Когда в 1780-х годах в Европе начались экспериментальные подъемы на воздушных шарах, воздухоплавателей удивило, что с высотой становилось заметно холоднее. Казалось бы, логика подсказывает, что чем ближе к источнику тепла, тем должно быть теплее. Ответ частично состоит в том, что вы, по существу, не приближаетесь к Солнцу. Солнце находится в 150 млн км. Приблизиться к нему на несколько сотен метров — это все равно что, находясь в Огайо, сделать шаг в сторону лесного пожара в Австралии и ожидать, что почувствуешь запах дыма. Ответ снова возвращает нас к проблеме плотности молекул в атмосфере. Солнечные лучи возбуждают атомы. Те при столкновениях выделяют полученную энергию, что и приводит к повышению температуры. Когда в летний день вы чувствуете, как солнышко пригревает спину, на самом деле это дают о себе знать возбужденные атомы. Чем выше вы поднимаетесь, тем меньше остается молекул и тем реже между ними происходят столкновения. Воздух — обманчивая штука. Мы склонны думать, что даже на уровне моря он абсолютно бесплотный и почти невесомый. На самом деле он обладает внушительной массой, и эта масса часто себя проявляет. Океанограф Уайвилль Томсон240 более века назад писал: «Просыпаясь утром, мы иногда узнаем, что показатель барометра поднялся на дюйм, что за ночь на нас потихоньку взвалили почти полтонны, однако не испытываем неудобства, а скорее встаем бодрыми и веселыми, потому что в более плотной среде организму требуется сравнительно меньше усилий для движения».241 Ваше тело не оказывается раздавленным лишней половиной тонны по той же причине, что и глубоко под водой: оно в основном состоит из несжимаемых жидкостей, которые давят обратно, уравнивая давление снаружи и изнутри.
Но приведите воздух в движение, будь то ураган или даже свежий ветер, и он скоро напомнит вам, что обладает значительной массой. Всего вокруг нас около 5200 млн тн воздуха — по 10 млн тн на каждый квадратный километр планеты — не такая уж незначительная величина. Когда миллионы тонн атмосферы устремляются со скоростью 50–60 км/ч, вряд ли кого удивит, что ломаются сучья и слетает с крыш черепица. Как отмечает Антони Смит,242 типичный атмосферный фронт может состоять из 750 млн тонн холодного воздуха, прижатых миллиардом тонн более теплого. Стоит ли удивляться, что метеорологические последствия порой захватывают воображение.
В мире у нас над головами, безусловно, не наблюдается недостатка энергии. Подсчитано, что одна гроза может заключать в себе количество энергии, эквивалентное количеству электроэнергии, потребляемому всеми Соединенными Штатами в течение четырех дней.243 В подходящих условиях грозовые облака могут возвышаться на 10–15 км, скорость восходящих и нисходящих токов внутри них превышает 150 км/ч. Часто они расположены рядом, потому пилоты и не хотят летать сквозь них. В ходе этого внутреннего брожения находящиеся в облаке частицы заряжаются электричеством. По не совсем еще понятным причинам более легким частицам свойственно нести положительные заряды и подниматься воздушными потоками в верхние слои. Более тяжелые частицы удерживаются у основания, накапливая отрицательные заряды. Эти отрицательно заряженные частицы неудержимо тянет к положительно заряженной Земле, и остается лишь пожелать удачи всему тому, что окажется у них на пути. Молния летит со скоростью 4 млн км/ч244 и может нагреть окружающий воздух до весьма бодрящей температуры в 25 тысяч градусов Цельсия, в несколько раз жарче, чем на поверхности Солнца. В любой момент на земном шаре происходит в среднем 1800 гроз — около 40 тыс в день. По всей планете днем и ночью каждую секунду в землю ударяет сотня молний. Небо — довольно оживленное место.
Значительная часть наших знаний о том, что происходит там, наверху, получена на удивление недавно. Струйные течения, обычно отмечаемые на высоте 9–11 тысяч метров, способны достигать скорости 300 км/ч и в огромной степени влиять на состояние погоды целых материков, а ведь об их существовании не подозревали, пока летчики не стали залетать в них во время Второй мировой войны. Даже теперь о многих атмосферных явлениях существует весьма приблизительное представление. Время от времени в полеты самолетов вносит оживление вид волнового движения, известного в обиходе как турбулентность при ясном небе. Два десятка таких происшествий в год — достаточно серьезное дело, чтобы о нем сообщить. Эти случаи не связаны ни со строением облаков и ни с чем-либо другим, что можно обнаружить визуально или с помощью радаров. Это просто зоны внезапной турбулентности среди безмятежно спокойного неба. В одном таком случае самолет, летевший в тихую погоду из Сингапура в Сидней над центральной Австралией, вдруг упал на 90 м — достаточно, чтобы не пристегнутых к креслам пассажиров подбросило к потолку. Пострадало двенадцать человек, один серьезно. Никто не знает, что служит причиной таких опасных для целостности корабля воздушных ям.
Процесс, в результате которого воздух перемещается в атмосфере, аналогичен тому, что движет внутренним механизмом планеты, это — конвекция. В экваториальных широтах влажный теплый воздух поднимается вверх, пока не встречает препятствие в виде тропопаузы и затем распространяется вширь. Удаляясь от экватора, он остывает и опускается вниз. Достигнув нижней точки, часть воздуха стремится к областям низкого давления и, завершая кругооборот, поворачивает к экватору.
На экваторе конвекционный процесс обычно стабилен и погода, как и следует ожидать, солнечная и ясная, но вот в умеренных поясах характер погоды в большей мере определяется сезоном, местонахождением и просто случайными факторами, что приводит к бесконечному противоборству воздушных систем высокого и низкого давления. Системы низкого давления создаются поднимающимся воздухом, который уносит в небо молекулы воды, образуя облака и в конечном счете вызывая дождь. Теплый воздух может содержать больше влаги, чем холодный, потому тропические и летние ливни бывают самыми обильными. Таким образом, областям низкого давления свойственна облачная, дождливая погода, а области высокого давления несут ясные солнечные дни. Когда же обе эти системы встречаются, это часто бывает заметно по облакам. Например, слоистые облака — те самые неприятные скучные, облегающие все небо, — возникают, когда насыщенным влагой восходящим воздушным потокам не хватает сил, чтобы пробиться сквозь находящийся выше слой более плотного воздуха, и они расползаются вширь, как дым по потолку. В самом деле, если вы как-нибудь понаблюдаете за курильщиком, проследите за поднимающейся кверху в неподвижном воздухе струйкой дыма, то хорошо представите, как это происходит. Сначала дым поднимается прямо вверх (это называется ламинарным течением, запомните это слово, если хотите произвести на кого-нибудь впечатление), а затем расстилается широким волнистым слоем. Самый мощный компьютер в мире, самым тщательным образом контролирующий окружающую среду, не сможет точно предсказать, какую форму примут эти завитки дыма, так что можете представить себе трудности, стоящие перед метеорологами, когда они пытаются предсказать такие движения в кружащемся, продуваемом ветром полномасштабном мире.
Что мы знаем наверняка, так это то, что, поскольку солнечное тепло распределяется неравномерно, на планете возникает разница в атмосферном давлении. Воздух не может этого терпеть и поэтому мечется из стороны в сторону, пытаясь всюду уравнять положение вещей. Ветер — это попросту способ, которым воздух пытается поддерживать равновесие. Воздух всегда перетекает из областей высокого давления в области низкого давления (как и следует ожидать; представьте что-либо наполненное воздухом — воздушный шар, или пневматический баллон, или самолет с выбитым иллюминатором — и вспомните, как настойчиво сжатый воздух стремится вырваться наружу), и чем больше разница в давлении, тем сильнее ветер.
Между прочим, ветер набирает силу заметно быстрее, чем растет его скорость, например, при скорости 300 км/ч он не просто в десять, а в сто раз сильнее ветра скоростью 30 км/ч — и потому значительно разрушительнее. Добавьте к этому эффекту несколько миллионов тонн воздуха, и результат может получиться весьма внушительный. Тропический циклон за двадцать четыре часа способен высвободить столько энергии, сколько потребляет за год богатая страна средних размеров, такая как Англия или Франция.
О стремлении атмосферы к равновесию первым высказался Эдмонд Галлей — он поспевал всюду, — а в восемнадцатом веке эту идею последовательно развил его соотечественник Бритон Джордж Хэдли, обнаруживший, что восходящие и нисходящие токи воздуха имеют свойство создавать «ячейки» (с тех пор известные как «ячейки Хэдли»). Будучи юристом по профессии, Хэдли в то же время живо интересовался погодой (в конце концов, он же был англичанином), кроме того, он предположил наличие связи между своими ячейками, вращением Земли и наблюдаемыми отклонениями воздушных потоков, которые порождают пассаты. Однако детали этих процессов объяснил в 1835 году профессор механики Высшей политехнической школы в Париже Гюстав-Гаспар Кориолис, и теперь мы ныне называем это явление эффектом Кориолиса.245 (Другим достижением Кориолиса в Школе было внедрение водяных охладителей, которые, по-видимому, до сих пор известны там как кориосы.) На экваторе Земля вращается с порядочной скоростью 1675 км/ч, хотя по мере приближения к полюсам скорость значительно падает; например в Лондоне и Париже около тысячи км/ч. Если вдуматься, объяснение самоочевидно. Когда вы находитесь на экваторе, вращающейся Земле приходится за сутки переносить вас на весьма значительное расстояние — около 40 тыс. км, прежде чем вы вернетесь на исходное место, тогда как, стоя у полюса, вам может потребоваться всего лишь несколько метров, чтобы совершить полный оборот; хотя в обоих случаях на возврат в точку отправления потребуется 24 часа. Отсюда следует, что чем ближе к экватору, тем быстрее приходится вращаться.