Сара Драй - Воды мира. Как были разгаданы тайны океанов, атмосферы, ледников и климата нашей планеты

Солнце является источником всей энергии на Земле. Форма нашей планеты и угол падения на нее солнечных лучей определяют, сколько солнечной энергии получают разные ее части. На широтах выше 38° в обоих полушариях Земля теряет тепло. Энергетический радиационный баланс положителен только между 38° и экватором – примерно в тех широтах, на которых расположен Африканский континент. Но в целом планета поддерживает свою среднюю температуру на довольно стабильном уровне, то есть передает тепло из области близ экватора к полюсам – в противном случае она начала бы остывать. Ситуация осложняется тем, что любимые в прошлом мореплавателями тропические ветры пассаты, дующие на уровне моря, круглогодично перемещают воздушные массы в направлении экватора, а не от него. На тот момент ученые сходились во мнении, что тепло поднимается над экваториальными регионами вверх и переносится в направлении полюсов на больших высотах, однако точный механизм этого переноса оставался неясен. Тепло каким-то образом поднималось от поверхности экваториального океана – где вода эффективно поглощала его и отдавала обратно – в более высокие слои атмосферы, в тропосферу, где ветры переносили его к полюсам. Однако измерения показывали, что средние слои атмосферы – между поверхностью океана и тропосферой – не обладают достаточной энергией, чтобы обеспечить передачу тепла вверх. Проще говоря, эти средние слои были своего рода энергетической мертвой зоной. В этом и состояла загадка. Как горячий воздух попадал с поверхности моря в тропосферу?

Наряду с «моделями погоды», которые с помощью описывающих физические явления уравнений воссоздавали все более сложную картину атмосферных процессов, существовало еще одно направление исследований, развивавшееся примерно с 1920-х гг. [209] Nebeker, Calculating the Weather , 124; Jacob Bjerknes, «Practical Application of H. Jeffrey's Theory of the General Circulation,» Résumé des Mémoires Réunion d'Oslo (1948): 13–14; Victor Starr, «An Essay on the General Circulation of the Earth's Atmosphere,» Journal of Meteorology 5 (1948): 39–43. К нему-то и обратились Малкус и Риль. Это направление называлось учетом и анализом данных и было основано на идее, что иногда для лучшего понимания происходящих на планете процессов следует – ненадолго – отставить физику в сторону. Аналогично тому как счетовод, ведя тщательный учет всех операций, сводит баланс в бухгалтерской книге, исследователи старались учесть и просчитать все «операции» с теплом на Земле, способствовавшие поддержанию наблюдаемого теплового баланса. Единственным, что имело значение в этом подходе, было увеличение или уменьшение выбранной переменной, такой как количество тепла, угловой момент, количество углекислого газа или чего угодно другого (например, льда, озона, трития, метана либо серы).

Эти многообещающие исследования могли многое прояснить в понимании роли мелкомасштабных явлений, таких как вихри, в глобальных атмосферных процессах, однако до сих пор никому не приходило в голову исследовать возможную роль кучевых облаков в механизме более масштабных циркуляций. Именно этим и занялись Малкус и Риль. Их идея, основанная на изучении данных радиозондов и довольно смелом предположении, не подкрепленном данными в силу их отсутствия, заключалась в том, что тепло поднимается вверх от поверхности океана не повсюду, а в небольших ограниченных зонах, где возникают чрезвычайно мощные восходящие потоки воздуха. В этих колоннах, или «горячих башнях», названных так Малкус и Рилем потому, что поднимающийся в них вверх водяной пар конденсируется в капли с выделением значительного количества тепла, формируются поистине гигантские кучевые облака. Эти «братья-переростки» обычных пассатных кучевых облаков могут достигать в высоту 10 000 и даже 15 000 м. При этом они представляют собой относительно редкое явление. В любой отдельно взятый момент на всей планете может существовать всего несколько тысяч активных областей образования таких облаков, которые, подобно эскалаторам, переносят огромное количество тепла вверх через нижние энергетически мертвые слои атмосферы с их дующими в направлении экватора ветрами. «Самым поразительным выводом из этой работы, – резюмировали Малкус и Риль, – является тот факт, что для поддержания теплового баланса экваториальной ложбины и, таким образом косвенно, для передачи бóльшей части энергии к полюсам требуется всего около 1500–5000 активных облачных гигантов» [210] Herbert Riehl and Joanne Malkus, «On the Heat Balance in the Equatorial Trough Zone,» Geophysica 6, no. 3–4 (1958): 534. .