Метеорология и климатология (рус.)

Говоря о количестве воды, испаряющемся в той или иной местности, нужно различать фактическое испарение и возможное испарение, или испаряемость.

Испаряемостью называют максимально возможное испаре­ние, не ограниченное запасами влаги. Таково испарение с чашки испарителя, куда регулярно добавляется вода. Испарение с по­верхности водоема или избыточно увлажненной почвы также может быть названо испаряемостью. Однако в случае большой испаряющей поверхности оно меньше, чем испарение, определен­ное по испарителю.

Величина испаряемости характеризует, насколько погода и климат в данной местности благоприятствуют процессу испа­рения.

Скорость испарения V выражается в миллиметрах слоя воды, испарившейся за единицу времени, например за сутки, с данной поверхности. Она, прежде всего, пропорциональна раз­ности между упругостью насыщения при температуре испаряю­щей поверхности и фактической упругостью водяного пара в воз­духе: E_s - е (закон Дальтона).

Чем меньше разность (E_s - е), тем медленнее идет испаре­ние, т. е. тем меньше водяного пара переходит в воздух за еди­ницу времени. Если испаряющая поверхность теплее воздуха, то E_s больше, чем упругость насыщения E при температуре воз­духа; поэтому испарение продолжается и тогда, когда воздух уже насыщен, т. е. когда e = E<E_s. Кроме того, скорость испа­рения обратно пропорциональна атмосферному давлению р. Но этот фактор важен лишь при сравнении условий испарения на разных высотах в горах; на равнине колебания атмосферного давления не так велики, чтобы он имел серьезное значение.

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу вследствие испарения с поверхностей водоемов и почвы и вследствие транспирации растений. Испарение, в отличие от транспирации, назы­вают еще физическим испарением, а испарение и транспирацию вместе — суммарным испарением.

Процесс испарения состоит в том, что отдельные молекулы воды отрываются от водной поверхности или от влажной почвы и переходят в воздух как молекулы водяного пара. В воздухе они быстро распространяются вверх и в стороны от источника испарения. Это происходит отчасти вследствие собственного дви­жения молекул; в этом случае процесс распространения молекул газа на возможно большее пространство называется молекуляр­ной диффузией. К молекулярной диффузии в атмосфере присое­диняется еще и распространение водяного пара вместе с воз­духом: в горизонтальном направлении с ветром, т. е. с общим переносом воздуха, а в вертикальном направлении путем тур­булентной диффузии, т. е. вместе с турбулентными вихрями, все­гда возникающими в движущемся воздухе.

Опыт подтверждает, что ветер у земной поверхности всегда (за исключением широт, близких к экватору) отклоняется от ба­рического градиента на некоторый угол меньше прямого, в север­ном полушарии вправо, в южном влево. Отсюда следует такое положение: если встать спиной к ветру, а лицом туда, куда дует ветер, то наиболее низкое давление окажется слева и несколько впереди, а наиболее высокое давление — справа и несколько сзади. Это положение было найдено эмпирически еще в первой половине XIX века и носит название барического закона ветра, или закона Бейс-Балло. Точно так же действительный ветер в свободной атмосфере всегда дует почти по изобарам, остав­ляя (в северном полушарии) низкое давление слева, т. е. откло­няясь от барического градиента вправо на угол, очень близкий к прямому. Это положение можно считать распространением барического закона ветра на свободную атмосферу.

Атмосферные слои выше 800—1000 км выделяются под названием экзосферы (внешней атмосферы). Скорости движе­ния частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а вслед­ствие чрезвычайной разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою. Отдельные частицы могут при этом иметь скорости, достаточные для того, чтобы преодолеть силу тяжести. Для незаряженных частиц критической скоростью бу­дет 11,2 км/сек. Такие особенно быстрые частицы могут, дви­гаясь по гиперболическим траекториям, вылетать из атмосферы в мировое пространство, «ускользать», рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния.

Ускользанию подвергаются преимущественно атомы водо­рода, который является господствующим газом в наиболее вы­соких слоях экзосферы.

Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характери­зуется очень высокими температурами и потому носит название термосферы. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка тысячи кило­метров, и лежащая над нею внешняя часть — экзосфера, пере­ходящая в земную корону.

Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен. Мы уже указы­вали в параграфе 13, что на высотах 300—750 км его средняя плотность порядка 10^-8—10^-10 г/м³. Но и при такой малой плотности каждый кубический сантиметр воздуха на высоте 300 км еще содержит около одного миллиарда (10⁹) молекул или атомов, а на высоте 600 км — свыше 10 миллионов (10⁷). Это на несколько порядков больше, чем содержание газов в межпланетном пространстве.

Над тропосферой до высоты 50—55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем ра­стет с высотой. Переходный слой между тропосферой и страто­сферой (толщиной 1—2 км) носит название тропопаузы.

Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для ниж­ней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в ниж­ней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом.

Нижняя стратосфера более или менее изотермична. Но, на­чиная с высоты около 25 км, температура в стратосфере быстро растет с высотой, достигая на высоте около 50 км мак­симальных, притом положительных значений (от +10 до +30°). Вследствие возрастания температуры с высотой турбулентность в стратосфере мала.