Электрическая составляющая ураганов и молний

Электричество, похоже, играет основную роль в явлениях воздушных вихрей, включая ураганы. Для лучшего понимания этих электрических феноменов давайте сперва рассмотрим молнии, которые, как мы скоро увидим, тесно связаны с ураганами, областями пониженного атмосферного давления, торнадо и сопровождающими их облачными массами.

Молнии наблюдаются особенно часто у экватора, под конец дня. ^[474]Это время суток и область их возникновения коррелируют с максимальным электрическим зарядом ионосферы. И действительно, тропический пояс непосредственно обращён к солнечным ветрам, входящим в ионосферу в течение дня, пока его электрический заряд не достигнет максимума после полного дня инсоляционной экспозиции. Вдобавок тропический пояс имеет минимальную атмосферную проводимость. ^[475]Тем самым атмосфера может обладать очень высокой разностью электрических потенциалов между ионосферой и земной поверхностью, что приводит к сильным разрядкам (молниям) вместо уравновешивания зарядов, характерного для благоприятных погодных условий.

На рис. 141 показан процесс облакообразования с последующей разрядкой молнии в землю. Красные цифры соответствуют шести стадиям этого процесса.

Рисунок 141 Процесс образования молнии. © Sott.net

Верхний рисунок:

1) Насыщенный протонами солнечный ветер обогащает ионосферу Земли позитивно заряженными частицами.

2) С ростом положительного заряда ионосферы она начинает притягивать электроны с земной поверхности. ^[476]

3) Электроны поднимаются с земной поверхности в воздух и захватываются малоподвижными атмосферными частицами (пылью, капельками воды).

4) Схожим образом протоны из ионосферы притягиваются отрицательным зарядом Земли и начинают проникать в атмосферу и в итоге захватываются атмосферными частицами. ^[477]

Нижний рисунок:

5) Восходящий поток электронов формирует бедный электронами участок земной поверхности (положительно заряженный участок, ограниченный красной линией) и насыщенный электронами участок на нижней поверхности облака.

6) Как только разница электрических потенциалов становится достаточно высокой, происходит молниевый разряд, несущий массивный поток электронов назад к земной поверхности; этот разряд восстанавливает равновесие электрических зарядов между нижней частью облаков и локальным положительно заряженным участком земной поверхности.

Молнии и ураганы являются, по всей видимости, схожими процессами перебалансирования электрических зарядов. Молнии происходят по большей части над сушей и намного реже над водной поверхностью. ^[478]Это может быть связано с разницей электрической проводимости земли и водной поверхности. Когда электроны начинают процесс вертикальной циркуляции из океана, высокая проводимость морской воды ^[479] обычно препятствует формированию бедных электронами участков, что является одной из причин возникновения молний. Однако, если восходящая циркуляция электронов происходит над сушей, то её слабая проводимость ^[480]способствует формированию бедных электронами участков, вызывающих молнии и принимающих на себя их разряд.

Места типичного формирования ураганов противоположны местам образования молний: чаще всего они возникают над океанами и обычно ослабляются или полностью расформировываются, достигнув суши. Когда массивный поток электронов буквально вытягивается из океана, высокая проводимость солёной воды обеспечивает снабжение свободными электронами из прилегающих участков воды, предоставляя тем самым практически непрерывную подпитку электронами формирующемуся урагану. Когда ураган касается земли, электронная подпитка ограничивается плохой проводимостью земной поверхности, и ураган ослабляется.

Карта на рис. 142 показывает траектории 14 ураганов, возникших в 2000 г. Те из них, которые достигли побережья, прекратили вскоре после этого своё существование.

Рисунок 142 Траектории 14 ураганов, возникших в 2000 г. © met.inf.cu

Следует также отметить, что дождевые осадки, обычно сопровождающие ураганы, также участвуют в процессе перебалансирования электрических зарядов.

При падении на землю капля воды захватывает электроны с нижней части облака, а также электроны на пути её падения, перенося таким образом отрицательный электрический заряд на земную поверхность и уравновешивая разницу электрических потенциалов, подобно тому, как это делают молнии. С этой точки зрения как молнии, так и дождевые осадки вызываются сильным электрическим полем в атмосфере и приводят к перебалансированию электрических зарядов между земной поверхностью и атмосферой.

Заметьте, что атмосферное электрическое поле оказывает влияние на формирование дождевых капель и их размер. На рис. 143 ^[481]изображена тонкая струя воды, созданная гиподермальной иголкой, подсоединённой к водопроводному крану. На фотографии слева электрическое поле не прилагалось. Водяная струя приняла форму аэрозоли, состоящей из маленьких капелек. На фотографии справа к водяной струе было приложено электрическое поле, что вызвало соединение водяных капель друг с другом, в результате чего образовались большие капли. Этот эксперимент очень напоминает процесс, происходящий в облаках, когда капли воды выравниваются вдоль атмосферного электрического поля и притягивают друг друга, формируя всё более тяжёлые капли.

Рисунок 143 Влияние электрического поля на размер водяных капель. © Pierce Bounds

Из вышесказанного мы можем констатировать, что молнии и ураганы относятся к весьма похожим электрическими явлениями. Ураганы для водной поверхности являются тем же, что и молнии для земной поверхности. Оба явления возникают вследствие восходящих потоков электронов, и оба уравновешивают электрические заряды, перенося электроны на земную поверхность: посредством дождевых осадков в случае ураганов и посредством разрядов молний в случае электрических штормов.

Прежде чем завершить эту статью сделаем несколько комментариев касательно атмосферной пыли: как мы уже убедились, атмосферная пыль играет важную роль в формировании ураганов. На физическом уровне она выполняет функцию ядра, вокруг которого формируются конденсированные водяные капли (облака). На электрическом уровне она удерживает электрический заряд, способный вызывать разряд молнии.

Атмосферная пыль также, по всей видимости, способна регулировать высоту, на которой формируются облака. Согласно официальной науке атмосферная пыль и водяные капли остаются во взвешенном состоянии в атмосфере благодаря их довольно малым размерам: они имеют небольшой вес и относительно большую парусность. ^[482]Тем не менее, некоторые наблюдения не соответствуют модели «гравитация-сопротивление», и в некоторых случаях пылевые облака оседают намного медленнее, чем было спрогнозировано:

Примечательно, что, по всей видимости, существует до сих пор неизвестный атмосферный процесс, который противодействует оседанию крупных пылевых частиц в атмосфере (Maring et al., 2003), так же как и некоторые модели переноса пыли на большие расстояния часто недооценивают долю более крупных частиц (Colarco et al., 2003, Ginoux et al., 2001), а пробы пыли, собранные после её оседания, показывают, что большое количество «гигантских» пылевых частиц (размером более 62,5 микрометров) могут переноситься на тысячи километров от их источника (Middleton et al., 2001). ^[483][484]

Вспомните эксперимент Милликана[485]: капля, заряженная одним единственным электроном, способна противодействовать гравитации и буквально левитировать, если она находится в вертикальном электрическом поле. Для этого напряжённость электрического поля должна составлять 32 100 В/м. Хотя напряжённость электрического поля в атмосфере обычно составляет 100 В/м на уровне земли, ^[486]атмосферная пыль или водяные капли в атмосфере могут существенно увеличить это значение, так как они снижают электрическую проводимость атмосферы. Электрические поля напряжённостью 2000 В/м были измерены под пылевыми бурями, ^[487]20 000 В/м под грозовыми бурями ^[488] и до 200 000 В/м внутри грозовых бурь. ^[489]К тому же, в отличие от эксперимента Милликана, некоторые частицы могут быть заряжены сразу несколькими электронами.

Всё это говорит о том, что атмосферное электрическое поле может оказывать влияние на скорость падения, местонахождение, движение и высотные характеристики облаков, независимо от того, состоят ли они из пылевых частиц и/или водяных капель. Оно может заставить частицы «левитировать» или буквально подниматься в воздух.

* * *

Часть 24: Гольфстрим

В данной главе мы рассмотрим Гольфстрим — главное морское течение в северной части Атлантического океана. Следует отметить, что каждый океан имеет похожее течение, и принципы, рассмотренные далее применимы к любому из этих океанских течений.

Рисунок 144 Океанские течения. Красные стрелки: тёплые течения. Синие стрелки: холодные течения. Область зелёного цвета: Гольфстрим. © Sott.net по материалам L30nc1t0 – Wikimedia

Все основные океанские течения в северном полушарии, включая Гольфстрим (см. рис. 144, область зелёного цвета), протекают по часовой стрелке по петлеобразным маршрутам, в то время как течения в южном полушарии движутся против часовой стрелки. Согласно официальной науке этот феномен объясняется исключительно «эффектом Кориолиса».

Согласно эффекту Кориолиса движение флюидов (например, воды или воздуха) будет отклоняться вправо (относительно севера), если оно происходит в северном полушарии. Если движение происходит в южном полушарии, то оно будет отклоняться влево (относительно юга), отсюда и направление вращения океанских течений. Таким образом, на севере Атлантики вода отклоняется вправо, поэтому Гольфстрим движется по часовой стрелке.

При снижении скорости вращения Земли эффект Кориолиса должен уменьшаться, так как он пропорционален скорости вращения нашей планеты. ^[490]Это основной фактор, влияющий на вызванное космическими факторами замедление Земли, ^[491]которое, в свою очередь, ослабляет Гольфстрим. Однако, возможно, мы имеем дело с ещё одним фактором электромагнитной природы, который также может способствовать ослаблению течения.

Рисунок 145 Иллюстрация эффекта Кориолиса в северном и южном полушариях.

Северная Атлантика, как и любая другая водная поверхность, пересекается вертикальным атмосферным электрическим полем, а также магнитным полем Земли. Морская вода является частично ионизированной; примерно 3,5% её молекул находится в ионном состоянии (по большей части натрий и хлориды). ^[492]Благодаря этой ионизации ^[493] морская вода является очень хорошим проводником, ^[494]т.е. она несёт электрический заряд, схожий с электрическим зарядом земной поверхности. Существование этого электрического заряда было, например, продемонстрировано Пибоди (Peabody), ^[495]измерявшим электрический ток в 30 ампер, протекающий через Панамский перешеек между Атлантическим и Тихим океанами.

После заряжения молекул воды, находящихся в движении в электрическом и магнитном полях Земли, на них начинает воздействовать сила Лоренца. Тем не менее электрическое поле между ионосферой и земной поверхностью не является идеально равномерным; оно изменяется в зависимости от географической широты:

Электрическая проводимость атмосферы также подвержена широтным вариациям, что связано с экранирующим эффектом магнитного поля Земли. Магнитное поле отражает поступающую космическую радиацию более эффективно в зоне экватора, чем в полярных регионах, в результате чего электрическая проводимость примерно на 50% выше на высоких широтах в сравнении с электрической проводимостью в нижних широтах. ^[496]

Проводимость — это свойство среды проводить электричество; чем выше электрическая проводимость атмосферы, тем выше сила тока, проходящего через неё в вертикальном направлении. Следовательно, эта изменчивость проводимости атмосферы в зависимости от широты оказывает влияние на силу Лоренца. Чем выше широта, тем сильнее сила Лоренца.

Как показано на рис. 146, в низких широтах электрическая проводимость мала, следовательно, слаб и локальный электрический ток (короткая красная стрелка в середине Атлантики). Наоборот, в высоких широтах проводимость высока, поэтому высока и сила тока (длинная красная стрелка над Ирландией). Электромагнитная сила, представленная вектором B (пурпурные стрелки), является постоянной. Её интенсивность не меняется в зависимости от широты. То же самое применимо и к южному полушарию, в котором на высоких широтах аналогично протекает более сильный вертикальный атмосферный ток.

Рисунок 146 Изменение вертикального атмосферного электрического тока и силы Лоренца в зависимости от географической широты. © Sott.net

F (зелёные стрелки) отображают направление действия силы Лоренца. Так как она прямо пропорциональна создающему её электрическому току, сила Лоренца интенсивнее в более высоких географических широтах, чем в низких. Вот почему зелёная стрелка, начинающаяся около Ирландии длиннее зелёной стрелки у экватора. Направленная в восточном направлении сила Лоренца, оказывающая воздействие на воды Атлантики, интенсивнее на высоких широтах и вследствие этого она, как правило, усиливает вызванное эффектом Кориолиса движение морской воды по часовой стрелке.

Аналогично, в южном полушарии атмосферный электрический ток сильнее в высоких широтах, поэтому сила Лоренца интенсивнее около Антарктики, чем на экваторе. И в этом случае сила Лоренца, как правило, усиливает вызванное эффектом Кориолиса движение морской воды против часовой стрелки, наблюдаемое в океанах южного полушария.

На рис. 147 показано, как солнечная активность влияет на вертикальный атмосферный ток, который, в свою очередь, воздействует на силу Лоренца, имеющую непосредственное влияние на Гольфстрим. Слева на рисунке сильная солнечная активность вызывает интенсивный электрический ток в атмосфере, который, в свою очередь, генерирует мощную силу Лоренца, увеличивающую мощность Гольфстрима. Справа на рисунке изображена более слабая солнечная активность и, следовательно, более слабая сила Лоренца и мощность Гольфстрима.

Рисунок 147 Эффекты зависимой от географической широты силы Лоренца (F — зелёные стрелки) на интенсивность Гольфстрима. © Sott.net

Замедление Гольфстрима играет важную роль в формировании погоды, так как он снабжает западное побережье Европы и северо-восточное побережье Северной Америки значительным объёмом тепла. Мощность переносимого Гольфстримом тепла оценивается в 1,4 петаватта. ^[497]Для сравнения: в 2008 г. суммарное потребление энергии в мире составило приблизительно 15 тераватт. ^[498]Таким образом, в каждый момент времени Гольфстрим транспортирует приблизительно в 100 раз больше энергии, чем население Земли потребляет за целый год.

Хотя Гольфстрим оказывает своё влияние на оба континента, его эффект более выражен в Европе, чем в Северной Америке. Сравнивая регионы, находящиеся на одной широте, создаётся такое впечатление, что аккумуляция тепла в океане делает зимы в Европе на 15-20 °C теплее в сравнении с зимами на востоке Северной Америки (на тех же широтах). ^[499]Например, Нью-Йорк и Мадрид расположены на одной и той же широте (40° с.ш.). ^[500]В феврале средняя температура в Нью-Йорке составляет -1 °C, ^[501]в то время как в Мадриде она равняется 11 °C. ^[502]

Влияние Гольфстрима в Западной Европе сильнее по меньшей мере по двум причинам: во-первых, протекающее в южном направлении холодное Лабрадорское течение ^[503] сжимается между восточным побережьем Северной Америки и Гольфстримом, отталкивая Гольфстрим от побережья. Поэтому Гольфстрим может только слегка касаться восточного побережья Северной Америки, в то же время оказывая обширное воздействие на западное побережье Европы (см. рис. 148).

Рисунок 148 Температура водной поверхности в Северной Атлантике. © NASA

Во-вторых, преобладающие ветры, гонимые северным высотным струйным течением (которое мы вскоре рассмотрим подробнее[504]), движутся в восточном направлении. Благодаря этому воздух, нагреваемый Гольфстримом, поднимается над Атлантикой и переносится преимущественно в сторону Европы.

Официальные СМИ время от времени упоминали «ошибочное» поведение Гольфстрима. Так было в 2004 г., когда Гольфстрим значительно замедлялся на протяжении 10 дней, ^[505]и в январе 2010 г., когда он соединился с Западно-Гренландским течением после нестабильного движения в течение нескольких недель. ^[506]

Продолжающееся ослабление Гольфстрима было признано только в январе 2013 г. международной группой океанографов под руководством профессора Принстонского университета Тала Эзера (Tal Ezer), который продемонстрировал со статистической достоверностью в 99,99% тот факт, что Гольфстрим непрерывно ослабевает с 2004 г.:

Недавние исследования указывают на то, что скорость подъёма уровня моря вдоль средне-атлантического побережья США увеличилась за последние несколько десятилетий, возможно, по причине замедления верхней ветки Гольфстрима. Было обнаружено, что на колебания прибрежного уровня моря оказывали сильное влияние колебания Гольфстрима в пределах от нескольких месяцев до нескольких десятилетий. Складывается впечатление, что Гольфстрим сменил свой цикл колебаний продолжительностью в 6 - 8 лет на непрерывную тенденцию к ослаблению начиная примерно с 2004 г., и что эта тенденция, возможно, является причиной недавнего локального ускорения подъёма уровня моря. ^[507]

Для научной общественности причины ослабления Гольфстрима остаются неизвестными, как утверждает представитель Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA)[508]:

«Почему замедляется Гольфстрим? Почему осенний ветровой режим начинается раньше?», — задаётся вопросом представитель NOAA Эдвинг (Edwing). «У нас нет ответов на все эти вопросы.» ^[509]

Рисунок 149 Гольфстрим 1 декабря 2010 г. Течение остановилось прямо посреди Атлантики. © DEOS

Итак, как мы теперь знаем, сила Лоренца и эффект Кориолиса являются движущими силами Гольфстрима. Сниженная солнечная активность ослабляет эффект Кориолиса (из-за замедления углового вращения Земли) и силу Лоренца (из-за ослабления вертикального атмосферного тока). Эти два фактора являются вероятными причинами недавно признанного ослабления Гольфстрима.

Ниже умеренных широт глобальное похолодание усилится из-за ослабления океанских течений. Наиболее пострадают те регионы, которые обогревались теплыми океанскими течениями тропического пояса: западные побережья северного полушария (например, Западная Европа) или восточные побережья южного полушария (например, Аргентина).

* * *

Часть 25: Струйные потоки

Введение

Теперь, когда мы рассмотрели океанические течения, давайте обратимся к атмосферным «потокам», также известным как «высотные струйные потоки». Существует 5 струйных потоков воздуха, циркулирующих вокруг земного шара: два полярных, два субтропических и один экваториальный. Струйные потоки — это быстрые (96 - 402 км/ч), ^[510]узкие (несколько сотен километров в ширину и менее 5 км в высоту), высотные (около 11 км) ветра. ^[511]В этой главе мы сосредоточимся исключительно на северном полярном струйном потоке, также известном как «Арктический фронт», являющимся важнейшим погодным фактором для Северной Америки и Европы.

Как показано на рис. 150, северный полярный струйный поток (голубая стрелка) вращается вокруг Северного полюса с запада на восток и определяет границу между холодным и теплым воздухом. Если вы находитесь к югу от Арктического струйного потока, вы наслаждаетесь умеренным климатом; находясь же к северу от него, вы испытаете на себе полярные погодные условия.

Рисунок 150 Схематичное изображение пяти струйных потоков, циркулирующих вокруг Земли. © Sott.net

Как видно из рис. 151, расположение, толщина, путь и скорость струйного потока варьируются. ^[512]Иногда струйный поток перемещается на высоких скоростях, что делает его траекторию весьма прямолинейной (левое изображение). Иногда же он замедляется, и тогда его траектория начинает изгибаться, благодаря чему он «задевает» экватор и расположенные ближе к Северному полюсу области (правое изображение). Поведение струйного потока очень напоминает поведение реки: когда поток слаб, он становится колеблющимся, извивающимся, а иногда даже останавливается («блокировка струйного потока»). ^[513]Когда поток сильный, он циркулирует на большой скорости в прямом направлении.

Рисунок 151 Две различные формы струйного потока. © Sott.net