Пятая стихия. Глава 8. Атмосферные осадки

О «круговороте воды в природе» мы все знаем еще со школьной скамьи: Солнце нагревает землю и воду, вода испаряется, в виде пара поднимается в атмосферу, там конденсируется и в виде осадков снова попадает на землю. Ежегодно с земной поверхности (вода + суша) испаряется 355 тыс. км; воды. Вся вода быстро возвращается опять на землю, но в атмосфере всегда находится примерно 13 тыс. км; воды. Это очень много! Такое количество воды в 11 раз больше, чем во всех реках мира. Запас воды в атмосфере обновляется примерно через 9 суток, т.е. 40 раз в год.
Рассмотрим путь попадания воды в атмосферу. Этот путь один – испарение.  В принципе, испарение это отрыв молекул воды (водяного пара) от поверхности. Интенсивность испарения зависит от температуры воздуха, скорости ветра и в меньшей степени от величины атмосферного давления. Физика процесса испарения заключается в следующем. Если представить горизонтальную поверхность воды, то на этой поверхности постоянно идет процесс отрыва молекул воды (испарение) и возвращение молекул воды (водяного пара) из воздуха (конденсация). В зависимости от того, какой процесс преобладает, можно говорить или о процессе испарения, или о процессе конденсации.
В тех случаях, когда количество «оторвавшихся» молекул равно количеству «вернувшихся», можно говорить о процессах насыщения. Причем упругость насыщения водяного пара будет тем больше, чем выше температура.               

Упругость насыщения зависит также и от агрегатного состояния вещества: чем тяжелее оторвать молекулу от той среды, в которой она находится (чем больше силы сцепления молекул), тем меньше упругость насыщения. Поэтому Е льда < Е воды, а упругость насыщения над вогнутой поверхностью меньше, чем над горизонтальной и еще меньше, чем над выпуклой («разгулявшуюся» молекулу удерживают силы сцепления заштрихованной части рисунка). Это примерно как бег по воде, когда в одном случае воды только по щиколотку, в другом по колено, а в третьем по пояс. Естественно, что в последнем случае «вырваться» из воды вам будет тяжелее всего.               

Следовательно, прочитав еще раз последний абзац и внимательно посмотрев на последний рисунок, можно убедиться, что действительно, упругость насыщения над водой больше, чем надо льдом, а упругость насыщения над мелкими каплями больше, чем над крупными. Это очень важный вывод. Дело в том, что в облаке всегда рядом существуют капли разных размеров. И вот, представьте себе ситуацию, когда упругость насыщения в облаке (е) больше, чем над крупной каплей, но меньше, чем над мелкой      (Е крупн. < е < Е мелк.). При таком «раскладе» мелкие капли продолжают испаряться, а крупные конденсируют на себя водяной пар атмосферы, т.е. крупные капли в облаке растут за счет мелких капель.
Аналогичная картина происходит и с ростом облачных кристаллов: кристаллы имеют возможность расти за счет всей жидкой фазы облака как за счет крупных, так и за счет мелких облачных капель. Ну а рост размеров облачных элементов приводит к выпадению осадков.
Хотелось бы ознакомить читателей со сложными тепловыми процессами в облаке. Ведь известно, что при испарении воды затрачивается тепло на преодоление сил сцепления молекул (600 кал на 1г или примерно 2,5•106  Дж/кг), а на плавление льда (разрушение пространственной решетки) дополнительно тратится 80 кал на 1 г или 0,33•106 Дж/кг. При конденсации водяного пара и замерзании воды выделяется такое же по величине количество тепла. Вот поэтому представить себе достаточно точную модель облака и всех процессов в нем является очень сложной задачей.
Ну, а не привязываясь непосредственно к облаку, можно сказать, что вода в атмосфере может находиться в трех агрегатных состояниях: вода, пар и лед. Иногда говорят и о четвертом состоянии – переохлажденной воде, но, пожалуй, с точки зрения физики, лучше говорить о трех фазовых состояниях воды, а не о четырех.
При отрицательных температурах воздуха максимальная упругость водяного пара над водой чуть больше, чем надо льдом. Этого «чуть-чуть» в атмосфере хватает для возникновения многих важных процессов. Как уже говорилось, во-первых, за счет этого в облаке кристаллы растут за счет капель. Во-вторых, по той же причине говорят, и говорят совершенно справедливо, что «снежный покров съедает туман», так как капли тумана испаряются, и водяной пар конденсируется на снежной поверхности тем самым уменьшая водность тумана и «съедая» его.
Как мы писали только что выше, небольшая разница в упругости насыщения над водой и надо льдом («чуть-чуть») приводят в атмосфере к серьезным и очень интересным процессам. Это в какой-то мере напоминает работу обыкновенного лифта. Обязательной частью каждого лифта является противовес, который по своему весу «чуть-чуть» тяжелее кабины с пассажирами. В результате даже небольшого по мощности двигателя достаточно для приведения кабины лифта в движение, и это возможно практически при любом весе кабины лифта. Здесь, как и в атмосфере (или в атмосфере, как и в лифте), работает принцип «чуть-чуть». Такие же противовесы, но чуть побольше и потяжелее, есть у каждого крыла разводного моста в Санкт-Петербурге.
Говоря о процессах испарения и конденсации, хочется привести такой пример. Одна береза за год испаряет несколько тысяч литров воды, а это значит, что за солнечный день каждое дерево испаряет в атмосферу 3-5 ведер воды. И это только одно дерево и в один день!
И еще один пример, который наглядно показывает всю силу и величие атмосферных процессов. Если представить себе кучево-дождевое облако средних размеров (10х10 км по горизонтали и 5 км в высоту) и считать, что его водность равна      1 г/м; (это меньше среднего значения водности в кучево-дождевом облаке), то в облаке таких размеров содержится 5•105 тонн воды или 10000 железнодорожных цистерн. Этой водой из облака можно полностью заполнить бассейн глубиной 5 м с горизонтальными размерами 100х1000м. Эта «вода» образовалась при конденсации водяного пара, находившегося в воздухе, а, как известно, при конденсации водяного пара выделяется тепло. Так вот, если бы все тепло конденсации пошло только на нагрев воды, то выделившихся 3•105 Гкал тепла хватило бы для того, чтобы нагреть от  0 до 100 градусов бассейн с водой размерами 5х100х6000 м. Такое количество энергии сопоставимо с энергией первых атомных бомб.
Есть еще один интересный вопрос для читателей: всем известно, что вода тяжелее воздуха, что облачные капли тоже тяжелее воздуха, но они не всегда и не сразу падают на землю. Почему? Все дело в том, что в атмосфере почти всегда существуют вертикальные токи. Даже если скорость этих токов всего несколько сантиметров в секунду, этого оказывается достаточно для того, чтобы капля не упала на землю. Только по этой причине и «держатся» в воздухе облачные капли. Когда же капля по разным причинам укрупняется и становится такой, что вертикальным потокам ее не удержать, она падает на землю, и мы фиксируем, что у нас пошел дождь. Вам приходилось в детстве пускать мыльные пузыри? Представьте себе, что такая капля и есть маленький «мыльный пузырь».
Вертикальные токи возникают при наличии так называемой неустойчивой стратификации атмосферы. Вертикальные движения возникают по разным причинам. Например, упорядоченные вертикальные движения занимают огромные площади и потому называются крупномасштабными. Их скорость невелика – мм/с или см/с. Они ответственны за формирование слоистых облаков.
Другой тип таких движений – это сравнительно узкие вертикально направленные струи. Их скорость может достигать десятков метров в секунду. Такое движение получило название вертикальных токов.
Если какой-то объем воздуха оказался теплее всего остального окружающего воздуха, то он будет подниматься (вот вам и вертикальные токи). Наглядное подтверждение этому – теплый воздух и дым от костра, движение которого вверх видно невооруженным глазом. Более нагретая часть суши (например, вспаханное поле по сравнению с окружающим его лесом) и является для атмосферы таким «костром», который создает в атмосфере неустойчивость и вертикальные движения. Совершенно очевидно, что чем сильнее вертикальные токи, тем более крупные капли могут удержаться в воздухе этим потоком. Именно эти токи формируют облака, из которых выпадают ливневые осадки. Вот поэтому в ливневом дожде капли более крупные по размеру по сравнению с дождем обложным или моросящим.
Атмосферные осадки – благо, когда они идут вовремя и в меру. Однако, когда их много или наоборот, мало, то это уже становится стихийным бедствием, СТИХИЕЙ, и совершенно неважно «разбушевалась» стихия или «замолчала» – и то, и другое одинаково опасно.
И чего только не сыплется с небес на наши бедные головы! Это и дождь, и снег, и град, и морось, и крупа, и гололед – всего не перечислишь, хотя мы попробуем это сделать.
 В качестве характеристик осадков (та информация, которая передается в СМИ) используется обычно два критерия: вид и интенсивность. Вид осадков всегда понятен, а единицей измерения их интенсивности является величина слоя осадков (толщина), выпадающих за единицу времени (как правило, за 1 час или за сутки). Сама же величина слоя выпавших осадков всегда измеряется в миллиметрах. Иногда замеряют количество осадков, выпавших не за единицу времени, а при прохождении или сильного ливня, или атмосферного фронта.
Кроме количественной оценки интенсивности осадков существует визуальная оценка их интенсивности, которая производится по ухудшению видимости. Трудно себе представить много или мало выпало осадков, если известно, что их выпало, предположим, 15 мм. А если немножко поразмыслить, то оказывается, что 15 мм осадков это такое их количество, что на каждый квадратный метр поверхности приходится 1,5 ведра воды. Теперь уже можно говорить, что такое количество осадков для одного дождя можно считать достаточно большим.
Самое «мокрое место» в мире находится в Индии на южных склонах Гималаев. Там за год выпадает 14000 мм осадков! Это не много, а очень много! Представьте себе, что на поверхность за год  выливается столб воды высотой в 14 метров! Значит каждому квадратному метру поверхности в год «достается» 14 тонн воды! А теперь представьте себе горный склон, его площадь и сколько воды он получает. Вот она СТИХИЯ! И противоположный вариант: в пустыне Сахара в Африке и пустынях  Южной Америки есть районы, где может не быть осадков в течение нескольких лет. И это тоже СТИХИЯ!
 Для определения количества выпавших осадков используются специальные осадкомеры, с помощью которых осадки сначала скапливаются в специальном стакане, если это снег, то сначала его растапливают, а потом всегда в жидком состоянии эти осадки переливают в мензурку и определяют их количество в миллиметрах. Для определения высоты снежного покрова используется специальная снегомерная рейка (линейка), пользование которой пояснять не требуется.
Говоря об атмосферных осадках как о СТИХИИ, любой дождик стихией не назовешь. Моросящие осадки, или просто морось, к стихийным бедствиям никогда не относились и не относятся. Обложные осадки тоже не всегда стихийное бедствие. Ну прошел дождь или снег, ну «зарядил» достаточно надолго, ну и что?! А вот если такой дождь льет неделю, а то и дольше, если «раскисли» грунтовые дороги так, что не проехать, не пройти, если «раскисли» поля, с которых не собран урожай и нет никакой возможности его убрать, то вот это уже СТИХИЯ.
Справедливости ради нужно сказать, что такое бывает сравнительно редко, а вот ливневые осадки часто бывают стихийным бедствием. Сильный и продолжительный ливневой дождь приводит к тому, что обычно спокойные реки и даже ручейки, особенно в горных районах, выходят из берегов, затопляя всю округу. Водяной поток сметает все на своем пути, приносит огромные разрушения и огромные потери. В крупных городах специально созданная ливневая канализация не справляется с потоками воды. Даже в Петербурге, где ливни бывают нечасто, а город расположен на равнинной местности, нам приходилось видеть подтопленные улицы и людей, идущих по колено в воде. А в Москве, стоящей, как говорится, на семи холмах, последствия ливней еще более значительные.
И еще два примера ливневых осадков, но уже зимой, так называемого ливневого снега. Автору этих строк довелось попасть и увидеть такой ливневый снег в Норильске. Там его называют снежным зарядом. Группа авиаторов возвращалась на автобусе по бетонной дороге с аэродрома в Норильск, в гостиницу. Вдруг внезапно налетел снежный заряд, и наш автобус остановился – забуксовал. Пассажиры вышли из автобуса, встали сзади и толкнули его. Автобус снова пошел вперед. Но, как только автобус поехал сам, мы потеряли его из виду, и нам пришлось догонять автобус по оставленной им колее. В Норильске очень хорошо поставлена так называемая «снегоборьба», и погибнуть на дороге нам бы, естественно, не дали. Но ливневой снег с практически нулевой видимостью я видел всего несколько раз в жизни. Это СТИХИЯ.