Артур уиггинс, чарльз уинн пять нерешенных проблем науки рисунки Сидни Харриса

Прогноз погоды на ночь: темень.

[выдающийся американский комик]

Все любят говорить о погоде, но никто не пытается ее изменить.

Марк Твен

Изучение планеты Земля как целого — прерогатива геологии (науки о Земле). Модель плитотектоники нашей планеты довольно хорошо описывает следствия взаимодействий ее самых верхних, четырех твердых и жидкой оболочек. Однако атмосфера Земли, особенно ее синоптическое состояние, похоже, перечеркивает все попытки создать модели, которые давали бы надежные долговременные прогнозы. Раз погода оказывается столь отличительной чертой нашей планеты, нахождение подходящей модели для предсказания погоды оказывается крупнейшей нерешенной задачей науки о Земле.

Преимущественно ясно, отчасти облачно, порой дожди, возможен снег, ожидается ухудшение погоды... Не удивляло ли вас, что синоптики заимствовали свой двусмысленный язык у тех, кто занимается составлением гороскопов? Что же говорить о Календаре крестьянина¹⁴, предсказывающем погоду на год вперед, или об ушибленном колене вашей тетушки, которое начинает неизменно крутить с приближением ненастья?

Погода и ее прогноз всегда играли огромную роль в выживании людей. Самые древние ссылки на погоду обычно связаны с религией или фольклором.

Религия египтян с ее небесными божествами включала обряды по призыванию дождя еще за 3500 до н. э. Вавилоняне (3000-300 до н. э.) связывали небесные тела с погодными явлениями, полагая, что темное кольцо вокруг Луны означало приближение дождя. Древние греки накопили наблюдения за погодой и создали теории, нашедшие воплощение в Метеорологике Аристотеля (340 до н. э.), где были собраны прежние представления, приведенные в согласие с господствовавшим тогда учением о четырех стихиях (земле, воде, огне и воздухе). После научного переворота 1600-х годов построения Аристотеля были наконец подвергнуты проверке, и утвердилось представление о всеобщем характере погоды и климата.

В Новое время изучение атмосферных условий стало неотъемлемой частью науки о Земле. Атмосфера представляет собой ее внешнюю оболочку. Остальные четыре оболочки — внутреннее и внешнее ядро, мантия и кора — суть медленно перемещающиеся твердые и жидкие тела. Из-за газообразности атмосферной оболочки она меняется быстрее всего.

Прогноз погоды на Земле

Иногда, частично, большей частью, или совершенно ясно, или облачно с меняющейся вероятностью дождя, снега, града, мокрого снега, смерча, урагана...

минимальная -84°С.

Пользуясь научным подходом, мы уже достаточно долго наблюдаем за атмосферой и собрали значительное количество данных. В гипотезах, стремящихся объяснить поведение атмосферы, используются зарекомендовавшие себя понятия механики жидкостей и газов, термодинамики, астрономии Солнца, химии и иных дисциплин. Тогда почему же прогнозы погоды, подобно рыбе и отношению к визитам родственников, портятся столь скоро? Иначе говоря, почему точный долгосрочный прогноз погоды все еще оказывается нерешенной задачей?

Ответ один: размеры и сложный характер атмосферы. Оказывается, при достижении системой определенного уровня сложности математическое предсказание начинает столь сильно зависеть от начальных условий, что малейшие изменения приводят к совершенно неожиданным конечным результатам. Сжатое изложение такой восприимчивости к начальным условиям именуют теорией хаоса, под которой часто ошибочно подразумевают полный произвол. Прежде чем вдаваться в подробности данной проблемы и рассматривать пути ее решения, рассмотрим для сравнения погоду соседних планет, изучим становление земной атмосферы, выдвинем гипотезы прогноза погоды и проследим за истоками, развитием теории хаоса и выявим ее уместность. Наконец, займемся вопросом, возможно ли теоретически прогнозирование погоды с помощью современных математических методов.

Погода на наших соседних планетах: трава не вечно зеленеет

Атмосфера представляет собой газовую оболочку, окружающую твердую (и/или жидкую) поверхность планеты. Атмосфера газовых гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна — наиболее отличительная их черта. Все твердые части этих планет погребены под толстым слоем газа. Другие небесные тела нашей Солнечной системы — Меркурий, Плутон и Луна — вовсе или почти не обладают атмосферой. На оставшихся трех планетах — Венере, Земле и Марсе — плотность газа колеблется от крайне высокой до весьма малой, подобно рассуждениям девочки в сказке о трех медведях.

Венера. Известна как родственная Земле планета из-за сходства многих свойств. Ее поперечник составляет 95% от земного, вес — 82%, плотность — 95%, а сила тяготения на поверхности — 91%. Однако Венера вращается очень медленно — один оборот составляет 243 земных — и в противоположном по сравнению с вращением Земли направлении. Ось вращения Венеры почти отвесна к плоскости ее орбиты (отклонение 2°), не наклонена подобно земной оси (отклонение 23,5°).

Оказавшись на Венере, мы не заметим изменения в размерах. Сила тяготения почти та же (хотя потеря 9% веса приветствовалась бы многими из нас), но нет времен года, подобным земным. Планета вращается, но вы этого не ощутите. На Земле мы тоже не замечаем вращения, за тем исключением, что, следя за движением Солнца по небу или наблюдая за периодическим наступлением темноты (ночи), мы можем видеть заход и восход Луны и звезд. Из-за толстого слоя облаков такой возможности нам на Венере не представится.

Раз мы оказались на Венере, представим, что там нет атмосферы, и посмотрим, что будет. При отсутствии атмосферы температура на поверхности станет определяться взаимодействием солнечных лучей с составляющими поверхность Венеры породами. Согласно закону сохранения энергии планета выступает в роли бесприбыльной корпорации: доходы (поступающая на Венеру солнечная энергия) равны расходам (отдаваемая планетой вовне энергия). Поскольку Венера ближе к Солнцу, чем Земля, она получает больше солнечной энергии. Количество отдаваемой вовне энергии зависит от свойств ее поверхности.

Величина, характеризующая способность поверхности отражать падающий на нее поток излучения, именуется альбедо [и равна отношению отраженного потока к падающему]. Полностью отражающее энергию тело имеет альбедо, равное единице (например, зеркало), а совершенно не отражающее — нулевое альбедо (например, черный асфальт). В отсутствие атмосферы альбедо Венеры соответствовало бы альбедо Меркурия ввиду схожести их поверхностей. Температура лишенной атмосферы Венеры составляла бы примерно 38°С. Хотя по меркам температуры на планетах там может показаться довольно жарко, такого мы еще не встречали.

Теперь вернем Венере атмосферу, которая примерно в сто раз тяжелее атмосферы Земли и состоит из углекислого газа (СО₂) — 96%, азота (N₂) — 3%, небольшого количества сернистого газа (SO₂) и лишь каких-то крох кислорода (О₂) — тысячные доли процента. У поверхности давление просто удушающее — в 90 раз выше земного. А это только начало. Везде высотные облака, но светло-желтые, а не белые и серые. Ведь они состоят не из паров воды, а из капель серной кислоты (H₂SO₄). Солнечный свет едва пробивается сквозь них. Температура у поверхности возрастет, как только на планету вернется атмосфера, достигнув немыслимой величины 470°С.

Если вы ступите на Венеру и обратитесь за сводкой погоды к сети Интернет на Венере или к телевидению Венеры, то получите примерно следующее.

Теперь немного подробностей.

Максимальная и минимальная температуры на Венере совпадают ввиду плотности атмосферы и формы ее перемещения, что позволяет энергии равномерно распределяться по всей планете. Крайне высокое значение этой всюду одинаковой температуры, при которой плавятся многие твердые тела, даже металлы вроде свинца и цинка, вызвано ярко выраженным парниковым эффектом (см.: Список идей, 10. Парниковые газы). Углекислый газ в атмосфере отражает обратно исходящее от поверхности планеты инфракрасное излучение, что существенно нагревает поверхность, подобно стеклянному покрытию в парнике, которое сохраняет для находящихся внутри растений температуру, более высокую, чем снаружи. С 1961 года за 20 лет Советский Союз направил к Венере 16 космических кораблей «Венера». Опустившиеся на поверхность планеты аппараты работали очень недолго, а затем выходили из строя под действием высоких температур и давления.

Высокое давление вызвано большой массой атмосферы. На поверхности Венеры плотность углекислого газа значительно выше, чем плотность воздуха Земли. Путешествие по Венере было бы сродни продвижению сквозь толщу разжиженной воды при давлении, соответствующем земному давлению на морской глубине 900 м.

Из-за крайне малого количества воды влажность на Венере отсутствует. Согласно одной современной теории вначале на Венере было много воды, но высокая температура ввиду близости к Солнцу в сочетании с усиливающимся парниковым эффектом испарила воду в атмосферу. Там солнечные фотоны разложили молекулы воды на водород и кислород. Более легкие молекулы водорода покинули планету, а химически активные молекулы кислорода образовали либо карбонаты (остающиеся до сих пор на поверхности Венеры), либо серную кислоту при взаимодействии с выделяемой при вулканических извержениях серой (более подробно о динамических процессах в атмосфере речь пойдет в следующей главе).

Ветры на поверхности Венеры движутся очень медленно, но в слое ее облаков ураганные ветры (скорость 220 миль в час) переносят капли серной кислоты вокруг планеты с востока на запад за пару земных суток. Механизм данного перемещения неизвестен.

Видимость у поверхности полная благодаря чистой атмосфере внизу. Выше все заволакивает дымкой, а облака почти непроницаемы. Пробивающийся сквозь сернокислотные облака солнечный свет приобретает оранжевый цвет, столь же блеклый, как в облачные дни на Земле.

Сернокислые капельки в облаках собираются в достаточно крупные капли, вызывающие дождь, так что влажность присутствует, но в виде паров серной кислоты, а не воды. Из-за высокой температуры кислотный дождь испаряется, так и не оросив поверхности планеты.

Из-за высотных ветров и трущихся друг о друга облаков наблюдаются частые грозы, но поскольку облака находятся на большой высоте — примерно 50 км, молнии проскакивают большей частью между облаками, а не между облаками и поверхностью планеты, как это происходит на Земле.

В прогноз погоды на Венере не входит время восхода и захода Солнца, что вызвано несколькими причинами. Во-первых, Солнца не видно с ее поверхности. Во-вторых, Венера вращается вокруг своей оси так медленно, что успевает обернуться вокруг светила, еще не сделав полного оборота вокруг своей оси, и, таким образом, восход и закат там не столь привычное дело, как на Земле. Далее, если бы Солнце было видимым, мы бы наблюдали, как оно восходит на западе и заходит на востоке ввиду обратного Земле вращения. Если вы думаете, что сможете услаждать себя видом здешней Луны или звезд, не обольщайтесь. Облака не пропустят идущего от звезд света, а что касается лунного света, то у Венеры нет спутников.

Готовясь к путешествию на Венеру, вам следует разогреть свою печь до требуемой температуры, а затем опуститься с ней на глубину 900 м для получения требуемого давления. Если эти условия окажутся сносными, постарайтесь к тому же долгое время не видеть Солнца.

В качестве туристической достопримечательности Венера мало привлекательна. И тем не менее Европейское управление космических исследований планирует полет к планете на Venus Express в 2005 году, а Япония — в 2007-м.

Преимущественно солнечно.

Поперечник Марса составляет 53% от земного, масса — 11%, плотность — 66%, а сила тяготения на поверхности — 38%. Атмосфера Марса состоит из углекислого газа (СО₂) — 95%, азота (N₂) — 3% и аргона (Аr) — почти 2%. Атмосферное давление у поверхности составляет менее 1 % от земного, так что общая масса его атмосферы тоже менее 1% от массы земной атмосферы.

Для уяснения подробностей прибегнем к голливудскому трюку. Вообразите, что вы внезапно очутились на Марсе. Каковы могут быть ваши ощущения? Прежде всего вы столкнетесь с отсутствием кислорода. На Марсе потребуется носить скафандр. Но даже в громоздком скафандре на Марсе будет легче двигаться, чем на Венере или Земле. Атмосфера там столь разрежена, что не стеснит движений. Более того, из-за силы тяготения, составляющей 38% земного, вы окажетесь почти в 3 раза легче, чем на Земле. Вы сможете прыгать в 3 раза дальше, а посылаемые гольфистом Тайгером Вудсом¹⁵ мячи вообще потеряются из виду [на Земле он умудряется отправлять мячи за 300 ярдов].

Затем надо будет что-то делать с температурой. Можно было бы ожидать, что наличие углекислого газа обеспечит на Марсе парниковый эффект, сходный с наблюдаемым на Венере. Он присутствует, однако из-за разреженности атмосферы почти не влияет на температуру. Если убрать с Марса атмосферу, как это мы делали с Венерой, средняя температура там составит —55°С. Возвращение атмосферы лишь слегка повысит температуру до значения —50°С. Но прежде чем ошибочно заключать, что Марс всегда был таким холодным (подобно тому как Венера всегда оставалась очень жаркой), не забудьте, что на Марсе для вас кое-что припасено.

Прежде всего продолжительность суток на Марсе почти та же, что и на Земле. Он вращается вокруг собственной оси примерно за 24,5 земных часа. Таким образом, восход и заход Солнца будут близки путешественнику с Земли. Далее, ось вращения у Марса наклонена к своей орбитальной плоскости под углом 25°. Если вы помните, у Венеры нет такого наклона, и это обстоятельство как раз содействует спокойному характеру тамошней погоды. Как и на Марсе, наклон земной оси в 23,5° приводит к смене времен года, поскольку одно полушарие, получая больше прямых солнечных лучей, сильнее нагревается.

При совершении Марсом половины пути вокруг Солнца солнечные лучи освещают его южное полушарие сильнее, чем северное. Тогда в южном полушарии царствует лето, а в северном — зима. Во вторую половину пути Марса вокруг светила положение меняется, и уже северное полушарие освещается больше, и там наступает лето. В эту картину Марс вносит свои собственные краски. Его орбита сильнее вытянута по сравнению с Землей или Венерой, занимая по этому показателю третье место среди планет Солнечной системы. Поэтому времена года неодинаковы для северного и южного полушарий Марса. В летнюю пору на юге Марс находится ближе к Солнцу, получая на 40% больше света, чем при наступлении на юге зимы. С учетом всего сказанного можно приступить к изучению погоды на Марсе.

♦ Отсутствие океанов. Вначале ученые считали, что погода на Марсе значительно проще земной, большей частью из-за отсутствия там водных океанов, которые существенно усложняют картину погоды на нашей планете. Недавние полеты к Марсу убеждают, что погода там значительно сложнее, чем мы думали, и ей присуща изменчивость, о которой мы даже не догадывались.

В 2003 году Европейское управление космических исследований отправит космический корабль Mars Express к Марсу, который прибудет туда 26 декабря 2003 года [попытка посадить корабль окончилась неудачей — он так и не вышел на связь]. НАСА планирует доставить туда два вездехода небольшого радиуса действия в 2004 году [что американцам с блеском удалось], орбитальный разведывательный аппарат в 2005 году, вездеход большого радиуса действия в 2009-м, и возвращаемый корабль с пробами фунта в 2014 году. Мы многое почерпнем отсюда.

Если бы девочка из сказки «Три медведя» «отведала» погоду на Венере и Марсе прежде, чем на Земле, то, пожалуй, сказала бы: «Первая слишком горячая и густая, вторая слишком холодная и жидкая, а вот третья в самый раз». Так-то вот.

Поскольку внутренние планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — расположены близко к Солнцу (рис. 5.2), вполне разумно предположить, что и состоят они из одного сырья. Так и есть.

Как говорилось в гл. 3, в период падения планетезималей на раннем этапе зарождения Солнечной системы все внутренние планеты были заполнены камнями и водой. Почему же Венера и Марс растеряли воду, а Земля ее сохранила? Чтобы ответить на этот вопрос, надо рассмотреть процессы, в результате которых планеты получают газ для своей атмосферы и каким образом они могут растерять этот газ.

После того как заработала солнечная ядерная топка, солнечный ветер (разреженная плазма большей частью из протонов и электронов, движущаяся ныне со скоростью около 400 км/ч) выдул почти весь первичный водород с гелием, а внутренние планеты собрали их у себя. Вспомним о бедном Меркурии. Он так близок к Солнцу, что, утираясь при каждом чихании светила, Меркурий говорит: «Будьте здоровы». Единственные газы, которыми ему удалось обзавестись, исходили от Солнца. Свыше 4 млрд. лет назад у Венеры, Земли и Марса, похоже, не было атмосферы. По всей видимости, ее образование шло тремя путями: газовыделение, испарение (возгонка) и (или) бомбардировка [метеоритно-пылевыми частицами].

По мере охлаждения коры заключенный под высоким давлением в мантии газ порой высвобождался, образуя вулканы. Вулканические извержения представляют собой знаменательное событие, ведущее к опустошению огромных площадей. Так, извержение горы Пинатубо на Филиппинах в июне 1991 года исторгло на поверхность 5 млрд. куб. м перла и шлаков, образовавших столбы шириной 18 км у основания и высотой 30 км.

Поверхность трех внутренних планет свидетельствует, что повседневной чертой начала их жизни была вулканическая деятельность, а основными продуктами газовыделения — пары воды (Н₂О), двуокись углерода (СО₂), азот (N₂) и два серных газа: двуокись серы (SO₂) и сероводород, знакомый всем по запаху тухлых яиц.

Свыше 4 млрд. лет назад вулканические извержения выступали основными поставщиками газа для первоначальной атмосферы Земли. Примерно в то же время древние вулканы Марса и Венеры «трудились» над созданием первичной атмосферы на этих планетах.