Полюсы холода
Можно полагать, что при дальнейшем освоении ресурсов Севера нашей страны материал этот найдет еще более широкое применение в строительстве
Полюсы холода
Арктика и Антарктика - это не только своеобразные фабрики льда, но и кухни погоды, которые влияют на погоду всего земного шара. Когда приходят длительные антициклоны с незначительной облачностью или, что еще хуже, при полном ее отсутствии, в зимние полярные ночи здесь создаются наиболее благоприятные условия для выхолаживания почвы и приземного воздуха.
Самая низкая температура воздуха у земной поверхности (- 88,3C) наблюдалась в августе 1960 года на советской научно-исследовательской станции Восток, которая находится в Антарктиде. Географические координаты этой станции таковы: 7828' южной широты, 10648' восточной долготы, высота 3 488 м. Сейчас принято считать, что в этой точке земного шара находится полюс холода Южного полушария.
Основные причины такого большого понижения температуры на станции Восток - влияние антициклона над центральной частью Антарктиды, а также пониженная влажность воздуха, значительная высота местности над уровнем моря и длительная полярная ночь. Существенное значение для теплового режима Антарктиды имеет и постоянный снежный покров континента, отражающий большое количество поступающей к нему лучистой энергии солнца.
Высота места наблюдения над уровнем моря не является решающим условием сильного выхолаживания приземного воздуха. Поэтому на ряде высокогорных станций в низких широтах минимальные температуры могут быть значительно выше минимальных температур для станций равнинных, но высокоширотных. Так, на леднике Северцова в Кашкадарьинской области (высота 2 780 м) температура воздуха не опускается ниже - 26C, а на станции Казбеги на Кавказе (высота 3 659 м) абсолютный минимум температуры составляет лишь - 35C.
Быстрота охлаждения воздуха в основном определяется условиями движения воздушных масс в атмосфере.
О быстроте падения температуры при резкой смене условий движения можно получить представление из следующих примеров. 23...24 января 1916 года на станции Броунинг (США, штат Монтана) за 24 часа температура упала на 56C (с 7,1 до - 49C), а 10 января 1911 года на станции Рапид-Сити (США, штат Южная Дакота) с 7 часов утра за 15 минут температура понизилась на 26C (с 12,8 до - 13,3C).
В верхней части тропосферы*, в области умеренных широт, на высоте около 10 км, температура воздуха в среднем составляет - 60C, но может опуститься и до - 80C, а над экватором, где верхняя граница тропосферы поднимается до 18 км, температура воздуха может понизиться до - 90C. Вблизи верхней границы мезосферы (мезосфера - слой атмосферы от 40 до 90 км) температура воздуха летом опускается до - 100C (интересно, что летом температура в мезосфере ниже, чем зимой); в июле она может упасть еще ниже, вплоть до - 140C.
* Тропосфера - нижняя часть земной атмосферы, которая простирается в полярных широтах до высоты 8...10 км, в умеренных широтах - до 10...12 км и в тропиках - до 16...18 км.
В нашей стране самые низкие температуры в приземном воздухе наблюдаются в Центральной Якутии, в верховьях Яны и Индигирки. До 1930 года полюсом холода Северного полушария считался Верхоянск, где еще в феврале 1892 года была зарегистрирована температура - 67,6C.
В 1930 году было установлено, что в районе поселка Оймякон и в среднем, и по абсолютной величине отмечаются более низкие температуры, чем в Верхоянске (в феврале 1933 года температура воздуха в Оймяконе понизилась до - 67,7C, в это же время на поверхности снега термометр показывал - 69,6C).
Начиная с октября месяца средняя месячная температура в Оймяконе опускается до - 15C, в ноябре она достигает - 36C и к середине января - началу февраля спадает до минимума. Оймякон расположен во впадине, окруженной горами высотой 0,6...2 км. В зимнее время здесь преобладает ясная и тихая погода.
Горы способствуют стоку холодного воздуха в долину реки Индигирки, благодаря сухости воздуха происходит заметное испарение снежного покрова. Все вместе и способствует сильному выхолаживанию приземного воздуха в Оймяконе.
Кроме Оймякона и Верхоянска, в нашей стране имеется немало других станций с низкой минимальной температурой воздуха. Для выявления этих станций примем в. качестве разделительного критерия температуру - 50C.
Ниже - 50C температура может опускаться на ряде станций Якутии (Сюрен-Кюэль, Сеген-Кюэль, Западная, Томпо, Алдан, Томмот, Таскон, Оленек, Якутск, Средне-Колымск), имеются такие станции в Красноярском крае (Ачинск), в Томской (Брагино) и Магаданской (Сеймчан) областях.
После нашей страны наиболее низкие температуры отмечаются в Канаде. В феврале 1947 года на станции Снэг (6222' северной широты, 14024' западной долготы, высота 578 м) была зарегистрирована температура - 62,8C.
Кроме станции Снэг, на северо-западе Канады имеется около 15 станций (в их числе Эврика, Даусон, Норман Уэлс, озеро Хейзен и др.), где температура может опускаться ниже - 50C.
В США наиболее сильно охлаждается воздух на территории Аляски. В январе 1971 года в горах Эндикот, на станции Проспект Крик Кэмп (6648' северной широты, 15040' западной долготы, высота 330 м) температура понизилась до - 62,1C. Среди 48 штатов США наиболее низкая температура - 56,6C была зарегистрирована в 1954 году на станции Роджерс Пасс в горах штата Монтана (4705' северной широты, 11222' западной долготы, высота 1 662 м).
Ниже -50C температура опускается иногда на станциях Тэйлор Парк (Колорадо), Айлэнд Парк Дэм (Айдахо), Риверсайд (Монтана), Пэршел (Северная Дакота), Морэн (Вайоминг), на ряде станций в долинах Тананы и Юкона (Аляска).
В Швеции имеются лишь две станции, где температура может опускаться ниже - 50C. Это Вуоггачальме (6634' северной широты, 1621' восточной долготы, высота 500 м), где в 1966 году была отмечена температура - 52,6C, и Лаксбакен (6438' северной широты, 1626' восточной долготы, высота 345 м), где в 1941 году наблюдалась температура - 53,3C.
В Гренландии температура может опускаться ниже - 50C только на станции Норд (8136' северной широты, 1640' западной долготы, высота 35 м). В Норвегии температура - 50C и ниже изредка наблюдается на станциях Рёрос (6234' северной широты, 1123' восточной долготы, высота 629 м) и Карасиок (6928' северной широты, 2531' восточной долготы, высота 129 м).
При сильном выхолажнвании приземного воздуха в атмосфере могут возникать мощные, температурные инверсии со скачком температуры 20C и более. Центральные районы Якутии занимают первое место в мире по количеству таких инверсий. Проходящие через атмосферу под большим наклоном звуковые лучи в слоях инверсии испытывают сильное преломление и возвращаются к земле, за счет фокусировки звуковых лучей температурной инверсией резко возрастает дальность слышимости звуковых сигналов.
Р. Скотт в Антарктиде при штиле и температуре около - 60C слышал скрип снега под лыжами и удары ломов о лед с расстояния порядка 4...5 км. В Оймяконе лай собак, работа электропилы и широковещательные радиопередачи средней громкости на открытом воздухе в середине зимы хорошо слышны из ближайшего совхоза, находящегося в 2,5 км от места наблюдения (слова в радиопередачах при этом разобрать нельзя).
В Канаде при самых низких температурах от движения человека в воздухе образуется и сохраняется в течение 3...4 минут кристаллический след протяженностью от 100 до 400 м. (Подобное явление, но с большей протяженностью и длительностью существования кристаллического следа, можно наблюдать в любой местности при полетах самолетов на больших высотах. Летчики такой след называют инверсионным).
В течение нескольких дней в Канаде при наиболее холодной погоде на уровне верхушек деревьев в воздухе могут сохраняться следы тумана над местами стоянок собачьих упряжек. Испарение снега в этих условиях происходит со скоростью около 12...14 мм в день.
При температурах ниже - 60C оседающие на антеннах заряженные кристаллы льда создают интенсивные (статические) помехи для радиосвязи, подобные атмосферным при грозах. Интересно, что за весь период наблюдений на полюсах холода отмечается медленное, но устойчивое повышение абсолютных минимумов температуры.
По-видимому, это отражает господствующую в наше время тенденцию в изменении климата планеты.
Акустика снега и льда
В утренние часы в горах происходит подтаивание находящегося между камнями льда. Это приводит к уменьшению сцепления камней друг с другом, к возникновению шумных камнепадов, лавин и осыпей. В вечерние часы камнепады происходят из-за перемещений камней при замерзании воды. Так как камнепады приносят людям немало вреда, разработаны приборы, предупреждающие о возможном обрушении пород - они фиксируют звуки, возникающие в горной породе при растрескивании, предшествующем камнепаду.
Растрескивание ледяного покрова на крупных внутриматериковых водоемах и в северных морях сопровождается звуками, напоминающими сухие ружейные выстрелы. Чем толще лед, тем шире и глубже трещины и сильнее звуки растрескивания. В полярных странах они настолько часты, что привыкшие к ним животные не боятся и настоящих выстрелов. Интенсивность растрескивания льда зависит от глубины и скорости выхолаживания, от степени неоднородности структуры льда и покрывающего его снежного покрова.
Особенно благоприятно для образования трещин отсутствие снежного покрова на льду. Чаще всего растрескивание наблюдается при первых больших морозах в начале зимы и при резких потеплениях в ее середине. Вот как описывает звуковые эффекты при растрескивании льда на Телецком озере на Алтае О.И. Алекин: В морозную ночь все озеро наполнено непрерывным треском, напоминающим отдаленную ружейную стрельбу, временами в эти звуки врываются более сильные удары, напоминающие удары колокола - это образуются более крупные трещины.
Подхватываемые эхом соседних гор, звуки приобретают характер подземного гула... Разломы льда в океане под влиянием сил сжатия (ветер, течения) или сейсмических возмущений сопровождаются глухим гулом, похожим на отдаленные подводные взрывы.
В зоне вечной мерзлоты при замерзании подпочвенных вод происходит вспучивание почвы, образуются бугры. Возникновение значительных масс подпочвенного льда сопровождается резкими звуками, напоминающими артиллерийский обстрел.
Деревья могут при этом склоняться до земли, в воздух поднимаются столбы снежной пыли и ледяных осколков. Верхоянская впадина в Сибири во время зимних ночей сильно выхолаживается, В сухом приземном слое воздуха при температуре - 65 покрывающий почву неглубокий снежный покров наполовину испаряется. Все это создает благоприятные условия для охлаждения почвы.
С сильным треском она при этом разрывается на небольшие участки (полигоны).
В полярных странах нередко наблюдается явление, получившее название толчки фирна. Оно состоит в том, что при резком оседании верхних разрыхленных слоев снега возникают сопровождаемые сильным гулом и треском мощные колебания снежного покрова, простирающиеся на 3...4 м в глубину и охватывающие площадь в несколько десятков километров.
Толчки фирна могут быть вызваны движением по поверхности снега машин, человека или животного, а иногда и просто давлением ветра. Впервые это явление было отмечено немецким метеорологом А. Вегенером в Гренландии во время экспедиции в 1930 году.
Внимательные наблюдатели природы давно уже обратили внимание на изменение с понижением температуры воздуха скрипа снега при ходьбе: при низких температурах скрип всегда более звонок. Некоторые метеорологи первой четверти нашего века предлагали даже оценивать температуру по воспринимаемым на слух изменениям в характере скрипа снега. Акустические измерения показали, что в спектре скрипа снега имеются два пологих и не резко выраженных максимума - в диапазоне 250...400 Гц и 1... 1,6 кГц.
В большинстве случаев низкочастотный максимум на несколько децибел превышает высокочастотный. При температуре воздуха выше - 6 высокочастотный максимум сглаживается и нередко полностью ликвидируется.
С понижением температуры от - 8 до - 20 сила звука скрипа снега увеличивается на 1 дБ.
При ломке ледяных сосулек диаметром 1,5...4 см были отмечены два максимума акустической энергии - в диапазоне 125...200 Гц и 1,25...2 кГц. Максимумы эти достаточно резко выражены и четко отделены друг от друга. Такая же картина распределения акустической энергии по спектру наблюдается и при взламывании речного льда толщиной 0,5 м с помощью ледокола. Таким образом высокочастотные максимумы акустической энергии для скрипа снега, ломки сосулек и речного льда приходятся на один и тот же диапазон частот, низкочастотные же смещены по спектру.
Это указывает на различие в жесткости структуры снега и льда.
Известно, что мягкие материалы при ударе или изломе дают глухой звук, в котором высокие частоты ослаблены или совсем не представлены. Понижение температуры окружающей среды ведет к увеличению твердости материалов, к усилению взаимодействия между частицами вещества.
Поэтому при ударе или изломе тел, находящихся в условиях пониженной температуры, спектр возникающих акустических колебаний распространяется в область высоких частот.
Благодаря наличию множества воздушных промежутков между кристаллами льда, снежный покров имеет невысокую плотность, и его с полным основанием можно отнести к категории мягких материалов. При понижении температуры кристаллы становятся более упругими, а снежный покров в целом - более хрупким.
Это и обеспечивает расширение акустического спектра скрипа снега в область высоких частот. Поскольку скрип снега является результатом массового слома кристаллов льда, можно полагать, что перераспределение энергии скрипа с температурой указывает на изменения в характере взаимодействия элементов структуры снежного покрова.
. В тихую морозную погоду при температуре воздуха ниже - 49 в холодных странах (особенно в Якутии) наблюдатели нередко отмечают шуршащий звук, напоминающий звук пересыпаемого зерна. На первых порах этот звук приписывали полярному сиянию, которое часто наблюдалось при этом явлении.
Однако впоследствии было установлено, что причина явления - в столкновении кристаллов льда, которые образуются в большом количестве при дыхании человека в морозном воздухе. У якутов это явление известно под именем шёпота звезд.
Яркое описание его. дано Н.С. Лесковым в рассказе На краю света.
Акустические волноводы
Скорость звуковых лучей, проходящих через слои воздуха, зависит от его температуры, влажности, силы и направления ветра. В этих слоях звуковые лучи испытывают преломление. Если скорость звука с высотой возрастает, то траектория идущего под углом к горизонту звукового луча будет обращена выпуклостью к высоким слоям атмосферы, в противоположном случае она обращена выпуклостью к земле. Наибольшее искривление траектории звукового луча происходит за счет того, что скорость ветра с высотой изменяется.
Менее сильное влияние на искривление траектории звукового луча оказывают изменения температуры.
Значительно меньшее действие на звуковой луч оказывает влажность воздуха. Расчет показывает, что при 20C в воздухе с влажностью 50% скорость звука лишь на 0,5 м/сек больше скорости звука в сухом воздухе той же температуры.
При прочих равных условиях звуковые лучи в воздухе преломляются в 2 тыс. раз сильнее, чем световые лучи.
При поднятии источника звука над земной поверхностью район его слышимости расширяется. Поэтому для обеспечения большей дальности слышимости источники звуковых сигналов обычно размещают на возвышенных местах. Преломляясь в теплом приземном слое воздуха, звуковые лучи отклоняются кверху. В этом случае они уже не будут доходить до наблюдателя на земной поверхности, находящегося дальше места их отклонения.
Так образуется звуковая тень.
Например, если источник звука расположен на высоте 10 м, то при падении температуры на 0,5C на каждые 100 м высоты звуковая тень будет начинаться на расстоянии 1,5 км от источника. Статистика наблюдений показывает, что звуковая тень в 3 раза чаще образуется днем, чем ночью, и летом встречается в большем числе случаев, чем в остальные времена года. Условием для образования звуковой тени является наличие у земной поверхности достаточно теплого воздуха.
При охлаждении приземного слоя воздуха звуковая тень может и не образоваться. В особенно жаркие дни граница звуковой тени подходит к источнику звука совсем близко.
При подъеме в атмосфере можно встретить слои воздуха, в которых температура уменьшается до минимума, а потом снова начинает возрастать. Звуковые лучи, пересекающие такой слой под углом к нему, попадают опять в более теплый воздух и в результате преломления поворачивают к земле.
После прохождения слоя с минимальной температурой они снова попадают в более теплый воздух, но уже ниже этого слоя, и после преломления отсюда направляются вверх. Так звуковые лучи могут идти вблизи слоя с минимальной температурой, то поднимаясь вверх, то опускаясь вниз, пока их энергия не иссякнет.
Пространство, в котором распространяются звуковые волны вблизи слоя с минимальной температурой, получило название акустического волноводного канала. Значительная дальность распространения звука в этом случае обеспечивается за счет концентрации звуковой энергии вблизи слоя с минимальной температурой воздуха и благодаря отсутствию на пути звуковых лучей отражающих поверхностей.
Ось главного волновода в атмосфере расположена на высоте 15...20 км, вертикальная же его протяженность составляет несколько километров. Ось второго волновода расположена на высоте 75... 80 км. Различные комбинации вертикального изменения температуры и скорости ветра могут быть причиной образования в атмосфере дополнительных волноводов.
Их влияние усложняет картину хода звуковых лучей в атмосфере.
В земной коре, в морях и океанах также существуют акустические волноводы. В земной коре волновод расположен на глубине 100...200 км, в тропических океанах - на глубине 1...1,5 км. В некоторых случаях в морях и океанах образуется несколько волноводов.
Особенно этому содействуют глубинные течения.
Концентрация звуковой энергии по обе стороны от оси океанского волновода (вблизи уровня с минимальной температурой) обычно неодинакова - она больше там, где более резко изменяется с высотой температура. Относительное изменение скорости звука в таких волноводах не превышает 15%. Глубина расположения оси волновода зависит от времени года и географических координат. В общем же при переходе от низких к высоким широтам она уменьшается.
В северных широтах ось волновода может даже выходить на поверхность воды -в этом случае образуется волновод поверхностный.
В пределе по волноводному каналу в океане звук мощного взрыва может быть передан на расстояние до 22 тыс. км, т.е. к противоположной точке земного шара. При этом звуковые лучи могут отклоняться от прямолинейного распространения по вертикали на угол до 5.
В будущем волноводные каналы в морях и океанах могут быть использованы для передачи сигналов об авариях и для установления местонахождения аварий.
Высоты грозного шума
Водопад Виктория на реке Замбези называется у местного населения мози-оа-тунья, или дым, который шумит. Название Ниагара на языке североамериканских индейцев означает высоты грозного шума.
Оба эти названия говорят о том, что при виде водопада человека поражает не только зрелище падения огромной массы воды, но и соответствующий ему звуковой эффект.
При наличии в приземном слое атмосферы высокой влажности и мощной температурной инверсии создаются благоприятные условия для сильного преломления и концентрации звуковых лучей вдоль речной долины, как акустического волновода. В этом случае возможны явления типа акустического миража, и дальность слышимости шума водопада резко возрастает.
Статистика наблюдений показывает, что ночью шум водопадов слышен в среднем в 3...4 раза дальше, чем днем. Шум водопада Виктория во время половодья (март - июнь) ночью и при отсутствии маскирующих шумов отчетливо слышен в аэропорту, расположенном в одиннадцати километрах от водосброса.
Огромная масса воды Ниагары низвергается с высоты в 50 м и развивает при этом мощность примерно в 4 млн. лошадиных сил. На возбуждение акустических колебаний затрачивается менее 1% этой мощности. Шум Ниагары днем обычно слышен на расстоянии 1,6...2 км, ночью же дальность его слышимости может достигать 6...7 км.
На расстоянии 57 м от места дробления воды шум Ниагары составляет 87 дБ, у самого же места дробления он настолько оглушителен, что люди буквально не слышат друг друга.
Как показали измерения, у небольшого ручья с расходом воды порядка 0,5...2 л/сек энергия шума распределяется на частоты от 40 Гц до 8 кГц с максимумом в диапазоне 1,6...2 кГц. У водопада с расходом воды 30...40 м3/сек звуковая энергия приходится на тот же диапазон частот, что и для ручья, но максимум смещается к 1 кГц и становится менее острым.
У Ниагары при расходе воды в течение суток от 1 500 до 3 000 м3/сек максимум звуковой энергии приходится на диапазон 37...75 Гц. При уменьшении расхода воды происходит небольшое увеличение звуковой энергии Ниагары в диапазоне частот 600 Гц - 4,8 кГц.
Общая величина энергии высоких частот (2,4...4,8 кГц) в шуме этого водопада заметно ниже по уровню в сравнении с низкими частотами (75...150 Гц).
Шум водопадов всегда возникает при вспенивании дробящейся воды, когда в ней образуются и захлопываются пузырьки различных размеров (кавитация). Самая сильная компонента в звуке захлопывающихся пузырьков соответствует частоте их резонанса. Поскольку при дроблении воды могут возникать кавитации различных размеров, акустический спектр дробления охватывает сравнительно широкий диапазон частот. Максимум в этом спектре соответствует наиболее часто встречающимся размерам кавитаций.
При диаметре большинства пузырьков в 0,33 см резонансная частота их колебаний равна 2 кГц. Это соответствует максимуму в акустическом спектре ручья.
У небольшого водопада при диаметре кавитаций в 0,66 см максимум в акустическом спектре приходится на частоту в 1 кГц. Для максимума в спектре Ниагары диаметр пузырьков должен быть равен 12 см.
У некоторых водопадов за счет отражения звука от высоких прибрежных скал создаются благоприятные условия для резонанса воздушной среды между скалами, В результате шум водопада приобретает индивидуальную окраску.
Шумит не только падающая вода, но и набегающие на берег волны, например, морской прибой. Уже при небольшом ветре возникает волнение моря, и волны чередой накатываются на берег. В зоне прибоя волны отдают энергию, накопленную при движении в морях и океанах.
Волны прибоя создают при ударе о берег давление от 3 000 до 30 000 кг/м2 и во время сильных бурь могут перемещать глыбы весом до 100 тонн. Возникающие при мощном дроблении водных масс крупные капли поднимаются в высоту до 60 м. Удары волн обрушиваются на берег довольно регулярно со средним периодом 4,8 секунды (при слабом и сильном волнении) и являются причиной возбуждения в атмосфере мощных инфразвуковых колебаний.
Инфразвуки большой энергии с частотой 0,1...0,3 Гц возникают за счет колебания (поднятия и опускания) свободной поверхности воды при волнении. Это происходит на всей затронутой волнением поверхности морей и океанов.
Наряду с инфразвуками, в зоне прибоя порождаются и колебания звукового диапазона за счет дробления воды с образованием кавитаций и перемещения прибрежной гальки. Во время слабого и среднего волнения сила звука прибоя в месте его возникновения составляет 77...82 дБ. При сильном волнении звуки прибоя у скалистых берегов могут усиливаться расположенными в скалах пещерами и выемками.
В этом случае получается особенно громкий гул и грохот. В сторону моря зона слышимости прибоя простирается обычно на 300...800 м, в сторону суши, в зависимости от рельефа местности, - на 100...800 м.
