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 всœех 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 разделœены 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 всœего 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 всœегда: 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 выделœение 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 .

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.

Важнейшим компонентом водного баланса является испарение. Проблема получения климатически достоверной информации об испарении стоит гораздо острее, чем в отношении осадков. Подавляющая часть известных данных базируется на расчетных методах. Расчеты более-менее надежны над водной поверхностью, где можно принять испарение за испаряемость и вычислить это значение. Над сушей такой подход невозможен, поэтому на редкой сети производится непосредственное измерение испарения, однако пространственное климатическое обобщение этих данных затруднительно (Кислов А.В., 2011).

На рис. 3.5 и в табл. 3.3 приводятся рассчитанные годовые суммы испарения с подстилающей поверхности, из которых следует, что испарение с океанов значительно превышает испарение с суши. На большей части акватории Мирового океана в средних и низких широтах испарение изменяется от 600 до 2500 мм, а максимумы достигают 3000 мм. В полярных водах при наличии льдов испарение сравнительно невелико. На суше годовые суммы испарения составляют от 100–200 мм в полярных и пустынных районах (в Антарктиде еще меньше) до 800–1000 мм во влажных тропических и субтропических областях (юг Азии, бассейн р. Конго, юго-восток США, восточное побережье Австралии, острова Индонезии, Мадагаскар). Максимальные значения на суше – несколько больше 1000 мм (Хромов С.П., Петросянц М.А., 2001).

Рис. 3.5. Распределение средних годовых значений (мм/год) испарения с подстилающей поверхности (Атлас теплового баланса земного шара, 1963)

Таблица 3.3 . Годовые значения испарения (мм) для разных поясов Северного полушария (по данным Будыко М.И., 1980)

Таким образом, в среднем по широтным зонам в Северном полушарии наибольшие годовые значения испарения наблюдаются в тропиках. По мере продвижения от тропиков к полюсам испарение уменьшается. В экваториальной зоне и в высоких широтах средние годовые значения испарения над сушей и морем примерно одинаковые, но в тропиках и умеренных широтах испарение с поверхности моря больше, чем с поверхности суши. Аналогичное распределение испарения и в Южном полушарии, но в целом по полушарию испарение выше и составляет примерно 1250 мм, так, площадь, занятая океаном, в том полушарии больше (для Северного полушария среднее годовое значение испарения около 770 мм) (Климатология, 1989).

Для получения физически аргументированных представлений об особенностях пространственной картины испарения можно принять во внимание то, что турбулентный поток водяного пара определяется вертикальным градиентом влаги в приводном слое и развитостью турбулентного режима, который может быть параметрически охарактеризован величиной модуля вектора скорости ветра и критерием устойчивости стратификации атмосферы. С этой точки зрения становится понятно, например, почему вдоль стрежней теплых течений (Гольфстрима, Куросио, Бразильского, Восточно-Австралийского) испарение велико. Особенно оно увеличивается в зимнее время, когда на морские акватории попадает (из-за преобладания западного переноса) сухой холодный воздух, сформировавшийся во внетропических континентальных центрах высокого давления. При этом возрастает градиент удельной влажности и резко усиливается турбулентность из-за формирующейся неустойчивой температурной стратификации.

Рассмотренные положения позволяют объяснить существование больших осадков ВЗК с точки зрения баланса количества осадков (r) и величины испарения (Е) (рис. 3.6). Над обширными частями океанов воздушные массы пассатов накапливают влагу (здесь Е – r > 0) и «выливают» эту воду в ВЗК (где Е – r < 0). Облачные системы полярно-фронтовых циклонов формируются в тропическом влажном воздухе, так что переносимый ими в высокие широты и на континенты водяной пар (туда, где Е – r < 0) также собран с тропических и субтропических акваторий Мирового океана.

Баланс влаги «испарение минус осадки» позволяет понять основные географические закономерности формирования речного стока – наиболее полноводны те реки, бассейны которых находятся на территориях, где Е - r< 0. Характерными примерами являются реки Амазонка, Конго, Ганг, Брахмапутра и др. Причем полноводны не только названные великие реки, простирающиеся на тысячи километров, но и сравнительно небольшие по протяженности реки крупных островов, например Индонезии, круглогодично питаемые обильными осадками, количество которых существенно превышает испарение.

Для океана атмосферный баланс влаги «испарение минус осадки» представляет собой вертикальный поток «пресной воды». Он определяет в главных чертах пространственную неоднородность поля солености вод. В Тихом океане осадки превышают испарение, а в Атлантическом (и Индийском океане) испарение больше осадков и больше соленость приповерхностных слоев, причем ее пространственное распределение следует за распределением баланса «осадки минус испарение». Однако не все особенности поля солености определяются исключительно этим балансом. Так, распреснение вод локально возрастает вблизи устьев крупных рек (Амазонка, Конго, Ганг). В полярных широтах помимо названных факторов активную роль в процессе формирования поля солености играют пресные воды, образующиеся при таянии снежного и ледяного покрова (Кислов А.В., 2011).

Рис. 3.6. Атмосферный баланс влаги «испарение минус осадки» над океанами (см/год): 1 – изолинии >0 ; 2 – изолинии <0 (Кислов А.В., 2011)

Испарение и испаряемость. Географическое распределение испарения и испаряемости (анализ карт испарения и испаряемости)

ИСПАРЕНИЕ (русск.) -- переход вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное -- в пар. В природе водяной пар поступает в атмосферу с поверхности воды, почвы, растительности, льда, снега. Испарение зависит от температуры и влажности воздуха, от испаряющей поверхности и скорости ветра.

ИСПАРЯЕМОСТЬ -- максимально возможное испарение при данных метеорологических условиях с достаточно увлажненной подстилающей поверхности, то есть в условиях неограниченного запаса влаги. Испаряемость выражается в миллиметрах слоя испарившейся воды и сильно отличается от фактического испарения, особенно в пустыне, где испарение близко к нулю, а испаряемость -- 2000 мм в год и более.

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. Величины испаряемости в полярных широтах около 60-80 мм с максимальными значением 100-120 мм обусловлены низкими температурами воздуха и, как следствие, близкими значениями E1 (фактической упругости водяного пара) и е (максимальной упругости).

В полярных областях, при низких температурах испаряющей поверхности, как упругость насыщения Еs так и фактическая упругость е малы и близки друг к другу. Поэтому разность (Es - е) мала, и вместе с ней мала испаряемость. На Шпицбергене она только 80 мм в год, в Англии около 400 мм, в Средней Европе около 450 мм. На Европейской территории России испаряемость растет с северо-запада на юго-восток вместе с ростом дефицита влажности. В Ленинграде она 320 мм в год, в Москве 420 мм, в Луганске 740 мм. В Средней Азии с ее высокими летними температурами и большим дефицитом влажности испаряемость значительно выше: 1340 мм в Ташкенте и 1800 мм в Нукусе.

В тропиках испаряемость сравнительно невелика на побережьях и резко возрастает внутри материков, особенно в пустынях. Так, на Атлантическом побережье Сахары годовая испаряемость 600--700 мм, а на расстоянии 500 км от берега -- 3000 мм. В наиболее засушливых районах Аравии и пустынь по Колорадо она выше 3000 мм. Только в Южной Америке нет областей с годовой испаряемостью более 2500 мм.

У экватора, где дефицит влажности мал, испаряемость относительно низка: 700--1000 мм. В береговых пустынях Перу, Чили и Южной Африки годовая испаряемость также не более 600--800 мм.

Географическое распределение фактического испарения в широтами следующий:

На широте 0-10 ° испарения на суше составляет 112 см, океане - 110 см.

На широте 20-30 ° испарения на суше составляет 37 см, океане - 130 см.

На широте 40-50 ° испарения на суше составляет 37 см, океане - 70 см.

На широте 60-90 ° испарения на суше составляет 8 см, океане - 15 см.