Климатические факторы влагооборота

Через осадки и испарение речной сток связан со всей совокупностью атмосферных процессов. Все элементы климата оказывают прямое или косвенное влияние на режим рек. Рассмотрим эти элементы.

Солнечная радиация и термические условия. Источником энергии для всех процессов, происходящих в атмосфере, океане и на поверхности суши земного шара, служит солнечная радиация. Почти вся энергия, излучаемая Солнцем, приходится на электромагнитные волны с длинами от 0,2 до 4,0 мкм. В этот диапазон волн входят ультрафиолетовый, световой и инфракрасный участки спектра. Солнечная энергия, поступающая на внешнюю границу атмосферы в количестве около 8 Дж/см² мин, претерпевает далее сложные превращения. Часть ее отражается верхней поверхностью облаков и уходит обратно в космос. Часть поглощается и рассеивается в атмосфере Земной поверхности в виде прямого и рассеянного излучения достигают в среднем лишь 43% излучения, поступающего на внешнюю границу атмосферы, причем 6% из них отражаются. Поглощая энергию солнечного излучения, земная поверхность и атмосфера обмениваются энергией в диапазоне волн с длинами от 4 до 120-180 мкм. Этот диапазон называется тепловым. Энергия теплового излучения земной поверхности и атмосферы в конечном счете уходит в космос. За многолетний период сумма энергии теплового излучения Земли и энергии отраженных волн солнечной радиации оказывается равной энергии, полученной от Солнца. Поэтому в современную климатическую эпоху средняя годовая температура воздуха у земной поверхности остается постоянной. Она равна +14,2°С. Северное полушарие, где расположена большая часть суши, имеет несколько более высокую среднюю температуру: +15,2°С. Столь же устойчиво и распределение средних годовых температур по земной поверхности. Линии равных средних годовых температур – годовые изотермы – в общем следуют широтному направлению, отклоняясь от него под влиянием рельефа суши и разности температур суши и океана. Наша страна, простираясь с юга на север от 35° до 80° С.Ш., отличается большим разнообразием температур воздуха. Однако для большей части ее территории характерно существование зимой устойчивых отрицательных температур. Следствием этого является замерзание большинства наших рек на длительное время и преимущественно снеговой характер их питания, при котором более половины годового стока проходит во время весеннего половодья.

Влажность воздуха и испарение. Содержание водяного пара в воздухе называют влажностью воздуха. Влажность принято выражать или в граммах на сантиметр кубический (г/см³) (так называемая абсолютная влажность) или через величину парциального давления (упругости) водяного пара в паскалях (Па). Отношение упругости водяного пара е к упругости насыщенного пара Е в процентах, т.е. е/Е 100% называется относительной влажностью воздуха. Это та характеристика влажности, которая сообщается в сводках погоды. Упругость насыщенного пара увеличивается с температурой. При 10°С она составляет 1200 Па. Превышение упругости насыщенного пара над фактической упругостью пара называется дефицитом влажности.

Свободная поверхность воды всегда обменивается молекулами воды с воздухом. Если количество молекул воды, покидающих свободную поверхность, больше количества молекул воды, падающих на нее, происходит испарение. В обратном случае имеется конденсация. Интенсивность испарения выражают высотой слоя испарившейся воды за выбранный промежуток времени (мм/сут, мм/месяц, мм/год). Существует ряд эмпирических формул для вычисления интенсивности испарения с водной поверхности. Большинство этих формул ставят интенсивность испарения в зависимость от дефицита влажности и скорости ветра. Как пример приведем формулу А.П. Браславского и З.А. Викулиной:

(4)

При вычислении дефицита влажности в этой формуле упругость насыщенного пара определяют по температуре испаряющей поверхности, а фактическую упругость пара берут по наблюдениям на высоте 2 м над этой поверхностью. Скорость ветра w, м/с, берут по наблюдениям на такой же высоте. Ветер усиливает испарение с малых водоемов благодаря тому, что он сносит влажные массы воздуха и замещает их свежими, менее влажными. На больших водоемах он, кроме того, создает волнение,
а при волнении, благодаря пене и брызгам, интенсивность испарения всегда усиливается.

Согласно наблюдениям, произведенным на малых водоемах, на севере европейской территории Союза (ETC) высота среднего годового слоя испарения с водной поверхности составляет 300-400 мм. К берегам Черного и Каспийского морей она увеличивается до 800-1000 мм. Средний годовой слой испарения с поверхности Каспийского и Аральского морей и озера Балхаш близок к 1000 мм. Высота этого слоя для озера Чад (экваториальная Африка) превышает 2000 мм.

Поскольку поверхность озер и водохранилищ составляет малую долю общей поверхности суши, то в балансе влаги на суше главную роль играет испарение не с водной поверхности, а с поверхности самой суши, т.е. с гор, лугов, полей, лесов и т.д. Интенсивность этого испарения сильно меняется по территории, испытывая влияние рельефа, растительного покрова, температуры воздуха, а также количества осадков. В пустынях она практически равна нулю, так как там нет влаги, которая могла бы испаряться – практически нет осадков. На большей части ETC (кроме юго-востока) интенсивность испарения с поверхности суши составляет около половины интенсивности испарения с водной, поверхности. На юго-востоке это отношение уменьшается до - – вследствие скудности осадков.

Те географические зоны, на которых средний слой осадков больше, равен или меньше среднего слоя испарения с водной поверхности, называются соответственно зонами избыточного, достаточного и недостаточного увлажнения.

Осадки. Осадки выпадают на земную поверхность в виде дождя, града, снега, а также в виде росы, инея и изморози, объединяемых понятием наземных осадков. Наиболее богата осадками приэкваториальная зона, где средний годовой слой осадков составляет 1000-2000 мм. Пояса между 20° и 30° северной и южной широт бедны осадками. В них расположено большинство пустынь земного шара. В умеренной зоне количество осадков снова увеличивается, достигая 500-1000 мм/год. За полярными кругами обоих полушарий годовая сумма осадков снижается до 300-100 мм. Более детальное рассмотрение распределения осадков по земной поверхности показывает, что оно имеет тесную связь с рельефом этой поверхности. Наибольшие количества осадков выпадают на возвышенностях, в особенности на склонах горных хребтов, обращенных к влагоносным ветрам. Это объясняется тем, что встречая горный хребет, воздушный поток поднимается вверх, в область пониженных температур, и содержащийся в нем водяной пар конденсируется. Если для севера и центральной части ETC характерен средний годовой слой осадков около 500 мм, то на западном склоне Уральского хребта он возрастает до 650-700 мм. На западном склоне Кавказского хребта в районе г. Батуми выпадает в год более 2500 мм осадков. На равнинах западной и центральной Сибири количество осадков невелико (300-400 мм/год). На Дальнем Востоке, в бассейне р. Уссури, имеется местный максимум осадков (около 800 мм/год), обусловленный интенсивными дождями во время летнего тихоокеанского муссона.

Ветры. Воздушные массы атмосферы находятся в постоянном движении. Это движение поддерживается и управляется тремя силами: горизонтальными градиентами давления, Кориолисовой силой инерции и трением. На высоте более 1000 м над земной поверхностью роль сил трения становится пренебрежимо малой и остаются только две действующие силы. Так как горизонтальные градиенты давления невелики, то такая небольшая сила, как Кориолисова, играет в движениях воздушных масс важную роль.

Ветры со скоростями до 5 м/с называются слабыми, со скоростями
5-10 м/с – умеренными, со скоростями 10-20 м/с – сильными. Скорости ветра от 20 до 30 м/с наблюдаются при штормах и более 30 м/с – при ураганах.

В теплое время года над ETC преобладают ветры западного направления, приносящие сюда влажный воздух с Атлантики. Главную роль в переносе этих воздушных масс играют циклоны – подвижные области низкого давления, перемещающиеся с запада на восток со скоростями 30-40 км/ч. Вследствие восходящего движения воздуха в центральной части циклона в нем идет конденсация водяного пара и выпадают обильные осадки. Над Сибирью в теплое время года преобладают ветры северного и северо-восточного направления. Зимой вся Сибирь, а часто и ETC, оказываются под воздействием мощного сибирско-монгольского антициклона – устойчивой области высокого давления. Движение воздуха в центральной части антициклона нисходящее. Оно приносит к земной поверхности сухие и холодные воздушные массы, растекающиеся далее от центра антициклона к его периферии. Результатом является морозная, ясная погода со слабыми ветрами.

При всем разнообразии климатических условий на обширной территории Советского Союза мы не встречаемся здесь с очень резкими проявлениями атмосферной деятельности, такими, как тропические циклоны, торнадо юга США или муссонные ливни в Индии. Климату нашей страны свойственны относительно плавные переходы от одного состояния атмосферы к другому как во времени, так и по территории.

До текущего столетия можно было не задумываться над влиянием на климат Земли человеческой деятельности. Сейчас, однако, положение изменилось. Наблюдения показывают, что производимое в современных масштабах сжигание топлива (в энергетике, в промышленности, на транспорте) ведет к ощутимому увеличению содержания углекислого газа в атмосфере. Углекислота свободно пропускает коротковолновую радиацию Солнца, но частично задерживает тепловое излучение Земли. Это значит, что дальнейший рост содержания углекислого газа может вызвать общее повышение температуры воздуха на Земле. Последствия такого повышения – расширение зоны пустынь, таяние материковых льдов с соответствующим подъемом уровня воды в океане – будут неблагоприятными для человечества. Поэтому вся эта группа вопросов сейчас интенсивно изучается.