Вода в атмосфере

Содержание воды в атмосфере сравнительно невелико — около 0,001% всей ее массы на нашей планете. Тем не менее, это совершенно незаменимое звено природного круговорота воды.

Основным источником атмосферной влаги являются поверхностные водоемы и увлажненная почва; кроме того, влага поступает в атмосферу в результате испарения воды растениями, а также дыхательных процессов живых существ.

Вода в атмосфере находится во всех трех агрегатных состояниях — газообразном (водяной пар), жидком (капли дождя) и твердом (кристаллики снега и льда). Конденсация водяных паров приводит к образованию облаков; атмосферная влага, теряемая в результате осадков, пополняется за счет поступления новых порций испарившейся воды. Полное обновление состава воды в атмосфере происходит за 9…10 дней. Таким образом, атмосферная влага является самым активным звеном круговорота воды в природе.

Основное количество водяного пара сосредоточено в нижних слоях воздушной оболочки — в тропосфере, на высоте до нескольких тысяч метров, и почти вся масса облаков находится там.
стратосфере (на высоте около 25 км над Землей) облака появляются реже. Их называют перламутровыми. Еще выше, в слоях мезопаузы, на расстоянии 50…80 км от Земли, изредка наблюдаются серебристые облака. Известно, что они состоят из кристалли ков льда и возникают при снижении температуры в мезопаузе до -80 ^oC. Их образование связывают с интересным явлением — пульсацией атмосферы под действием приливных гравитационных волн, вызываемых Луной.

При кажущейся легкости и воздушности облака содержат значительное количество воды. Водность облаков, то есть водосодержание воды в 1 м³, колеблется от 10 до 0,1 г и менее. Поскольку объемы облаков очень велики (десятки кубических километров), то даже одно облако может содержать в виде капель или кристалликов льда сотни тонн воды. Эти гигантские водные массы непрерывно переносятся воздушными потоками над поверхностью Земли, вызывая на ней перераспределение воды и тепла. Поскольку вода обладает исключительно высокой удельной теплоемкостью, испарение ее с поверхности водоемов, из почвы, транспирация растений поглощают до 70% энергии, получаемой Землей от Солнца. Количество теплоты, затраченное на испарение (скрытая теплота парообразования), поступает вместе с водяным паром в атмосферу и выделяется там при его конденсации и формировании облаков. В результате заметно снижается температура водных поверхностей и прилегающего к ним слоя воздуха, поэтому вблизи водоемов в теплое время года намного прохладнее, чем в континентальных районах, которые получают такое же количество солнечной энергии.

Масса облаков и водяные пары, содержащиеся в атмосфере, существенно воздействуют и на радиационный режим планеты: с их помощью происходят поглощение и отражение избытка солнечной радиации, и тем самым в известной степени регулируется ее поступление на Землю. Одновременно облака экранируют встречные тепловые потоки, идущие с поверхности Земли, снижая теплопотери в межпланетное пространство. Из всего этого слагается погодообразующая функция атмосферной влаги.

Вследствие высокой «оборачиваемости» атмосферной воды годовое количество осадков для всей планеты составляет около 0,5 млн. км³, то есть превышает содержание влаги в атмосфере в 40 раз. В среднем на поверхность Земли в течение года выпадает слой осадков толщиной 1 м, но реальные их количества весьма неодинаковы для разных областей земного шара. Так, известны три зоны максимума осадков (одна в экваториальной области, две в умеренных широтах обоих полушарий) и четыре зоны минимума осадков (в двух зонах пассатных широт, а также в Арктике и Антарктике). В то время как в некоторых районах Индии или на Гавайских островах годовой уровень осадков превышает12000 мм, в среднеазиатских пустынях или на северо-востоке Сибири он едва достигает 200 мм.

В течение года осадки выпадают крайне неравномерно. В экваториальных районах наибольшее количество их выпадает дважды в году — после осеннего и весеннего равноденствия, в тропиках и муссонных областях — летом (при почти полном бездождье зимой), в субтропиках — зимой. В умеренных континентальных зонах максимум осадков приходится на лето.

От годового количества осадков во многом зависят производственная деятельность человека в целом, состояние и состав растительности, а следовательно, характер сельского хозяйства. Поэтому так важно исследовать состояние и пути распространения атмосферной влаги, закономерности формирования облачных масс, изучение возможности воздействия на них.

Вечные труженики

Атмосферная влага, кроме переноса воды и тепла, осуществляет и другие, не менее важные функции, сущность и значение которых начали изучать совсем недавно. Оказывается, содержащаяся в атмосфере вода активно участвует и в переносе масс твердых веществ. Ветер поднимает в воздух частицы почвы, срывает пену с морских волн, уносит мельчайшие капельки соленой воды. Помимо этого, соли могут попадать в воздух и в молекулярно-дисперсном виде, благодаря так называемому физическому испарению их с поверхности океана. Поэтому океан можно считать главным поставщиком хлора, бора и йода для атмосферы, дождевых и речных вод.

Таким образом, дождевая влага, находясь в облаке, уже содержит некоторое количество солей. В ходе мощных циркуляционных процессов, осуществляющихся в облачных массах, вода и частицы солей, почвы, пыли, взаимодействуя, образуют растворы разнообразнейшего состава. По утверждению академика В.И. Вернадского, среднее солесодержание облака составляет около 34 мг/л.

В дождевых каплях находят десятки химических элементов и различные органические соединения. Покидая облако, каждая капля содержит в среднем 9,3*10^-12 мг солей. На пути к Земле, соприкасаясь с атмосферным воздухом, она вбирает в себя новые порции солей и пыли. Обычная дождевая капля весом 50 мг при падении с высоты 1 км «промывает» 16 л воздуха, а 1 л дождевой воды захватывает с собой примеси, содержавшиеся в 300 тыс. л воздуха. В итоге с каждым литром дождевой воды на Землю поступает до 100 мг примесей. Из общего количества растворенных веществ, уносимых реками с материков в океан, почти половина возвращается обратно с атмосферными осадками. При этом на каждый квадратный километр земной поверхности приходится до 700 кг одних лишь азотистых соединений (в пересчете на чистый азот), а это уже ощутимая подкормка для растений.

Особенно много солей содержат осадки приморских районов. Например, в Англии было зафиксировано выпадение дождя с концентрацией хлора до 200 мг/л, а в Голландии — до 300 мг/л.

Интересно отметить, что функцию дождя как переносчика минеральных соединений и питательных веществ нельзя свести к простому подсчету: столько-то привнесенных удобрений — такое-то увеличение урожая. В.Е. Кабаев много лет прослеживал прямую связь между размером урожая хлопка и количеством воды в осадках. В 1970 году он пришел к интересному выводу: стимулирующее воздействие дождя на посевы вызвано, очевидно, присутствием в нем пероксида водорода. Достаточно обычного содержания H₂O₂ в осадках (7…8 мг/л), чтобы атмосферный азот связывался в соединения, обогащающие питание растений, улучшалась подвижность элементов в почве (прежде всего фосфора), активизировался процесс фотосинтеза. Установив эту функцию дождя, ученый считает возможным искусственно доставлять растениям пероксид водорода, добавляя его в воду при опрыскивании.

В журнале «Химия и жизнь» был приведен подсчет количества солей, ежегодно поступающих с осадками на квадратный километр пляжа в городе Сочи. По ионному составу соли распределяются следующим образом:

Аэропланктон

Некоторые примеси дождевой воды так же неожиданны, как и источники их образования. Так, американский микробиолог Паркер установил, что ливневые осадки содержат значительное количество таких органических веществ, как витамин B₁₂, никотиновая кислота, биотин. Проверив органический состав атмосферных примесей — различных твердых частиц, он заключил, что воздух содержит множество микроорганизмов, в том числе и водоросли, причем часть их находится в активном состоянии. Временным местопребыванием этих организмов могут быть облака, особенно кучевые: даже на высоте 6-9 тыс. м, которая является «потолком» для этих облаков, сохраняется температура, приемлемая для протекания жизненных процессов. Присутствие в облаках воды, микроэлементов, таких газов, как кислород, оксид углерода (IV), азот, а также наличие интенсивной лучистой энергии — все это создает благоприятные условия для фотосинтеза, обмена веществ и роста клеток. По мнению Паркера, «облака представляют собой живые экологические системы», которые дают возможность жить и размножаться многоклеточным микроорганизмам. Их выделения органические вещества типа витаминов — попадают на Землю, особенно с ливневыми дождями. А ведь до сих пор, зная об «аэропланктоне» верхних слоев атмосферы — спорах, грибках, пыльце растений, ученые считали, что они находятся там в нежизнеспособном состоянии. Очевидно, результаты новых исследований многое изменят в наших представлениях об атмосферной влаге. Влага в воздушном океане, как и вода в Мировом океане, вероятно, выполняет важную роль внешней среды для кругового обмена веществ его обитателей. Попадая на поверхность планеты, эти вещества неизбежно оказываются тесно связанными с жизнью земной. Трудно даже переоценить возможности, которые даст человечеству детальное изучение таких процессов. Это и предотвращение распространения болезнетворных бактерий, и использование микрофлоры облаков для биологических способов борьбы с загрязнением атмосферы, и решение многих других жизненно важных проблем.

Работы американских исследователей показали, что бактерии, связанные с фитопланктоном, населяющим приповерхностный слой океана, служат ядрами конденсации атмосферной влаги. Скапливаясь в морской пене, бактерии забрасываются ветром в атмосферу, причем их концентрация над Мировым океаном еще выше, чем, например, минеральных частиц в запыленной атмосфере над пустынными районами Австралии. Это подтверждено экспериментально: в лабораторных условиях бактерии способствовали замерзанию воды, то есть вели себя как типичные ядра конденсации.

Развитие этих исследований открывает перспективу получения атмосферных осадков с помощью микроорганизмов. Наряду с другими методами, возможность направленно влиять на скорость и интенсивность их размножения, вероятно, позволит в будущем управлять состоянием атмосферы.