Из главы первой мы знаем о
влагообороте как об
одном из трех циклов климатообразующих процессов.
Влагооборот состоит из
испарения воды с земной поверхности, ее конденсации в атмосфере,
выпадения осадков и стока. Сток, как процесс чисто гидрологический,
мы оставим вне рассмотрения. Остальные же составляющие влагооборота
- испарение, конденсация и осадкообразование - и их климатические
следствия составляют основное содержание этой главы.
Испарение и насыщение
1. Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу в результате
испарения с поверхностей водоемов, почвы и вследствие транспирации
(испарения растительностью). Испарение, в отличие от транспирации,
называют еще физическим испарением, а испарение и транспирацию
вместе -суммарным испарением.
Процесс испарения состоит в том, что отдельные молекулы воды
отрываются от водной поверхности или от влажной почвы и переходят в
воздух как молекулы водяного пара. В воздухе они быстро
распространяются вверх и в стороны от источника испарения. Это
происходит отчасти вследствие собственного движения молекул; в этом
случае процесс распространения молекул газа на возможно большее
пространство называется молекулярной диффузией. К молекулярной
диффузии в атмосфере присоединяется еще и распространение водяного
пара вместе с воздухом: в горизонтальном направлении с ветром, т. е.
с общим переносом воздуха, а в вертикальном направлении путем
турбулентной диффузии, т. е. вместе с турбулентными вихрями, всегда
возникающими в движущемся воздухе.
Рис. 38. Давление насыщенного водяного пара
в зависимости от температуры.
Но одновременно с отрывом молекул от поверхности воды или почвы
происходит и обратный процесс их перехода из воздуха в воду или
почву. Если достигается состояние подвижного равновесия, когда
возвращение молекул становится равным их отдаче с поверхности, то
испарение прекращается: отрыв молекул с поверхности продолжается, но
он покрывается возвращением молекул. Такое состояние называют
насыщением, водяной пар в этом состоянии, а также воздух, содержащий
водяной пар, называют насыщенным. Давление водяного пара в состоянии
насыщения называют давлением насыщенного водяного пара.
Давление насыщенного водяного пара растет с температурой. Это
значит, что при более высокой температуре воздух способен содержать
больше водяного пара, чем при более низкой температуре. Зависимость
давления насыщенного водяного пара от .температуры представлена на
рис. 38. Например, при температуре О °С давление насыщенного
водяного пара равно 6,1 гПа, при +10 °С -12,3 гПа, при +20 °С -23,4
гПа, при + 30 °C - 42,4 гПа. Таким образом, на каждые 10 °С
температуры давление насыщенного водяного пара и пропорциональное ей
содержание насыщающего водяного пара в воздухе возрастают почти
вдвое. При температуре +30 °С воздух может содержать водяного пара в
состоянии насыщения в 7 раз больше, чем при температуре 0 °С.
2. Капли жидкой воды (облаков и туманов) часто находятся в атмосфере
в переохлажденном состоянии. При температурах до -10 °С состояние
переохлаждения в атмосфере обычно, и лишь при более низких
температурах часть капель замерзает. Поэтому в атмосфере жидкая вода
и лед часто находятся в непосредственной близости. Многие облака
состоят из тех и других элементов одновременно, являются смешанными.
Рис. 39. Разность давлений насыщения над
водой и льдом и относительная влажность при насыщении надо льдом в
зависимости от температуры.
При отрицательных температурах давление насыщенного водяного пара
по отношению к ледяным кристаллам меньше, чем по отношению к
переохлажденным каплям (рис. 39). Например, при температуре -10 °С
над переохлажденной водой давление насыщенного водяного пара 2,85
гПа, а над льдом 2,60 гПа. При температуре -20 °С - соответственно
1,27 и 1,03 гПа. Если, например, при температуре -10 °С фактическое
давление водяного пара 2,7 гПа, то для переохлажденных капель такой
воздух будет ненасыщенным, и капли в нем должны испаряться; но для
кристаллов он будет уже перенасыщенным, и кристаллы должны расти.
Такие условия действительно создаются в облаках и важны для
выпадения осадков.
Различие в давлении насыщенного водяного пара над водой и льдом
объясняется тем, что силы сцепления между молекулами льда больше,
чем между молекулами воды. Поэтому состояние насыщения, т. е.
состояние подвижного равновесия между потерей и приходом молекул,
наступает для льда при меньшем содержании водяного пара в окружающем
воздухе, чем для жидкой воды.
3. Для выпуклых поверхностей, какими являются поверхности капель,
давление насыщенного водяного пара больше, чем для плоской
поверхности воды. Это объясняется тем, что на выпуклой поверхности
силы сцепления между молекулами меньше, чем на плоской поверхности.
Для крупных капель превышение незначительно. Но, например, для
капель радиусом 10"7 см для насыщения нужно втрое большее давление
водяного пара в воздухе, чем для плоской водной поверхности. Это
значит, что в воздухе, который насыщен по отношению к плоской водной
поверхности, такие мелкие капли существовать не могут: для них
воздух насыщенным не будет, и они быстро испарятся.
4. Если в воде растворены соли, то давление насыщенного водяного
пара для раствора солей меньше, чем для пресной воды, и тем меньше,
чем больше концентрация солей. Поэтому над морской водой насыщение
устанавливается при давлении пара меньшем, чем над пресной водой,
примерно на 2 %. Давление насыщения понижается, следовательно, и для
капель, содержащих растворенный хлористый натрий и другие соли
морской воды. А капли облаков действительно эти соли содержат,
поскольку образуются на солевых ядрах конденсации.
