3 мифа о погоде: почему мороз не заражает, а молния бьет в одно место дважды

На протяжении тысячелетий человек наблюдал за окружающей средой без измерительных приборов. Изменения температуры, движения облаков и вспышки на небе фиксировались исключительно зрением и ощущениями. На основе этих наблюдений складывались устойчивые правила. Люди связывали события друг с другом и пытались объяснить, как устроен окружающий мир.

Главная проблема такого подхода заключается в том, что человеческое восприятие часто путает простое совпадение во времени с реальной физической причиной. Если два события происходят одновременно, наш мозг склонен считать, что первое породило второе.

Современные научные дисциплины — вирусология, электродинамика и физика атмосферы — позволяют детально проследить механику природных процессов. Если разобрать привычные погодные представления шаг за шагом, выясняется: во многих случаях физические законы действуют совсем не так, как подсказывает житейский опыт.

Миф 1: Холодный воздух и простуда: почему мороз не является причиной болезни

Представление о том, что холодная погода напрямую вызывает насморк, кашель и температуру, существует практически во всех культурах с выраженной зимой. Связка кажется очевидной: человек замерз на улице, а через сутки у него появились симптомы простуды.

Однако с точки зрения биологии холод не способен создать болезнь. Простуда, грипп и другие острые респираторные заболевания имеют конкретную причину: попадание в организм патогенного микроорганизма. Чаще всего это вирусы. Если в организме нет вируса, человек не заболеет респираторной инфекцией, сколько бы времени он ни провел на холоде.

Причина, по которой заболеваемость резко возрастает поздней осенью и зимой, кроется в сочетании трех факторов: изменении поведения людей, физических свойствах сухого воздуха в помещениях и временном снижении барьерной защиты нашего тела.

Фактор 1: Поведение людей и замкнутые пространства

С наступлением холодов образ жизни людей кардинально меняется. Мы проводим большую часть суток внутри помещений: в квартирах, офисах, общественном транспорте и учебных заведениях. Окна при этом открывают значительно реже, стремясь сохранить тепло.

В непроветриваемом помещении при высокой плотности людей концентрация любых микроорганизмов в воздухе быстро увеличивается. Если в комнате находится хотя бы один носитель вируса, каждый присутствующий вдыхает взвесь частиц, выделяемых при обычном дыхании и разговоре. Зимой люди просто контактируют с вирусами намного чаще и ближе, чем летом.

Фактор 2: Физика сухого воздуха

Второй фактор связан с работой систем отопления. Когда холодный уличный воздух попадает в помещение и нагревается радиаторами, его относительная влажность падает до критически низких значений — нередко до 15-20 процентов.

В сухом воздухе происходят два важных физических процесса:

1. Мелкие капли влаги, которые зараженный человек выделяет при кашле или чихании, высыхают за доли секунды. Они теряют основную массу воды и уменьшаются до микроскопических размеров. Тяжелая капля быстро упала бы на пол под действием силы тяжести, но сухой микроскопический остаток с вирусными частицами часами удерживается слабыми потоками воздуха. Здоровый человек вдыхает эти взвеси даже спустя длительное время после ухода больного.
2. Сухой воздух воздействует на дыхательные пути. Поверхность носовой полости и бронхов покрыта защитным слоем слизи и микроскопическими ресничками эпителия. В нормальных условиях эти реснички совершают непрерывные волнообразные движения, продвигая слизь с прилипшей пылью и микробами наружу, в сторону носоглотки. Этот процесс называют естественным очищением дыхательных путей. Когда слизистая оболочка пересыхает, слизь становится вязкой, реснички теряют подвижность, и бактерии с вирусами беспрепятственно оседают на клетках.

Фактор 3: Реакция сосудов на охлаждение

Влияние самого холода на тело действительно существует, но оно носит вспомогательный характер. Когда человек вдыхает холодный воздух, организм пытается предотвратить потерю тепла. Кровеносные сосуды в слизистой оболочке носа рефлекторно сужаются.

Это сужение сосудов уменьшает кровоток в тканях носовой полости. Вместе с кровью к поверхности поступает меньше защитных клеток иммунной системы — лейкоцитов и антител. Местная защита на короткое время ослабевает. Если именно в этот момент на слизистую попадает вирусная частица, ей значительно легче проникнуть внутрь клетки и начать размножение.

Таким образом, теплая одежда действительно полезна: она сохраняет комфортную температуру тела и предотвращает защитное сужение сосудов в дыхательных путях. Но сама по себе низкая температура за окном инфекцию вызвать не может. Заболевание всегда провоцирует вирус, полученный от другого человека в закрытом помещении.

Миф 2: Повторные удары молнии: почему электрический разряд бьет в одну точку

Фраза о том, что молния не бьет в одно место дважды, прочно закрепилась в языке как обозначение крайне маловероятного происшествия. Люди представляют грозовой разряд как хаотичное и непредсказуемое событие, которое распределяется по поверхности земли случайным образом.

Однако законы электростатики исключают случайность. Молния подчиняется фундаментальному правилу: электрический ток всегда движется по пути наименьшего электрического сопротивления.

Как формируется грозовой разряд

Во время грозы в облаке происходит разделение электрических зарядов. Тяжелые ледяные крупицы и легкие кристаллы льда непрерывно сталкиваются в восходящих потоках воздуха. В результате нижняя часть облака накапливает мощный отрицательный заряд, а земная поверхность под облаком приобретает положительный наведенный заряд.

Воздух является изолятором, то есть средой, которая плохо проводит электрический ток. Однако по мере роста заряда разность потенциалов между облаком и землей увеличивается до десятков и сотен миллионов вольт. В определенный момент напряженность электрического поля превышает прочность воздуха как изолятора. Происходит электрический пробой.

Разряд начинается с движения так называемого ступенчатого лидера. Это невидимый глазом узкий канал ионизированного воздуха, который спускается из тучи к земле последовательными шагами длиной в несколько десятков метров. Лидер движется по траектории, где воздух ионизируется легче всего.

Когда ступенчатый лидер приближается к поверхности на расстояние в 100-200 метров, электрическое поле у земли становится экстремально сильным. С наиболее высоких и проводящих объектов навстречу лидеру устремляются ответные ионизированные каналы — встречные разряды. Тот встречный разряд, который первым соединится с лидером, замыкает электрическую цепь. В эту же секунду по сформированному проводящему каналу устремляется мощный основной ток, который человек и видит как яркую вспышку молнии.

Почему высокие объекты притягивают разряды

Поскольку воздух обладает высоким сопротивлением, электрическому заряду проще пройти лишние сотни метров по металлу, бетону или древесине, чем пробивать воздушную толщу. Высокий объект сокращает расстояние между землей и облаком.

Кроме того, на острых вершинах и углах высотных зданий электрическое поле концентрируется сильнее всего. Именно оттуда встречный разряд формируется быстрее, чем от плоской земли вокруг.

Это делает высокие строения постоянными проводниками для молний:

• В шпиль небоскреба Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке молния попадает в среднем 25 раз каждый год. За время наблюдений зафиксирован случай, когда во время одной мощной грозы шпиль принял восемь прямых ударов за 24 минуты.
• Телебашня Си-Эн Тауэр в канадском Торонто имеет высоту 553 метра. Ежегодно в нее ударяет от 70 до 80 молний.

Эти здания не получают повреждений, потому что инженеры рассчитывали проект с учетом законов физики. В конструкции башен заложены массивные медные и стальные проводники, которые принимают ток на вершине и мгновенно отводят его в систему заземления глубоко под фундаментом.

Молния не обладает механизмами памяти. Она не может избегать мест, куда уже попадала. Если в определенной точке ландшафта находится высокий электропроводящий объект, физические свойства среды делают его постоянной целью для следующих разрядов.

Миф 3: Красный цвет неба: научное объяснение древней приметы

Существует старинное правило, известное мореплавателям по всему миру: красное небо на закате предвещает хорошую погоду, а красное небо на рассвете предупреждает о дожде и ветре. Это наблюдение зафиксировано в письменных источниках тысячи лет назад, включая античные тексты и Новый Завет.

В отличие от мифа о простуде или молнии, это наблюдение подтверждается метеорологией. Правило работает, но не в силу мистических совпадений, а благодаря оптическим свойствам атмосферных газов и глобальному движению воздушных масс.

Чтобы понять, как цвет неба предсказывает погоду, нужно объединить два независимых физических явления: рассеяние света и зональный перенос воздуха.

Оптическая часть: рассеяние световых волн

Видимый солнечный свет представляет собой смесь электромагнитных волн разной длины. Самые короткие волны соответствуют фиолетовому и синему цветам (около 400 нанометров), а самые длинные — красному (около 700 нанометров).

Когда солнечный луч входит в атмосферу Земли, он сталкивается с молекулами азота и кислорода. Размеры этих молекул значительно меньше длины волны света. Английский физик лорд Рэлей математически доказал: интенсивность рассеяния света частицами такого размера строго зависит от длины волны. Короткие волны синей части спектра рассеиваются молекулами газов во все стороны примерно в десять раз сильнее, чем длинные волны красной части.

Именно поэтому дневное небо кажется человеку голубым: мы видим синие волны, многократно рассеянные атмосферой во всех направлениях.

Во время восхода и захода солнце находится у линии горизонта. В этом положении солнечные лучи входят в атмосферу по касательной. Луч должен пройти через слой воздуха, который в 10-12 раз толще, чем в полдень, когда солнце находится прямо над головой.

Проходя столь длинную дистанцию через плотные слои атмосферы, коротковолновый синий и зеленый свет рассеивается почти полностью и отклоняется в стороны. До глаз наблюдателя на поверхности земли доходят только самые устойчивые длинные волны — желтые, оранжевые и красные.

Метеорологическая часть: влияние давления и пыли

Сам по себе низкий угол солнца делает закат или рассвет желтоватым. Но насыщенный, багрово-красный цвет неба возникает только тогда, когда в воздухе присутствует большое количество твердых микрочастиц: пыли, солевых кристаллов и аэрозолей.

Такое состояние атмосферы характерно исключительно для зон высокого давления — антициклонов:

• В антициклоне воздух плавно опускается из верхних слоев к поверхности земли.
• Это нисходящее движение препятствует образованию облаков (поэтому при высоком давлении небо остается безоблачным).
• Одновременно опускающийся воздух прижимает к земле частицы пыли и влаги, концентрируя их в нижнем слое атмосферы.

Когда солнце светит сквозь сухой, плотный воздух антициклона, насыщенный взвесью частиц, рассеяние усиливается. Небо приобретает глубокий красный оттенок. Таким образом, ярко-красное небо — это прямой оптический признак зоны высокого атмосферного давления с сухим и стабильным воздухом.

Планетарная часть: движение ветров

Цвет неба указывает на то, где именно находится зона высокого давления относительно наблюдателя. Чтобы понять, куда эта зона будет двигаться дальше, нужно учесть направление глобальных ветров.

Из-за вращения Земли вокруг своей оси и действия силы Кориолиса в средних широтах планеты (между 30 и 60 градусами северной и южной широты) действует постоянный западный перенос. Это означает, что основные погодные системы — как зоны высокого давления (антициклоны), так и зоны низкого давления (циклоны с дождями и штормами) — перемещаются преимущественно с запада на восток.

В этот пояс средних широт входит практически вся континентальная Европа, центральная и южная части России, большая часть США, а также юг Австралии.

Теперь становится понятна логика морского правила:

1. Красный закат. Солнце заходит на западе. Если наблюдатель видит ярко-красный закат, значит, лучи заходящего солнца проходят сквозь сухой воздух с высоким давлением. Этот антициклон расположен прямо сейчас к западу от наблюдателя. Поскольку господствующие ветры дуют с запада на восток, зона сухой и ясной погоды неизбежно переместится в сторону наблюдателя в течение следующих 12-24 часов. Следовательно, следующий день будет ясным и спокойным.
2. Красный рассвет. Солнце встает на востоке. Красный восход показывает, что область сухого воздуха и высокого давления находится на востоке. Это означает, что антициклон уже прошел над наблюдателем, ушел на восток и продолжает удаляться. Поскольку погодные системы движутся последовательно, вслед за ушедшей зоной высокого давления с запада неизбежно движется зона низкого давления. Она несет с собой плотную облачность, падение давления, осадки и усиление ветра. Поэтому красный рассвет предупреждает о скором ухудшении погоды.

Где это правило не работает

Физическая основа этой приметы жестко привязана к географии. Она достоверна только там, где действует постоянный западный перенос воздушных масс.

В тропических широтах (ближе к экватору) циркуляция атмосферы устроена иначе. Там дуют пассаты — ветры, направленные с востока на запад. Кроме того, тропическая погода формируется не перемещением гигантских фронтов на тысячи километров, а локальным прогревом: влажный воздух быстро нагревается у поверхности океана, резко поднимается вверх и вызывает мощные дневные грозы прямо на месте.

В экваториальных и тропических регионах цвет утреннего или вечернего горизонта ничего не говорит о будущей погоде.

Заключение

Анализ метеорологических представлений показывает, как человеческий опыт на протяжении поколений накапливал полезные наблюдения, но часто делал неверные теоретические выводы.

Там, где люди пытались объяснить микробиологические процессы (как в случае с простудными заболеваниями) или природу электричества (в случае с ударами молний), интуиция заводила в тупик. Человек не способен увидеть вирусные частицы невооруженным глазом или проследить движение ионов в воздухе перед грозовым разрядом. В результате рождались правила, прямо противоречащие физическим законам.

В то же время при наблюдении за макроскопическими оптическими эффектами — такими как цвет горизонта — древние мореплаватели зафиксировали реальную физическую закономерность. Они связали спектральный состав солнечного света и перенос воздушных масс задолго до того, как ученые описали электромагнитные волны и термодинамику атмосферы.