Лекция 9. Вода в атмосфере

1. Свойства воды.

2. Испарение.

3. Испарение и испаряемость. Скорость испарения.

4. Характеристики влажности воздуха.

5. Суточный и годовой год влажности воздуха. Географическое распределение влажности воздуха.

Влагооборот между атмосферой и земной поверхностью – это один из трех климатообразующих процессов наряду с теплооборотом и общей циркуляцией атмосферы.

Влагооборот – постоянный обмен влагой между атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, переноса водяного пара в атмосфере, конденсации его в атмосфере, выпадения осадков и стока. В этой совокупности, представляющей единый комплексный климатообразующий процесс, происходит непрерывный переход воды с земной поверхности в воздух и из воздуха снова на земную поверхность.

1. Свойства воды

Вода на земле есть повсюду. Океаны, моря, реки, озера и др. водоемы занимают 71% земной поверхности. Вода, которая содержится в атмосфере, – единственное вещество, которое может находиться там во всех трех фазовых состояниях (твердое, жидкое и газообразное) одновременно.

Важнейшие для метеорологии физические свойства воды представлены в таблице 6.

Таблица 6 – Физические характеристики воды (Русин, 2008)

Фазовое состояние воды при t=0ºС	Плотность, кг/м^3	Теплоемкость, Дж/кг/К	Скрытая теплота фазового перехода, Дж/кг	Поверхностное натяжение, Дж/м^2
Лед	917	2137	0,33·10^6 (плавление)	0,08
Вода	1000	4190	2,5·10^6 (испарение)	0,075
Пар (насыщенный)	5·10^-3	1844 (1383)	2,83·10^6 (сублимация)	нет

Свойства воды, важные для климатообразования:

• вода является поглотителем лучистой энергии;

• обладает одним из самых высоких значений удельной теплоемкости среди других веществ на земле (это сказывается на разности в нагревании суши и моря, проникновение радиации и тепла вглубь почвы и водоёмов);

• идеальный (почти) растворитель;

• дипольное (биполярное) строение молекул воды обеспечивает высокую температуру кипения (без водородных связей температура кипения равнялась бы -80°С).

• расширение при замерзании в отличие от других веществ, которые сжимаются. (максимальная плотность воды наблюдается при температуре +4°С; плотность льда меньше плотности воды: дистиллированной на 1/9, морской на 1/7; более легкий лед плавает по поверхности воды).

Благодаря процессам испарения и конденсации в атмосфере непрерывно происходит круговорот воды, в котором участвует значительная масса ее. В среднем многолетний круговорот воды характеризуется следующими данными (таблица 7):

Таблица 7 – Характеристики круговорота воды на Земле (Матвеев, 1976)

	Осадки, мм/год	Испарение, мм/год	Сток, мм/год
Материки	700	446	254
Мировой океан	1024	1127	103
Земной шар	928	928	0

С поверхности океанов (361 млн. км²) в течение года испаряется слой воды толщиной 1127 мм (или 4,07·10¹⁷ кг воды), с поверхности материков – 446 мм (или 0,66·10¹⁷ кг воды). Толщина слоя осадков, выпадающих за год, на океанах составляет 1024 мм (или 3,69·10¹⁷ кг воды), на материках – 700 мм (или 1,04·10¹⁷ кг воды). Количество осадков на материках значительно превышает испарение (на 254 мм, или на 0,38·10¹⁷ кг воды). Это означает, что значительная масса водяного пара поступает на материки с океанов. С другой стороны, не испарившаяся на материках вода (254 мм) стекает в реки и далее в океан. На океанах испарение превышает (на 103 мм) количество осадков. Разность восполняется стоков воды с океанов.

В атмосфере содержится в среднем 1,24·10¹⁶ кг влаги, что эквивалентно слою осажденной воды 24 мм (для сравнения масса воды в океанах 1,37·10²¹ кг, в ледниках 2,9·10¹⁹ кг; таяние последних повысило бы уровень Мирового океана на 80 м). Количество осадков за год в среднем на Земле составляет 928 мм. Таким образом, водяной пар в атмосфере обновляется в среднем 928 : 24 ≈ 39 раз в год, или каждые 9,5 суток (по другим оценкам 32 раза и за 11 суток соответственно). Такой кругооборот следует признать очень интенсивным. В океане возобновление воды происходит в среднем один раз в 3800 лет.

Энергия затрачиваемая на испарение (92,8·600 = 0,56·10⁵ кал/(см²·год)), вполне сравнима со средним притоком солнечной радиации, поглощаемой земной поверхностью и атмосферой: 1,98·0,25·0,7·60·24·365 = 1,8·10⁵ кал/(см²·год); альбедо системы земная поверхность – атмосфера принято равным 0,3; множитель 0,25 отражает влияние шарообразности и вращения Земли. Таким образом, затраты тепла на испарение составляют около 30% поглощенного Землей солнечного тепла. Приток тепла от конденсации водяного пара в атмосфере, равный затратам тепла на испарение, примерно в 15 раз превышает скорость генерации кинетической энергии, равную для всей атмосферы 2·10¹² кВт. Эти данные подчеркивают огромную роль, которую играют процессы фазовых переходов воды в энергетическом балансе земной атмосферы.