Cirkulacija vlage

Početni izvor atmosferske vlage je Svjetski okean sa čije površine voda isparava. Nešto od toga se kondenzira u oblacima i pada kao padavine upravo tamo na okeanu, dovršavajući mali ciklus vlage. Drugi deo isparene vlage u obliku vodene pare prenosi se na kopno, gde se takođe kondenzuje u oblacima i pada u obliku tečnih ili čvrstih padavina, prodire u zemlju, otiče rekama u okean i troše je biljke i životinje. Ova karika u ciklusu vlage nije zatvorena, jer se veći dio vodene pare biljaka tokom fotosinteze razlaže na vodonik i kisik, a manji dio se vezuje i nepovratno ga isključuje iz razmjene vode. Cirkulacija vlage je kvantitativno karakterizirana bilans vode.

Balans vode - ϶ᴛᴏ algebarski zbir svih oblika dotoka i odliva vlage u atmosferi, na odabranoj teritoriji ili na moru, na kontinentu ili okeanu i na površini zemlje u cjelini.

Padavine (P) koje padaju na teritoriju djelimično isparavaju (E) u atmosferu, djelimično teku (R): u okean

P = E + R,

odnosno padavine su jednake isparavanju plus oticanju.Ovo je bilans vode. Gornju jednačinu predložio je A.I. Voeikov 1884.

Godine 1932. ᴦ. G.N. Vysotsky je predložio jednačinu u kojoj su isparavanje i otjecanje podijeljeni na sastavne dijelove. Evapotranspiracija E sastoji se od direktnog isparavanja E n i transpiracija T:

E = En + T.

Full drain R je secirano na površno S i podzemni U :

K = S + U.

Snabdijevanje ili nestašica podzemnih voda u proteklim godinama također učestvuje u vodnom bilansu teritorije. ±W.

Danas formula vodnog bilansa izgleda ovako:

P = En + T + S + U ±W

Kompletna jednadžba vodnog bilansa ograničenog područja uključuje (pored već navedenih komponenti) kondenzaciju vlage na površini, površinski dotok, podzemni dotok, promjene u zalihama vode u snježnom pokrivaču, isto u močvarama, zahvat vode, prebacivanje u druge sisteme i vraćanje vode iz kućnih potreba. Uz pomoć nekoliko komponenti, odražava različite odnose između vode, atmosferskog zraka, tla i vegetacije.

Isparavanje sastoji se u prelasku vode iz tečne ili čvrste faze u gasovitu fazu i ulasku vodene pare u atmosferu.

Isparavanje je prvenstveno energetski proces. Zavisi od količine toplinske energije koja se može potrošiti na datu površinu u jedinici vremena, te je stoga određena jednadžbom ravnoteže topline na površini zemlje. Na okeanima se do 90% energije sunčevog zračenja troši na isparavanje.

Drugi meteorološki uvjet koji određuje količinu isparavanja je vlažnost zraka, stepen suhoće ili vlažnosti. Kvantitativno, karakteriše ga deficit vlage, koji zauzvrat zavisi od temperature vazduha i, u manjoj meri, od vetra. Naravno, do isparavanja može doći samo u prisustvu vode. Na kopnu ovo stanje nije prisutno svuda i ne uvijek: aridne zone karakteriše deficit vlage, dok u vlažnim zonama može doći do nedostatka vlage u određenim periodima. U tom smislu, meteorologija je razvila koncept volatilnost (Ec).

Volatilnost - ϶ᴛᴏ maksimalno moguće isparavanje pod datim meteorološkim uslovima, neograničeno rezervama vlage. Isto se odnosi i na termin “potencijalno isparavanje”.

Isparavanje je jedan od najvažnijih procesa geografskog omotača. On troši većinu sunčeve toplote . Latentna toplota isparavanja, koja se oslobađa pri kondenzaciji vlage, zagrijava atmosferu, a to je glavni izvor topline za atmosferu. Isparena vlaga ulazi u kontinente i obezbjeđuje im padavine.Prilikom faznih prelaza vode toplota se apsorbuje ili oslobađa, a tokom atmosferske cirkulacije se preraspoređuje. Učestvuje jedna od vrsta isparavanja, transpiracija biološki procesi i formiranje biološke mase.

Klimatski, a posebno biofizički značaj isparavanja je u suštini u tome što pokazuje sposobnost isušivanja zraka: što više može ispariti uz ograničene rezerve vlage u tlu, to je aridnost izraženija. Na nekim mjestima to dovodi do pojave pustinja, na nekima uzrokuje privremene suše, a treće, gdje je isparavanje zanemarljivo, stvaraju se uvjeti zalijevanja.

IN Sjeverna Evropa isparavanje je blizu svoje gornje granice - isparavanja - oko 100 mm godišnje. U zoni suhih stepa jugoistočne Evrope, kao iu sušnim područjima mediteranskih subtropskih područja, isparavanje dostiže 1200 - 1300 mm, ali stvarno isparavanje zbog nedostatka vlage iznosi samo 300 mm. Nedostatak vlage - razlika između padavina i isparavanja u aridnim zonama je otprilike 600-800 mm.

Maksimalno isparavanje, prirodno, događa se u pustinjama, posebno u Sahari. U središnjim dijelovima prelazi 4500 mm, a isparavanje, ograničeno neznatnom količinom padavina, ne prelazi 100 mm godišnje. Ovdje se ne troše samo padavine za isparavanje, već i podzemne vode koje teku sa planine Atlas i iz sliva Centralna Afrika. Razlika između potencijalnog (4500 mm) i stvarnog (oko 100 mm) isparavanja izražava stepen suhoće Sahare.

Najveće isparavanje (oko 1.200 mm) događa se u močvarnim nizinama Centralne Afrike - u basenima jezera Čad i Gornjeg Nila. Biljke koje su ovdje opskrbljene toplinom i vlagom osiguravaju najveći porast biljne mase na Zemlji. U ekvatorijalnoj Africi, sloj vode od 1000 mm ispari godišnje.

Isparavanje i isparavanje odražavaju obrasce padavina i topline. Odnos dotoka i odliva atmosferske vlage obično se naziva atmosfersko vlaženje.

Voda u atmosferi. Svojstva vode

Voda je svuda na zemlji. Okeani, mora, rijeke, jezera i druga vodena tijela zauzimaju 71% Zemljine površine. Voda, koja se nalazi u atmosferi, jedina je supstanca koja može biti tamo u sva tri fazna stanja (čvrsto, tekuće i gasovito) istovremeno.

Najvažnija fizička svojstva vode za meteorologiju prikazana su u tabeli 6.

Tabela 6 – fizičke karakteristike voda (Rusin, 2008)

Svojstva vode važna za formiranje klime:

· voda je apsorber energije zračenja;

· ima jednu od najvećih vrijednosti specifičnog toplotnog kapaciteta među ostalim supstancama na zemlji (ovo utiče na razliku u zagrijavanju kopna i mora, prodiranje zračenja i topline duboko u tlo i vodena tijela);

· idealan (skoro) rastvarač;

· dipolna (bipolarna) struktura molekula vode obezbeđuje visoku tačku ključanja (bez vodoničnih veza, tačka ključanja bi bila -80°C).

Širi se kada se zamrzne, za razliku od drugih supstanci koje se skupljaju. (maksimalna gustina vode se zapaža na temperaturi od +4°C; gustina leda je manja od gustine vode: destilovan za 1/9, more za 1/7; lakši led pluta na površini vode ).

Zahvaljujući procesima isparavanja i kondenzacije, u atmosferi se kontinuirano odvija kruženje vode, u čemu učestvuje značajna njena masa. U prosjeku, dugoročni ciklus vode karakteriziraju sljedeći podaci (Tabela 1):

Tabela 1 - Karakteristike ciklusa vode na Zemlji (Matveev, 1976)

	Padavine, mm/god	Isparavanje, mm/god	Otjecanje, mm/god
Kontinenti
Svjetski ocean
zemlja

Sloj vode debljine 1127 mm (ili 4,07 10 17 kg vode) ispari sa površine okeana (361 milion km 2) tokom godine, a 446 mm (ili 0,66 10 17 kg vode) sa površine okeana. kontinentima. Debljina sloja padavina koje godišnje padaju na okeane je 1024 mm (ili 3,69 10 17 kg vode), na kontinentima - 700 mm (ili 1,04 10 17 kg vode). Količina padavina na kontinentima znatno premašuje isparavanje (za 254 mm, odnosno 0,38·10 17 kg vode). To znači da značajna količina vodene pare stiže na kontinente iz okeana. S druge strane, voda koja nije isparila na kontinentima (254 mm) teče u rijeke i dalje u okean. Na okeanima, isparavanje premašuje (za 103 mm) količinu padavina. Razlika se nadoknađuje oticanjem vode iz okeana.

Isparavanje i volatilnost

Voda ulazi u atmosferu kao rezultat isparavanja sa površine Zemlje (akumulacije, tlo); luče ga živi organizmi u procesu života (disanje, metabolizam, transpiracija u biljkama); nusproizvod je vulkanske aktivnosti, industrijske proizvodnje i oksidacije raznih supstanci.

Isparavanje(obično voda) - ulazak vodene pare u atmosferu zbog odvajanja najbrže pokretnih molekula sa površine vode, snijega, leda, vlažnog tla, kapi i kristala u atmosferi.

Isparavanje sa površine zemlje naziva se fizičko isparavanje. Fizičko isparavanje i transpiracija zajedno - evapotranspiracija.

Suština procesa isparavanja je odvajanje pojedinačnih molekula vode sa površine vode ili iz vlažnog tla i prijenos zraka u obliku molekula vodene pare. Para sadržana u atmosferi kondenzira se kada se zrak hladi. Do kondenzacije vodene pare može doći i sublimacijom (proces direktnog prijelaza tvari iz plinovitog u kruto, zaobilazeći tekućinu). Voda se uklanja iz atmosfere taloženjem.

Molekuli tečnosti su uvek u pokretu, a neki od njih mogu da probiju površinu tečnosti i pobegnu u vazduh. Odvajaju se oni molekuli čija je brzina veća od brzine kretanja molekula na datoj temperaturi i dovoljna je da savlada sile adhezije (molekularno privlačenje). Kako temperatura raste, broj molekula koji odlaze se povećava. Molekuli pare se mogu vratiti iz zraka u tečnost. Kada se temperatura tečnosti poveća, broj molekula koji je napuštaju postaje veći od broja koji se vraćaju, tj. tečnost isparava. Snižavanje temperature usporava prijelaz molekula tekućine u zrak i uzrokuje kondenzaciju pare. Ako vodena para uđe u zrak, ona, kao i svi drugi plinovi, stvara određeni pritisak. Kako se molekuli vode kreću u zrak, tlak pare u zraku raste. Kada se postigne stanje pokretne ravnoteže (broj molekula koji izlaze iz tekućine jednak je broju molekula koji se vraćaju), isparavanje prestaje. Ovo stanje se zove saturation , vodena para u ovom stanju – saturating i vazduh bogat . Pritisak vodene pare pri zasićenju naziva se pritisak zasićene vodene pare (E), ili elastičnost zasićenja, ili maksimalna elastičnost.

Dok se ne postigne stanje zasićenja, dolazi do procesa isparavanja vode, a elastičnost vodene pare (e) iznad tečnosti je manja od maksimalne elastičnosti: e<Е.

Ako je broj povratnih molekula vode veći od broja izlazećih, tada se odvija proces kondenzacije ili sublimacije (iznad leda): e>E.

Pritisak zasićene vodene pare zavisi od

· temperatura vazduha,

o prirodi površine (tečnost, led),

na oblik ove površine,

salinitet vode.

Većina vodene pare ulazi u atmosferu sa površine mora i okeana. Ovo se posebno odnosi na vlažna, tropska područja Zemlje. U tropima, isparavanje premašuje padavine. Na visokim geografskim širinama javlja se suprotan odnos. Općenito, na cijelom svijetu količina padavina je približno jednaka isparavanju.

Neki regulišu isparavanje fizička svojstva teren, posebno temperatura površine vode i velikih vodenih površina, preovlađujuće brzine vjetra. Kada vjetar duva preko površine vode, on odnosi vlažni zrak u stranu i zamjenjuje ga svježim, suvljim zrakom (tj. advekcija i turbulentna difuzija se dodaju molekularnoj difuziji). Što je vjetar jači, zrak se brže mijenja i isparavanje je intenzivnije.

Isparavanje se može okarakterisati brzinom procesa. Brzina isparavanja (V) se izražava u milimetrima vodenog sloja koji ispari u jedinici vremena sa jedinice površine. Zavisi od deficita zasićenja, atmosferskog pritiska i brzine vjetra.

Isparavanje je teško izmjeriti u stvarnim uvjetima. Za mjerenje isparavanja koriste se isparivači različitih konstrukcija ili bazeni za isparavanje (s površinom presjek 20 m2 ili 100 m2 i 2 m dubine). Ali vrijednosti dobivene iz isparivača ne mogu se izjednačiti s isparavanjem sa stvarne fizičke površine. Stoga se pribjegavaju metodama proračuna: isparavanje sa površine zemljišta se izračunava na osnovu podataka o padavinama, oticanju i sadržaju vlage u tlu, koje je lakše dobiti mjerenjima. Isparavanje s površine mora može se izračunati korištenjem formula bliskih ukupnoj jednadžbi.

Pravi se razlika između stvarnog isparavanja i isparavanja.

Volatilnost– potencijalno isparavanje u datom području pod postojećim atmosferskim uslovima.

To znači ili isparavanje sa površine vode u isparivaču; isparavanje sa otvorene vodene površine velike vodene površine (prirodna slatka voda); isparavanje s površine pretjerano vlažnog tla. Isparavanje se izražava u milimetrima sloja isparene vode u jedinici vremena.

U polarnim regijama, isparavanje je nisko: oko 80 mm/god. To je zbog činjenice da postoje niske temperature površine isparavanja, a pritisak zasićene vodene pare E S i stvarni pritisak vodene pare su mali i blizu jedan drugom, pa je razlika (ES – e) mala.

U umjerenim geografskim širinama, isparavanje se mijenja u širokom rasponu i ima tendenciju povećanja pri kretanju sa sjeverozapada na jugoistok kontinenta, što se objašnjava povećanjem deficita zasićenja u istom smjeru. Najniže vrijednosti u ovom pojasu Evroazije primećuju se na severozapadu kontinenta: 400–450 mm, najveći (do 1300–1800 mm) u Centralnoj Aziji.

U tropima isparavanje je malo na obalama i naglo raste u unutrašnjosti na 2500–3000 mm.

Na ekvatoru isparavanje je relativno nisko: ne prelazi 100 mm zbog male vrijednosti deficita zasićenja.

Stvarno isparavanje na okeanima poklapa se sa isparavanjem. Na kopnu je znatno manji, uglavnom u zavisnosti od režima vlage. Razlika između isparavanja i padavina može se koristiti za izračunavanje deficita ovlaživanja zraka.

Najvažnija komponenta ravnoteže vode je isparavanje. Problem dobijanja klimatski pouzdanih informacija o isparavanju je mnogo akutniji nego za padavine. Ogromna većina poznatih podataka zasnovana je na metodama proračuna. Proračuni su više-manje pouzdani vodena površina, pri čemu se isparavanje može uzeti kao isparavanje i ova vrijednost se može izračunati. Nad kopnom je takav pristup nemoguć, stoga se direktna mjerenja isparavanja vrše na rijetkoj mreži, ali je prostorno klimatsko generaliziranje ovih podataka teško (Kislov A.V., 2011).

Na sl. 3.5 i u tabeli. U tabeli 3.3 prikazane su izračunate godišnje količine isparavanja sa donje površine, iz čega proizilazi da isparavanje iz okeana znatno premašuje isparavanje sa kopna. U većem dijelu Svjetskog okeana u srednjim i niskim geografskim širinama, isparavanje varira od 600 do 2500 mm, a maksimumi dostižu 3000 mm. U polarnim vodama, u prisustvu leda, isparavanje je relativno malo. Na kopnu, godišnje količine isparavanja kreću se od 100-200 mm u polarnim i pustinjskim regijama (još manje na Antarktiku) do 800-1000 mm u vlažnim tropskim i suptropskim područjima (južna Azija, sliv rijeke Kongo, jugoistočni SAD, istočna obala Australije , ostrva Indonezije, Madagaskar). Maksimalne vrijednosti na kopnu su nešto više od 1000 mm (Khromov S.P., Petrosyants M.A., 2001).

Rice. 3.5. Distribucija prosječnih godišnjih vrijednosti (mm/god) isparavanja sa donje površine (Atlas toplotnog bilansa svijeta, 1963.)

Tabela 3.3. Godišnje vrijednosti isparavanja (mm) za različite zone sjeverne hemisfere (prema M.I. Budyko, 1980)

Dakle, u prosjeku na geografskim širinama na sjevernoj hemisferi, najveće godišnje vrijednosti isparavanja se uočavaju u tropima. Kako se krećete od tropa ka polovima, isparavanje se smanjuje. U ekvatorijalnoj zoni i na visokim geografskim širinama prosječne godišnje vrijednosti isparavanja nad kopnom i morem su približno iste, ali u tropima i umjerenim geografskim širinama isparavanje s površine mora je veće nego s površine kopna. Raspodjela isparavanja je slična na južnoj hemisferi, ali na cijeloj hemisferi isparavanje je veće i iznosi približno 1250 mm, pa je površina koju zauzima okean veća na toj hemisferi (za sjevernu hemisferu prosječni godišnji vrijednost isparavanja je oko 770 mm) (Klimatologija, 1989).

Da bi se dobile fizički utemeljene ideje o karakteristikama prostornog obrasca isparavanja, može se uzeti u obzir činjenica da je turbulentni tok vodene pare određen vertikalnim gradijentom vlage u površinskom sloju i razvojem turbulentnog režima, koji može biti parametarski okarakterisan veličinom vektora brzine vjetra i kriterijem stabilnosti atmosferske stratifikacije. Sa ove tačke gledišta, postaje jasno, na primjer, zašto uz šipke tople struje(Gulf Stream, Kuroshio, Brazil, East Australia) isparavanje je visoko. Posebno se povećava u zimsko vrijeme, kada suhi hladni zrak, formiran u vantropskim kontinentalnim centrima visokog pritiska, ulazi u more (zbog prevlasti zapadnog transporta). Istovremeno se povećava specifični gradijent vlažnosti i naglo povećava turbulencija zbog nastajanja nestabilne temperaturne stratifikacije.

Razmatrane odredbe omogućavaju objašnjenje postojanja velikih padavina u ITC-u sa stanovišta bilansa padavina (r) i količinu isparavanja (E)(Sl. 3.6). Nad ogromnim dijelovima okeana zračne mase pasata akumuliraju vlagu (ovdje E– r> 0) i "sipajte" ovu vodu u VZK (gdje E– r< 0). Oblačni sistemi polarnih frontalnih ciklona formiraju se u tropskom vlažnom vazduhu, tako da vodenu paru prenose na visoke geografske širine i kontinente (gde E– r< 0) takođe je sakupljen iz tropskih i suptropskih voda Svjetskog okeana.

Ravnoteža vlage “isparavanje minus padavine” omogućava nam da razumijemo glavne geografske obrasce formiranja riječnog toka - najdublje rijeke su one čiji se slivovi nalaze na teritorijama gdje E -r< 0. Tipični primjeri su rijeke Amazon, Kongo, Gang, Brahmaputra, itd. Štaviše, nisu samo navedene velike rijeke, koje se protežu na hiljade kilometara, punovodne, već i relativno male rijeke velikih ostrva, na primjer Indonezije, hrane se tokom cijele godine obilnim padavinama, čija je količina znatno veća od isparavanja.

Za okean, ravnoteža atmosferske vlage "isparavanje minus padavine" je vertikalni tok "slatke vode". Ono u svojim glavnim karakteristikama određuje prostornu heterogenost polja saliniteta vode. IN pacifik padavine premašuju isparavanje, au Atlantskom (i Indijskom okeanu) isparavanje premašuje padavine i veći površinski salinitet, a njegova prostorna distribucija prati raspodjelu bilansa “padavine minus isparavanje”. Međutim, nisu sve karakteristike polja saliniteta određene samo ovom ravnotežom. Stoga se desalinizacija vode povećava lokalno u blizini ušća velike rijeke(Amazon, Kongo, Gang). U polarnim geografskim širinama, pored gore navedenih faktora, salinitetno polje igra aktivnu ulogu u procesu formiranja. slatke vode, nastaje kada se snijeg i ledeni pokrivač otapa (Kislov A.V., 2011).

Rice. 3.6. Balans atmosferske vlage “isparavanje minus padavine” nad okeanima (cm/godišnje): 1 – izolinije >0 ; 2 – izolinije <0 (Kislov A.V., 2011.)

Isparavanje i volatilnost. Geografska distribucija isparavanja i volatilnosti (analiza mapa isparavanja i isparljivosti)

ISPARIVANJE (ruski) - prijelaz tvari iz tekućeg ili čvrstog stanja u plinovito stanje - u paru. U prirodi, vodena para ulazi u atmosferu sa površine vode, tla, vegetacije, leda i snijega. Isparavanje ovisi o temperaturi i vlažnosti zraka, o površini isparavanja i brzini vjetra.

ISPARIVOST -- maksimalno moguće isparavanje pod datim meteorološkim uslovima sa dovoljno navlažene podloge, odnosno u uslovima neograničenog snabdevanja vlagom. Isparavanje se izražava u milimetrima sloja isparene vode i veoma se razlikuje od stvarnog isparavanja, posebno u pustinji, gdje je isparavanje blizu nule, a isparavanje iznosi 2000 mm godišnje ili više.

Toplina se troši na isparavanje, zbog čega se temperatura površine koja isparava smanjuje. Ovo je od velike važnosti za biljke, posebno u ekvatorijalno-tropskim geografskim širinama, gdje isparavanje smanjuje njihovo pregrijavanje. Južna okeanska hemisfera je hladnija od sjeverne hemisfere dijelom iz istog razloga.

Dnevni i godišnji tok isparavanja usko je povezan sa temperaturom vazduha. Vrijednosti isparavanja u polarnim geografskim širinama su oko 60-80 mm sa maksimalnom vrijednošću od 100-120 mm zbog niskih temperatura zraka i, kao posljedica toga, bliskih vrijednosti E1 (stvarni pritisak vodene pare) i e (maksimalni elastičnost).

U polarnim područjima, pri niskim temperaturama površine isparavanja, i elastičnost zasićenja Es i stvarna elastičnost e su male i blizu jedna drugoj. Dakle, razlika (Es - e) je mala, a uz to je i brzina isparavanja mala. U Spitsbergenu je samo 80 mm godišnje, u Engleskoj oko 400 mm, u srednjoj Evropi oko 450 mm. Na evropskom području Rusije, isparavanje se povećava od sjeverozapada prema jugoistoku zajedno s povećanjem nedostatka vlage. U Lenjingradu je 320 mm godišnje, u Moskvi 420 mm, u Lugansku 740 mm. U centralnoj Aziji, sa visokim ljetnim temperaturama i velikim deficitom vlage, isparavanje je mnogo veće: 1340 mm u Taškentu i 1800 mm u Nukusu.

U tropima, isparavanje je relativno malo na obalama i naglo se povećava u unutrašnjosti, posebno u pustinjama. Tako je na atlantskoj obali Sahare godišnja stopa isparavanja 600-700 mm, a na udaljenosti od 500 km od obale - 3000 mm. U najsušnijim područjima Arabije i pustinjama Kolorado je iznad 3000 mm. Samo u Južnoj Americi nema područja sa godišnjom stopom isparavanja većom od 2500 mm.

Na ekvatoru, gdje je deficit vlage mali, isparavanje je relativno malo: 700-1000 mm. U obalnim pustinjama Perua, Čilea i Južne Afrike, godišnje isparavanje također nije veće od 600-800 mm.

Geografska distribucija stvarnog isparavanja prema geografskoj širini je sljedeća:

Na geografskoj širini 0-10°, isparavanje na kopnu je 112 cm, u okeanu - 110 cm.

Na geografskoj širini od 20-30°, isparavanje na kopnu je 37 cm, u okeanu - 130 cm.

Na geografskoj širini od 40-50°, isparavanje na kopnu je 37 cm, u okeanu - 70 cm.

Na geografskoj širini od 60-90°, isparavanje na kopnu je 8 cm, u okeanu - 15 cm.