Чем дальше от экватора, тем суше становится климат. Если в субэкваториальном поясе еще есть дождливый сезон, вызванный летним смещением ВЗК, то в странах тропического климата, куда она не доходит, такого сезона нет и весь год длится как бы одна непрерывная засуха. Никто и никогда здесь не ждет дождя, а если он и случается, то его воспринимают как чудо, на которое всерьез полагаться нельзя. Пустыни Сахара, Калахари и Намиб в Африке, безжизненная Атакама в Америке, Аравийская пустыня в Азии и, наконец, практически лишенные воды районы Центральной Австралии — все это порождение тропического климата Земли, особых условий циркуляции атмосферы.
Для тропического пояса характерны устойчивые пассатные ветры, дующие по периферии субтропических антициклонов, обращенной к экватору. На континентах воздух пассатов очень сухой, в основном потому, что он проходит над выжженными пустынями. Над океанами пассат жадно впитывает морскую влагу, однако она не может подняться выше 1,0—1,5 км и образовать мощные дождевые облака, поэтому здесь осадков тоже почти никогда не бывает. В этом смысле влияние тропических пустынь распространяется и на океан. Причиной слабого развития облачности в пассатах является так называемая пассатная инверсия, которая зарождается в субтропических антициклонах и усиливается затем процессами взаимодействия океана и атмосферы.
Инверсия — это обратное нормальному распределение температуры воздуха с высотой. Обычно в тропосфере по мере удаления от земной поверхности на каждые 100 м температура уменьшается на 0,6°С. Однако нередко в тоопосфере обоазуются особые слои, в которых температура воздуха изменяется мало (слой изотермии) или даже увеличивается с высотой (слой инверсии). Инверсия примечательна тем, что она является существенным препятствием для развития в атмосфере восходящих движений воздуха, которые переносят влагу из нижних слоев атмосферы в высокие и приводят к образованию мощной облачности, поэтому слой инверсии часто называют задерживающим.
Эффект задерживающего слоя инверсии понять несложно. Представим себе поднимающуюся вверх ограниченную массу воздуха, которая не получает тепла извне и не отдает его. Так бывает, например, в хороший летний день при развивающейся конвекции, когда от поверхности земли отрываются пузыри перегретого воздуха и устремляются вверх. Процессы без обмена теплом с окружающей средой называются в метеорологии адиабатическими и часто наблюдаются при кратковременных изменениях погоды. Попадая во все более разреженные слои атмосферы, поднимающаяся воздушная масса непрерывно расширяется, а ее температура при этом все время понижается: первоначальный запас тепла воздушной массы распределяется по все большему объему.
Адиабатическое понижение температуры с высотой в условиях земной атмосферы — величина строго фиксированная и для сухого воздуха составляет 1 °С/100 м. Таким образом, поднявшись на 100 м, воздушная масса адиабатически охладится на 1 °С и окажется при этом на 0,4 °С холоднее окружающей ее „спокойной" атмосферы, потому что в последней, как мы знаем, с высотой температура уменьшается всего на 0,6°С/100 м.
Понятно, что Архимедовы силы плавучести потянут воздушную массу вниз, но она все-таки будет подниматься за счет динамических, турбулентных движений, поскольку различие температур поднимающегося и „спокойного" воздуха в данном случае невелико.
При изотермии разность температур адиабатически поднимающегося воздуха и окружающей атмосферы в нашем случае составит 1 °С, а при сильных инверсиях она может достигать и 2 °С. В этих условиях Архимедовы силы, которые подавляют восходящие движения воздуха, становятся очень велики, и поступающие в атмосферу с поверхности земли водяной пар и пыль задерживаются под слоем инверсии.
Температурная инверсия, свойственная пассатам, зарождается внутри субтропических антициклонов.При общемдинамическом опускании воздуха в центре антициклона происходит его адиабатическое нагревание, то есть процесс, обратный описанному выше. Если при обычном распределении температуры воздуха с высотой (0,6°С/100 м), или, как говорят метеорологи, при нормальной стратификации, отмечаются нисходящие движения в слое А — В, то кривая температурной стратификации довольно быстро приобретает характерный зигзагообразный изгиб. В области этого изгиба и находится адиабатически нагретый при опускании воздух. Выше и ниже этого слоя атмосфера сохраняет свою первоначальную температуру. Антициклоническая инверсия при растекании воздуха от центра вихря к периферии передается пассатам и усиливается в них. На суше это происходит при ночном радиационном понижении температуры приземного воздуха, а на море — при охлаждении приводных слоев воздуха над относительно прохладным океаном.
i — нормальная температурная стратификация атмосферы (0,6 °С/1 00 м),
2 — температурная стратификация в зоне пассатов,
3 — адиабатическое нагревание воздуха при его опускании (1 °С/100 м).
Несмотря на однообразие и устойчивость атмосферной циркуляции в зоне тропического климата, погода на суше, в открытом океане и прибрежных районах существенно отличается. В континентальных тропических пустынях преобладает восточный ветер, при котором отмечается очень низкая влажность. В Сахаре его называют харматаном. Относительная влажность воздуха при хар-матане редко достигает 60%, а чаще составляет 20—30%. Это означает, что в воздухе содержится в 3—5 раз меньше влаги, чем ее потребовалось бы для образования всего лишь слабого тумана. Облаков и осадков при харматане не бывает, инверсия же температуры поддерживается постоянно. Особенно сильна она в утренние часы: за ночь приземный слой воздуха охлаждается до 0 °С, поэтому жители Сахары часто простужаются и болеют ревматизмом — типичной болезнью северян. Низкие ночные температуры связаны с исключительно малым содержанием в воздухе водяного пара и, следовательно, с большой прозрачностью воздуха. Тепловое инфракрасное излучение пустыни практически свободно уходит в космос.
Днем пустыня вновь прогревается безжалостным тропическим солнцем до 40, а иногда даже и до 50 °С, при этом возрастает неустойчивость воздуха и то тут, то там вверх взметываются небольшие песчаные вихри — так называемые „танцующие джины". Харматан переносит большое количество песка и красной пыли, которые уносятся пассатом на тысячи километров, подхватываются западным переносом и выпадают в виде „кровавых дождей" где-нибудь в Европе. В самой же пустыне насыщенность воздуха частицами пыли порождает любопытные явления, в частности сильную электризацию этих частиц при их соударениях. Наблюдавший это явление в пустыне Калахари известный английский путешественник Давид Ливингстон писал в своей книге „Путешествия и исследования в Южной Африке":
„Когда дует этот горячий ветер... то благодаря сильной насыщенности атмосферы электричеством, при малейшем движении каросса, или плаща, который носят туземцы, на поверхности его вызывается целый поток маленьких искр. Я наблюдал это явление первый раз, когда однажды вместе со мной ехал в повозке один вождь. Увидев, что мех его плаща при каждой встряске повозки совершенно ясно светился, я провел рукой по нему и увидел, что он мгновенно испустил целый поток ярких искр, сопровождающихся отчетливым треском".
Но настоящие песчаные бури бывают в тех случаях, когда харматан, в общем-то не очень сильный ветер, сменяется противоположным по направлению воздушным потоком. В Сахаре он называется шехили и появляется при приближении к берегам Северной Африки циклона со стороны Атлантического океана, случайно „забредающего" в эту пустыню из более северных широт либо образующегося между двумя субтропическими антициклонами. С приходом циклона неустойчивость воздуха возрастает и возникают действительно сильные ветры.
„При начале песчаной бури ветер резко принимает юго-западное направление, сила его растет с каждой минутой, затмевается солнце, а горизонт закрывается стеной песка. Сама буря поднимается тогда, когда песчаные скопления на почве начинают сильно передвигаться. В этот злосчастный момент надо как можно скорее сложить багаж и укрыться под палаткой, а если во что бы то ни стало надо двигаться, то приходится идти вслепую, стремясь лишь не потерять из виду ближайшего спутника. Если картины караванов, засыпанных песком, относятся к области легенд, то картины отдельных засыпанных людей и животных вполне реальны... Обычно ураган утихает с заходом солнца, в течение ночи ветер стихает или же слабо дует у земли... Буря вновь может начаться на следующий день, но чаще ветер становится северо-западным, затем северным, небо очищается, путник вновь может коченеть от холода и испытывать облегчение, хотя буря не принесла ни капли дождя".
Р. Капо-Рей „Французская Сахара"
Не правда ли, знакомая картина прохождения циклона, но только без осадков?.. А вот более современное описание бури:
„В тот день над Нуакшотом (столица Мавритании.— А. У.) свирепствовала песчаная буря... Улицы, тянувшиеся вдоль узких стен, были засыпаны белым песком, словно снегом. На узких полосках асфальта образовались песчаные сугробы. Ветер гнул жалкие, чахлые кустики, грохотал в ставнях, свистел в телеграфных проводах. Время от времени сквозь песчаные тучи проглядывало бледное, испуганное солнце. Медленно и осторожно с зажженными фарами двигались автомобили. Редкие прохожие шли согнувшись в три погибели и прижимаясь к стенам. В сухом, пыльном, раскаленном пространстве свободно прыгали только беззаботные козы".
О. Будревич „Эта проклятая засуха"
С такими циклоническими вторжениями связаны здесь и дожди, поскольку именно циклоны приносят влагу и разрушают пассатную инверсию. Но дожди выпадают очень редко, и для этого необходимо уникальное для Сахары сочетание нескольких факторов. Трудно даже представить себе, насколько мала повторяемость дождей в сердце тропической пустыни. Так, около Айн-Салаха и Таман-рассета в Центральной Сахаре за 10 лет прошел всего один дождь, если не считать нескольких капель, выпавших в разные годы. В литературе попадаются сообщения, что в том или ином месте пустыни за несколько лет выпало 80, 35, а то и 12 мм осадков. Зато как они выпадают!
„Одной из основных, самых характерных и поразительных черт сахарских дождей, сопровождающихся часто градом, является их необычная сила. Ливни в Сахаре — это зачастую настоящие потопы... Широкие сухие долины в течение нескольких часов превращаются в мощные потоки. Паводки бывают очень кратковременными, но исключительно бурными и внезапными. Вода, не задерживаемая и не рассеиваемая растительностью, почти мгновенно стекает... И как ни странно и ни парадоксально, но одна из серьезнейших опасностей, которым подвергаются в Сахаре,— это опасность утонуть".
О. Бернар „Северная и Западная Африка"
Объяснить это явление в общих чертах несложно. Интенсивность осадков зависит от контрастов температуры и влажности воздуха на фронте циклона. Во время сахарских дождей горячий и сухой воздух харматана взаимодействует с холодными и влажными атлантическими воздушными массами — отсюда и необычайная интенсивность конвекции на фронте циклона, и исключительная сила дождя.
Теперь перенесемся из центра тропической пустыни на запад, к побережью океана. Здесь сухой континентальный пассат взаимодействует с поверхностью воды, охлажденной мощными холодными течениями. В Атлантическом океане это Канарское течение у берегов Марокко, Западной Сахары и Мавритании, а также Бенгельское течение, омывающее берега Намибии и Анголы, в Тихом океане — Перуанское, проходящее вдоль длинной береговой полосы Чили, и Калифорнийское, около Мексики. В этих районах за счет значительного охлаждения приземного слоя воздуха наиболее ярко выражена пассатная инверсия, которая часто начинается на высоте всего 350—500 м от поверхности воды.
Странный здесь климат. Воздух насыщен океанской влагой, но она не может подняться выше слоя инверсии и часто конденсируется в низкие плотные облака или морские туманы, практически никогда не развиваясь в мощную облачность. Несмотря на довольно высокую влажность воздуха (до 85%) дожди в этих местах так же редки, как и в Сахаре. Например, на мысе Кап-Блан в Западной Африке выпадает 39 мм осадков в год, а в Икике на севере Чили — только 2 мм в год!
Усилению засушливости климата тихоокеанского побережья Южной Америки способствует также мощная стена Кордильер, которые задерживают влажный воздух юго-восточного пассата, поступающий на континент с Атлантического океана. Именно здесь узкой полосой пролегает самая сухая и безжизненная пустыня мира — Атакама. К северу от нее, в Перу, климат не лучше.
«Прибрежная пустыня... интересна не только тем, что простирается узкой полосой. Она отличается высокой влажностью и низкими температурами. Из-за частой дымки, закрывающей солнце, здесь примерно на десять градусов холоднее, чем на той же широте Атлантического побережья... Ночью бриз дует с суши на холодное море и образуется туман, который днем с морским бризом „возвращается" на берег. Морские бризы никогда не приносят дождя, ибо они охлаждены океаном. Все же в Лиме (столица Перу.— А. У.) плотная водяная пыль — морось, называемая „гаруа", закрывает солнце с июня по декабрь и влага неизменно покрывает ветровые стекла машин. Многие дома имеют глиняные крыши, которые все развалились бы, если бы пошел дождь».
М. Эндрюс „Полет кондора"
Вот какой климат бывает в тропиках...
В океаническом пассате инверсия температуры поднимается до высоты 1 —1,5 км, небо становится голубым и покрывается белой ватой легких кучевых облаков, ветер усиливается до 8—10 м/с и с удивительной точностью сохраняет одно и то же направление. Многие яхтсмены-одиночки в этих широтах океана бросают руль, закрепляют паруса, и яхта сутками сама бежит вперед по заданному направлению.
«Североатлантический пассат способствовал быстрому и упорядоченному плаванию. Только в первые шесть дней выхода из Лас-Паль-маса он крутился между северо-восточным и северо-западным направлением. Но поскольку я решительно спускалась к югу, в сторону островов Зеленого Мыса, в чем мне помогало Канарское течение, плавание было приятным и быстрым... на безоблачном небе светило солнце, временами голубизну над головой разнообразили белые барашки... „Мазурка" помчалась вперед на своих белых крылышках еще быстрее. Простой подсчет показывал, что если я трачу по четыре часа на установку и спуск пассатных стакселей, то выгодно нести их хотя бы трое суток. Яхта несла их три недели. С этого момента атлантический пассат окончательно определил свое направление: ровно две недели дул силой четыре балла (примерно 8 м/с.— А. У.) с северо-востока, а на последней, четвертой неделе плавания — с востока, усилившись до пяти баллов. Когда на компасе курс 270—280°, о лучшей погоде нельзя и мечтать. Не зря многие яхтсмены называют пассат Северной Атлантики самым чудесным ветром в мире».
К. Хойновская-Лискевич „Первая вокруг света"
Пассатные облака, обычно вытягивающиеся в гряды, кажутся приплюснутыми сверху и осадков не дают — они ограничены инверсией. Испарения океана скапливаются в подынверсионном слое, влажность воздуха поднимается до 95%, и хотя дышать воздухом морского пассата тяжело, это состояние полностью искупается разнообразными и красивыми закатами. Влажный, плотный, но по-морскому чистый воздух океанского пассата, подобно гигантской призме из оптического стекла, раскладывает лучи солнца на все мыслимые и немыслимые цвета, а затем вновь смешивает их в необычайные сочетания.
Самая приятная в пассате погода бывает там, где он натекает на гористые берега островов: выпадают дожди, влажность воздуха становится меньше, пассат освежает и радует. Такие острова — поистине жемчужины тропического пояса Земли, изнывающего от зноя и суши пустыни. Поэтому можно понять путешественника, отдающего должное погоде таких уголков, например в Карибском море.
«...Поезжайте по истосковавшейся по дождю местности и сверните к наветренному берегу. Вы ощутите его сразу по наклону как бы плывущих навстречу вам деревьев, по живительному бьющему в лицо потоку воздуха. Вы увидите волны, гонимые океанским ветром, а на берегу — остатки каменных стен древнего поселения, разрушенного ураганами сотни лет назад. И вы скажете: „Вот оно, настоящее место!"»
А. Карр „Наветренная дорога"
Однако жизнь природы, как и жизнь человека, не бывает абсолютно гладкой. В конце лета размеренный покой пассатной циркуляции Атлантического океана внезапно нарушается...
„Ветер стих на рассвете. Полосы тумана поднимались, плыли, редели и исчезали в неразличимом слиянии моря и неба. Слабая мертвая зыбь булькала о форштевень стоявшей на якоре шхуны... Промысловый сезон подходил к концу — ветры, устремившиеся в Карибское море, могли в один миг превратиться в ураган. Сети были расставлены совсем близко от шхуны, с тем чтобы их можно было быстро выбрать, если только барометр начнет падать".
А. Карр „Наветренная дорога"
Так в августе — сентябре рыбаки тропической Атлантики ждут приближения самого мощного и разрушительного крупномасштабного вихря атмосферы. Здесь он называется ураганом (от индейского обозначения жестокого ветра), на Дальнем Востоке — тайфуном (от китайского „тай фын"—большой ветер), у берегов Австралии — вилли-вилли, в Океании — вилли-вау, на Филиппинах — багио, а жители Индии именуют его циклоном. Последнее название точнее всех других отражает физическую сущность этого явления. Ужасающей силы ветер, скорость которого достигает 50—80 м/с, а при порывах и 100 м/с, охватывающий огромные территории (их радиус составляет 250—300 км), действительно порождается тропическими циклонами. Эти циклоны во многом отличаются от циклонов средних широт и. похожи на них только направлением вращения воздуха. Диаметр тропических циклонов в 2—3 раза меньше диаметра среднеширотных, зато их кинетическая энергия в 3—4 раза больше, чем у циклонов средних широт.
Тропические циклоны всегда возникают над пустынными районами океанов между 10 и 20° широты, затем, углубляясь, идут на запад и одновременно смещаются по направлению к полюсу, а потом, набрав силу, обрушиваются на прибрежные страны. Здесь они обычно останавливаются, несколько дней „топчутся" на месте, круша все вокруг, и только после этого поворачивают к востоку и медленно уходят, опять замирая где-то в океане. Неожиданность появления, капризный нрав и необузданная „ярость во гневе" тропических циклонов подсказали метеорологам мысль называть все циклоны, дошедшие до стадии урагана, женскими именами. На просторах тропических океанов ежегодно рождалось 60—70 „очаровательных созданий": Камилла, Джильда, Полли, Эвелин, Ширли, Бетси...
Почему же тропические циклоны довольно долгое время называли только женскими именами? Д. Драммонд, автор книги «Патруль в Атлантике», отвечает на этот вопрос так: «А как бы вы еще назвали бешеную бурю, которая неожиданно свалилась на вас невесть откуда и потом, тихо воркуя, ушла неизвестно куда?»
С 1978 г. по настоятельному требованию прекрасной половины человечества Всемирная метеорологическая организация рекомендовала также присваивать циклонам мужские имена. Одними из первых циклонов с мужскими именами стали Андрее, Боб и Карлос — так была восстановлена справедливость (но согласитесь — какой-то элемент притягательности и своеобразия тропической атмосферы при этом все же исчез!).
Для выяснения происхождения тропических циклонов необходимо учитывать два обстоятельства. Во-первых, эти вихри образуются только над поверхностью океана, температура которой обычно не ниже 27 °С. Во-вторых, время их наибольшей повторяемости приходится в северном полушарии на август — сентябрь, а в южном — на январь—февраль, когда внутритропическая зона конвергенции наиболее удалена от экватора.
Мы знаем, что ВЗК представляет собой цепочку отдельных облачных скоплений, в которых сильно развиты восходящие движения. Значительный подъем воздуха в этих облачных скоплениях приводит к тому, что под ними понижается давление, то есть возникают локальные депрессии. Когда ВЗК отходит от экватора, под воздействием возрастающей силы Кориолиса движения воздуха внутри депрессии закручиваются в циклонический вихрь. Одновременно океан отдает новорожденному циклону огромное количество влаги, которая быстро превращается в мощные облака, достигающие высоты 10—12 км, а выделяющееся при этом тепло способствует дальнейшему падению давления в центре циклона, росту барических градиентов и в конечном итоге усилению ветра до ураганного.
Таким образом, главным энергетическим источником тропического циклона является поверхность океана. Правильность этого вывода подтверждается одним очень старым правилом: тропический циклон хорошо развивается только над морем; попадая на сушу, он быстро теряет силу.
Облачный массив тропического циклона представляет собой множество слившихся воедино грозовых облаков, из которых извергаются ливневые дожди — самые сильные из всех известных дождей. В среднем из одного циклона выпадает примерно 500 мм осадков, в экстремальных случаях их количество может достигать 2500 мм! Представьте себе местность, на которую за 12 ч вылилось 2,5 м воды, и вы сможете оценить размер бедствий в зоне действия циклона. Ливневые паводки, ураганные ветры и обрушивающиеся на берег гигантские морские волны ежегодно уносят человеческие жизни и сильно подрывают экономику многих стран тропической зоны. Циклон Дэвид, свирепствовавший над Карибским морем осенью 1979 г., практически полностью нарушил экономику Доминиканской Республики и нанес большой ущерб другим государствам региона, оцениваемый в 1,5 миллиарда долларов. Это, конечно, экстремальный случай, но и „обычные" тропические циклоны несут большие беды. Один только средней силы циклон Одри, захватив 27 ноября 1957 г. прибрежную зону Техаса и Луизианы, причинил этим штатам убытки, составившие 150—200 миллионов долларов, и погубил около 400 человек.
В самом центре тропического циклона находится знаменитый и загадочный глаз бури, четко выделяющийся на фотографиях, сделанных с ИСЗ. Это свободное от облаков пространство диаметром 20—25 км, в котором ветер резко ослабевает. Попав в глаз бури, человек оказывается как бы в гигантской штилевой воронке или в сосуде. Внутри этого сосуда погода безветренная и солнечная, а по его краям, представляющим собой плотную грозовую облачность, бушует ураган. По словам очевидцев, резкий переход от темноты и урагана к безмятежной солнечной погоде действует очень угнетающе, особенно если знаешь, что через час-другой вновь окажешься в кромешном аду.
Происхождение глаза бури выяснено еще неокончательно, но в принципе понятно, что ветер в тропическом циклоне сильно отличается от геострофического. Большая кривизна траекторий воздушных частиц и огромные скорости ветра в тропическом циклоне способствуют тому, что центробежная сила (а она всегда возникает при круговых движениях) становится соизмеримой по величине с силами Кориолиса и барического градиента. Центробежная сила Fu = И2/ч тем больше, чем меньше радиус вращения воздушной частицы г. На внешних границах циклона Fy еще невелика и воздух движется по обычным спиральным траекториям, устремляясь к центру. По мере приближения к нему частицы воздуха испытывают все возрастающее воздействие центробежной силы Fy, так как уменьшается радиус их вращения. Эта сила стремится отбросить воздушные частицы к периферии и наконец на границе глаза бури становится настолько велика, что удерживает всю массу бешено вращающегося воздуха от дальнейшего продвижения к центру циклона, где и наступает штиль.
Тайфуны Дальнего Востока иногда задевают и территорию Приморья. В 1980 г. тайфун Орхид из тропической части Тихого океана сместился в Южную Корею и Японию, а затем прошел в Хабаровский и Приморский края, а также на Сахалин. Здесь сила его была, конечно, меньше, чем в тропиках, но скорость ветра местами все-таки достигала ураганной (33 м/с) и повсюду шли сильные дожди. Такие тропические „сюрпризы" изредка случаются и в средних широтах.