Осадки начинают выпадать лишь тогда, когда их вес настолько велик, что они могут преодолеть сопротивление воздуха. Скорость падения при этом должна превысить скорость восходящих потоков воздуха, чтобы они не испарились по пути от облака до поверхности Земли. Снежинки падают медленнее, чем капельки дождя той же массы.
Осадки содержат много примесей. Различный химический состав осадков известен давно, еще с середины XVIII в. Но систематически, сетью наблюдательных станций он начал изучаться лишь в самые последние десятилетия. Что же представляют собой такие чистые, на первый взгляд, снег и дождь? Оказалось, что атмосферные осадки — это слабые растворы солей, их минерализация в среднем 10–30 мг/л, а в крайних пределах от 3–4 до 30–60 мг/л. При таких, как будто небольших концентрациях они приносят в почву от 50 до 150 кг/га веществ в год. Зимой концентрация примесей в осадках больше, чем летом, потому что снежинки при своем медленном падении успевают захватить из воздуха большее количество примесей.
В северном полушарии наиболее минерализованы осадки в южных районах континентов. На побережье морей и океанов, где содержание хлоридов (осадков морского происхождения) повышено, минерализация осадков меньше. Чаще выпадают осадки в тундре и тайге; над пустынями и степями они загрязнены: основная примесь в осадках континентального происхождения — сульфиды.
Чтобы определить состав осадков, в свободной атмосфере берут пробу воды из облаков и аэрозолей. Облачная вода всегда чище, чем вода осадков. Таким образом, осадки являются как бы санитарами атмосферы. Большое значение имеет вымывание из атмосферы радиоактивных веществ. Изучение радиоактивности начало проводиться недавно. Установлено, что радиоактивность осадков определяется их типом и интенсивностью. Твердые осадки радиоактивнее жидких, потому что радиоактивные вещества, захватываемые при падении, попадают на большую поверхность снежинок (по сравнению с каплями). Чем интенсивнее осадки, тем они менее радиоактивны. Наблюдения показали хаотичность изменения радиоактивности. Предполагается, что это происходит потому, что радиоактивные вещества вымываются не только из воздуха, но и из самого облака.
Помимо радиоактивных веществ дождь и снег поглощают окрашивающие их примеси, создавая необычные цветные осадки: красные, черные, молочные и др. Они возникают от разных причин — песка пустынь, поднятого в воздух сильным ветром, красящих водорослей, микроорганизмов, сажи и пепла, от вулканов, лесных и торфяных пожаров. Примеси разносятся на большие расстояния, их состав и природу определяют с помощью химического анализа, а происхождение, путь и место появления — по синоптическим картам. В период активного развития циклонической деятельности чаще всего наблюдаются красные дожди. О том, как далеко могут переноситься цветные частицы, можно судить по такому примеру: в каплях красного дождя во Франции были обнаружены микроорганизмы из Южной Америки. Известны случаи выпадания зеленого дождя, содержащего также микроорганизмы. В 1969 г. на территории Чувашии был ливневый дождь желто-оранжевого цвета. Менее чем через год в этом же районе выпал желто-оранжевый снег. Подобные явления были вызваны сильными потоками воздуха, принесшими пыль из Прикаспийских степей.
В суточном ходе осадков в континентальных районах замечены два максимума (в послеполуденные часы и рано утром) и два минимума (ночью и перед полуднем). В морском или береговом районе обычно максимум ночью и минимум днем. Суточный ход количества осадков прямо связан с ходом и характером облачности.
Годовой ход осадков разнообразен и соответствует климатическим особенностям места. Различают несколько типов годового хода осадков: экваториальный, тропический, субтропический, умеренных широт с присущими им дождливыми периодами и минимумами. Больше всего осадков выпадает в зоне экватора, так как здесь много водяного пара в атмосфере и высокие температуры воздуха. Годовая сумма осадков здесь составляет в среднем 1000–2000 мм и более, а в некоторых районах — до 5000–6000 мм. Минимум осадков в субтропической зоне — не более 250 мм — приходится на пустыни. Самые сухие места на Земле — это пустыни Чили, Перу, Сахара, где осадки не выпадают по нескольку лет.
В умеренных широтах снова начинает неравномерно увеличиваться количество осадков: в прибрежных районах до 750—1000 мм в год, в глубине материков 300–500 мм. В менее увлажненном воздухе высоких широт вновь падает количество осадков — до 300 мм в год, в горных районах увеличивается. Самое «мокрое» место на Земле — южный склон Гималаев. В местечке Черапунджи в год выпадает в среднем 12 700 мм, а случаются годы, когда осадков более 15 000 мм. Очень велико количество осадков также на Гавайских островах — 12 000 мм в год. В нашей стране больше всего осадков выпадает на южных склонах Кавказского хребта в Ачишхо (более 3000 мм) и на побережье Черного моря от Сочи до Батуми (до 2800 мм). В центральных областях европейской части страны осадки составляют в год 500–600 мм. Самое «сухое» место — Средняя Азия и юго-восток европейской территории (всего 80 мм осадков за год).
В местах, где выпадает мало осадков, очень важно попытаться вызвать их искусственно. Этой проблемой у нас занято несколько научно-исследовательских институтов. Исследуя условия, при которых можно с успехом вмешаться в действия природы, ученые пришли к выводу, что должны существовать определенные условия для образования осадков и нужен лишь внешний толчок. В нашей стране и за рубежом в этом направлении имеются уже положительные результаты. В облако вводят хладореагенты, ядра кристаллизации и гигроскопические частицы, крупные капли воды. В первых двух случаях стимулируются твердые фазы воды, а в последнем — водяные капли. Лучшим методом считается воздействие на переохлажденные облака твердой углекислотой и йодистого серебра. Замечено, что при попадании 200 г углекислоты на 1 км3 переохлажденного воздуха из жидкого состояния в твердое переходит до 1000 т воды. Воздействуя на облака, можно увеличить, сумму осадков на 10–15 %,
Особенно важно, и в то же время очень сложно, изучить облака не только как резервуар, но и как генератор осадков, потому что они выделяют в 10–20 раз больше, чем имеют в данный момент. Это значит, что в основном в облаке идет процесс преобразования водяного пара, содержащегося в воздухе, в осадки.
Существует и другая задача — как искусственно предотвратить опасные ливни. Для этого нужно вызвать небольшой дождь, облако уменьшится, и ливня не будет.
Ветер
Движение воздуха относительно земной поверхности — ветер — появляется вследствие того, что атмосферное давление в различных точках атмосферы неодинаково. Воздух движется обычно не параллельно поверхности Земли, а под небольшим углом, потому что атмосферное давление меняется и в горизонтальном, и в вертикальном направлениях. Так как угол очень мал, принято считать, что ветер — это горизонтальное движение воздуха. Направление ветра (северный, южный и т. д.) означает, откуда ветер дует.
Скорость ветра измеряют на метеорологических станциях на высоте 10 м над Землей, в метрах в секунду (есть и другие единицы скорости ветра). При сильных бурях, например тропических ураганах, ветры достигают огромных скоростей — иногда до 115 м/с и более. Особенно сильны ветры на больших высотах. Известен случай, когда над Ростовом-на-Дону на высоте 11 км дул северо-западный ветер со скоростью 160 м/с. Изменения с высотой были очень велики — так, на высоте 1 км ветер дул со скоростью 86 м/с.
Ветер возрастает в среднем с высотой. У Земли его скорость задерживается трением, на уровне, травы она равна нулю. С высотой влияние трения уменьшается — вначале быстро, а потом все медленнее. Зимой скорость выше, чем в летнее время.
В умеренных и полярных широтах зимой в тропосфере и нижней стратосфере скорости ветра наибольшие. Летом ветры ослабевают. В летнее и зимнее время в субтропических зонах разница между скоростями ветра менее заметна.
Значительно сложнее установить закономерности в ходе скорости ветра в пределах суток. Здесь еще не все можно объяснить и систематизировать. Известно, что над материками на небольших высотах, порядка 100–200 м, самых больших скоростей ветры достигают после полудня, а самых малых — в ночное время. Такой ход лучше всего выражен летом.
Очень сильные ветры, до штормовых, бывают днем в пустынях Центральной Азии, ночью наступает полный штиль. Несколько выше, на высоте 150–200 м, наблюдается прямо противоположная картина в ходе скорости ветра с максимумом ночью и минимумом днем. Такая картина наблюдается и летом, и зимой в умеренных широтах.
В субтропической зоне океанов ночью скорость ветра сильно возрастает, создается как бы баланс со слабыми ветрами, дующими в то же время над сушей.
