Когда падает небо, или Что мы знаем об атмосферных реках

Сильные наводнения, которые случаются, то здесь, то там, могут иметь общую причину — колоссальные потоки воздуха. насыщенного влагой.

На юго-западном краю Великобритании в конце 2012 года погода расстроила местным жителям все праздничные планы. За пять дней перед Рождеством в приморском Плимуте выпало больше дождя, чем обычно выпадает за весь декабрь. В Браунтоне, расположенном в 80 км к северу, река Кэн вышла из берегов, преодолела недавно построенные защитные сооружения и затопила город. Железнодорожная ветка, соединяющая этот регион с остальной Великобританией, не работала шесть дней. Хотя здесь привыкли к дождям на Рождество, это было слишком.

Но это ерунда по сравнению с тем, как 150 лет назад встречала Рождество Калифорния. Начиная с сочельника 1861 года в Сакраменто 43 дня шли дожди, заставляя вспомнить о библейских временах. Высота воды достигла трёх метров. Калифорнийская долина превратилась в озеро 30 км в диаметре, которое просуществовало несколько месяцев.

При всех различиях у этих явлений есть очевидное сходство: оба региона находятся в средних широтах на западном побережье океана. И причина у наводнений одна и та же — атмосферные реки.

Три шага на пути к наводнению (иллюстрация NewScientist).

Наш рассказ — об огромных, величественных потоках воздуха, нагруженного водой. Лишь недавно описанные и названные, они вызывают трепет не только у географов. «По количеству сбрасываемой воды они нисколько не уступают ураганам», — отмечает Майкл Деттингер из Геологической службы США. Но, в отличие от ураганов, они пока не стали поводом для беспокойства со стороны гражданской обороны: об их приближении не сообщается заранее, не проводится эвакуация. И совершенно напрасно.

Жителям Калифорнии давно известен «Ананасовый экспресс» — зимние бури с тёплым дождём, которые приходят из района Гавайев. Но официально атмосферные реки открыли только в 1998 году и на другом конце страны — в Массачусетском технологическом институте. Юн Чжу и Реджинальд Ньюэлл обратили внимание на странные показания климатической модели: почти весь водяной пар, путешествующий между тропиками и средними широтами, оказался заключён в нескольких узких полосах.

Выглядело это противоестественно. Считалось, что плохая погода, как правило, связана с низким давлением в центре штормовой системы: это подкреплялось спутниковыми изображениями, доступными на тот момент. Снимки были получены благодаря наблюдениям инфракрасного излучения Земли, которое поглощается водой и другими молекулами при прохождении через атмосферу. На них можно было различить бесформенные погодные системы с пятнами влаги. Отсюда делался вывод о том, что умеренные широты орошались из рассеянных очагов концентрации влаги, то есть как будто из лейки, а вовсе не из шланга, как показала модель.

1998-й был годом Эль-Ниньо — сложного атмосферного явления, приводящего к необычайно влажным зимам на западном побережье США, — и Национальное управление по океаническим и атмосферным исследованиям (NOAA) решило совершить несколько вылетов в шторм, чтобы сбросить исследовательские зонды, с помощью которых можно измерить скорость ветра и падения капель воды.

Показания модели неожиданно подтвердились: тёплые ленты влажного воздуха шириной в несколько сотен километров не располагались в центре штормовых систем, а быстро двигались по их периферии. Учёные поразились тому, сколько воды они при этом содержали и как далеко могли её унести. «В одном из них было около 20% всего водяного пара, переносимого от тропиков к полюсам в Северном полушарии», — вспоминает г-н Деттингер.

Ключом к разгадке стали данные метеорологических спутников, оснащённых микроволновыми тепловизорами. В отличие от инфракрасного, микроволновое излучение не поглощается в той же степени водяным паром в атмосфере, а потому проходит весь путь от поверхности Земли до спутника. Изображения показали, что самая высокая концентрация воды в атмосфере собирается не в шариках, а в длинных тонких полосах длиной в тысячи километров.

Что же приводит к образованию атмосферных рек? Если коротко, ответа пока нет. Просто в модель закладывается несколько физических фактов об атмосфере (законы сохранения вещества и импульса, распределение поступающего на Землю солнечного излучения, вращение Земли, тепловые свойства воды), и в итоге откуда ни возьмись появляются атмосферные реки.

В Северном полушарии об их приближении предупреждает циклон — вращающаяся против часовой стрелки система с низким давлением, которая приносит тёплый влажный воздух на побережье с юга и юго-запада. Марти Ральф из NOAA отмечает, что если ветер на километровой высоте достигает определённой скорости, то за короткое время через данную область пронесётся большое количество влаги. Если этот поток встретит прибрежные горы (например, Береговой хребет или Сьерра-Неваду Северной Америки), ему придётся набрать высоту и остыть, результатом чего станут конденсация пара и проливной дождь.

А поскольку Великобритания дальше от экватора, ей не нужны горы: воздух доходит до неё уже прохладным, и ему легче пролиться дождём. Зато влаги там уже меньше, и наводнения не столь велики. В 2011 году Дэвид Лэверс, работавший тогда в Редингском университете (Великобритания), изучил 10 крупнейших наводнений в четырёх речных бассейнах Великобритании за последние 40 лет. Почти в каждом случае архивные измерения скорости ветра и водяного пара свидетельствовали об атмосферных реках.

На спутниковых микроволновых изображениях атмосферные реки заметить легко: как правило, в любой момент над землёй вьётся примерно с полдюжины. Многие сбрасывают воду над океанами, не достигая суши. И в каждой в среднем столько же влаги, сколько в пятнадцати Миссисипи или в одной Амазонке, но в большинстве случаев бояться нечего: ветер обращается с ними, как садовник с распылителем, надетым на шланг, то есть поводит в разные стороны, орошая большую площадь. В Калифорнии выпадает от трети до половины одной реки. Но если погодные системы останавливают этот поток — жди беды.

И, кажется, ждать осталось недолго. Насколько мы можем судить, изменение климата скажется на атмосферных реках двояко. Разница температур между полюсами и экватором питает ураганы в средних широтах. Поскольку полюса теплеют быстрее, чем средние широты, эта разность уменьшается, и бури должны ослабнуть. Но в тёплом воздухе больше водяного пара, из-за которого атмосферные реки станут более влажными.

Судя по той же модели, благодаря которой были открыты атмосферные реки, в западную часть США они будут приходить примерно с той же частотой, что и раньше, но принесут больше воды. Может удлиниться и сезон атмосферных рек. А поскольку воздух потеплеет, линия снега поднимется — и часть осадков, выпадающих в виде снега в Сьерра-Неваде, будет выпадать в виде дождей, что повысит опасность наводнений в низменных местах вроде того же Сакраменто.

Надо заметить, что в 1861–1862 годах из-за наводнений в Калифорнии погибли тысячи людей, а ведь штат был гораздо менее населённым, чем сегодня. И это событие не было уникальным. Отложения в долине реки Сакраменто близ Санта-Барбары на тихоокеанском побережье и вокруг залива Сан-Франциско говорят о том, что аналогичные наводнения происходят в тех местах каждые 200 лет.

Предсказать подобное очень сложно. Для создания карт распределения водяного пара и скорости ветра по микроволновым изображениям нужен единообразный фоновый сигнал, иначе трудно понять, какие колебания сигнала вызваны атмосферными эффектами. К сожалению, разнообразие сухопутного ландшафта пока не позволяет осуществить надёжное микроволновое зондирование.

В этом году NOAA вместе с калифорнийским Министерством водных ресурсов и Океанографическим институтом Скриппса планирует справиться с этой проблемой, установив три специальные метеорологические станции вдоль побережья Калифорнии. Первая, в бухте Бодега к северу от Сан-Франциско (вы помните её по фильму «Птицы» Хичкока), планируется к завершению в этом месяце. Размером примерно с самосвал, она содержит набор стандартных метеорологических приборов плюс особый инструмент для измерения ветра и GPS-приёмник. Инструмент принимает отражённые атмосферной турбулентностью радиоволны, измеряя таким образом скорость ветра на различной высоте, в то время как приёмник следит за ошибками, которые вкрадываются в GPS-сигнал из-за водяного пара в атмосфере, определяя то их количество, через которое прошёл сигнал.

Стоимость каждой станции — $750 тыс., то есть сущий пустяк по сравнению с величиной возможного ущерба от наводнения. Поскольку результаты наблюдения поступают к оператору немедленно, у ответственных лиц будет несколько часов на то, чтобы открыть затворы плотин и оповестить население. К сожалению, не более того. Г-н Деттингер считает, что необходима морская разведка — и тогда можно успеть провести эвакуацию. «Спутниками мы покрыли всю Землю, а на весь Тихий океан у нас лишь пара метеорологических судов, а также несколько станций на Гавайях. Не смешно ли?» — сокрушается учёный. На восточном побережье США всё иначе: спутниковые изображения приближающегося урагана дополняются наблюдениями специальной эскадрильи, благодаря чему можно получить точный прогноз траектории бури.

Первый шаг на пути к созданию такой же системы с тихоокеанской стороны был предпринят NOAA в 2011 году. В сотрудничестве с НАСА отставной самолёт-шпион пролетел через три шторма, в том числе через одну атмосферную реку. Это был не только исследовательский проект, но и демонстрация технологии: НАСА хочет найти новое применение беспилотникам: например, они могли бы сбрасывать зонды. Осталось убедить правительство в том, что таким образом можно сделать прогнозы точнее.

А пока ищут деньги, можно делать то, на что не нужны огромные затраты, — информировать население. Если приближается буря, питаемая атмосферными реками, обыватель должен знать, чем это грозит.