Водяной пар в атмосфере

Водяной пар – наиболее важная переменная составная часть атмосферы. Основная масса водяного пара сосредоточена в приземном слое воздуха мощностью до 6 – 7 км. Его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах – около 1,6 – 1,7 см «слоя осажденной воды» (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара).

Пространственно-временная изменчивость его концентрации колеблется в широких пределах – у земной поверхности от 3 % в тропиках до 2×10 ^–5 % в Антарктиде. Чем ниже температура, тем меньше в воздухе может содержаться пара. При понижении температуры избыток пара конденсируется, и влагосодержание атмосферы уменьшается. Образование облаков и выпадение осадков связано с испарением воды с поверхности Земли, подъемом водяного пара в холодные слои атмосферы и последующей его конденсацией.

Водяной пар, как и всякий газ, создает собственное давление (упругость, е, гПа). Упругость водяного пара возрастает с увеличением его плотности (а, г/м³). Наибольшее (предельное) количество пара в воздухе называется влажностью насыщения, а соответствующая ей упругость – упругостью насыщения, или максимальной упругостью водяного пара. Максимальное содержание пара выражается либо в виде собственного (парциального) давления в гПа (Е), либо в г/м³ (А). Количество насыщающего пара увеличивается с ростом температуры воздуха (табл. 1.2).

Таким образом, фактическое содержание пара обозначается а – абсолютная влажность (плотность пара, г/м³) или е (упругость водяного пара, гПа), а влажность насыщения – А (г/м³) или Е (гПа). Связь между а (г/м³) и е (гПа) выражается формулой

а=220 (е/Т), (1.19)

где Т= t+273 –температура в абсолютной шкале или a = 0,8е / (1+αT), где е – в гПа, T – в градусах Цельсия, α =1/273).

Таблица 1.2

Максимальная упругость водяного пара в воздухе

Относительная влажность воздуха (r, в процентах), равна отношению массы пара, реально содержащегося в воздухе, к максимальной упругости. Например: если температура воздуха равна 30°С, а реальное содержание пара 28 г/м³, то относительная влажность воздуха равна r = = (28/30.34)´100= 92,3%.

Во время выпадения дождя и при наличии тумана относительная влажность воздуха приближается к 100 %. В сухую погоду она снижается до 20–30 % и ниже. Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атмосферные осадки в виде дождя, града и снега.

Если в воздухе присутствуют примеси, например оксиды серы, азота или углерода, то в случае конденсации паров с образованием мельчайших капель воды на Землю могут выпадать кислотные дожди – атмосферные осадки, с рН < 5,5, которые могут вызывать губительные последствия в географической оболочке. Так, при систематическом выпадении кислых осадков пресноводные водоемы начинают подкисляться, что влечет за собой сокращение численности и видового разнообразия живых существ (при значениях рН от 5 до 5,5), потерю репродуктивной функции у рыб, активное развитие специфических видов кислотолюбивых водорослей, которые заглушают водную растительность (рН 4,5). При снижении рН ниже 4,5 рыбы в озере уже нет, наблюдается гибель лягушек, насекомых. Из силикатов и донных осадков выщелачиваются алюминий и другие металлы, которые сами по себе более опасны для окружающей биоты, чем наблюдающаяся высокая кислотность. Кислотные дожди приводят к отмиранию листовых пластин из-за нарушения механизма фотохимической фиксации СО₂, гибели почвенных микроорганизмов, понижению рН почв, что влечет усыхании и гибель деревьев и травяного покрова.

Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере. Именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20 – 30 км) и мезосфере (вблизи мезопаузы, на высотах 60 – 70 км, рис. 1.5), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда как тропосферные облака обычно закрывают около 50 % всей земной поверхности.

Практическая работа № 1