Почему с набором высоты климат в горах может так быстро измениться?

У подножия склона может быть тепло и сухо. Часом выше начинается влажный лес, ещё выше — субальпийские луга, а над ними даже в июле лежат снежники. По карте между этими местами всего несколько километров. Почему климат меняется так резко, будто мы перенеслись на тысячу километров к северу?

Не потому, что ближе к Солнцу

Разница в расстоянии до Солнца между подножием и вершиной — несколько километров из ста пятидесяти миллионов. Она не значит ничего.

Дело в другом: атмосфера нагревается снизу. Солнечные лучи почти без потерь проходят сквозь прозрачный воздух, поглощаются землёй, и уже нагретая поверхность отдаёт тепло воздуху — излучением и конвективным перемешиванием. Чем дальше от этой «печки», тем холоднее. Поэтому в тропосфере температура падает с высотой в среднем на 6,5 градуса на километр.

Почему поднимающийся воздух остывает сам

Есть и второй, более быстрый механизм. С высотой падает атмосферное давление: над нами остаётся всё меньше воздуха, и его вес слабее давит вниз.

Порция воздуха, поднимаясь по склону, попадает в область меньшего давления и расширяется. На расширение нужна энергия, а взять её неоткуда — воздух плохо проводит тепло и обменяться им с соседями не успевает. Энергия берётся из собственных внутренних запасов порции, и она остывает. Такое охлаждение называют адиабатическим, и оно идёт со скоростью почти ровно 9,8 градуса на километр.

Здесь легко ошибиться, и ошибаются часто. 9,8 — это скорость остывания конкретной поднимающейся порции. 6,5 — то, как в среднем устроена неподвижная атмосфера вокруг. Величины разные, и путать их нельзя: именно из их соотношения синоптики определяют, будет ли воздух подниматься сам и строить грозовые облака или ляжет обратно на склон.

1. сухой воздух остывает на 9,8 °C на каждый километр (размеры шариков преувеличены)
2. поднимается — расширяется — остывает
3. у земли: тёплый, сжатый

Почему облако замедляет охлаждение

Пока воздух сухой, он остывает на градус за каждые сто метров подъёма. Но, охлаждаясь, он приближается к насыщению — и пар начинает конденсироваться в капли.

При конденсации выделяется скрытая теплота. Она подогревает порцию изнутри и частично гасит адиабатическое охлаждение. Насыщенный воздух остывает уже медленнее — примерно на 4–7 градусов на километр.

Именно здесь гора превращается из препятствия в машину погоды. Влажный поток вынужденно поднимается по наветренному склону, охлаждается, доходит до насыщения — и на склоне вырастают облака, а из них выпадают дождь или снег. Такие осадки называют орографическими.

Почему два склона одной горы разные

Перевалив хребет, воздух опускается. Давление растёт, воздух сжимается и адиабатически нагревается. А влагу он частично оставил на той стороне. Подветренный склон оказывается заметно суше — это явление называют дождевой тенью. Иногда к сухости добавляется и тепло: тогда с гор дует фён, тёплый сухой ветер.

В Алтае-Саянской горной области дождевая тень видна отчётливо: северо-западные макросклоны, обращённые к влагонесущему ветру, увлажнены гораздо лучше южных и юго-восточных подветренных склонов.

1. насыщенный остывает медленнее: 4–7 °C/км
2. наветренный склон: облако, дождь, влажный
3. подветренный: воздух опускается, сухо и теплее

Где правило ломается

Ясной тихой ночью склон быстро излучает тепло в небо и остывает. Охлаждённый воздух становится плотнее — он стекает вниз и копится на дне долины. К утру в котловине холоднее, чем на двести метров выше по склону. Это температурная инверсия, и потому горные сады и посёлки обычно избегают самых глубоких замкнутых впадин — морозобойных ям.

Работает и экспозиция. В Северном полушарии южный склон получает больше прямых лучей и прогревается сильнее, а северный дольше остаётся в тени. На одной и той же высоте с южного склона снег сходит раньше, лес поднимается выше, а почва суше.

Так что высота — это не рубильник «холоднее». Гора создаёт не плоскую лестницу из одинаковых ступеней, а сложную мозаику местных климатов.

Правило «в горах на километр холоднее на шесть градусов» удобно и почти всегда работает. Разбираться стоит именно в том, где оно не работает и почему.

1. Две скорости, которые постоянно путают

Γ_d = g/c_p ≈ 9,8 °C/км — сухоадиабатический градиент. Это скорость охлаждения порции, поднимающейся без теплообмена и не достигшей насыщения. Величина строго выводится из первого начала термодинамики и, по сути, является константой: ускорение свободного падения, делённое на удельную теплоёмкость воздуха при постоянном давлении.

Около 6,5 °C/км — вертикальный температурный градиент окружающей среды. Это не физический закон, а статистический результат измерений. Он меняется от сезона к сезону, от утра к вечеру, а в слоях инверсии вообще становится отрицательным.

Сравнение этих двух величин — критерий статической устойчивости атмосферы. Если окружающая среда остывает с высотой медленнее, чем поднимающаяся порция, то порция быстро становится холоднее соседей и опускается обратно: атмосфера устойчива. Если быстрее — поднявшаяся порция оказывается теплее окружения, и архимедова сила выталкивает её дальше вверх. Так рождается свободная конвекция.

2. Влажный градиент — не число, а функция

Величина 4–7 °C/км — не константа, а характеристика, сильно зависящая от температуры. Причина в уравнении Клаузиуса — Клапейрона: количество пара, которое воздух может нести до насыщения, растёт с температурой экспоненциально.

В тёплом влажном воздухе пара много, скрытой теплоты при конденсации выделяется много, охлаждение гасится сильно. В морозном воздухе пара почти нет, гасить расширение нечем, и влажный градиент подтягивается вплотную к сухому.

Отсюда практическое следствие: одна и та же гора летом и зимой работает как разные машины. Летом наветренный склон гасит охлаждение и выжимает много осадков; в морозы разница между сухим и влажным подъёмом почти исчезает.

3. Фён рождается не только из осадков

Классическое объяснение тёплого сухого ветра — то самое, что дано на первом уровне: воздух отдал влагу на наветренной стороне, а спускается уже по сухоадиабатическому закону и потому нагревается быстрее, чем остывал. Эту схему предложил Юлиус фон Ханн ещё в 1866 году, и она до сих пор стоит в школьных учебниках.

За последние два десятилетия выяснилось, что это лишь одна из причин, и часто не главная. Чаще работает аэродинамический механизм — изоэнтропическое опускание. Хребет блокирует приземный холодный слой на наветренной стороне, не пропуская его через себя, и на подветренную сторону перетекает воздух с бо́льших высот, изначально более сухой и потенциально более тёплый. Никаких осадков для этого не требуется: сильные фёны наблюдают и там, где на наветренной стороне не выпало ни капли.

4. Высота — это не одна переменная

Правило «километр вверх примерно равен тысяче километров на север» — не просто метафора, у него есть проверяемое биологическое содержание. Биоклиматический закон Хопкинса, выведенный в начале XX века по фенологическим наблюдениям, гласит: весенние события — распускание почек, вылет насекомых — сдвигаются на четыре дня при подъёме на каждые 122 метра. Километр даёт около месяца задержки, ровно столько же, сколько тысяча километров к северу. На тропе это видно глазами: внизу уже отцвело, наверху только начинается.

Но как объяснение правило подменяет одну логику другой. С высотой меняется сразу несколько независимых параметров.

Давление падает, а с ним и парциальное давление кислорода. Доля кислорода в воздухе остаётся прежней — 21% и у подножия, и на вершине, — но на высоте 2000 метров общее давление составляет около 78% от уровня моря, и ровно во столько же раз меньше кислорода приходится на каждый вдох.

Ультрафиолета становится больше примерно на 10% с каждым километром: слой рассеивающего воздуха над головой тоньше. А снежник добавляет к этому отражённый свет — свежий снег отражает до 80–90% ультрафиолета, и на леднике доза может оказаться вдвое выше, чем в бесснежной долине рядом.

Ветер усиливается, потому что гребни открыты потоку. Снежный сезон удлиняется.

А вот длина светового дня с высотой не меняется совсем — в отличие от движения к полюсам. Именно поэтому высотные пояса и широтные зоны лишь похожи, но не тождественны: растение на альпийском лугу живёт при южной длине дня и обильном ультрафиолете, но при приполярной температуре. Такого сочетания на равнине нет нигде.

5. Холод, который течёт вниз

Стекание выхоложенного воздуха по склону — катабатический сток — тот же плотностной процесс, что наполняет туманом речные долины и гонит ночной береговой бриз с суши на воду. Плотный холодный воздух ведёт себя как жидкость: сползает по рельефу и заполняет замкнутые понижения снизу вверх.

Отсюда парадокс, который знает всякий горный садовод. Выше дна котловины, но ниже вершины лежит полоса, куда холодный воздух уже стёк, а сама она осталась тёплой. Её называют тёплым поясом склона, и заморозков там может не быть тогда, когда внизу они уже прошли.

В глубоких котловинах высотная поясность из-за этого переворачивается: холодостойкий пояс лежит не сверху, а на дне ямы, а теплолюбивые растения селятся на склонах над ним.

Дополнение редакции. Этот уровень написан по двум предыдущим и эксперт (Е.А. Песня) его не проверял. Проверенный текст — во вкладках «Кратко» и «Как это работает».

Кто это заметил и кто посчитал. Александр Гумбольдт в 1802 году поднялся на Чимборасо в Андах до 5900 метров — выше, чем кто-либо до него, — и нарисовал гору в разрезе с поясами растительности: пальмы внизу, дубы, хвойные, травы, снег. Он первым сказал прямо: подъём на километр меняет климат так же, как переезд на тысячу километров к полюсу. Почему — объяснила термодинамика полвека спустя: Уильям Томсон в 1862 году вывел, что расширяющийся без подвода тепла газ остывает, и вычислил те самые 9,8 градуса на километр из первых принципов:

$$\Gamma_d=\frac{g}{c_p}=\frac{9{,}8}{1005}\ \frac{\text{К}}{\text{м}}\approx 9{,}8\ \frac{\text{К}}{\text{км}}$$

модель

То есть в формуле нет ни одной подобранной константы: только ускорение свободного падения и теплоёмкость воздуха. Её мог вывести любой, кто знал закон сохранения энергии, — и Томсон вывел, сидя в Глазго, а не на горе.

Вывод короткий. Без подвода тепла первое начало для порции воздуха даёт $\rho c_p\,dT = dP$, а в покоящейся атмосфере давление убывает с высотой как $dP = -\rho g\,dz$. Плотность сокращается: $c_p\,dT = -g\,dz$, откуда $dT/dz = -g/c_p$¹.

Почему в горах не 9,8, а 6,5. Средний градиент в тропосфере — 6,5 °C/км — меньше сухоадиабатического: воздух в среднем влажный, конденсация греет, а излучение и перемешивание сглаживают. Разница между 9,8 и 6,5 — запас устойчивости: если поднять сухой объём, он остынет на 9,8 и окажется холоднее окружения на 3,3 градуса на километр — и опустится обратно. Так атмосфера сама себя успокаивает; гроза начинается там, где влажный градиент оказывается меньше градиента окружения, и объём, поднявшись, остаётся теплее соседей.

Фён: тёплый ветер с ледника. На подветренном склоне воздух опускается сухим и греется на все 9,8 °C/км. В Альпах за час температура поднимается на 10–15 градусов, снег тает за сутки. Юлиус Ханн в 1866 году объяснил это через конденсацию на наветренной стороне — латентное тепло остаётся в воздухе, а вода уходит дождём. Полтора века этот ответ был в учебниках.

Границы этого рассуждения.

• 9,8 — для сухого воздуха и без перемешивания. Влажный градиент — от 4 до 7 °C/км и зависит от температуры; в тропиках у земли он ближе к 4, в морозы — почти как сухой.
• 6,5 — среднее по планете. Над пустыней днём градиент у земли больше сухоадиабатического, зимней ночью в долине — отрицательный: у земли холоднее, чем на склоне. Инверсия ломает правило «выше — холоднее» на первых сотнях метров.
• Пояса Гумбольдта — не константы. Граница леса в Альпах около 2000 м, на Кавказе 2500, в Андах у экватора 4000: высота пояса зависит от широты и от того, с какой стороны океан.

О чём спорят. Откуда берётся тепло фёна, снова обсуждают: ханновская конденсация — не единственный механизм. В 2016 году Элвидж и Ренфрю показали, что во многих случаях главное — не дождь на наветренной стороне, а то, что через хребет переваливает воздух с большей высоты, уже потенциально тёплый, и просто опускается; конденсация добавляет меньше половины. Какой механизм главный — зависит от хребта и погоды, и для конкретного фёна это нужно считать заново².

Открытый вопрос. Горы теплеют быстрее равнин: за последние десятилетия во многих хребтах потепление на высоте 2–4 км идёт быстрее, чем внизу. Сходящий снег меняет отражение, влажность на высоте растёт — но ни один из механизмов пока не объясняет измеренную разницу целиком.