В том, что касается воды, Земля является уникальной планетой нашей Солнечной системы. Большая часть воды на Земле сосредоточена в океанах, покрывающих более 70% ее поверхности. Объем воды, находящейся в атмосфере главным образом в виде паров, составляет около 13∙1015 литров. Но это составляет лишь 0,001% всех водных запасов Земли. Еще 0,627% составляют воды озер, рек и подземные воды.
| Резервуар | Количество воды, км3 | Доля от общего, % |
| Океаны | 1 321 000 000 | 97,219 |
| Ледники | 29 150 000 | 2,145 |
| Реки, озера, почва | 8517000 | 0,627 |
| Соленые озера и внутренние моря | 102 200 | 0,008 |
| Атмосфера | 12 870 | 0,001 |
| Всего | 1 358 782 070 | 100,000 |
Эти цифры показывают, что, хотя общее количество воды на Земле огромно, лишь малая ее доля доступна для использования человеком в сельском хозяйстве, в индустрии, для коммунальных целей. Рано или поздно наступит необходимость приступить к использованию неограниченных запасов морской воды, но в настоящее время стоимость опреснения еще слишком велика по сравнению с ценой природной пресной воды.
Хотя атмосферная влага составляет лишь малую долю общих запасов воды, ее значение для жизни каждого огромно. Пары воды превращаются в дождь и снег, дающие живительную влагу для полей, заполняющие водохранилища, насыщающие подземные резервуары — водоносные горизонты песка или гравия. Атмосферные осадки питают ручьи и реки, снабжающие водой города и поселки, вращающие турбины гидроэлектростанций. Капли дождя и снежинки, составляющие атмосферные осадки, являются конечными продуктами целой серии процессов, начинающейся с образования облаков.
Облака
Облаком мы называем различимое глазом скопление мелких водных капель или ледяных кристаллов. В 1 см3 облака содержится около 200 капель, при этом размеры их колеблются от микроскопических до 0,05 мм в диаметре. Капли образуются в результате конденсации водяных паров на поверхности мельчайших частиц, называемых ядрами конденсации. Эти ядра представлены главным образом сульфатными частицами, возникающими в результате химических реакций в атмосфере, или крупинками морской соли, остающимися после высыхания в воздухе брызг морской воды. Конденсация начинается, когда влажность воздуха достигает насыщения. Если концентрация водяных паров в воздухе остается постоянной, относительная влажность растет с понижением температуры. По этой причине облака возникают главным образом в результате охлаждения.
Ночами при безоблачном небе, когда воздух у земли достаточно влажен, потери тепла за счет радиационного выхолаживания приводят к повышению относительной влажности вплоть до начала конденсации, проявляющейся в образовании росы на любых холодных предметах, например на листве. Снижение температуры воздуха в самых нижних слоях атмосферы иногда может быть достаточным для начала роста капель на ядрах конденсации. Возникающее в этих условиях облако мы называем туманом. Такие радиационные туманы появляются прежде всего в низинных местах, где скапливается наиболее холодный, а значит, и самый тяжелый воздух. Иногда туманы переходят в мелкий моросящий дождь, но за исключением мест, где капли влаги захватываются деревьями, как правило, лишь малая доля влаги туманов оседает на землю.
Большая часть облаков, особенно те, которые вызывают дождь и снег, возникает из-за подъема воздуха. По мере подъема давление воздуха падает все больше и больше, а его объем увеличивается. Поскольку на расширение воздуха должна затрачиваться энергия, этот процесс ведет к снижению температуры. Скорость падения температуры с высотой, называемая сухоадиабатическим вертикальным градиентом температуры, практически постоянна и составляет примерно 1°С на 100 м высоты.
По мере снижения температуры поднимающегося воздуха его относительная влажность растет, и чем выше начальная влажность воздуха, тем меньшая высота требуется для начала конденсации и образования облака. Другими словами, чем выше влажность воздуха у земли, тем ниже основание облака. По этой причине летние облака во Флориде, характеризующиеся высокой влажностью, имеют высоту нижней кромки около 600 м, в то время как в Аризоне, где воздух суше,-в пять раз выше.
С началом образования облака поднимающийся воздух начинает получать дополнительное тепло, выделяющееся при самом процессе конденсации. Как было показано во второй главе, испарение требует затрат тепла и ведет к охлаждению. В обратном процессе — конденсации — тепло выделяется, что ведет к нагреву. В поднимающемся воздухе этого тепла достаточно, чтобы снизить скорость падения температуры от 1°С/100 м до более низких значений, зависящих от температуры, но в среднем составляющих 0,6°С/100 м для нижних слоев атмосферы.
Поднимающийся воздух охлаждается со скоростью 1°С на каждые 100 м высоты до тех пор, пока не начнется конденсация. Дальнейший подъем сопровождается падением температуры со скоростью примерно 0,6°С на 100 м высоты
По мере дальнейшего подъема мельчайшие капли быстро принимают температуру окружающего воздуха. Часто растущее облако распространяется выше слоя с температурой 0°С, т. е. слоя, где обычно происходит замерзание воды. Иногда водные капли в таком облаке замерзают и оно состоит из мельчайших кристаллов льда. Однако чаще всего капли воды не замерзают даже при очень низких температурах. Такие капли называются переохлажденными. Когда вода в каплях совершенно чистая и отсутствуют частицы, которые могли бы служить центрами кристаллизации льда, капли воды могут сохраняться в переохлажденном состоянии вплоть до — 40°С. Но реально капли в атмосфере редко переохлаждаются ниже — 20°С. Воздух обычно содержит большое количество ядер, вокруг которых начинается кристаллизация льда в температурном диапазоне от —10° до — 15°С. Большая часть льдообразующих ядер состоит из определенного типа почвенных частиц, часто из частиц каолина и монтмориллонита.
Любой из нас знает, сколь разнообразны типы облаков. Облака отличаются друг от друга формой, высотой, толщиной, структурой, цветом, оптическими эффектами. Форма и высота облака зависят в существенной степени от способа их образования и главным образом от распределения вертикальных потоков. В настоящее время Всемирной метеорологической организацией почти без изменений принята классификация облаков, разработанная англичанином Люком Гавардом, который в 1804 г. дал определения четырем основным типам облаков: стратусы (слоистые), куму люсы (кучевые), цирусы (перистые) и нимбусы (дождевые). Стройность предложенной классификации вдохновила выдающегося немецкого поэта Гете на создание стихотворения «Славной памяти Гаварда» с четырьмя строфами, посвященными названиям облаков, предложенным Гавардом. Обычно метеорологи не считают нимбусы отдельным типом облаков, но тем не менее используют это слово как приставку или суффикс для обозначения облаков, генерирующих дождь или снег.
Когда создаются условия, способствующие образованию тумана, но ветер достаточно свеж, слой облачных капель может сформироваться на некоторой высоте, порядка десятков-сотен метров. В результате землю покрывает сплошная серая пелена облаков, называемых слоистыми облаками нижнего яруса (стратусами). Временами создается ситуация, когда дождь, падающий из вышележащего теплого слоя, увлажняет воздух в нижнем холодном слое настолько, что вызывает образование клочковатых, рваных облаков, тоже относящихся к слоистым. Наступление теплого фронта, связанное с медленным растеканием теплого воздуха над холодным, также приводит к возникновению протяженных облачных систем на различных высотах. Подобные условия временами создаются и в циклонах, когда над обширной областью поперечником в несколько сотен километров происходит медленный-менее 30 см/с-подъем воздушных масс. При этом на больших высотах могут возникнуть перистослоистые облака (цирростратусы), образованные кристаллами льда. Высокослоистые облака (альтосгратусы) представляют собой однородный облачный слой в среднем ярусе атмосферы. Они не приводят к выпадению осадков. Образующие дождь или снег слоистые облака называются слои сто-дож левыми (нимбостратусами).
Для больших высот характерны перистые облака (цирусы), образованные из-за низких температур исключительно кристаллами льда. Они появляются в виде похожих на перья полос. Некоторые из них имеют форму ярких лоскутов с шелковистой бахромой. Образование перистых облаков связано с волнообразными движениями на больших высотах, приводящими к периодическому возникновению восходящих потоков, достаточно интенсивных для начала конденсации и образования кристалликов льда. Сталкиваясь друг с другом и слипаясь, кристаллики превращаются в снежинки, которые опускаются и покидают слой, где образовались. Опускаются снежинки по изогнутым траекториям, форма которых зависит от скорости падения и горизонтального ветра. По мере опускания снежинки испаряются и в конечном итоге исчезают совсем.
Кучевые облака (кумулюсы) напоминают соборы или башни и обладают ярковыраженной вертикальной протяженностью. Их верхушки, белоснежные в лучах солнца, часто похожи на кочаны цветной капусты. Кучевые облака проходят несколько стадий развития и в итоге превращаются в кумулонимбусы, как правило, несущие грозу.
Кучевые облака часто называют конвективными облаками, поскольку они образуются в результате конвекции-процесса теплового переноса нагретого легкого воздуха вверх с одновременным опусканием тяжелого и холодного вниз. Когда температура в нижних слоях особенно высока по сравнению с температурой наверху, а скорость падения температуры с высотой превышает значение сухоадиабатического вертикального градиента, атмосфера нестабильна и предрасположена к развитию конвекции. Это означает, что, если какой-либо объем воздуха приобретает начальный направленный вверх импульс, например при подходе холодного фронта, он продолжает свое восходящее движение. Чем выше вертикальный градиент температуры по сравнению с сухоадиабатическим, тем выше скорость восходящих потоков. В грозах восходящие потоки часто имеют скорость выше 40 км/ч, а в отдельных случаях свыше 100 км/ч. По мере развития грозы возникают нисходящие потоки, скорость которых на кульминационном этапе грозы превышает 80 км/ч.
Удивительный рассказ о внутренних свойствах мощной грозы поведал подполковник Вильям Рэмкин, который 26 июля 1959 г. катапультировался из поврежденного самолета прямо в грозовую тучу на высоте 14 км. В затяжном прыжке он пролетел 3 км, после чего его парашют раскрылся. В нормальных условиях дальнейший спуск на парашюте занял бы у него не более 10 минут. Однако летчик был подхвачен серией восходящих и нисходящих потоков и его в течение 40(!) минут носило внутри грозовой тучи, где поливало дождем и било градом, ослепляло молниями и оглушало громом.
Над гористой местностью мощные восходящие потоки присущи и относительно небольшим облакам. Это случается, когда над гребнем горы дует сильный ветер и на подветренной стороне возникают волновые завихрения. Если воздух достаточно влажен, на верхушках этих волн образуются облака самых различных форм. Иногда они похожи на стопку блинов или на прекрасные трехмерные фигуры. Это высококучевые облака (альтокумулюсы). Их название указывает на то, что они характерны для среднего яруса атмосферы и напоминают по форме кучевые облака. Если кучевые облака занимают нижний ярус атмосферы, они называются слоисто-кучевыми (стратокумулюсами).
В дополнение к перечисленным существует масса других типов и конфигураций облаков. Здесь мы более подробно остановились лишь на тех, которые наиболее вероятно увидеть, если мы посмотрим на небо.
Дождь и снег
Прежде чем оросить поля, напоить города и привести в движение турбины электростанций, сконденсированная в облаках влага должна выпасть на землю в виде осадков. Это случается, когда капельки воды или частички льда становятся достаточно большими, с тем чтобы успеть преодолеть свой путь на землю до полного высыхания. Как и следует ожидать, чем выше находится основание облака и чем ниже относительная влажность, тем крупнее должна быть капля, чтобы иметь шанс достичь земли. Как правило, капельки воды диаметром менее 1/4 мм не достигают земной поверхности. Обычные дождевые капли имеют диаметр около 1 мм и очень редко превышают 5 мм, поскольку крупные капли при падении имеют тенденцию дробиться на более мелкие. Диаметр капли составляет примерно 1/6 диаметра того пятна, которое она оставляет, падая на асфальт.
Сама по себе конденсация не может объяснить явление дождя и снега. Этот процесс несет ответственность за формирование облачных элементов, но, за исключением крайне необычных условий, капли, достаточно крупные для начала падения, при конденсации не образуются. Дождевая капля диаметром 2,5 мм содержит в миллион раз больше воды, чем облачная капелька диаметром 0,025 мм. Для объяснения роста капель в дополнение к конденсации необходимо вовлечь в рассмотрение другие процессы. Два из них играют важную роль в росте дождевых капель.
Во многих облаках, особенно над более теплыми районами земли, дождь образуется за счет соударения и слипания облачных капелек. Размер облачных капелек, возникающих при конденсации, может варьировать от 0,005 до 0,05 мм в диаметре. Более крупные капельки опускаются быстрее, чем мелкие, и при падении их захватывают. По мере развития этого процесса более крупные капельки растут и достигают размеров дождевых капель.
Другой процесс, также ведущий к выпадению осадков, требует сосуществования в переохлажденных облаках как жидких капель, так и кристаллов льда. Из-за разницы в физических свойствах воды и льда водяные капли в таких условиях будут испаряться, а ледяные кристаллы расти. Этот процесс действует в условиях переохлаждения всегда, но наиболее интенсивно идет при температуре около — 25°С. Образующиеся ледяные кристаллы имеют форму игл, пластинок или звезд. Форма главным образом зависит от температуры роста кристаллов. По мере увеличения массы кристаллы начинают опускаться внутрь облака, сталкиваются с капельками переохлажденной воды, которые смерзаются с ними, слипаются с другими кристаллами. В результате выпадают осадки в виде снега.
Если воздух под облаком имеет температуру ниже 0°С, снежинки могут достичь земли. Но если снежинки попадают в слой теплого воздуха, они тают и превращаются в дождевые капли. В горных районах можно часто наблюдать, как в долинах идет дождь, а склоны гор покрываются снегом.
Одним из наиболее опасных видов осадков является переохлажденный дождь. Обычно это явление наблюдается в условиях наступления теплого фронта в холодные времена года. События развиваются следующим образом. Сначала в слоистых облаках над теплым фронтом образуются снежинки. Попадая в воздух теплого фронта под облаком, они тают. Образовавшиеся дождевые капли попадают затем в нижний слой холодного воздуха. Если температура внизу лишь незначительно ниже 0°С, капли могут достичь земли, не замерзнув. Однако, попадая на холодные предметы, такие, как провода, ветки деревьев, мостовые, капли замерзают, образуя предательскую гладкую корочку льда, известную как гололед или ожеледь.
Если воздух под фронтом очень холодный, падающие капли могут замерзнуть и превратиться в ледяные шарики диаметром обычно менее 5 мм. Замерзшие осадки иногда имеют форму белых, непрозрачных частиц менее 5 мм диаметром. Это так называемая снежная крупа, которая в отличие от ледяных шариков легко крошится.
Кусочки льда диаметром более 5 мм называются градом. В отдельных случаях они могут достичь размера апельсина. Самый крупный град, когда-либо наблюдавшийся в США, выпал 3 сентября 1970 г. в районе Кофивилла, шт. Канзас. Градины имели длину окружности 45 см и весили более 750 г.
Хорошо, когда вода, содержащаяся в граде, выпадает на невозделанную почву. Однако если град падает на сельскохозяйственные угодья, то, как отмечалось в гл. 3, ущерб может быть весьма высоким. Так что специалисты сельского хозяйства предпочитают получать воду с небес в жидком виде.
Наводнения
Мы не можем жить без дождя, но иногда его выпадает так много, что он становится угрозой для нашей жизни. Выпадение большого количества осадков в вице дождя за короткий промежуток времени приводит к наводнениям. В Соединенных Штатах ежегодный ущерб от наводнений оценивается в 2 млрд, долларов, при этом ожидается, что в последующие годы величина ущерба будет расти, поскольку все больше зданий и различных сооружений строится в зонах, подверженных наводнениям. Национальный совет по водным ресурсам предполагает, что к 2000 году средний ущерб достигнет 3,5 млрд, долларов, несмотря на совершенствование в управлении затопляемыми районами.
Наводнения являются обычными событиями в истории человечества, они всегда были и, по всей вероятности, всегда будут. В будущем мы возможно научимся лучше контролировать количество выпадающих осадков, но никогда не сможем предотвратить наступление наводнения. Таким образом, мы должны, с одной стороны, приспособиться к ним, сведя до минимума потери материальных ценностей и жизни людей, а с другой — научиться извлекать максимальную выгоду от использования воды на социальные нужды.
Наводнения можно подразделить на два типа. Наводнения первого типа происходят при более или менее продолжительных осадках, выпадающих на территорию крупного региона. Обычно это приводит к крупным наводнениям, охватывающим площади в тысячи квадратных километров и продолжающимся иногда неделями. Наводнения второго типа развиваются мгновенно в результате выпадения очень интенсивного дождя за короткий промежуток времени. Обычно они длятся не более нескольких часов. Этот тип наводнений особенно опасен, поскольку проявляется иногда в виде несущейся в узкой долине или каньоне стены воды, приход которой заранее предсказать невозможно. Самые обширные наводнения в Соединенных Штатах случаются обычно весной в бассейнах крупнейших рек Среднего Запада. Сюда входят долины таких рек, как Миссисипи, с ее притоками — Огайо и Миссури. Наступлению таких крупных наводнений предшествует повторяющаяся из века в век цепь событий. В течение холодной, с обильными осадками зимы земля в штатах Среднего Запада и Великих равнин покрывается толстым слоем снега. Если температура держится достаточно низкой, почва под снегом промерзает, снега больше накапливается, чем тает. Весной циклон несет на север теплые, влажные массы тропического воздуха и вызывает обильные осадки на громадных площадях. Дождь добавляется к тающему снегу, и колоссальные массы воды устремляются в долины. Почва не успевает оттаять и впитать сколь-либо заметное количество воды.
Даже если на почве нет снега, циклоны, которые движутся медленно или вообще застревают на месте на несколько дней, могут вызвать наводнения в любом месте. Осадки, продолжающиеся день или два, практически полностью насыщают почву водой. Если дождь продолжается, излишки воды начинают скапливаться на поверхности и стекать в долины. Когда объем поступающей воды превышает пропускную способность ручьев и рек, вода выходит из берегов, затопляя поля и жилища. В отдельных случаях могут пройти недели, прежде чем вода схлынет, реки войдут в берега, а люди вернутся в свои дома. Наводнения, вызванные приходом циклонов, развиваются медленно. Люди успевают покинуть опасные районы еще до того, как вода достигнет опасного для жизни уровня. Но если вода вышла из берегов, прорвала дамбы, спасти или защитить имущество и материальные ценности, как правило, не удается.
В противоположность медленным наводнениям бурные наводнения развиваются столь стремительно, что во многих случаях людей смывает стремительными потоками воды. Эти наводнения уносят больше человеческих жизней, чем все другие, связанные с водой, стихийные бедствия. В настоящее время в Соединенных Штатах ежегодно гибнет около 200 человек, и это в два раза больше, чем регистрировалось в 60-х годах. Бурно развивающиеся наводнения вызываются такими погодными явлениями, как грозы и ураганы. Последние годы изобилуют весьма показательными примерами наводнений такого рода. Например, в июле 1976 г. мощная гроза обрушила на западную часть Большого каньона Томпсона 300 мм осадков менее чем за 6 часов. Несущаяся вниз по каньону волна наводнения унесла жизни 139 человек. Упоминавшийся ранее ураган «Агнес» вызвал выпадение чрезвычайно интенсивных осадков на территориях пяти прибрежных штатов. В Харрисбурге, шт. Пенсильвания, было зафиксировано выпадение более 330 мм дождя за сутки с 21 по 22 июня 1972 года. В результате урагана территории пяти штатов были затоплены, погибло 120 человек.
Для предотвращения человеческих жертв и снижения экономического ущерба требуется разработка всесторонних программ управления затопляемыми территориями. В прошлом основное внимание уделялось регулированию и предотвращению наводнений-сооружению плотин, дамб и других подобных сооружений. В последние годы наряду с планированием использования земель основное внимание уделяется разработке комплекса процедур, направленных на улучшение прогноза наводнений и оповещения населения. Были разработаны специальные приборы для раннего оповещения о выпадении интенсивных осадков в районах, где риск наводнений особенно высок. Изучение риска наводнений привело к определению зон, где строительство зданий должно быть ограничено из-за высокой вероятности наводнений. На федеральном уровне разработаны страховые программы для оказания помощи лицам, пострадавшим от наводнений. Совершенно ясно, что для снижения риска наводнений и предотвращения потерь требуются оценки соответствующих факторов и разработка всесторонних процедур управления.
Засухи
Термин «засуха» в энциклопедиях определяется как «длительный период сухой погоды». Возникает вопрос, а насколько длительный период и насколько сухой погоды? Вот тут-то и окажется, что всеобъемлющий ответ дать невозможно-легче определить засуху по ее последствиям. Если увяла пшеница в полях от недостатка воды — это засуха. Если у пересохших колодцев страдает крупный рогатый скот-это засуха. Если в большом городе перестали поливать газоны и пользоваться кондиционерами воздуха, значит засуха поразила эту область. Любая ситуация, когда флора и фауна страдают от нехватки дождя, означает наступление засухи. Таким образом, критерии наличия засухи скорее биологические, чем метеорологические.
Метеорологи пытались дать определение засухи, основанное на выпадении дождя, но из-за сложности и разнообразия погодных связей, влажности почвы, состояния растений и животных, ни одну из попыток нельзя признать удачной. Очевидно, однако, что чем меньше выпало дождя по сравнению со средними многолетними значениями, тем выше вероятность засухи.
Каждый год те или иные районы США страдают от засухи. Это приводит к ежегодным потерям только пшеницы и кукурузы в количествах, превышающих 160 и 800 миллионов пудов соответственно. В период жестоких засух, поразивших обширные районы в 1934-1937 и 1952-1956 годах, эти потери были существенно выше по сравнению с обычными среднегодовыми значениями.
Если в таких районах, как северо-восток США, выпадает за год 500 мм, такой год можно считать засушливым. С другой стороны, в южной Аризоне такое же количество дождя выпадает в редкие по обилию осадков годы. Вызванный засухами ущерб зависит не только от количества выпадающего дождя, но и от состояния растений и свойств почвы. Следовательно, даже в одном и том же районе длительное отсутствие дождя может погубить одни растительные сообщества, не причинив вреда другим.
Продолжительные засушливые периоды на северо-востоке США в начале и в середине 60-х годов заставили население этой части страны как никогда осознать всю важность дождя и снега. Но в мире еще достаточно широко распространено представление о пресной воде как о продукте неистощимом и ничего не стоящем. В большинстве районов США практически нет ограничений на потребление воды. Неотъемлемым правом каждого гражданина является возможность принять ежедневный душ. Столь же естественной является привилегия каждого полить газоны, помыть машину, наполнить водой свой бассейн, закрыть или не закрыть водопроводный кран. Раньше, когда количество пользующихся системами водоснабжения было относительно мало, а атмосфера регулярно пополняла источники, доступность дешевой воды считалась сама собой разумеющейся. Когда природа на четверть или на половину урезала поставки, а потребление продолжалось с прежним расточительством, возникли вдруг весьма сложные проблемы. Реки обмелели, водоемы пересохли. У побережий по мере снижения потока пресной воды морская вода начинает проникать сначала в устья рек, а затем и вверх по потоку. В Филадельфии это едва не привело к тому, что в водозабор системы водоснабжения могла попасть не пресная, а соленая вода, так как океанская вода вторглась в обмелевший Делавэр.
Летом 1967 г. на востоке США выпало достаточное количество осадков и ситуация стала почти нормальной. Водохранилища в шт. Нью-Йорк вновь заполнились почти на 100% по сравнению с 40% в 1965 г. Как следствие благополучного положения интерес к долгосрочному планированию постепенно угас. А засуха вернулась, ив 1981 г. жители штата вновь столкнулись с проблемой нехватки воды.
Америка отнюдь не держит монополию на засухи. Они случаются во всех частях света, иногда одновременно сразу в нескольких местах. Мировой рынок зерна чутко реагирует на засухи, которые поражают крупные зернопроизводящие районы. Такие засухи, охватывающие большие площади и продолжающиеся длительное время, приводят к возникновению проблем глобального значения. Специалисты из Центра оценки природных ресурсов Национального управления по исследованию океанов и атмосферы постоянно следят за развитием засух во всем мире как с помощью спутников, так и традиционными наземными средствами. Эти данные используются специалистами сельского хозяйства для оценки производства продуктов питания в Соединенных Штатах и других странах. Такая информация нужна для решения социальных и политических проблем, возникающих в связи с засухами.