Чем пахнет дождь? Ясные ответы на туманные вопросы о климате и погоде

Когда Саймон был еще юн и только собирался стать метеорологом, он посетил организованную Британской антарктической службой дискуссию о климате на этом огромном ледяном континенте, который простирается во все стороны от Южного полюса. Выступающие применили простой, но эффективный способ демонстрации разных типов влияния таяния плавучего льда и ледников суши. Этот эксперимент поразил его воображение и укрепил в намерениях!

Участники выступления взяли два стакана – один наполовину заполненный водой, другой – пустой. В каждый стакан бросили по паре кубиков льда и оставили таять. Многие из вас, вероятно, посчитают (как и Саймон), что уровень воды повысится в обоих стаканах. Однако когда весь лед растаял, в пустом сухом стакане появилась вода, а уровень воды во втором стакане, изначально наполненном водой наполовину, не изменился. Этот процесс можно масштабировать в миллион раз, но результат не изменится. Причина, по которой мы не видим существенных изменений уровня Мирового океана при таянии морских льдов, состоит в том, что имеющийся лед уже вытесняет определенный объем воды. А таяние – это просто восстановление того же объема воды, который был изначально вытеснен. Однако здесь есть один немаловажный факт: соленая и пресная вода имеют разную плотность. Пресная вода менее плотная, чем соленая, так что пресноводный лед обладает большим объемом, чем эквивалентная масса морской воды. Поэтому когда тает пресноводный лед, образуется больший объем воды, чем изначально вытесненный. Эта разница очень невелика – по оценкам ученых, таяние плавучего льда повышает уровень моря всего на 0,005 мм в год.

Мы имеем здесь в виду, что, хотя таяние льдов в Арктике определенно приводит к глобальному потеплению из-за снижения альбедо, уровень моря при этом почти не повышается. Но в случае с таянием континентальных ледников это не так. Главный фактор беспокойства за подъем уровня моря – разрушение и таяние ледяных щитов в Гренландии и в Антарктиде. Если растают и они, и другие континентальные ледники, то общий уровень моря может подняться на 70 метров. Последствия будут невероятными: сотням миллионов людей придется покинуть родные места, так как 40 % населения Земли живет в пределах 100 километров от морского побережья.

Может ли вода замерзнуть, но не стать льдом?

Все мы знаем, что H₂O может существовать в одном из трех состояний: газообразном (водяной пар), жидком (вода) или твердом (лед). Хорошо известно также, что если нагреть воду, то она станет паром, а если охладить ниже нуля, то превратится в лед. Но так бывает не всегда. В метеорологии мы порой имеем дело с веществом H₂O, все еще существующим в жидком состоянии при температуре до –40 °C. В таком виде она называется переохлажденной водой. Мы уже упоминали ее мельком в других главах книги, однако сейчас давайте остановимся на ней поподробнее.

При температурах ниже нуля молекулам воды, чтобы начать процесс кристаллизации в лед, нужно найти какое-либо ядро – микроскопическую пылинку, частичку грязи или пыльцы, или ледяной кристалл. Если такого ядра не находится и капелька воды остается «чистой» (содержит только молекулы водорода и кислорода), то кристаллизации не происходит. Вода не может замерзнуть сама по себе, пока не дойдет до температуры –40 °C, при которой начинается образование однородных кристаллов. Переохлажденная вода может присутствовать во многих облаках, но чаще всего – в облаках средней высоты, например высококучевых и высокослоистых, которые находятся достаточно высоко, чтобы температура в них была ниже нуля, но выше –40 °C, чтобы лед не образовывался сам по себе. Увидеть разницу можно невооруженным глазом: ледяные облака обычно имеют гладкий белый цвет и клочковатую структуру и парят очень высоко в небе.

Правда ли, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Что? Ответ очевиден – конечно, нет. Если поставить в морозильную камеру два стакана с водой – один с холодной, другой с горячей, – можно предположить, что холодная вода достигнет точки замерзания быстрее, чем горячая. Однако проводились эксперименты, в которых более горячая вода действительно замерзала быстрее, и причины этого веками ставили ученых в тупик! Возможно, вам случалось видеть один великолепный эксперимент: при очень холодной погоде чашку кипятка выплескивают в воздух, и вода немедленно замерзает, образуя мельчайшие кристаллики льда. С холодной водой в тех же условиях такое не случится.