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

Что такое ультрафиолетовое излучение?

Ультрафиолетовое излучение – это часть электромагнитного спектра излучения. Слово «излучение» означает электромагнитную энергию, испускаемую Солнцем. Его можно разделить на части в зависимости от длины волны и частоты излучения. Солнце испускает широкий и постоянный спектр волн. Они подразделяются на несколько категорий.

Радиоволны: самая низкая частота и наименьшая энергия. Диапазон длин волн, соответственно, от 1 см до 100 км. Их можно использовать для коммуникации: они способны переносить информацию или сигналы из одного места в другое. Радио- и телевизионные станции, как и компании сотовой связи, используют для передачи сигналов именно радиоволны. Звезды и планеты тоже испускают радиоволны, которые могут уловить радиотелескопы на Земле, принимающие радиочастоты электромагнитного спектра.

Микроволны: следующая по частоте часть спектра. Их длина составляет от 1 мм до 30 см. Они могут проходить через объекты, вызывая колебания воды и жира и повышение температуры, почему их и используют в микроволновых печах, а также для передачи данных – в мобильных телефонах и WiFi.

Инфракрасное излучение: средняя часть электромагнитного спектра испускает инфракрасную энергию, которая, по сути, является невидимым теплом. Однако не вся инфракрасная энергия вырабатывает тепло. В широком смысле длина волны в этой части электромагнитного излучения варьируется от нескольких миллиметров до 750 нанометров, или 0,75 микрон. Более короткие волны используются в технологиях создания изображения, а более длинные испускают тепло. Радиация – один из трех способов перемещения тепла по Земле (два других – конвекция и проводимость). В этом случае солнечный свет, попадая на поверхность Земли, излучается обратно как инфракрасная тепловая энергия.

Видимый свет: свет, который может различить человеческий глаз. Эта часть спектра делится по цветам радуги: от более низких частот, излучающих красный цвет, до более высоких, дающих голубой, синий и фиолетовый. Объекты поглощают и отражают световые волны разной длины. Цвет, который мы видим, связан с соотношением поглощения и отражения. Например, черный объект, поглощающий все волны видимого света именно поэтому выглядит черным, в то время как белый предмет отражает все световые волны, вследствие чего кажется белым. В промежутке возможны самые разнообразные сочетания.

Ультрафиолетовое излучение: электромагнитное излучение, о котором пишут, вероятно, чаще всего. Оно невидимо невооруженным глазом, его нельзя почувствовать, но ультрафиолетовые (УФ) лучи – причина загара кожи и ее сгорания при слишком длительном пребывании на солнце. Однако небольшое количество УФ-лучей – важное условие выработки организмом необходимой дозы витамина D. Кроме того, они используются в промышленных и медицинских целях для уничтожения бактерий и создания флуоресценции.

Рентгеновское излучение: волны с очень высокой частотой и огромной энергией, которые испускает солнечная корона. Рентгеновские лучи излучаются только очень горячими газами. Они не проходят сквозь атмосферу Земли, которая играет роль плотного экрана, но испускаются некоторыми объектами на Земле. Например, рентгеновский аппарат направляет интенсивные пучки электронов в небольшое пространство, что дает достаточно энергии для выработки рентгеновских лучей. Эти лучи с легкостью проходят через мягкие ткани, но не через кости, что позволяет диагностировать переломы.

Гамма-лучи: самые короткие волны, обладающие самой высокой частотой и, следовательно, самой высокой энергией. Эти лучи далеко не распространяются. Доходя до внешних слоев атмосферы Солнца, они поглощаются плазмой и испускаются заново с менее высокой частотой. Отличить рентгеновские лучи с наивысшей частотой от гамма-лучей практически невозможно, однако происхождение двух этих видов волн различно. Гамма-лучи излучаются ядрами атомов в процессе распада ядра, а рентгеновские лучи испускаются электронами.

Все эти волны излучают энергию на Землю и в космос. В то время как воздух, звук и вода передают энергию посредством механических волн или возмущений, им нужна среда для распространения.

Электромагнитным волнам среда не нужна: они распространяются в виде волн или частиц света (фотонов) и могут проходить через космический вакуум. Характеристики всех этих электромагнитных волн различны, однако они движутся в пространстве с одинаковой скоростью – около 300 тысяч километров в секунду. Когда же они достигают атмосферы Земли, все меняется: только волны определенной длины способны проникнуть в атмосферу, а еще меньше – дойти до земной поверхности. Хотя атмосфера Земли кажется нам прозрачной, ее слои непроницаемы для рентгеновского и гамма-излучения, и это хорошо, потому что такие лучи опасны для людей.

Атмосфера Земли проницаема только для световых волн определенной длины: можно провести аналогию с открытыми, закрытыми или приоткрытыми окнами.

Видимый свет, конечно, добирается до поверхности. Некоторым радиоволнам это тоже удается, другие отражаются от ионосферы (слоя атмосферы Земли на расстоянии более 85 км от земной поверхности, где высока концентрация ионов и электронов, отражающих часть радиоволн). То же верно и для инфракрасного и ультрафиолетового излучения: одни лучи проходят, другие отражаются обратно в космос, третьи поглощаются верхними защитными слоями атмосферы.

Что такое озоновый слой?

Большая часть ультрафиолетового излучения поглощается озоновым слоем. Эта невероятно тонкая прослойка состоит из газа озона, располагается в верхних слоях стратосферы – в 10–50 километрах от поверхности Земли, и весьма эффективно защищает нас от большей части ультрафиолетовых лучей. В XX веке потребовалось несколько десятилетий, чтобы понять, что чрезмерное использование хлорфторуглеродов (ХФУ) разрушает озоновый слой стратосферы. В нем обнаружились озоновые дыры, и после бурных дискуссий в мире запретили использовать ХФУ в холодильниках и аэрозолях, чтобы компенсировать причиненный ущерб. Сейчас, когда мы давно уже живем в XXI веке, некоторых ученых беспокоит то, что слишком тонкий озоновый слой впоследствии может чересчур увеличить количество ультрафиолетовых лучей, которые достигают Земли.

Как на нас воздействуют разные типы ультрафиолетового излучения?

Ультрафиолетовое излучение (УФ-лучи) можно разделить на подтипы: ультрафиолет А, ультрафиолет В и ультрафиолет С, имеющие разную длину волны.

• Ультрафиолет А (315–400 нм) – ближнее УФ-излучение, длинноволновой диапазон, проходит сквозь атмосферу;

• Ультрафиолет В (280–315 нм) – среднее УФ-излучение, 90 % поглощается озоновым слоем, 10 % проходит сквозь атмосферу;

• Ультрафиолет С (100–280 нм) – дальнее УФ-излучение, коротковолновый диапазон, полностью поглощается озоновым слоем и не доходит до поверхности Земли.

На жизнь на Земле главным образом влияет ультрафиолетовое излучение типа А (на его долю приходится около 95 % от всего УФ-излучения). Именно оно используется, в частности, в соляриях и вызывает загар. Известно, что чрезмерная доза ультрафиолета А приводит к раку кожи. Если ультрафиолет А способен глубоко проникать в кожу (в дермис и подкожные слои), то ультрафиолет В может попадать лишь на поверхность кожи (эпидермис). Однако именно воздействием ультрафиолета В объясняются ожоги и покраснение внешнего слоя кожи. Он также играет ключевую роль в развитии рака кожи, а наибольшую активность проявляет в районе полудня.

Что такое УФ-индекс?

Мы не можем увидеть или почувствовать УФ-лучи на нашей коже, но они играют важную роль в развитии рака кожи у людей во всем мире. Когда в прогнозе погоды сообщается о том, что ожидается высокий уровень УФ-излучения, нужно принять меры предосторожности, чтобы защитить кожу от вредоносных лучей Солнца. Уровень УФ-излучения, достигающего поверхности, вычисляется при помощи компьютерных моделей, которые учитывают не только интенсивность солнечного излучения на земной поверхности и над ней, в том числе в облаках, но и толщину озонового слоя стратосферы, высоту поверхности над уровнем моря и другие факторы – например, время суток и газовый состав нижних слоев атмосферы. В 1992 году Всемирная организация здравоохранения и Всемирная метеорологическая организация ООН ввели шкалу прямо пропорциональную интенсивности УФ-излучения. Низший уровень – 1 (нет/очень мало излучения – обычно ночью); высший – 11+ (чрезвычайный риск вредоносного УФ-излучения).

Как различается уровень ультрафиолетового излучения?

Уровень УФ-излучения, достигающего Земли в определенное время или в определенном месте, колеблется в течение года в зависимости от расположения Солнца на небе. Над экватором Солнце большую часть года находится высоко, поэтому уровень УФ-излучения здесь обычно тоже высок. Но чем дальше от экватора, тем сильнее уровень УФ-излучения зависит от времени года. Зимой Солнце стоит на небе низко, и уровень УФ-излучения, достигающего поверхности, ниже, чем летом, когда Солнце стоит высоко, и УФ-лучи находят более прямой путь сквозь атмосферу Земли (а также проходят через более тонкий слой озона), тем самым сохраняя большую часть своей энергии. Для стран, находящихся в умеренных широтах, таких как Великобритания, самый высокий уровень УФ-излучения наблюдается в июне, когда Солнце выше всего стоит в небе. В это время самый высокий в Великобритании индекс УФ-излучения – обычно 7, в редких случаях – 8. Уровень ультрафиолета в апреле сопоставим с августовским, а ведь весной в целом холоднее, чем летом. Поэтому в апреле люди обычно более уязвимы к солнечному излучению, чем, например, в августе из-за ложного ощущения, что Солнце не такое мощное: хотя на улице не так тепло, уровень УФ-излучения практически одинаковый. Важную роль играет и время суток: с 10 утра до 3 дня Солнце достаточно высоко, чтобы уровень УФ-излучения поднялся. Среди других факторов, определяющих этот показатель – облачный покров, высота, почвенный покров и атмосферный озон.

• Облачный покров: в очень облачные дни уровень УФ-излучения может сильно сократиться (иногда облака слишком тонкие, так что УФ-излучение все еще достаточно сильное).

• Высота: с каждыми 300 метрами подъема уровень УФ-излучения повышается на 2 % из-за разрежения воздуха.

• Почвенный покров: земная поверхность различной структуры по-разному отражает ультрафиолетовое излучение. На пляже морская вода отражает примерно на 10 %, а песок – до 15 % больше УФ-лучей, чем более темные поверхности – трава или скалистые местности. Белая же поверхность, такая как снег и лед, отражает на 80 % больше УФ-лучей. Все это приводит к повышенному риску обгорания.

• Атмосферный озон: озон в атмосфере задерживает УФ-лучи, так что отслеживание толщины озонового слоя необходимо для определения интенсивности УФ-излучения, которое в итоге достигнет поверхности Земли. Количество озона над нашими головами колеблется в зависимости от широты, долготы и времени года. Иногда озоновый слой в какой-либо из частей неба существенно истончен. Озоновые дыры порой могут формироваться в определенное время года – например, весной над Антарктикой.

Как вращение Земли влияет на погоду?

В космосе вращается все – от астероидов и планет до звездных систем и галактик. Это называется сохранением углового количества движения, которое досталось нам со времен образования Вселенной, когда газ и пыль образовали Солнце и планеты вокруг него. Объекты в космосе продолжают свое движение с тех пор, как начали двигаться. Это явление известно как инерция. Земля не только вращается вокруг Солнца – она обращается и вокруг собственной оси. И это обращение необходимо для поддержания существования жизни на Земле: без него все было бы совершенно иначе. Без центробежной силы возобладала бы сила тяжести, океаны передвинулись бы к полюсам, где притяжение сильнее всего, а обнажившаяся суша доходила бы от экватора до умеренных широт. Земной год длился бы примерно столько же, как сейчас, а вот день на Земле равнялся бы году. Уже эти два фактора полностью изменили бы климат на Земле, и это стало бы катастрофой для привычной нам жизни. Обращение Земли вокруг своей оси удерживает в равновесии океаны и атмосферу, благодаря ему в игру вступают другие силы, помимо гравитации. Например, сила Кориолиса – это сила инерции, которая отклоняет жидкости на вращающейся системе координат (Земле). Она действует перпендикулярно оси вращения и считается «кажущейся силой», поскольку отмечается наблюдателем на Земле, а не испытывается собственно движущейся жидкостью.

Поверхность Земли движется не с той же скоростью, что и атмосферный воздух. То, что мы сверху воспринимаем как прямой поток воздуха, у поверхности будет отклоняться, поскольку Земля продолжает вращаться. В Северном полушарии это отклонение направо, то есть к западу. Сила Кориолиса наиболее отчетливо чувствуется у полюсов: чем ближе к экватору, тем меньше она оказывает влияние на погоду. Сила Кориолиса создает спирали из облаков и воздуха, которые переносят влагу и тепло по планете. Области низкого давления в средних широтах, напоминающие доску для дартса, обусловлены силами, связанными с вращением Земли: теплый воздух, движущийся на север, сталкивается с холодным воздухом, распространяющимся на юг. Когда эти воздушные массы смешиваются, начинается циркуляция. На спутниковых изображениях видны великолепные вихри циклонов с четко различимым «глазом» в центре и вращающимися облаками на периферии – это свидетельство существования силы Кориолиса. Знаменитые пассаты[1 - Пассаты – устойчивые сильные ветры в 30-х градусах северной и южной широты, дующие в тропиках по направлению к экватору. В северном полушарии они дуют с северо-востока, в южном – с юго-востока. Словарь использующихся в книге терминов приведен в конце.] на тридцатых широтах – еще один пример того, как сила Кориолиса формирует погоду на планете. Северо-восточные ветры к северу от экватора сближаются с юго-восточными ветрами к югу от экватора. Те и другие отклоняются от прямого движения к северу или югу силой Кориолиса (вправо – в Северном полушарии, влево – в Южном). Район, где встречаются эти ветры, носит название тропической зоны конвергенции; именно она порождает пояс низкого давления, который окружает атмосферу Земли близ экватора.

Что такое солнечные бури и какое влияние они оказывают на Землю?

Солнце кажется с Земли лишь далеким огненным шаром, однако его влияние не ограничивается светом и гравитационным притяжением. Поверхность Солнца активна и полна энергии, высокозаряженные частицы с нее постоянно прорываются в космос, и Земля порой оказывается на линии огня.

Солнечный ветер

Это нескончаемый поток высокозаряженных частиц, испускаемых Солнцем. Во время мощных вспышек плазмы, известных как корональные выбросы массы, постоянный поток солнечного ветра изменяется. Плазма выбрасывается во всех направлениях, разгоняется до скорости 3000 километров в секунду и разогревается до температуры 1 млн °C. Но самое невероятное ее свойство в том, что эта плазма обладает магнитным полем и притягивается к магнитному полю Земли, причем сильнее всего это притяжение в районе Северного и Южного полюсов. Иногда эти высокозаряженные частицы устремляются к Земле, опоясывая планету; сильнее всего – опять же у полюсов. Голубые, зеленые, красные лучи порой образуют неясную цветную завесу, порой же – четкий спектр вихрей. Все это – свидетельство того, что солнечные газы подобрались к нам ближе, и находятся не в 150 миллионов километрах (расстояние от Земли до Солнца). Солнечный ветер, притянутый магнитным полем Земли, поглощается и смешивается с газами из внешних слоев атмосферы Земли – термосферы. Столкновение заряженных солнечных частиц с кислородом приводит к образованию красного и зеленого свечения, а с азотом – фиолетового и розового. Эта захватывающая картина танцующего света бывает видна близ полюсов, и возможность увидеть ее – предмет желаний многих людей. Сияния наблюдаются только в темные и холодные месяцы; летом у Полярного круга Солнце почти не покидает небосвода.

Протуберанцы и корональные выбросы массы

Протуберанцы – это крупные выбросы электромагнитного излучения с поверхности Солнца. Они испускают в космос высокозаряженные солнечные частицы, но есть и другие, более серьезные события, которые оказывают сильное воздействие на жизнь на Земле. Речь о корональных выбросах массы – более мощном и значительном варианте солнечных вспышек. Эти солнечные вихри достигают Земли за 3–4 дня: достаточный срок, чтобы подготовиться к тому вреду, который они способны нанести. Энергия этих частиц проникает сквозь внешние слои атмосферы, где образуются полярные сияния. Они воздействуют на магнитное поле Земли и мешают работе электросетей, радиосвязи и спутников.

Буря Кэррингтона

В 1859 году, в конце августа, в солнечной короне произошел корональный выброс массы, и частицы отправились к Земле с помощью чрезвычайно сильного солнечного ветра. В Северном и Южном полушариях были видны сияния – очень необычный случай, поскольку, как правило, они наблюдаются в районе полюсов. В данном же случае их можно было видеть в австралийском Квинсленде и на Кубе. Однако последствиями этой геомагнитной бури были не только великолепные визуальные явления в верхних слоях земной атмосферы. Телеграфные сети в Северной Америке и Европе отказали: со столбов летели искры. Хоть подобные события и редки, буря Кэррингтона – не единичный случай в истории. Совсем недавно, в 2012 году, корональный выброс массы лишь немного разминулся с Землей. В нашу цифровую эпоху солнечный ветер такой интенсивности возымел бы значительно более серьезные и дорогостоящие последствия. За двадцать лет до того корональный выброс массы мощностью в 20 миллионов атомных бомб выпустил в космос облако протонов и электронов. С помощью солнечного ветра, это облако добралось до Земли и вывело из строя электросеть канадской компании Hydro-Quebec, отвечающей за производство, транспортировку и сбыт электроэнергии: 6 миллионов человек в течение 9 часов оставались без электричества. Хотя это событие имело меньший масштаб, чем буря Кэррингтона, оно напомнило о том, что солнечные бури – реальность, и что они происходят каждые несколько дней.

Пятна на солнце и солнечные циклы

Каждый солнечный цикл длится 11 лет. Он достигает своего пика, солнечного максимума, и постепенно скатывается к солнечному минимуму. Каждый цикл связан с силой магнитного поля Солнца: наибольшая – во время солнечных максимумов, именно тогда и образуется основная часть солнечных пятен. Во время солнечных минимумов пятна на Солнце встречаются редко, таким образом, количество солнечных пятен – это хороший индикатор солнечной активности, а также отклика Земли на это возмущение.

Что такое пятна на Солнце?

Цвет: пятна на Солнце – темные пузырьки или области, которые возникают на поверхности Солнца. Они состоят из двух частей: тени (более темной) и окружающей ее полутени.

Расположение: при более пристальном рассмотрении оказывается, что солнечные пятна расположены в фотосфере – внутреннем слое солнечной атмосферы, более холодном, чем ее внешние слои (хромосфера и корона).

Температура: имеют более низкую температуру, чем окружающее их пространство – около 3700 °C, то есть примерно на 1000 °C холоднее, чем вся фотосфера.

Размер: могут быть во много раз больше Земли.

Образование: возникают благодаря внутреннему магнитному полю Солнца, которое «выдувает» поток частиц на поверхность, формируя таким образом пятно.

Появление: показываются в определенных районах сферы Солнца – в 15–20 градусах от солнечного экватора. Они никогда не встречаются к северу или югу от 70-й широты.

Время: обычно появляются во время солнечного максимума, то есть наибольшей активности Солнца.