Лекция 7. Вода в атмосфере
1. Свойства воды.
2. Испарение и испаряемость. Скорость испарения.
3. Характеристики влажности воздуха.
4. Облака и их образование, структура, строение, ярусы.
5. Атмосферные осадки
Влагооборот между атмосферой и земной поверхностью – это один из трех климатообразующих процессов наряду с теплооборотом и общей циркуляцией атмосферы.
Влагооборот – постоянный обмен влагой между атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, переноса водяного пара в атмосфере, конденсации его в атмосфере, выпадения осадков и стока. В этой совокупности, представляющей единый комплексный климатообразующий процесс, происходит непрерывный переход воды с земной поверхности в воздух и из воздуха снова на земную поверхность.
1. 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)
Фазовое состояние воды при t=0ºС |
Плотность, кг/м3 |
Теплоемкость, Дж/кг/К |
Скрытая теплота фазового перехода, Дж/кг |
Поверхностное натяжение, Дж/м2 |
Лед |
917 |
2137 |
0,33·106 (плавление) |
0,08 |
Вода |
1000 |
4190 |
2,5·106 (испарение) |
0,075 |
Пар (насыщенный) |
5·10-3 |
1844 (1383) |
2,83·106 (сублимация) |
Нет |
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 |
700 |
446 |
254 |
Мировой океан |
1024 |
1127 |
103 |
Земной шар |
928 |
928 |
0 |
С поверхности океанов (361 млн. км2) в течение года испаряется слой воды толщиной 1127 мм (или 4,07·1017 кг воды), с поверхности материков – 446 мм (или 0,66·1017 кг воды). Толщина слоя осадков, выпадающих за год, на океанах составляет 1024 мм (или 3,69·1017 кг воды), на материках – 700 мм (или 1,04·1017 кг воды). Количество осадков на материках значительно превышает испарение (на 254 мм, или на 0,38·1017 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.