5.4. Характеристика природы дождей

В современных словарях можно прочитать короткое и точное определение дождя: «Атмосферные осадки, выпадающие из облаков в виде капель воды, диаметром от 0,5 до 6–7 мм; при меньшем размере капель осадки называют моросью». Любой дождь образуется из облака. Капли дождя, чтобы они выпали из облака, должны достичь определенного размера. Первоначально рост капель в облаке идет за счет конденсации молекул водяного пара. Это очень быстрый процесс – всего за несколько секунд радиус зародышевых капель увеличивается в 2–3 раза. Но когда диаметр капель превысит 0,02 мм, их рост замедляется. И потом требуется довольно много времени, чтобы капли выросли до размера дождевых.

Капли в воздухе находятся в постоянном движении, на них оказывают влияние и скорость падения, и сила встречных потоков воздуха. Сталкиваясь между собой и сливаясь (процесс коагуляции), они образуют более крупные капли, которые и устремляются вниз.

Чтобы капля выросла до размера дождевой, ей необходимо пройти через мощное, не в один километр по толщине облако. Более тонкие облака рождают мелкие капли, которые могут испариться по пути к земле. В этих случаях мы наблюдаем эффективное зрелище: под облаком седые дождевые полосы, не доходящие до земной поверхности. Полосы обычно бывают косые или искривленные – это работа ветра. По научной классификации осадки достаточно строго подразделяются на три вида: моросящие, обложные и ливневые. У каждого вида свои характерные отличительные черты, позволяющие безошибочно его определить: форма и мощность облаков, дающих осадки, приносимое количество воды, крупность капель, продолжительность и интенсивность осадков. Последний фактор особенно точно характеризует происхождение и количество осадков, а потому может быть положен в основу их классификации.

Достаточно типичная картина осенней погоды, когда дождь не идет, а как бы висит в виде мглы, дыма. Этих признаков достаточно, чтобы классифицировать осадки как моросящий дождь или морось. Непрозрачный слой низких облаков, закрывших Солнце, - еще одно подтверждение этому.

Морось выпадает в виде очень мелких дождевых капелек диаметром от 0,1 до 0,4 мм. Они настолько медленно опускаются на землю, что не производят впечатления дождя. На руке, на лице капли мороси едва ощущаются. Одежда на мороси намокает медленно, но равномерно. На воде капли моросящего дождя не дают кругов.

Видимость в даль при мороси заметно снижается, потому она и воспринимается как туман, мгла. Ветер легко переносит мелкие капли мороси по горизонтали, от этого усиливается ощущение сырости. Морось обычно выпадает из слоистых или слоисто-кучевых облаков. Вертикальная мощность таких облаков невелика, значит, капли проходят небольшой путь в облаке и растут главным образом за счет взаимного слияния. Зимой такие облака содержат кристаллики, тогда вместо мороси из них падают мелкие снежинки и так называемые снежные зерна. Но они почти не увеличивают высоту снежного покрова. Капли мороси так малы, что даже при очень длительном моросящем дожде не приносят существенных осадков.

Обложной дождь продолжителен или с короткими перерывами, выпадающий на огромных площадях в несколько сотен тысяч км², захватывающий крупные районы, а то и целые страны. В годовой сумме осадков умеренных широт обложные осадки составляют существенную, а иногда и преобладающую долю. Метеорологи подсчитали, что на Валдае все дожди по интенсивности можно разделить так: моросящих – 30 %, обложных – 56, ливневых – 14. Примерно такая же картина и в других районах и Европы, и Северной Атлантики. Облака, несущие длительное ненастье, бывают сначала тонкими и прозрачными, затем постепенно уплотняются, снижаются, становятся более мощными и, наконец, покрывают все небо сплошной серой пеленой. Ученые называют ее слоисто-дождевой облачностью. Явно выраженного очага осадков обычно выделить не удается.

Древние русские летописи отмечали длительные летние дожди как стихийное бедствие, соизмеримое по своим последствиям с засухой, то есть несущее голод.

Мелко сеется, да долго тянется осенний обложной дождь. Средний размер капель от 0,5 до 6 мм в диаметре. Капли тяжелые, падение их явно заметно. Иногда кажется, будто водяные нити тянутся от неба до земли. В народной загадке про такой дождь говорится: «Высок и тонок, а в траве не видать».

Ливневый дождь отличается от обложного не количеством выпавших осадков (иногда их может быть совсем немного), а характером дождя, общим типом погоды. Один из главных его признаков – внезапность начала и конца, кратковременность, резкие колебания интенсивности. Причем колебания не только по времени, но и по месту. Например, над Москвой разразился ливень (29 июня 1924 г.). Всего за полтора часа на центр города вылилось 95 мм осадков (почти две месячные нормы). Низкую часть города залило водой, затопило все подвалы, парализовало уличное движение. В это же время в Замоскворечье и на окраинах города дождя не было совсем.

Капли ливневых дождей большие, заметные, особенно первые, в начале дождя. Грозовой дождь – всегда ливневый. Сравнительно небольшая продолжительность ливневых осадков объясняется тем, что они выпадают из отдельного облака или узкой зоны облаков.

В средней полосе левневый дождь обычно длится всего несколько минут. В тропических и экваториальных широтах ливни могут продолжаться часами. Именно ливневые осадки формируют там приходную часть водного баланса.

Тропический ураган средней силы выливает не меньше 150 мм в сутки, но известно немало случаев, когда выпадает 230–310 мм. (Напомним, что слой осадков в 1 мм соответствует 1 литру осадков на каждый квадратный метр или 1000 кубических метров на 1 квадратный километр.) Попробуйте представить, что происходит с почвой, когда на грядку площадью 3–4 м² за сутки выливается 100 ведер воды.

В самом мокром месте земного шара, в районе Черрапунджи в Индии, 14 июля 1876 г. зафиксирован ливень, давший за сутки более 1000 мм осадков. Это тысяча (!) литров на квадратный метр за сутки. В том же месте за июль 1861 г. выпало 9300 мм – почти 150-кратная месячная норма осадков для средней полосы России.

На европейскую территорию нашей страны основную массу осадков приносят циклоны, приходящие из районов Малой Азии, Средиземного и Черного морей, реже – циклоны из Северной Атлантики и Западной Европы. Каждый циклон несет огромное количество воды. Например, циклон, возникший 6 мая 1941 г., пройдя путь в 1800 км, за три дня вылил на землю 40 км³ воды, то есть это по объему тридцать таких озер, как Ильмень.

За лето 1964 г. через Ростовскую область прошло 27 катастрофических ливней. За одну только ночь на 26 мая на город Каменск–Шахтинский вылилось из облаков 7 млн. м³ воды, за полсуток – вся летняя норма осадков.

Катастрофичность ливневого дождя определяется не столько количеством воды, сколько интенсивностью выпадения. Чем больше слой осадков за единицу времени, тем опаснее последствия ливня.

Обычно интенсивность осадков оценивается слоем воды, выпавшей в минуту. Это правильно, потому что дождь может идти долго – часами, но его «главный заряд» выльется за считанные минуты. Метеорологи стремятся определить именно эту максимальную интенсивность ливня. Имея такие данные, они могут вовремя предупредить о возможной катастрофе.

Про ливень с интенсивностью более 1 мм/мин говорят: «льет как из ведра». При интенсивности осадков 1,5–2 мм/мин даже человеку, находящемуся под укрытием, становится трудно дышать. Что же тогда говорить о таких «сверхинтенсивных» ливнях, которые зафиксированы, например, в Панаме 29 ноября 1911 г., где в течение 3 мин. выпало 63 мм воды (т.е. 21 мм/мин), или в Калифорнии, где 5 апреля 1926 г. зарегистрирована интенсивность ливня >25 мм/мин. Подобные ливни – чрезвычайная редкость. И, к счастью, продолжительность их измеряется лишь несколькими минутами. Но и короткий ливень может наделать много бед, потому что вода не успевает впитаться в почву. Если же ливень продолжается часами, то угроза катастрофы возрастает многократно.

Вот газетное сообщение о такой катастрофе в Судане осенью 1988 г.: «Более 60 человек погибли, сотни получили ранения, полтора миллиона остались без крова в результате сильнейшего за всю историю страны наводнения. Стихия превратила в руины половину суданской столицы, районами бедствия объявлены несколько провинций…».

А началось все с долгожданного (надо сказать, что практически любые осадки в засушливом Судане – радость) дождя в ночь с шестого на седьмое августа. Впрочем, уже через два часа радость хартумцев была омрачена из–за того, что в некоторых районах вышла из строя линия электропередач и связи. Еще через несколько часов стали поступать сообщения о том, что рушатся постройки в кварталах бедноты. К утру – дождь шел уже около десяти часов – положение стало критическим: из берегов вышел Нил. Его воды заливали улицы и площади столицы, подбирались к первым этажам зданий…

Стрелка часов подошла к полудню, а ливень не прекращался. Уровень воды в реке –, вернее, уже на хартумских улицах – достиг рекордной отметки. Столица осталась без электроэнергии, без связи с внешним миром. В воды Нила канули практически все имевшиеся запасы продовольствия и питьевой воды. Число погибших исчислялось уже десятками. Дождь прекратился лишь спустя 15 часов».

Может быть, именно с такими ливнями связаны легенды о всемирном потопе. Как сказано в Ветхом завете: «…В этот день разверзлись все источники великой бездны, и облака небесные отворились. И был дождь на земле сорок дней и сорок ночей… И было наводнение сорок дней на земле, и умножалась вода, и подняла ковчег, и он возвысился над землей…».

Что по этому поводу говорят метеорологи? Мог ли на самом деле быть такой дождь? Если да, то с какой силой он должен был лить, чтобы покрыть водой землю до вершины высочайшей горы?

Материалы дождемерных наблюдений показывают, что ни один дождь, даже умеренный, не продолжается без перерыва более четырех суток. Но если бы дождь непрерывно лил в течение 40 суток, то, чтобы за такое время (960 ч, или почти 58 тысяч мин) дать слой воды в 5165 м (высота Арарата), он должен был бы идти с постоянной интенсивностью ~100 мм/мин.

Это совершенно невероятная интенсивность дождя. Длительные наблюдения на дождевой сети всех стран мира ни разу не зафиксировали хотя бы кратковременных ливней подобной силы. Катастрофические ливни, дающие >150 мм осадков за сутки (а не в минуту!) в самых ливнеопасных районах на территории Украины, Молдавии, Нижнего Дона, Северного Кавказа и Закавказья, на Дальнем Востоке, в бассейне Амура, бывают примерно раз в столетие.

Так, за все годы наблюдений на метеорологических станциях Молдавии отмечено 23 ливневых дождя с суточной суммой осадков более 100 мм, в том числе 4 дождя, давших 150–200 мм, и всего 3 – с осадками более 200 мм.

В умеренных широтах и особенно на Севере подобных ливней, можно сказать, не бывает. Но и там природа иногда преподносит сюрпризы.

Ливневые дожди 13-18 августа 1935 г. обхватили обширный район - в треугольнике Таллин - Ленинград - Петрозаводск и дали до 150-170 мм осадков. В Ленинграде за два часа 16 августа выпало около 80 мм (месячная норма) осадков. Некоторые улицы были затоплены слоем воды до 30–35 см, тысячи подвальных помещений оказались залитыми. Прошло немного более полстолетия, и ленинградцы вновь стали свидетелями тропического ливня, такого, какие жители южных широт видят чуть ли не ежегодно.

Может ли дождь идти не каплями, а сплошными струями, как вылитый из ведра? И какой величины бывают самые крупные дождевые капли?

На эти вопросы пытались ответить многие популяризаторы метеорологии. И все признались, что им не удалось понаблюдать в природе или искусственно получить струи дождя. Не удалось и получить капли весом более 0,268 г. Самые большие капли, пдая с высоты всего 22 метра, разрывались на две, причем большая из них никогда не превосходила 0,2 г. Значит есть какой – то определенный предел размера дождевых капель. От чего он зависит? Почему дождевые капли по пути к земле не сольются с себе подобными, а обретя большую массу, не обрушатся сверхводным «сплошным» дождем?

Дело в том, что большая капля (обычно несколько мм в поперечнике) при падении встречает сопротивление воздуха, деформируется встречным давлением, расплющивается и становится похожей на водяную лепешку, затем прогибается и приобретает фору парашюта. Водяная пленка становится все тоньше и в конце концов разрывается воздушной струей. Крупная капля распадается на мелкие. Некоторые из них, не долетев до земли, испаряются, другие, слившись с такими же мелкими каплями, вновь превращаются в крупные, чтобы затем опять распасться… Воздушная оболочка земли как бы не подпускает к себе капли – гиганты.

Расчеты показывают, что самые тяжелые из капель, долетающих до земли, имеют в диаметре всего 8 мм. Стало быть, « дождь как из ведра» – это всего лишь дождь из очень крупных капель, который кажется нам сплошным. Так что рассказы о тропических дождях, выливающимися сплошными потоками или каплями чуть ли не в дюйм диаметром, следует отнести к области легенд.

Но вернемся к обычным дождям. Вода не успевает впитаться в землю, не успевает стекать, появляются лужи, а в низинах целые озерки. Теперь капли ударяются прежде всего о водную поверхность. Что при этом происходит? Глаз не успевает заметить и запомнить детали.

При падении капли на поверхность воды сразу же возникает симметричная водяная корона из множества мелких брызг – водяная лилия. Вскоре (через 0,05–0,1 с) цветок увядает и лишается своих лепестков. И тут же в его центре вырастает водяной столбик, вершина которого имеет форму сферической капли, - «серебряный гвоздик с алмазною шляпкой». Благодаря бликам, бегающим по капле, она напоминает жемчужину. Столбик погружается в воду, образуется воронка, из нее опять вырастает столбик, тоньше первого, погружаясь, он разбивается на множество мелких брызг. Воронка (ее называют каверной) и столбик чередуются несколько раз.

Отметим, что в естественных условиях все стадии процесса, подсмотренного кинокамерой, возможны только для первых капель дождя. Потом образующиеся на поверхности луж водяные короны накладываются друг на друга, поверхность воды начинает волноваться, брызги летят во все стороны, смешиваясь с дождем.

Глубокие каньоны и шрамы оврагов, оползни в горах и миллионы тонн смытой и унесенной почвы – все началось когда-то с удара капли дождя о землю. Удар капли – это лишь образное выражение, нечто почти нематериальное. Но миллионы и миллиарды капель ежегодно бьют по земле, разрушая не только горные массивы, но и почвенный покров равнин.

Представим себе дождевые капли в виде ядер, бомбардирующих поверхность земли. Очевидно, чем тяжелее капля, тем сильнее удар и значительнее разрушение. Таблица показывает, как связаны между собой размер капли, ее энергия и ее разрушающее воздействие.

Диаметр капли возрастает в 10–15 раз, а энергия каждой капли при этом – в сотни тысяч раз! Поэтому увеличивается и способность деформировать почву.

Может показаться странным, но первая и последняя капли дождя оказывают совершенно разное воздействие на почву. Причина не в капле, а в состоянии почвы. Одно дело – прибитая первыми каплями дождя дорожная пыль, другое – фонтанчики воды, плящущие по лужам.

Пронаблюдаем за началом дождя где-нибудь в степи. Капли падают на сухую пыльную почву, они почти не разбрызгиваются, а скатываются в сферические катышки. Чем крупнее капля, тем больший по диаметру получается катышек пыли.

Кстати, на этой зависимости основывается метод измерения распределения капель дождя по размерам. Капли улавливаются в поддоны, заполненные мукой, где они образуют катышки. Затем их помещают в печь, и катышки спекаются. Пропустив «хлебные капли» через набор сит, можно определить количество капель того или иного размера, т. е. восстановить крупность уже прошедшего дождя. Если же дождь насыщает утрамбованную почву, то она постепенно заплывает, а затем образуются участки со слоем воды – лужи. Капли, падающие в мелкую лужу, вызывают в ней вихревые потоки, способствующие дальнейшему разрушению почвы. А когда лужа становится глубже, вода начинает течь по уклону – возникает поверхностный смыв.

В начале дождя, пока поверхность почвы еще не покрыта пленкой воды, наиболее подвержены разрушению песчаные почвы. Капли образуют на песке маленькие воронки (каверны), размеры и форма которых зависят от влажности песка. Наибольший выброс песка происходит при минимальной его влажности. При прочих равных условиях величина выброса песка определяется кинетической энергией капель. Вот почему справедливо наблюдение, что «дождь смывает все следы» в первую очередь на песке.

Совсем иначе разрушаются структурные почвы. Комки различного диаметра и формы по-разному воспринимают удар капли. Энергия капель, падающих в щели между комками почвы, постепенно гасится и разбрызгивания не происходит. При ударе об отдельные комки капля разрушает их, частицы почвы разлетаются на достаточно большое расстояние – до 1 м в высоту и до 1,5 м в сторону. Сильные ливни буквально взрывают землю, в воздух поднимаются сотни тонн почвы. Однако они никуда не улетают, это «мнимый» подъем, ибо фактически все частицы, поднятые в воздух, выпадают на землю на расстоянии до 1,5 м от места выброса. При отсутствии ветра и уклона такое перемещение и перемешивание почвы не опасно, последующая запашка выравнивает поле. Но достаточно небольшого уклона, как начинается эрозия почвы, а при большем уклоне появляется угроза оврагообразования.

До сих пор речь шла о классификации дождей по водности, интенсивности, крупности капель, то есть о параметрах, имеющих под собой физическую основу. Но существует множество градаций дождя чисто условных, связанных с профессиональным или бытовым восприятием осадков. Например, терминология в прогнозах погоды, к которой мы так привыкли, что уже и не задумывается над ее смыслом. Например, что стоит за термином «кратковременный дождь»? Чем он отличается от «небольшого дождя»? Как представить себе завтрашнюю погоду «без существенных осадков»? Да и просто слово «дождь» допускает огромное разнообразие ситуаций.

Табл. Эрозионная характеристика капель дождя (Софер,1990)

Диаметр капли, мм	Энергия одной капли, Дж	Характеристика эрозионного действия капель
< 0,2	< 1,1·10-9	Равномерное и постепенное увлажнение почвы
0,2 – 0,8	1,1·10-9 – 1,4·10-6	На почве слабо взмучиваются мелкие потоки воды
0,8 – 1,5	1,4·10-6 – 2,6·10-5	Незначительные разрушения почвы, взмучивание потоков воды
1,5 – 3,0	2,6·10-5 - 4,7·10-4	Сильное разрушение и разбрызгивание почвы, уплотнение ее поверхности
> 3,0	> 4,7·10-4	Очень сильное разрушение структуры почвы и насыщение потоков мелкоземом

Что же конкретно означают эти термины у синоптиков? Дождь – это когда за 12 часов выпадает 3–8 мм осадков. Если же осадков выпадает меньше, то синоптики употребляют термин «небольшой дождь». Термин «без существенных осадков» означает, что количество дождя не превышает 0,3 мм за день или за ночь. Если в прогнозе говорится о «кратковременных дождях», значит, ожидаются дожди с перерывами, но общей продолжительностью не более трех часов в течение 12 часов. Просто «кратковременный дождь» – это дождь продолжительностью также в пределах трех часов.