Ричард Фейнман - 5a. Электричество и магнетизм

Фие. 9.7. Грозовая ячейка в ранней стадии развития.

Фиг. 9.8. Температура ат­мосферы.

а — статическая атмосфера; b — адиабатическое охлаждение сухого воздуха; с — адиабатическое охлаж­дение влажного воздуха; а — влаж­ный воздух с какой-то примесью окружающего воздуха.

На рисунке крести­ки означают снег, а точки — дождь, но поскольку восходящий ток довольно велик, а капельки очень малы, то на этой стадии ни снег, ни дождь не выпадают. Это начальная стадия, и пока это еще не настоящая гроза, в том смысле, что внизу вообще не видно, чтобы что-нибудь происходило. По мере того как теплый воздух подымается вверх, в ячейку прибывает воздух со всех сторон (весьма важное обстоятельство, которым долго пренеб­регали). Так что подымается не только тот воздух, который был внизу, но и какое-то количество другого воздуха — с разных сторон.

Отчего воздух вот так поднимается? Как вы знаете, наверху воздух прохладнее. Солнце нагревает почву, а водяной пар в верхних слоях атмосферы излучает тепло вверх; поэтому на больших высотах воздух холодный, а внизу теплый. Вы можете сказать: «Тогда все очень просто. Теплый воздух легче холод­ного; поэтому вся эта комбинация механически неустойчива, и теплый воздух поднимается». Конечно, если температура на разных высотах разная, то воздух действительно термоди­намически неустойчив. Предоставленный самому себе надолго, весь воздух примет одинаковую температуру. Но он не предо­ставлен самому себе; весь день светит солнце. Так что проблема касается не только термодинамического, но и механического равновесия. Пусть мы начертили, как на фиг. 9.8, кривую зави­симости температуры воздуха от высоты. В обычных условиях получается убывание по кривой типа а; по мере подъема темпе­ратура падает. Как же атмосфера может быть устойчивой? По­чему бы теплому воздуху просто не подняться к холодному? Ответ состоит в том, что если бы воздух начал подниматься, то давление в нем упало бы, и, рассматривая определенную пор­цию поднимающегося воздуха, мы бы увидели, что она адиаба­тически расширяется. (Тепло не уходило бы из нее и не приходило бы, потому что из-за огромных размеров не хватило бы вре­мени для больших передач тепла.) Итак, порция воздуха при подъеме охладится. Такой адиабатический процесс привел бы к такой зависимости температура — высота, как показано кривой b на

фиг. 9.8. Любой воздух, поднимающийся снизу, оказался бы холоднее, чем то место, куда он направляется. Так что теплому воздуху снизу нет резона идти вверх; если бы он всплыл, то остыл бы и стал холоднее того воздуха, который уже там есть; он оказался бы тяжелее этого воздуха, и ему бы захотелось сра­зу обратно вниз. В хороший, ясный денек, когда влажность невелика, устанавливается какая-то быстрота падения темпера­туры с высотой, и эта быстрота, вообще говоря, ниже «макси­мального устойчивого перепада», представляемого кривой b . Воздух находится в устойчивом механическом равновесии.

Но, с другой стороны, если мы возьмем воздушную ячейку, содержащую много водяных паров, то кривая ее адиабатичес­кого охлаждения будет совсем другой. При расширении и ох­лаждении этой ячейки водяной пар начнет конденсироваться, а при конденсации выделяется тепло. Поэтому влажный воздух остывает не так сильно, как сухой. Значит, когда воздух, влаж­ность которого выше средней, начнет подниматься, его темпе­ратура будет следовать кривой с на фиг. 9.8. Слегка охлаждаясь при подъеме, он все же окажется теплее окружающего его на этой высоте воздуха. Если имеется область теплого влажного воздуха и он почему-то начинает подниматься, то он все время будет оставаться легче и теплее окружающего воздуха и по-прежнему будет всплывать, пока не достигнет огромных высот. Вот тот механизм, который заставляет воздух в грозовой ячейке подниматься.

В течение многих лет именно так объясняли грозовую ячей­ку. А затем измерения показали, что температура облака на различных уровнях над Землей не так высока, как это следует из кривой с. Причина в том, что, когда «пузырь» влажного воз­духа всплывает, он уносит с собой воздух из окружающей среды и охлаждается им. Кривая «температура — высота» похожа больше на кривую d, которая гораздо ближе к первоначальной кривой а, нежели к с.

После того как описанная конвекция началась, поперечный разрез грозовой ячейки выглядит уже так, как показано на фиг. 9.9. Это так называемая «зрелая» гроза. В ней действует очень сильная тяга вверх, достигающая на этой стадии высот в 10—15 км, а иногда и выше. Грозовой купол с происходящей в нем конденсацией громоздится надо всей облачной грядой с быст­ротой, достигающей обычно 60 км/час. По мере того как водяной пар поднимается и конденсируется, возникают крохотные ка­пельки, которые быстро охлаждаются до температуры ниже нуля. Они должны замерзнуть, но делают это не сразу — они «переохлаждаются».

Фиг. 9.9. Созревшая грозовая ячейка.

Вода, да и другие жидкости обычно легко охлаждаются ниже своей точки замерзания, не кристаллизуясь, если только вокруг нет «ядер», которые необходимы, чтобы на­чалась кристаллизация. Только если имеются мелкие крошки вещества, наподобие кристалликов NaCl, капельки воды пре­вратятся в льдинки. Тогда равновесие будет приводить к испа­рению капель и росту кристаллов льда. Итак, в какой-то мо­мент начинается внезапное исчезновение воды и быстрое обра­зование льда. Кроме того, могут происходить прямые соударения водяных капелек и льдинок — столкновения, в которых пе­реохлажденная вода, прикоснувшись к кристаллику льда, мгно­венно сама кристаллизуется. Стало быть, в какой-то момент раз­вития облака в нем происходит быстрое накопление крупных частиц льда.

И когда они станут достаточно тяжелыми, они начнут па­дать сквозь восходящий воздух, ибо они стали слишком груз­ными, чтобы тяга могла их нести. Падая, они увлекут за собой немного воздуха. Начинается противоток воздуха — вниз. И легко понять, что, как это ни странно, раз уж противоток на­чался, то прекратиться он не сможет. Воздух теперь полным хо­дом помчится вниз!

Посмотрите: кривая d на фиг. 9.8 (истинное распределение температур по высоте облака) не так крута, как кривая с (от­носящаяся к влажному воздуху). Значит, когда начнет падать влажный воздух, его температура будет повышаться по кривой, соответствующей кривизне линии с, т. е. при достаточно сильном падении окажется ниже температуры окружающего воздуха (как это видно из кривой е). И в момент, когда это случится, он окажется плотнее окружающего воздуха, падение станет неот­вратимым.