Влажность воздуха. Облака. Осадки.

В атмосфере всегда имеется определенное количество влаги в виде водяного пара, который поступает туда в результате испарения с водных поверхностей и с поверхности суши. Иначе говоря, воздух всегда содержит влагу в виде молекул (пар), капелек и кристалликов льда.
Влажность воздуха - это содержание в нем водяного пара. При условии достаточного поступления влаги в атмосферу влажность зависит от температуры воздуха. Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара он может вместить. Так, 1м3 воздуха при температуре 30 ° С может содержать 30 г влаги, при 20 ° С - 17,3 г, при 0 ° С - только 4,8 г. При отрицательных температурах влагосодержание воздуха заметно уменьшается, и уже при -10 ° С влаги в 1м3 воздуха только 2,3 г. Следовательно, ход влажности параллелен ходу температуры воздуха. Обычно влажность больше днем, чем ночью, в течение года наибольшая влажность отмечается в летние месяцы, а наименьшая - зимой. В низких широтах, где воздух гораздо холоднее, влажность больше, чем в средних и высоких. При определенной температуре воздух может содержать соответствующее количество влаги (водяных паров). Предел содержания водяного пара в воздухе при данной температуре называется максимальной влажностью.

Присутствие водяного пара делает воздух влажным. Водяной пар, как и любой газ, обладает собственным давлением, которое вместе с давлением сухого воздуха составляет атмосферное. Парциальное давление водяного пара (собственное давление пара) характеризует влажность воздуха и измеряется в тех же единицах, что и атмосферное (гПа). Максимальное давление водяного пара зависит от температуры и называется насыщающим. Если влага продолжает попадать в атмосферу, а давление водяного пара равно насыщающему, происходит конденсация или сублимация водяного пара, и образуются капельки воды или кристаллы льда. Отношение фактического парциального давления к насыщающему при данной температуре называется относительной влажностью и выражается в процентах. Относительная влажность меняется от нуля для сухого воздуха до 100% при насыщенном водяном паре. Измерения относительной влажности воздуха производят гигрометром — прибором, в котором используется обезжиренный человеческий волос, имеющий свойство изменять длину в зависимости от влажности: удлиняться во влажном воздухе и укорачиваться в сухом. Наиболее влажный воздух наблюдается в приземном слое в экваториальном поясе. При удалении от темной поверхности влажность воздуха в безоблачной атмосфере стремительно уменьшается. Так, в слое атмосферы на высоте от 0 до 2 км содержится около 55% всего количества водяного пара, а в слое на высоте от 0 до 5 км — 90%. В стратосфере количество водяного пара составляет десятые или даже сотые доли процента от всего содержания влаги в атмосфере.

Облака — это скопление мельчайших капелек воды или кристалликов льда, плавающих в воздухе и видимых человеческим глазом. Капли и кристаллы настолько малы, что их вес почти уравновешивается трением о воздух. Когда такие скопления образуются у поверхности земли, они называются туманом. Скорость падения капель в неподвижном воздухе равна нескольким миллиметрам в секунду, а скорость падения кристаллов еще меньше. Существующие в атмосфере вертикальные движения воздуха препятствуют выпадению капелек и кристалликов из облаков, и они длительное время плавают в воздухе, увлекаясь воздушными потоками и смещаясь то вверх, то вниз. При определенных условиях капли и кристаллы начинают расти и становятся настолько тяжелыми, что уже не удерживаются в облаке и выпадают в виде осадков. В других случаях, когда относительная влажность воздуха становится меньше 100%, капли и кристаллы испаряются и облака рассеиваются. Для образования облаков нужно, чтобы пар, содержащийся в воздухе, достиг насыщения. При подъеме пар охлаждается, конденсируется, и образуются мельчайшие капельки воды и кристаллы. Это и есть облака. Если облака состоят только из капель воды и пара, то их называют водяными, если из пара и кристаллов льда — кристаллическими. А с мешанные облака включают и водяной пар, и капли воды, и кристаллы. Все облака, за небольшим исключением, образуются на разных высотах в тропосфере и принимают различные формы, которые отражают характер воздушных течений, несущих эти облака. Такова облачность, которую мы наблюдаем с Земли в пределах видимого горизонта, т. е. в пределах радиусом примерно 5 км. С запуском искусственных спутников Земли появилось новое средство слежения за облачностью. Телевизионные и инфракрасные снимки облаков, получаемые с искусственных спутников Земли, позволяют наблюдать облачные системы, их развитие, перемещение, непрерывные изменения на огромных пространствах. Самое замечательное, что облачные системы фронтов, построенные синоптиками теоретически, на основе наблюдений с Земли за облаками, были блестяще подтверждены, когда стало возможно наблюдать эти системы со спутников. Кроме того, спутниковые изображения открыли многие новые облачные скопления размером от 20 до 200 км и подтвердили правильность классификации облаков, созданной по наблюдениям с Земли. Облака делают видимыми движения воздуха и процессы, происходящие в воздушных потоках. По этой причине в метеорологии уделяется большое внимание формам облаков и их классификации. Для того чтобы наблюдатели во всем мире на метеорологических станциях одинаковым образом определяли формы облаков, созданы Международная классификация облаков и Атлас облаков, принятые Всемирной метеорологической организацией.

Прежде всего, облака разделяют по высотным слоям, так называемым ярусам, а затем по их строению и форме. В наиболее высоком и самом холодном верхнем ярусе от 6 до 13 км (о полярных широтах — от 3 до 8 км; в тропических — от 6 до 18 км) образуются кристаллические облака: перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые.

Перистые облака похожи на отдельные нити, коготки, запятые. Перисто-кучевые облака напоминают мелкие шарики и барашки, а перисто-слоистые представляют собой тонкую белую пелену, застилающую все небо или часть его. Перистые облака полупрозрачны и мало затеняют солнечный свет.

В среднем ярусе (от 2 до 7 км — в умеренных широтах; от 2 до 4 км — в полярных и от 2 до 8 км — в тропических широтах) существуют только две формы облаков — высокослоистые и высококучевые. Высокослоистые облака представляют собой молочно-серый облачный покров, застилающий весь небосвод или часть его. Через менее плотные его участки могут просвечивать Солнце и Луна, но только в виде размытых пятен. Через более плотные, обычно серые участки, Солнце и Луна не просвечивают. Эти облака смешанные. Высококучевые же облака выглядят как система облачных гряд, состоящих из овалов в основном белого цвета, но с серыми основаниями. Они затеняют Солнце, но их толщина невелика. По краям овалов иногда наблюдается радужная окраска. Высококучевые облака всегда водяные.

В нижнем ярусе (на всех широтах до 2 км от земли), различают три формы облаков: слоисто-дождевые, слоисто-кучевые и слоистые. Слоисто-дождевые — это плотные свинцовые или темно-серые облака, из которых обязательно выпадают осадки: идет или обложной дождь, или обложной снег. Солнце и Луна сквозь них не просвечивают. Слоисто-дождевые — это смешанные облака. Слоисто-кучевые облака представляют собой длинные гряды облаков, состоящих из мощных светло-серых опалой с серыми основаниями, между которыми либо просвечивает небо, либо тонкая белая облачность, связующая валы. Слоистые облака — это однородный серый слой плотных облаков, из которых ни дождь, ни снег не выпадают. Иногда может идти морось. И слоистые, и слоисто-кучевые облака — водяные.

Осадки — это дождь, морось, снег, снежная и ледяная крупа, град, выпадающие из облаков на земную поверхность. Измеряются осадки в миллиметрах слоя воды, выпавшей на поверхность. Когда говорят, что выпало 10 мм осадков, это значит, что слой воды, покрывший земную поверхность, имел бы толщину 10 мм, если бы вода не стекала, не испарялась и не просачивалась в почву. Нетрудно догадаться, что 10 мм осадков — это 10 кг воды, выпавшей на I м». Осадки измеряются простыми приборами — дождемерами. Дождемер — это цилиндрическое ведро, в котором накапливаются осадки в течение 6 или 12 ч. К ведру прилагается дождемерный стакан, который позволяет измерять выпавшие осадки в миллиметрах слоя воды на квадратный метр. В случае твердых осадков (снег, град) их предварительно превращают в воду (растапливают). Кроме того, толщину слоя выпавшего снега определяют с помощью снегомерной рейки.

В умеренных широтах осадки идут только из смешанных облаков. Это происходит потому, что в смешанных облаках, где соседствуют водяной пар, капли воды и кристаллики льда, создаются условия для роста кристалликов. Известно, что давление насыщенного водяного пара над водой больше, чем надо льдом, поэтому в смешанном облаке насыщенный для капелек воды водяной пар оказывается перенасыщенным для ледяных кристалликов, вследствие чего водяной пар конденсируется на кристалликах. При этом водяной пар становится ненасыщенным по отношению к каплям воды, и они начинают испаряться. В смешанном облаке происходит перегонка водяного пара с капель на кристаллы льда. После того как капли и кристаллы льда вырастают до 20 — 60 мкм основную роль в их укрупнении начинает играть процесс слияния (коагуляции) облачных элементов, которому способствуют как столкновения, так и хаотическое (турбулентное) и броуновское движения, всегда существующие в облаке. Наиболее быстро процесс укрупнения облачных элементов происходит при сильных вертикальных движениях внутри облака. При быстром подъеме воздуха резко понижается температура, создается большое перенасыщение водяного пара не только над кристаллами льда, но и над каплями, которые также могут расти. Затем капли и кристаллы, поднятые на большую высоту восходящим потоком, падая, проходят большую толщу облака. В результате слияния и примораживания кристаллами переохлажденных водяных капель облачные элементы вырастают до таких больших размеров, что они уже не способны удерживаться в облаке и выпадают на землю. Таким образом, если температура в слое под облаком ниже нуля, то идет снег, а если выше нуля — дождь.

Есть такие непокорные облака, которые не соблюдают ярусов: они образуются внизу, затем простираются на всю высоту тропосферы. Это кучево-дождевые облака. Всем знакомы плотные с резко очерченными контурами ослепительно белые водяные облака, поднимающиеся вверх в виде куполов с серыми горизонтальными основаниями. Их гряды с просветами ясного неба — признак хорошей погоды в умеренных широтах, но при определенных условиях в тропосфере кучевые облака начинают быстро расти вверх, наслаиваясь, купол над куполом и расширяясь по площади. За считанные минуты они охватывают всю тропосферу, и их верхние части принимают волокнистую перистообразную структуру. Облако становится кучево-дождевым. Перистообразная структура свидетельствует о том, что в верхней части образовались кристаллы и облако стало смешанным. Из кучево-дождевых облаков выпадают ливни, иногда град, с ними связаны электрические явления — молнии и гром, поэтому часто кучево-дождевые облака называют грозовыми, а также ливневыми.

 

43. Распределение осадков на Земле. Коэффициент увлажнения.
Осадки на нашей планете распределены крайне неравномерно. В одних районах дожди льют каждый день и влаги на поверхность Земли поступает столько, что реки остаются полноводными весь год, а тропические леса поднимаются ярусами, закрывая солнечный свет. Но можно найти на планете и такие места, где несколько лет подряд с неба не падает ни капли дождя, высохшие русла временных водных потоков растрескиваются под лучами палящего Солнца, а скудные растения лишь благодаря длинным корням могут добраться до глубоких слоев подземных вод.

Распределение осадков на земном шаре зависит от того, сколько облаков, содержащих влагу, образуется над данной территорией или сколько их может принести ветер. Очень важна температура воздуха, потому что интенсивное испарение влаги происходит именно при высокой температуре. Влага испаряется, поднимается вверх и на определённой высоте образуются облака.

Температура воздуха убывает от экватора к полюсам, следовательно, и количество выпадающих осадков максимально в экваториальных широтах и уменьшается к полюсам. Однако на суше распределение осадков зависит от целого ряда дополнительных факторов.

Над прибрежными территориями выпадает много осадков, а по мере удаления от океанов их количество уменьшается. Больше осадков на наветренных склонах горных хребтов и значительно меньше на подветренных. Например, на атлантическом побережье Норвегии в Бергене выпадает 1730 мм осадков в год, а в Осло (за хребтом - прим. от geoglobus.ru) только 560 мм. Невысокие горы тоже оказывают воздействие на распределение осадков — на западном склоне Урала, в Уфе, выпадает в среднем 600 мм осадков, а на восточном склоне, в Челябинске, — 370 мм.

На распределение осадков влияют и течения Мирового океана. Над районами, вблизи которых проходят тёплые течения, количество осадков увеличивается, так как от тёплых водных масс воздух нагревается, он поднимается вверх и образуются облака с достаточной водностью. Над территориями, рядом с которыми проходят холодные течения, воздух охлаждается, опускается вниз, облака не образуются, и осадков выпадает значительно меньше.

Наибольшее количество осадков выпадает в бассейне Амазонки, у берега Гвинейского залива и в Индонезии. В некоторых районах Индонезии их максимальные значения достигают 7000 мм в год. В Индии в предгорьях Гималаев на высоте около 1300 м над уровнем моря находится самое дождливое место на Земле — Черапунджи (25,3° с.ш. и 91,8° в.д.), здесь выпадает в среднем более 11 000 мм осадков в год. Такое обилие влаги приносит в эти места влажный летний юго-западный муссон, который поднимается по крутым склонам гор, охлаждается и проливается мощным дождём.

Чем дальше от океана, тем осадков выпадает меньше. На наветренные склоны гор осадков выпадает больше, чем на подветренные. Над районами, где протекают тёплые течения, осадков выпадает больше, а там, где поблизости протекают холодные течения — меньше.

КОЭФФИЦИЕНТ УВЛАЖНЕНИЯ

Часть выпавших атмосферных осадков испаряется с поверхности почвы, а часть просачивается вглубь. Испаряемостью называют слой воды, исчисляемый в миллиметрах, который может испариться за год при климатических условиях определённой местности. Чтобы понять, как обеспечена территория влагой, используют коэффициент увлажнения К.

K=R/E, где R — годовое количество осадков, а Е — испаряемость.

Коэффициент увлажнения показывает соотношение тепла и влаги на данной территории, если К > 1 — то увлажнение считают избыточным, если К=1 — достаточным, а если К < 1 — недостаточным.

Характер увлажнения, т. е. соотношение тепла и влаги в атмосфере, – основная причина существования природно-растительных зон на Земле.

На территориях с избыточным увлажнением обилие влаги отрицательно сказывается на процессах аэрации (вентиляции) почвы, т. е. на газообмене почвенного воздуха с атмосферным. Недостаток кислорода в почве образуется вследствие заполнения пор водой, из-за чего воздух туда не поступает. Это нарушает биологические аэробные процессы в почве, нормальное развитие многих растений нарушается или даже прекращается. На таких территориях произрастают растения-гигрофиты и обитают животные-гигрофилы, которые приспособлены к сырым и влажным местообитаниям. Для вовлечения территорий с избыточным увлажнением в хозяйственный, прежде всего сельскохозяйственный, оборот необходимы осушительные мелиорации, т. е. мероприятия, направленные на улучшение водного режима территории, отвод избыточных вод (дренаж).

Территорий с недостаточным увлажнением на Земле больше, чем переувлажненных. В аридных зонах земледелие без полива невозможно. Основным мелиоративным мероприятием в них является орошение – искусственное пополнение запасов влаги в почве для нормального развития растений и обводнение – создание источников влаги (прудов, колодцев и других водоемов) для бытовых и хозяйственных нужд и водопоя скота.

В естественных условиях в пустынях и полупустынях произрастают растения, приспособленные к сухости, – ксерофиты. Они обычно имеют мощную корневую систему, способную извлекать влагу из грунта, мелкие листья, иногда превращенные в иголочки и колючки, чтобы меньше испарять влаги, стебли и листья нередко покрыты восковым налетом. Особую группу растений среди них образуют суккуленты, которые накапливают влагу в стеблях или листьях (кактусы, агавы, алоэ). Суккуленты произрастают лишь в теплых тропических пустынях, где не бывает отрицательных температур воздуха. Животные пустынь – ксерофилы тоже разным способом приспособлены к сухости, например впадают в спячку на самый сухой период (суслики), довольствуются влагой, содержащейся в пище (некоторые грызуны).

Территориям с недостаточным увлажнением присущи засухи. В пустынях и полупустынях это ежегодные явления. В степях, которые часто называют засушливой зоной, и в лесостепях засухи случаются летом один раз в несколько лет, иногда захватывают конец весны – начало осени. Засуха – это длительный (1–3 месяца) период без дождя или с очень малым количеством осадков, при повышенной температуре и пониженной абсолютной и относительной влажности воздуха и почвы. Различают атмосферную и почвенную засухи. Атмосферная засуха наступает раньше. Из-за высоких температур и большого дефицита влаги резко возрастает транспирация растений, корни не успевают подавать листьям влагу, и они увядают. Почвенная засуха выражается в иссушении почвы, из-за чего нормальная жизнедеятельность растений полностью нарушается и они погибают. Почвенная засуха короче атмосферной за счет весенних запасов влаги в почве и грунтовых вод. Засухи обусловлены антициклональным режимом погоды. В антициклонах воздух опускается, адиабатически нагревается и иссушается. По периферии антициклонов возможны ветры – суховеи с высокой температурой и низкой относительной влажностью (до 10–15%), которые усиливают испарение и еще губительнее действуют на растения.

В степях наиболее эффективно орошение при достаточном стоке рек. Дополнительными мерами служат снегонакопление – сохранившаяся стерня на полях и посадка кустарников по бровке балок, чтобы в них не сдувался снег, и снегозадержание – прикатывание снега, создание снежных валов, укрытие снега соломой с целью увеличения продолжительности снеготаяния и пополнения запасов грунтовых вод. Эффективны также лесные полезащитные полосы, которые задерживают сток талых снеговых вод и удлиняют период снеготаяния. Ветрозащитные (ветроломные) лесные полосы большой длины, посаженные в несколько рядов, ослабляют скорость ветров, в том числе суховеев, и тем самым уменьшают испарение влаги.

Давление атмосферы.

Воздух, окружающий Землю, имеет массу, и несмотря на то, что масса атмосферы примерно в миллион раз меньше массы Земли (общая масса атмосферы равна 5,2*10²¹ г, а 1 м³ воздуха у земной поверхности весит 1,033 кг), эта масса воздуха оказывает давление на все объекты, находящиеся на земной поверхности. Сила, с которой воздух давит на земную поверхность, называется атмосферным давлением.

На каждого из нас давит столб воздуха в 15 т. Такое давление способно раздавить все живое. Почему же мы его не ощущаем? Объясняется это тем, что давление внутри нашего организма равно атмосферному. Таким образом, внутреннее и внешнее давление уравновешиваются.

Нормальным атмосферным давлением называется давление столба ртути высотой 760 мм сечением в 1 см²при температуре О °С на уровне моря на широте 45Для измерения давления используют ртутный чашечный барометр на стационарах и барометр-анероид в полевых условиях.

Давление атмосферы непрерывно изменяется по вертикали и в горизонтальном направлении. По мере увеличения высоты места давление понижается, так как уменьшается столб воздуха и его плотность.

Давление воздуха на нашей планете может изменяться в широких пределах. Если давление воздуха больше 760 мм рт. ст., то оно считается повышенным, меньше - пониженным.

Так как с подъемом вверх воздух становится все более разреженным, атмосферное давление понижается (в тропосфере в среднем 1 мм на каждые 10,5 м подъема). Поэтому для территорий, расположенных на разной высоте над уровнем моря, средним будет свое значение атмосферного давления. Например, Москва лежит на высоте 120 м над уровнем моря, поэтому среднее атмосферное давление для нее — 748 мм рт. ст.

Атмосферное давление в течение суток дважды повышается (утром и вечером) и дважды понижается (после полудня и после полуночи). Эти изменения связаны с изменением температуры и перемещением воздуха. В течение года на материках максимальное давление наблюдается зимой, когда воздух переохлажден и уплотнен, а минимальное — летом.

Распределение атмосферного давления по земной поверхности носит ярко выраженный зональный характер. Это обусловлено неравномерным нагреванием земной поверхности, а следовательно, и изменением давления.

На земном шаре выделяются три пояса с преобладанием низкого атмосферного давления (минимумы) и четыре пояса с преобладанием высокого (максимумы).

Вэкваториальных широтах поверхность Земли сильно прогревается. Нагретый воздух расширяется, становится легче и поэтому поднимается вверх. В результате у земной поверхности близ экватора устанавливается низкое атмосферное давление.

У полюсов под воздействием низкой температуры воздух становится более тяжелым и опускается. Поэтому у полюсов атмосферное давление, повышенное по сравнению с широтами на 60-65°.

В высоких слоях атмосферы, наоборот, над жаркими областями давление высокое (хотя и ниже, чем у поверхности Земли), а над холодными — низкое.

Общая схема распределения атмосферного давления такова: вдоль экватора расположен пояс низкого давления; на 30-40° широты обоих полушарий — пояса высокого давления; 60-70° широты — зоны низкого давления; в приполярных районах — области высокого давления.

В результате того, что в умеренных широтах Северного полушария зимой атмосферное давление над материками сильно повышается, пояс низкого давления прерывается. Он сохраняется только над океанами в виде замкнутых областей пониженного давления — Исландского и Алеутского минимумов. Над материками, наоборот, образуются зимние максимумы: Азиатский и Северо-Американский.

Летом в умеренных широтах Северного полушария пояс пониженного атмосферного давления восстанавливается. Огромная область пониженного атмосферного давления с центром в тропических широтах — Азиатский минимум — формируется над Азией.

В тропических широтах материки всегда нагреты сильнее, чем океаны, и давление над ними ниже. Таким образом, над океанами в течение всего года существуют максимумы: Северо-Атлантический (Азорский), Северо-Тихоокеанский, Южно-Атлантический, Южно-Тихоокеанский и Южно-Индийский.

Линии, которые на климатической карте соединяют пункты с одинаковым атмосферным давлением, называются изобарами. Чем ближе изобары друг к другу, тем быстрее изменяется атмосферное давлении на расстоянии. Величина изменения атмосферного давления на единицу расстояния (100 км) называется барическим градиентом.

На образование поясов атмосферного давления у земной поверхности влияют неравномерное распределение солнечного тепла и вращение Земли. В зависимости от времени года оба полушария Земли нагреваются Солнцем по-разному. Это обусловливает некоторое перемещение поясов атмосферного давления: летом — к северу, зимой — к югу.

Барические области, наблюдаемые на земном шаре, можно объединить в две группы:

1. Постоянные (перманентные) барические области, существующие в течение всего года: экваториальный пояс пониженного давления, пять субтропических океанических барических максимумов, пояс пониженного давления вокруг Антарктиды, Исландский и Алеутский минимумы, Антарктический и Гренландский максимумы.

2. Сезонные барические области – Азиатский и Канадский зимние максимумы, которым летом соответствует пониженное давление над всей Евразией и Северной Америкой, и Южно-Азиатский, Мексиканский, Южно-Американский, Южно-Африканский и Австралийский минимумы над материками, которые существуют только летом. Зимой эти области являются частью поясов повышенного давления.

В целом же барическое поле Земли в течение года сохраняет зональный характер. Зональность нарушается тем, что над материками давление зимой повышается, а летом понижается. Это так называемый континентальный тип годового хода давления, который лучше всего выражен во внутренних районах Центральной Азии, где внутригодовой перепад давления достигает почти 40 гПа (г. Люкчун). В океаническом типе годовой ход давления обратный: летом оно повышается, зимой понижается. Сезонные изменения барического поля ярче выражены во внетропических широтах, менее выразительны в экваториально-тропических.