Пейзаж в зоне экваториального климата многим хорошо знаком по приключенческой литературе. Это бесконечный, непроходимый и опасный для непривычного человека лес. Джунгли... Сельва... „Европейцу трудно себе представить эти деревья. Они растут повсюду, куда ни обратишь взор, и все собой закрывают. Подобно мачтам линии высокого напряжения близ промышленного города, они производят впечатление незримой мощи. И каждый из нас сознавал, что за этими деревьями стоят миллионы других... Индеец знает, что в джунглях все располагается по вертикали, а не по горизонтали. Деревья борются друг с другом за клочок неба, ползучие растения, извиваясь, тянутся ввысь, потом пускают ростки к земле и, наконец, посылают к солнцу еще один упрямый побег" (А. Кауэлл „В сердце леса").
Расточительная щедрость экваториального леса связана отнюдь не с плодородием земли (здесь преобладают малопродуктивные красные почвы), а исключительно с обилием солнечной радиации и очень большим количеством осадков. В среднем в этих районах земного шара выпадает около 2000 мм осадков в год, а если на пути влажного воздуха встает гора, то за год на нее может вылиться 10-метровый слой воды (10 000 мм), как обычно и бывает на западных склонах вулкана Камерун в Африке. Для сравнения вспомним, что в дождливых Петербурге и Лондоне количество осадков в год в среднем составляет всего 600 мм.
Но самое интересное для метеоролога — это происхождение осадков. Когда подсчитали количество влаги, испаряющейся в экваториальном поясе с поверхности океанов и суши, то оказалось, что оно не составляет и половины количества выпадающих здесь осадков. Значит, влага приносится к экватору извне. Источником ее являются пассаты северного и южного полушарий. На пути к экватору они собирают колоссальное количество влаги с необозримых просторов тропических океанов. По причинам, которые мы рассмотрим ниже, влага пассатов не может обратиться в мощные облака и выпасть в виде дождя, она почти вся переносится к экватору, где конвергируют пассаты, а насыщенный ею воздух устремляется вверх, и в нем образуются мощные кучево-дождевые облака.
Практически все мощные дожди экваториальной зоны связаны с облачностью ВЗК- Скопления облаков СЬ, хорошо различимые на фотографиях из космоса, в течение года мигрируют вместе с ВЗК с юга на север и обратно, поэтому в экваториальном климате выделяют два сезона относительно сухой погоды, в которые ВЗК удаляется от экватора, и два сезона сильных дождей, в которые она находится как раз над экватором. Например, в Яунде (3°49' с. ш.), столице Камеруна, максимумы осадков обычно отмечаются в апреле (230 мм), когда ВЗК проходит этот город, перемещаясь на север, и в октябре (260 мм), при ее возвращении в южное полушарие. В январе и июле дождей меньше, но они дают около 50 мм осадков в месяц.
Вот как обычно начинается дождливый сезон в Амазонии:
"В первой декаде октября со стороны Атлантического океана стали появляться черные тучки, они проходили над нами, направляясь к Андам. Постепенно в восточной части неба стала собираться темная громада туч, и хотя от нее отрывались, уплывая вперед на разведку, небольшие облачка, основная масса оставалась по-прежнему черной и день ото дня росла и принимала все более угрожающий вид, с каждым утром все ближе придвигаясь к нам... Орландо сказал, что новый сезон начнется с урагана. В это время года всегда проносятся сильнейшие бури и грозы. Бебкуче говорил мне, что „небо будет кричать и посылать на землю длинный огонь, чтобы убить индейцев"...
...Однажды мы ходили около часу, как вдруг хляби небесные разверзлись. Над джунглями разразился ураган, и шатер леса у нас над головой, казавшийся прочным, как купол собора Святого Павла, заколебался, словно началось землетрясение. Гнилые деревья, неподвижно стоявшие больше пяти месяцев, с треском падали на землю; щепки, листья, ветви, целые стволы летели во все стороны... День обратился в ночь. Затем последовало несколько ослепительных вспышек молнии, канонада взрывов, и снова стало светло, как днем... У наших ног падали огромные куски деревьев, лианы со свистом рассекали воздух; нас охватил ужас. Как готовые на смерть солдаты, мы ринулись сквозь заслон напрямик в лагерь. Оставшиеся там люди отчаянно пытались спасти лодки. Могучие волны швыряли их о берег. В двух ярдах от моего гамака на землю рухнул ствол дерева. Пошел дождь. Он хлестал сплошными потоками, словно великий первобытный лес Шингу признавал лишь то, что было под стать его свирепой силе".
А. Кауэлл «В сердце леса»
Не следует думать, что такой кошмар повторяется в период дождей в Амазонии каждый день. Здесь описана ситуация, связанная с ливневым штормом, который наблюдается у экватора не так уж часто. Специальный эксперимент по наблюдению за выпадающими из облаков ВЗК осадками, проведенный в Венесуэле в июне 1969 г. с привлечением данных густой сети метеорологических радаров и осадкомерных станций, показал, что ливневые штормы прошли 2, 7, 8, 10 и 22 июня, причем настоящий потоп был только 8 и 22 июня, а в остальные дни месяца дожди были умеренными или слабыми. В связи с наличием продолжительных периодов спокойной, безветренной погоды ВЗК получила еще одно название — „зона экваториального затишья". Следует отметить, что затишье в этой зоне гораздо чаще отмечается на океанах. Неслучайно феномен экваториального затишья был открыт именно моряками. На суше за счет хорошо развитой дневной конвекции атмосфера возмущена, или турбулизи-рована, больше, и послеполуденные грозы, при которых происходит усиление ветра, там явление обычное.
На океанах дожди менее обильные, чем на материках, они выпадают равномернее, часто бывают ночью. На материках в ночные часы за счет слабого, но все-таки достаточного охлаждения приземного слоя воздуха ослабевает термическая конвекция и облака ВЗК оказываются развитыми в значительно меньшей степени, чем днем. Над океанами ночная конвекция остается такой же интенсивной, как и дневная, и даже усиливается, потому что вода из-за большой тепловой инерции ночью совсем не охлаждается.
Однако на суше роль ливневых штормов также исключительно велика: на их долю приходится до 80% всех осадков, выпадающих из облаков ВЗК. Например, за июнь 1969 г. в Венесуэле выпало 200 мм осадков, из них 150 мм — в течение всего 4 суток, в которые отмечались ливневые штормы. Таким образом, несмотря на относительное постоянство процесса конвергенции пассатов развитие облачности и осадков в ВЗК ото дня ко дню происходит крайне неравномерно. Оно зависит от ряда факторов, главными из которых считают завихренность воздушных течений и интенсивность конвекции воздуха над прогретой землей. Ливневые штормы — результат „благоприятного" сочетания двух этих факторов.
Конечно же, интенсивность дождей в экваториальной зоне поражает воображение, но еще более необычной кажется их ежедневная регулярность, как, впрочем, и регулярность других атмосферных явлений в этой зоне. Вот, например, как описывается погода на берегах Гвинейского залива:
„Как правило, до 8 часов утра сильный туман господствует над низменностью. В 9 часов из пасмурного, влажно-серого покрова облаков показывается солнце, в 11 часов жара становится тягостной. В 1 или в 2 часа пополудни небо покрывается темными грозными облачными массами. Приблизительно к 5 часам разражается гроза с сильным дождем... Почти 10 месяцев в году господствует это время дождей. Солнце по неделям прячется за облаками; безжалостно и равномерно льет дождь, и земля принимает в себя совершенно невероятные количества влаги. Бесчисленные ручьи и речки в лесу не в состоянии вместить этот гигантский паводок и вскоре выходят из берегов. При нескончаемо идущем дожде влажность воздуха необычайно велика, и это в сочетании с высокими температурами действует на человека крайне неприятно".
И. Блютген „География климатов"
Температура воздуха в экваториальном поясе исключительно устойчива. Здесь нет не только зимы, но и вообще сезонов года в привычном для нас смысле (есть лишь периоды усиления и ослабления дождей). Так, в Манаусе на Амазонке средняя температура воздуха в течение года изменяется на 1,8 °С (25,7 °С в апреле и 27,5 °С в сентябре). На островах Гилберта в Тихом океане сезонные „контрасты" температуры впечатляют еще больше: если в самом теплом месяце, октябре, она составляет 28,7 °С, то в самом „холодном", июле,— 28,1 °С. Суточные колебания температуры в экваториальном поясе всегда больше годовых.
Кстати, при большой влажности воздуха понижения температуры на 1—2 °С вполне достаточно, чтобы образовались ночные и утренние туманы — очень распространенное явление в зоне экваториального континентального климата.
„Теплый туман — неизменная принадлежность Гвинейского залива. Мы едем к реке Сасандре... Дорога пролегла через огромный лес... Среди деревьев, здесь и там, располагались большие затопленные участки. Туман наползает именно с этих затопленных мест, никогда не просыхающих из-за беспрестанных сезонных дождей. Окутанная туманом дорога и сама ведет себя странно, словно мы очутились в сказочной стране. Она вдруг вертикально устремляется вниз, в пустоту, и столь .же внезапно взбегает круто вверх, снова в пустоту... Наконец туман улетучивается, но не волнами, как это происходит в Европе, а опадает с леса, словно покрывало с торжественно открываемого величественного памятника".
А. Моравиа „Письма из Сахары"
Кучево-дождевые облака, главная достопримечательность экваториального неба, вздымаются подобно башням на высоту до 18 км, до тропопаузы, задерживающей дальнейший их рост. На этой высоте постоянно наблюдается отрицательная, причем очень низкая температура воздуха (до -80°С), поэтому вершины облаков СЬ состоят не из капель, а из ледяных кристаллов, образующих красивый шлейф полупрозрачных перистых облаков (Cirrus, сокращенно Ci). Облака Ci растекаются под тропопаузой в стороны, часто принимая форму наковальни. Такие „наковальни" можно видеть и в наших широтах, так как механизм образования облаков СЬ во всех частях света примерно одинаков, только «наши»
1 — капли воды, 2 — ледяные кристаллы,
3 — молния, 4 — электрические заряды (положительные и отрицательные). Сb редко поднимаются выше 10—12 км, то есть выше тропопаузы умеренных широт.
Механизм образования осадков из кучево-дождевых облаков тесно связан с их внутренней структурой (рис. 31). Конвергенция воздуха и его нагревание от поверхности земли приводят к бурному подъему воздушных масс, при этом воздух непрерывно расширяется, так как по мере подъема попадает в слои атмосферы со все меньшим давлением. При расширении воздуха без дополнительного нагревания извне (солнце не успевает его нагреть, поскольку он поднимается вверх с большой скоростью) температура понижается, причем в строгой закономерности: 1°С на каждые 100 м подъема. Наконец на некоторой высоте (для тропиков около 700 м) температура поднимающегося воздуха становится настолько низкой, что начинается конденсация содержащегося в нем водяного пара в капли воды. Эта высота и является нижней границей облака, его основанием.
От основания и до высоты, на которой температура воздуха достигает -10°С, облако Сb состоит из капель воды разного диаметра, в среднем 10—20 мкм. В экваториальных облаках Сb вследствие их большой водности значительную долю составляют крупные капли размером 40—50 мкм. Вода в облаке не замерзает и находится в переохлажденном состоянии, потому что для ее кристаллизации недостаточно отрицательной температуры; нужно, чтобы в воздухе было достаточно мелких твердых частиц — центров кристаллизации, вокруг которых формируются ледяные иглы. Концентрация таких частиц — аэрозолей — максимальна у вечно пылящей поверхности земли и быстро уменьшается с высотой. Таким образом, из-за дефицита аэрозоля средняя часть облака Сb представляет собой переохлажденный капельно-жидкий туман.
Только выше изотермы —10°С среди капель воды появляются первые ледяные кристаллы. Здесь облако Сb уже состоит из смеси воды, находящейся в двух разных фазах — жидкой и твердой. Это обстоятельство решительным образом влияет на процесс формирования осадков. Дело в том, что и капли, и ледяные кристаллы окружены невидимыми облачками водяного пара, причем его плотность надо льдом меньше, чем над водой. Начинаются перетекание водяного пара на ледяные кристаллы и его сублимация, то есть осаждение на лед. Первоначально очень небольшие, ледяные кристаллы за несколько минут вырастают до крупных капель (размером 50—60 мкм) и начинают объединяться друг с другом — коагулировать, попутно захватывая намерзающие на них переохлажденные капли воды. При этом содержание свободного водяного пара в облаке, естественно, уменьшается и сохранившиеся еще капли испаряются. Водяной пар вновь сублимируется на ледяных кристаллах. Так происходит непрерывная перегонка воды с капелек на кристаллы, за счет которой образуются наконец ледяная крупа или град. Диаметр ледяных крупинок составляет 0,3—5 мм, а диаметр градин в мощных облаках Сb может достигать 10 см.
Крупа и град не выпадают вниз до тех пор, пока их в состоянии поддерживать восходящие движения воздуха. Сам размер градин свидетельствует о том, какой большой скорости могут достигать восходящие движения в облаке. В самом обычном облаке Сb воздух поднимается вверх со скоростью 3—б м/с (отмечалась и скорость 25 м/с). Но все-таки наступает такой момент, когда масса крупы или града становится больше критической, и они, преодолевая сопротивление восходящего воздушного потока, падают вниз.
Далее все зависит от температуры нижележащего слоя воздуха. Если она велика, градины тают и превращаются в дождь; если температура достаточно низка, что часто бывает при холодных воздушных вторжениях в средних широтах, то на землю выпадает слегка оплавившийся град.
В экваториальных кучево-дождевых облаках, где положительная температура воздуха распространяется до достаточно большой высоты, параллельно действует другой, более простой механизм образования осадков. Он заключается в слиянии, то есть коагуляции капель воды: они движутся с разной скоростью, и мелкие капли, наталкиваясь на крупные, присоединяются к ним. Непрерывный рост капель приводит к тому, что через полчаса-час в облаке остаются одни крупные дождевые капли и восходящий поток воздуха уже не в силах удерживать всю эту массу воды.
С кучево-дождевыми облаками связаны такие эффектные, но опасные явления погоды, как грозы и шквалы.
В облаках Cb практически независимо от того, в каком географическом поясе они образовались, формируется своя система циркуляции воздуха. Поскольку масштаб этой циркуляции измеряется километрами, ее называют мезоциркуляцией. В передней части облака теплый и влажный воздух интенсивно втягивается в него и устремляется вверх, отдавая свою влагу и охлаждаясь. Впереди Облака, на расстоянии нескольких километров от него, этот же воздух вновь опускается к земле, и, таким образом, возникает гигантское циркуляционное кольцо. В передней части кольца за счет нисходящих движений воздуха довольно сильно растет давление. На барограммах при этом хорошо виден всплеск давления, так называемый грозовой нос — в данной части циркуляционного кольца образуется знаменитая зона затишья перед грозой. В облачной части большого циркуляционного кольца, там, где поднимается теплый воздух, давление, наоборот, падает, и туда устремляется воздух из тыловой части облака, уже охлажденный испаряющимся дождем. В зоне контакта теплого и холодного воздуха, почти у самой земли, возникает вихрь с горизонтальной осью и скоростью ветра в нем 20—40 м/с. Это так называемый шкваловый ворот, несущий разрушения и бедствия... И только после шквала на землю обрушивается мощный грозовой ливень. Знакомая картина, не правда ли?
В душном воздухе молчанье,
Как предчувствие грозы —
Жарче роз благоуханье,
Звонче голос стрекозы...
Жизни некий преизбыток
В знойном воздухе разлит,
Как божественный напиток,
В жилах млеет и горит!
Ф. И. Тютчев
И вдруг отрывный и глухой
Промчится грохот над рекой,
Уже спокойной и дремучей,—
И вдруг замолкнет... Но вдали,
На крае неба, месяц полный
Со всех сторон заволокли
Большие облачные волны...
Уже безмолвие лесное
Налетом ветра смущено;
Уже не мирно и темно
Реки течение ночное...
Тьма потопила небеса;
Пустился дождь; гроза волнует,
Взрывает воды и леса,
Гремит, и блещет, и бушует.
Мгновенья дивные! Когда
С конца в конец по тучам бурным
Зубчатой молнии бразда
Огнем рассыплется пурпурным...
Н. М. Языков „Тригорское"
С грозовыми облаками тесно связано и такое явление, как смерч. Смерчи наблюдаются практически везде, где есть условия для образования мощных кучево-дождевых облаков: от Норвегии до экватора и вокруг всего земного шара. Особенно часты они там, где теплый и влажный морской тропический воздух вступает в контакт с сухим и холодным континентальным воздухом. Такая ситуация зачастую отмечается на юге США, здесь смерчи образуются по нескольку сотен в год и называются торнадо. В нашей стране район наибольшей повторяемости смерчей — Черноморское побережье Кавказа. Смерч — это вихрь с вертикальной осью и диаметром от нескольких десятков метров на море до сотен метров на суше; он представляет собой темную воронку или столб, спускающийся к земле из облака. Вот как описывают довольно сильный смерч, прошедший, правда, не у экватора, а через русский город Иваново 9 июня 1984 г.:
«В 15 часов 45 минут появилось новое, очень темное облако с напоминающим воронку выступом, который опускался к земле, раскачиваясь из стороны в сторону. Почти коснувшись поверхности, воронка стала быстро расширяться и всасывать в себя предметы. Нижний конец ее приподнимался и вновь опускался. Было хорошо видно, что „хобот" стремительно вращается, выбрасывая на высоте втянутые в него предметы. Слышался сильный свист и гул, словно от реактивного самолета. Воронка внутри светилась, и все это напоминало кипящий котел. От „хобота" отделялись рукава, то удалявшиеся от воронки, то вновь приближавшиеся к ней...»
Воздух внутри смерча не только вращается, но и стремительно поднимается вверх, увлекая с земли пыль, песок, воду и всякие предметы, поэтому на фоне неба он выглядит темным. Скорость ветра в смерче, судя по разрушениям, которые он производит, достигает . 50—125 м/с. Для сравнения вспомним, что скорость ветра, который мы обычно воспринимаем как сильный, составляет 10—15 м/с.
Неудивительно, что смерчи легко срывают крыши домов, переносят людей и животных, машины и железнодорожные вагоны, что из них выпадают необычные дожди, например... рыбные. Случаи выпадения рыбных дождей не раз отмечались в исторических хрониках, а один из последних таких случаев произошел недавно, в 1985 г., в Белоруссии. Смерч прошел по руслу небольшой речки вблизи сел Беседки и Птичь, высосал из нее всю воду вместе с рыбой и обрушил на соседний луг.
Механизм образования смерчей окончательно не выяснен. Скорее всего, смерч — это возникающий впереди облака СЬ шкваловый ворот, ось которого по каким-то причинам превратилась из горизонтальной в вертикальную.
Кучево-дождевые облака практически всегда сопровождаются грозами, причем чем мощнее облако и, главное, чем сильнее выпадающий из него дождь, тем яростнее гроза. Из. этого следует, что максимальные частота и интенсивность гроз на Земле должны отмечаться во внутритропической зоне конвергенции. Действительно, в экваториальных районах повторяемость гроз является наибольшей: они наблюдаются около 80, а кое-где — даже до 120—150 дней в году. Для сравнения укажем, что на Европейской части России таких дней в году бывает всего 10—20, а в Арктике гроза — вообще уникальное явление. Однако где бы гроза ни гремела, ее физическая природа всюду одинакова.
Облачные капли всегда несут на себе электрический заряд. Электризация капель, снежинок и града происходит разными путями; она может быть обусловлена соударением облачных частиц, захватом ими ионов воздуха, разбрызгиванием капель и разламыванием ледяных кристаллов, замерзанием воды в облаках. Однако в целом облако остается электрически нейтральным (положительные и отрицательные заряды его элементов перемешаны), пока в нем не происходят образование и выпадение осадков. Крупные и мелкие частицы осадков обычно заряжены противоположно, и когда начинается выпадение крупных частиц, происходит гравитационное разделение зарядов: в облаке образуются зоны положительного и отрицательного электричества, между которыми возникает разность потенциалов, иногда достигающая 1000 в/см2. В нижней части облака Сb, как правило, локализуются отрицательные заряды, а земля под облаком в соответствии с принципом электромагнитной индукции приобретает положительный заряд. Так формируется разность электрических потенциалов „облако — земля".
Воздух — хороший диэлектрик (плохо проводит электричество), но если разность потенциалов „облако — земля" достигает критических значений, происходит его пробой искрой, на время уменьшающий разность потенциалов. Так возникает молния, которая сопровождается громом — звуковым явлением, обусловленным сжатием воздуха.
Некоторые атмосферные явления, связанные с. грозовым электричеством, в частности шаровая молния, до сих пор не получили окончательного физического объяснения. Более подробно об электрических явлениях в атмосфере можно узнать, прочитав книгу И. М. Имянитова.
Севернее экваториального пояса ливневые штормы и сильные грозы тоже не редкость, но в годовом цикле они случаются „по расписанию" — в период летнего муссона.