Смотреть в формате PDF 51,7 Mb.
1.1. Краткие исторические сведения о6 исследовании облаков
Облака - наиболее легко а естественно наблюдаемое атмoеферное явление - привлекали к себе внимание еще первых натурфилософов. Уже они понимала, что разнообразие облачных форм связано с погодой, т. е. с состоянием атмосферы, которая постоянно изменяется. Эту идею очень четко сформулировал в 1817 г. Дове, заметивший, что облако - это не предмет, а процесс (50). Несколько ранее Ламарком (1802) и Говардом (1803) (28) были предложены первые схемы классификации форм облаков, наблюдаемых с Земли. Современная классификация облаков и краткая история ее развития приводятся в п. 1.3.
Первье наблюдения по микрофизике облаков были проведены весьма давно. Начавшиеся примерно с 1840 г. в Европе и Америке научные подъемы на аэростатах впервые позволили получить некоторое представление о внутреннем строении облаков, о составляющих их твердых и жидких частицах, о движении в их толще. Так Фламмарион и Годар в 1867 г. описали быстрое развитие вверх кучевых облаков днем со скоростью, превышающей скорость подъема аэростата, и оседание их вечером. В жаркий день в августе 169 г. о Дижоне (Франция) Тиссандье обнаружил, что "гроза притягивает баллон" т. с. связана с областью сходимости течений - областью низкого давления, а в феврале 1873 г. он наблюдал облако, состоявшее из "алмазных блесток", облепленных, однако, каплями замерзшей воды, а также глубокую (до 19°С) инверсию температуры над облачены слоем. Аэростатные наблюдения опровергли, в частности, старую, восходящую к Герике (22) (1672) гипотезу о микроскопических пузырьках, из которых якобы состоят облака. Заметим, что новый этап развития физики облаков, начавшийся примерно в 1941-1945 гг., был связан также серией специальные научных подъемов аэростатов в СССР, о которых мы расскажем ниже.
Следует отметить, что благодаря прогрессу в исследовании термодинамики атмосферы именно в середине XIX века стала очевидной важность адиабатических процессов, в частности охлаждения воздуха при его подъеме, на которое Фурье и Пуассон обратили внимание еще в 1822-1823 пг. В 1843 г. Пекле заметил, что наблюдаемый при подъеме градиент температуры в общем заметно меньше адиабатического (см. табл. 1 (2.1.2) и табл. 1 (2.2.2)). 1864—1865 гг. Кельвин и независимо Рене (Франция) изучили характеристики влажноадиабатического процесса, связанного конденсацией водяного пара. Несколько позднее, в 1872 г., Рейе рассмотрел такой процесс, считая его главным при развитии грозовых облаков, и особенно тропических ураганов, а Мон в Норвегии тогда же учел его при разработке теории циклонов — так эти авторы связали влажноадиабатический процесс с развитием крупнейших возмущений атмосферы. Вскоре для описания адиабатических процессов были предложены первые адиабатные графики — ерца (1884) и Пенгофа (1901), учитывавшие различия их при образовании жидкой и ледяной фазы. Несколько ранее Кельвин (1876) и затем Гельмгольц (1889) описали процесс возникновения воздушных волн, обусловливающих формирование волнистых облаков [28]. Опыт глобального изучения всех форм облаков, их распределения и движения был приобретен во время Международного облачного года (1896—1897). В этом эксперименте приняли участие специалисты из 12 стран, в том числе из России [28].
Возвращаясь к проблеме микрофизики облаков, отметим, что идею о значении ледяных кристаллов для образования осадков выдвинул еще в 1866 г. Рену во Франции [22]. Ее термодинамическое обоснование предложил впервые в 1911 г. А. Вегенер [50], который доказал, что «персконденсация» — перенос пара с переохлажденных капель на кристаллы — важнейший процесс при образовании крупных частиц осадков. Теория возникновения частиц осадков получила таким образом прочное основание. В дальнейшем Бержерон (1933) ввел понятие «коллоидальной неустойчивости облака» [3], или, точнее, «фазовой неустойчивости».
Полностью перестроена макрофизика облаков была после открытия и описания в трудах В. Бьеркнеса и Я. Бьеркнеса в 1916— 1919 гг. атмосферных фронтов и их облачных систем. Фронтальный «механизм» оказался ответственным за образование большинства форм облаков, а выделяющееся в облаках тепло конденсации — одним из главных источников энергии движений атмосферы [3]*.
Теория фронтов объяснила и последовательность сменяющихся форм облаков, образующих облачные системы фронтов в циклонах и связь этих форм с общими течениями и устойчивостью атмосферы. Неудивительно поэтому, что подробное наблюдение облаков всех трех ярусов легло в основу новой синоптической метеорологии, как это показал убедительно Бержерон в своих Лекциях об облаках и анализе синоптической карты» (1934) [3].
В соответствии с этой новой задачей наблюдении облаков был составлен и новый (1929) «копенгагенский» код дли синоптических телеграмм, в котором шесть «позиций» в каждой телеграмме были посвящены характеристикам формы, количества и высоты облаков, а в 1931 г. был издан и новый Международный облачный атлас. Таким образом, новая «комплексная» синоптическая карта стала прежде всего подробной картой облаков, осадков и явлений погоды. С этого периода постепенно по псе большем числе пунктов земного шара стали накапливаться регулярные сведения о повторяемости облаков различных форм и их количестве.
Новый этап уже систематического исследования облаков начался с развитием аэростатных и самолетных наблюдений. Такие наблюдения, проводившиеся в Германии и в СССР, позволили уже с 1934 г. давать сводки об общих термодинамических характеристиках облачных слоев и фронтальных облачных систем (Е. Г. Зак, 1937 г.; А. М. Боровиков, 1948—1952 гг.) [5], а в результате специального зондирования в США было получено подробное описание грозовых облаков (1948) [37].
Наблюдения с самолетов позволили начать и опытные количественные исследования турбулентности атмосферы, играющей важную роль п процессах облакообразования [12]. Это дало толчок к изучению таких особых облачных процессов, как вовлечение и кучевое облако (1949) [36, 37), образование и эволюция слоистых облаков под инверсией и т. д. [11].
Начиная с 1943 г. В. В. Костаревым и несколько позднее зарубежными исследователями к изучению облачных систем, а затем н движений п них, горизонтальных и вертикальных, были привлечены радиолокационные наблюдения. Такой метод, получивший в последующие годы широкое практическое применение, выделился со временем в особую ветвь аэрологии, получившую название радиолокационной метеорологии [2, 5] (см. главу 11). Применение радиолокации открыло новые возможности изучения структуры облаков, осадков и атмосферных течений [2, 6, 24, 38].
С середины 40-х годов в СССР, США, а затем и в других странах начались расширенные исследования микроструктуры облаков. Замечательные возможности таких наблюдений открыли в 1944- ММ) гг. идеальные для этой цели «летающие лаборатории» на свободных аэростатах и позднее менее универсальные, но более доступные лаборатории на самолетах. По данным этих наблюдений были составлены первые обстоятельные сводки сведений о высоте, повторяемости, фазовом и мнкрофизнчсском строении различных типов облаков.
Параллельно и в большой степени независимо продолжались исследования ядер конденсации в атмосфере. Идея о наличии ядер конденсации в атмосфере была высказана в 1875 г. Кулье и и 1881 г. Айткеном [22], но систематическое их исследование наяалось на полвека позднее.