Атмосферные осадки

Капли дождя

Атмосфе́рные оса́дки (гидрометеоры) — вода в жидкой или твёрдой фазе, которая выпадает на поверхность земли из облаков или осаждается непосредственно из атмосферы. Они играют ключевую роль в круговороте воды на планете.

Процесс образования

Схема образования осадков над океаном

Выделение влаги происходит, когда концентрация водяного пара в воздухе значительно превышает предел насыщения при существующих условиях. Конденсация пара в ненасыщенном воздухе может быть вызвана непосредственным охлаждением воздушных масс, притоком тёплого и влажного воздуха в более холодный регион или смешением тёплого влажного воздуха с холодным.

После конденсации пара капли жидкости или кристаллы льда могут увеличиться до такой степени, что не смогут удерживаться в воздухе, что приводит к их постепенному падению на землю. В процессе падения капли воды или кристаллы могут быстро расти, достигая значительных размеров. Когда из облака падают крупные капли, идёт дождь. При низких температурах вода, образующаяся при конденсации, замерзает и выпадает в виде снега, крупы или града.

В некоторых случаях конденсация может происходить у поверхности земли, и выделяющаяся влага в виде мельчайших капель остаётся во взвешенном состоянии в воздухе, образуя туман. Охлаждение самого нижнего слоя воздуха, прилегающего к земле, или поверхности почвы может вызвать конденсацию влаги, выделяемой почвой или растениями. Образование росы происходит отдельно от конденсации в воздухе.

При понижении температуры роса может замёрзнуть и превратиться в иней. Иней образуется в виде длинных, пушистых игл или столбиков на поверхностях, например, стенах зданий или деревьях, после тёплой и влажной погоды. В отличие от инея, изморозь наблюдается при оттепели после морозов, когда на поверхностях образуется ледяной слой без кристаллической структуры инея. Существует явление ледяных игл, когда зимой, даже в ясную погоду, в воздухе появляются мелкие кристаллики льда в форме иголочек, образующиеся при медленном выделении избыточной влаги при понижении температуры.

Измерение количества осадков

Дождемер на метеорологической станции

Количество осадков оценивается путём определения объёма воды, образовавшегося на горизонтальной поверхности, и выражается в виде толщины слоя. Твёрдые виды осадков также оцениваются по толщине слоя воды, которая образовалась бы при их таянии. Один миллиметр водного слоя соответствует одному килограмму воды на квадратный метр поверхности.

Измерение атмосферных осадков производится на гидрометеорологических станциях с использованием дождемеров, которые собирают осадки на открытой поверхности приёмного сосуда с определённой площадью. Также используются плювиографы, непрерывно регистрирующие накопление осадков, и суммарные дождемеры, измеряющие общее количество осадков за продолжительный период.

Для оценки интенсивности и количества осадков из различных типов облаков на обширных территориях, а также для изучения их суточной, сезонной и региональной изменчивости применяется радиолокация атмосферных осадков. Важной характеристикой является интенсивность осадков, то есть количество, выпадающее за единицу времени (мм/мин, мм/сут). Для климатических исследований рассчитываются многолетние средние суммы осадков по месяцам, сезонам и годам.

Классификация

Осадки, выпадающие на поверхность

Осадки данного типа отличаются равномерностью и стабильностью, без резких изменений в интенсивности. Их начало и завершение происходят плавно и постепенно. Продолжительность непрерывного выпадения обычно составляет несколько часов (изредка — сутки или двое), но в отдельных случаях слабые осадки могут продолжаться всего полчаса — час.

Они выпадают из слоисто-дождевых или высокослоистых облаков, при этом наблюдается сплошная облачность (10 баллов), реже — значительная (7— 9 баллов, обычно в начале или конце периода осадков). В некоторых ситуациях непродолжительные (около получаса — часа) обложные осадки могут наблюдаться из слоистых, слоисто-кучевых или высококучевых облаков, при этом степень облачности варьируется от 7 до 10 баллов. В условиях морозной погоды (при температуре воздуха от −10 °C до −15 °C) незначительный снег может идти даже при небольшом количестве облаков или вовсе из ясного неба.

Обложные

Обложной дождь

Дождь — капли воды диаметром от 0,5 до 6—7 мм. Более крупные капли распадаются, поскольку поверхностное натяжение и сопротивление воздуха не позволяют им сохранять устойчивую форму. Скорость падения дождевых капель может составлять от 0,25 до 100 мм/ч. Дождь обычно исходит из кучево-дождевых (Cb) и слоисто-дождевых (Ns) облаков, иногда — из высокослоистых (As).

Ледяной дождь, занимающий промежуточное положение между дождём и градом, выпадает при отрицательной температуре (от 0 до −10 °C). Представляет собой прозрачные ледяные шарики диаметром 1—3 мм с незамерзшей водой внутри. Образуется при температурной инверсии, когда у поверхности земли находится слой холодного воздуха, а над ним — слой тёплого. В тёплом воздухе снег тает, затем в холодном слое переохлаждается и замерзает. На поверхности образуется гололёд.

Снег формируется в виде кристаллов, предстающих как снежинки, ледяные иглы, столбики и пластинки. Основу их структуры составляет шестигранный ледяной кристалл. Во время сильных снегопадов при слабом ветре и относительно высокой температуре воздуха снежинки могут объединяться в хлопья диаметром от 5 до 20 мм. Мокрый снег, смесь снежинок и дождевых капель (или тающих снежинок), возникает при температуре воздуха выше 0 °C.

Моросящие

Отличаются малым уровнем интенсивности и однообразностью, осадки выпадают ровно, без каких-либо изменений силы. Начало и окончание происходят плавно и постепенно. Продолжительность непрерывного периода выпадения составляет несколько часов, в отдельных случаях от одних до двух суток. Выпадают из слоистых облаков или тумана, при этом чаще всего облачность является сплошной (10 баллов) и лишь иногда значительной (7—9 баллов), преимущественно в начале или конце периода осадков. Нередко сопровождаются снижением видимости из-за дымки или тумана.

Морось характеризуется очень мелкими каплями (менее 0,5 мм в диаметре), падающими со скоростью от 0,05 до 0,25 мм/ч. Они практически висят в воздухе и выпадают из слоистых (St) и слоисто-кучевых (Sc) облаков, а также при рассеянии тумана.

Ливневые

Проливной дождь

Ливневые осадки отличаются неожиданным началом и прекращением, а также резкими колебаниями интенсивности. Продолжительность их непрерывного выпадения обычно варьируется от нескольких минут до 1—2 часов, в тропических регионах этот период может достигать суток или двух. Нередко они сопровождаются грозой и кратковременными усилениями ветра, часто в виде шквалов.

Эти осадки выпадают из кучево-дождевых облаков, при этом облачность может быть как плотной (7—10 баллов), так и умеренной (4—6 баллов), иногда даже небольшой (2—3 балла). Ключевой особенностью ливневых осадков является не обязательно высокая интенсивность (они могут быть и слабыми), а сам факт их происхождения из конвективных (чаще всего кучево-дождевых) облаков, что и обуславливает переменчивость их интенсивности.

В условиях жаркой погоды слабый ливневый дождь может образоваться из мощных кучевых облаков, а в редких случаях (очень слабый) — даже из средних кучевых облаков. Во время эксперимента ТРОПЭКС-74 в тропической зоне конвергенции был зафиксирован экстремальный ливень с интенсивностью 2220 мм/ч.

Крупа — это твёрдые осадки в виде матово-белых ядер округлой формы размером от 2 до 15 мм. При ударе о твёрдые предметы они отскакивают, не разрушаясь. Различают снежные зёрна, ледяную и снежную крупу в зависимости от соотношения снежной и ледяной составляющих.

Град — это твёрдые осадки в виде шаров или неправильных форм диаметром от 5 мм до 5,5 см, выпадающие летом из кучево-дождевых облаков (Cb) в тёплое время года. Крупные градины состоят из смёрзшихся мелких. В структуре градины присутствуют матовые и прозрачные слои, так как она образуется при перемещении через облако, заполненное снегом и крупой, а также слои с положительной температурой, где градина тает и затем замерзает в более холодных слоях. Часто выпадению града предшествует сильный ливень. Град может образовывать покров на земле толщиной 20—30 см и наносить ущерб сельскому хозяйству, строениям, животным и людям.

Утренняя роса

Оседающие на поверхности

На поверхности земли и предметах могут образовываться как жидкие (роса), так и твёрдые (иней или изморозь) виды осадков. Их формирование происходит при достижении температуры воздуха точки росы, что приводит к конденсации или сублимации содержащегося в нём водяного пара.

Роса

Влага, осаждающаяся на различных поверхностях, таких как почва, листва, крыши и автомобили, возникает из-за конденсации водяного пара, присутствующего в атмосфере. Это явление наблюдается при плюсовых температурах воздуха и грунта, ясном или слегка облачном небе и при небольшом ветре.

Роса формируется ночью или рано утром и может сопровождаться лёгкой дымкой или туманом. Значительное образование росы способно привести к измеримому количеству влаги (до 0,5 мм за ночь), что проявляется в виде стекающей воды с крыш домов.

Иней на траве

Иней

Формируясь при минусовой температуре, иней представляет собой белые кристаллические отложения, покрывающие землю, траву, объекты окружающей среды, кровли домов, автомобили и снежный покров. Его появление обусловлено процессом сублимации водяного пара, присутствующего в воздухе, при условии низкой температуры поверхности, ясного неба и слабого ветра.

Обычно наблюдается в вечернее, ночное и утреннее время, иногда сопровождается туманом или дымкой. Фактически это аналог росы, образующейся при отрицательных температурах.

Изморозь

Когда воздух достаточно холодный, а именно при температуре от −10 до −15°, и небо ясное или покрыто облаками верхнего и среднего яруса, на деревьях и проводах образуется изморозь. Водяной пар превращается в маленькие, тонкие и блестящие кристаллики льда, образующие пушистые гирлянды. Эти гирлянды легко осыпаются, если их потревожить. Изморозь часто появляется при дымке или тумане, но может образоваться и без них, особенно при слабом ветре или в штиль.

Как правило, изморозь формируется в течение нескольких часов ночью. Днём она постепенно исчезает под лучами солнца. Однако в пасмурную погоду или в тени изморозь может сохраняться на протяжении всего дня.

Значение осадков

Удаление газообразных и аэрозольных загрязнений из атмосферы с помощью осадков — один из ключевых процессов её самоочищения. Снег существенно эффективнее дождя (приблизительно в 3—4 раза) в удалении аэрозольных частиц, однако его способность к поглощению водорастворимых газов во много раз ниже.

Очищая воздушное пространство, осадки переносят абсорбированные вещества на почву, загрязняя её и оказывая негативное воздействие на флору и фауну (как, например, в случае кислотных дождей). Дождевая вода обычно имеет слабокислую среду (pH около 5,6). Согласно данным глобального мониторинга, в районах, удалённых от локальных источников загрязнения, показатель pH дождевой воды составлял 5,1 на Мауна-Лоа (Гавайи); 6,2 в Пятигорске (Россия); 5,4 в Туруханске (Россия) и 3,8 в Велене (Швеция).

Антропогенное воздействие

С середины ХХ века ведутся исследования по разработке методов активного воздействия на облака для увеличения осадков в засушливых районах и предотвращения их выпадения для защиты от града, лавин и селей. Для нарушения коллоидальной устойчивости облаков и вызывания преждевременного выпадения осадков их засевают кристаллизующими и гигроскопическими реагентами (иодидами серебра и свинца, диоксидом углерода, хлоридами натрия и кальция, цементным порошком).

Реагенты вносятся в облака с самолётов, ракет и других средств. Это вызывает лавинообразное укрупнение облачных элементов и выпадение осадков в нужном месте.

Интенсивность выпадения осадков

Средние помесячные осадки на планете

Зональность в выпадении атмосферных осадков обусловлена первичным влиянием распределения облачности и их насыщенности влагой. Незональные факторы также играют роль. К ним относятся направление преобладающих воздушных потоков в тропосфере над сушей и океанами, орографические особенности материков и удалённость внутренних территорий от наветренных берегов. Распределение осадков, особенно на континентах, характеризуется крайней неравномерностью.

Наибольшее количество осадков фиксируется в тропической зоне (более 3000 мм в год), а также во внутритропических зонах конвергенции (ВЗК) в Атлантическом и центральном Тихом океанах, а также в муссонной ВЗК Индийского океана. На континентах в данной зоне выпадение осадков подвержено сезонному влиянию муссонов. Наиболее влажным местом на планете являются южные склоны Гималаев в районе Черапунджи, где среднегодовое количество осадков составляет 13000 мм, а в отдельные годы достигает 22900 мм.

В субтропических широтах, где расположены субтропические антициклоны и пассаты на их периферии, а также над холодными океаническими течениями, осадки незначительны (менее 250 мм в год). По направлению от субтропиков к умеренным широтам количество осадков в целом увеличивается (до 500—1000 мм в год).

В умеренных широтах максимальное количество осадков связано с активностью полярных атмосферных фронтов и прохождением серий внетропических циклонов, а горные хребты усиливают этот эффект (до 5000 мм в год в горах Шотландии). В направлении от умеренных к полярным широтам количество осадков снова уменьшается (до 300 мм в год и менее) из-за низкого содержания влаги в холодном воздухе.

В арктических районах отмечается минимум осадков в зимний период, несмотря на относительно стабильную интенсивность циклонической деятельности в Арктике в течение года. В Антарктиде циклоны редко проникают во внутренние районы на протяжении всего года, там выпадает очень мало осадков в виде ледяных игл. Циклоны циркулируют у побережья, где фиксируется наибольшее количество осадков для этой зоны.