ОБЛАКА. ОСАДКИ
КТО ПЕРВЫЙ ДАЛ НАЗВАНИЯ ОБЛАКАМ
Облака, если в них всматриваться внимательно, очень различны по виду. Некоторые из их разновидностей сразу бросаются в глаза. Все знают, что такое "барашки", мелкие и крупные. Эти облачка так напоминают стада белых, мохнатых барашков, что получили такое же название и на немецком, и на французском языках.
Всем знакомы также мелкие "перистые" облака, напоминающие перья, султаны, перепутанные тонкие нити. Иногда ими закрыто все небо и все-таки сквозь них светит и греет солнце, — настолько они легки и прозрачны. Хорошо известны, особенно жителям севера, плотные серые облака, при которых солнца совершенно не видно; из них часто идет долгий мелкий дождь или снег. Есть, наконец, клубящиеся белые облака, появляющиеся на небе в ясные летние дни; они блестящего белого цвета, снизу плоские, местами затененные, а вершины их закруглены. К дневным часам их часто становится так много, что того и гляди они закроют все небо, но сквозь них нет нет и проглянет солнце; к вечеру они постепенно исчезают. Иногда такие облака растут в вышину, нагромождаются, как башни; верхушки их точно вуаль расстилаются по небу, — и вдруг начинает погромыхивать: берегитесь грозы!
Три типичных формы облаков: перистые, слоистые, (сплошные серые облака) и кучевые — белые облака хорошей погоды были впервые отмечены англичанином Люком Говардом в конце XVIII вёка. Он не был ученым-специалистом, служил на химическом заводе в Лондоне, но серьезно занимался естественными науками и был в 1821 г. избран членом ученого Лондонского королевского общества. Он первый обозначил три основные формы облаков особыми названиями, по обычаю того времени, по латыни: перистые — Cirrus, слоистые — Stratus и кучевые — Cumulus (эти названия буквально значат то же, что и по-русски). К ним была еще присоединена четвертая форма — Nimbus (дождевые), — темные, разорванные облака, из которых идут сильные дожди. С тех пор прошло свыше 100 лет, но деление облаков, данное Говардом, сохранилось и сейчас, как основа классификации облаков.
Великий поэт и натуралист Гете, с которым Говард был в деятельной переписке, сразу оценил значение введенных им названий и посвятил как ему, так и каждой из обозначенных им форм облаков особые стихотворения. В одном из них говорится: "Чтоб разобраться в бесконечном разнообразии, нужно сначала отличить, затем объединить. Пусть же славит моя окрыленная песнь человека, который различил облака…"
В дальнейшем классификация Говарда была расширена; к основным формам прибавились промежуточные, названия которых составлены из соединения основных: так, мелкие барашки называются "перисто-кучевыми", крупные барашки — "высоко-кучевыми", грозовые облака — "кучево-дождевыми" и т. п.
Рис. 28. Облака перистые.
ВОДА В НЕБЕ
Облака — та же вода, в состоянии жидком (мельчайшие водяные капельки)[6] или твердом (ледяные кристаллики). Как и туман, облака образуются при выделении избытков влаги из воздуха вследствие его охлаждения; низкие слоистые облака ничем не отличаются от тумана, кроме большей высоты, и когда мы снизу видим такое облако на горе, путешественник, попавший в него, чувствует себя окутанным туманом. Охлаждение же воздуха может зависеть от разных причин: от излучения тепла в пространство; от смешения с более холодной массой воздуха; и, наконец, — от расширения воздуха без притока тепла извне.
ОХЛАЖДЕНИЕ ОТ НАГРЕВАНИЯ
Да, такая странная вещь случается в природе: охлаждение от нагревания. Это парадоксальное выражение принадлежит известному английскому метеорологу Н. Шоу.
Положим, что под влиянием каких-либо причин некоторая масса воздуха нагрелась и стала, следовательно, легче окружающего. Она начнет подниматься вверх; но в верхних слоях атмосферы давление меньше, поэтому наш воздух будет там расширяться. На работу расширения ему понадобится теплота; за отсутствием притока тепла снаружи, она будет взята воздухом из себя, и он охладится. Охлаждение, следовательно, является здесь прямым следствием нагревания.
Физика доказывает, что, поднимаясь вверх в свободной атмосфере, воздух охлаждается на 1° на каждые 100 м, — если он сухой. Если же он содержит водяные пары, то, едва его температура дойдет до точки росы, часть паров начнет выделяться в жидком виде; при этом выделится скрытая теплота, и охлаждение воздуха окажется поэтому несколько меньше, чем для сухого. Предположим, что в этом случае охлаждение составляет 0,°8 на 100 м. Если и в окружающем воздухе температура падает в такой же мере, то наша масса, поднимаясь, везде будет иметь ту же температуру, что окружающий воздух; но если в соседнем воздухе температура падает быстрее, — например, на 0°,9 на 100 м, — то наша воздушная масса и после поднятия окажется все еще теплее окружающего воздуха и, стало быть, будет продолжать вытесняться выше.
Рис. 30. Дождевые облака.
Рис. 31. Грозовое облако вдали, после захода солнца. Типичная для грозы форма в виде "наковальни", образованной верхними растекающимися частями облака.
Таким путем нарастают, постепенно выделяясь из охлаждающегося воздуха, большие массы воды в виде мельчайших капелек, которые и образуют то, что мы называем кучевыми облаками. Чем быстрее падение температуры с высотой в свободной атмосфере, тем более мощного развития достигают эти облака. Весьма быстрое падение температуры с высотой бывает в атмосфере в жаркие летние дни, когда земная поверхность и прилегающие слои особенно сильно нагреваются солнцем, а верхние — сравнительно холодны.
Вот почему эти облака появляются в наиболее теплые часы дня; если притом воздух содержит много влаги ("душно"), то такие кучевые облака, нагромождаясь все выше и выше, переходят наконец в кучево-дождевые или "грозовые" тучи: начинается гроза.[7] Толщина таких грозовых облаков доходит иногда до 10 км; но и при высоте в 5–6 км вершина их лежит в таких высоких слоях, где температура уже ниже 0°; и потому над ней образуются уже легкие облака в виде вуали, состоящие из мелких кристалликов льда.
В ЧЕМ ОШИБКА ХУДОЖНИКА?
На рисунке изображен пейзаж, которого почти никогда не может быть в природе, и если бы какой-либо художник написал такую картину, мы были бы в праве упрекнуть его в недостатке наблюдательности. Вы догадались в чем дело?
При типично-зимнем пейзаже вообще говоря не может быть на небе кучевых облаков. Первое условие их возникновения — сильное нагревание земной поверхности и ближайших к ней воздушных слоев. А зимой нижние слои, наоборот, охлаждаются из-за близости к снегу, солнце вообще мало греет; если даже, ближе к весне, солнце начинает давать больше тепла, то это тепло почти все рассеивается обратно из-за большой отражательной способности снега. Только когда снег сойдет хоть местами, весной, над более нагретыми участками могут появиться слабо развитые кучевые облака. Эти первые "кумулусы" всегда особенно радуют метеорологов, как один из признаков наступающей весны.
Правда, в некоторых редких случаях возможны облака типа кучевых и в зимнее время; они связаны с поднятием воздуха при особых условиях погоды и носят название "динамических кучевых". Но эти облака встречаются редко и не достигают того развития, как летние кучевые.
Рис. 32. Пейзаж, который редко бывает в природе.
ОБЛАКА OТ ПОЖАРА
Особые кучевые облака образуются иногда под влиянием сильного, резкого нагревания воздуха у земли, например, при очень больших пожарах. Во время знаменитого японского землетрясения в сентябре 1923 г. и вызванного им страшного пожара, уничтожившего большую часть Токио, над городом поднялось облако грандиозных размеров, напоминавшее кучевые, но значительно более мощное и темное. Местные метеорологи, несмотря на разрушения в городе, не прекращали своих наблюдений, и им удалось определить высоту этого облака: наиболее высокие вершины его доходили до 8 км, меньшие — до 6 км. В обсерватории, расположенной сравнительно далеко от места пожара, температура доходила до 45°, в центре пожара она была не менее 100°; подсчеты показали, что восходящие токи воздуха над местом, охваченным огнем, должны были доходить до 70 м в сек., — настоящая вертикальная буря; а в более далеких от пожара местах скорости вертикального движения колебались от 15 м в сек. до 1 м в сек.
При росте обычных кучевых облаков не бывает таких вертикальных скоростей; там нагревание распространяется на большую площадь, но не достигает такой силы, и процесс протекает гораздо спокойнее.
Рис. 33. Кучевое облако, образовавшееся над Токио во время землетрясения и пожара в сентябре 1923 г. С фотографии, снятой в Токийской обсерватории.
ОБЛАЧНЫЕ СКАТЕРТИ И ШАПКИ
Если влажный воздух встречает на своем пути препятствие, например, крутой горный склон, он быстро поднимается вверх, и содержащиеся в нем пары выделяются в виде облака. В Южной Африке близ Капштадта есть высокая обрывистая "Столовая гора", над которой при южном морском ветре образуется облачный покров, называемый "скатертью". Над горой ветер дует уже беспрепятственно и как бы расстилает эту скатерть по вершине. Ниже она не спускается, так как внизу температура выше, и облако вновь испаряется.
Такие "скатерти" или "шапки" можно часто видеть в Альпах и у нас на Кавказе, например, над Эльбрусом, где шапка над вершиной горы считается у горцев предвестником ненастья. Автору пришлось летом 1928 г. видеть, как рано утром от снежной вершины Эльбруса точно отчаливали один за другим облачные "цеппелины": одно сигарообразное облако отрывалось, уплывало, чтобы тотчас же смениться другим. Такие шапки представляют собою не неизменные образования, а место, где Видимым образом проявляется процесс непрерывного сгущения паров. Очень хорошо говорит известный метеоролог Дове в своих "Метеорологических исследованиях":
"Облако — не что-либо готовое, не продукт, а процессу все его существование — в непрерывном возникновении и исчезновении. Глядя с вершины горы на прозрачный горный ручей, никто не скажет, что место, где образуется белая пена есть что-то постоянное, прочно лежащее на земле. А ведь облако, окутывающее вершину горы, — совершенно то же самое. Камешек в ручье — гора, ручеек — воздух, пена — облако"
Рис. 34. "Скатерть" на Столовой горе.
МЕСТНЫЕ И "ПРИШЛЫЕ" ОБЛАКА
Кучевые и грозовые облака — облака местного происхождения, зависящие от нагревания земной поверхности, от условий испарения и т. п. Но облака образуются и в результате гораздо более обширных процессов, связанных с общими условиями погоды.
Если в сравнительно теплый воздух врывается масса холодного воздуха из полярных областей, она располагается под теплым воздухом и, входя в него как бы клином, приподнимает его вверх. В результате — охлаждение приподнятого воздуха и выделение паров в виде облака. Чем выше происходит сгущение паров, тем меньше мощность облачных масс. В более высоких слоях образуются тонкие перистые облака, ниже — мелкие барашки, еще ниже— крупные барашки и так называемые высокослоистые облака, представляющие сплошной покров, через который, однако, в отличие от низких Слоистых, размытым пятном просвечивает солнце. Так как верхние слои воздуха имеют большую скорость, чем нижние, то теплый воздух, движущийся над холодным, раньше появится в верхних ярусах, и там прежде образуются облака; а наблюдателю будет казаться, что сначала откуда-то пришли легкие перистые облака, затем появились барашки и т. д., до нижнего яруса высокослоистых, за которыми часто следуют низкие слоистые и — дождь. Такая "облачная система" вместе с теплым потоком воздуха движется, как одно целое, над местом наблюдения, иногда задевая его лишь краем. Жителям умеренных широт часто приходится видеть подобную картину: после продолжительной ясной, теплой погоды, на безоблачном небе или среди кучевых облаков начинают проглядывать перистые, их становится все больше, они затягивают все небо, часто появляется круг около солнца (или луны); все уплотняясь, облачный покров уже почти скрывает солнце, которое просвечивает через него тусклым пятном, не дающим теней на земле; наконец, исчезает и это пятно, появляются клочки темных дождевых облаков, и начинается дождь. "Погода испортилась".
Эти "облачные системы" — уже не местного происхождения, а тесно связаны с областями низкого давления, о которых будет речь дальше и которые несут с собою плохую погоду.
КАК НЕВИДИМОЕ СТАНОВИТСЯ ВИДИМЫМ
Если над водой дует ветер, на воде образуются волны. Гельмгольц показал, что волны образуются всегда в том случае, когда два слоя вещества различной плотности движутся один под другим. Если теплый воздух движется над холодным или холодный — под теплым, на границе их раздела образуются волны.
Сами по себе воздушные волны невидимы. Но когда в воздухе достаточно влаги, то, поднимаясь на гребнях волн в более холодные области, он выделяет избыток влаги в виде облаков, которые располагаются по гребням волн правильными грядами. Мы все не раз видели такие волнистые облака. Воздушные волны гораздо больше водяных, и расстояние между их гребнями доходит до 200–500 и более метров.
Рис. 35. Облака в горах.
КАК ОПРЕДЕЛЯЮТ ВЫСОТУ И ДВИЖЕНИЕ ОБЛАКОВ
Высоту низких, а иногда и более высоких облаков можно определить непосредственно при восхождении на гору, при подъеме на шаре или на аэроплане. Чаще, однако, определяют высоту облаков геометрически; наиболее надежный способ — одновременное фотографирование или наблюдение одного и того же облака с двух станций, расстояние между которыми известно.
Такие измерения показали, что перистые облака лежат в среднем на высоте около 9—11 км, мелкие барашки — на 5–7 км, крупные — на 2 1 / 2 — 4 км; основание кучевых облаков лежит на 1 1 / 2 км, а вершина — на 2 1 / 2 — 3 км; вершина грозовых облаков вырастает почти до 10 км; самые низкие слоистые облака располагаются на высотах 300–500 м и ниже, — собственно, до самой поверхности земли.
Так как зимой воздух холоднее и пары сгущаются ближе к земной поверхности, то и высота облаков зимой меньше, чем летом. Оттого зимою облачное небо и кажется нам так низко нависшим.
Направление и скорость движения облаков определяются проще всего так называемым грабельным нефоскопом Бессона. Он действительно похож на грабли, которые могут вращаться вокруг вертикальной оси. Поставив грабли так, чтоб они встали по направлению движения облака, наблюдатель отсчитывает по соединенному с ними указателю направление, откуда движется облако, на неподвижном диске. Чтоб определить скорость облака, замечают по секундомеру, за сколько секунд облако прошло расстояние между двумя зубцами. Примерно определив на основании вида облака его высоту, нетрудно найти и его скорость в соответствующей табличке.
Рис. 36. Грабельный нефоскоп Бессона.
КАК ДАЛЕКО ВИДНЫ ОБЛАКА?
Над какой точкой земной поверхности находится облако, которое мы видим над горизонтом?
Очевидно, облако находится тем дальше, чем больше его высота над земной поверхностью. А. Ф. Вангенгейм в брошюре "Перистые облака, как признак предстоящей погоды" дает табличку, по которой можно приблизительно вычислить расстояние от нас той точки, где облако находится в зените, в зависимости от его высоты над земной поверхностью и его угловой высоты над нашим горизонтом.[8]
Однажды автору пришлось, стоя вечером с наблюдателями на башне обсерватории в Павловске, любоваться великолепной грозой в направлении на северо-северо-западе. Вечер был ясный и тихий, а над горизонтом поднималось рядом два темных грозовых облака, из которых непрерывно сверкали молнии то по направлению к земле, то по направлению от одного облака к другому. "Ну и симпатично сейчас там, где эта гроза разразилась!" заметили мы друг другу. Облака поднимались примерно на высоте 15°—20° над горизонтом; принимай вершину грозового облака на высоте 6,5 км над землей, нетрудно по табличке найти, что оно должно было находиться в удалении около 24 км, т. е. примерно над Ленинградом. И действительно, в этот, день (16/V 1929 г.) над Ленинградом разразилась страшнейшая гроза, продолжавшаяся около 3 часов.
ОТЧЕГО ИДЕТ ДОЖДЬ?
Мы знаем, что облако есть собрание мельчайший водяных капель. Почему же они не падают вниз? Ведь вода тяжелее воздуха. И почему в некоторый момент они начинают падать, да еще в виде вовсе не мельчайших, а очень заметных капель дождя?
Дело в том, что капли начинают падать на землю только тогда, когда достигнут определенного размера. Всякое тело, падающее в воздухе, испытывает его сопротивление, но тяжесть пересиливает это сопротивление. Вес капли — если ее считать шариком — пропорционален объему, т. е. кубу радиуса; сопротивление же воздуха пропорционально поверхности шарика, т. е. квадрату радиуса. Если радиус очень мал, сила тяжести лишь немногим пересиливает сопротивление, и капельки хотя и падают, но чрезвычайно медленно; малейшее восходящее движение воздуха останавливает это падение. Мельчайшие капельки, по исследованиям Ассмана, имеют от 0,006 до 0,017 мм в диаметре; принимая даже размер в 0,02 мм, получим, что в 1 г воды содержится 240 миллионов таких капель!
По мере роста капель, падение их ускоряется; при диаметре 0,15 мм они уже падают сравнительно быстро, — начинается легкий моросящий дождь. При дальнейшем возрастании капель он переходит в более сильный.
Почему же дождевые капли растут?
Во-первых, даже при медленном падении капли в облаке, догоняя одна другую, сливаются. Во-вторых, если одна часть облака холоднее другой, в ней будет происходить более быстрое сгущение паров и получатся более крупные капли. В-третьих, на поверхность капель, в силу явлений поверхностного натяжения, оседают водяные пары из окружающего насыщенного воздуха; наконец, не последнюю роль играют здесь электрические явления.
Так или иначе, при известных условиях капли достигают того предельного размера, при котором они начинают быстро падать на землю; правда, при большой сухости воздуха они иногда успевают испариться по пути, не достигнув земной поверхности.
Рис. 37. Несколько оригинальных снежинок. По фотографиям Бентлея.
"ДОЖДЬ КАК ИЗ ВЕДРА"
Может ли дождь итти не каплями, а сплошными струями, как вылитый из ведра? И какой величины бывают самые большие дождевые капли?
Ботаник и физиолог Визнер произвел ряд опытов; но получить непрерывные струи дождя ему не удалось. Не удалось ему и получить капель весом более 0,268 г: самые большие капли при падении с высоты всего 22 м разрывались на две, причем первая, бóльшая, весила не более 0,2 г. Возможно, что при известных условиях можно получить капли и несколько крупнее, но нет сомнения, что сведения о тропических дождях сплошными потоками или о каплях чуть не в дюйм диаметром нужно отнести к области легенд. Наибольшая капля Визнера в 0,268 г весом имеет в диаметра всего 8 мм. Стало быть, "дождь как из ведра" это только дождь из очень крупных капель, который из-за их быстрого падения кажется нам сплошным.
НЕБЕСНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ, ГДЕ ДЕЛАЕТСЯ СНЕГ
При температурах ниже 0° водяной пар сразу переходит в твердое состояние, и вместо капель получаются ледяные кристаллы. Основной кристалл воды имеет форму правильного шестиугольника. На вершинах такого шестиугольника осаждаются затем новые кристаллики, на них — новые, и так получаются те разнообразные формы звездочек-снежинок, которые хорошо знакомы жителям севера. Падая в облаках, звездочки смерзаются в снежные хлопья, увеличивающиеся по мере приближения к земле.
Французский воздухоплаватель Тиссандье имел случай наблюдать образование снега во время полета на воздушном шаре. Он поднялся однажды из Парижа во время сильного снега, падавшего большими хлопьями. По мере того, как он поднимался, хлопья становились меньше и, наконец, превратились в отдельные снежинки, А на высоте 2100 м он оказался в совершенно прозрачном воздухе, в котором носились мелкие снежные кристаллики, медленно падавшие и выраставшие при падении: это была настоящая лаборатория, где делается снег.
ЛЮБИТЕЛЬ СНЕЖНЫХ ДРАГОЦЕННОСТЕЙ
В Америке, в городе Вермонте, жил любитель-натуралист и фотограф Бентлей, который около 50 лет составлял своеобразную коллекцию фотографий снежинок, снятых под микроскопом. У него всего более 5000 таких снимков, причем среди них нет двух одинаковых! Он называл их "снежными драгоценностями", и действительно можно думать, что снимки его изображают бриллиантовые украшения, сделанные искуснейшим ювелиром. К нему и на самом деле постоянно обращались ювелиры и художники из области прикладного искусства, пользуясь его альбомами, как образцом для своих работ.
Бентлей умер в 1931 году. Незадолго до его смерти американское Бюро погоды издало атлас снежинок по его фотографиям, содержащий более 2500 снимков.
Снимать снежинки дело не легкое. Одно из самых больших затруднений оказывается в том, что на предметном стекле микроскопа, даже и в холоде, снежинка расплывается и теряет резкость очертаний. Американец хранил в тайне способ, которым пользовался, снимая снежинки; но наш соотечественник Сигсон в Рыбинске разгадал этот секрет, или сам нашел не худший способ. Оказывается, снежинки надо помещать не на стекле, а на тончайшей, почти паутинной, сетке из шелковинок, — тогда их можно снять во всех их деталях; сетка же потом заретушируется. Коллекция Сигсона не так богата, но снимки его не хуже, чем у американца.
В 1933 г. наблюдатель полярной станции на Земле Франца-Иосифа Касаткин получил более 300 снимков снежинок разнообразнейшей формы, сделанных новым, оригинальным способом.
По большей части во всех кристаллах повторяется в различных сочетаниях основная шестиугольная форма, но в некоторых случаях получаются снежинки совсем особенного вида, например, та, которая так напоминает часы, что Бентлей так и назвал ее "кристалл-часы". Было бы чрезвычайно интересно проследить зависимость между видом снежинок и различными условиями погоды; но вопрос этот пока еще далек от разрешения.
Проф. Леману, при работе с растворами йодоформа, кристалл которого тоже имеет шестиугольную форму, удалось получить в лаборатории искусственные "снежинки" йодоформа, совершенно похожие на обычные снежинки и проследить их постепенный рост (рис. 38).
Рис. 38. Постепенный рост кристаллов йодоформа в опытах Лемана. Начальный кристалл имеет шестиугольную форму. Концентрация раствора выше всего у углов шестиугольника, и на них начинают нарастать лучи; рост опять идет сильнее всего в местах наибольшей насыщенности, т. е. у концов лучей, где получаются новые образования и т. д. Это, конечно, лишь самое общее объяснение явления.
ПОЧЕМУ СНЕГ ШЕСТИУГОЛЬНЫЙ?
Шестиугольная форма основных кристаллов снега была подмечена уже давно; в 1611 году знаменитый астроном Кеплер опубликовал сочинение "Новогодний подарок или о шестиугольном снеге", где, говоря о формах снежинок, задает между прочим вопрос: "Отчего снег шестиуголен?" и отвечает сам: "Вещь эта мне еще не открыта". Проф. Б. П. Вейнберг, из весьма интересной книжки которого "Снег, иней, град, лед и ледники" мы заимствуем это указание, замечает по этому поводу, что "ответ Кеплера приходится повторить и нам, хотя нас разделяет от Кеплера более чем три столетия". Общий вопрос о том, почему то или иное вещество кристаллизуется в той или иной форме, еще весьма далек от разрешения.
Шестиугольная форма кристаллизации воды лежит в основе и тех разнообразных узоров, которые в морозные дни образуются на оконных стеклах; здесь на направление роста кристаллов влияют различные особенности поверхности, и кроме того частицы воды (пара) стремятся заполнить все промежутки между кристалликами! давая более или менее сплошные образования. Здесь мы не находим уже той правильности, какую обнаруживают отдельные снежинки.
КАК ПРИГОТОВИТЬ МОДЕЛИ ВЫПАВШЕГО ГРАДА
Град идет обычно из грозовых облаков, вершины которых достигают очень больших высот, так что капли выделившейся там воды сразу замерзают. Падая вниз и проходя через облако, они обмерзают новым слоем льда, а так как в грозовых облаках развиваются сильные вихревые движения, то они подхватываются ими и уносятся снова вверх. Если такая пляска продолжается несколько раз, то на первоначальном ядре может намерзнуть очень много льда и когда, наконец, градина упадет на землю, она оказывается довольно внушительных размеров. Однако тайну града нельзя считать вполне разгаданной: попадаются и кристаллические градины большой величины, не имеющие слоистого строения.
Такие оригинальные градины наблюдали и зарисовали, например, акад. Абих у нас на Кавказе и астроном Секки. Проф. Клоссовским зарисованы градины, поразительно напоминающие строение венчика махрового цветка вроде розы или мака, причем основная шарообразная масса градины соответствовала рыльцу и будущему плоду растения, а лепестковидные придатки к шарику воспроизводили полное подобие махрового венчика; часть лепестков была матовой, молочной структуры, часть же чисто прозрачного льда.
Малоизученность этих явлений происходит от того, что во время выпадения подобного града часто не успевают сделать даже хорошей фотографии, а град между тем быстро тает. Еще труднее успеть зарисовать градины. Проф. К. Жук предложил простой способ приготовлять модели из выпавшего града, но способ этот почему-то забылся, а между тем его можно рекомендовать всем любителям природы. Он состоит в том, что выпавший град облепляется разведенным гипсом. Последний настолько быстро затвердевает, что льдинки внутри него не успевают растаять и изменить своей формы. Когда же градинка растает и вода вытечет сквозь поры гипса, пустоту заливают через отверстие сплавом Розе, нагретым до температуры 110° Ц. Сплав Розе приготовляется из одной части свинца, одной части олова и двух частей висмута.
Рис. 39. Градина кристаллического строения, зарисованная Абихом на Кавказе.
КАКОЙ ВЕЛИЧИНЫ БЫВАЮТ ГРАДИНЫ?
Очень большие градины — с куриное яйцо и больше — выпадают, к счастью, редко; обычно град не превышает крупной горошины. Но иногда градины могу г достигать поистине громадной величины. В июле 1928 г. в Соед. Штатах в городе Поттере градины достигали 30–35 см в окружности. Самая большая имела более 40 см в окружности и весила 600 г. Градины были ровные, шарообразные и состояли из концентрических слоев льда, намерзших на центральное ядро. Они падали довольно далеко одна от другой и целиком зарывались в землю. На нескольких домах были насквозь пробиты крыши, но люди, по счастливой случайности, не пострадали.
В 1926 г. 9 июня выпал крупный град в Одессе. Градины достигали веса 300 г, а ледяной покров, который образовался на земле, доходил до 30 см вышины. Местами бурей нанесло кучи града выше роста человека. В городе было попорчено много зданий, несколько человек были ранены градом, посевы в окрестностях были уничтожены на 70 %.
На севере град достигает таких размеров очень редко, потому что там грозовые процессы не бывают так сильно развиты, как в жарких местностях; однако, и в Ленинграде бывали единичные случаи града с куриное яйцо.
КОГДА НАЧАЛИ ИЗМЕРЯТЬ ОСАДКИ
Чтоб изучить температуру и давление воздуха, нужно иметь некоторые знания по физике; но осадки, которые наиболее тесно связаны с полевыми работами и урожаем, наблюдать гораздо проще; поэтому они измерялись уже в глубокой древности. В Библии есть сведения об осадках и об урожае в Палестине; в древних вавилонских книгах имеются подобные же указания. Но особенно интересны сведения, которые находим в древней индусской книге "Наука о политике" министра Ханакли, написанной за 400 лет до нашей эры.
"Количество дождя, выпадающее в округе Янгала, есть 16 дрон; наполовину более того выпадает в округе Анупанами; 13 1 / 2 дрон выпадает в округе Асмакас, 23 дроны в Аводета и большое количество — в Анчарантаме близ Гималаев, где на полях даже роют канавы для воды. Если треть нужного количества дождя выпадает в начале и конце дождливого времени, а две трети между ними, то такое выпадение дождя благоприятно". "Есть три рода облаков, приносящих дождь на 7 дней без перерыва; "80" дают отдельные капли, а "60" бывают при свете солнца. Смотритель хлебопашества приказывает сеять хлеба, которые требуют больше или меньше влаги, смотря по количеству дождя".
Отсюда ясно, что древние индусы не только вполне сознавали зависимость урожаев от дождя, но и умели измерять дождь; приводимые числа заставляют думать, что у них была даже некоторая сеть метеорологических станций и они имели понятие о средних величинах метеорологических элементов. Интересно и то, что у индусов в то время уже существовала какая-то классификация облаков, которые обозначались числами и считались связанными с той или иной погодой.
ПЕРВЫЙ ДОЖДЕМЕР
Эти сведения, однако, в дальнейшем были утрачены; проходит много веков, прежде чем мы встречаем снова мысль об устройстве прибора для измерения дождя у итальянца Кастелли, современника Галилея и Торичелли. Однажды во время прогулки он обратил внимание на очень низкий уровень озера близ города Перуджии; когда он возвращался домой, пошел сильный дождь, и ему пришло в голову выставить на дождь сосуд, чтобы посмотреть, насколько от дождя может подняться уровень озера. Он взял цилиндрический сосуд около, пяди"[9] высотой и 72 пяди радиусом и через час определил количество дождя, равное в наших единицах меры 7 1 / 2 мм.
КАК МЕРЯЮТ ДОЖДЬ
Современный дождемер состоит из цилиндрического цинкового сосуда, который выставляется на открытом месте, где в него свободно льется дождь или сыплется снег. Площадь основания этого сосуда равна 500 кв. см. Чтоб ветер не выдувал снега, дождемер окружается "защитой" в виде воронки. Для измерения воды можно взять стеклянный стаканчик с делениями, площадь основания которого в 10 раз меньше, чем у самого дождемера. Поэтому, если вылить воду из дождемера в стаканчик, вода в нем встанет в 10 раз выше, чем в сосуда. Если такой стаканчик разделен на миллиметры, то каждое его деление отвечает слою воды высотой в 0,1 мм. выпавшему на поверхность земли. Если нам интересно знать общее количество воды, выпавшее, например, на наше поле, то надо только помножить высоту выпавшей воды на площадь поля.
Положим, что, вылив воду в стаканчик, мы получили 50 его делений; значит, выпало 5 мм дождя; на каждый гектар это составит 5х10 10 куб. мм = 50 куб. м воды. Так как литр приблизительно равен 1 / 12 ведра, то это количество соответствует около 5000 ведер воды на десятину (гектар = 0,9 десятины).
На метеорологических станциях, для большей точности отсчетов, применяется стаканчик с еще меньшей площадью; деления на нем наносятся так, чтобы объем воды между каждыми двумя делениями был равен 5 куб. см. Нетрудно видеть, что и в этом случае каждому делению, стаканчика будет отвечать слой воды в 6,1 мм на поверхностей земли, но отсчет можно будет сделать точнее, так как столб воды в таком случае будет выше.
Рис. 41. Дождемер. Слева вид самого дождемерного сосуда; справа — дождемер, установленный на столбе и окруженный защитой.
САМОЕ МОКРОЕ МЕСТО НА СВЕТЕ
Больше всего дождей выпадает обычно в горах, особенно если хребты их расположены перпендикулярно к направлению влажных ветров с моря. При этом особенной силы дожди достигают во влажных тропических областях. Одним из самых мокрых мест на свете может считаться Черрапонджи в горах индийской провинции Ассам, на высоте 1250 м над уровнем моря. Там выпадает в среднем за год 11 800 мм дождя. Это означает, что если бы вода не уходила в почву и не стекала, то за год накопился бы слой виды около 12 м вышиной. Немногим меньше выпадает в горах Камеруна (Африка) на станции Дибунджи — около 10 500 мм.
В СССР нет даже приблизительно такого мокрого места. Самое дождливое у нас место — Батум, на побережьи Черного моря, где за год выпадает около 2500 мм осадков, — меньше, чем в Черрапонджи за один только июль! Есть основания думать, что в горах близ Батума дождя бывает значительно больше, может быть и до 5000 мм. Чтобы составить себе представление о том, насколько велики эти количества, заметим, что в средней части Союза обычная годовая сумма осадков, дождя и снега вместе, не превышает для различных станций 250–700 мм.
Это — годовое количества дождя; а сколько дождя может вылиться за одни сутки? Здесь опять рекорд побивает Черрапонджи: там в один "прекрасный" июнь 5 дней сряду лил дождь, давший 2900 мм, причем в один из этих дней выпало 1036 мм — вдвое больше, чем в Москве за целый год. Очень обильные дожди, до 700–800 мм в сутки, наблюдались в других местностях Индий, на Цейлоне, в Японии. У нас в СССР наибольшее количество дождя за сутки было 261 мм — в Батуме.
ЛИВНИ
Иногда дождь идет очень недолго, но льет так основательно, что" и за несколько минут успевают вылиться громадные количества воды. В Порте Белло, в Панаме, 29/ХI 1911 г. в течение 3 минут шел ливень, давший 63 мм воды, т. е. в одну минуту 21 мм. Если согласно расчету на стр. 102 дождь в 5 минут дает 5000 ведер воды на десятину, то панамский ливень дал в одну минуту свыше 20 000 ведер на десятину! В Опидс-Кемп в Калифорнии 5 апреля 1926 года было отмечено в минуту более 25 мм! Подобной величины больше никогда и нигде не наблюдалось, и, вероятно, такой ливень представляет вообще чрезвычайную редкость. К счастью, эти ливни и продолжаются не более 3–5 минут; но так как при этом вода не успевает впитаться в землю, то и за такой короткий срок ливень может наделать много бедствий.
Рис. 42. Наибольшее, среднее и наименьшее количество атмосферных осадков в Ленинграде за июнь-сентябрь с 1858 г.
ЛИВНИ И ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ
Ночью с 29 на 30 июня (ст. ст.) 1882 г. по Московско-Курской железной дороге в пределах Тульской губ. летел поезд, переполненный пассажирами. Непогода разыгралась ужасная. Непрерывная канонада грома; ослепительные молнии бороздили небо; целыми потоками лил неперестававший дождь. В местности, называемой Кукуевкой, поезд вдруг сорвался с насыпи. Произошла ужасная катастрофа, стоившая жизни множеству пассажиров. При расследовании оказалось, что почти вся насыпь была размыта дождем и превратилась в жидкую грязь, в которую врезались и в которой потонули вагоны с людьми. Обвиняли инженеров, не рассчитавших точно объемов водопропускных труб, дорожных сторожей, не заметивших своевременно размыва пути. Но главным виновником оказалась слепая стихия; это обнаружилось впоследствии лишь в кабинетах Главной физической обсерватории, куда стекались со всей России метеорологические наблюдения. Соймонов, скромный наблюдатель метеорологической станции, незадолго перед тем открытой в поселке Михайловском, вблизи Кукуевки, измерил утром 30 июня необычайное для тех мест количество выпавшего за сутки дождя — 146 мм. Можно рассчитать, что в ночь Кукуевской катастрофы выпало дождя 1460 куб. м на гектар (130000 ведер на десятину). Это составляет 25 % годового количества воды в среднем, выпадающего в этих местах. Никогда после того такого суточного обилия здесь не наблюдалось.
Рис. 43. Разрез грунтовых слоев в месте оползня на Октябрьской железной дороге под Ленинградом. Заштрихованный слой — непроницаемый для воды. Под ним находится водоносный слой, откуда вода под увеличенным давлением, вследствие обилия осадков, проникла через непроницаемый обычно слой и подмыла насыпь.
Катастрофические ливни, подобные кукуевскому, случаются не часто. Но влияние осадков может оказаться вредным для железнодорожного строительства и вообще, если стоит затяжной дождливый период. Так, в начале сентября 1928 г. в 30 км от Ленинграда начала постепенно оседать железнодорожная насыпь; за несколько дней насыпь осела на 5 м. В виду того, что оседание происходило постепенно, железнодорожный надзор вовремя это заметил, и сообщение с Москвой пришлось производить окольным путем, с большим запозданием, — факт беспримерный в истории Октябрьской жел. дороги, старейшей в СССР. Уже это одно показывает, что осадки лета 1928 г. отличались особенным изобилием. Сопоставляя количество осадков в Ленинграде за месяцы июнь — сентябрь по разным годам, можно видеть, что в среднем здесь их выпадает 256 мм. За лето 1928 г. осадков выпало 451 мм — максимальная величина для Ленинграда за все время наблюдения здесь над осадками. В обсерватории была составлена карта распределения осадков в окрестностях Ленинграда, причем оказалось, что максимум их расположен как раз на перегон Поповка-Колпино, где произошел оползень. На этом участке имеется большая насыпь и за ней выемка, сделанная в верхнем водонепроницаемом пласте глины. Подстилающий этот пласт водоносный слой в обычные годы пропитывается водой до верху, но летом 1928 г. давление воды в этом слое, очевидно, оказалось достаточным, чтобы она проникла через трещины в глиняном слое под основание насыпи и подмыла ее.
МЕТЕОРОЛОГИЯ И БИБЛЕЙСКИЙ ПОТОП
В Библии рассказывается о всемирном потопе, который будто бы случился от того, что шел дождь "40 дней и 40 ночей"; земля покрылась водой настолько, что знаменитый Ноев ковчег мог причалить только к вершине Арарата — по библейским преданиям (и к вершине Эвереста — по преданиям древних индусов). Мог ли на самом деле быть такой дождь, и если мог, то какой силы он должен был бы быть, чтоб покрыть водой всю землю до вершины величайших гор?
Здесь нам пригодятся дождемерные наблюдения. Во-первых, известно, что ни один дождь, даже и умеренный, не продолжается без перерыва более 4 дней. Но если бы даже беспрерывный дождь в Течение 40 суток был возможен, то, чтоб за 960 часов дать высоту воды до вершины Арарата (5150 м), он должен был бы итти с силой около 100 мм в минуту! А если считать, что был покрыт водой даже и Арарат и ковчег причалил к Эвересту, то дождь должен был бы итти с силою 150 мм! Цифры совершенно невероятные. Таким образом предание о всемирном потопе от дождя не имеет под собой ни малейшего научного основания.
Рис. 44. Самый сильный из наблюдавшихся ливней, если бы продолжался 40 суток, мог бы дать количество воды, которое покрыло бы Арарат несколько выше подошвы, но никак не до вершины, как говорится в легенде о потопе.
ЕСТЬ ЛИ МЕСТА, ГДЕ НИКОГДА НЕ ШЕЛ ДОЖДЬ?
Так как в пустынях, где только и возможно такое полное бездождие, метеорологических станций очень мало, то ответить на этот вопрос с полной достоверностью трудно. Известный немецкий метеоролог Гельман полагает, что таких мест нет. Не так давно считали, что в одном из самых сухих мест земного шара — долине Нила выше Ассуана — дождей совершенно не бывает, но когда там начались правильные метеорологические наблюдения, оказалось, что это неверно: хоть и слабые и редкие, но дожди там все же бывают. Однако, практически это мало отличается от бездождия. В другом подобном же месте, в сухой долине Хальфа в Аравии, за 10 лет было всего 22 дня с дождями; притом эти "дожди" давали такие малые количества воды в дождемере, что их нельзя было даже измерить.
На побережьи Чили и Перу в Калифорнии, в юго-зап. Африке, в пустынях Австралии дождей в измеримом количестве не выпадает иногда в течение нескольких лет подряд. И лишь иногда долгая засуха прерываемся кратковременными, но сильными ливнями.
Путешественники, посетившие пустыню Атакама в Ю. Америке, полагают, что сколько-нибудь значительных дождей в некоторых частях, этой пустыни не было целыми столетиями; найденные там трупы первых испанских золотоискателей сохранились в виде высохших мумий, хотя пролежали более 400 лет!
СКОЛЬКО ВСЕГО ДОЖДЯ ВЫПАДАЕТ НА ЗЕМЛЕ?
Подсчитано, что каждый день на всей Земле выпадает столько дождя, что он мог бы наполнить резервуар площадью в 1000 кв. км и глубиной в 3 с лишним метра. Это площадь квадрата со стороной около 32 км, и вся эта вода весит 3 миллиона миллионов тонн.
СНЕЖНЫЙ ПОКРОВ
Количество выпавшего снега измеряется, как и количество дождя, дождемером, но предварительно приходится внести дождемерный сосуд в теплое помещение, чтоб снег растаял. Если говорят "выпало 10 мм снега", то это не значит, что толщина снежного покрова на земле возросла на 10 мм, а означает, что если бы вместо этого снега была вода, она покрыла бы землю слоем в 10 мм глубины.
Толщина же снежного покрова измеряется снегомерной рейкой, разделенной на сантиметры и установленной на открытом месте, где нет сугробов и снег не выметается ветром.
Важное значение имеет плотность снега, т. е. отношение объема воды, получающейся при таянии снега, к первоначальному объему самого снега. Чем снег рыхлее, тем меньше его плотность. Обычно снег бывает особенно рыхлым при большом морозе; в оттепель, напротив, он подтаивает и оседает.
КАК ТАЕТ СНЕГ?
Многим покажется странным, что весеннее таяние снега, повторяющееся в умеренных широтах каждый год, до сих пор не получило исчерпывающего объяснения. Не выяснено вполне, откуда берется та энергия, которая необходима для таяния громадных количеств снега, столь быстро исчезающих во время оттепелей. Наблюдения над приходом тепла от солнца показывают, что ранней весной он меньше расхода от лучеиспускания или лишь немного больше его; а если вспомнить, что снег обладает громадной отражающей способностью, то станет ясно, что солнце не играет большой роли в таянии снега. Влияние дождя оказывается еще ничтожнее, так как из подсчетов следует, что 20 мм дождя, имеющего температуру в 5°, могут уменьшить снежный покров всего на полсантиметра. Повидимому, таяние снега во время оттепелей, охватывающих большие пространства, зависит преимущественно от теплых ветров, приходящих с юга, т. е. с суши, где снег уже стаял, или же с морей, свободных от льда. Но и это предположение встречает некоторые затруднения. Нужно еще много наблюдений над солнечным излучением в ясные дни, над излучением небесного свода — в пасмурные и над движениями воздуха, образующими ветер, чтоб учесть в точности все эти влияния.
ОТЧЕГО СНЕГ СКРИПИТ?
Все мы знакомы со скрапом снега зимой, особенно в сильные морозы. Но не все ясно отдают себе отчет, что этот скрип — не что иное, как шум от раздавливаемых мельчайших кристалликов снега. Каждый из этих кристалликов так мал, что, ломаясь, дает звук, вряд ли даже доступный человеческому уху; однако, снежный покров состоит из мириадов таких кристалликов, и все эти звуки, суммируясь, дают уже вполне явственный скрип.