Круговорот воды: вода в атмосфере

В настоящее время процесс под названием "круговорот воды" хорошо изучен. Другое название этого явления гидрологический цикл. Основная суть этого цикла состоит в том, что вода переходит из одного состояния в другое, при этом меняя не только состояние, но и часть окружающей нас среды. Поскольку круговорот воды - процесс установившийся, то количество воды, вышедшее из какого-нибудь процесса должно равняться количеству пришедшему в следующий процесс.

Испарение

Испарение - это процесс, в результате которого вода из океана или с поверхности Земли поступает в атмосферу. Тот же процесс, при котором испарение происходит с поверхности зеленых растений, называется транспирацией, а если молекулы воды переходят в газообразное состояние непосредственно с поверхности льда, то такой процесс называется возгонкой (сублимацией). Пары воды, которые в результате этих процессов пополняют количество газов, находящихся в атмосфере, увеличивают атмосферное давление.

Рассмотрим "закрытый сосуд, первоначально наполовину наполненный водой, над которой располагается сухой воздух, не содержащий паров воды. Молекулы воды находятся в хаотическом движении, кинетическая энергия которого зависит от температуры воды. Молекулы будут сталкиваться друг с другом, передавая друг другу часть энергии, и некоторые из них, находящиеся около поверхности жидкости, могут развить достаточную скорость, чтобы разорвать силы связи с другими молекулами воды и перейти в газообразную форму - водяной пар. Если уровень воды в сосуде поддерживать постоянным при помощи другого сообщающегося сосуда, объем, занимаемый воздухом, будет также оставаться неизменным, а масса воздуха будет увеличиваться за счет водяного пара, что приведет к увеличению давления, оказываемого воздухом на стенки сосуда. Та часть общего давления, которая обусловлена водяным паром, называется упругостью пара. Этот способ очень удобен для определения количества водяных паров, присутствующих в данном объеме воздуха. Альтернативным является так называемое отношение смеси влажного воздуха, то есть отношение массы водяного пара к массе сухого воздуха.

Молекулы водяного пара могут быстро двигаться в воздухе над поверхностью жидкости, при этом часть из них будет ударяться о жидкость и захватываться ею, переходя в жидкое состояние. Этот процесс называется конденсацией. Если систему оставить в таком состоянии на довольно длительное время, в ней установится равновесие, при котором процессы конденсации и испарения уравновесят друг друга; при этом количество водяного пара в воздухе будет оставаться постоянным. В таких случаях говорят, что воздух насыщен водяным паром; давление, которое при этом оказывают пары воды, называют упругостью насыщенного пара по отношению к водной поверхности. Поскольку кинетическая энергия молекул воды определяется температурой, упругость насыщенного пара также сильно зависит от температуры и с ее повышением все более и более увеличивается.

Ниже 0°С упругость насыщенного пара меньше над поверхностью льда, чем над поверхностью переохлажденной воды. (Воду можно охладить ниже 0°С, и при этом она не начнет замерзать, если в ней нет частиц, которые будут служить ядрами кристаллизации) В том случае, если не существует поверхности, на которой может происходить конденсация водяного пара, воздух станет перенасыщенным, но все же сохранит содержащееся в нем количество водяного пара.

Еще две характеристики количества водяных паров, присутствующих в единице объема воздуха, которые указывают на температуру, при которой будет происходить конденсация и на дополнительное количество водяного пара, которое может содержать воздух. Первая из этих характеристик называется температурой точки росы. Она определяется как температура. при которой некоторый объем воздуха - охлаждающийся при постоянном давлении, достигает состояния насыщения по отношению к воде.

Аналогичная температура относительно поверхности льда называется точкой замерзания.

Конденсация

В атмосфере над поверхностью воды или льда присутствует множество загрязняющих ее частиц, таких, как кристаллы соли, образовавшиеся при испарении брызг воды, пыль, занесенная из пустынь или образовавшаяся в результате вулканических извержений, а также частички от дыма пожаров. Эти частицы, на которых происходит конденсация, называются ядрами конденсации. Они различаются по своей способности вызывать конденсацию, но обычно в атмосфере бывает все же достаточное количество частиц, чтобы началась конденсация, как только влажность воздуха превысит 100%. Ядра, на которых происходит конденсация, даже если относительная влажность еще не достигла 100%, называются гигроскопическими ядрами. Это обычно растворимые соли или загрязняющие частицы индустриального происхождения. Конденсация также может происходить на поверхности земли в виде росы или, если температура опускается ниже 0°С и происходит сублимация, в виде инея.

Насыщение воздуха водяным паром, приводящее к конденсации, обычно происходит при его охлаждении. Чаще насыщение воздуха водяным паром происходит при охлаждении, которое может произойти на контакте с холодной поверхностью или же при подъеме воздуха вверх. В том случае, если воздух соприкасается с поверхностью, температура которой ниже его точки росы, и находится почти без движения, будет образовываться роса или иней. Но если поднимется слабый ветер, охлажденный воздух будет перемешиваться в тонком поверхностном слое. При достаточном охлаждении весь этот слой насыщается водяным паром, в результате чего образуется туман.

Более сильный ветер будет перемешивать более мощный слой воздуха, и поэтому едва ли можно предположить, что вся его масса охладится до точки росы. Следовательно, сильный ветер препятствует образованию тумана. По международной конвенции, о появлении тумана говорят в том случае, если дневная горизонтальная видимость за счет капель воды становится менее 1 км. Если имеется помутнение воздуха, но дальность видимости за счет капель воды несколько превышает 1 км, это явление называют дымкой. Если ухудшение видимости вызывается присутствием в воздухе твердых частиц пыли, такое явление называется мглой. Частицы дыма и твердые частицы пыли, выбрасываемые промышленными предприятиями, уменьшают видимость как непосредственно, так и косвенно в связи с тем, что они представляют собой гигроскопические ядра, способствующие конденсации. Этот густой смешанный туман называется смогом.

В соответствии с причиной, по которой нижележащая поверхность оказалась холоднее соприкасающегося с ней воздуха, различают два основных типа туманов.

1. Радиационный туман образуется над земной поверхностью в результате охлаждения ее длинноволновым излучением тепла в пространство в ночное время. Ночное охлаждение поверхности моря по сравнению с охлаждением поверхности суши очень незначительно. Благоприятными условиями для появления радиационного тумана является отсутствие облачного покрова и небольшая скорость ветра. Таким образом, такой туман образуется над земной поверхностью при небольшой скорости ветра во время ясных ночей и чаще всего когда приземные слои воздуха имеют высокую относительную влажность, а поверхность суши - холодная и влажная, как, например, болотистая местность в зимнее время. Поскольку воздух, содержащий туман, холодный и, следовательно, относительно плотный, он будет стремиться разместиться в ложбинах или же будет перемещаться по направлению к морю, в особенности над эстуариями рек. Обычно ранним утром солнечные лучи проникают через такой радиационный туман и, нагревая, рассеивают его. Но в том случае, если мощный слой такого тумана образовался над холодной поверхностью моря в зимнее время, когда поступление солнечного тепла весьма невелико, радиационный туман может продержаться весь день.2. Адвективный туман образуется в результате горизонтального перемещения относительно теплой воздушной массы над более холодной поверхностью суши или моря. Такой туман наиболее устойчив над морем, поверхность которого труднее нагревается слоем воздуха или солнечным теплом. Большинство морских туманов - адвективные. При сильном ветре и значительной разности между температурой воздуха и температурой нижележащей водной поверхности этот туман очень устойчив и простирается на высоту порядка 200 м над уровнем моря. Такое явление иногда встречается, например, на Большой Ньюфаундлендской Банке. Туда из района теплого Гольфстрима в район холодных вод Лабрадорского течения переносится воздух, обладающий высокой относительной влажностью. Можно предположить, что такие туманы могут образоваться над любой холодной поверхностью моря, если существует поверхностное течение или апвеллинг холодных вод, чаще всего весной или летом, когда температура воздуха наиболее высока и он насыщен водяным паром. Над сушей адвективные туманы чаще всего бывают зимой, при поступлении влажного морского воздуха на охлажденную поверхность. Но поскольку поверхность земли может нагреваться достаточно быстро, адвективный туман скоро рассеивается, если этому только не препятствуют процессы, способствующие образованию радиационного тумана.

Кроме этих двух основных типов существует несколько менее распространенных разновидностей туманов. Паровой туман, или "курение моря", возникает, когда масса холодного воздуха перемещается над морем и происходит постоянное быстрое испарение водяных паров. Воздух, соприкасающийся с поверхностью моря, получает тепло и одновременно насыщается водяными парами по отношению к температуре поверхностных вод. Затем он поднимается и смешивается с более холодными слоями, которые в очень незначительной степени могут насыщаться водяным паром, так что образуется перенасыщенная смесь и начинается конденсация. Такие туманы обычно стелются очень низко, и, так как для их образования нужно, чтобы разность температур между водой и воздухом была порядка 10°С, они, как правило, образуются на краю поля пакового льда при направлении ветра со стороны ледового поля.

Фронтальный туман, или туман смешения, образуется на границе между двумя воздушными массами с различными температурой и влажностью, каждая из которых близка к насыщению Образование такого тумана иллюстрируется линией DFE.

Туман склонов (восхождения) образуется вдоль склонов холмов или гор. В действительности это низкие облака, поэтому такой тип туманов лучше рассматривать в главе, посвященной облакам.

Образование облаков

Облака возникают в результате конденсации водяного пара в свободной атмосфере. Помимо рассмотренных выше процессов перемешивания, приводящих к насыщению, конденсация водяного пара в атмосфере происходит из воздуха, который в результате подъема адиабатически охладился до точки росы. Подъем же воздуха в атмосфере определяется тремя основными причинами. Когда движущийся в горизонтальном направлении воздух встретит на своем пути барьер в виде холмов или горных хребтов, он должен обойти его сверху или сбоку, если только он не накапливается позади этого барьера. Если барьер имеет не слишком малое горизонтальное простирание, воздух сначала начнет опускаться и скапливаться позади него, однако следующая воздушная масса будет вынуждена подниматься выше барьера, чтобы преодолеть его. Если воздушная масса поднялась над таким орографическим барьером на 500 м и если при этом не произошло насыщения, ее температура понизится на 5°С. Возможно, на некоторых уровнях воздушная масса достигнет точки росы и при этой степени охлаждения, что приведет к формированию облаков. На других же уровнях точка росы не будет достигнута. В воздушном потоке за препятствием могут развиться колебания, известные под названием подветренных волн. В ходе волнообразного процесса в поднимающемся вверх воздухе происходит конденсация водяного пара и могут возникнуть неподвижные двояковыпуклые (линзовидные) облака; при опускании воздуха происходит испарение конденсата.

Второй из причин подъема воздуха является горизонтальная конвергенция воздушных масс. Если это происходит в достаточно крупном масштабе, то на этот процесс влияет вращение Земли, что приводит к образованию циклонов. Часто в средних и высоких широтах в результате этого в соприкосновение вступают две различные воздушные массы. При этом одна из них, обладающая меньшей плотностью, поднимается вверх. Такой подъем воздуха вдоль границы, или фронта, который разделяет различные воздушные массы, обычно называется фронтальным подъемом.

Третьей причиной является нагревание воздуха вблизи поверхности Земли, в результате чего он становится менее плотным и поднимается вверх. Этот процесс называется конвекцией. В главе 6 будут рассмотрены факторы, контролирующие то состояние, при котором воздушный столб оказывается неустойчивым и начинается конвекция, а также процессы, определяющие высоту, которой достигает конвекция. В жаркий солнечный день воздух в горах может прогреться в достаточной мере и вызвать конвекцию, но этот процесс может начаться и под воздействием другой причины-наличия воздушной массы, которая поднялась над орографическим барьером. В данном случае имеется уже не одна, а две причины, приводящие к подъему воздуха.

Типы облаков

Облака обычно классифицируют по форме, по тому, содержат ли они капли воды или кристаллы льда, по высоте расположения основания и степени вертикального развития. Перистые облака преимущественно состоят из ледяных кристаллов (так называемые ледяные облака). Поскольку кристаллы льда образуются и сублимируют довольно медленно, форма перистых облаков дает возможность различать вертикальные градиенты ветра, существующие на этой высоте. Перистые облака, с характерными резко загнутыми краями, указывают на очень сильные вертикальные сдвиги в воздухе. Перисто-слоистые облака отличаются от высококучевых облаков смешанного строения волнистым краем, а также появлением гало вокруг Солнца или Луны, которое можно увидеть сквозь тонкий слой перисто-слоистых облаков в результате рефракции света на кристаллах льда. Водяные облака обладают, напротив, резко очерченными краями. Слоистые облака образуются на сравнительно небольшой высоте; обычно их основание находится ниже двух километров. Если слоистые облака образуют мощный слой и из них непрерывно идет дождь, их называют слоисто-дождевыми. Слоисто-кучевые и высококучевые облака отличаются главным образом по высоте, на которой находятся их основания; слоисто-кучевые облака обычно более мощные, и между отдельными облаками, как правило, остается меньше чистого пространства, чем у высококучевых. Они могут образовываться соответственно из слоистых и высокослоистых в результате турбулентного или конвективного перемешивания.

Кучево-дождевые облака характеризуются большой вертикальной мощностью. Заметной мощности могут иногда достигать и кучевые облака. Оба эти рода облаков относятся к водяным облакам нижнего яруса, но верхняя часть кучево-дождевого облака, из которого выпадают сильные дожди, состоит из ледяных кристаллов. Международный атлас облаков включает также род перисто-кучевых облаков, однако эти облака-водяные, в то время как все перистые облака являются ледяными. Поэтому некоторые авторы предпочитают опускать этот род облаков и относить их к одному из перечисленных ранее типов: перистых, перисто-слоистых или высококучевых. Более подробную классификацию облаков можно найти в упоминавшемся атласе.

Различные процессы в атмосфере приводят к формированию облаков различных типов. Устойчивый подъем воздуха на большой площади, обусловленный орографическим эффектом или фронтальным подъемом, приводит к формированию на соответствующих высотах слоистых облаков. Конвекция вызывает образование кучевых или кучево-дождевых облаков; в результате турбулентного перемешивания могут образовываться слоистые или (чаще) слоисто-кучевые облака в том случае, если турбуленция захватила поверхностный слой, или же высококучевые облака, если они образовались на большой высоте, например в результате значительного изменения скорости ветра на высоте.

Образование осадков

Типичные водяные облака состоят из мельчайших водяных капель со средним радиусом около 10 мк. В спокойной атмосфере такие капли имеют скорость падения около 0,01 м/сек, поэтому, если воздушная масса медленно поднимается приблизительно с такой же скоростью, капли остаются взвешенными в воздухе примерно на одной и той же высоте. Если воздушная масса "перестанет подниматься, то капли воды, радиус которых примерно вдвое больше среднего радиуса, могут достичь поверхности Земли приблизительно за полчаса, если облако расположено на высоте 100 м. Этого времени более чем достаточно для того, чтобы все капли испарились, прежде чем они достигнут Земли.

Дождевые капли, которые достигают поверхности Земли, обычно имеют радиус около 1 мм. Таким образом, они содержат в 10^б раз больше воды, чем средние капли водяного облака. Чтобы капли достигли этих размеров только в результате конденсации, потребовалось бы несколько часов. Но в воздухе обычно количество водяного пари бывает недостаточным, чтобы облачные капли могли достичь размеров дождевых капель. Осадки образуются в облаке примерно в течение часа, и поэтому должны существовать процессы, которые позволяют некоторым каплям расти за счет других или же которые приводят к коагуляции капель. Исследованию этих процессов посвящено много работ, в которых проверялись самые разнообразные гипотезы. В настоящее время существуют две теории, которые объясняют большинство причин, приводящих к росту капель в облаках.

Первая теория привлекает для объяснения роста капель механизм столкновения между ними. Беспорядочное турбулентное движение, происходящее в облаке, приводит к столкновению капель. Но если сталкиваются капли примерно одного размера, вероятность того, что они разобьются или коагулируют, примерно равна. Однако если облако содержит капли разных размеров (что скорее может быть обусловлено различными размерами ядер конденсации, а не столкновением между ними), капли будут двигаться относительно друг друга, поскольку будут отличаться скорости их падения. Более крупные капли будут двигаться вниз относительно менее крупных. Процесс, в результате которого капли сталкиваются и абсорбируют более мелкие капли, называется "радиальным". Все эти процессы наиболее эффективны в тропических кучевых облаках значительной мощности, когда в воздухе развиты сильные восходящие потоки, а содержание влаги высоко.

Вторая теория, известная под названием теории Бержерона-Финдайзена, основывается на различных значениях упругости насыщенного водяного пара по отношению к поверхности льда и к переохлажденной водной поверхности. Ледяные ядра, на которых замерзание происходит при температуре выше - 30°С, встречаются в атмосфере в не очень больших количествах. В облаках при преобладающих там температурах от - 12 до - 30°С обычно существует смесь кристаллов льда и капель переохлажденной воды. Поскольку при одной и той же температуре упругость насыщенного водяного пара по отношению к льду меньше, чем по отношению к переохлажденной воде, воздух может быть насыщен по отношению к льду, хотя относительная влажность составляет менее 100% над водой, что приводит к испарению воды. В данном случае кристаллы льда растут за счет капель воды и вскоре достигают достаточных размеров, чтобы выпадать из облаков. Они сталкиваются с каплями воды, в результате чего начинается их эффективное слияние. По пути к поверхности земли кристаллы льда могут растаять в теплом воздухе и достигнут ее в виде дождя. Однако одни из них выпадут в виде снега или крупы (дождя со снегом), а другие могут быть подхвачены после таяния восходящим потоком и снова замерзнут. Это может многократно повториться, и в конце концов такие частицы выпадут на землю в виде града. Описанный процесс чаще всего происходит в средних и высоких широтах, однако он не приемлем для объяснения процессов выпадения осадков из облаков в тропической зоне, температура в которых выше точки замерзания.

Литература

1. Гвоздецкий Н.А. Основные проблемы физической географии. - М., 1989

2. Зубов С.М. Основы геофизики ландшафта. - Минск, 1985

3. Одум Ю. Основы экологии. - М., 1995

4. Рябчиков А.М. Структура и динамика геосферы. - М., 2002

5. Преображенский В.С. Поиск в географии. - М., 1989