Лекция 7

ОСАДКИ. СНЕЖНЫЙ ПОКРОВ

Осадки, выпадающие из облаков

При определенных условиях из облаков выпадают осадки, т. е. капельки или кристаллы настолько крупных размеров, что они уже не могут удерживаться в атмосфере во взвешенном со­стоянии. Это дождь и снег.

Как дождь, так и снег выпадают в основном из облаков вос­ходящего скольжения и из облаков конвекции. В зависимости от этого и характер выпадения осадков будет различным.

Из облаков восходящего скольжения (слоисто-дождевых и высокослоистых), связанных с фронтами, выпадают обложные осадки. Это длительные осадки средней интенсивности. Они выпадают сразу на больших площадях, порядка сотен тысяч квадратных километров, сравнительно равномерно и достаточно продолжительно (часами и десятками часов). Осадки отмеча­ются на всех станциях или на большинстве станций на большой территории; при этом суммы осадков на отдельных станциях не слишком сильно отличаются одна от другой. Наибольший про­цент в общем количестве осадков в умеренных широтах состав­ляют именно обложные осадки.

Из кучево-дождевых облаков, связанных с конвекцией, вы­падают ливневые осадки, интенсивные, но малопродолжитель­ные. Сразу же после начала они могут получить большую интенсивность, но так же резко и обрываются. Их сравнительная непродолжительность объясняется тем, что они связаны с от­дельными облаками или с узкими зонами облаков. В холодных воздушных массах, движущихся над теплой земной поверх­ностью, отдельные ливневые дожди иногда продолжаются над каждым данным пунктом всего несколько минут. При местной конвекции летом над сушей, когда кучево-дождевые облака осо­бенно обширны, или при прохождении фронтов ливни иногда продолжаются часами. По наблюдениям в США, средняя пло­щадь, одновременно захватываемая одним и тем же ливневым дождем, около 20 км².

При кратковременном выпадении ливневые осадки могут дать и небольшое количество воды. Интенсивность их сильно колеб­лется. Даже в одном и том же случае дождя количество осадков может различаться на 50 мм на расстоянии всего 1—2 км. Лив­невые осадки являются основным видом осадков в низких тро­пических и экваториальных широтах.

Кроме обложных и ливневых осадков, различают еще осадки моросящие. Это внутримассовые осадки, выпадающие из облаков слоистых и слоисто-кучевых, типичных для теплых или местных устойчивых воздушных масс. Вертикальная мощ­ность этих облаков невелика; поэтому в теплое время года осадки могут выпадать из них только в результате взаимного слияния капелек. Выпадающие жидкие осадки — морось - со­стоят из очень мелких капелек. Зимой при низких температурах указанные облака могут содержать кристаллы. Тогда вместо мо­роси из них выпадают мелкие снежинки и так называемые снеж­ные зерна.

Как правило, моросящие осадки не дают существенных су­точных количеств. Зимой они не увеличивают заметно снежного покрова. Только в особых условиях, например в горах, морось может быть более интенсивной и обильной.

Формы осадков

Дождь состоит из капель диаметром более 0,5 мм, но не бо­лее 8 мм. При более значительных размерах капель они при падении разбиваются на части. В ливневых дождях величина капель больше, чем в обложных, особенно в начале дождя. При отрицательных температурах дождь иногда выпадает в пере­охлажденном виде; соприкасаясь с земной поверхностью, пере­охлажденные капли замерзают, покрывая ее ледяной коркой.

Морось состоит из капелек диаметром порядка 0,5—0,05 мм с очень малой скоростью выпадения; они легко переносятся вет­ром в горизонтальном направлении. Снег состоит из сложных ледяных кристаллов (снежинок). Формы их очень разнообразны в зависимости от условий их об­разования. Основная форма снежных кристаллов — шестилучевая звезда. Звезды получаются из шестиугольных пластинок потому, что сублимация водяного пара наиболее быстро проис­ходит на углах пластинок, где и нарастают лучи; на этих лучах, в свою очередь, создаются разветвления. Диаметры выпадаю­щих снежинок могут быть очень различными, в общем же — порядка миллиметров. Снежинки при выпадении часто сли­паются в крупные хлопья. При температурах, близких к нулю и выше нуля, выпадает мокрый снег или снег с дождем. Для него характерны крупные хлопья.

Из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков при отри­цательных температурах выпадает еще крупа, снежная и ледяная. Она имеет вид округлых (иногда конусообразных) ядрышек диаметром 1 мм и больше. Чаще всего крупа наблюдается при температурах, не очень далеких от нуля, особенно осенью и весной. Снежная крупа имеет снегоподобное строение: крупинки легко сжимаются пальцами. Ядрышки ледяной крупы имеют оледеневшую поверхность; раздавить их трудно, при падении на землю они подскакивают.

Из слоистых облаков зимой вместо мороси выпадают еще снежные зерна — маленькие крупинки диаметром менее 1 мм, напоминающие манную крупу.

Летом, в достаточно жаркую погоду, иногда выпадает град в виде более или менее крупных кусочков льда неправильной формы (градин), от горошины до 5—8 см в диаметре, иногда и больше. Вес градин в отдельных случаях превышает 300 г. Часто они обнаруживают неоднородное строение, именно состоят из последовательных прозрачных и мутных слоев льда. Град выпадает из кучево-дождевых облаков при грозах и, как правило, вместе с ливневым дождем.

Вид и размеры градин говорят о том, что градины в течение своей «жизни» многократно увлекаются то вверх, то вниз силь­ными токами конвекции, наращивая свои размеры путем стол­кновения с переохлажденными каплями. В нисходящих токах они опускаются в слои с положительными температурами, где подтаивают сверху; потом снова поднимаются вверх и замерзают с поверхности и т. д.

Для образования градин необходима большая водность об­лаков, почему град выпадает только в теплое время года при высоких температурах у земной поверхности. Наиболее часты выпадения града в умеренных широтах, а наиболее интенсив­ны — в тропиках. В полярных широтах град не наблюдается. Случалось, что град надолго оставался лежать на земле слоем в десятки сантиметров. Он часто вредит посевам и даже уничто­жает их (градобития); в отдельных случаях от него могут по­страдать животные и даже люди.

Образование осадков

Осадки выпадают в том случае, если хотя бы часть элемен­тов, составляющих облако (капелек или кристалликов), по ка­ким-то причинам укрупняется. Когда облачные элементы стано­вятся настолько тяжелыми, что сопротивление воздуха и вос­ходящие его движения больше не могут удерживать их во взвешенном состоянии, они выпадают из облака в виде осадков.

Укрупнение капелек до нужных размеров не может происхо­дить путем конденсации. В результате конденсации получаются только очень мелкие капельки. Для образования более крупных капель процесс конденсации должен был бы продолжаться чрезмерно долго. Более крупные капли, выпадающие из облака в виде дождя или мороси, могут возникнуть другими путями.

Они могут быть результатом взаимного слияния капелек. Если капельки заряжены разноименными электриче­скими зарядами, это благоприятствует их слиянию. Большое значение имеет также различие размеров капелек. При разных размерах они падают с разной скоростью и потому легче стал­киваются между собой. Столкновениям капелек способствует также турбулентность. Именно таким образом иногда выпадает из слоистых облаков морось, а из мощных кучевых облаков — мелкий и малоинтенсивный дождь, особенно в тропиках, где со­держание жидкой воды в облаках велико.

Осадки могут выпадать и из чисто ледяных облаков, также вследствие сублимационного укрупнения кристаллов. Но обычно эти облака высоки (в верхнем ярусе) и осадки из них испа­ряются, не достигая земной поверхности. «Метлы» и «хвосты» некоторых видов перистых облаков, по существу, являются именно полосами падения осадков.

Характеристики режима осадков

Измерение осадков на метеорологических станциях произ­водится простыми приборами — дождемерами (осадкомерами). Они собирают осадки, выпадающие на верхнюю, открытую (приемную) поверхность сосуда (ведра) определенной площади. Количество накопленных осадков измеряется особым градуиро­ванным стаканом, который показывает толщину слоя выпавших осадков в миллиметрах.

В зимнее время точность показаний дождемера недостаточна. Турбулентные завихрения, образующиеся около прибора, могут препятствовать попаданию снежинок в дождемерное ведро или даже «выдувать» снег из него. С другой стороны, при ветре в ведро может попадать снег, поднятый с поверхности снежного покрова. Для уменьшения выдувания осадков из дождемера применяются различные защиты, окружающие дождемерное ведро.

Существуют и самопишущие приборы — плювиографы, не­прерывно регистрирующие прирост осадков, а также суммарные дождемеры, приспособленные для накопления осадков в течение длительного времени.

Таким образом, количество осадков, выпавших в том или ином месте за определенное время, выражается в миллиметрах слоя выпавшей воды. Утверждение, что выпало 68 мм осадков, означает, что если бы вода осадков не стекала, не испарялась и не впитывалась почвой, она покрыла бы подстилающую поверх­ность слоем толщиной 68 мм.

Твердые осадки (снег и др.) также выражают толщиной слоя воды, который они образовали бы растаяв.

Одному миллиметру осадков соответствует объем выпавшей воды в количестве одного литра на один квадратный метр, или одного миллиона литров на один квадратный километр. В ве­совых единицах это с достаточной точностью равно одному кило­грамму на квадратный метр, или 1000 тонн на квадратный ки­лометр.

Определяют еще плотность осадков, т. е. среднюю интенсив­ность осадков в миллиметрах за сутки с осадками, а также ин­тенсивность осадков в миллиметрах за минуту или за час для осадков различной продолжительности. За день с осадками при всех этих подсчетах принимают день, когда выпало измеримое количество осадков, т. е. по крайней мере 0,1 мм. Отдельно подсчитывается число дней с осадками больше или меньше 1 мм.

Климатическое значение снежного покрова

Снежный покров является продуктом атмосферных про­цессов и, стало быть, климата, но в то же время он сам влияет на климат, как и на другие составляющие географического ландшафта. Температура на поверхности снежного покрова ниже, чем на поверхности почвы, не покрытой снегом, так как снег обладает исключительно высоким альбедо (80—90%); в то же время шероховатая поверхность снега усиленно излу­чает. Малая теплопроводность снега приводит к тому, что по­теря тепла с поверхности снежного покрова не покрывается при­током тепла из более глубоких его слоев и из почвы. Поэтому почва, покрытая снегом, сохраняет зимой достаточно высокую температуру. На этом основано и озимое земледелие: снежный покров предохраняет всходы от вымерзания. По наблюдениям в Ленинграде, поверхность почвы под снегом в январе в среднем на 15° теплее, а за зиму на 5—7° теплее, чем поверхность почвы, искусственно обнаженная от снега. Даже на глубине в не­сколько десятков сантиметров почва под снегом теплее, чем обнаженная почва.

Чем тоньше снежный покров зимой, тем сильнее промерза­ние почвы при прочих равных условиях. В Восточной Сибири и Забайкалье снежный покров очень невелик (в Забайкалье ме­нее 20 см) вследствие господствующего там зимой режима высо­кого атмосферного давления; но температуры на поверхности снега зимой очень низкие. Поэтому в Иркутске, например, почва промерзает под снегом в среднем до глубины 177 см. В то же время в лесах Московской области почва под снегом обычно не промерзает вовсе.

Снежный покров влияет на воздух охлаждающим обра­зом. Над ним образуются значительные приземные радиацион­ные инверсии температуры. Весной, при таянии снежного покрова, приток тепла идет на таяние снега и температура воз­духа остается близкой к нулю до тех пор, пока снег не стает. В теплом воздухе, текущем над тающим снежным покровом, могут возникать так называемые весенние инверсии темпе­ратуры.

Запасы воды, накапливаемые за зиму в снежном покрове, примерно на 50% обеспечивают питание рек России. С весенним таянием снега связаны половодья на его равнинных реках. Высота половодья зависит не только от накопленных за зиму запасов снега, но и от быстроты его таяния и от свойств поверхности почвы. Особенно высоки половодья, если снег осенью выпадает на замерзшую почву: весной талые воды вследствие этого не впитываются в почву, а стекают.

Наличие снежного покрова сильно повышает освещен­ность. Рассеянная радиация увеличивается вследствие отраже­ния как прямой, так и рассеянной радиации от снежного по­крова и вторичного ее рассеяния; поэтому повышается и осве­щенность. Сильное отражение и рассеяние света в снежных горах может вызвать временную слепоту у альпинистов. Особое значение имеет «снежная» добавка к рассеянной радиации в Арктике и Антарктиде летом.