§ 45. Влага в атмосфере (2)

Скопление взвешенных в тропосфере мельчайших капелек воды или кристалликов льда, находящихся на значительной высоте над поверхностью Земли.

• 1. Физический механизм образования — нагретый у земной поверхности воздух поднимается вверх, закономерно охлаждается (примерно на 6 °C на каждый километр высоты), содержащийся в нём водяной пар достигает насыщения и конденсируется на взвешенных микрочастицах (ядрах конденсации) в микроскопические водяные капли диаметром в сотые доли миллиметра.
• 2. Основные типы (ярусы) — кучевые (пышные белые облака вертикального развития, образующиеся при интенсивном дневном нагреве; их мощная разновидность — кучево-дождевые тучи, дающие ливни и грозы); слоистые (низкие монотонные серые пелены нижнего яруса, закрывающие всё небо и дающие затяжные обложные осадки); перистые (самые высокие, полупрозрачные облака верхнего яруса выше 6000 м, состоящие исключительно из ледяных кристаллов).
• 3. Понятие облачности — степень покрытия небесного свода облаками, оцениваемая по 10-балльной шкале (0 баллов — абсолютно ясное безоблачное небо, 10 баллов — сплошная облачность, полностью закрывающая небосвод).
• 4. Климатическая роль — облачный покров служит мощным регулятором радиационного баланса планеты: в дневное время облака отражают солнечные лучи, предохраняя земную поверхность от перегрева, а ночью действуют как «одеяло», экранируя тепловое излучение Земли и предотвращая резкое ночное выхолаживание.

Вода в жидком или твёрдом состоянии, выделившаяся из атмосферы и выпавшая на поверхность суши и водоёмов либо осевшая на наземных предметах.

• 1. Агрегатное состояние и классификация — подразделяются на жидкие (дождь, морось), твёрдые (снег, град, снежная крупа) и смешанные (мокрый снег со снегопадом и дождём).
• 2. Характер выпадения — ливневые (кратковременные, огромной интенсивности, выпадающие из мощных кучево-дождевых облаков, часто в сопровождении грозы, шквалов и града); обложные (длительные, умеренной интенсивности, выпадающие часами и сутками из слоисто-дождевых облаков на больших территориях); моросящие (капли мельчайшего диаметра, плавно оседающие из слоистых облаков).
• 3. Приземная конденсация — осадки могут выделяться не только из облаков, но и непосредственно из приземного насыщенного влагой слоя воздуха при его контакте с охлаждённой поверхностью: роса (при положительных температурах) и иней или изморозь (при отрицательных температурах).
• 4. Закономерности планетарного распределения — максимальное количество осадков выпадает в экваториальных широтах с постоянными восходящими токами воздуха и на наветренных горных склонах (Черапунджи в Индии — свыше 12 000 мм/год; Гавайи; в России — район Сочи, свыше 2000 мм/год); минимум осадков приходится на тропические пустыни (Сахара, Атакама — 1–50 мм/год) и полярные шапки с нисходящими воздушными потоками.

Специализированный метеорологический прибор, предназначенный для сбора и точного измерения количества выпавших жидких и твёрдых атмосферных осадков.

• 1. Конструктивные элементы — классический станционный осадкомер Третьякова состоит из цилиндрического металлического приёмного сосуда-ведра строго определённой площади сечения (обычно 200 см²), специальной лепестковой кольцевой ветрозащиты (предотвращающей сдувание капель и выдувание снега ветром) и измерительного градуированного стакана.
• 2. Единицы и принцип измерения — количество осадков измеряется толщиной слоя воды в миллиметрах (мм), который образовался бы на строго горизонтальной поверхности при отсутствии просачивания в грунт и испарения (1 мм осадков равен 1 литру воды на 1 м² поверхности); твёрдые осадки (снег, град) перед замером предварительно растапливают при комнатной температуре.
• 3. Метеорологический регламент — снятие показаний на стандартных метеорологических станциях производится регулярно каждые 12 часов (в 9:00 и 21:00 по климатическому времени), что позволяет вести непрерывный мониторинг суточных, месячных и годовых сумм осадков.
• 4. Практическое значение — данные осадкомеров критически важны для прогнозирования паводков и речных наводнений, расчёта запасов влаги для посевов в агрономии, проектирования ливневой канализации городов и гидротехнических сооружений.

Процесс зарождения облаков и выпадения дождя представляет собой непрерывную цепочку термодинамических фазовых переходов воды в атмосфере:

• Нагрев и восходящее движение: под воздействием солнечных лучей подстилающая поверхность прогревается и нагревает приземный воздух; тёплый воздух расширяется, становится менее плотным и лёгким и устремляется вверх мощными восходящими потоками;
• Адиабатическое охлаждение и насыщение: при подъёме в тропосфере давление падает, и воздух закономерно остывает (в среднем на 6 °C на каждый километр высоты); по мере падения температуры вместимость воздуха для водяного пара резко снижается, и на определённой высоте (на уровне конденсации) воздух достигает предельного насыщения влагой (100% относительной влажности — точка росы);
• Конденсация и образование облака: избыточный водяной пар переходит в жидкое состояние, конденсируясь на микроскопических взвешенных аэрозолях (пылинках, частицах морской соли, спорах), образуя миллиарды мельчайших капелек воды размером в сотые доли миллиметра (при отрицательных температурах влага сублимируется в кристаллики льда); из-за ничтожной массы они удерживаются восходящими потоками воздуха и «плавают», формируя облако;
• Укрупнение капель и выпадение дождя: внутри облака микрокапли непрерывно сталкиваются и сливаются воедино; когда вес укрупнившихся капель (от 0,5 до 5–7 мм) превышает подъёмную силу восходящего воздуха, они начинают падать к поверхности Земли под действием силы тяжести; проходя сквозь тёплые нижние слои атмосферы, они выпадают в виде дождя (а при температурах ниже 0 °C кристаллы выпадают снегом).

Географическое распределение осадков на земном шаре носит зональный характер и в значительной степени корректируется рельефом и ветровым режимом:

• Районы максимального количества осадков:
• Экваториальный пояс: круглый год здесь господствуют высокие температуры и мощные восходящие потоки воздуха; влажный воздух непрерывно поднимается, охлаждается и конденсируется, порождая ежедневные ливни (выпадает от 2000 до 3000 мм осадков в год);
• Наветренные склоны горных хребтов, стоящие на пути влажных океанических ветров: набегающий влажный воздух вынужденно поднимается по горному склону вверх, охлаждается и сбрасывает колоссальные запасы влаги; мировым «полюсом влажности» является город Черрапунджи на северо-востоке Индии (на наветренных склонах плато Шиллонг перед Гималаями), где за год выпадает более 12 000 мм осадков; аналогично много осадков выпадает на Гавайских островах в Тихом океане;
• В России самое влажное место — Черноморское побережье Кавказа в районе города Сочи, где влажные воздушные массы с Чёрного моря задерживаются Кавказскими горами, принося более 2000 мм (более 2 метров!) осадков в год;
• Районы минимального количества осадков:
• Тропические пояса и пояса высокого атмосферного давления: в полосе тропиков воздух, пришедший из верхних слоёв экватора, опускается вниз, сжимается, нагревается и удаляется от состояния насыщения; это препятствует образованию облаков и формирует величайшие засушливые пустыни мира (Сахара, Аравийская пустыня, Тар), где выпадает всего 50–100 мм осадков в год;
• Абсолютный полюс сухости Земли — береговая пустыня Атакама в Южной Америке на побережье Тихого океана: холодное Перуанское течение охлаждает приземный воздух и блокирует конвекцию, а неприступные Анды задерживают влагу с востока, поэтому в Атакаме в отдельные годы выпадает всего 1 мм осадков из облаков;
• Внутриматериковые области умеренных широт (пустыни Центральной Азии) и полярные ледяные шапки Арктики и Антарктиды, где ледяной воздух физически не способен удерживать много влаги.

Характеристика географического положения и режима выпадения атмосферных осадков для указанных регионов:

а) Город Сочи:

• Географическое положение: расположен на Черноморском побережье Кавказа на юго-западе европейской части России, зажат между акваторией Чёрного моря и крутыми склонами Главного Кавказского хребта;
• Годовое количество осадков: более 2000 мм в год (это абсолютный рекорд увлажнённости для территории России);
• Причина обилия влаги: господствующие влажные морские ветры с Чёрного моря встречают непреодолимый барьер Кавказских гор, поднимаются вверх по наветренным склонам, адиабатически остывают и проливаются мощными ливнями и снегопадами в предгорьях;

б) Пустыня Сахара:

• Географическое положение: простирается через всю Северную Африку от Атлантического океана до Красного моря в тропическом поясе;
• Годовое количество осадков: крайне мало — менее 50–100 мм в год, а в центральных внутренних районах — менее 20–25 мм (дождей может не быть годами);
• Причина засушливости: господство области высокого атмосферного давления с постоянными нисходящими воздушными токами; опускающийся воздух нагревается и становится чрезвычайно сухим, поэтому облака не образуются;

в) Прикаспийская низменность:

• Географическое положение: расположена к северу от Каспийского моря на юго-востоке Восточно-Европейской равнины на территории России и Казахстана (лежит ниже уровня Мирового океана);
• Годовое количество осадков: от 150 до 250–300 мм в год (зона сухих степей, полупустынь и песчаных пустынь);
• Причина дефицита осадков: глубокое континентальное положение вдали от Атлантического океана, барьерная изоляция и быстрая трансформация воздушных масс в сухой континентальный воздух с высокой испаряемостью.

Образование облаков и их систематика:

• Механизм образования:
• Нагретый солнцем у поверхности земли воздух поднимается в верхние слои тропосферы;
• По законам физики при подъёме на каждые 1000 метров температура падает примерно на 6 °C;
• Охлаждаясь, воздух доходит до состояния насыщения, и водяной пар конденсируется в микроскопические капельки воды или кристаллизуется в ледяные иглы;
• Скопления этих парящих капель и кристаллов на большой высоте образуют облачные массивы;
• Основные типы облаков:
• Перистые облака (Cirrus): располагаются в верхнем ярусе тропосферы (выше 6000 метров); самые лёгкие, тонкие, полупрозрачные нитевидные облака, состоящие целиком из ледяных кристаллов; сквозь них свободно просвечивает солнце и луна, осадков они не дают;
• Кучевые облака (Cumulus): развиваются в нижнем и среднем ярусах (основание обычно на высоте 1000–2000 метров); выглядят как белоснежные пышные купола, валуны или башни с плоским горизонтальным тёмным основанием; формируются при сильной конвекции в тёплые дни;
• Кучево-дождевые облака (Cumulonimbus): гигантские свинцово-тёмные грозовые башни с плоской ледяной вершиной-«наковальней», простирающейся до высоты 10–12 км; источник шквального ветра, гроз, сильных ливней и града;
• Слоистые облака (Stratus): низкий однородный серый облачный покров (на высоте от 200 до 1000 метров), затягивающий всё небо подобно приподнятому туману;
• Слоисто-дождевые облака (Nimbostratus): тёмно-серые плотные низкие облака, из которых выпадают длительные и монотонные обложные дожди или снегопады.

Определение и классификация атмосферных осадков:

• Определение:
• Атмосферные осадки — это вода в жидком или твёрдом состоянии, выделившаяся из воздуха и выпавшая из облаков на земную поверхность или выделившаяся на наземных предметах; измеряются толщиной выпавшего слоя в миллиметрах (мм);
• Виды осадков по фазовому (агрегатному) состоянию:
• Жидкие осадки: дождь (капли размером 0,5–5 мм), морось (мельчайшие взвешенные капли диаметром менее 0,5 мм);
• Твёрдые осадки: снег (ажурные шестилучевые кристаллы льда — снежинки), град (шарообразные или неправильной формы частицы слоистого льда диаметром от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров), снежная и ледяная крупа;
• Смешанные осадки: мокрый снег (снег с дождём при температуре около 0 °C);
• Виды осадков по динамике и характеру выпадения:
• Ливневые: интенсивные, бурные, непродолжительные (крупнокапельный дождь, ливень, град), возникают из мощных кучево-дождевых облаков;
• Обложные: равномерные, затяжные, длящиеся часами или целыми сутками, охватывают огромные площади, выпадают из слоисто-дождевых облаков;
• Моросящие: очень мелкие капли, словно парящие в воздухе, выпадают из слоистых облаков;
• Осадки, образующиеся непосредственно на земной поверхности (приземные осадки):
• Роса: капли воды, оседающие вечером, ночью и на рассвете на траве, листьях и почве при охлаждении приземного воздуха выше 0 °C;
• Иней: тонкий слой ледяных кристаллов, нарастающий на горизонтальных предметах при радиационном выхолаживании ниже 0 °C;
• Изморозь: рыхлые пушистые снегообразные кристаллы льда, оседающие на тонких ветвях деревьев, кустарниках и проводах при морозных туманах.

Атмосферные осадки оказывают определяющее воздействие на вегетацию, здоровье и продуктивность культурных растений:

• Положительное жизненно необходимое влияние:
• Водное питание и растворение минералов: дождевая вода пополняет запасы продуктивной влаги в корнеобитаемом слое почвы; без растворения водой минеральные элементы (азот, фосфор, калий) не могут усваиваться корнями растений;
• Обеспечение налива урожая: регулярные умеренные обложные осадки в фазу активного роста и цветения обеспечивают формирование густой листовой массы, завязывание плодов, налив зерна у пшеницы, ржи и ячменя, рост клубней картофеля и овощных культур;
• Теплоизоляция зимой (снежный покров): толстый слой снега (от 30–40 см и более) обладает низкой теплопроводностью и служит надёжным спасительным «одеялом» для озимых посевов, многолетних трав, корневой системы плодовых деревьев (яблонь, груш) и ягодников (земляники, малины), предотвращая их вымерзание при трескучих морозах до –30 °C;
• Создание весеннего гидрологического запаса: таяние накопившегося за зиму снега весной глубоко промачивает почву, гарантируя дружное прорастание семян и быстрый старт яровых культур;
• Негативное и опасное воздействие:
• Засуха (острый дефицит осадков): вызывает пересыхание корневой системы, сброс завязей, увядание листьев и может приводить к полному выгоранию урожая на полях;
• Переувлажнение (затяжные дожди): перенасыщение почвы влагой вытесняет почвенный кислород, приводя к кислородному голоданию («задыханию») и загниванию корней; провоцирует вспышки опасных грибковых инфекций (фитофтороз картофеля и томатов, серая гниль ягод, парша яблонь), затрудняет механизированную уборку урожая;
• Катастрофические явления (град и ливни): сильный град сечёт и уничтожает посевы, сбивает цветки и плоды, ломает ветви деревьев, а шквальные ливни вызывают механическое полегание (сбивание к земле) зерновых культур, делая невозможной их комбайновую уборку.