Л.Т. Матвеев - Курс общей метеорологии. Физика атмосферы (1115251), страница 73
Текст из файла (страница 73)
Исследованиями М. И. Будыко установлено, что испаряемость близка к ве.тичнне (1~;)ьтано, определенной формулой (5.10). 6 Круговорот воды на Земле Общеизвестна огромная роль воды и ее аномальных свойств в возникновении и поддержании жизни на нашей планете, в формировании погоды и климата Земли. Особенно велико значение пресной воды, без которой невозможно существование растительного и животного мира планеты. Во все возрастающих количествах пресная вода используется человеком как абсолютно необходимый продукт питания, так и в процессе многогранной производственной деятельности. Хотя в целом запасы воды на Земле велики (если ее равномерно распределить по земному шару, то образовался бы слой толщиной 2728 м), большая часть воды (96,5 % ) сосредоточена в Мировом океане (занимающем 71 % поверхности Земли при средней глубине 3700 м).
На остальные виды воды приходится, таким образом, всего 3,5%, из них на долю пресной воды — 2,53% общего ее количества на планете. Однако и эта сравнительно небольшая масса пресной воды исключительно неравномерно распределена по Земле: основная ее часть сосредоточена в ледниках и постоянно залегающем снежном покрове (68,7 % ), в водоносных слоях земной коры (30,1 о/о ) и в подземных льдах (0,86%). В наиболее доступных для потребления источниках пресной воды — руслах рек и озерах — находится лишь очень малая доля пресной воды; соответственно 0,006 и 0,26 % общих ее запасов. Оставшаяся пресная вода заключена в атмосфере (0,04%), болотах (0,03%) и биомассе (0,003%).
Совершенно очевидно, что этн запасы пресной воды были бы за сравнительно короткий период времени полностью исчерпаны, если бы не происходил круговорот воды в природе, в процессе которого осуществляется возобновление запасов воды. Определяющую роль в этом процессе играет атмосфера, где образовавшийся прн испарении с земной поверхности водяной пар конденсируется и затем выпадает на землю в виде осадков. В среднем за год, как уже указывалось, на поверхность земного шара выпадает 5,77 10гз т осадков (слой воды толщиной 5,77 !Оть/5,1.10" м = 1131 мм).
В процессе испарения, конденса- ции и последующего выпадения осадков вода в атмосфере возобновляется (полностью обновляется) в течение года примерно 45 раз, т. е. через каждые 8,1 сут. Это — наиболее быстрый (среди всех звеньев влагооборота) процесс обновления воды в природе. Близок к атмосферному период обновления водЫ в руслах рек — около 16 сут. Все другие периоды обновления запасов воды намного больше: в озерах — 17 лет, подземных вод— !400 лет, крупных горных ледников — 1600 лет, Мирового океана — 2500 лет, полярных ледников — 9700 лет, подземных льдов — 10 000 лет. Большой познавательный и прикладной интерес представляет оценка атмосферно~о звена круговорота воды в атмосфере, под влиянием которого осуществляется возобновление пресной воды на суше.
В работах О. А. Дроздова, Х. П. Погосяна и других советских ученых исследован круговорот воды между океанами и материками. Горизонтальный перенос водяного пара оценен с помощью карт барической топографии, испарение, осадки и сток — по данным наземных наблюдений. Известно, что испарение с поверхности Мирового океана (Я' ) о превышает количество осадков (/о), выпадающих на ту жс поверхность. Оставшаяся часть А = О; — 1о водяного пара океанического происхождения выносится воздушными потоками на материки. Из этого переносимого атмосферой потока влаги (А) на ближайшей к океану части материка из образовйвшейся над океаном и материком облачности выпадают осадки (количество их обозначим 1,). За время движения воздуха над материком к переносимому водяному пару добавляется пар (О ), образовавшийся в процессе испарения воды с поверхности материка.
Часть этого пара (1 ) после конденсации выпадает в виде осадков местного происхождения, а другая часть (С" = Я вЂ” 1 ) выносится за пределы материка. Выносится за его пределы и часть С' = = А — 1, водяного пара, который поступил на материк с океана и не успел над ним сконденсироваться и выпасть в виде осадков. Результаты расчетов (по данным наблюдении) всех указанных составляющих круговорота воды над всеми материками (кроме Антарктиды) представлены в табл. !4.8.
Видно, что самое большое количество осадков (28,4 10га т/год) выпадает в Южной Америке, большая часть которых образуется из водяного пара, принесенного в основном с Атлантического океана (путь пару с Тихого оксана преграждает ориентированная вдоль меридиана горная система Анд). Из переносимого над Южной Америкой водяного пара формируется примерно столько же осадков (16,90 Тт/ /год), сколько и над всей Евразией (21,17 Тт/год), хотя площадь ее почти в 3 раза меньше. Велика в Южной Америке (по сравнению с другими материками) и доля осадков (/м), которые обра- 1Ч Облака, тунвны н асвдки Влажность воздукк о и о о Составляющие «ру»овере»в, Тт!»од л и.
а„ осадки сг! с!л с.С» !!!и Материк с с" ун 1,42 1,62 1,42 1,65 0,97 0,72 0,37 0,47 0,87 0,76 0,33 0,43 4,8 2,5 4,2 5,3 9,5 9,2 2,5 2,8 4,68 2,73 !5,22 !0,79 !5,50 4,!8 9,53 6,63 10,1 20,! 24,6 12,3 98 00 40 775 29 530 20 060 !44 5,31 864 15,86 848 15,08 329 9,79 2,23 9,84 6,33 6,36 Европа Азия Африка Северная Америка Южная Америка Австралия 1,68 0,26 0,36 3,50 0,96 3,8 3,7 9,7 2,6 15,12 !1,76 2,.99 0,30 522 16,90 1 83 3,04 11,50 20,7 178 00 1,14 0,43 12,8 7 615 Широта и! к! 4Ъ уп 50' с. Экватор 50' ю. 9,5 28,0 8,7 9,2 28,0 8,0 9,0 28,0 7,5 10,0 29,0 8,0 11,6 27,2 6,1 12,9 27,5 6,! !4,0 26,5 5,8 Шеро»в чп! 4х х! хп явили»уда 50о с. Экватор 50 ю.
14,9 26,7 5,4 14,1 27,4 5,8 !2,0 27,4 6,2 10,8 27,6 ?,0 9,7 28,0 8,0 5,9 2,5 3,3 зуются нз пара местного происхождения (Оь»): здесь отношение !„Ям составляет 0,76, в то время как в Европе оно равно 0,48, в Африке 0,41, а в Австралии — только 0,14. Таблица 14.8. Составляющие круговорота воды на материках Земли При меча н ие. Е таблице обозначено: С=С'+С" — общий вынос воды с материка; ?=1 +! — общее количество осадков, выпавших на материке из принесенной с океана влаги (! ) и поступившей в процессе испарения с самого материка (?н); ?!?, — показатель влагооборота (1 Гт=10в т, 1 Тт=10'т т).
В Южной Америке отмечаются наиболее благоприятные условия для конденсации водяного пара и формирования осадков: здесь только около '/з (3,8 из 20,7 Тт/год) массы водяного пара с океана и около 4/4 (3,7 из !5,12 Тт/год) массы пара местного происхождения выносится за пределы материка; отношения С/! и С/А„характеризующие общий вынос пара по сравнениюсосадками и переносом пара с океана, в Южной Америке достигают минимальных значений (0,26 и 0,36); отношение стока к С здесь максимально (1,56). Значителен перенос влаги над Европой (10,1 Тт/год). Однако условия для образования осадков здесь менее благоприятные: примерно половина (4,8 из 10,1 Тт/год) массы пара, поступившего преимущественно с Атлантики, и несколько больше половины (2,5 из 4,68 Тт/год) массы местного пара выносится за пределы материка. Как следствие этого, в Европе достаточно велики отношения С// и С/А (соответственно 0,97 и 0,72) и мало 1 /А, а также отношение стока к выносу (оно равно 0,37).
Наиболее неблагоприятные условия для образования осадков наблюдаются в атмосфере Австралии. Вынос пара за пределы материка здесь в 3,5 раза превышает количество осадков; отношение С/А достигает 0,96, а доля осадков по сравнению с выносом (С) составляет всего лишь 2 %.
Кратко обсужденные результаты расчета составляющих влагооборота на материках позволяют более глубоко вскрыть законо- мерности образования осадков, а также закономерности формирования погоды и климата в различных частях Земли. Большое значение эти данные имеют в связи с проблемой искусственного вызывания осадков. Суточные и годовые колебания влажности на океанах. Для построения спектральных функций точки росы использованы наблюдения за влажностью в тропической зоне Атлантического океана в течение 204 суток. Анализ этих функций показал, что наиболее значительной амплитудой (А,) обладают колебания с полусуточным (А,=О,!1'С) и суточным (Л, 0,24'С) периодами, а также с периодами 2,3 — 4,4 сут (А, колеблется от 0,31 до 0,43'С) и 3,6 — 8,0 сут (А, колеблется от 0,45 до 0,59'С), называемыми синоптическими.
В течение года давление водяного пара е в Атлантическом океане изменяется значительно (табл. 14.9). Таблица 14.9. Годовой ход давления водяного пара е (гПа) в Атлантическом океане (30' з. д.) В умеренных широтах в северном полушарии максимум е наблюдается в августе, минимум — в марте; в южном полушарии максимум наблюдается в январе, минимум — в августе. На экваторе наибольшее значение е отмечается в апреле (когда вблизи экватора находится ВЗК), а наименьшее — в июле (когда ВЗК наиболее удалена от экватора). Амплитуда годового хода давления водяного пара (равно как и температуры воздуха) в северном полушарии значительно больше, чем в южном.
Переохаамденне н замерзанне воды в атмосфере Облака, туманы н осадка 15 Глава 15 Переохлаждеиие и замерзание воды в атмосфере 1 Понятие о равновесном и метастабильном состоянии Все физические системы могут находиться в разных состояниях. Одни состояния являются неустойчивыми (неравновесными), другие — устойчивыми (равновесными). Если система находится в неравновесном состоянии, то она стремится перейти в более устойчивое состояние. Для механической системы необходимым условием устойчивости служит минимум ее потенциальной энергии.
Условием равновесия термодинамнческой системы является минимум ее термодинамического потенциала или максимум энтропии. Замкнутая термодинамическая система, предоставленная сама себе, рано или поздно придет к стабильному состоянию— состоянию равновесия. Время, в течение которого система переходит в равновесное состояние, называется временем релаксации стабильного состояния.
Если время релаксации стабильного состояния мало по сравнению с характерным временем какого-либо процесса, то этот процесс будет равновесным и обратимым. Иногда, однако, переход из нестабильного состояния в стабильное может совершаться в течение длительного времени. Такие состояния называются метастабилоными. В метастабильном состоянии находятся пересыщенный водяной пар и переохлажденная вода. Для начала конденсации пересыщенного водяного пара прп отсутствии в нем примесей необходимо, чтобы внутри него появились зародыши новой фазы (жидкой воды).
Такие зародыши могут образоваться в результате флуктуаций плотности, т. е. за счет случайных сближений молекул водяного пара. Однако дальнейший рост этих зародышей может оказаться энергетически невыгодным, и они начнут распадаться. Такое явление произойдет тогда, когда затраты энергии на образование поверхности зародыша будет больше энергии, выделяемой при конденсации, Для того чтобы конденсация стала возможной, необходимо образование такого зародыша стабильной фазы, дальнейший рост которого связан с выделением энергии, Такие зародыши называются гетерофазными.
Следовательно, для образования гетерофазного зародыша нужно преодолеть некий потенциальный энергетический барьер. Здесь можно провести некоторую аналогию с условиями механпческого равновесия. На рис. !5.1 показано несколько положений шара в поле силы тяжести. Предполагается, что шар обладает некоторой внутренней энергией, под влиянием которой он может совершать беспорядочные движения во всех направлениях (флуктуации). Положение а соответствует стабильному, а положение б — мета- й ь стабильному равновесию. Под влиянием флуктуаций шар в принципе может перейти из стабильного в мета- стабильное состояние.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
