Конденсация и сублимация

Влажность воздуха
Водяной пар обладает только ему прису­щим свойством, резко отличающим его от других газов атмо­сферы: его количественное содержание, или влажность воздуха, зависит от температуры воздушной массы. В 1 кг воздуха может содержаться при температуре 27 ⁰ С 23 г пара, при 0 ° - 4 г, при - 33°С - 0,2 г.В то время как при понижении температуры воздушной массы основные газы - кислород и азот только уплотняются, мо­лекулы их сближаются и замедляют движение, водяной пар выпа­дает, количество его уменьшается (в приведенном примере в 115 раз). Влажность воздуха характеризуется несколькими пока­зателями.

Абсолютная влажность - количество водяного пара в граммах, содержащегося в 1 м³ воздуха.

Абсолютная влажность повышается с ростом температуры воз­духа, поскольку чем теплее воздушная масса, тем больше она может содержать пара.

Относительная влажность - отношение в процентах фактического насыщения к максимально возможному при данной температуре. С охлаждением воздуха абсолютная влажность па­дает, поскольку уменьшается его влагоемкость. Температура, при которой воздух становится насыщенным, называется точкой росы. Дальнейшее охлаждение воздуха приводит к конденсации влаги. Относительная влажность зависит, конечно, и от абсолютной.

В среднем влажность воздуха, приходящего с океана, равна 80%. Если внутри материков она падает до 40%, осадки уже не образуются. Однако при подъеме воздушных масс по склонам гор температура их понижается, влажность повышается, достигает 100% и начинается конденсация.

Половина всей влаги тропосферы сосредоточена в нижнем полуторакилометровом слое. Большая часть второй половины не поднимается выше 5 км. В тропосфере одновременно содержится около 15 000 км³ воды; продолжительность пребывания воды в тропосфере составляет около 25 дней.

Конденсация и сублимация
Конденсация - переход пара в капельно-жидкое состояние.

Сублимация – переход влаги в твердое (снег, лед) состояние.

Для конденсации необходимы следующие два условия:

-понижение темпе­ратуры воздуха до точки росы;

-наличие ядер конденсации – микроскопических тел, на которых возможно оседание пара.

Конденсация и сублимация бывают и на поверхности Земли и местных предметов и в свободной атмосфере. В первом случае образуются роса или иней. На льду, снегу или в песках пустынь оседает слой влаги, участвующий в их водном балансе. При ад­векции теплого воздуха на охлажденную территорию на предметах (стенах, стволах и др.) оседает жидкий налет, а если температура ниже 0°, твердый.

В свободной атмосфере все осадки образуются при адиабати­ческом охлаждении воздуха. Этот процесс определяет важнейшие свойства погоды и климата - температуру, влажность, осадки.

Адиабатическое охлаждение происходит:

во-первых, в вертикальных восхо­дящих токах нагретого от земли воздуха; облака и осадки, обра­зующиеся в этом случае, называются внутримассовыми;

во-вторых, при подъеме воздуха на фронтах; облачность и осадки называются фронтальными;

в-третьих, при движении воздуха вверх по склонам; облач­ность и осадки, возникающие при этом, называются орографиче­скими.

Ядрами конденсации служат аэрозоли - твердые или жидкие частицы, взвешенные в воздухе. Около 30% их образуется из мор­ской воды (с океана в атмосферу ежегодно поднимается около 10¹⁰ т солей). Второй источник ядер конденсации – поверхность материков, которая поставляет аэрозоли как естественного,так и антропогенного происхождения.

45.

43. Туманы, их классификация.

Туманы
Если водяной пар конденсируется в приземном слое воздуха, то образуются туманы. Охлаждение при этом происходитне в результате адиабатического процесса, а вследствие теплоизлуче­ния или адвекции теплых или холодных воздушных масс.

Туманом называется скопление в приземном слое атмосферы мелких ка­пель воды или кристаллов льда или тех и других вместе. При этом уменьшается прозрачность воздуха и видимость. Если она меньше 1 км, то это туман, если в пределах от 1 до 10 км - дымка. Замутнение, создаваемое скоплением в сухом воздухе твердых частиц—пыли, дым и др., называется мглой.

По физическим причинам и географическим условиям фор­мирования туманы разделяются на туманы охлаждения и туманы испа­рения.

В туманах охлаждения различаются радиационные, адвективные и склоновые:

1. Радиационные туманы образуются в теплое время года вечером и ночью при тихой и ясной погоде над реками, озерами и низинами. После захода Солнца вода еще долгое время остается теплой и испаряется; пар поступает в уже охлажденный воздух и конден­сируется.

2. ^ Адвективные туманы возникают в теплой воздушной массе при продвижении ее в холодные места, например с теплого моря на относительно холодную сушу. Особенно часты такие туманы в прибрежных странах, например в Западной Европе.

3. ^ Склоновые туманы образуются на склонах гор в результате адиабатического охлаждения воздуха при подъеме.

В туманах испарения также выделяют несколько видов:

4. Морские туманы, которые бывают над полыньями (незамерзающие участками моря) в зимнее время, когда с водной по­верхности пар поступает в морозный воздух.

5. Осенние туманы возникают над реками, озерами, низинами, когда на относи­тельно теплую воду натекает холодный воздух с суши.

6. ^ Туманы смешения образуются при горизонтальном смеше­нии различных по температуре и влажности воздушных масс. Они часты в местах встреч теплых и холодных течений, например, у Ньюфаундленда. Такую же природу имеют гаруа - туманы на побережьях тропических пустынь), омываемых холодными течениями. Эти туманы в виде мел­кой, все пронизывающей водяной пыли увлажняют песчаную поч­ву и обеспечивают влагой растения пустынь.

7. ^ Городские туманы могут быть вызваны любой из указанных причин, но всегда усиливаются за счет обилия ядер конденса­ции - продуктов горения. Кроме обычных туманов из водяных капель, в индустриальных центрах, особенно Западной Европы, стал частым смог — удушливая смесь тумана, гари дымовых труб и выхлопных газов автомобилей.

Как и всякая особенность климата, туманы подчиняются определенным гео­графическим закономерностям. В полярных широтах они бывают часто и держатся устойчиво. В Арктике отмечается 100 дней с туманами в год. В умеренном поясе особенно часты туманы на берегах морей: на Аляске число туманных дней достигает 24—28 в месяц, на Дальнем Востоке—около 80 в год. В материковом климате туманов значительно меньше. В тропическом поясе туманы редки, но, как уже указывалось, их много на западных берегах, омываемых холодными течениями.

Туманы - часто повторяющееся метеорологическое явление, неблагоприятное для авиации, транспорта и других видов дея­тельности людей. В настоящее время в метеорологии и экологии интенсивно разрабатывается методика их прогнозирования.

44. Облака, их классификация.

Облака. Классификация облаков
Конденсация и сублимация влаги в свободной атмо­сфере дает облака. На ядрах конденсации возникают первичные очень мелкие облачные капли. Обычно они сразу же замерзают и становятся ядрами дальнейшего роста капель как путем конден­сации, так и коагуляции—взаимного слияния. Это происходит при температуре на 10—15° ниже 0° С.

В современной метеорологии выделяют следующие типы облаков:

1. Перистые облака находятся на высоте выше 6 км и состоят из ледяных кристаллов и игл: белые, тонкие облака волокнистого строения, прозрачные, без соб­ственных теней. Основные виды: нитевидные и плотные; много разновидностей. Осадков не дают.

2.Перисто-кучевые облака располагаются на высоте выше 6 км и состоят из ледяных кристаллов и игл: белые тонкие слои или гряды в виде мелких волн и хлопьев, без собственных теней. Делятся на два вида: 1) волнистые и 2) кучевообразные. Осадков не дают.

3. Перисто-слоистые облака находятся на высоте выше 6 км и состоят из ледяных кристаллов. Имеют вид белой однородной тонкой пелены, иногда слегка волни­стой; не размывают солнечного или лунного диска. Осадки земли не достигают.

4. Высококучевые облака располагаются на высоте 2-6 км и состоят из мельчайших капелек, часто переохлажденных: белые, иногда сероватые или синеватые в виде волн, куч, гряд, хлопьев, между которыми видны просветы голубого неба. Иногда могут сливаться. Виды высококучевых облаков: 1) волнистые и 2) кучевообразные. Осадки не выпадают.

5. Высокослоистые облака концентрируются на высоте 2-6 км и состоят из смеси снежинок и мельчайших капелек: серая или си­неватая однородная пелена слегка волнистая. Солнце и Луна просвечивают как сквозь матовое стекло. Обычно закрывают все небо. Летом осадки земли не достигают, зимой дают снегопад. Виды: 1) туманообразные и 2) волнистые.

6. Слоисто-кучевые облака располагаются на высоте 2-6 км и состоят из капелек однородных размеров: серые крупные гряды, волны, кучи или пластины; могут быть разделены просветами или сливаться в сплошной покров. От вы­сококучевых отличаются несколько меньшей высотой, большими размерами куч и большей плотностью. Редко выпа­дают слабые непродолжительные дожди. Обычно осадков не дают. Виды слоисто-кучевых облаков: 1) волнистые и 2) кучевообразные.

7. Слоистые облака располагаются ниже 2 км, внизу они могут сливаться с туманами: однообразный серый слой, сходный с туманом, иногда внизу разорван в клочья. Обычно закрывают все небо, могут быть также в виде разорванных масс. Виды слоистых облаков: 1) туманообразные, 2) волнистые, 3) разорваннослоистые. Могут выпадать морось или редкий снег.

8. Слоисто-дождевые облака находятся на высоте ниже 2 км, внизу могут сливаться с туманом; состоят из крупных капель внизу и мелких вверху: темно-серый об­лачный слой как бы слабо освещенный изнутри. Выпадают обложные дожди или снег, иногда с перерыва­ми. Видов нет.

9.Кучевые облака представляют собой облака вертикального развития и находятся в пределах нижнего и среднего ярусов до 2-3 км; состоят из капелек, система устойчивая, без осадков. Плотные высокие облака с белыми кучевыми и куполообразными вершинами и плоскими основаниями серого или синего цвета. Могут быть в виде отдельных облаков или больших скоплений. Осадки обычно не выпадают. Виды кучевых облаков: 1) плоские, 2) средние, 3) мощные. Много разновидностей - разорвано-кучевые, башеннообразные, орографические и др.

10. Кучево-дождевые, или грозовые облака располагаются на высоте до 2 км и состоят из капель внизу и кристаллов вверху: белые плотные облака с темным основанием, имеют вид огромных наковален, гор и др. Виды кучево-дождевых (грозовых) облаков: 1) лысые, 2) волосатые. Выпада­ют ливневые дожди, град, сопро­вождаемые грозами

Каждое облако представляет собой быстро изменяющееся образование: в одних его частях капельки испаряются и облако как бы «тает», в других - образуются новые облачные массы. Они могут состоять из капель воды, кристаллов льда и быть смешанными. Поэтому и облака различают 1) водяные, 2) ледяные и 3) смешанные. Даже наиболее мощные облачные массы содержат воды относительно немного, до 5 г/м³.

В зависимости от характера вертикальных движений воздуха, высоты его подъема, времени года, объема испарения и других причин облака могут быть весьма разнообразными.

По междуна­родной классификации облачность делится на ярусы:

- нижний ярус: 2 км и ниже;

- средний ярус: от 2 до 6 км;

- верхний ярус – выше 6 км.

Средняя годовая облачность для всей Земли оценивается в 5,4 балла, над сушей - 4,8 балла, над океанами - 5,8 балла. Самые облач­ные места - северные части Атлантического и Тихого океанов, где облачность превышает 8 баллов, самые безоблачные - пусты­ни, не более 1 - 2 баллов.

Географическое значение облаков состоит в том, чтоиз них выпадают осадки; они задерживают часть солнечной радиации и тем самым влияют на световой и тепловой режимы земной по­верхности, препятствуют тепловому излучению Земли, создавая «тепличный эффект». Наконец, облака осложняют работу авиа­ции, аэрофотографирование и др.

45. Образование атмосферных осадков. Распределение осадков по земной поверхности.

Образование атмосферных осадков
Атмосферными осадками называется вода во всех видах твердой и жидкой фазы,которуюполучает земная поверхность из атмосферы. Атмосферные осадки подразделяются на следующие две группы:

а) наземные осадки, образующиеся непосредственноназемных предметах (иней, изморозь);

б) осадки, выпадающие из облаков (дождь, снег, град, крупа, ледяной дождь).

Основную массу осадков доставляют дождь и снег. Начальные облачные капли очень малы,их диаметр колеблется от 7 до 10 мкм. В 1 см³ облака содержится несколько сотен капель воды. Капли таких малых размеров упасть на землю не могут, так как они поддер­живаются теми восходящими токами, которые обеспечили обра­зование самого облака. Вследствие взаимного слияния - коагу­ляции - капли растут. Если сила восходящих токов невелика (на­пример, при спокойном скольжении по фронтальной плоскости, особенно в холодную осеннюю погоду), то даже небольшие капли преодолевают сопротивление воздуха и выпадают в виде мелких моросящих дождей.При мощных восходящих токах в жаркие лет­ние дни, а также всегда в экваториальном поясе на земную поверхность могут упасть только крупные капли. Вот почему грозовые и экваториальные дожди состоят из больших капель, особенно в начале, когда надо пробить мощный восходящий поток теплого воздуха.

Осадки выпадают только из тех облаков, вертикальная мощ­ность которых не менее 3 км, а водность не менее 1 г/м³. В этом случае идут только моросящие дожди. Интенсивные осадки выпа­дают из смешанных облаков, которые коллоидально неустойчивы и в которых на ледяных кристаллах быстро осаждается влага. Водность таких облаков достигает 4 г/м³. При высокой температуре воздуха и мощных восходящих токах на высотах в 4—6 км, где температура составляет - 10 - -15°С, образуются снежинки.

По интенсивности и продолжительности выделяются следующие виды осадков:

1) ливневые осадки, выпадающие из кучево-дождевых (грозовых) облаков;

2) обложные осадки, выпадающие из фронтальных слоисто-дождевых и высококучевых облаков;

3) моросящие осадки, идущие из слоистых и перисто-слоистых облаков.

46. Погода и климат. Определение и классификация климатов.

Погода и климат
Основные атмосферные процессы - нагревание и охлаждение воздуха, циркуляция атмосферы и влагооборот, а также оптические, звуковые и электрические явления в атмосфере образуют погоду.

Погодой называется ход процессов в атмосфере в данное время.Она характеризуется следующими метеорологическими элементами: солнечная радиация (продолжительность солнечного сияния), температура воздуха и поверхности почвы, влажность, давление, ветер, облачность, осадки, снежный покров, горизонтальная видимость и другие атмосферные явления (иней, изморозь, гололедица; гроза, полярное сияние, радуга, круги и венцы около Солнца и Луны.

Если метеорологические элементы характеризовать только на срок наблюдений, то погоду можно определить как состояние атмосферы в данное время. Однако первое определение погоды как хода процессов лучше, ибо в атмосфере происходят непрерывные изменения, приводящие к смене одной погоды другой. Многолетний режим погоды, называемый климатом, определенными климатическими показателями. Так как по характеру погоды один год отличается от другого, то надежными оказываются только те климатические показатели, которые выводятся за длительный (не менее 50) ряд лет.
^ 8.57. Определение и классификация климатов
Слово климат (точнее греч. клима) буквально означает наклон солнечных лучей к плос­кости горизонта. Ученый Древней Греции первыми выделили климатические пояса. По мере расширения географических знаний и метеорологических наблюдений астрономическое определение климата наполнялось собственно географическим содержанием. В научной географической литературе имеются самые различные классификации климата.

Из классификаций климатов, созданных клас­сической климатологией, наибольшее значение имеют следующие три: В.П. Кеппена, и Л. С. Берга и Б.П.Алисова.

В основу классификации В.П.Кеппена (1900, 1938) положены средние годовые температуры, годовое количество осадков и их распределение по сезонам года. Она согласуется с ботаническими об­ластями и в целом с ландшафтным районированием материков. В настоящее время, когда наука уделяет огромное внимание теп­ловому и водному балансам, классификация Кеппена должна по­лучить новое признание и подтверждение, поскольку она основана на ресурсах тепла и влаги.

В. П. Кеппен выделяет климатические пояса и 11 типов кли­матов.

^ Влажный тропический климат. Средняя температура самого холодного месяца не ниже 18°С.

1. Жаркий и влажный климат экваториальных лесов.

2. Климат саванн.

Сухие климаты. Средняя температура самого теплого месяца выше 10°С.

3. Климат пустынь.

4. Климат степей.

Умеренно теплые и влажные климаты. Средняя температура самого холодного месяца ниже 18⁰ С выше - 3° С. Это значит, что граница этого пояса со стороны экватора проходит по изотерме 18⁰ С, а со стороны полюсов - 3° С самого холодного месяца.

5.Теплые климаты с сухим летом (средиземноморские).

6. Теплые климаты с сухой зимой (китайский).

7. Теплые климаты с равномерным распределением осадков в году (западноевропейский).

Умеренно холодный климат. Температура самого теплого месяца выше 10⁰ С, а самого холодного ниже - 3 ⁰С.

8. С сухой зимой (восточносибирский).

9.Все месяцы достаточно увлажнены (восточноевропейский и канадский).

Снеговой климат. Температура самого теплого месяца ниже 10⁰С, т.е. по этой изотерме проходит граница с умеренным поясом.

10. Климат тундр. Температура теплого месяца от 0 ⁰С до

10 ⁰С.

11. Климат вечного мороза, или ледяной. Температура са­мого теплого месяца ниже 0 ⁰С.

Л. ^ С. Берг (1925 и 1938) в основу своей классификации по­ложил принцип географической зональности. На низинах им выде­лены 12 зональных типов климатов:

1) климат вечного мороза;

2) климат тундры;

3) климат тайги;

4) климат лесов умеренного пояса;

5) муссонный климат умеренных широт;

6) климат степей;

7) климат внетропических пустынь;

8) средиземномор­ский климат,

9) климат субтропических лесов;

10) климат тропических пустынь;

11) климат са­ванн;

12) климат влажных тропических лесов (экваториальных лесов).

В горах выделены климаты нагорий и плато, горных стран и отдельных гор.

47. Понятие о гидросфере. Единство и части гидросферы.

ГИДРОСФЕРА
Гидросфера – это совокупность всех водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежного покрова.
^ Происхождение воды
Вода – это самый распространенный на Земле минерал. Наличие воды – это космическая особенность нашей планеты. Практически все процессы в географической оболочке протекают с участием воды. Зарождение и развитие жизни также связано с водой. Вода – основа жизни.

В свете космогонической теории происхождение воды представляется следующим образом. Когда Земля по достижении примерно современной массы стала разогреваться, в мантии начались плавление и дифференциация вещества на летучие, легкоплавкие и тугоплавкие компоненты. Тугоплавкие компоненты остались в мантии, легкоплавкие в виде базальта образовали земную кору, а летучие, в их числе и водяной пар, поднялись на поверхность. По мере охлаждения земной поверхности из водяного пара сформировалась водная оболочка – гидросфера. Она появилась на завершающем этапе формирования планеты Земля.

К началу палеозоя гидросфера Земли приобрела объем, близкий к современному; с тех пор он существенно не изменился. Выделение воды из мантии происходит и в настоящее время – около 1 км³ в год. Эта вода называется ювинильной.

Вода поступает и из космического пространства. Подсчитано, что за геологическое время на Землю могло выпасть 0,73 х 10²⁰ г., или слой в 15 см. Следовательно, межпланетное пространство не может рассматриваться как прародитель воды на Земле.

48. Происхождение воды. Развитие гидросферы.

Развитие гидросферы
Водная оболочка Земли развивалась вместе с литосферой, атмосферой и живой природой. В архее в жарком климате интенсивно протекал круговорот воды по сокращенной схеме: «океан-атмосфера-океан». В то время не было зеленых растений, вода не разлагалась фотосинтезом, поступала интенсивно ювенильная вода. Объем гидросферы интенсивно увеличивался.

С протерозоя начинается рост массы живого вещества, в развитии гидросферы и атмосферы начинает активно участвовать фотосинтез, изымающий значительное количество воды. В гидросфере появились следующие два противоположно направленных процесса: поступление воды в результате дегазации мантии и изъятие ее фотосинтезом. Одновременно шло развитие материков, рост геосинклиналей, горообразование, формирование мощной коры выветривания. Эти процессы также связывали значительную массу воды и кислорода.

В палеозое литосфера Лавразии и Гондваны переживала бурное геологическое развитие, моря заливали геосинклинали и наступали на платформы, которые неоднократно то поднимались, то погружались. Земная поверхность резко дифференцировалась на материковую и океанскую. Неуклонно росла континентальная часть гидросферы: реки, озера и, особенно, подземные воды. Неоднократно значительные массы воды связывались материковыми ледниками. Это вызывало уменьшение объема океанов и поверхностных вод суши.

Одновременно увеличивалась масса зеленых растений, достигнувшая апогея в карбоне. Дифференцировались климаты и влагообороты. Непрерывно усложнялось взаимодействие в системе «океан-атмосфера-материки».

В мезозое и палеогене (ранний кайнозой) в результате расколов Лавразии и Гондваны и дрейфа блоков литосферы сформировались современные океаны. Возраст океанов различный. Например, впадина Тихого океана является древнейшей, ее дно образовано архейской литосферой. Индийский океан возник в палеозое; южная часть Атлантического океана - в мелу, а северная часть Атлантического океана – в палеогене.

В современной научной географической литературе существует несколько точек зрения относительно развития гидросферы за время, начиная с протерозоя: 1) объем гидросферы оставался постоянным, 2) объем гидросферы непрерывно увеличивался, 3) объем гидросферы постоянно уменьшался.

Гидросфера развивается непрерывно. Особого внимания заслуживает роль фотосинтеза в развитии гидросферы. Фотосинтез изымает и удерживает на некоторое время часть воды. В этом смысле фотосинтез выступает в качестве регулятора объема гидросферы. Без фотосинтеза географической оболочке угрожало бы «затопление». С другой стороны, фотосинтез доставляет в атмосферу свободный кислород. В процессе фотосинтеза безвозвратно разлагается из четырех молекул H₂O только одна, а три снова образуют воду. Следовательно, из общего объема воды, идущей на фотосинтез, изымается только 25 %. За 600 млн. лет с начала появления зеленых растений это дает 16,9 млрд. км³, то есть вся свободная гидросфера прошла 12 полных циклов разложения воды. При этом 75 % (три молекулы из четырех) используемой и разлагаемой воды обратно возвращается в гидросферу. Следовательно, все природные воды на Земле являются эндогенно-биогенными.

^ Единство и части гидросферы
Гидросфера состоит из Мирового океана, вод суши – рек, озер, ледников, а также подземных вод, которые залегают всюду на материках, на дне озерных и морских впадин и под толщей вечных льдов. Гидросфера, таким образом, непрерывна. В гидросферу обычно не включают парообразную и капельно-жидкую воду атмосферы, в которой одновременно содержится около 15 тыс. км³ воды (примерно 0, 001 % объема гидросферы).

Объем гидросферы приблизительно равен 1,5 млрд.км³. Главная масса природной воды сосредоточена в океанах – 1 370 322 тыс. км³ (около 94 %). Из них примерно 35 тыс. км³ приходится на айсберги. Второе место по объему занимает вода земной коры. Ее объем не поддается точному учету. Однако предполагается, что объем воды, сосредоточенный в земной коре, составляет около 170-200 млн. км³. Третье место по объему воды занимают ледники Антарктиды, Арктики и горных стран. В них сосредоточено около 24 млн. км³ пресных вод. Объем воды в ледниках составляет около 1,65 % гидросферы и около 90 % запасов пресной воды на Земле.

Поверхностные воды сосредоточивают только 0, 04 – 0,06 % вод планеты. Например, объем озерной воды оценивается в 230 тыс. км3. В реках сосредоточено всего 1,2 тыс. км³ (около 0, 00001%). Таким образом, единовременный запас пресной воды на Земле составляет около 32 млн. км³. Условно к гидросфере можно причислить воду, содержащуюся в живых организмах.

Воды гидросферы постоянно обновляются. Известно, что льды Антарктиды и Гренландии обновляются за 15 тыс. лет, подземные воды за 300 лет, озерные воды за 3,5 года, почвенные воды за 8-11 месяцев, речные воды за 12 суток.

49. Некоторые свойства воды в аспекте ее роли в географической оболочке.