Глава II вода в атмосфере и на поверхности земли

' ОБЩИЙ КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ

Подземные воды нельзя изучать изолированно от вод в атмо­сфере и на поверхности Земли, Вода из атмосферы поступает на по­верхность Земли в виде дождя, снега и, в меньшей мере, росы и туманов. При этом одна часть осадков стекает по поверхности Зем­ли в реки, несущие свои воды в океаны и моря, другая — просачи­вается через почву, пополняя запасы подземных вод, третья — ис­паряется.

Подземные воды находятся в непрерывном движении, участвуют в питании морей, океанов, рек, озер и болот; во многих местах они выходят на дневную поверхность в виде источников.

Общее количество воды в океанах, морях, реках и озерах дости­гает 1,4 млрд. км³, из них на поверхностные воды суши приходится не более 2,7%. Площадь водной поверхности составляет 70,8% всей поверхности земного шара. Если всю воду, содержащуюся в океа­нах, морях, озерах и реках, равномерно распределить по поверхно­сти земного шара, она образует слой толщиной 3795 м.

Под влиянием солнечного тепла происходит испарение воды с водной поверхности, а также с суши и непосредственно с зеркала подземных вод. Испарившаяся влага, охлаждаясь в верхних слоях атмосферы, конденсируется и снова выпадает в виде дождя и снега. Круговорот воды в природе можно представить в виде следующей зависимости:

где О — атмосферные осадки; С — сток; У_ио — испарение; fhh— часть осадков, просачивающаяся в грунт (инфильтрация).

Входящие в формулу величины и соотношения между ними не­постоянны и зависят от климата, рельефа, характера растительно­сти и геологических условий.

Влажность воздуха

Вода в атмосфере находится в парообразном, капельно-жидком (облака, туман, дождь) и твердом (кристаллы льда и снега, град)

13

состояниях. Содержание водяных паров в воздухе зависит от тем­пературы и давления, направления ветров, времени года и суток, рельефа, высоты и широты местности, характера почв, наличия и размеров водных бассейнов и обилия растительности.

Количество воды, содержащейся в воздухе, называют влаж­ностью. Различают влажность абсолютную и относительную. Под абсолютной влажностью понимают количество водяных паров в 1 м³ воздуха, выраженное в граммах, или упругость водяных па­ров, находящихся в воздухе, выраженную в паскалях. Зависимость между количеством пара Q и его упругостью Е можно выразить формулой

(П-1)

где а — 0,004 — коэффициент объемного расширения воздуха; Т — температура воздуха.

При температуре 0° С Q = l,06 E.

Относительная влажность так же, как и абсолютная, может быть выражена в величинах упругости пара:

Относительной влажностью называют отношение количества па­ров воды Qi, содержащихся в 1 м³ воздуха в момент наблюдения, к количеству паров Q, необходимому для полного насыщения того же объема воздуха при той же температуре. Естественно, что величи­на относительной влажности всегда меньше единицы; ее обычно вы­ражают в процентах:

где е — упругость паров, находящихся в воздухе в данный момент; Е — упругость паров, необходимых для полного насыщения этого объема воздуха при той же температуре.

В пустынных районах Африки, Юго-Восточной Азии, Ближнего Востока, Советского Союза, Австралии, Латинской Америки и США величина относительной влажности очень часто снижается до 20—30% и менее.

Для определения влажности воздуха применяют специальные приборы: волосные гигрометры, гигрографы и психрометры.

Волосным гигрометром пользуются для определения относитель­ной влажности при температуре воздуха ниже +5°С. Прибор (рис. 1) представляет собой прямоугольную раму, в верхней части которой прикреплен обезжиренный человеческий волос. Действие прибора основано на свойстве волоса удлиняться или сокращаться при изменении влажности. С увеличением влажности волос удли­няется, под влиянием грузика блок поворачивается вправо, и одно­временно конец стрелки перемещается по шкале в ту же сторону.

14

В случае понижения влажности волос сокращается и стрелка от­клоняется влево.

Гигрограф (рис. 2) служит для непрерывной записи изменении относительной влажности воздуха. В этом приборе воспринимаю­щей частью также является обезжиренный человеческий волос. При изменении влажности пучок волос то удлиняется, то укорачивает­ся, вследствие чего конец стрелки поднимается или опускается. При этом перо стрелки перемещается по ленте барабана, приводи­мого во вращение часовым механиз­мом, и вычерчивает на ней кривые, показывающие относительную влаж­ность воздуха в каждый момент наблюдений.

Определение влажности при по­мощи психрометра производится сле­дующим образом. Два психрометри­ческих термометра с делениями, рав­ными 0,2° С, укрепляются рядом в вертикальном положении на желез­ном штативе (рис. 3). Один термо­метр, называемый «сухим», служит для определения температуры воз­духа. Резервуар второго термомет-

Рис, 1. Волосной гигрометр

Рис. 2. Гигрограф

ра обернут куском батиста, нижний конец которого свернут в виде жгута и пропущен через отверстие в крышке стаканчика с дистил­лированной водой. Вода поднимается по капиллярам батиста и смачивает резервуар термометра, поэтому термометр называется «смоченным». Недистиллированной водой пользоваться не реко­мендуется. Вследствие испарения воды с поверхности резервуара «смоченного» термометра последний всегда показывает более низ­кую температуру, чем «сухой» термометр. Чем суше окружающий воздух тем больше испарение и, следовательно, тем больше раз­ница в' показаниях термометров. Психрометром можно пользовать­ся при температуре воздуха до —5° С.

Величина абсолютной и относительной влажности непостоянна и изменяется как по сезонам года, так и в течение суток в зависи-

15

мости от температуры воздуха. Наибольшая абсолютная влажность воздуха наблюдается в областях с влажным тропическим клима­том. Там она достигает 20 мм и более и часто приближается к пре­делу полного насыщения. Наименьшая влажность воздуха в пусты­нях, где величина относительной влажности бывает ниже 20% и очень редко поднимается до 30% (Сахара, Ливийская пустыня, Атакама). В некоторых районах СССР (Прибалтика, Белоруссия, Сочи, Дальний Восток) относительная влажность весной, осенью и во время оттепелей зимой достигает 90—96%.

Рис. 3. Психрометрические тер­мометры

При определенной температуре воздуха (точка росы) находя­щиеся в нем водяные пары конденси­руются, переходя в жидкое или твер­дое состояние. Процесс конденсации водяных паров происходит повсемест­но. Наиболее отчетливо он наблюда­ется в пустынях и полупустынях вслед­ствие сильного охлаждения воздуха. В Шотландии, Алжире (Сахара), Авст­ралии, Чили (Атакама), Перу за год выпадает 30—100 мм росы. В горных районах Шотландии имеются замкну­тые понижения, где в сухие периоды года сохраняется вода в прудах. В Иране замечено увеличение расхода источников при выпадении обильной росы в горах. В районе Дакара выпа­дает за год росы более 100 мм. На ост­рове Брава в архипелаге Зеленого мыса с листьев лилии местное населе­ние собирает росы до 200 л/сутки '.

Для перехода водяных паров в жидкое или твердое состояние требует­ся не только охлаждение воздуха, но и наличие в нем мельчайших твердых частиц, служащих центрами конденсации (пыль, продукты неполного сгорания топлива, вулканического извержения и т. д.). Величина образующихся капель воды зависит от размеров частиц, на которые осаждается водяной пар, и колеблется от 2,5-10^-4 до 0,5 мм.

Установлено, что конденсация водяного пара не всегда приводит к выпадению осадков. Результат конденсации в значительной сте­пени зависит от электрического состояния слоя воздуха, в котором она происходит. Если в соседних слоях воздуха находятся капли воды с одинаковыми электрическими зарядами, то они взаимно отталкиваются и не увеличиваются в объеме; в таком случае про­исходит только образование облаков. При противоположных заря­дах капли притягиваются друг к другу, увеличиваются в размере и выпадают в виде дождя.

16

«Курьер ЮНЕСКО», 1964, июль.

В пустынях бывают случаи, когда падающие из облака капли воды, не доходя до поверхности Земли, испаряются в слое сухого воздуха, встреченном по пути падения. Районы пустынь характери­зуются наименьшей во всем мире облачностью. Ясное небо — одна из самых отличительных черт климата зоны пустынь. Туманы, из­редка возникающие здесь, ничего общего с настоящими туманами не имеют. Видимость их создают мельчайшие частицы пыли, нахо­дящиеся во взвешенном состоянии в атмосфере.