Чем пахнет дождь? Ясные ответы на туманные вопросы о климате и погоде - Саймон Кинг

то она станет паром, а если охладить ниже нуля, то превратится в лед. Но так бывает не всегда. В метеорологии мы порой имеем дело с веществом H2O, все еще существующим в жидком состоянии при температуре до –40 °C. В таком виде она называется переохлажденной водой. Мы уже упоминали ее мельком в других главах книги, однако сейчас давайте остановимся на ней поподробнее.

При температурах ниже нуля молекулам воды, чтобы начать процесс кристаллизации в лед, нужно найти какое-либо ядро – микроскопическую пылинку, частичку грязи или пыльцы, или ледяной кристалл. Если такого ядра не находится и капелька воды остается «чистой» (содержит только молекулы водорода и кислорода), то кристаллизации не происходит. Вода не может замерзнуть сама по себе, пока не дойдет до температуры –40 °C, при которой начинается образование однородных кристаллов. Переохлажденная вода может присутствовать во многих облаках, но чаще всего – в облаках средней высоты, например высококучевых и высокослоистых, которые находятся достаточно высоко, чтобы температура в них была ниже нуля, но выше –40 °C, чтобы лед не образовывался сам по себе. Увидеть разницу можно невооруженным глазом: ледяные облака обычно имеют гладкий белый цвет и клочковатую структуру и парят очень высоко в небе.

Правда ли, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Что? Ответ очевиден – конечно, нет. Если поставить в морозильную камеру два стакана с водой – один с холодной, другой с горячей, – можно предположить, что холодная вода достигнет точки замерзания быстрее, чем горячая. Однако проводились эксперименты, в которых более горячая вода действительно замерзала быстрее, и причины этого веками ставили ученых в тупик! Возможно, вам случалось видеть один великолепный эксперимент: при очень холодной погоде чашку кипятка выплескивают в воздух, и вода немедленно замерзает, образуя мельчайшие кристаллики льда. С холодной водой в тех же условиях такое не случится.

Все началось с танзанийского школьника, Эрасто Мпембы, который в 1963 году на одном из занятий по поварскому искусству заметил, что горячая вода остывает быстрее, чем холодная. Мальчик должен был приготовить мороженое: он разогрел в кастрюле сливки и сахар, но охладить смесь не успел, поэтому пришлось класть ее в морозильник горячей. Спустя время Эрасто, к своему удивлению, заметил, что его мороженое замерзло в холодильнике быстрее, чем у одноклассников. Пораженный этим результатом, он обратился к школьному учителю, но тот только посмеялся над его заявлением. Позднее Эрасто сменил школу, в которую однажды пригласили профессора Денниса Осборна. Мальчик поделился с ним своими наблюдениями, после чего тот провел собственный эксперимент и получил схожие результаты. Нужно также отметить, что еще Аристотель, греческий философ IV века до н. э., писал: «Если вода была предварительно нагрета, она быстрее замораживается; потому что так она быстрее охлаждается». Осборн и Мпемба опубликовали результаты экспериментов совместно, и эффект получил название «Эффект Мпембы».

Ученые, однако, разделились в своем отношении к этому эффекту, поскольку в нескольких экспериментах не удалось воспроизвести результаты Мпембы, но были и удачные повторения. Существует множество теорий относительно того, как работает этот эффект, но проблема в том, что ученые не вполне уверены, что какая-то из этих теорий может служить полным и единственным объяснением, так что горячие споры вокруг явления продолжаются.

Туман

В простейшей трактовке туман – это облако у самой поверхности Земли, которое приводит к снижению видимости до 1000 метров и менее. Любое снижение видимости, вызванное облаком у земной поверхности, именуется туманом или мглой. Оно связано с тем, что облако состоит из миллиардов мельчайших водяных капелек, которые становятся на пути у солнечного света к вашему глазу. Поэтому чем плотнее туман, тем хуже сквозь него видно.

Туманы делятся на два основных типа: радиационные и адвекционные. Прежде чем объяснить разницу, нужно заметить, что способ образования тумана в обоих случаях одинаков. Воздух содержит невидимый глазу водяной пар. Чтобы убедиться в этом, прижмите ладони к лицу и несколько раз в них выдохните: вы почувствуете, что они становятся влажными, поскольку водяной пар изменяет свое агрегатное состояние, становясь жидкостью. Когда воздух охлаждается, он достигает точки, в которой водяной пар начинает конденсироваться в мельчайшие водяные капельки. Температура, при которой это происходит, называется «точкой росы», и синоптикам очень важно ее знать. Как и температура воздуха вообще, точка росы[11] может значительно изменяться в зависимости от времени года и географического положения. Если температура воздуха становится примерно на 2 градуса ниже точки росы, наступает критический момент, и водяной пар превращается в воду. Таким образом, туман образуется, когда в воздухе у земной поверхности находится достаточно взвешенных водяных капелек, чтобы затруднить видимость.

Существуют различия в том, как именно воздух охлаждается до температуры точки росы. Наиболее распространен зимой радиационный туман. Для его образования из всех погодных условий важнее всего ветер. Для формирования радиационного тумана он должен быть очень слабым. Слишком сильный ветер – и нижняя часть атмосферы, известная как пограничный слой, становится слишком турбулентной и перемешанной (хотя в незначительной степени это и необходимо). Такой туман называется радиационным, потому что воздух у земной поверхности охлаждается тепловым излучением. Чаще всего воздух охлаждается настолько при чистом небе, когда значительная доля тепла уходит в атмосферу (при сильной облачности образуется своего рода теплое одеяло, которое не дает температуре слишком снизиться ночью). Воздух продолжает охлаждаться, температура падает до двух градусов ниже точки росы, и образуется туман, который к утру постепенно рассеивается, поскольку Солнце начинает прогревать верхний слой тумана или почву. Кроме того, рассеять туман может и поднявшийся ветер.

Адвекционный туман образуется чаще всего над поверхностью воды – над озером или морем. Физический процесс охлаждения и конденсации воздуха над поверхностью точно такой же. Однако в случае адвекции теплый влажный воздух движется поверх сравнительно более холодного воздуха над поверхностью воды. Это значит, что теплый воздух начинает охлаждаться и, наконец, перестает удерживать влагу, после чего образуются водяные капельки. Появляется туман. В отличие от радиационного тумана, для которого нужен слабый ветер, адвекционный туман может образоваться при умеренных и даже сильных ветрах: воздух перемещается над поверхностью воды. Ветер часто переносит туман вглубь суши, так что в некоторых случаях на побережье может быть туман, хотя дальше видимость полная. Адвекционный туман может держаться по нескольку часов и даже дней, если имеется постоянный приток теплого влажного воздуха поверх более холодного воздуха над поверхностью воды.

Примерно так же, как адвекционный, образуется и туман на склоне холма – в этом случае теплый влажный воздух движется вверх по холму или горе. Восходящий таким образом воздух охлаждается