Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом

Существуют три основных механизма, задействованных при подъеме воздуха и его дальнейшем охлаждении и конденсации: нагревание почвы солнечным излучением (в результате появляются восходящие потоки теплого воздуха), столкновение воздушных масс различной плотности (создает «фронты», выталкивающие воздух наверх) и горные массивы (препятствуют движению воздуха).

В тропосфере температура воздуха сначала падает при удалении от земли, а на высоте около 11 километров снова начинает подниматься. Эта температурная инверсия отмечает начало следующего слоя – стратосферы. В ней облака не образуются, потому что воздух из тропосферы не может подняться выше точки инверсии. Этот фактор ограничивает нестабильность атмосферы. В отсутствие инверсии наша погода была бы гораздо более экстремальной.

Циклоны умеренных широт

Циклоном можно назвать любой шторм с элементами вращения воздушных масс. Для появления циклона необходимы воздушные массы низкого давления, которые обычны для умеренных широт.

Неравный нагрев экватора и полюсов часто приводит к возникновению штормов протяженностью в тысячи километров. Они переносят тепло к полюсам планеты. Это так называемые циклоны умеренных широт. Благодаря им в умеренных широтах выпадает так много осадков.

Циклоны умеренных широт возникают вдоль фронта резких перепадов температуры, где холодный сухой полярный воздух граничит с теплым влажным тропическим воздухом. По мере того как холодный плотный воздух, движущийся вниз и к экватору, вытесняет более теплый и менее плотный воздух, движущийся вверх и к полюсам, высвобождается большое количество потенциальной энергии, что и приводит к возникновению сильных штормов.

Вспомогательным источником энергии является скрытое тепло. Чтобы превратить жидкую воду в пар, требуется много энергии, и эта же энергия выделяется при конденсации пара. При подъеме и охлаждении воздуха во время шторма и при конденсации водяного пара выделяется скрытое тепло, которое согревает окружающую атмосферу. Дополнительное нагревание заставляет воздух подниматься еще выше, выделяется больше скрытого тепла – так поддерживается шторм, преобразующий тепловую энергию в кинетическую, рождая при этом ветер, который действует как тепловой двигатель.

Грозы

В солнечную жару восходящие потоки теплого воздуха приводят к возникновению кучевых облаков. Их красивые пышные вершины по форме часто напоминают цветную капусту. В некоторых случаях верхушки этих облаков могут достигать внешних слоев тропосферы. В верхних частях таких облаков температура очень низкая, там образуются лед и снег. От столкновений между замерзшими частицами разделяются электрические заряды. Когда разность зарядов достигает критического уровня, происходит удар молнии, который воссоединяет положительные и отрицательные заряды.

Кучевые облака превращаются в кучево-дождевые, и начинается гроза. Дожди нужны, они поддерживают жизнь на нашей планете, но грозы часто несут в себе опасность. Грозовые ливни бывают самыми интенсивными; сильные осадки во время тропических циклонов всегда сопровождаются грозами. При сильных грозах дуют разрушительные ветры со скоростью до 240 километров в час; иногда идет крупный град, отдельные градины по размеру бывают с грейпфрут. Самые мощные ураганы в природе, торнадо, также порождаются грозами.

Торнадо

Над городком Бридж-Крик (штат Оклахома, США) 3 мая 1999 года пронесся торнадо. По измерениям доплеровского радара, скорость ветра достигала 486 километров в час на высоте около 30 метров над землей. Это была самая высокая скорость ветра за всю историю наблюдений. Ветры такой силы вызывают неисчислимые разрушения, сметая прочные бревенчатые дома с фундаментов и нанося серьезный ущерб армированным железобетонным конструкциям.

С 2000 года в Северной Америке было девять мощных торнадо, получивших официальное обозначение EF-5 по усовершенствованной шкале Фудзиты (скорость ветра превышала 322 километра в час). В отличие от ураганов, торнадо не могут похвастаться большими размерами – их поперечники обычно лежат в диапазоне от 75 метров до 3 километров. Они приходят из кучево-дождевых облаков, парящих над сушей или над водой. Торнадо, которые формируются и распространяются над водой, – водяные смерчи – обычно бывают намного слабее, чем те, что бушуют над землей.

Для того чтобы сформировались торнадо, необходим особый набор условий. Самое важное из них – наличие нестабильности и горизонтального отклонения ветра. Низковысотный поток теплого влажного воздуха, пришедший с океана, в сочетании с потоком холодного сухого полярного воздуха на большой высоте создает условия для появления максимальной нестабильности: участки воздуха, нагретые вблизи поверхности, быстро поднимаются, создавая мощные восходящие потоки.