Европейский пустынный марш

1. Проблема

Нынешний июль в европейской России характеризуется аномальной жарой. Уже более трех недель практически нет дождей, мало облаков, и солнце палит нещадно все светлое время. Причину этого явления метеорологи объясняют блокирующим антициклоном, захватившим значительную часть Европы. Считается, что этот антициклон не пропускает в область его действия холодный воздух из окружающих антициклон областей, что и приводит к аномальной жаре. Но Европа не пустыня. Солнце продолжает испарять влагу. Куда девается испарившаяся влага? Почему нет дождей? Почему возник блокирующий антициклон?

В.Г.Горшков, А.М.Макарьева

Из закона сохранения вещества следует, что вся испарившаяся в области блокирующего антициклона влага должна выпасть в виде дождя. Если бы испарившаяся влага в виде водяного пара поднималась вверх, где температура, как известно, падает, то водяной пар неизбежно бы конденсировался, выпадали бы дожди. Следовательно, единственное объяснение происходящего состоит в том, что воздух в блокирующем антициклоне опускается вниз и выдавливает вблизи земной поверхности весь испарившийся водяной пар за его пределы, не давая водяному пару подниматься и конденсироваться. За пределами блокирующего антициклона испарившаяся внутри него влага выпадает проливными дождями. Чем больше размеры антициклона, тем больше проливных дождей выпадает за его пределами. Итак, если где-то образовался блокирующий антициклон, то неизбежна засуха внутри него и проливные дожди, сопровождающиеся наводнениями за его пределами.

Пустыня блокируется навсегда. В пустыне, где испарения нет, воздух всегда опускается вниз и выдавливает из пустыни сухой воздух, не дающий дождей. Важнейший вопрос состоит в том, почему возникает блокирующий антициклон над областями, не являющимися пустыней. Как мы пояснили выше, ответ на этот вопрос объяснит и то, почему возникают проливные дожди, наводнения, ураганы и смерчи вне блокирующего антициклона.

2. Испарение, конденсация и ветер

Ответ состоит в следующем. Испарение и конденсация водяного пара являются главной движущей силой циркуляции атмосферы. Это определяется следующими тремя закономерностями.

1) На Земле, две трети которой покрыто океанами (гидросферой), воздух не может быть сухим. Атмосферный воздух является влажным и содержит водяной пар, насыщенный в области непосредственного контакта с поверхностью океанов. (Насыщенная концентрация – максимальная концентрация водяного пара в воздухе при данной температуре.)

2) В гравитационном поле Земли влажный воздух не может быть неподвижным. Любой сколь угодно малый подъем воздуха приведет к его охлаждению. (Действительно, часть кинетической энергии молекул при подъеме переходит в потенциальную энергию в гравитационном поле. Совершенно также камень, брошенный вверх, теряет свою скорость, останавливается и падает вниз.) Охлаждение влажного воздуха приводит к конденсации водяного пара, т.е., к выбыванию его из газовой фазы. Давление воздуха при конденсации уменьшается. Давление воздуха вверху становится существенно меньше, чем внизу, что и вызывает уже не случайное движение влажного воздуха вверх.

3) Скорость испарения определяется и лимитируется потоком солнечной энергии. В среднем, около половины потока солнечной энергии затрачивается на испарение, но в некоторых случаях и весь поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности, может быть затрачен на испарение. Следовательно, скорость испарения изменяется не более чем в два раза. В противоположность этому скорость конденсации определяется скоростью подъема влажных воздушных масс. Она может превосходить скорость испарения в сотни и более раз, а может также обращаться в ноль при опускании воздушных масс. Это различие между возможными скоростями испарения и конденсации и определяет все разнообразие циркуляций воздуха в земной атмосфере.

Чтобы осадки почти совпадали с испарением, необходимо, чтобы скорость подъема воздуха определялась скоростью испарения. Простой расчет показывает, что подъем воздуха должен происходить со скоростью около 3 мм/с. (Действительно, в среднем по всей Земле скорости испарения и осадков совпадают. За большой промежуток времени сколько испарилось, столько и выпало дождей на территории всей Земли (в пустынях дожди не выпадают, но там нет и испарения). Жидкой воды выпадает в среднем по всей Земле 1 м/год – это среднеглобальная норма. В году 3x10⁷ секунд, следовательно, скорость выпадения жидкой воды 3x10^–5 мм/с. Но плотность воздуха в тысячу раз (в 10³ раз) меньше плотности воды. В воздухе содержится около одного процента (в 10² меньше) водяного пара. Следовательно, чтобы поднимать воду со скоростью 1 м в год, влажный воздух, несущий водяной пар, должен подниматься со скоростью 3 мм/с). Это очень маленькая скорость, которую мы не замечаем. Мы начинаем чувствовать ветер, дующий со скоростью больше 1 м/с.

Таким образом, вода могла бы выпадать нормой дождя в том же месте, где она испарилась. Но сухая компонента воздуха, содержащая азот и кислород, должна двигаться по замкнутой траектории, содержащей как вертикальную, так и горизонтальную части. Причем вертикальных и горизонтальных частей должно быть две: в одной вертикальной части воздух поднимается, в другой – опускается. (В верхней и нижней горизонтальных частях воздух двигается в разных направлениях.)

Поэтому осадки не могут происходить всюду, они происходят только в области подъема воздуха (а не наоборот). В области опускания воздуха осадков нет, потому что при опускании воздух нагревается, и водяной пар конденсироваться не может. Скорости движения воздуха (ветра) в вертикальной и горизонтальной частях примерно совпадают в том случае, если высота вертикального подъема и длина горизонтального движения примерно равны. Из личного опыта полетов в самолетах все знают, что высота подъема воздуха при конденсации водяного пара составляет менее 10 км. Выше этой высоты облаков практически не бывает. Воздух выше не поднимается. Хаотически возникающие десятикилометровые вихри сопровождаются грозовыми ливневыми дождями и шквальными ветрами. Шквальные ветры являются результатом разности давлений, вызываемых конденсацией водяного пара и ускорения воздушных масс по закону Ньютона.

3. Лесной насос

Нормальные условия жизни людей и всей жизни на суше достигаются тогда, когда скорость конденсации и выпадения дождей почти совпадает со скоростью испарения, превышая ее на величину речного стока, т.е. когда осадки всегда равны сумме испарения и речного стока. Только при этом условии отсутствуют наводнения, засухи, пожары, ураганы и смерчи. Достигнуть этого равенства можно чрезвычайно сложным и тонким управлением водным режимом на суше. Такое управление осуществляется биотой, существующей на суше в форме экосистем ненарушенного лесного покрова. Это управление было названо лесным биотическим насосом. До эволюционного образования лесов на суше и включения действия биотического насоса влаги вся суша представляла собой безжизненную пустыню.

Лесной насос в действии. Сибирь, 1974г.

Владимир Маяковский, раскрывая тему добра и зла, писал:

–Если ветер
                      крыши рвет,
если
          град загрохал, –
каждый знает –
                            это вот
для прогулок
                       плохо.
Дождь покапал
                           и прошел.
Солнце
               в целом свете.
Это –
          очень хорошо
и большим
                   и детям.

Это действительно хорошо, но для достижения такой идиллии необходимо решить две физические задачи, приручив хаотические, неуправляемые вихри и превратив их в упорядоченные:

1) На суше часть осадков стекает в океан в виде речного стока, и испарение этого речного стока происходит в океане, а не на суше. Необходимо вернуть влагу этого испарения в океане обратно на сушу так, чтобы она пролилась дождем там, откуда пришел речной сток.

2) Необходимо затормозить нарастающую скорость ветра, так как воздух на протяжении всего движения с океана на континент находится под действием разности давлений, т.е. постоянной силы, ускоряющей воздушные массы по закону Ньютона. Легко увидеть, что если бы торможения не было, то скорость ветра в конце подъема на высоте порядка 10 км и, следовательно, скорость горизонтального ветра, компенсирующего подъем, была бы ураганной, около 60 м/с. А чтобы не рвало крыши, надо, как мы выяснили, чтобы вертикальная скорость не превышала 3 мм/c!

(Действительно, если бы торможения не было, то скорость ветра u в конце подъема на высоте порядка 10 км равнялась бы величине, вычисляемой из равенства кинетической энергии ветра ru²/2, где r — плотность воздуха, и потенциальной энергии конденсации. Последняя равна парциальному давлению водяного пара — весь водяной пар исчез (сконденсировался) до высоты 10 км. Парциальное давление водяного пара p_v у поверхности составляет 2% от полного давления воздуха. Давление воздуха у земной поверхности равно весу атмосферного столба, p = rgh, g = 9,8 м/с², h ~ 10 км. Скорость ветра получаем из равенства ru²/2 = 2x10^–2 rgh, что после сокращения плотности воздуха r дает u = 0,2 ~ 60 м/с.)

Обе задачи решаются лесом за счет большой протяженности, составляющей несколько тысяч километров, и большой высоты сомкнутого покрова деревьев, составляющей 20-30 м. Лес тянет с океана над собой воздушный “поезд” огромной длины (длина “поезда” несколько тысяч километров). Движение поезда “тормозится” сомкнутыми кронами деревьев большой высоты, что гасит все ускорение воздуха, появившееся от постоянного градиента давления. Одновременно с этим в естественном лесу действуют сложные и во многом не изученные процессы управления испарением (биологического управления испарением листьями и перехвата дождей листьями и ветвями) и конденсацией (путем испускания биологических ядер конденсации).

Превышение испарения с поверхности леса над испарением океана почти вдвое на протяжении нескольких тысяч километров удаления от океана создает над лесом повышенную скорость конденсации и постоянный градиент давления воздуха, которое уменьшается с увеличением расстояния от океана. Таким образом, океан становится областью опускания воздуха, пониженной конденсации и повышенного давления, а лес — зоной подъема воздуха, повышенной конденсации и пониженного давления. Это создает горизонтальный поток воздуха с океана на сушу, несущий водяной пар, испарившийся в океане и компенсирующий осадками на суше величину речного стока. Вращение Земли модифицирует движение воздуха, обеспечиваемое действием лесного насоса; при этом воздушные потоки закручиваются в горизонтальной плоскости, образуя циклоны над лесом и антициклоны над океаном. Это и есть идиллия.

Испарение влаги самим лесом поддерживает концентрацию водяного пара, близкую к насыщающему значению, несмотря на уменьшение общего давления воздуха с удалением от океана. Локальное испарение лесом компенсируется локальной конденсацией с выпадением дождя. Этот процесс образует упорядоченный локальный вихрь воздуха с масштабом высоты конденсации и выпадения дождя порядка 10 км. Внизу поток воздуха в локальном упорядоченном вихре движется в том же направлении, что и поток воздуха с океана. Торможение ускорения воздуха в этом вихре по вертикали происходит за счет торможения падающих капель дождя. Шквальные ветры, связанные с локальным вихрем, гасятся непрерывным потоком воздуха с океана. Компенсация речного стока должна быть точной, т.е. количество принесенной с океана влаги не должно быть ни больше, ни меньше речного стока. Это достигается скоррелированными действиями видов всей ненарушенной экосистемы леса. В ненарушенном лесу не бывает засух, наводнений, ураганов и смерчей.

Почему жара, что происходит? Разрушение лесного насоса.

Теперь мы можем ответить на вопрос, что же происходит сейчас в Европе. Сибирский лес, включая леса Дальнего Востока, уникален, он тянет влагу с трех океанов — с Атлантического, Ледовитого и Тихого. Поэтому даже после уничтожения ненарушенного леса над всей Западной Европой сибирский лес не высох (в отличие от континентальных лесов Австралии, Аравии и Сахары, которые не выдержали уничтожения прибрежной лесной полосы). Непрерывно поддерживаясь влагой с Ледовитого и Тихого океанов, он продолжал тянуть на себя влагу с Атлантического океана через всю Западную Европу. Течение западных ветров над Европой было регулярным и упорядоченным. Только благодаря сибирскому лесу и лесам Восточной Европы, Западная Европа не превратилась в Сахару, несмотря на почти полное уничтожение своих лесов.

Дорога Европы к пустыне

(вырубка лесов в Ленинградской области)

Сведение лесов в большей части Европы привело к хаотизации западных влажных ветров. Продолжающееся уничтожение ненарушенных лесов Восточной Европы привело к тому, что мы наблюдаем в этом июле. Значительная часть Европы превратилась в зону опускания воздуха, отдающую свою влагу и заливающую дождями окружающие зоны подъема воздуха, включая прилежащие океаны. При правильном действии лесного насоса сухая зона опускания воздуха должна была быть над океаном, а не над сушей. То, что происходит сегодня, небезопасно и является преддверием превращения Европы в пустыню. Отметим, что июнь был относительно прохладным, потому что вторичные лиственные леса с сильным испарением перетягивали влагу с Ледовитого океана, нагревая его обратными потоками воздуха. В июле, после прекращения активной вегетации во вторичных лесах, нагретый океан стал зоной подъема воздуха, оттягивая нужные суше дожди с большой части территории Европы.

А.М.Макарьева, В.Г.Горшков