23996 (Круговорот воды: вода в атмосфере), страница 2

Различные процессы в атмосфере приводят к формированию облаков различных типов. Устойчивый подъем воздуха на большой площади, обусловленный орографическим эффектом или фронтальным подъемом, приводит к формированию на соответствующих высотах слоистых облаков. Конвекция вызывает образование кучевых или кучево-дождевых облаков; в результате турбулентного перемешивания могут образовываться слоистые или (чаще) слоисто-кучевые облака в том случае, если турбуленция захватила поверхностный слой, или же высококучевые облака, если они образовались на большой высоте, например в результате значительного изменения скорости ветра на высоте.

Образование осадков

Типичные водяные облака состоят из мельчайших водяных капель со средним радиусом около 10 мк. В спокойной атмосфере такие капли имеют скорость падения около 0,01 м/сек, поэтому, если воздушная масса медленно поднимается приблизительно с такой же скоростью, капли остаются взвешенными в воздухе примерно на одной и той же высоте. Если воздушная масса "перестанет подниматься, то капли воды, радиус которых примерно вдвое больше среднего радиуса, могут достичь поверхности Земли приблизительно за полчаса, если облако расположено на высоте 100 м. Этого времени более чем достаточно для того, чтобы все капли испарились, прежде чем они достигнут Земли.

Дождевые капли, которые достигают поверхности Земли, обычно имеют радиус около 1 мм. Таким образом, они содержат в 10^б раз больше воды, чем средние капли водяного облака. Чтобы капли достигли этих размеров только в результате конденсации, потребовалось бы несколько часов. Но в воздухе обычно количество водяного пари бывает недостаточным, чтобы облачные капли могли достичь размеров дождевых капель. Осадки образуются в облаке примерно в течение часа, и поэтому должны существовать процессы, которые позволяют некоторым каплям расти за счет других или же которые приводят к коагуляции капель. Исследованию этих процессов посвящено много работ, в которых проверялись самые разнообразные гипотезы. В настоящее время существуют две теории, которые объясняют большинство причин, приводящих к росту капель в облаках.

Первая теория привлекает для объяснения роста капель механизм столкновения между ними. Беспорядочное турбулентное движение, происходящее в облаке, приводит к столкновению капель. Но если сталкиваются капли примерно одного размера, вероятность того, что они разобьются или коагулируют, примерно равна. Однако если облако содержит капли разных размеров (что скорее может быть обусловлено различными размерами ядер конденсации, а не столкновением между ними), капли будут двигаться относительно друг друга, поскольку будут отличаться скорости их падения. Более крупные капли будут двигаться вниз относительно менее крупных. Процесс, в результате которого капли сталкиваются и абсорбируют более мелкие капли, называется "радиальным". Все эти процессы наиболее эффективны в тропических кучевых облаках значительной мощности, когда в воздухе развиты сильные восходящие потоки, а содержание влаги высоко.

Вторая теория, известная под названием теории Бержерона-Финдайзена, основывается на различных значениях упругости насыщенного водяного пара по отношению к поверхности льда и к переохлажденной водной поверхности. Ледяные ядра, на которых замерзание происходит при температуре выше - 30°С, встречаются в атмосфере в не очень больших количествах. В облаках при преобладающих там температурах от - 12 до - 30°С обычно существует смесь кристаллов льда и капель переохлажденной воды. Поскольку при одной и той же температуре упругость насыщенного водяного пара по отношению к льду меньше, чем по отношению к переохлажденной воде, воздух может быть насыщен по отношению к льду, хотя относительная влажность составляет менее 100% над водой, что приводит к испарению воды. В данном случае кристаллы льда растут за счет капель воды и вскоре достигают достаточных размеров, чтобы выпадать из облаков. Они сталкиваются с каплями воды, в результате чего начинается их эффективное слияние. По пути к поверхности земли кристаллы льда могут растаять в теплом воздухе и достигнут ее в виде дождя. Однако одни из них выпадут в виде снега или крупы (дождя со снегом), а другие могут быть подхвачены после таяния восходящим потоком и снова замерзнут. Это может многократно повториться, и в конце концов такие частицы выпадут на землю в виде града. Описанный процесс чаще всего происходит в средних и высоких широтах, однако он не приемлем для объяснения процессов выпадения осадков из облаков в тропической зоне, температура в которых выше точки замерзания.

Литература

1. Гвоздецкий Н.А. Основные проблемы физической географии. - М., 1989

2. Зубов С.М. Основы геофизики ландшафта. - Минск, 1985

3. Одум Ю. Основы экологии. - М., 1995

4. Рябчиков А.М. Структура и динамика геосферы. - М., 2002

5. Преображенский В.С. Поиск в географии. - М., 1989