Круговорот воды в атмосфере
Круговорот воды в атмосфере — это непрерывное перемещение воды между океанами, сушей и атмосферой. В его основе лежат испарение, перенос водяного пара, конденсация и выпадение атмосферных осадков.
Сущность круговорота воды
Главный источник энергии круговорота — солнечное излучение. Оно нагревает поверхность океанов, морей, рек, озёр и почвы, поэтому вода переходит из жидкого состояния в газообразное. Особенно велика роль Мирового океана: с его поверхности испаряется больше воды, чем с суши.
Круговорот воды — постоянное перемещение воды в природе между гидросферой, атмосферой, литосферой и живыми организмами с изменением её агрегатного состояния.
В круговороте участвуют несколько процессов: испарение с водной поверхности и почвы, транспирация растений, перенос влаги воздушными массами, охлаждение и конденсация пара, образование облаков, выпадение дождя или снега, сток воды и просачивание её в грунт. Растения возвращают влагу в воздух через устьица листьев; совместно испарение с поверхности и транспирацию называют суммарным испарением.
Испарение и перенос водяного пара
Испарение происходит с поверхности воды, влажной почвы, снега и льда. Интенсивность испарения зависит от температуры поверхности, площади водоёма, скорости ветра, влажности воздуха и характера поверхности. Чем теплее воздух и чем суше атмосфера, тем больше влаги может перейти в неё.
Испарение усиливается при повышении температуры, увеличении скорости ветра и уменьшении относительной влажности воздуха. Ветер уносит водяной пар от поверхности, поэтому испарение продолжается интенсивнее.
После испарения молекулы воды смешиваются с воздухом в виде водяного пара. Водяной пар невидим, поэтому его нельзя путать с туманом или облаком: видимые белые или серые образования состоят из мельчайших капель воды и кристаллов льда.
Перенос влаги выполняют воздушные массы. Ветер может перемещать водяной пар на сотни и тысячи километров. Поэтому осадки над сушей нередко образуются из воды, испарившейся над океаном. Перенос зависит от направления ветров, рельефа и общей циркуляции атмосферы.
В простом балансе суммарное испарение \(E\) складывается из испарения с океана и с суши. В реальном круговороте часть воды возвращается непосредственно в океан, а часть сначала выпадает на сушу, стекает по рекам или просачивается в подземные воды.
Конденсация и образование облаков
Конденсация — переход водяного пара в жидкое состояние. Она начинается, когда воздух охлаждается до температуры, при которой он уже не может содержать прежнее количество пара. Эта температура называется точкой росы.
Точка росы — температура, до которой нужно охладить воздух при неизменном содержании водяного пара, чтобы водяной пар стал насыщенным и началась конденсация.
Охлаждение воздуха происходит при его подъёме. Поднимающийся воздух расширяется и охлаждается. Причинами подъёма могут быть нагрев земной поверхности, столкновение воздушных масс, движение воздуха вверх по склону горы или схождение ветров у поверхности.
Для образования капель нужны ядра конденсации — мельчайшие частицы пыли, соли, дыма и других примесей. На них водяной пар оседает и превращается в капли. Так формируются облака. Если воздух у поверхности насыщается влагой, образуется туман; по физическому составу туман близок к облаку, но находится у земной поверхности.
Почему при подъёме воздуха вероятность образования облаков увеличивается?
Выпадение осадков и водный баланс
В облаке капли и кристаллы льда сталкиваются, укрупняются и становятся тяжелее. Когда восходящие потоки уже не могут удерживать их, вода выпадает на поверхность в виде дождя, снега, града, мороси или ледяного дождя. Вид осадков зависит прежде всего от температуры в облаке и в нижних слоях атмосферы.
Атмосферные осадки — вода в жидком или твёрдом виде, выпадающая из облаков или осаждающаяся непосредственно на земной поверхности.
Осадки распределяются по Земле неравномерно. Их количество обычно велико там, где воздух поднимается и охлаждается: в экваториальной зоне, на наветренных склонах гор, в областях циклонов. Мало осадков в субтропических областях высокого давления и в районах, закрытых горами от влажных воздушных масс.
После выпадения осадков вода может испариться, впитаться в почву, просочиться глубже, замёрзнуть в ледниках или стечь по поверхности в реки и озёра. Часть влаги поглощают растения, а затем возвращают в атмосферу при транспирации. Так замыкаются малый и большой круговороты.
| Вид круговорота | Основной путь воды | Пример |
|---|---|---|
| Малый | океан → атмосфера → океан | испарение над морем и дождь обратно в море |
| Большой | океан → атмосфера → суша → океан | дождь над материком, речной сток в океан |
| Внутриматериковый | суша → атмосфера → суша | испарение с озера и осадки в его бассейне |
В упрощённом водном балансе территории количество осадков \(P\) связано с испарением \(E\), стоком \(R\) и изменением запасов воды \(\Delta S\). Если запасы воды за рассматриваемый период почти не меняются, используют приближение \(P \approx E + R\).
Разобранный пример: водный баланс территории
За год на территории выпало 700 мм осадков. Годовое испарение составило 450 мм, а изменение запасов воды можно считать равным нулю. Определите слой стока.
Ответ и проверка Решение
Слой стока равен 250 мм. Проверка: \(E + R = 450 + 250 = 700\) мм, то есть сумма испарения и стока совпадает с количеством осадков.
Частые ошибки
Испарение — переход жидкости в пар; конденсация — переход пара в жидкость; выпадение осадков — поступление воды из атмосферы на поверхность. Облако не равно водяному пару: облако состоит из капель и кристаллов.
В задачах водного баланса осадки, испарение и сток должны быть выражены в одних единицах, обычно в миллиметрах. Нельзя складывать миллиметры и кубические километры без перевода.
Если нужно объяснить большое количество осадков, ищите причину подъёма воздуха: нагрев, циклон или горный склон. Если воздух опускается и прогревается, облачность уменьшается, а осадков обычно мало.
Связь с климатом
Круговорот воды влияет на влажность воздуха, облачность, осадки и распределение тепла. При испарении поверхность поглощает тепло, а при конденсации водяного пара это тепло выделяется в атмосферу. Поэтому водяной пар участвует не только в переносе воды, но и в формировании погоды и климата.
Для сравнения увлажнения территорий применяют коэффициент увлажнения, сопоставляя количество осадков с испаряемостью. При анализе условий образования осадков полезно учитывать распределение температуры воздуха, а при изучении облаков — классификацию облаков.
- Тёплый влажный воздух содержит больше водяного пара, чем холодный.
- Подъём и охлаждение воздуха способствуют конденсации.
- Горы могут увеличивать осадки на наветренном склоне и уменьшать их за горным хребтом.
- Реки, ледники, почвенная и подземная вода возвращают влагу в океан или участвуют в новом испарении.
Быстрая проверка
Главное
- Круговорот воды включает испарение, перенос пара, конденсацию, выпадение осадков, сток и возвращение воды в водоёмы.
- Солнечная энергия запускает испарение, а подъём и охлаждение воздуха часто вызывают конденсацию.
- Осадки образуются, когда капли или кристаллы в облаке становятся достаточно тяжёлыми.
- Водный баланс территории описывают формулой \(P = E + R + \Delta S\); при неизменных запасах воды \(R = P - E\).
- Распределение осадков связано с движением воздушных масс, рельефом, температурой и общей циркуляцией атмосферы.