Кориолисовы, они же куролесовы

Верчение Земли вокруг оси осложняет динамику атмосферы. А первым разобрался в осложнении такого рода Жискар Густав Кориолис (1792–1847), чем заслужил внимание и память всего человечества, а не только бильярдистов, которым он дал исчерпывающие рекомендации своей книгой «Математическая теория явлений бильярдной игры». Бильярдисты своего теоретика не знают, книгу его читать не в пример труднее, чем ударять шаром по шару, и мало кому, преуспевающему в практике, она доступна. Кориолис играл, однако, прилично. Этот молодой ветеран войны не только находил в бильярде материальное подспорье, спортивное удовлетворение, но и занятие для ума. Он, как это свойственно французскому (наверно, правильнее — галльскому) уму, от конкретной наглядной механики стуканий костяных шаров на зеленом поле перешел к рассмотрению соударений вообще, продвинул вперед теорию механизмов и машин, баллистику, а также понимание глобальных явлений— атмосферных, океанических. Слабый здоровьем, Кориолис нашел все же силы стать ассистентом профессора Политехнической школы, потом профессором и директором той школы, где царил гений Коши — великий его учитель и коллега, — и был избран, как и он, во Французскую академию наук.

Мастера прозвищ — студенты в годы моего студенчества называли кориолисовы силы куролесовыми. Весьма метко. Эти силы сбивают с толку. Прежде всего вас предупреждают сразу, что их нет. Не существует. Но с результатами действия несуществующих сил тем не менее надо считаться.

«Куролесие» в самой природе волчкового вращения. Взглянем на велосипедное колесо. Втулка еле поворачивается, спицы вблизи нее уже бегут, а у обода аж тают от быстроты мелькания. Скорость нарастает от центра к периферии. На земном шаре периферия — экватор — покрывает более полутора тысяч километров в час, шестидесятая параллель уже делает меньше — около восьмисот, а полюса вообще, можно сказать, стоят.

При том, что вращение справа налево, кориолисовы силы смещают всякое движение горизонтальное относительно поверхности земли вправо в северном полушарии и влево в южном.

Не так легко себе представить, что самолет или снаряд, летящим по прямой между двумя пунктами, минует цель и попадает мимо. И траектории их не искривляются, хотя вы можете видеть искривление собственными глазами. Не верьте. Поэксплуатировав свое воображение, вы поймете этот фокус вопреки очевидности.

Представим, что самолет взял курс с широты, вращающейся со скоростью 500 километров в час, в пункт, вращающийся со скоростью 600 километров в час, и ему час лететь. Тогда к концу его маршрута земля под ним будет смещаться в сторону на 100 километров в час быстрее, чем в месте его отправления, и он окажется сотней километров правее места назначения.

Земля вращается, и Кориолисову эффекту подвержено все, что движется относительно ее поверхности, — самолеты, артиллерийские снаряды, воздух, птицы. Кориолисово смещение тем значительнее, чем дальше от экватора, в высоких широтах оно приближается к девяноста градусам. Так вот, меридиональное неравенство «отставаний» вкупе с «американской горкой», которую копирует воздушный поток в нескольких циклах нагрева (подъема) и охлаждения (спуска), курсируя по замкнутому маршруту «экватор — полюс — экватор», благодаря устойчивости этого беспорядка создает известный порядок, а именно — несколько поясов ветра, охватывающих планету, а также постоянное закручивание воздуха в обоих полушариях. В северном полушарии вокруг центров высокого давления витки крутятся по часовой стрелке, что есть как раз антициклон, фигурирующий преимущественно в сводках хорошей погоды, и против часовой стрелки — ветры, дующие в область низкого давления, — циклоны. Стоя на северном полушарии, пользуйся правилом: если ветер дует в спину, то слева — область низкого давления, а справа — высокого. В южном полушарии все наоборот.

Главные климатические зоны, как теперь ясно, задаются двумя движениями: северо-южным, возбуждаемым экваториальным нагревом, и восточно-западным, кориолисовым.

Можно сказать иначе: два фактора, формирующих климатические зоны, состязаются между собой во влиянии на третий. Силы вращения и температура хотят управлять давлением.

…Если бусинку бросить на вращающуюся граммофонную пластинку, шарик откинется в сторону от медленного центра к быстрому краю. Похоже должен отбрасываться от полюсов к экватору воздух. Тогда полюса постоянно пребывали бы под самым низким давлением, а экватор под самым высоким. Но с этим решительно не согласны температуры. На экваторе они имеют над вращательными силами полный перевес. Здесь самые высокие температуры устанавливают низкое давление. Такой же перевес демонстрируют самые низкие температуры — у полюсов. Они, невзирая на отбрасывание воздуха, устанавливают на холодных «макушках» постоянное высокое давление. И там и тут торжество самых. Вращение же оказывает свое влияние в зоне между тридцатыми и шестидесятыми градусами широты в обоих полушариях. Возле тридцатых параллелей силами вращения нагромождаются воздушные горы, эдакие надувные матрацы, — здесь высокое давление. А около шестидесятых, напротив, образуется «ложбина», устанавливается низкое давление.

Так четко и хорошо было бы, возможно, если б наша земля была правильно кругла и гладка, как глобус. Но наш шар не такой. Он частично покрыт сушей, больше — водой, на нем горы и прочие неровности, так что пояса давлений нарушаются. И все же они существуют и задают определенный порядок. Чередуются пояса в таком ритме: низкое — высокое — низкое— высокое, начиная с экватора и кончая полюсом. Ноль градусов широты — низкое, тридцать — высокое, шестьдесят — низкое, девяносто — высокое. Такой порядок держится весной и осенью. Когда весна переходит в лето, а осень в зиму, симметрия нарушается. По двум причинам. Одна та, что вызывает и передвижку муссонов, а именно смещение высокого солнца от тропика Рака к тропику Козерога, и обратно, в пределах десяти градусов по обе стороны экватора. За космической печкой перемещается и зона тропического низкого давления, а за ней и все остальные пояса. Вторая причина — сезонные изменения температуры над центрами континентов. Лето здесь раскаляющее, и высокое давление сменяется низким, а зима лютующая, восстанавливает высокое давление.

Интересно, что карта атмосферного рельефа с ее впадинами, пиками и равнинами имеет заметное сходство с рельефом литосферы. Тридцатые — сороковые широты — субтропические, зона повышенного давления, но и зона наиболее высоких хребтов. Экватор лежит в атмосферной низине, и этому соответствует преобладание океана на данной географической широте.

Причину этих странных, на первый взгляд, совпадений усматривают в существовании единой силы, одновременно действующей на литосферу, водную оболочку и атмосферу Земли. Возникает она, как показал советский ученый М. В. Стовас, в результате вращения Земли вокруг своей оси. Скорость этого вращения не остается постоянной, она имеет вековые, сезонные и скачкообразные изменения. Конечно, очень небольшие. При ускорении Земля сжимается и сжимается приближаясь к эллипсоиду. Параллели экваториальных районов при этом как бы растягиваются, а приполярные районы сжимаются. При замедлении вращения происходит обратное.