Замечательное свойство водяного пара, отличающее его от других газов, входящих в состав атмосферы, состоит в изменении его количества в зависимости от температуры воздуха. Если вести счет содержания водяного пара в единицах веса, то окажется, например, что при температуре 27° в 1 кг воздуха может содержаться максимум 23 г водяного пара, а при 0° — всего 4 г. При низких температурах количество водяного пара в воздухе ничтожно мало. Например, в 1 кг воздуха при температуре 33° ниже нуля может содержаться всего 0,2 г водяного пара. Это в 115 раз меньше количества пара, содержащегося в 1 кг воздуха при температуре 27° выше нуля. Так как с высотой температура воздуха понижается, то и количество водяного пара быстро убывает с высотой. Поэтому в слое от поверхности земли до высоты 1,5 км сосредоточена половина всей влаги, содержащейся в тропосфере.
С этим свойством водяного пара связаны многие процессы — конденсация, испарение» образование различных форм облаков, выпадение атмосферных осадков, столь необходимые для существования жизни на Земле.
Как мы знаем, воздух становится насыщенным водяным паром, когда количество последнего при данной температуре достигает максимума. Поэтому если насыщенный воздух охлаждается, то появляются излишки водяного пара, которые конденсируются, т. е. переходят в жидкое или твердое состояние, и выпадают в виде осадков. Характер осадков (жидкие или твердые) зависит от температуры воздуха. Если же насыщенный водяным паром воздух нагревается, то, напротив, происходит удаление его от состояния насыщения и конденсация прекращается. Тогда создаются благоприятные условия для испарения с поверхности морей и океанов, увлажненной поверхности земли, растительности и отовсюду, где имеются запасы воды, так как воздух, стремясь пополнить недостаток влаги, вбирает в себя недостающее количество ее при данной температуре. При благоприятных условиях воздух обогащается влагой даже путем испарения с поверхности снежного покрова и ледников.
Испарение происходит тем быстрее, чем больше воздух удален от состояния насыщения. Поэтому в ясные дни при дневном прогревании приземного слоя воздуха испарение с влажной поверхности земли и с поверхности водоемов происходит наиболее интенсивно. Наоборот, ночью при охлаждении воздуха и приближении его к состоянию насыщения начинается конденсация содержащегося в нем водяного пара, образование тумана, выпадение росы. В этих случаях испарение с поверхности земли прекращается.
Чтобы произошла конденсация водяного пара, приводящая к образованию облаков, необходим некоторый избыток водяного пара сверх насыщения. Такой избыток может появиться либо вследствие увеличения влагосодержания воздуха, либо вследствие понижения его температуры ниже точки росы.
Увеличение влагосодержания воздуха происходит вследствие испарения с подстилающей поверхности. Температура воздуха понижается либо в результате соприкосновения его с холодной подстилающей поверхностью и излучения, либо при подъеме вследствие расширения и адиабатического охлаждения воздуха. В природе оба фактора обычно действуют совместно, но в больших объемах и наиболее часто воздух охлаждается при подъеме вверх. Что касается увеличения влагосодержания в результате испарения, то оно происходит медленно и редко имеет решающее значение для образования обильных осадков.
Наиболее существенно воздух охлаждается вследствие излучения в темное время суток у земли и на верхней границе облаков. Интенсивность излучения поверхности земли и охлаждение воздуха зависят от степени покрытия неба облаками. Особенно интенсивно охлаждается приземный слой воздуха за счет излучения поверхности земли при безоблачной погоде, что часто приводит к образованию тумана. И все же главнейшей причиной образования облаков, как уже сказано, является адиабатическое расширение, осуществляющееся при восходящих движениях воздуха. Скорость вертикальных движений небольшая, в среднем около 3—5 м/сек. Однако если учесть, что, процесс поднятия или опускания масс воздуха осуществляется в течение продолжительного времени, то станет ясно, какую огромную роль играют восходящие движения больших объемов воздуха в образовании облаков и осадков. Действительно, если принять, что средняя скорость подъема воздуха равна 3 м/сек, то масса воздуха в течение суток может подняться более чем на 2,5 км и при обычных условиях охладиться на 20—25°. При оптимальном влагосодержании воздуха такое охлаждение достаточно для образования мощной облачности и выпадения обильных обложных осадков.
Значительный подъем больших масс воздуха вызывается и термической конвекцией при неустойчивой стратификации воздуха. В этом случае скорость подъема нередко достигает 10 м/сек и более, поэтому образование конвективных облаков и осадков происходит наиболее бурно.
Среди других причин, вызывающих вертикальные движения воздуха, немалую роль играют трение воздуха о поверхность земли, турбулентность, встреча воздушного потока с горными препятствиями и т. д. В одних случаях (в частности, в циклонах) трение вызывает сходимость потоков и восходящее движение воздуха, в других (в частности, в антициклонах) — расходимость потоков и нисходящее движение воздуха.
При встрече с горными хребтами и вообще с возвышенностями воздух стремится обтекать их. Однако если горное препятствие значительно по ширине, то воздух поднимается по склонам и переваливает через гребень на подветренную сторону. При неустойчивой стратификации воздуха подъем его по наветренным склонам хребтов происходит бурно. Поэтому на наветренной стороне возвышенностей или горных хребтов в устойчиво стратифицированной массе воздуха образуются облака слоистых форм, из которых выпадают продолжительные осадки слабой и умеренной интенсивности. Это чаще всего наблюдается зимой. Летом массы воздуха с неустойчивой стратификацией при встрече с возвышенностями с большими скоростями устремляются вверх, что приводит к образованию мощной кучевой и кучево-дождевой облачности, дающей при достаточном влагосодержании воздуха обильные ливневые осадки.
Процесс образования облаков и осадков на первый взгляд кажется простым, сводящимся к тому, что вследствие подъема и охлаждения воздуха происходит конденсация водяного пара, а затем капли воды, сливаясь друг с другом, укрупняются и выпадают на землю в виде осадков. Однако в действительности образование облаков и осадков является весьма сложным физическим процессом. В последние два-три десятилетия изучение процесса облакообразования производится не только в лабораторных условиях, где в специальных камерах искусственным образом создаются и рассеиваются облака, но и в природных условиях с помощью приборов, поднимаемых вместе с наблюдателями на самолетах-лабораториях. За последние годы многие детали процесса облакообразования стали более понятны.
Для возникновения облаков, помимо восходящих движений воздуха, необходимо, чтобы в нем содержалось такое количество водяного пара, которое достаточно для того, чтобы при поднятии и охлаждении воздуха на несколько градусов начался процесс конденсации. Чем выше влагосодержание воздуха при данной температуре, тем ниже располагается уровень конденсации. Зимой обычно он находится ближе к поверхности земли, чем летом.
Процесс конденсации водяного пара вблизи поверхности земли приводит к образованию тумана. При этом относительная влажность обычно приближается к 100%. При туманах уровень конденсации лежит у поверхности земли.
Водяные, или капельножидкие, облака состоят из капелек воды. При этом ниже уровня нулевой температуры воздуха капельки воды имеют положительную температуру, а выше — отрицательную, т. е. являются переохлажденными. Мельчайшие капельки воды могут существовать при температуре —10°, —20° и даже —30°. Из них состоят переохлажденные водяные облака. При нескольких градусах ниже нуля (до —10°, —20°) в облаках преобладают переохлажденные капли. По мере понижения температуры количество ледяных кристаллов возрастает, и при температуре ниже — 30° облака, как правило, состоят из ледяных кристаллов. Смешанные облака состоят из переохлажденных капель, воды и кристаллов льда. Как показали исследования, в средней полосе Европы чисто водяные, чисто ледяные и смешанные облака встречаются почти одинаково часто. Естественно, что чисто водяные облака наиболее часто бывают в теплую половину года, а ледяные облака — в холодную.
По своему строению, форме и высоте облака различны. Соответственно этому выпадающие из них осадки бывают мелкокапельными и крупнокапельными, жидкими и твердыми. Чтобы разобраться в деталях образования различных видов облаков и атмосферных осадков, необходимо знать микрофизические особенности строения облаков, прежде всего их фазовое строение (т. е. состоят ли они из водяных капель или кристаллов льда), водность, причину роста капель и т. д.
—Источник—
Погосян, Х.П. Атмосфера Земли/ Х.П. Погосян [и д.р.]. – М.: Просвещение, 1970.- 318 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
