книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Глава К Атмосферные опасные процессы

Энергия и глобальная электрическая цепь. При сильной электризации облаков возникает значительная разность потенциалов до 100000 В (хара­ ктерно для кучевых облаков) и при напряженности поля 106 В/м менее чем за секунду молниевый разряд переносит 1020 электронов, что эквивалент­ но мощности примерно 100 млн обычных электролампочек.

Гроза умеренной силы порождает несколько вспышек в минуту, а вы­ свобождаемая при этом энергия эквивалентна выработке атомной электро­ станции (несколько сотен мегаватт). Вырабатываемая мощность пропорци­ ональна 5-й степени линейных размеров облаков, т.е. вдвое больщее облако вырабатывает в 30 раз большую энергию. При сильных грозах может возни­ кать более 100 молний в минуту.

Ничто не берется из ничего. Тогда откуда берется энергия грозы? Основ­ ной источник — водяной пар, поднимаясь, расширяется и конденсируется или замерзает. Скрытая теплота высвобождается и выпадает в виде осадков (дождя или снега, града). Потенциальная энергия осадков идет на электриза­ цию облака, она равна произведению действующей на осадки силы гравита­ ции на расстояние, пройденное ими при падении. Но во время гроз умерен­ ной силы гравитация все же больше электрической энергии молнии, а при сильных грозах они равны. Поэтому во время разрядки молнии скорость об­ разования осадков может возрастать.

Есть еще один энергетический баланс, который должен выдерживаться: баланс глобальной электрической цепи. Атмосфера — прекрасный диэлект­ рик, расположенный между двумя хорошими проводниками — поверхно­ стью Земли и ионосферой. Эти слои являются пассивными компонентами глобальной электрической цепи (рис. 8.26).

Между поверхностью Земли и ионосферой поддерживается постоянная разность потенциалов 300 тыс. В.

Электрические токи до 1 А, возникающие во время каждой грозы, те­ кут вверх от положительно заряженных грозовых облаков и возвращаются к Земле в зонах, где хорошая погода. А дождевые потоки и коронные разря­ ды и молнии дают другую ветвь переноса, но на средних широтах их недо­ статочно, чтобы компенсировать обратный ток. Тропики восполняют недо­ стающие батареи. Там грозы на несколько порядков сильнее и достаточно насыщены молниями, чтобы разряжать глобальную цепь. Земля расположе­ на у отрицательного полюса грозовой батареи, несмотря на наличие отрица­ тельной части зарядов, внизу грозовых облаков (она маломощна и связана с микрофизикой льда).

Фактически мы имеем дело с энергией, вырабатываемой межпланет­ ным и собственным магнитным полями Земли. Первая часть реализуется за счет процессов ионизации верхних слоев атмосферы активными потоками Солнца. Вторая — за счет теллурических токов в литосфере и магнитного поля Земли.

311

Глава 8. Атмосферные опасные процессы

грозы в тропических широтах над сушей. Для возникновения грозы необходи­ мы большая неустойчивость стратификации, сильная конвекция и водность облаков. Водность убывает с широтой. На 3 одновременно происходит 1800 гроз и 100 молний каждую секунду. В тропиках и субтропиках грозы чаще всего возникают в дождливый период. Над океаном грозы в холодных мас­ сах имеют максимум повторяемости зимой. Часто они являются источником града и вызывают торнадо. Ущерб от гроз за год в США составляет более 700 млн долл. Гибнут фруктовые сады Италии, виноградники на Кавказе,

вКрыму и Молдавии. В Индии в 1888 г. градом было убито 246 человек.

В1939 г. в Нальчике градом убито 2000 овец.

Нередко ливневые дожди сопровождаются грозами. Грозы — это ин­ тенсивные ливни с молниями, часто с градом. Это весьма опасные природ­ ные явления. Ежегодно в мире от гроз и их последствий гибнет до 10 тыс. человек (по этому показателю они находятся в первой пятерке природных катастроф).

Вбывшем СССР наибольшее число гроз отмечалось в Молдавии, на Се­ верном Кавказе, особенно в Закавказье (до 40—70 дней в году). На основной части Европейской территории бывшего СССР и в Западной Европе средне­ годовое число дней с грозами составляет 15—30, севернее — 10 и менее.

Продолжительность грозы обычно менее 1 ч. но иногда перед холодным фронтом образуется целый ряд мощных гроз, длящихся часами.

При грозах опасны интенсивные ливни, удары молний, градобития, рез­ кие порывы ветра и вертикальные потоки воздуха (для авиации).

Впоследнее десятилетие внимание исследователей привлекло изучение нисходящего движения воздушных масс во время грозы (микрошквалов). Это связано с опасностью, которую это явление представляет для авиации. Нисходящие потоки воздушных масс были причиной самых крупных ката­ строф на гражданских авиалиниях. Такие потоки возникают через 5—10 мин после того, как восходящий поток и внутриоблачная грозовая активность достигают наибольшей мощности. В это время электрическое поле у поверх­ ности Земли меняет полярность, возникают обильные осадки, которые не­ сут к Земле положительный заряд; нижняя положительно заряженная часть облака перемещается к Земле, меняется частота молний, что в целом яв­ ляется маркером для диспетчеров авиалиний.

Молнии могут привести к гибели людей, скота, вызвать пожары, в том числе лесные, повреждения электросетей и т.д. Механизм, посредством которого молния наносит повреждения сооружениям и вызывает жертвы, обусловлен высоким напряжением и значительной силой тока в канале молнии.

Внекоторых районах Африки. Франции, США и других стран число жертв от молний больше, чем от других опасных природных явлений. Так, на 10 млн жителей от молний в среднем за год гибнет: во Франции — 55 чело­ век, в США — 10 человек.

313

Рейде i И. Опасные природные процессы

Град — это атмосферные осадки, выпадающие в теплое время года, в виде частичек плотного льда диаметром от 5 мм до 15 см, обычно вместе с ливневым дождем при грозе (ГОСТ Р.22.0.03-95).

Град возникает в результате вертикальной конвекции в грозовом обла­ ке, когда восходящие потоки воздуха переносят частицы воды вверх через зону с температурой точки замерзания. Опускаясь вниз и снова проходя через эту зону, частицы снежной крупы или льда сублимируют на своей поверхности новые порции воды и вновь, поднимаясь вверх, наращивают толщину. Чем больше таких циклов, тем больше размер градин. Наиболее оптимальны условия для возникновения града в зоне столкновения атмо­ сферных фронтов, особенно когда теплый фронт надвигается на холодный. Мощная кучевая облачность в такой области способствует широкомас­ штабному развитию вертикальной конвекции.

Опасность градобитий определяется диаметром (массой) градин и раз­ мерами поражаемой плошади — «градовых дорожек». Диаметр градин со­ ставляет обычно от миллиметра до нескольких сантиметров (в отдельных случаях — до десятков сантиметров).

Сильный град калечит плодовые деревья и кустарники, уничтожает по­ севы и даже способен разрушать строения, убивать людей и животных. В ию­ ле 1991 г. град повредил 18 самолетов в аэропорту Минеральных Вод. В Ин­ дии отмечен рекорд массы градины — 7 кг. Установлен случай гибели слона от удара градины массой 3 кг. Весьма тяжелые повреждения посевам нано­ сятся в том случае, если слой выпавшего града составляет ходя бы несколь­ ко сантиметров. Наибольшая зарегистрированная толщина слоя града — бо­ лее 0,5 м (США, Колорадо).

Ежегодно экономический ущерб от гроз (в основном от градобития) в целом по миру составляет не менее 2 млрд долл. В бывшем СССР средне­ годовой ущерб от градобитий измерялся десятками миллионов рублей.

Защита от града — прогноз и активная зашита путем впрыскивания в градовые облака химических смесей для разрушения конвекции и досроч­ ного выпадения малого града.

Защита от молний — громоотводы. Во время грозы нельзя находиться > сильных проводников тока или в местах возможных концентраций заря­ дов (сухие деревья, вершина горы). При поражении человека молнией не­ обходимо частично засыпать его землей для стока остаточных зарядов и оказать медицинскую помощь.

При грозе запрещаются полеты на авиалиниях из-за воздействия молний и разнородных конвективных потоков. Основой профилактики является про­ гноз погодных условий и подготовка к воздействию поражающих факторов.

Туман в общем случае представляет собой аэрозоль с капельно-жидко­ стной дисперсной фазой. Он образуется из перенасыщенных паров в ре­ зультате конденсации. Атмосферный туман — это взвесь мелких водных ка­ пель или даже ледяных кристалликов в приземном слое. Преобладающие

314

Глава 8. Атмосферные опасные процессы

размеры капель — 5—15 мкм. Такие капельки могут поддерживаться во взве­ шенном состоянии восходящими потоками воздуха со скоростью 0,6 м/с. Когда число таких капелек в 1 дм' воздуха достигает 500 и более, горизон­ тальная видимость в приземном слое атмосферы падает до 1 км и ниже. Тогда-то метеорологи и говорят о тумане. Масса капель воды в 1 м' (эту величину называют водностью) при этом невелика — сотые доли грамма. Более густой туман, естественно, отличается более высокой водностью — до 1,5 и 2 г на 1 м3. В исключительных случаях была зарегистрирована водность 8 г на 1 м\ При положительных температурах по шкале Цельсия туман со­ стоит из водяных капель. Это влажный туман. При температуре ниже —15° С во взвеси преобладают ледяные кристаллы — это ледяной туман. Если види­ мость уменьшается из-за взвешенных в воздухе частиц пыли или дыма, го­ ворят о сухом тумане (мгле).

Откуда же берутся в воздухе капельки воды? Они образуются из водя­ ного пара. Когда земная поверхность охлаждается за счет теплового излу­ чения (тепловой радиации), охлаждается и прилежащий к ней слой возду­ ха. Содержание водяного пара в воздухе при этом может оказаться выше предельного для данной температуры. Иными словами, относительная влаж­ ность становится равной 100%, и избыток влаги конденсируется в виде ка­ пель. Туман, образующийся по такому (кстати сказать, наиболее распро­ страненному) механизму, называется радиационным.

Туман адвективный образуется при горизонтальном перемещении (ад­ векции) теплого, влажного воздуха над охлажденной поверхностью. Такие туманы часты в океанических районах с холодными течениями, например, около острова Ванкувер, а также у берегов Перу и Чили: в Беринговом про­ ливе и вдоль гряды Алеутских островов; у западного берега Южной Африки над Бенгальским холодным течением и в районе Ньюфаундленд, где Гольф­ стрим встречается с холодным Лабрадорским течением; на восточном побе­ режье Камчатки над Камчатским холодным течением и северо-восточнее Японии, где встречаются холодное Курильское течение и теплое течение Куросио. Подобные туманы нередко наблюдаются и на суше, когда теплый и влажный океанический или морской воздух вторгается на охлажденную тер­ риторию континента или большого острова.

Туманы восхождения появляются в теплом и влажном воздухе, когда он поднимается вдоль склонов гор. (Как известно, в горах — чем выше, тем хо­ лоднее.) Примером может служить остров Мадейра. На уровне моря тума­ нов здесь практически не бывает. Чем выше в горы, тем больше и средне­ годовое число туманных дней. На высоте 1610 м над уровнем моря таких дней уже бывает 233. Правда, в горах туманы практически неотделимы от низкой облачности. Поэтому на горных метеостанциях в среднем туманов значительно больше, чем на равнинах. На станции Эль-Пасо в Колумбии на высоте 3624 м над уровнем моря в среднем наблюдается 359 туманных дней в году. На Эльбрусе на высоте 4250 м в среднем в году бывает 234 дня

315

Раздел //. Опасные природные процессы

с туманом, на вершине горы Таганай на Южном Урале — 237 дней. Среди станций, близких к уровню моря, наибольшее среднее число дней с тума­ ном за год (251) наблюдается в американском штате Вашингтон — на ост­ рове Татуш, а в нашей стране — на сахалинском мысе Терпения (121) и на камчатском мысе Лопатка (115). Один из крупнейших очагов образования ту­ манов находится в Республике Заир. На ее территории много болот, господ­ ствующий здесь экваториалыю-Tpoiшческий климат отличается высокими температурами и влажностью воздуха, страна расположена в обширной кот­ ловине с ослабленной циркуляцией воздуха в приземных слоях атмосферы. Благодаря таким условиям в юго-западной части республики отмечается 200 и более дней с туманом ежегодно. Конечно, когда говорят о туманном дне, это еще не означает, что туман держится круглые сутки. Наибольшая в сре­ днем продолжительность тумана наблюдается в нашей стране на мысе Тер­ пения и составляет 11,5 ч. Но если ввести другой показатель «туманно­ сти» — среднегодовое число часов с туманом, то здесь рекорд держит горная метеостанция Фихтельберг (ГДР) — 3881 ч. Это чуть меньше половины чис­ ла часов в году. Среди метеостанций нашей страны наибольшее (в среднем) число часов с туманами за год имеет станция на вершине Ай-Петри (1729 г.). Самым длительным был трехмесячный сухой туман над Европой в 1783 г., вызванный интенсивной деятельностью исландских вулканов. В 1932 г. влаж­ ный туман в американском аэропорту Цинциннати на высоте 170 м над уров­ нем моря продолжался 38 суток. В нашей стране туманы длительностью от 8 до 12 суток наблюдаются иногда у мыса Челюскин, на мысе Терпения, в Прибалтике. Туманы могут учащаться в отдельные месяцы года. В июле на мысе Терпения может быть до 29 дней с туманом, в августе на Курильских островах, — до 28, в январе — феврале на горных вершинах Крыма и Ура­ ла — до 24 дней.

Распространено мнение, что Лондон является одним из наиболее ту­ манных мест. На самом деле это не так. Правда, по мере развития про­ мышленности, за счет засорения воздушного бассейна Лондон становится все более туманным: с 1871 по 1890 г. среднегодовое число дней с туманом в Лондоне увеличилось с 50,8 до 74,2. Это не такие уж высокие цифры. Благодаря принятым мерам лондонская атмосфера стала чище, и частота образования тумана в Лондоне снизилась. Зимние туманы в Лондоне длятся иногда от 3 до 5 дней. Мы уже говорили, что относительная влажность при образовании тумана составляет 100%. При наличии в атмосфере крупных ядер конденсации (например, взвешенных в воздухе продуктов сгорания то­ плива или работы химических производств) туман может образоваться при относительной влажности 90%, а при низких отрицательных температурах — и при влажности около 80%. Если в воздухе много продуктов сгорания то­ плива, то туманы могут приобрести желтый, бурый, а иногда и черный цвет (за счет взвешенной в воздухе копоти). Городские дымо-туманы желто-бу­ рого цвета в западных странах известны под названием «смог» (от англ.

316

Глава 8. Атмосферные опасные процессы

smoke — дым и fog — туман). Они нередко наблюдались, да и сейчас наблю­ даются в Лондоне и Лос-Анджелесе. Нью-Йорке и Токио, Милане и Вене.

Туманы существенно осложняют транспортное сообщение из-за сни­ жения горизонтальной видимости, поэтому данное атмосферное явление особенно волнует диспетчеров аэропортов, работников морских и речных портов, летчиков, капитанов кораблей, водителей автомашин.

При слабом тумане видимость снижается до 1 км, при умеренном — до сотен метров, а при сильном — до нескольких десятков метров. И тогда вре­ менно закрываются аэродромы, встают на якорь суда, включаются сирены маяков.

Туманы бывают фронтальные и местные. Фронтальные — протяженные вдоль линии атмосферного фронта, местные — в низинах, над озерами, ре­ ками, у берегов водоемов.

Известны случаи отравлений и массовой гибели людей, связанных со смогом. Наибольшие неприятности такого рода туманы доставили Англии.

Самый смертоносный туман опустился на Лондон в декабре 1952 г. Угольная копоть, двуокись серы, химические и бензиновые пары, содержав­ шиеся в атмосфере, при конденсации теплой массы воздуха усилили свое пагубное воздействие. 4 тыс. человек погибли от вдыхания паров, еще 8 тыс. человек постепенно умерли от последствий.

8.1.5

Основы защиты и профилактики

Современная спутниковая метеорология позволяет обнаруживать ураганы, прослеживать их путь (рис. 8.27) и оповещать о них различными средствами. Проводятся исследования с помощью специаль­ ных самолетов, ведется постоянное радарное наблюдение. Атмосферные вихри не признают международных границ, поэтому организовано между­ народное сотрудничество.

Задача оповещения о приближении тропического циклона (ТЦ) в ме­ ждународных водах возлагается на специально выбранные метеослужбы, за каждой из которых закреплен определенный район открытого моря или тер­ ритории слабого государства. Тем не менее средняя ошибка суточных про­ гнозов перемещения ТЦ составляет около 200 км.

Деятельность национальных метеослужб на международном уровне ко­ ординирует Всемирная метеорологическая организация (ВМО). Синоптиче­ ские прогнозы и предупреждения разрабатывает Всемирная служба погоды (ВСП). С помощью радиолокатора удается обнаружить циклон на расстоя­ нии 280—320 км.

317