Гл а в а 8
Вода в атмосфере
Испарение и испаряемость
Вода, входящая в состав воздуха, находится в нем в газообразном, жидком и твердом состоянии. Она попадает в воздух за счет испарения с поверхности водоемов и суши (физическое испарение), а также вследствие транспирации (испарение растениями), которая является физико-биологическим процессом. Приземные слои воздуха, обогащенные
Рис. 37. Средние годовые значения испарения с подстилающей поверхности (мм/год)
водяным паром, становятся легче и поднимаются вверх. Вследствие адиабатического понижения температуры поднимающегося воздуха содержание водяного пара в нем, в конце концов, становится предельно возможным. Происходит конденсация, или сублимация, водяного пара, образуются облака, а из них - осадки, выпадающие на землю. Так совершается круговорот воды. Водяной пар в атмосфере обновляется в среднем примерно каждые восемь суток. Важным звеном круговорота воды является испарение, которое заключается в переходе воды из жидкого или твердого агрегатного состояния (возгонка) в газообразное и поступлении невидимого водяного пара в воздух.
Испарение показывает фактическое количество испаряющейся воды в отличие от ис-
1 Влажный воздух немного легче сухого, так как он менее плотный. Например, насыщенный водяным паром воздух при температуре 0° и давлении 1000 мб менее плотен, чем сухой, - на 3 г/м (0,25%). При более высокой температуре и соответственно большем влагосодержании эта разница увеличивается.
паряемости - максимально возможного испарения, не ограниченного запасами влаги. Поэтому над океанами испарение практически равно испаряемости. Интенсивностью или скоростью испарения называется количество воды в граммах, испаряющееся с 1 см поверхности в секунду (V=r/см2 в с). Измерение и вычисление испарения - трудная задача. Поэтому на практике испарение учитывают косвенным способом - по величине слоя воды (в мм), испарившейся за более длительные промежутки времени (сутки месяц). Слой воды в 1 мм с площади 1 м равен массе воды 1 кг. Интенсивность испарения с водной поверхности зависит от ряда факторов: 1) от температуры испаряющей поверхности: чем она выше, тем больше скорость движения молекул и большее их число отрывается от поверхности и попадает в воздух; 2) от ветра: чем больше его скорость, тем интенсивнее испарение, так как ветер относит насыщенный влагой воздух и приносит более сухой; 3) от дефицита влажности: чем она больше, тем интенсивнее испарение; 4) от давления: чем оно больше, тем меньше испарение, так как молекулам воды труднее оторваться от испаряющей поверхности.
Рассматривая испарение с поверхности почвы, надо учитывать такие ее физические свойства, как цвет (темные почвы из-за большого нагрева испаряют больше воды), механический состав (у суглинистых почв выше, чем у супесчаных, водоподъемная способность и интенсивность испарения), влажность (чем почва суше, тем слабее испарение). Важны и такие показатели, как уровень грунтовых вод (чем он выше, тем больше испарение), рельеф (на возвышенных местах воздух подвижнее, чем в низинах), характер поверхности (шероховатая по сравнению с гладкой обладает большей испаряющей площадью), растительность, которая уменьшает испарение с почвы. Однако растения сами испаряют много воды, забирая ее из почвы с помощью корневой системы. Поэтому в целом влияние растительности многообразное и сложное.
На испарение затрачивается тепло, в результате чего температура испаряющей поверхности понижается. Это имеет большое значение для растений, особенно в экваториально-тропических широтах, где испарение уменьшает их перегрев. Южное океаническое полушарие холоднее северного отчасти по этой же причине.
Суточный и годовой ход испарения тесно связан с температурой воздуха. Поэтому максимум испарения в течение суток наблюдает-
ся около полудня и хорошо выражен лишь в теплое время года. В годовом ходе испарения максимум приходится на самый теплый месяц, минимум - на холодный. В географическом распределении испарения и испаряемости, зависящих прежде всего от температуры и запасов воды, наблюдается зональность (рис. 37).
В экваториальной зоне испарение и испаряемость над океаном и сушей почти одинаковы и составляют около 1000 мм в год.
В тропических широтах их среднегодовые значения максимальные. Но наибольшие значения испарения - до 3000 мм отмечаются над теплыми течениями, а испаряемость 3000 мм - в тропических пустынях Сахары, Аравии, Австралии при фактическом испарении около 100 мм.
В умеренных широтах над материками Евразии и Северной Америки испарение меньше и постепенно уменьшается с юга на север из-за снижения температур и в глубь материков ввиду уменьшения влагозапасов в почве (в пустынях до 100 мм). Испаряемость в пустынях, наоборот, максимальная - до 1500 мм/год.
В полярных широтах испарение и испаряемость малы - 100 - 200 мм и одинаковы над морскими льдами Арктики и над ледниками суши.
Влагооборот
Начальным источником атмосферной влаги служит Мировой океан, с поверхности которого вода испаряется. Часть ее конденсируется в облаках и выпадает в виде в виде осадков тут же на океане, завершая малый влагооборот. Другая часть испарившейся влаги в виде водяного пара переносится на сушу, где так же конденсируется в облаках и выпадает в виде жидких или твердых осадков, просачивается в грунт, стекает в реках в океан и расходуется растениями и животными. Это звено влагооборота не замкнуто, поскольку большую часть водяного пара растения в процессе фотосинтеза разлагают на водород и кислород, а меньшую связывают, безвозвратно исключая ее из водообмена. Количественно влагооборот характеризуется водным балансом .
Водный баланс - ϶ᴛᴏ алгебраическая сумма всех форм прихода и расхода влаги в атмосфере, на избранной территории или на море, на материке или океане и на земной поверхности в целом.
Осадки (Р), выпавшие на территорию, частично испаряются (Е) в атмосферу, частично стекают (R): в океан
P = E + R,
то есть осадки равны испарению плюс сток.Это и есть водный баланс. Приведенное уравнение было предложено А. И. Воейковым в 1884 ᴦ.
В 1932 ᴦ. Г. Н. Высоцкий предложил уравнение, в котором испарение и сток разделены на их составные части. Суммарное испарение Е состоит из непосредственного испарения Е н и транспирации Т:
Е = Ен + Т.
Полный сток R был расчленен на поверхностный S и подземный U:
К = S + U.
В водном балансе территории принимает участие также запас или недостаток подземных вод в прошлые годы ±W.
Сегодня формула водного баланса имеет вид:
P = Eн + T + S + U ±W
Полное уравнение водного баланса ограниченной территории включает (кроме уже перечисленных составляющих) конденсацию влаги на поверхности, поверхностный приток, подземный приток, изменение запасов воды в снежном покрове, то же в болотах, водозабор, переброску в другие системы и возвращение воды из хозяйственных нужд. При помощи немногих компонентов оно отражает многообразную взаимосвязь между водой, воздухом атмосферы, почвой и растительностью.
Испарение заключается в переходе воды из жидкой или твердой фазы в газообразную и в поступлении водяного пара в атмосферу.
Испарение - процесс прежде всего энергетический. Он зависит от количества тепловой энергии, которая может быть затрачена на данной поверхности в единицу времени, и определяется, следовательно, уравнением теплового баланса на земной поверхности. На океанах на испарение затрачивается до 90% энергии солнечной радиации.
Вторым метеорологическим условием, определяющим величину испарения, является влагоемкость воздуха, степень его сухости или влажности. Количественно она характеризуется дефицитом влажности, который в свою очередь зависит от температуры воздуха и в меньшей степени от ветра. Разумеется, испарение может происходить только при наличии воды. На суше это условие имеется далеко не везде и не всегда: аридным зонам свойствен дефицит влаги, в гумидных зонахвлагиможет не хватать в отдельные периоды. В связи с этим в метеорологии выработано понятие об испаряемости (Ец).
Испаряемость - ϶ᴛᴏ максимально возможное испарение при данных метеорологических условиях, не лимитированное запасами влаги. То же относится к термину «потенциально возможное испарение».
Испарение принадлежит к числу важнейших процессов географической оболочки. На него расходуется большая часть солнечноготепла. Скрытая теплота парообразования, выделяющаяся при конденсации влаги, нагревает атмосферу, и данный источник тепла для атмосферы является основным. Испарившаяся влага поступает на материки и обеспечивает их осадками.При фазовых переходах воды происходит поглощение или выделение тепла, а при циркуляции атмосферы оно перераспределяется. Один из видов испарения-транспирация-принимает участие в биологических процессах и образовании биологической массы.
Климатическое и, особенно, биофизическое значение испаряемости состоит по сути в том, что она показывает иссушающую способность воздуха: чем больше можетиспариться при ограниченных запасах влаги в почве, тем ярче выражена засушливость. В одних местах это приводит к появлению пустынь, в других - вызывает временные засухи, в-третьих, где испаряемость ничтожна, создаются условия переувлажнения.
В Северной Европе испарение близко к своему верхнему пределу - испаряемости-около 100 мм в год. В зонесухих степей Юго-Востока Европы, а также в аридных областях средиземноморских субтропиков испаряемость достигает 1200 - 1300мм, адействительное испарение вследствие недостатка влаги составляет только 300 мм. Дефицит влаги - разница между осадками и испаряемостью в аридных зонах составляет примерно 600-800 мм.
Максимальная испаряемость, естественно, в пустынях, особенно в Сахаре. В центральных ее частях она превышает4500 мм.Испарение, ограниченное ничтожным количеством осадков, не превышает 100 мм в год. Здесь на испарение расходуются не только осадки, но и подземная вода, стекающая с Атласских гор и из бассейна Центральной Африки. Разница между потенциальным (4500 мм) и фактическим (около 100 мм) испарением выражает степень сухости Сахары.
Наибольшее испарение (около 1 200 мм) происходит на заболоченных низинах Центральной Африки-в бассейне озера Чад и Верхнего Нила. Растения, обеспеченные здесь теплом и влагой, дают наибольший на Земле прирост растительной массы. В экваториальной Африке испаряетсяза год слой воды в 1000мм.
Испаряемость и испарение отражают и режим осадков, и режим тепла. Соотношение прихода и расхода атмосферной влаги принято называть атмосферным увлажнением .
Испарение заключается в переходе воды из жидкой или твердой фазы в газообразную и в поступлении водяного пара в атмосферу.
Испарение – это процесс энергетический. Он зависит от количества тепловой энергии, которая может быть затрачена на данной поверхности в единицу времени, и определяется, следовательно, уравнением теплового баланса на земной поверхности. На океанах на испарение затрачивается до 90% энергии солнечной радиации.
Вторым метеорологическим условием, определяющим величину испарения, является влагоемкость воздуха, степень его сухости или влажности. Количественно она характеризуется дефицитом влажности, который в свою очередь зависит от температуры воздуха и в меньшей степени от ветра. Разумеется, испарение может происходить только при наличии воды. На суше это условие имеется далеко не везде и не всегда: аридным зонам свойствен дефицит влаги, в гумидных зонахвлагиможет не хватать в отдельные периоды. В связи с этим в метеорологии выработано понятие об испаряемости (Ец).
Испаряемость – это максимально возможное испарение при данных метеорологических условиях, не лимитированное запасами влаги. То же относится к термину «потенциально возможное испарение».
Испарение принадлежит к числу важнейших процессов географической оболочки. На него расходуется большая часть солнечноготепла. Скрытая теплота парообразования, выделяющаяся при конденсации влаги, нагревает атмосферу, и этот источник тепла для атмосферы является основным. Испарившаяся влага поступает на материки и обеспечивает их осадками.При фазовых переходах воды происходит поглощение или выделение тепла, а при циркуляции атмосферы оно перераспределяется. Один из видов испарения-транспирация-участвует в биологических процессах и образовании биологической массы.
Климатическое и, особенно, биофизическое значение испаряемости заключается в том, что она показывает иссушающую способность воздуха: чем больше можетиспариться при ограниченных запасах влаги в почве, тем ярче выражена засушливость. В одних местах это приводит к появлению пустынь, в других - вызывает временные засухи, в-третьих, где испаряемость ничтожна, создаются условия переувлажнения.
В Северной Европе испарение близко к своему верхнему пределу - испаряемости-около 100 мм в год. В зонесухих степей Юго-Востока Европы, а также в аридных областях средиземноморских субтропиков испаряемость достигает 1200 - 1300мм, адействительное испарение вследствие недостатка влаги составляет только 300 мм. Дефицит влаги - разница между осадками и испаряемостью в аридных зонах составляет примерно 600-800 мм.
Максимальная испаряемость, естественно, в пустынях, особенно в Сахаре. В центральных ее частях она превышает4500 мм.Испарение, ограниченное ничтожным количеством осадков, не превышает 100 мм в год. Здесь на испарение расходуются не только осадки, но и подземная вода, стекающая с Атласских гор и из бассейна Центральной Африки. Разница между потенциальным (4500 мм) и фактическим (около 100 мм) испарением выражает степень сухости Сахары.
Наибольшее испарение (около 1 200 мм) происходит на заболоченных низинах Центральной Африки-в бассейне озера Чад и Верхнего Нила. Растения, обеспеченные здесь теплом и влагой, дают наибольший на Земле прирост растительной массы. В экваториальной Африке испаряетсяза год слой воды в 1000мм.
Испаряемость и испарение отражают и режим осадков, и режим тепла. Соотношение прихода и расхода атмосферной влаги называется атмосферным увлажнением .
Вода в атмосфере. Свойства воды
Вода на земле есть повсюду. Океаны, моря, реки, озера и др. водоемы занимают 71% земной поверхности. Вода, которая содержится в атмосфере, – единственное вещество, которое может находиться там во всех трех фазовых состояниях (твердое, жидкое и газообразное) одновременно.
Важнейшие для метеорологии физические свойства воды представлены в таблице 6.
Таблица 6 – Физические характеристики воды (Русин, 2008)
Свойства воды, важные для климатообразования:
· вода является поглотителем лучистой энергии;
· обладает одним из самых высоких значений удельной теплоемкости среди других веществ на земле (это сказывается на разности в нагревании суши и моря, проникновение радиации и тепла вглубь почвы и водоёмов);
· идеальный (почти) растворитель;
· дипольное (биполярное) строение молекул воды обеспечивает высокую температуру кипения (без водородных связей температура кипения равнялась бы -80°С).
· расширение при замерзании в отличие от других веществ, которые сжимаются. (максимальная плотность воды наблюдается при температуре +4°С; плотность льда меньше плотности воды: дистиллированной на 1/9, морской на 1/7; более легкий лед плавает по поверхности воды).
Благодаря процессам испарения и конденсации в атмосфере непрерывно происходит круговорот воды, в котором участвует значительная масса ее. В среднем многолетний круговорот воды характеризуется следующими данными (таблица 1):
Таблица 1 – Характеристики круговорота воды на Земле (Матвеев, 1976)
| Осадки, мм/год | Испарение, мм/год | Сток, мм/год | |
| Материки | |||
| Мировой океан | |||
| Земной шар |
С поверхности океанов (361 млн. км 2) в течение года испаряется слой воды толщиной 1127 мм (или 4,07·10 17 кг воды), с поверхности материков – 446 мм (или 0,66·10 17 кг воды). Толщина слоя осадков, выпадающих за год, на океанах составляет 1024 мм (или 3,69·10 17 кг воды), на материках – 700 мм (или 1,04·10 17 кг воды). Количество осадков на материках значительно превышает испарение (на 254 мм, или на 0,38·10 17 кг воды). Это означает, что значительная масса водяного пара поступает на материки с океанов. С другой стороны, не испарившаяся на материках вода (254 мм) стекает в реки и далее в океан. На океанах испарение превышает (на 103 мм) количество осадков. Разность восполняется стоков воды с океанов.
Испарение и испаряемость
В атмосферу вода попадает в результате испарения с поверхности Земли (водоемов, почвы); она выделяется живыми организмами в процессе жизнедеятельности (дыхание, обмен веществ, транспирация у растений); она является побочным продуктом вулканической деятельности, промышленного производства и окисления различных веществ.
Испарение (обычно воды) – поступление водяного пара в атмосферу вследствие отрыва наиболее быстродвижущихся молекул с поверхности воды, снега, льда, влажной почвы, капель и кристаллов в атмосфере.
Испарение с поверхности земли называется физическим испарением . Физическое испарение и транспирация вместе – суммарное испарение .
Суть процесса испарения заключается в отрыве отдельных молекул воды от водной поверхности или от влажной почвы и переходе воздух в качестве молекул водяного пара. Содержащийся в атмосфере пар конденсируется при охлаждении воздуха. Сгущение водяного пара также может идти путем сублимации (процесс непосредственного перехода вещества из газообразного в твердое, минуя жидкое). Из атмосферы вода удаляется при выпадении осадков.
Молекулы жидкости всегда находятся в движении, причем некоторые из них могут прорываться через поверхность жидкости и уходить в воздух. Отрываются те молекулы, скорость которых выше скорости движения молекул при данной температуре и достаточна для преодоления сил сцепления (молекулярного притяжения). С ростом температуры количество отрывающихся молекул растет. Молекулы пара могут возвращаться из воздуха в жидкость. Когда температура жидкости повышается, количество покидающих ее молекул становится больше количества возвращающихся, т.е. происходит испарение жидкости. Понижение температуры замедляет переход молекул жидкости в воздух и вызывает конденсацию пара. Если водяной пар поступает в воздух, то он, как и все другие газы, создает определенное давление. По мере того, как молекулы воды переходят в воздух, давление пара в воздухе увеличивается. Когда достигается состояние подвижного равновесия (количество молекул, покидающих жидкость, равно количеству возвращающихся молекул), то испарение прекращается. Такое состояние называется насыщением , водяной пар в таком состоянии – насыщающим , а воздух насыщенным . Давление водяного пара в состоянии насыщения называется давлением насыщенного водяного пара (Е), или упругостью насыщения, или максимальной упругостью.
Пока состояние насыщения не достигнуто, то идет процесс испарения воды, при этом упругость водяного пара (е) над жидкостью меньше максимальной упругости: е<Е.
Если количество возвращающихся молекул воды больше количества вылетающих, то имеет место процесс конденсации или сублимации (надо льдом): е>Е.
Давление насыщенного водяного пара зависит от
· температуры воздуха,
· от характера поверхности (жидкость, лед),
· от формы этой поверхности,
· солености воды.
Большая часть водяного пара поступает в атмосферу с поверхности морей и океанов. Особенно это относится к влажным, тропическим районам Земли. В тропиках испарение превышает количество осадков. В высоких широтах имеет место обратное соотношение. В целом же по всему земному шару количество осадков приблизительно равно испарению.
Испарение регулируется некоторыми физическими свойствами местности, в частности температурой поверхности воды и крупных водоемов, преобладающими здесь скоростями ветра. Когда над поверхностью воды дует ветер, то он относит в сторону увлажнившийся воздух и заменяет его свежим, более сухим (т.е. к молекулярной диффузии добавляется адвекция и турбулентная диффузия). Чем сильнее ветер, тем быстрее сменяется воздух и тем интенсивнее испарение.
Испарение можно характеризовать скоростью протекания процесса. Скорость испарения (V) выражается в миллиметрах слоя воды, испарившейся за единицу времени с единицы поверхности. Она зависит от дефицита насыщения, атмосферного давления и скорости ветра.
Испарение в реальных условиях измерить трудно. Для измерения испарения применяют испарители различных конструкций или испарительные бассейны (с площадью поперечного сечения 20 м 2 или 100 м 2 и глубиной 2 м). Но значения, полученные по испарителям, нельзя приравнивать к испарению с реальной физической поверхности. Поэтому прибегают к расчетным методам: испарение с поверхности суши рассчитывается исходя из данных по осадкам, стоку и влагосодержанию почвы, которые легче получить путем измерений. Испарение с поверхности моря можно вычислить по формулам, близким к суммарному уравнению.
Различают фактическое испарение и испаряемость.
Испаряемость – потенциально возможное испарение в данной местности при существующих в ней атмосферных условиях.
При этом подразумевают либо испарение с поверхности воды в испарителе; испарение с открытой водной поверхности крупного водоема (естественного пресноводного); испарение с поверхности избыточно увлажненной почвы. Испаряемость выражается в миллиметрах слоя испарившейся воды за единицу времени.
В полярных областях испаряемость мала : около 80 мм/год. Это связано с тем, что здесь наблюдаются низкие температуры испаряющей поверхности, а давление насыщенного водяного пара Е S и фактическое давление водяного пара малы и близки между собой, поэтому и разность (Е S – е) невелика.
В умеренных широтах испаряемость изменяется в широких пределах и имеет тенденцию к росту при продвижении с северо-запада на юго-восток материка, что объясняется ростом в этом же направлении дефицита насыщения. Наименьшие значения в этом поясе Евразии наблюдаются на северо-западе материка: 400–450 мм, наибольшие (до 1300–1800 мм) в Центральной Азии.
В тропиках испаряемость мала на побережьях и резко увеличивается во внутриматериковых частях до 2500–3000 мм.
У экватора испаряемость относительно низка: не превышает 100 мм по причине небольшой величины дефицита насыщения.
Фактическое испарение на океанах совпадает с испаряемостью. На суше оно существенно меньше, главным образом, зависит от режима увлажнения. Разность между испаряемостью и осадками можно использовать для расчета дефицита увлажнения воздуха.