В воздухе всегда содержится невидимый водяной пар. Чем температура выше, тем больше может удержаться пара в воздухе. Например, при температуре 0^о в кубическом метре воздуха может находиться не более 4,9 граммов паров, при температуре 10^о - не более 9,4 граммов. Если в воздухе окажется больше паров, чем может содержаться при данной температуре, то излишек выделится в капли, образуется дождь. Если температура воздуха ниже 0^о, излишки пара переходят в лед (снежинки - ледяные кристаллики).

Образованию дождя способствуют мельчайшие пылинки, служащие ядрами для капель, которые обволакивают пылинки. Если пыли нет, - образование дождя задерживается, несмотря на большую влажность.

Водяные капли могут находиться и в переохлажденном состоянии (до 10^о ниже нуля). Поднятые восходящими токами воздуxa в жаркое время капли соприкасаются с ледяными частицами верхних облаков и замерзают. Так образуется град. Рассматривая градины, мы видим словно несколько оболочек; это объясняется тем, что градина, благодаря тяжести, начинает падать и слегка оттаивает; на поверхность ее осаждаются новые капли; если же имеется сильный восходящий ток воздуха, то градина снова заносится вверх, опять соприкасается со льдинками облаков, замерзает, увеличивается в размере и падает на землю. Это может повторяться несколько раз, и тогда градина может достигнуть большого размера - величины с куриное яйцо и даже больше. Если восходящего тока воздуха нет, град не может образоваться. Вот почему не бывает града зимой и чаще всего град наблюдается в самое жаркое время, когда нагретый от земли воздух поднимается быстро вверх. Град часто идет из грозовых туч, так как при грозе, кроме сильных токов воздуха, слиянию капель способствуют электрические разряды.

211. Какие вы знаете виды осадков? Перечислите их.

Ограничиться перечнем дождя, снега и града недостаточно. Число разных видов осадков значительно больше. Кроме разновидностей дождя, снега, града, к осадкам относятся:

Роса и иней. Первая образуется летом в ясную, тихую погоду вскоре после захода Солнца (поверхность Земли остывает скорее, чем прилегающий к ней воздух, из которого благодаря этому выделяется в виде капель излишек влаги). Если температура ниже нуля, то вследствие той же разности температур - образуется иней.

Изморозь. Это белый рыхлый налет ледяных кристаллов, покрывающий иногда при сильном морозе ветки деревьев, телеграфные столбы, провода