Круговорот воды: вода в атмосфере

ронтальный 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 10б 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

Страницы: 1, 2