Вопрос № 25

Большая часть поверхности Земли покрыта водой. Почему, несмотря на это, атмосфера не насыщена водяным паром?
Ответ опубликован 28 июля 2009.
Автор вопроса: BIZON.
Вопрос задан 30 мая 2009.

Постановка этого вопроса и ответ на него лежат в основе понимания лесного биотического насоса атмосферной и таких явлений, как ураганы и смерчи (см. здесь). Действительно, средняя относительная влажность у поверхности планеты составляет 80%, то есть, воздух у поверхности Земли не насыщен водяным паром. Атмосфера постоянно циркулирует как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Из-за конденсации водяного пара воздух в верхней части атмосферного столба обеднен влагой по сравнению с воздухом у поверхности. Перемешивание влажного поверхностного воздуха с сухим воздухом, приносимым из верхних слоев атмосферы нисходящими воздушными потоками, приводит к понижению относительной влажности у поверхности. Следовательно, необходимо ответить на два вопроса: почему происходит конденсация и почему атмосфера циркулирует.

Если бы атмосфера Земли была равномерно нагрета по вертикали, то пары воды находились бы в аэростатическом равновесии. Это означает, что вес столба водяного пара (единичной площади поперечного сечения) над каждой заданной точкой был бы равен давлению водяного пара в этой точке. При этом концентрация водяного пара экспоненциально уменьшалась бы с высотой, падая вдвое на каждые 9 км. Поэтому в равномерно нагретой атмосфере водяной пар был бы ненасыщенным на любой высоте, кроме уровня моря. (Напомним, что насыщенная концентрация — это максимально возможная концентрация водяного пара. При бóльших значениях начинается конденсация.) Концентрация насыщенного водяного пара определяется температурой. Поэтому, чтобы водяной пар был насыщен на всех высотах, нужно уменьшать температуру с увеличением высоты. Зависимость величины концентрации насыщенного водяного пара от температуры (закон Клапейрона-Клаузиуса) также имеет вид экспоненты, при которой насыщенная концентрация уменьшается вдвое при уменьшении температуры на каждые 10 oС. Отсюда ясно, что для достижения насыщения на всех высотах в условиях аэростатического равновесия необходимо, чтобы через каждые 9 км температура уменьшалась на 10 oС, т.е. скорость уменьшения температуры с высотой была бы равна 10 oС/9 км или, немного точнее, 1.2 oС/км.

Итак, если бы температура воздуха с высотой уменьшалась бы не быстрее чем со скоростью 1.2 oС/км, то водяной пар мог бы находиться в аэростатическом равновесии. При достижении критической скорости уменьшения температуры 1.2 oС/км водяной пар, находясь в аэростатическом равновесии, был бы насыщен на всех высотах. При этом не было бы конденсации водяного пара, не было бы облачности и осадков. Весь атмосферный столб оставался бы неподвижным. Отметим, что это единственно возможное состояние, при котором водяной пар был бы насыщен во всей атмосфере.

Наблюдаемый отрицательный вертикальный градиент температуры равен 6.5 oС/км, что в 6 раз выше критического значения 1.2 oС/км. Следовательно, водяной пар не может находиться в неподвижном аэростатическом равновесии: давление водяного пара на каждой высоте в шесть раз больше веса столба насыщенного водяного пара на этой высоте. Вес столба насыщенного водяного пара не может скомпенсировать его давление. На каждой высоте на столб атмосферного воздуха действует сила, равная разности давления и веса столба водяного пара. Поэтому водяной пар все время поднимается вверх, увлекая за собой весь атмосферный воздух. Вверху происходят конденсация и выпадение дождя, которые компенсируются испарением с земной поверхности. Возникают всем известные атмосферный круговорот воды и циркуляция атмосферного воздуха — ветер. Опускание воздушных масс, обедненных водяным паром, приводит к уменьшению относительной влажности у поверхности Земли.

Таким образом, первопричиной ненасыщенности водяного пара у поверхности является тот факт, что скорость падения температуры с высотой превышает критическое значение 1.2 oC/км. Это приводит к конденсации водяного пара, включает циркуляцию и перемешивание нижних влажных атмосферных слоев с верхними сухими, что и приводит к понижению относительной влажности у поверхности. Следовательно, именно конденсация водяного пара и существование дождя приводят к ненасыщенности водяного пара у земной поверхности. Если бы скорость падения температуры воздуха была бы меньше 1.2 oC/км, конденсация отсутствовала бы и неподвижная атмосфера всегда была бы насыщена водяным паром у поверхности Земли.

Возможно, будет полезным наглядное представление процессов перемешивания воздуха. Нажав две левые кнопки, можно увидеть перемешивание сухого нисходящего и влажного восходящего воздуха. Подробнее см. здесь.

При проблемах с просмотром Flash кликните здесь для бесплатной установки последней версии Flash Player.

При проблемах с просмотром Flash кликните здесь для бесплатной установки последней версии Flash Player.