Погода на службе у человека

В течение столетий люди использовали солнце, ветер и воду для производства энергии, чтобы согреваться, перемещаться, производить сельскохозяйственную и промышленную продукцию. XIX—XX вв. ознаменовались мощным увеличением применения ископаемых видов топлива — нефти, угля и природного газа. Но их запасы стремительно уменьшаются, а загрязнение природной среды возрастает. В последние годы возродился интерес к возобновляемым источникам энергии, что привело к развитию технологий с применением солнечной, ветровой и гидроэнергии.

Возобновляемые источники энергии зависят от климатических особенностей региона. Гелиоэнергетика, использующая энергию солнечных лучей, требует относительно безоблачного неба и наличия яркого солнца. Ветроэнергетика эффективна в районах с устойчивыми ветрами достаточной силы, чтобы приводить в движение генераторы. Гидроэнергетические установки могут работать только при наличии достаточных объемов воды в водохранилищах.

Хотя возобновляемые источники энергии экологически более чистые, чем тепловые электростанции, они все же оказывают определенное негативное влияние на окружающую среду. Но, несмотря на эти недостатки, использование энергии солнца, ветра и воды вполне реально, особенно учитывая возможные последствия потепления климата.

Первые ветряные мельницы. Эти ветряные мельницы были построены в Испании в XVI в. Основной механизм каждой из них состоит из вала с крыльями-лопастями, которые приводят в движение главный вал. Механизм привода жерновов может быть употреблен для подключения генератора, а при накопительной системе еще и для зарядки аккумуляторов.

Энергия воды. В Непале женщины до сих пор размалывают зерно при помощи водяных мельниц. Энергия потока вращает лопасти водяного колеса и приводит в движение жернов. Египтяне первыми начали использовать такую энергию в устройствах для перемалывания зерна. В настоящее время на Асуанской ГЭС, воздвигнутой здесь в 60-х гг. XX в. при помощи СССР, производится большая часть всей электроэнергии страны. Один из самых распространенных источников возобновляемой энергии — вода: гидроэнергия вращает турбины, которые вырабатывают электричество. Продолжительная засуха может наложить свои ограничения на объем выработки электроэнергии.

Использование солнечной энергии. Устройства, потребляющие энергию солнца, разработаны для отопления, освещения и вентиляции здании, небоскребов, опреснения воды, производства электроэнергии. Такие устройства находят применение в различных технологических процессах. Появились транспортные средства с «солнечным приводом»: моторные лодки и яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, совсем недавно сравнивавшиеся с забавным авто-аттракционом, сегодня пересекают страны и континенты, почти не уступая в скорости обычному автомобилю. На фотографии — одна из самых крупных солнечных электростанций в Калифорнии, на которой вырабатывается энергия достаточная, чтобы обеспечить электричеством город с населением 350 тыс. человек.

Заставить ветер работать.Турбины этих установок в Калифорнии приводятся в движение при помощи энергии ветра. Основным препятствием для коммерческого развития ветроэнергетики является непостоянство ветров. Поэтому крупные ветроэлектростанции должны сочетать в себе генераторы и аккумуляторы — для накопления энергии. В настоящее время в Калифорнии на таких установках производится около 1 % всей электроэнергии.

Первая в мире ветроэлектростанция мощностью 100 кВт была построена в 1932 г. в Крыму. Одна из самых больших ветроэлектростанций России (2,2 МВт) расположена у деревни Тюпкильды в Башкортостане.

Современная модель. По своей сути ветер — одна из форм солнечной энергии. Он возникает в результате неравномерного нагревания поверхности Земли солнечными лучами. Современная ветроустановка представляет собой электрогенератор, закрепленный на мачте. Ветер приводит в движение лопасти, которые вращают вал, соединенный с генератором. Электроэнергия поступает в энергетическую систему и распределяется потребителям.

Изменяя погоду

На протяжении веков человечество пыталось управлять погодой. Сначала при помощи молитв и ритуалов. Более практичные земледельцы придумывали различные приспособления, чтобы орошать посевы всухую погоду, оберегать их от заморозков; чтобы защитить растения от ветра, высаживали лесозащитные полосы. Такая практика продолжается и сейчас, только теперь на вооружении у нас есть сложные технологии и современное оборудование.

В XX в. началось активное вмешательство человека в атмосферные и климатические процессы. Облака стали опылять частицами йодистого серебра, чтобы вызвать осадки, рассеять туман, уменьшить размеры градин, ослабить силу ураганов. Эти опыты были относительно успешными, но их результаты признаны весьма спорными.

Укрытие против заморозков. Низкие температуры воздуха ночью могут повредить нежные растения. Посадки картофеля защищены от мороза синтетическим укрытием.

Орошение пустыни.Кружочками на спутниковой фотографии обозначены посевы, орошаемые при помощи больших консольных дождевальных установок. Вода для орошения поступает из глубоких подземных источников.

Холодный парник. В пустыне парники защищают растения от губительного воздействия прямых солнечных лучей. Современные технологии позволяют подавать сюда охлажденный воздух, чтобы уменьшить испарение. Вода — главный источник жизни в пустыне. Человечество научилось управлять скудными водными ресурсами пустыни. Простые и доступные способы сохранения и использования воды, совершенствовавшиеся столетиями, до сих пор применяются во многих местах.

Искусственное воздействие на погоду.Реальный прорыв в отношениях человека и земной атмосферы произошел в 1940-х гг., когда стало возможно искусственно вызывать дождь или снег методом опыления облаков. Этот метод применяется, когда капельки дождя или кристаллики льда в облаке недостаточно велики, чтобы превратиться в осадки. При помощи специальных установок на земле или с самолетов облака обрабатываются искрошенным сухим льдом или частицами йодистого серебра.

1. Капельки воды.Облако состоит из мельчайших капелек воды, которые не могут слиться в большие и пролиться на землю дождем.

2. Реагент. Облако опыляется искрошенным сухим льдом или частицами йодистого серебра. Это дополнительные ядра конденсации, вокруг которых образуются более крупные кристаллы льда.

3. Кристаллы льда. Крупные кристаллы льда, получившиеся в результате опыления облака, превращаются в снежные хлопья, которые по пути на землю тают и становятся дождем.

Символы дождя.Черные вертикальные полосы на лице индейского мальчика символизируют идущий дождь. Иногда белыми кружочками изображается град.

Климат планет земной группы

Климат других планет зависит от того, насколько далеко они расположены от Солнца. Те, что расположены ближе, получают больше тепла, чем удаленные. На погоду и климат также влияет угол наклона оси планеты к плоскости ее орбиты и скорость вращения. На планете с перпендикулярной осью вращения времен года будет меньше, чем на планете с сильно наклоненной осью. Чем быстрее вращение, тем больше дневные колебания температуры. Климатические особенности определяются составом атмосферы (показан на графиках), который зависит от массы планеты и ее расстояния от Солнца. Планеты, расположенные близко к нему, — небольшие и каменистые, с относительно тонкой атмосферой.

Парниковый эффект на Венере. Солнечные лучи проникают сквозь облака и нагревают поверхность, но облака и углекислый газ атмосферы препятствуют возвращению тепла в космос. Поэтому на полюсах Венеры так же жарко, как и на экваторе, а на освещенной стороне такая же температура, как и на неосвещенной. Проходя через облака, солнечный свет становится оранжевым. Днем на Венере светло, как в пасмурный день на Земле.

Времена года на марсе.Ось вращения Марса наклонена так же, как и земная. Здесь четыре времени года, но длятся они вдвое больше, чем земные, потому что орбита Марса больше. В Северном полушарии весной и летом обычно ясно и пыли в воздухе немного. Облака образуются в высоких широтах. Осенью и зимой полярные «шапки» закрыты облаками.

Облака на Марсе. На поверхности Марса видны кратеры и цирки. Белые пятна — облака, состоящие из воды и льда и, возможно, схожие с земными перистыми облаками.

Восход Солнца на Марсе. Марсоход сделал этот снимок в июле 1997 г. На этой планете, четвертой от Солнца, возможно, когда-то были океаны или моря. На спутниковых фотографиях видна обширная система каньонов, которая могла образоваться в результате движения водных потоков (или, возможно, жидкого углекислого газа). Как и на Земле, здесь бывают пыльные бури, которые участвуют в формировании ландшафта планеты. Иногда они приобретают планетарный характер и могут закрыть весь диск желтыми облаками.

Температура поверхности Меркурия.Кратеры Меркурия (внизу) образовались в результате падения метеоритов и комет. Это ближайшая к Солнцу планета, и температура ее поверхности наиболее высокая среди всех небесных тел Солнечной системы. Солнце, находясь в зените, нагревает поверхность Меркурия до 430 °С, а сторона, противоположная Солнцу, на 600 °С холоднее.

Климат планет внешней группы

Большие холодные планеты, расположенные за Марсом, — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. В отличие от Земли они состоят из газов и жидкостей, а не из твердых пород и металлов. Это на самом деле гиганты: диаметр Юпитера в 11 раз больше земного, а по объему из Юпитера можно было бы сделать 1345 таких шаров, как Земля. Все газовые гиганты имеют кольца, наиболее известны они у Сатурна. Плутон резко отличается от прочих планет и из-за своих особенностей не входит ни в одну группу. Он значительно меньше газовых гигантов и по виду напоминает ледяные спутники внешних планет. Предполагают, что Плутон — малая планета из астероидного кольца, расположенного на внешней стороне Солнечной системы.

Вид Юпитера.Фотография этой планеты сделана при помощи космического телескопа «Хаббл» в 1992 г. Струи ветра, циркулирующие в противоположных направлениях, образовали здесь темные и светлые потоки. Ветер достигает скорости 640 км/ч. Ветры, возможно, обусловлены конвекционными потоками, происходящими из-за переноса тепла внутри этой массивной планеты.

Планета в кольце.Кольца Сатурна состоят из огромного количества вращающихся твердых обломков, покрытых инеем и льдом. Они образовались в результате метеоритных дождей. Голубым цветом показаны облака.

Динамичный Нептун. Нептун — самая маленькая и далекая газовая планета. Ее масса равна 17 массам Земли. Динамичный и турбулентный мир планеты представлен чередой атмосферных вихрей и яркими ледяными облаками, образование которых обусловлено внутренней энергией. Наиболее известное вихревое атмосферное образование — Большое темное пятно, которое исчезло, но вместо него в северном полушарии планеты появилось другое подобное ему.

Гигантские вихри Юпитера. Наиболее известная особенность Юпитера — это его вихреобразный овальный сгусток облаков. Он назван Большим красным пятном (справа вверху). Это образование похоже на гигантский ураган, который вызывает штормовые ветры, несущиеся с огромной скоростью над быстро поворачивающейся планетой.

Спутник Нептуна. Тритон — самый большой из 13 известных спутников этой планеты. Температура его поверхности очень низка, и большая часть атмосферного азота представлена в виде льда.

Спутник Юпитера. Европа — один из многочисленных спутников Юпитера. Ее поверхность, панцирь водяного льда, — этакий каток размером с планету.