Атмосферные осадки
Атмосфе́рные оса́дки (гидрометеоры), вода в жидком или твёрдом состоянии, выпадающая из облаков на земную поверхность, либо осаждающаяся на ней из атмосферы. Атмосферные осадки являются одним из важнейших звеньев влагооборота на Земле, измеряются количеством воды, выпадающей из атмосферы на горизонтальную поверхность, выраженным толщиной слоя. Твёрдые осадки также характеризуются толщиной слоя воды, который образовался бы при их растаивании. Слой воды толщиной 1 мм имеет массу 1 кг на 1 м2 площади поверхности. Измерение атмосферных осадков производится на гидрометеорологических станциях дождемерами (осадкомерами), собирающими осадки на открытую приёмную поверхность сосуда (ведра) определённой площади; плювиографами, непрерывно регистрирующими прирост осадков; суммарными дождемерами, измеряющими сумму осадков в течение длительного времени. На больших площадях для измерения интенсивности и количества осадков из облаков разного типа, их суточной, сезонной и региональной изменчивости применяется радиолокация атмосферных осадков. Важной характеристикой атмосферных осадков является их интенсивность, т. е. количество в единицу времени (мм/мин; мм/сут и т. д.). Для характеристики климата производят подсчёт многолетних средних сумм осадков по месяцам, сезонам, за год и др.
Типы осадков
Выпадение атмосферных осадков из облаков происходит в результате укрупнения части уже существующих облачных элементов (капель или кристаллов) до размеров, при которых они приобретают заметную скорость падения. Наиболее крупные кристаллические элементы, выпадая из облака, сталкиваются с переохлаждёнными каплями, примораживая их к себе, или смерзаются между собой, образуя хлопья. Перейдя в атмосферные слои с температурами выше 0 °C, твёрдые частицы тают, образуя капли дождя. При низких температурах воздуха (около 0 °C и ниже) твёрдые частицы достигают земной поверхности, не растаяв (снег, крупа снежная и ледяная и др.). В тёплое время года возможно выпадение града. В капельно-жидких облаках при положительных или отрицательных, но близких к 0 °C температурах атмосферные осадки могут возникать вследствие слияния, или коалесценции, облачных элементов. В результате может выпадать мелкий дождь, или морось.
Дождь – водяные капли, имеющие диаметр от 0,5 до 6–7 мм, более крупные капли дробятся, т. к. соотношение их поверхностного натяжения и сопротивления при падении за счёт плотности воздуха не позволяет им сохранять устойчивую форму. Скорость падения дождевых капель достигает 0,25–100 мм/ч. Дождь выпадает из кучево-дождевых (Cb), слоисто-дождевых (Ns), а иногда и из высокослоистых (As) облаков. Наибольшая интенсивность осадков наблюдается при ливнях. При наблюдениях в эксперименте ТРОПЭКС–74 во внутритропической зоне конвергенции был зафиксирован ливень интенсивностью 2220 мм/ч. Морось – очень мелкие водяные капли (диаметром менее 0,5 мм), скорость их падения 0,05–0,25 мм/ч. Они практически взвешены в атмосфере, выпадают из слоистых (St), слоисто-кучевых (Sc) облаков и при рассеянии туманов. Снег – твёрдые кристаллы, выпадающие в виде разнообразных снежинок, ледяных игл, столбиков и пластинок. В основе их строения лежит 6-гранный ледяной кристалл. При сильных снегопадах, слабом ветре и относительно высокой температуре воздуха снежинки часто группируются в хлопья диаметром от 5 до 15–20 мм. Мокрый снег – смесь снежинок и капель дождя (а часто – тающие снежинки) – наблюдается при значениях температуры воздуха в подоблачном слое выше 0 °C. Крупа – твёрдые осадки, выпадающие из облаков в виде матово-белых снегоподобных ядер неправильной округлой формы диаметром от 2–5 до 15 мм, при ударе о твёрдые предметы ядра не разрушаются, а отскакивают. В зависимости от соотношения в крупинках снежной и ледяной фракций этот вид осадков подразделяют на снежные зёрна, ледяную и снежную крупу. Град – твёрдые осадки, близкой к шарообразной или неправильной формы, диаметром от 5 мм до 5,5 см, выпадающие в тёплое время года из мощных кучево-дождевых (Cb) облаков. Наиболее крупные градины обычно состоят из смёрзшихся менее крупных. В своей структуре градина обычно содержит матовые и прозрачные слои, поскольку она образуется проходя через часть облака, заполненную снегом и крупой, слои с положительной температурой, где обтаивает, и затем турбулентностью переносится в более высокие холодные слои и обмерзает. Чаще всего выпадению града предшествует, а иногда и сопровождает его сильнейший ливень. Выпавший град может создать на земной поверхности покров толщиной 20–30 см. Град наносит существенный ущерб сельскохозяйственным посевам, строениям, иногда, при сильных градобитиях, гибнут оказавшиеся вне укрытий животные и люди. Промежуточное положение между дождём и градом занимает ледяной дождь, выпадающий при отрицательной температуре воздуха, чаще всего от 0 до –10 °C, иногда до –15 °C, в виде твёрдых прозрачных шариков льда диаметром 1–3 мм с незамёрзшей водой внутри. Ледяной дождь образуется при наличии температурной инверсии в нижней тропосфере (чаще всего в зоне тёплого атмосферного фронта), когда у поверхности Земли находится слой холодного воздуха, а над ним слой более тёплого. В тёплом воздухе снег частично или полностью тает, затем в холодном, ближе к земле, переохлаждается и замерзает, а падая на поверхность Земли и наземные предметы, разбивается, образуя гололёд. Выделяется группа осадков, образующихся на поверхности Земли и на предметах. При положительных значениях температуры воздуха капельки тумана, соприкасаясь с земной поверхностью и находящимися на ней предметами, образуют жидкий налёт, при отрицательных температурах – изморозь. Выпадение переохлаждённой мороси при отрицательных температурах также ведёт к образованию гололёда. При конденсации и сублимации водяного пара, содержащегося в приземном слое атмосферы, образуются роса и иней.
Поглощение атмосферными осадками газовых и аэрозольных примесей в атмосфере является одним из важнейших механизмов её очищения. Снегопады в 3–4 раза эффективнее, чем дождь, очищают атмосферу от аэрозолей, но во много раз меньше – от растворимых в воде газов. Осадки, очищая атмосферу, несут поглощённые ингредиенты к земной поверхности, загрязняя её и оказывая пагубное влияние на растительный и животный мир (например, кислотные дожди). Обычно дождевая вода имеет слабокислую реакцию (pH = 5,6). По данным наблюдательной сети глобального мониторинга, на станциях, не подверженных воздействию местных источников загрязнения атмосферы, водородный показатель pH составил: на станции Мауна-Лоа (Гавайские острова, США) 5,1, на станции Пятигорск (Россия) 6,2, на станции Туруханск (Россия) 5,4, на станции Велена (Швеция) 3,8.
Со 2-й половины 20 в. интенсивно ведутся научно-исследовательские работы по развитию методов активного воздействия на облака как с целью увеличения атмосферных осадков в аридных районах, так и для предотвращения их выпадения во избежание градобитий, схода лавин и селей. При нарушении коллоидальной устойчивости облаков происходит выпадение атмосферных осадков ранее их естественного созревания, с этой целью облака засеваются кристаллизующими и гигроскопическими реагентами (иодиды серебра и свинца, твёрдый диоксид углерода, хлориды натрия и кальция, порошок цемента и др.). Реагенты вносятся в облака с помощью самолётов, специальных ракет, снарядов и др.; возникает лавинообразное укрупнение облачных элементов и выпадение осадков в нужном месте естественной траектории движения облака.
Географическое распределение осадков
Количество выпадающих атмосферных осадков на поверхность Земли зависит в первую очередь от распределения облаков, их водности и носит зональный характер, однако на него влияют и незональные факторы – направление преобладающего переноса воздуха в тропосфере суши и океана, особенности орографии материков, удалённость их внутренних частей от наветренных побережий и др. В целом распределение осадков, особенно на суше, крайне неравномерно. Наибольшие величины атмосферных осадков отмечаются в тропиках (3000 мм в год и более), в пассатных внутритропических зонах конвергенции (ВЗК) Атлантического океана, восточной и центральной частей Тихого океана и в перемещающейся муссонной ВЗК Индийского океана; над материками этой зоны выпадение осадков регулируется также сезонным влиянием ВЗК и муссонов. Самое влажное место на Земле отмечено на южных склонах Гималаев, в Черапунджи, где в год в среднем выпадает 13 000 мм осадков, достигая в отдельные годы 22 900 мм. В субтропиках, в областях дислокации субтропических антициклонов и пассатов (на их перифериях) и над холодными океаническими течениями атмосферные осадки незначительны (менее 250 мм в год). От субтропиков к умеренным широтам количество осадков в общем увеличивается (до 500–1000 мм в год). В умеренных широтах наибольшее количество атмосферных осадков выпадает при активизации полярных атмосферных фронтов и прохождении вдоль них серий внетропических циклонов; большое влияние на увеличение атмосферных осадков оказывают горные хребты (до 5000 мм в год в горах Шотландии). От умеренных широт к полярным атмосферные осадки снова убывают (до 300 мм в год и менее) из-за малого влагосодержания холодного воздуха. В арктических районах отмечается зимний минимум атмосферных осадков, хотя интенсивность циклонической деятельности в Арктике мало меняется от сезона к сезону. В Антарктиде в течение всего года во внутренние районы циклоны не проникают, здесь выпадает ничтожно мало осадков – в виде ледяных игл; циклоны циркулируют у побережья, где отмечается наибольшее количество осадков для этой зоны. Карту годового количества осадков см. в статье Климат.