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. Наиболее известны и важны дождь и снег. Однако имеется еще несколько видов осадков, отличающихся от типичных форм дождя и снега.
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 высоко-слоистых), 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. 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. 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. 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.
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. Основная форма снежных кристаллов - шестилучевая звезда. Звезды получаются из шестиугольных пластинок потому, что сублимация водяного пара наиболее быстро происходит на углах пластинок. 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. Снежная крупа имеет снегоподобное строение: крупинки легко сжимаются пальцами. Ядрышки ледяной крупы имеют оледеневшую поверхность.
Из слоистых облаков зимой вместо мороси выпадают еще снежные зерна - маленькие крупинки диаметром менее 1 мм, напоминающие манную крупу.
При низких зимних температурах иногда выпадают из облаков нижнего или среднего яруса ледяные иглы - кристаллы в виде шестиугольных призмочек и пластинок без разветвлений. Из подобных ледяных игол построены и облака верхнего яруса.
Особый характер имеет ледяной дождь в виде прозрачных ледяных шариков от 1 до 3 мм в диаметре. Это замерзшие в воздухе капли дождя. Их выпадение ясно говорит о наличии инверсии температуры. Где-то над земной поверхностью есть слой воздуха с положительной температурой, в котором выпадающие сверху кристаллы растаяли и превратились в капельки, а под ним - слой с отрицательной температурой, где капельки замерзли.
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.
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.
Во-первых, 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.
Но обильные осадки возникнуть путем слияния капель все же не могут. Для их выпадения необходимо, чтобы облака были смешанными, т. е. чтобы в них бок о бок находились переохлажденные капельки и кристаллы. Именно таковы высоко-слоистые, слоисто-дождевые и кучево-дождевые облака. Если переохлажденные капли и кристаллы находятся во взаимном соседстве, условия влажности таковы, что для капелек мы имеем насыщение, а для кристаллов - пересыщение. Но в этом случае, кристаллы будут быстро расти путем сублимации, количество водяного пара в воздухе уменьшится и для капель он станет ненасыщенным. Поэтому одновременно с ростом кристаллов будет происходить испарение капелек, т. е. будет происходить перегонка водяного пара с капелек на кристаллы.
Укрупнившиеся кристаллы начинают выпадать обычно из верхней части облака, где они преимущественно находятся. По пути они продолжают укрупняться путем сублимации, а кроме того, сталкиваются с переохлажденными капельками, примораживают их к себе и еще более увеличиваются в размерах. Капельки, замерзшие при соприкосновении с кристаллами, и обломки кристаллов во много раз увеличивают число частиц, на которых происходит кристаллизация. В нижней части облака или облачного слоя появляются, таким образом, крупные кристаллы. Если в этой нижней части облака температура выше нуля, кристаллы тают, превращаясь в капли, которые и выпадают из облака в виде дождя. Получившиеся при этом капельки с разной скоростью падения могут коагулировать (сливаться) между собой и с другими капельками облака. В других случаях кристаллы тают уже под основанием облака и также выпадает дождь. Наконец, если температура под облаками отрицательна до самой земной поверхности, осадки выпадают в виде снега или крупы. 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.
Выпадение осадков не находится в прямой связи с мощностью и водностью облаков. Конечно, чем больше мощность облаков, тем больше вероятность того, что они достигнут уровня оледенения и что начнутся осадки. Чем больше водность облаков, тем сильнее эти осадки окажутся. Однако облака могут получить сильное развитие, водность их также может быть большой, но если уровень оледенения лежит высоко, осадков все-таки не будет. В степной зоне летом и в тропических широтах часто развиваются мощные кучевые облака, которые, однако, не дают осадков из-за слишком высокого положения уровня оледенения.
Нельзя ли в таких случаях вызвать осадки из облака искусственным путем, как-то нарушив коллоидальное равновесие облака? Эффективнее всего было бы вызвать состояние оледенения в переохлажденном капельножидком облаке. Чаще всего в облаках рассеивают твердую углекислоту с очень низкой температурой, что вызывает замерзание некоторого числа капелек. Возникают те зародышевые ледяные ядра, появление которых приводит к началу выпадения осадков. Дальше процесс развивается уже в виде цепной реакции.
Другой распространенный способ состоит во введении в облака паров йодистого серебра, которые, охлаждаясь, образуют в воздухе ультрамикроскопические кристаллики. При температурах ниже -4° они являются в облаке ядрами кристаллизации: на них растут ледяные кристаллы. Есть и другие химические реагенты, приводящие к замерзанию облачных элементов.
Введение йодистого серебра и других реагентов в кучево-дождевые облака, угрожающие градом, может приводить к быстрому выпадению из облака осадков в виде ливневого дождя или мелкого града и предотвращать образование крупных градин.
Таким же путем можно рассеивать туман у земной поверхности, вводя в него соответствующие реагенты, вызывающие укрупнение и осаждение частиц тумана. Опыты такого рода неоднократно приводили к успешным результатам.
Капли облаков и туманов, как и твердые элементы в них, чаще бывают электрически заряженными, чем нейтральными. Наиболее часто встречаются такие туманы, все капли которых несут заряды одного знака; но примерно в 25% случаев капли заряжены разноименно. Средний заряд капелек в туманах имеет порядок величины от десятков до тысяч элементарных зарядов - (элементарным зарядом называют заряд электрона). К условиям в туманах, по-видимому, близки и условия в мелкокапельных облаках, не дающих осадков.
В кучево-дождевых облаках, содержащих крупные капли, а также и значительные по размерам кристаллы, возникают особенно сильные электрические заряды. О них можно судить по зарядам выпадающих осадков. Капли ливневого дождя несут заряды в 10 миллионов раз больше элементарного заряда. Но наибольшие заряды капель могут быть еще в десятки раз больше этого среднего значения. Твердые элементы облаков и осадков заряжены так же, как капли, или еще сильнее.
Разделение зарядов в кучево-дождевых облаках, т. е. скопление электричества одного знака в одной части облака и другого знака в другой, приводит к огромным значениям напряженности электрического поля атмосферы в облаках и между облаками и землей.
Типичное развитие кучево-дождевых облаков и выпадение из них осадков связано с мощными проявлениями атмосферного электричества, а именно с многократными электрическими разрядами в облаках или между облаком и землей. Такие разряды искрового характера называют молниями, а сопровождающие их звуки - громом. Весь процесс, часто сопровождаемый еще и кратковременными усилениями ветра - шквалами, называется грозой.
По происхождению грозы делятся на те же типы, что и кучево-дождевые облака. Различают внутримассовые и фронтальные грозы.
Внутримассовые грозы наблюдаются двух типов: в холодных воздушных массах, перемещающихся на теплую земную поверхность, и над прогретой сушей летом (местные грозы). В обоих случаях развитие грозы связано с мощным развитием облаков конвекции, а следовательно, с сильной неустойчивостью стратификации атмосферы.
Фронтальные грозы связаны главным образом с холодными фронтами, где теплый воздух вытесняется вверх продвигающимся вперед холодным воздухом. Но летом над сушей они нередко связаны и с теплыми фронтами. Продолжительность грозы в каждом отдельном месте обычно невелика: от минут до нескольких часов. Число молний при сильной грозе измеряется десятками в одну минуту. Как правило, гроза сопровождается ливневыми осадками, иногда градом.
Грозы особенно часты над сушей в тропических широтах: здесь есть районы, где в году 100-150 дней и более с грозами. На океанах в этой зоне гроз гораздо меньше, примерно 10- 30 дней в году.
В субтропических широтах, где преобладает высокое давление, гроз гораздо меньше: над сушей 20-50 дней с грозами в году, над морем 5-20 дней.
В умеренных широтах 10-30 дней с грозами над сушей и 5-10 дней над морем.
В полярных широтах грозы - уже единичное явление.
Это убывание гроз от низких широт к высоким понятно. Для осуществления грозы требуется не только большая неустойчивость стратификации и сильная конвекция, но и большая водность облаков; а водность облаков убывает с широтой вследствие убывания температуры.
Есть подсчеты, по которым на Земном шаре одновременно происходит 1800 гроз, а общее число молний примерно 100 в каждую секунду. В горах грозы наблюдаются чаще, чем на равнинах.
Необходимым условием грозы является возникновение очень больших разностей электрического потенциала в облаках, или между облаками, или между облаками и земной поверхностью. Это возможно при сильной электризации облаков. Облачные элементы по тем или иным причинам получают электрические заряды разного знака, и происходит разделение этих зарядов: заряды одного знака накапливаются в одной части облака, заряды другого знака - в другой. В кучево-дождевых облаках этот процесс настолько интенсивен, что создаются огромные разности потенциалов. При этом напряженность поля, т. е. разность потенциалов на единицу длины, иногда измеряется сотнями тысяч, вольт на каждый метр.
Так как электропроводность воздуха вообще очень мала, то быстро возникающие разности потенциалов не могут выравняться постепенно, путем тока проводимости. Когда напряженность поля достигает некоторого критического значения, разности потенциалов выравниваются посредством искровых разрядов - молний - между разноименно заряженными облаками или частями облаков или между облаком и землей. На пути в несколько километров (а такова обычная длина молнии) разность потенциалов может достигать сотен миллионов вольт, а сила тока в молнии будет порядка десятков тысяч ампер.
Молния состоит из нескольких, иногда многих последовательных разрядов - импульсов - по одному и тому же пути, называемому каналом молнии. Этот канал извилистый и разветвленный, потому что разряды происходят по пути наименьшего электрического сопротивления в атмосфере, а стало быть. Канал молнии виден потому, что воздух в нем раскаляется до ослепительного розово-фиолетового свечения. Температура в канале достигает 25000-30000°.
При разрядах между облаками и землей (а к ним относится примерно 40% молний) к земле переносится преимущественно отрицательное электричество. Причина в том, что в нижней части грозового облака обычно накапливаются отрицательные заряды, а земная поверхность под облаком заряжается при этом положительно путем индукции.
Быстрое и сильное нагревание и, следовательно, быстрое расширение воздуха в канале молнии производит взрывную волну, которая создает звуковой эффект - гром. Так как звук от различных точек пути молнии доходит до наблюдателя неодновременно, а также вследствие отражения звука от облаков и от земли, гром имеет характер длительных раскатов.
Освещение облаков невидимыми молниями при отдаленной грозе (когда не слышен и гром) носит название зарниц.
Шаровая молния. Это светящийся шар диаметром в десятки сантиметров, перемещающийся вместе с ветром или вообще с током воздуха. При соприкосновении с наземными предметами он может взорваться, что сопровождается разрушениями и ожогами. Имеется много гипотетических объяснений шаровой молнии. Возможно, что она возникает в раскаленном воздухе канала обычной молнии и состоит из неустойчивых соединений азота и кислорода, образование которых сопровождается поглощением большого количества тепла. При охлаждении до некоторой критической температуры вещество шаровой молнии мгновенно распадается на азот и кислород с выделением всей поглощенной энергии, что и создает взрыв.
При наличии достаточно больших разностей потенциалов в атмосфере, кроме искровых разрядов, наблюдается истечение электричества с остроконечных предметов, которое иногда сопровождается свечением. Эти тихие (или сопровождающиеся слабым треском) разряды называют огнями Святого Эльма. Объясняются они следующим образом.
Если напряженность поля вообще велика, то над выдающимися и остроконечными предметами она может стать еще значительно большей. Тогда непосредственно возле остриев могут создаваться такие значения напряженности, которые приближаются к критическому. Воздух в непосредственной близости к остриям становится проводящим, и с остриев происходит заметное истечение электричества. При особенно сильной напряженности это истечение становится видимым, как светящиеся нити, кистями расходящиеся от острия вверх.
Кроме конденсации внутри атмосферы, возможна еще конденсация на земной поверхности и на наземных предметах. Водяной пар конденсируется при соприкосновении влажного воздуха с холодными поверхностями, и образующаяся жидкая вода или лед покрывает эти поверхности.
Продукты конденсации этого типа называются наземными гидрометеорами. Они получаются различных видов, смотря по условиям, в которых конденсация происходит.
К жидким продуктам наземной конденсации принадлежат роса и жидкий налет. Твердые наземные гидрометеоры делятся на следующие основные виды: иней, твердый налет, изморозь. Кроме того, различают гололед и обледенение самолетов; последнее уже не у земной поверхности, а в свободной атмосфере. Однако в случае гололеда или обледенения, как правило, происходит не непосредственное выделение льда на поверхностях предметов, а замерзание переохлажденной воды облаков или осадков.
Наиболее распространенным видом наземных гидрометеоров является роса. Росой называются мельчайшие капли воды, выделяющиеся из воздуха на земной поверхности, особенно на траве, а также на горизонтальных поверхностях предметов, вечером и ночью в теплое время года. При этом никакого тумана в нижних слоях воздуха нет; роса возникает на самой поверхности предметов. На листьях с несмачиваемой поверхностью капельки росы сливаются между собой, образуя крупные капли.
Причина выделения росы состоит в том, что поверхность почвы и особенно растительности охлаждается путем ночного излучения до точки росы. Поэтому и воздух, непосредственно соприкасающийся с такой поверхностью, охлаждается. Если температура его падает ниже точки росы, то происходит выделение жидкой воды на поверхности. Понятно, что условием, необходимым для выделения росы, является ясная и тихая погода, при которой ночное излучение особенно велико.
Роса в равнинной местности может дать за год 10-30 мм осадков. Но по оценкам в СНГ можно говорить лишь о немногих миллиметрах за лето.
Жидким налетом называется пленка из водяных капелек, возникающая на холодных, преимущественно вертикальных поверхностях в пасмурную и ветреную погоду. Причина осаждения состоит здесь уже не в ночном излучении, а в адвекции сравнительно теплого и влажного воздуха после холодной погоды. Поверхности, о которых идет речь (стены, заборы, стволы деревьев), охлаждены во время предшествующей холодной погоды. Соприкасаясь с ними, влажный воздух охлаждается, и часть водяного пара, содержащегося в нем, конденсируется.
В отапливаемых жилых помещениях в холодное время года таким образом часто запотевают изнутри оконные стекла.
Инеем называют ледяные кристаллы различной формы, длиной порядка миллиметров, возникающие на траве, почве, на различных горизонтальных поверхностях при тех же условиях, что роса, но только при отрицательных температурах подстилающей поверхности. Водяной пар из воздуха, непосредственно соприкасающегося с холодной поверхностью, сублимируется на ней в виде кристаллов. Иней возникает и на поверхности снежного покрова.
Второй вид твердых гидрометеоров - твердый налет. Он возникает на вертикальных поверхностях, особенно каменных (стены, цоколи зданий), с наветренной стороны при таких же условиях, как жидкий налет, но при температурах ниже нуля. Следовательно, его образование связано с притоком теплого влажного воздуха, часто при тумане, причем температура все же остается отрицательной.
Изморозью называют рыхлые белые кристаллы, нарастающие на ветвях деревьев, на хвое, проводах, проволочных изгородях и других тонких предметах. Эти кристаллы образуют длинные, легко осыпающиеся нити. Изморозь нарастает при значительных морозах и, как правило, при тумане. Переохлажденные капельки тумана, замерзшие при соприкосновении с предметами, дают начало дальнейшему образованию кристаллов. Нарастание изморози происходит преимущественно с наветренной стороны предметов. Достаточно сильный ветер легко сдувает возникшую изморозь. Осаждение изморози может быть очень значительным, в особенности в горных лесах.
В повседневной речи и в художественной литературе часто называют изморозь инеем. Между тем эти два явления имеют различные условия образования и различную форму.
Особенно важное практическое значение имеет образование ледяного налета на земной поверхности и на предметах в результате выпадения мороси или дождя и при осаждении обильного тумана. Это явление называется гололедом. Гололед, таким образом, не выделяется из воздуха путем непосредственной сублимации на наземных предметах, как рассмотренные выше виды твердых гидрометеоров. Для его образования необходимо выпадение переохлажденных капелек, возникших в атмосфере.
Гололед возникает при не слишком низких отрицательных температурах (от 0 до -10 - -15°). Осадки при этом выпадают в виде переохлажденных капелек, но при соприкосновении с земной поверхностью или предметами замерзают, покрывая их ледяным слоем. Различают гололед прозрачный и мутный (матовый). Последний возникает при более мелких капельках (мороси) и при более низких температурах. Корка намерзшего льда может достигать в толщину нескольких сантиметров и вызывать поломку сучьев и обрыв проводов; телеграфные столбы могут падать под тяжестью льда, осевшего на проводах. Гололед обилен в горах в морском климате.
Измерение осадков на метеорологических станциях производится простыми приборами - дождемерами (осадкомерами). Они собирают осадки, выпадающие на верхнюю, открытую поверхность сосуда 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.
Для характеристики климата подсчитывают многолетние средние количества (суммы) осадков по месяцам и за год. Иногда подсчитывают осадки по десятидневкам или пятидневкам. Для выяснения суточного хода осадков определяют их средние часовые суммы по записям самописцев. По многолетним средним месячным суммам осадков определяют их годовой ход.
В дополнение к средним суммам осадков подсчитывают еще среднее число дней с осадками за месяц и за год, среднюю месячную и годовую продолжительность осадков в часах, общую или в течение дня с осадками. Вычисляют и вероятность осадков, т. е. отношение числа часов с осадками к общему числу часов в месяце или в году.
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.
Для определения суточного хода количества осадков выражают осадки, выпавшие за определенный часовой интервал суток, в процентах от общего суточного количества.
Суточный ход осадков очень сложен, и даже в многолетних средних величинах в нем нередко не обнаруживается ясной закономерности.
На суше различают два основных типа суточного хода осадков- континентальный и береговой.
В континентальном типе главный максимум осадков приходится после полудня и слабый вторичный максимум - рано утром. Главный минимум приходится после полуночи, вторичный минимум - перед полуднем. Главный максимум связан с дневным возрастанием конвекции, вторичный - с ночным образованием слоистых облаков.
В береговом типе единственный максимум осадков приходится на ночь и утро, а минимум - на послеполуденные часы.
Годовой ход осадков зависит как от общей циркуляции атмосферы, так и от местной физико-географической обстановки. Ниже мы укажем основные его типы, не покрывающие всех возможных вариантов.
1. Экваториальный тип. Вблизи экватора в году имеются два дождливых сезона, разделенные сравнительно сухими сезонами. Главный минимум приходится на лето северного полушария, когда внутритропическая зона конвергенции наиболее удалена от экватора.
2. Тропический тип. По мере приближения к внешним границам тропического пояса два максимума в годовом ходе температуры сливаются в один - летний. Вместе с этим и два дождливых периода объединяются в один летний дождливый период при наивысшем стоянии солнца.
3. Тип тропических муссонов. В тех районах тропиков, где хорошо выражена муссонная циркуляция (например, Индия, юго-восточный Китай, район Гвинейского залива, северная Австралия), годовой ход осадков такой же, как в типе 2, с максимумом летом и минимумом зимой, но с большей амплитудой.
4. Средиземноморский тип. На островах и в западных частях материков субтропических широт также наблюдается различие, иногда очень резкое, между влажным и сухим сезонами. Максимум осадков приходится, однако, не на лето, а на зиму или осень.
5. Внутриматериковый тип умеренных широт. Внутри материков в умеренных широтах максимум осадков приходится на лето, а минимум - на зиму, при преобладании антициклонов.
6. Морской тип умеренных широт. В западных частях материков умеренных широт циклоны чаще бывают зимою, чем летом. Поэтому там преобладают зимние осадки или распределение осадков в течение года достаточно равномерное.
7. Муссонный тип умеренных широт. В муссонных районах умеренных широт, преимущественно на востоке материка Азии, максимум осадков приходится на лето, как и внутри материка, а минимум - на зиму. Но годовой ход в муссонных районах еще более резкий: амплитуда больше, чем во внутриматериковых районах.
8. Полярный тип. Годовой ход этого типа над материками характеризуется летним максимумом осадков, так как летом влагосодержание воздуха выше, чем зимой, а интенсивность циклонической деятельности не очень сильно меняется в течение года.
Изменчивость месячных и годовых сумм осадков весьма значительна, особенно в условиях континентального климата. Изменчивость месячных сумм больше, чем годовых.
В большей части Евразии и Северной Америки изменчивость годовых сумм осадков (т. е. среднее их отклонение от нормы в процентах) 10-20%; на севере обоих материков она больше, до 20-30%, в пустынях еще больше - выше 30°.
В степной зоне СНГ годовая изменчивость осадков больше, чем в более северных районах; в летние месяцы изменчивость здесь особенно велика, как указано выше. Большая изменчивость осадков в степной зоне при весьма ограниченном среднем их количестве приводит к тому, что в некоторые годы осадков не хватает и возникают засухи. Это зона неустойчивого увлажнения. Случалось, что в степной зоне число дней подряд без дождя в большом районе составляло 60-70. При длительном отсутствии дождей летом и при высоких температурах запасы влаги в почве иссякают вследствие испарения. Создаются неблагоприятные условия для нормального развития растений, а урожай полевых культур снижается или гибнет.
Остановимся еще на некоторых климатических характеристиках режима осадков.
Число дней с осадками за месяц или за год наряду с суммами осадков является существенным климатическим элементом. Для растительности небезразлично, выпало ли то или иное количество осадков в течение всего нескольких дней месяца или же осадки выпадали часто и распределялись сравнительно равномерно от начала до конца месяца. В степной зоне летом даже значительный ливень мало может улучшить засушливое положение, если он оказывается единственным.
На Европейской территории России число дней с осадками в году 200-220 на севере, 180-190 на западе и 120-140 на востоке средней полосы, 120-140 на Черноморском побережье Кавказа, 50-60 в Прикаспийской низменности.
Годовая продолжительность осадков в часах на Европейской территории России от 1200-1500 часов на севере до 600- 900 часов на юге.
В качестве климатической характеристики интенсивности осадков применяют плотность осадков. Она вычисляется как среднее количество осадков, выпавшее в день с осадками.
Отдельные дожди могут иметь значительно большую интенсивность. При этом наибольшую интенсивность имеют короткие ливневые дожди. В Европе при продолжительности дождя 1-5 минут наибольшая его интенсивность 3-4 мм в минуту и при 2-3 часовом дожде - только 0,5 мм в минуту. Был, однако, случай, когда в Словакии выпало 228 мм за 65 минут, т. е. со средней интенсивностью 3,5 мм в минуту. Рекордным в мировом масштабе был ливень в штате Айова в июле 1955 г., когда за 1 мин. 24 сек. интенсивность была 17,5 мм в минуту.
Суточные максимумы осадков могут достигать в Средней Европе 350 мм, на юго-западе Европейской России 210 мм, в центре ее 120 мм. Наибольшие суточные максимумы в тропиках превышают 1000 мм (Филиппины).
В высоких широтах даже при большой облачности выпадает немного осадков, потому что влажность воздуха, а стало быть, и водность облаков там малы. В более низких широтах водность облаков больше. Но если они при этом также не достигают уровня оледенения, осадков из них выпадает немного.
Внутри тропиков, влагосодержание воздуха велико и может развиваться сильная конвекция. Поэтому количества осадков здесь вообще значительны, в среднем 1000 мм в год и более. На суше они больше, в открытом море меньше.
Особенно богаты осадками Средняя Америка, бассейн Амазонки, берега Гвинейского залива, острова Индонезии. На некоторых станциях Средней Америки выпадает до 5000-6500 мм в год, в Колумбии - до 7000 мм и более, в Западной Африке - до 4000-5000 мм, а в Дебундже, на юго-западном склоне пика Камерун, - даже свыше 9000 мм.
В Индии же, в предгорьях Гималаев на высоте около 1300 м находится самый дождливый район Земного шара - Черрапунджи. Здесь выпадает в среднем более 11 000 мм в год. Наибольшая годовая сумма осадков в Черрапунджи была почти 23000 мм, наименьшая - свыше 7000 мм. Главной причиной выпадения таких обильных осадков является подъем воздуха летнего юго-западного муссона по крутым склонам местности.
В субтропиках обоих полушарий, в областях высокого атмосферного давления, облачность мала и осадки резко убывают. В пустынях этой зоны среднее годовое количество осадков меньше 250 мм, а во многих местах меньше 100 мм. Есть и такие места, как, например Асуан, где годовые суммы осадков равны нулю или нескольким миллиметрам.
От субтропиков к умеренным широтам осадки вообще увеличиваются. В умеренных широтах хорошо развита циклоническая деятельность, облачность достаточно велика, облака обладают значительной мощностью и часто достигают уровня оледенения.
Очевидно влияние горных хребтов на осадки в умеренных широтах. На наветренных склонах в горах как фронтальные, так и конвективные осадки вообще возрастают вследствие усиления вертикальных движений при вынужденном восхождении воздуха по склонам.
Наибольшие осадки в Европе выпадают на горных станциях в Шотландии и Уэлсе - 4000-5000 мм; на горных станциях Адриатического побережья Югославии - 3500-5000 мм. В России наибольшие осадки - более 3000 мм в год - выпадают на обращенных к Черному морю склонах Кавказских гор.
От умеренных широт к высоким осадки снова убывают вследствие уменьшения влагосодержания атмосферы, а с ним и водности облаков, а в Антарктике также вследствие малой облачности над материком. В зоне тундры выпадает в общем менее 300 мм в год.
Количество выпадающих осадков само по себе еще не определяет условий увлажнения почвы. Примерно одинаковые суммы осадков выпадают и в полупустыне Прикаспийской низменности, и в тундре. Но в первом случае недостаток увлажнения приводит к типичной ксерофильной растительности, а во втором случае создается избыточное увлажнение и заболачивание.
Стало быть, для оценки условий увлажнения нужно учитывать не только выпадающие осадки, но и возможность их испарения.
Естественно характеризовать условия увлажнения за год, за месяц или за сезон отношением суммы осадков r к испаряемости E за тот же период. Такое отношение называют коэффициентом увлажнения.
При устойчивых отрицательных температурах воздуха снег, выпавший на земную поверхность, остается лежать на ней в виде снежного покрова. В высоких полярных широтах (Антарктида, Гренландия, Арктический бассейн) снежный покров сохраняется круглый год. В умеренных и тропических широтах снег удерживается круглый год только на больших высотах в горах.
В таянии снежного покрова основную роль играет адвекция теплых воздушных масс с температурой выше нуля. Нагревание снега солнечной радиацией имеет второстепенное значение вследствие большого альбедо снега. Но загрязненный снег, например в городах, нагревается солнечными лучами больше и тает быстрее, чем чистый.
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; 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.
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.
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.
Метелью называют атмосферное явление, состоящее в переносе снега более или менее сильным ветром. Различают такие типы метелей.
Низовая метель, при которой снег поднимается ветром с поверхности снежного покрова. В случае если перенос снега ветром ограничивается самым нижним слоем атмосферы, непосредственно над снежным покровом (несколько сантиметров или дециметров), явление называют поземкам.
Общая метель, когда при достаточно сильном ветре происходит выпадение снега и практически нельзя различить, в какой мере ветер переносит выпадающий снег и в какой мере снег срывается ветром с поверхности снежного покрова.
Метели могут приводить к перераспределению снежного покрова в горизонтальном направлении, к накапливанию сугробов снега у препятствий, к снежным заносам на дорогах и пр.
Для низовой метели, помимо скорости ветра, важно состояние снежного покрова. Если температуры близки к нулю и снежный покров слежавшийся и влажный, срыв снега ветром с поверхности покрова затруднен или невозможен. Особенно неблагоприятно для развития метели образование наста на поверхности снежного покрова. Таким образом, низовая метель наиболее вероятна при свежевыпавшем снеге и при достаточно низких температурах воздуха.