Наземная конденсация и осадки

Поток водяного пара, определенный формулами (14.5.1) и (14.5.3), может быть как положительным (в тех случаях, когда доля водяного пара уменьшается вблизи земной поверхности с высотой (s₂ < s₀), так и отрицательным, т. е. направленным к земной повер­хности. Такие условия создаются в тех случаях, когда s возрастает с высотой (s₂ > s₀) — наблюдается инверсионное распределение влажности по высоте. Пока температура воздуха в непосредствен­ной близости к поверхности Земли не достигла точки росы, водяной пар, поступающий (при Q΄ ₀ < 0) из воздуха, проникает в почвенные поры и пополняет запас влаги в почве. Если температура воздуха, соприкасающегося с земной поверхностью (почвой, растениями, предметами), оказывается ниже точки росы, то может начаться про­цесс конденсации водяного пара непосредственно на земной поверхности, сопровождающийся формированием следующих видов на­земной конденсации:

1) росы и инея, 2) твердого и жидкого налета, 3) изморози.

Роса и иней. Основной причиной образования росы служит поте­ря тепла земной поверхностью под влиянием излучения в ночное время суток. При достижении температурой воздуха точки росы и последующем дополнительном охлаждении происходит конденса­ция водяного пара. В общем случае пар конденсируется как в возду­хе (туман), так и на земной поверхности (роса). Однако в тех случа­ях, когда воздух достаточно чистый (мало ядер конденсации) или резко выражена инверсия температуры (То < T_z), конденсация водя­ного пара происходит преимущественно на земной поверхности — выпадает роса. При этом сначала на поверхности (почве, растениях, предметах) образуются мелкие капли, которые сливаются затем в более крупные. Если температура земной поверхности ниже 0 °С, то на острых выступах, неровностях, кристаллических частицах водя­ной пар может начать сублимироваться (переходить в твердое состо­яние — лед). Этот процесс сопровождается образованием твердой росы или инея.

Отметим, что условия выпадения инея более благоприятны, чем росы: достаточно достичь состояния насыщения по отношению ко льду, чтобы началась сублимация водяного пара (при этом относи­тельная влажность воздуха вблизи земной поверхности, как показа­но в п. 14.5, может быть существенно меньше 100 %).

Поскольку при выпадении росы водяной пар переносится из ат­мосферы к земной поверхности (Q΄₀ < 0), то абсолютная влажность воздуха при этом уменьшается, что снижает вероятность образова­ния тумана (во всяком случае, достаточно интенсивного). Наоборот, если образуется туман, то, как следует из результатов главы 16, температура земной поверхности повышается, что не способствует выпадению росы. Наблюдения подтверждают эти выводы: при оби­льной росе не наблюдается интенсивных туманов; при образовании интенсивного тумана не выпадает обильная роса.

Согласно наблюдениям, в умеренных широтах роса может дать слой осадков толщиной 0,05—0,15 мм за ночь и 10—50 мм за год. Наиболее обильная роса выпадает весной и осенью, поскольку летом температура воздуха не всегда опускается ниже точки росы. Про­стые оценки* и более строгая теория (основанная на решении урав­нений переноса тепла и водяного пара) показывают, что роса форми­руется вследствие конденсации водяного пара, который поступает к земной поверхности из слоя воздуха толщиной в несколько сотен метров. При этом абсолютная влажность на каждом уровне понижа­ется сравнительно мало (вблизи земной поверхности, согласно на­блюдениям, до 2—3 г/м3), общая же масса сконденсировавшегося из столба атмосферы водяного пара оказывается значительной.

Наиболее обильные росы выпадают при высокой абсолютной влажности воздуха, на сухих взрыхленных почвах (мала теплопро­водность), в ясную (велико эффективное излучение) погоду при сла­бом ветре. Обильная роса и иней осаждаются также на предметах (досках, крышах и др.), обладающих низкой теплопроводностью.

Жидкий и твердый налет. В отличие от росы и инея, явление, обусловленное сменой погоды: после продолжительных сильных морозов наступает резкое потепление. Теплый воздух, поступаю­щий на сильно охлажденную поверхность, соприкасаясь с холодны­ми предметами (наветренными стенами зданий, камнями, асфаль­том дорог и др.), охлаждается, водяной пар достигает насыщения, а при дальнейшем охлаждении и конденсируется. Так, на холодных (достаточно массивных) предметах формируется пленка воды, кото­рую и называют жидким налетом. Если периоду потепления пред­шествовали сильные морозы, то возникает твердый налет, подразде­ляемый на кристаллический, зернистый и ледяной. Увеличению налета, кроме конденсации водяного пара, способствует осаждение на предметах капель тумана, который обычно образуется в теплом воздухе.

Изморозь. Представляет собой белый рыхлый, снеговидный оса­док, образующийся на ветвях деревьев и кустарниках, на телеграф­ных столбах и проводах, на выступах и углах зданий. Образуется она или путем сублимации водяного пара (кристаллическая измо­розь), или в результате намерзания капель переохлажденного тума­на (зернистая изморозь). Оба процесса при температуре выше —30 °С протекают, как правило, при тумане.

В отличие от инея, изморозь образуется в любую часть суток, чаще всего в морозную туманную погоду, когда в воздухе плавают ледяные кристаллы (алмазная пыль).

Гололед. Явление осаждения и последующего замерзания (при столкновении) переохлажденных капель мороси или дождя преиму­щественно на наветренной стороне различных предметов и на зем­ной поверхности. Образующийся при этом слой плотного льда мо­жет достигать нескольких сантиметров. Гололед наблюдается обыч­но в начале и конце зимы при температуре воздуха от 0 до -7 °С. Од­нако нередки такие зимы (особенно в приморских районах), когда гололед образуется в течение всей зимы.

Принципиальное отличие гололеда от твердого налета состоит в том, что при образовании твердого налета сублимация водяного пара осуществляется непосредственно на холодной земной поверх­ности, в то время как гололед формируется под влиянием замерза­ния капель осадков, образовавшихся в атмосфере и затем выпадаю­щих на земную поверхность. Однако следует подчеркнуть, что в об­разовании всех других видов наземных осадков (и, в первую оче­редь, жидкого и твердого налета, изморози) осаждение на земную поверхность капель и кристаллов льда из атмосферы играет вполне заметную роль (хотя и не определяющую). С другой стороны, в фор­мирование гололеда, наряду с осаждением переохлажденных ка­пель, вносят некоторый вклад конденсация и сублимация водяного пара на поверхности слоя льда.

Обледенение (родственное гололеду явление). Процесс осажде­ния и замерзания (при соударении) переохлажденных капель обла­ков, туманов и осадков на различных частях самолетов и других ле­тательных аппаратов, а также наземных и водных видов транспорта (автомобили, суда, поезда и др.).

С гололедом связаны большие материальные потери. При голо­леде на 1 м провода может оседать от 10 г до 1 кг льда. Под тяже­стью осевшего льда обрываются провода, ломаются не только ветви, но и деревья. При гололеде резко возрастает травматизм среди насе­ления, а также сильно усложняется работа и повышается аварий­ность всех видов транспорта.