Физические условия вблизи полюсов Земли — в Арктике и Антарктике — весьма своеобразны. Сложился определенный стереотип суждений об этих районах как о мрачном царстве холода и льда. Но в том-то и дело, что, во всяком случае, летом мрачными эти края назвать нельзя. Например, в июне в центральных районах Арктики суммарная солнечная радиация даже при достаточно пасмурной погоде достигает 800—850 МДж/м2 (в Индии, где летом также устанавливается облачная погода, в июне количество радиации, достигающей поверхности земли, составляет всего 450—500 МДж/м2, то есть почти в два раза меньше). В Антарктике разгар лета приходится на декабрь, и в это время суммарная солнечная радиация достигает здесь беспрецедентных для всего земного шара значений — 1200 МДж/м2. Это объясняется высокой прозрачностью атмосферы, большой высотой антарктической поверхности над уровнем моря (в среднем 2300 м, как в горах), незначительной облачностью и, конечно, непрерывным 24-часовым солнечным сиянием в течение полярного дня.
Перистые облака (Cirrus)—самые высокие из всех видов облаков. Они образуются в слое атмосферы 7—12 км, где в течение всего года температура воздуха ниже 0 °С, и состоят целиком из ледяных кристаллов. Из перистых облаков, особенно из плотных, которые выглядят как однородная белая масса, могут выпадать осадки, но они полностью испаряются в воздухе на большой высоте, не достигая поверхности земли. На фотографии представлена наиболее часто встречающаяся форма перистых облаков — нитевидные перистые облака (Cirrus filosus), которые имеют вид тонких нитей причудливых очертаний.
Перисто-кучевые облака (Cirrocumulus), изображенные на снимке, образуются на высоте 6—8 км, обычно под слоем инверсии. Это самые „нежные" на вид и самые эфемерные из облаков основных форм: они быстро появляются на небе и столь же быстро исчезают. Полупрозрачная частая сетка перисто-кучевых облаков удивительно красива, но прямой связи с изменениями погоды такие облака не имеют. Осадки из них не выпадают. Перисто-слоистые облака (Cirrostratus) никогда не имеют четких очертаний и представляют собой туманную пелену, равномерно застилающую все небо, сквозь которую хорошо видны Солнце и Луна. Форма ледяных кристаллов, составляющих перисто-слоистые облака, способствует такому преломлению солнечных и лунных лучей, что в этих облаках часто наблюдаются гало, венцы, ложные солнца, световые столбы и кресты. На фотографии хорошо заметна часть круга гало. Чтобы его зафиксировать, фотографу пришлось дать очень небольшую экспозицию, и в результате этого небо на снимке получилось темным. Перисто-слоистые облака, наблюдающиеся на высоте 6—8 км, являются надежным предвестником приближения теплого фронта циклона и наступления дождливой погоды. Осадки из них выпадать могут, но они никогда не достигают поверхности земли.
Высоко-кучевые облака (Altocumulus) образуются на высоте 2—4 км, обычно в слое температурной инверсии, на границе раздела холодного (снизу) и теплого (сверху) воздуха. Когда вдоль границы раздела пробегают гравитационные волны, на их гребнях формируются облака, а в ложбинах безоблачно. При этом высоко-кучевые облака вытягиваются в параллельные гряды. Довольно часто облака этой формы группируются в беспорядочно расположенные ячейки, между которыми может просвечивать солнце. При уплотнении облаков солнце через них не просвечивает. Осадков эти облака не дают и определенного прогностического значения не имеют.
Высоко-кучевые чечевицеобразные облака (Altocumulus lenticularis) отличаются от других разновидностей высоко-кучевых облаков своей исключительно правильной формой и чаще всего напоминают эллипсоид, в связи с чем несведущие наблюдатели часто принимают их за неопознанные летающие объекты. Особенно эффектны они утром и вечером, когда трудно разглядеть облачную, волокнистую структуру эллипсоида. Чечевицеобразные облака образуются в атмосфере над подветренными склонами гор или впереди быстро движущегося холодного фронта циклона. Так же, как и другие разновидности высоко-кучевых облаков, они формируются вследствие возникновения гравитационных волн в воздушном потоке.
Слоисто-кучевые облака. Слоисто-кучевые облака (Stratocumulus) характерны для прохладной ветреной погоды. В приземном слое воздуха 0,2—1,5 км возникает своеобразная циркуляция: чередуются полосы восходящих и нисходящих движений, параллельные воздушному потоку. В полосах восходящих движений формируются гряды плотных кучевообразных облаков. Несмотря на угрожающий вид темно-серых с фиолетовым оттенком облачных масс, осадков они, как правило, не дают, только зимой из них иногда выпадает слабый снег, да и то непродолжительное время. Слоисто-кучевые облака возникают вследствие сильного ветра и интенсивного турбулентного перемешивания приземного слоя воздуха, поэтому их называют также облаками динамической конвекции, в отличие от настоящих кучевых облаков, связанных с термической конвекцией — подъемом нагретого воздуха.
Плоские и средние кучевые облака. Кучевые облака (Cumulus) — типично летние облака. В результате дневного прогрева поверхности земли от нее отделяются теплые воздушные пузыри — термики, которые устремляются вверх. В термиках конденсируется влага, что способствует образованию кучевых облаков, беспорядочно разбросанных по небу. Если атмосфера в целом устойчива, формируются лишь небольшие плоские кучевые облака (Cumulus humiiis) — облака хорошей погоды, если же атмосфера неустойчива, плоские кучевые облака быстро превращаются в средние (Cumulus mediocris) и мощные (Cumulus congestus) кучевые облака. На фотографии представлен момент превращения плоских кучевых облаков в средние. При обычной летней погоде, когда довольно часты послеполуденные грозы, этот процесс наблюдается утром, около 11 ч.
Кучево-дождевое облако. Кучево-дождевые облака (Cumulonimbus) обычно образуются в летние дни на заключительной стадии развития кучевой облачности. Они также составляют основную массу облачной системы холодного фронта циклона. Из кучево-дождевых облаков выпадают самые интенсивные осадки и град, что происходит из-за большой толщины облаков (8—10 км, в тропиках — до 16—18 км) и наличия в них смеси водяных капель и ледяных кристаллов. По внешнему виду различают кучево-дождевые волосатые облака (Cumulonimbus capillatus), которые покрыты волокнистой пеленой перистых облаков, часто имеющей форму наковальни, и кучево-дождевые лысые облака (Cumulonimbus calvus), у которых гладкая вершина.
Однако почти вся поступающая на поверхность южных и северных полярных районов радиация отражается обратно в мировое пространство снегом и льдом. Отражательная способность снега и льда очень велика, особенно в глубинных континентальных районах Антарктиды, где альбедо снежного покрова достигает 85—90%. Именно поэтому географические полюса Земли одновременно являются и постоянными глобальными полюсами холода. Если бы ледяной покров в Арктике и Антарктиде растаял, то, помимо повышения уровня Мирового океана на 60 м, произошли бы полная перестройка атмосферной циркуляции, особенно в южном полушарии, и непредсказуемые изменения погоды. Так что энтузиастам мелиорации климата Земли, мечтающим об уничтожении полярных льдов, следует как можно скорее об этом забыть.
Климат южных и северных полярных районов довольно сильно различается. В Центральной Арктике зимой воздух охлаждается в среднем до —35...—40 °С, а летом нагревается до 0—5 °С. В центре Антарктиды температурный режим намного жестче. Лето здесь в этом отношении эквивалентно арктической зиме (—30...—35 °С), а зима вообще уникальна: от —65...—70 °С при кратковременных понижениях температуры до —80...—85 и даже до —89,5 °С, как было однажды на станции Восток.
Основная причина столь больших различий заключается в том, что Арктика — это море, окруженное сушей, а Антарктика — суша, окруженная морем. И здесь Арктика „выигрывает" вдвойне. Во-первых, тепло океанических вод, проходя через толщу плавучего льда, отчасти смягчает зимние холода. Даже летом океан часто бывает теплее арктического воздуха. Это приводит к тому, что на разводьях и открытой воде образуются столь характерные для летней Арктики низкие плотные туманы или сильная мгла.
„Солнце с северной стороны горизонта, низко, градусов пятнадцать; небо в зените безмятежное и голубое, ниже сплошное кольцо серости и мрачности, море — чистейший холодный ультрамарин, и в густой синеве клинья сверкающего хирургически-белого накрахмаленного льда".
В. Конецкий „Вчерашние заботы"
Во-вторых, через ледяные равнины Арктики свободно проходят рождающиеся в умеренных широтах циклоны, которые часто затягивают сюда относительно теплый воздух. Погода в Арктике носит преимущественно циклонический характер, хотя погодные контрасты здесь по сравнению с контрастами средних широт заметно обострены. Особенно значительны они на окраинах арктических пустынь ранней весной и поздней осенью, когда вслед за пургой и морозом подчас приходит сильная оттепель.
„Разразилась ужасная непогода с громом и молнией. Дождь так и лил... В становище был полный развал: болото, оттаявшее торфяное месиво, иссеченное дождем, бездонная слякость рыхлого снега и бесчисленные ручьи, выбивавшиеся на поверхность и растекавшиеся по всем направлениям. Обувь из тюленьих шкур хлюпала и чвокала у нас на ногах всякий раз, как мы вынуждены были выходить, чтобы поправить палатку, положить еще камней на парусину и тем помешать ей улететь по ветру; но все-таки наше положение было сносно в сравнении с положением наших соседей — эскимосов, живших в своих снежных хижинах. Стены последних были уже не из снега, а из какой-то желтоватой массы, в которой дождь просекал все новые дыры, и обитатели тщетно пытались заткнуть их своей обувью, штанами, шубами... Непогода продержалась два дня. Третий день принес с собой холод и пургу как раз с противоположной стороны".
К. Расмуссен „Великий санный путь"
При снижении циклонической активности, а стало быть, при безветрии и отсутствии облачности воздух надо льдами Центральной Арктики из-за сильного теплового излучения поверхности быстро охлаждается, становится плотным и тяжелым, растет давление. Так в приполярном пространстве образуется гигантская „капля" холодного воздуха диаметром около 1000 км и высотой 2—2,5 км. Она называется арктическим антициклоном и чаще всего появляется во время полярной ночи, когда условия для радиационного выхолаживания воздуха особенно благоприятны.
Арктический антициклон влияет на характер погоды не только в полярных районах: довольно часто отдельные „порции" этой холодной „капли" затягиваются в тыловые части северных циклонов и обрушиваются на центральные и южные районы умеренных широт и даже на субтропики. Именно так приходят к нам арктические холода.
Если вспомнить, что говорилось о сибирском антициклоне в главе „Масштабы погоды", то можно окончательно установить два источника холодов в Центральной России — арктические и сибирские морозы. По силе воздействия на погоду в средних широтах арктический и сибирский антициклоны примерно равноценны, но арктические похолодания случаются все-таки чаще.
В Антарктиде холодный полярный антициклон — явление почти постоянное, что объясняется большой высотой Антарктического континента. Как уже упоминалось, средняя высота этого континента над уровнем моря составляет 2300 м, причем очень большие пространства ледникового щита, особенно в Восточной Антарктиде, поднимаются до высоты 3000—4000 м. Таким образом, массив Антарктиды является естественным барьером на пути циклонов умеренных широт Южного океана. Поскольку эти циклоны не проникают в глубь материка, там постоянно существует еще более холодный, чем в Арктике, и еще более высокий (до 3—4 км) полярный антициклон.
Это не означает, однако, что погода в Антарктиде всегда тихая и солнечная. Напротив, другого такого ветреного места с такими свирепыми метелями, как в Антарктиде, нигде на Земле найти нельзя. Однако механизм формирования этих буранов совершенно иной, нежели в средних широтах и в Арктике.
„Пронесшаяся над лагерем буря была самым обычным ветром с юга, но на этот раз он был нам исключительно неприятен, потому что длился на редкость долго... Барометр нам сейчас ни к чему. Мой опыт убеждает в том, что если ртуть поднимается, значит, буря станет сильнее, а если падает, то ветер будет крепчать. Ну а если барометр стоит на месте, то и буря лютует с прежней силой. Забавно, не правда ли?"
Р. Пристли „Антарктическая одиссея"
В этих словах, написанных, верно, с горькой усмешкой, вся антарктическая погода. Действительно, на противоположном полюсе, в Арктике, холодный воздух антициклона, чтобы превратиться в буран, должен быть захвачен интенсивной циклонической циркуляцией, потому что в антициклоне ветры, как мы знаем, слабы. Следовательно, в Арктике бураны являются строго „геострофическими", то есть подчиняются распределению атмосферного давления и могут быть предсказаны с помощью наблюдений за показаниями барометра.
Для того чтобы начался буран в Антарктиде, в циклонах необходимости нет, да они и не появляются в центральных районах материка. Воздух, охлажденный над обширными и высокими ледниковыми плато, из-за большой плотности скатывается, стекает к побережью, захватывая массу снежной пыли и превращаясь по пути в ураган, силу которого трудно вообразить не бывавшему в Антарктиде человеку. Эти ветры называются стоковыми (катабатическими).
Стрелками показаны характерные направления воздушного потока, изолиниями — рельеф.
Долгое время природу стоковых ветров установить точно не удавалось. Выдвигались различные теории, пока не появились достаточно длительные ряды наблюдений за этими ветрами, проводившихся на многих антарктических научных станциях. Теперь имеются точные расчеты направления ветра над Антарктидой, которые показывают, что оно действительно совпадает с направлением наибольшего уклона антарктической поверхности. Отмечается также небольшой поворот ветра влево от генерального направления, что объясняется воздействием силы Кориолиса на движущуюся массу воздуха (в южном полушарии она должна отклоняться именно влево). Значит, можно с полным основанием считать антарктические ураганы стоковым ветром.
Максимальной скорости стоковый ветер достигает на побережье материка. Вот данные о самых сильных его порывах по наблюдениям на прибрежных станциях:
Молодежная (СССР) — 51 м/с,
Дюмон-д'Юрвиль (Франция) —73 м/с,
Кейси (Австралия) — 80 м/с,
Моусон (Австралия) — 84 м/с.
При стоковых ветрах несущаяся с огромной скоростью масса воздуха наполнена взметенным снегом и поэтому обладает громадной живой силой. Некоторое представление об этой силе могут дать многочисленные описания антарктических буранов.
„Утром всюду виднелись следы необычайной ярости пронесшейся над мысом бури. С хижины Борхгревинка, превращенной нами в склад, сорвало крышу. Соединенные треугольником деревянные балки, каждая размером три дюйма на шесть при длине 12 футов, которые мы смогли поднять только общими усилиями всей партии, ветер сорвал и отнес на 30—40 ярдов... Нам необычайно повезло, что никто не был ранен, хотя во время бури по воздуху, должно быть, носились десятки предметов. Не говоря уже об опустошенных ящиках и бесчисленных банках, весь берег был усеян обломками. Метеорологическая служба понесла значительно более серьезные потери. Кроме легко заменимых гелиографа и флюгера, камень угодил точно в актинометр, находившийся, по-моему, в затишке, проделал две аккуратные дырочки во внешнем вакуумном шарике и отбил кусочек от зачерненного шарика внутри. Камень двигался, очевидно, с огромной скоро.стью — на уцелевшем стекле почти не было трещин".
Р. Пристли „Антарктическая одиссея"
Конечно, стоковые ветры дуют непостоянно, иначе жизнь в Антарктиде вряд ли была бы возможна. Из данных карты (см. выше) следует, что имеются также участки побережья, куда потоки холодного воздуха устремляются наиболее часто. Но даже и на этих участках ветры дуют с перерывами. Определенной периодичности появления стоковых ветров не наблюдается, их непрерывная продолжительность тоже очень изменчива.
Стоковые ветры делают невозможными любую работу, любое целенаправленное действие вне укрытия. Литература об Антарктиде, особенно о первых героических годах ее освоения, изобилует драматическими описаниями неравной борьбы человека с этим явлением природы, о чем свидетельствуют дневники и записки Э. Шеклтона, Р. Скотта, Р. Амундсена и Д. Моусона. Яростный ветер, при котором можно только лежать или ползти на четвереньках, совершенно необычные условия видимости в буране, вызывающие так называемую белую слепоту и полную потерю ориентировки, невозможность сделать полноценный вдох и пронизывающий леденящий холод -вот примерный перечень того, что чувствует человек в ка-табатическом потоке.
Но стоят ли того Арктика и Антарктика? Какие такие клады скрываются в их глубинах? И если с точки зрения обыденной логики ответа на эти вопросы, пожалуй, найти невозможно, то чувства многих поколений людей, по-настоящему преданных полюсу, лучше всего выражают, наверное, простые слова полярника Званцева, записанные журналистом на борту ледореза „Федор Литке" в 1930 г. и опубликованные в книге 3. Рихтер „У белого пятна":
„Вы не испытали еще полярной зимовки и все равно не поймете. Арктика притягивает. Кто раз побывал в Арктике, тот на всю жизнь отравлен ею. Сами убедитесь в этом".