Вода в атмосфере

Вода, входящая состав воздуха, находится в нём в газообразном (водяной пар ), жидком и твёрдом состояниях. Она попадает в воздух за счёт испарения с поверхности океанов и суши, а также вследствие транспирации растений. Испарению способствует прежде всего температура, отчасти ветер. Приземные слои воздуха, обогащённые водяным паром, поднимаются вверх. Вследствие понижения температуры поднимающегося воздуха содержание водяного пара в нём в конце концов становится предельно возможным, происходит его конденсация или сублимация, образуются облака.

Облака состоят из взвешенных в воздухе капель воды или кристаллов льда, либо и тех и других. Пока облака малы и легки, их поддерживают восходящие потоки воздуха. Укрупняясь. Капли и кристаллы выпадают на землю в виде осадков: дождя, снега, града и т.д. Так происходит непрерывный круговорот воды между земной поверхностью и атмосферой.

Вся вода нашей планеты проходит цикл расщепления в растительных клетках и восстановления в животных клетках примерно за два миллиона лет. Весь кислород атмосферы проходит через живое вещество примерно за 20000 лет. Продолжительность цикла круговорота двуокиси углерода составляет 300 лет.

Количество выпадающих осадков зависит от влажности воздуха, т.е. содержания в нем водяного пара. Здесь необходимо ввести понятие абсолютной влажности воздуха (а) -это количество водяного пара, в 1 м³ воздуха. Абсолютная влажность воздуха близка к упругости водяного пара, поэтому ее часто выражают в миллиметрах или миллибарах - е. Насыщающая упругость водяного пара Е_w –наибольшее количество водяного пара, которое может содержаться в 1 м³ воздуха при данной температуре. И абсолютная влажность воздуха и насыщающая упругость водяного пара пропорциональны температуре воздуха. Отношение абсолютной влажности воздуха к насыщающей упругости водяного пара, выраженное в процентах, называется относительной влажностью-f. Например, в1 м³ воздуха содержится 10 мм водяного пара, а могло бы содержаться при данной температуре 25 мм. При этом относительная влажность воздуха равна х 100% = 40%. Это значит, что воздух на 40% насыщен водяным паром, до полного насыщения не хватает 60%. Чем больше относительная влажность воздуха, т.е. чем ближе воздух к состоянию насыщения, тем вероятнее выпадение осадков. Поднимаясь вверх и охлаждаясь, такой воздух быстрее достигает точки росы- температуры, при которой его относительная влажность становится равной 100%. Образуются облака.

Облачность выражают в баллах по 10-бальной системе. Например, 0 баллов- небо ясное, 3 балла-30% небесного свода покрыто облаками, 10 баллов- все небо закрыто облаками.

Количество выпадающих осадков зависит прежде всего от абсолютного благосостояния воздуха. Например, при почти одинаковой годовой величине абсолютной влажности воздуха на экваторе и в приполярных районах (около 70-80%) осадков на экваторе выпадает 2000 мм/год и более (абсолютная влажность воздуха 25-30мм), а в приполярных районах около 100-200 мм (абсолютная влажность 1-3мм).

Для измерения количества выпавших осадков применяются дождемеры и осадкомеры различной конструкции. Дождемер-это металлическое цилиндрическое ведро высотой 40 см и площадью поперечного сечения 500 см². В него вставлена диафрагма для предохранения воды от испарения. Ниже ее расположен носик для выливания воды в специальный измерительный стакан с делениями. Твердые осадки (снег, град, крупа) предварительно растапливают. Вокруг ведра имеется специальная защита для уменьшения завихрения воздуха.

Осадкомер в отличие от дождемера имеет площадь сечения 200 см², а его защита состоит из пластин. Для регистрации жидких осадков существует и прибор-самописец – плювиограф. Суточные осадки суммируются. Чем длиннее ряд наблюдений и измерений, тем точнее их месячная и соответственно годовая норма.

По характеру выпадения различают ливневые осадки (они интенсивны, непродолжительны, захватывают небольшую площадь), обложные осадки (средней интенсивности, равномерны, длительны - могут продолжаться сутками, захватывают большие площади), моросящие осадки (мелкокапельные, как бы взвешенные в воздухе, дают мало осадков). Характер выпадения осадков очень важен. От него зависит, сбегают ли воды по поверхности, размывая почвы, или же просачиваются в грунт и пополняют запасы подземных вод.

По происхождению различают конвективные, фронтальные и орографические осадки (рис. 4). Конвективные осадки характерны для жаркого пояса, где интенсивны нагрев и испарение, но летом нередко бывают и в умеренном поясе. Фронтальные осадки образуются при встрече двух воздушных масс с разной температурой и иными физическими свойствами, выпадают из более теплого воздуха, образующего циклонические вихри, типичны для умеренного и холодного поясов. Орографические осадки выпадают на ветреных склонах гор, особенно высоких. Они обильны, если воздух идет со стороны теплого моря и обладает большой абсолютной и относительной влажностью (рис. 5).

Годовой ход осадков, то есть измерение их количества по месяцам не одинаков. Можно наметить несколько основных типов годового хода осадков и выразить их в виде столбиковых диаграмм (рис. 6).

Рис. 4.. Типы осадков по происхождению: I – конвективные, II- фронтальные,

III – орографические; ТВ – теплый воздух, ХВ – холодный воздух

Рис. 5. Среднее распределение годовых сумм осадков (мм).

Рис. 6. Типы годового хода осадков: 1 – экваториальный, 2 – муссонный, 3 – средиземноморский, 4- континентальный умеренных широт, 5 – морской умеренных широт

Экваториальный тип – осадки выпадают довольно равномерно весь год, сухих месяцев нет, лишь после дней равноденствия отмечаются два небольших максимума – в апреле и в октябре – и после дней солнцестояния два небольших минимума –в июле и январе. Муссонный тип – максимум осадков летом, минимум зимой. Свойственен субэкваториальным широтам, а также восточным побережьям материков в субтропических и умеренных широтах. Общее количество осадков при этом постепенно уменьшается от субэкваториального к умеренному поясу. Средиземноморский тип – максимум осадков зимой, минимум – летом. Наблюдается в субтропических широтах на западных побережьях и внутри материков. Годовое количество осадков постепенно уменьшается к центру континентов. Континентальный тип осадков умеренных широт – в теплый период осадков в два-три раза больше, чем в холодный. По мере возрастания континентальности климата в центральных областях материков общее количество осадков уменьшается, а разница летних и зимних осадков увеличивается. Морской тип умеренных широт – осадки распределяются равномерно в течение года с небольшим максимумом в осенне-зимнее время. Их количество больше, чем наблюдается для этого типа.

Линии на карте, соединяющие точки с одинаковым количеством осадков за определенный период времени (например год) называются изогиетами.

Географическое распространение осадков по земной поверхности зависит от совокупности действия ряда условий: температуры, испарения, влажности воздуха, атмосферного давления, распределения суши и моря, господствующих ветров и др.

Атмосферные осадки распространяются зонально (см. рис. 5). В экваториальной зоне выпадает наибольшее количество осадков – 1000-2000 мм и более, так как там весь год наблюдаются высокие температуры, большое испарение и господствуют восходящие тока воздуха. В тропических широтах количество осадков уменьшается до 300-500 мм, а во внутренних пустынных областях материков составляет менее 100 мм. Это результат преобладания высокого давления с нисходящими токами воздуха, нагревающегося при этом и удаляющегося от состояния насыщения. Здесь лишь на восточных побережьях материков, омываемых теплыми течениями, значительны осадки, особенно летом. В умеренных широтах количество осадков вновь увеличивается до 500-1000 мм, особенно на западных побережьях материков, перед горами, так как там весь год преобладают западные ветры со стороны океанов с теплыми течениями (перед Кордильерами, Альпами, Скандинавскими горами и т.д.). В полярных районах, несмотря на большую облачность, выпадает всего 100-200 мм осадков в виду малого содержания влаги в воздухе из-за низких температур.

Максимум годового количества осадков приходится приходится на предгорья Гималаев. В Северной Индии, в Черрапуджи, оно составляет 12660 мм/год (т.е. 23 м). Второе наиболее влажное место на Земле – Гавайские острова (до 12500 мм/год). Минимальное количество осадков выпадает в тропических пустынях: в Сахаре (Асуан) – 1 мм/год.

Однако количество выпадающих осадков еще не определяет условий увлажнения. Так, в заболоченной тундре и в пустынях средней Азии выпадает около 200 мм осадков. Для оценки условий увлажнения надо учитывать не только выпадающие осадки, но и испаряемость – максимально возможное испарение, которое определяется температурой. Характер увлажнения выражают коэффициентом увлажнения (К) – отношением осадков и испаряемости за один и тот же период, выражается он дробью или в процентах.

Увлажнение тоже зонально. Обычно выделяются зоны избыточного увлажнения (К>1), нормального увлажнения (К1), недостаточного увлажнения (К<1). Коэффициент увлажнения определяет тип природно-растительных зон: при К>1 произрастают леса; К1 – лесостепи, саванны; 0,3<K<1 – луговые и сухие степи; 0,1<K<0,3 – полупустыни; К<0,1 – пустыни.