Этот таинственный дождь

Почему учёные долгое время не могли разгадать механизмы формирования дождя? Из чего состоит городская морось? Как вызвать ливень? Сколько нужно литров воды, чтобы сварить чашку кофе?На все эти вопросы ответил физик-теоретик, специалист в области гидродинамики, профессор Института им. Вейцмана (Израиль) Григорий Евсеевич Фалькович в рамках научного кафе «Эврика!». Также исследователь объяснил, чем был обусловлен аномальный град, случившийся этим летом в Новосибирске.

История изучения: шумерский дракон, господствующее заблуждение Аристотеля и турецкие бани

Почему идёт дождь? Ответ на этот вопрос пытались найти уже в одном из самых старых из известных в истории текстов, написанном шумерами (древнее население Южной Месопотамии) примерно четыре тысячи лет тому назад. Книга начинается с концепции мироздания, гласящей: сначала был первобытный  хаос — его люди представляли себе как воды в множественном числе, находящиеся в сложном движении и не имеющие абсолютно никакой структуры. Чтобы из этого всего возник мир, нужно было «отделить твердь от хляби».  Представлялось это шумерам так: существовал некий герой Энлиль  (каждая следующая цивилизация называла его своим именем  — Мардук, Георгий Победоносец), который победил дракона и расчленил его тело на 2 части — из одной была сделана земля, из другой — небо. Обе они составляют наш мир, а первобытный хаос окружает со всех сторон. «Это потрясающе экономная теория, которая объясняет совершенно не связанные друг с другом факты: когда верхняя полусфера прорывается — идёт дождь, но если прокопать колодец в нижней, мы наткнёмся на ту же самую воду», — рассказывает Григорий Фалькович.

Перенесёмся сразу на тысячу лет — в VIIIвек до нашей эры. Ветхозаветный пророк Амос вопрошает: «Кто призывает морские воды и проливает их на Землю»? Это высказывание — первая идея гидрологического цикла — в нём содержится мысль, что вода, приходящая к нам дождём — и есть та самая, которая находится в море. Конечно, наука здесь Амоса мало интересовала, он просто приводит факт в качестве риторического приёма, который на вопрос «Кто?», в конце концов,отвечает «Он» (в смысле Бог), однако же, это показывает: в то время понятие гидрологического цикла уже существовало у людей в головах.

Перенесёмся ещё на несколько столетий — в Древнюю Грецию. Тогда когда их предшественников интересовал не столько внешний мир, сколько Бог и его отношения с человеком, родоначальники античной цивилизации придумали науку и рациональный метод обсуждения. Парадоксально, но при этом всё, что они говорила о дожде, было тотально неверно. Невозможность греков понять дождь заключалась в следующем — Аристотель сказал: «Чем выше от земли, тем теплее» (потому что ближе к Солнцу).Удивительно, как такое заблуждение могло прийти в голову человеку, живущему в гористой местности — ведь достаточно подняться на высоту 700-1000 метров, чтобы заметить — там холоднее. «Это прекрасный пример того, как выдающийся учёный настолько находится в плену своей стройной мысли, что факты, знакомые ему из жизни, никак не влияют на его теории», — комментирует Григорий Фалькович. Соответственно, люди не могли понять, каким образом град может падать с неба — там же тепло! Это сильно затормозило метеорологию, которая находилась в плену у Аристотеля более чем полторы тысячи лет. Учение мыслителя, на протяжении веков тщательно переписывающееся из книги в книгу, начисто блокировало понимание механизма возникновения дождя. На этом началась и закончилась античная метеорология, и долгое время европейская часть истории этой науки находилась примерно в том же состоянии.

Первая внятная мысль о том, как на самом деле происходит круговорот воды в природе, пришла с Востока. В золотую эпоху исламской цивилизации в Басре (нынешний Ирак)существовало анонимное общество любителей мудрости или, в переводе с арабского — «Товарищество чистых». В одном из их трудов написано: «Тёплый воздух поднимает пар, и эти облака громоздятся, как горы взбитого хлопка. Если же холод приходит сверху, пары собираются в капельки воды, которые падают сквозь облако, объединяясь друг с другом, и выпадают оттуда большими каплями». «Эти люди (которые, кстати, тоже были знакомы с учениями Аристотеля) фактически написали учебник современной метеорологии — осталось только облечь их слова в формулы. Однако опять парадокс: текст восточных мыслителей не повлиял на развитие науки. В следующие века до всего, ими сказанного, Европа доходила мучительным экспериментальным путём», — рассказывает Григорий Фалькович.

В гениальном прозрении мудрецов из «Товарищества чистых», возможно, есть влияние так называемой турецкой бани. От финского и русского аналогов это заведение отличается тем, что представляет собой 4-5 мраморных залов, каждый из которых горячее предыдущего. Нагретый камень здесь поливают водой — она испаряется и делает воздух влажным. Если взглянуть на потолок, можно увидеть там капли, которые время от времени срываются и падают вниз. Таким образом, понимание круговорота воды в природе в турецкой бане достигается эмпирическим путём. 

В Европе первые опыты, показывающие, как проходит процесс конденсации, были поставлены только в XVIIвеке. Это сделал немецкий учёный Отто фон Герике, создавший насос, способный создавать вакуум. Исследователь соединил две колбы и поставил между ними перегородку. Из одной из них он выкачал воздух, а затем убрал преграду. Газ расширился и стал непрозрачным — то есть он охладился, и выравнивание давления заставило его выделить лишнюю влагу.

Продвинуться в метеорологии дальше людям мешало знание того, что вода тяжелее воздуха. Было непонятно, как она может подняться на такую высоту.

Сдвинул дело с мёртвой точки Декарт — он (служивший одно время простым солдатом) сказал: «Маленькие частички воды поднимаются и взлетают так же, как дорожная пыль, поднимаемая ногами пешеходов, может долго висеть в воздухе. Когда наш взвод пройдёт по просёлочной дороге, пыль за нами может висеть часами». А дальше уже понадобился гений Ньютона, который в своей «Оптике» заметил, что воздух весит больше, чем молекулы воды. Удивительно, как учёный понял это, не владея кинетической теорией и молекулярной теорией веществ.

Дождь из автомобильных шин

Попробуем понять, как же на самом деле происходит рождение дождя. Сначала пары поднимаются вверх и из-за разницы температур там начинают конденсироваться. Самое важное в этом — совершить первый шаг — найти центр образования капелек. На самом деле, если взять очень чистый воздух и в нем сильно охлаждать пары, то они не будут превращаться в воду до совершенно невероятной степени пресыщенности. В атмосфере должны быть маленькие пылинки. Из чего состоят частички, служащие основой для дождей, например, в Новосибирске? Из резины, стирающейся от автомобильных шин. И так — практически в каждом современном городе.

Рост капли из-за конденсации со временем становится всё медленнее. Например, быстро может возникнуть конструкция до одного микрона, а чтобы вырастить морось (имеющий размер примерно 100 микрон) понадобится около ста часов. Однако совершенно очевидно, что дождь образуется быстрее. Например, документально зафиксировано, что в тропиках тучи могут собраться, пролиться и разойтись за 30-40 минут. То есть для получения осадков маленькие капли должны каким-то образом сливаться друг с другом, но здесь существует затруднение: попадая в одно облако, они очень быстро «забывают» свой первоначальный размер, становятся одинаковыми, приобретают одну скорость и, по законам физики, сталкиваться не могут. Градиент ветра имеет значение, но он способен сократить время образование дождя лишь на 20-30% — например, со 100 часов до 70-ти. Гравитационное падение здесь тоже не подмога — вокруг крупной капли образуется некий «вязкий» слой, из-за которого сородичи более мелкого размера вынуждены обходить её стороной.

Идея о том, что необходимо принимать во внимание турбулентность, начала возникать в 80-е годы. Но американского физика, который её высказал, метеорологи не восприняли всерьёз. «Дело в том, что ветер всегда дует с завихрениями. Частички воды, попадая в эти «центрифуги», довольно быстро «выплёвываются» наружу, и возникает эффект неоднородного распределения (теперь уже всеми признанный и многократно померянный). То есть, если облако представляет собой совокупность множества вихрей, капельки собираются не внутри них, а между ними — в результате частота столкновения «дождинок», пропорциональная квадрату концентрации, многократно возрастает», — утверждает Григорий Фалькович.

Также учёные обнаружили, что в этом процессе имеет место ещё одно интересное явление, которое они назвали  эффектом пращи — частичка воды, крутящаяся в воздушной центрифуге, не просто равномерно продвигается к её краю, а вылетает, как камень, пущенный из этого древнего оружия. Такая капля локально будет иметь очень большую скорость по сравнению с окружением. Ровно это и нужно для того, чтобы она столкнулись с другими. Эффект вихрей был описан учёными в 2002-м, и только в этом году, несколько месяцев назад в лаборатории Университета Макса Планка он был подтверждён экспериментально.

«Сейчас  у нас есть ощущение, что на уровне механизмов эти процессы поняты, и осталось только подобрать числа, чтобы вписать их в формулы. Через 10 лет может оказаться, что мы сильно ошибались, и нужно будет опять искать что-то качественно новое», — рассказывает Григорий.

То, о чём у нас идёт речь, называется в науке микрофизикой — мы рассказываем о процессах, происходящих в одном кубическом сантиметре. На сегодняшний момент исследователи не имеют возможности построить  в лаборатории даже одно настоящее облако — оно имеет величину порядка километра, а на этом масштабе принципиально важен его размер, потому именно он определяет статистику мелкомасштабных флуктуаций турбулентности. Поэтому сейчас никому не под силу описывать микркофизику облака с учётом макрофизики фронтов. Возможно, этим займётся уже следующее поколение учёных.

Но если исследовать настоящий дождь ещё довольно проблематично, то вызывать его — уже вполне реально: с помощью специальных средств можно пытаться переносить осадки туда, где они нужнее. «Я бы хотел построить платформы, которые бы дымили в 5-6-ти км от Тель-Авива, так чтобы облака, проливающиеся  в 3-4-х км от города, дождили бы уже на берег. Конечно, эта идея не вызывает восторга у «зелёных» экологов. Однако в какой-то момент развития нашей цивилизации вода станет настолько дорогой, что, я думаю, мы будем управлять погодой таким образом. По моим оценкам, до наступления этого времени пройдёт всего 30-40 лет», — утверждает исследователь.

Также нужно отметить, что облака делятся на тёплые и холодные. Между ними есть огромная разница. Первые (в этой статье речь шла именно о них) состоят полностью из воды, в наших широтах в течение года их встречается всего 30%. Вторые, кружащие над Сибирью почти всю осень-зиму-весну, имеют  в своих верхушках замёрзшие частички и образуются по совершенно иному принципу.Возьмём две льдинки разного размера, каждая из них охлаждает воздух вокруг себя. Та, которая крупнее, делает это сильнее, концентрация пара рядом с ней оказывается больше, и он конденсируется в каплю. В результате происходит рост одних частичек за счёт других без того, чтобы они сталкивались друг с другом. 

Если мы хотим вызвать дождь в холодных облаках, нужно делать то, что когда-то практиковали в СССР —выстреливать в них шашками из самолёта маленькие кусочки йодистого серебра. Тогда на этих частичках происходит образование льдинок, которые растут, потом начинают падать, таят и превращаются в капли — примерно так выглядит механизм образования осенних ливней.

В завершение лекции Григорий Фалькович попытался дать объяснение аномальному граду, произошедшему этим летом в Новосибирске, когда посреди жаркого дня с неба вдруг начали  падать льдины размером с куриное яйцо: «Скорее всего, здесь произошла встреча двух фронтов: влажный тёплый воздух встретился с холодным, последний нырнул вниз, а первый поднялся наверх, да настолько резко, что там моментально произошли сначала конденсация, а потом замерзание, в результате чего стремительно образовались огромные градины и повалились на землю».

Диана Хомякова

Фото: (1) — wikipedia.org, остальные — автора