Водяной пар

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Водяной пар»

Содержание

Введение

Вода в природном комплексе земли

Влагооборот на Земле

Влага в воздухе

Испарение с поверхности воды и влажность воздуха

Введение

У всякой научной идеи своя судьба и своя биография. Но все они сходятся в том, что ни одну из них не встречали ни музыкой, ни хлебом-солью. Появление новых идей всегда встречало недоверие и яростное сопротивление старых устоявшихся представлений.

Новая идея - это своего рода семячко нового знания и для его прорастания необходимы благоприятные условия, плодородная почва, готовая принять его и прорастить. В этом смысле одним из них везло больше, другим меньше.

Последнее решающее слово всегда оставалось за практикой. Она быстро воспринимала и заботливо выращивала те идеи, которые отвечали назревшим ее потребностям. Идеи же, не отвечающие злободневным нуждам практики, чаще всего, подобно искрам, вспыхивали и угасали никем не поддержанные.

Такие «бесхозные» идеи блуждали тысячелетиями в ожидании своего часа, то угасая, то вспыхивая вновь. О гелиоцентризме нашей планетной системы знал и учил этому людей еще Аристарх Самосский в ІІІ веке до нашей эры. Но идея не прижилась, так как человеческая практика того времени в ней не нуждалась. Когда же, спустя почти два тысячелетия, эту идею возродил Н.Коперник, то несмотря на сопротивление ученых сторонников геоцентризма и жесточайшее преследование церковной инквизиции, она стала быстро завоевывать признание. Морская навигация в эпоху великих географических открытий нуждалась в надежной ориентации в океанских просторах.

К идеям неудачницам, которые до сих пор не обрели своего законного, положенного им, места следует отнести и идею огромной значимости в природе и возможности использования в общественном производстве парообразной влаги атмосферы. На протяжении тысячелетий то угасают, то вспыхивают вновь споры о том, что лежит в основе природного влагооборота, что питает почвенные и грунтовые воды - дожди, снега или также (и быть может в основном) непосредственно пар, содержащийся в атмосферном воздухе.

Невысокий уровень знаний о природе, слабая аргументация спорящих сторон чаще всего приводили к победе очевидного, визуально наблюдаемого. Больше снега зимой, чаще дожди летом - полноводнее источники и реки, щедрее на урожай земля. Мало осадков зимой и летом - мал и урожай на полях. Так всем очевидными фактами обосновывалась и укреплялалсь в сознании людей инфильтрационная теория происхождения почвенных и грунтовых вод.

Не все явления природы укладывались в эту простую и удобную схему: испарение - осадки - просачивание - сток. Обнаруживались факты, необъясняемые признанной схемой. Высказывались сомнения и начинались поиски новых объяснений. Проходило время. Новые объяснения оказывались недостаточно убедительными и не завоевывали широкого признания. Старая же парадигма о главенстве атмосферных осадков в земном влагообороте автоматически торжествавала победу и оставалась незыблемой.

Спорили ученые. Практика же сельского хозяйства реальной пользы из этих споров извлечь для себя не могла и потому молчала.

Наиболее энергичной критике господствующая теория подверглась со стороны немецкого ученого Отто Фольгера в конце ХІХ века, когда ученые обнаружили факты, что почва испаряет больше воды, чем получает ее с осадками.

- «В таком случае, - указывал Фольгер, - необходимо допустить, что земля должна из другого источника получить ту разницу, на которую она отдает больше, нежели получает. Фольгер говорил, что таким источником является пар, содержащийся в воздухе. Воздух, по мнению Фольгера, проникает в землю, где на соответствующей глубине при пониженной температуре происходит конденсация водяных паров». (Цит. по А.Ф.Лебедеву, 1930 г.)

Против теории Фольгера выступил известный метеоролог профессор Ганн, который выдвинул следующие возражения:

1. Выделяющаяся при конденсации скрытая теплота парообразования должна настолько нагреть соответствующий слой земли, что дальнейшая конденсация сделается невозможной.

2. В атмосфере нет такого количества водяного пара, которое могло бы обеспечить питание грунтовых вод в количестве 200 мм в год, согласно норме, обычно принимаемой последователями инфильтрационной теории.

3. В тропических странах по теории Фольгера невозможно было бы образование грунтовых вод, потому что отсутствует слой земли с достаточно низкой температурой.

4. При образовании грунтовых вод по теории Фольгера в земле должен был бы происходить весьма интенсивный обмен воздуха (около 2000 м3 в сутки через площадь поверхности земли в 1 м2), что невозможно, так как в летний период земля холоднее воздуха. Диффузия воздуха в почву и обратно и изменения давления атмосферы весьма незначительны и не могут явиться причиной столь сильного газообмена между воздухом атмосферы и грунта, как допускается в теории Фольгера.

По тем временам критика Ганна всем показалась настолько убедительной и сильно аргументированной, что на много лет похоронила не только наиболее слабую часть теории Фольгера, но и всю теорию в целом. Вместе с тем и наиболее ценная часть теории - указание на парообразную влагу атмосферы, как на непосредственный источник обогащения почв водою - не получила надлежащей разработки и освещения.

Критику профессора профессора Ганна следует рассмотреть как классический пример относительности человеческого знания и как указание на то, с какой осторожностью следует относиться к аргументации признанных авторитетов даже очень недалекого прошлого.

До наших дней никто глубоко не проанализировал аргументацию Ганна, а некоторые современные ученые оперируют его доводами как непреложной истиной. Даже такой признанный авторитет, как А.А. Роде (1978) называет критику теории Фольгера Ганном обстоятельной, а попытки отдельных исследователей (Э.Н.Благовещенский, И.Волков, П.Янович и др.) указать на парообразную влагу атмосферу, как на весьма серьезный источник водоснабжения растений, относит к числу ошибочных, фантастических.

Не разделяя столь негативной оценки этих, на наш взгляд, весьма добросовестных, хотя и не всегда безукоризненно обоснованных попыток, а также оптимистической оценки, данной А.А.Роде, критическим доводам профессора Ганна, рассмотрим их с точки зрения соверменной общеизвестной информации о природе.

Первый довод профессора Ганна несостоятелен, так как он не учитывает постоянное собственное излучение тепловой энергии почвой, как любым физическим телом, имеющим температуру выше абсолютного нуля.

Ошибочность второго довода заключается в том, что Ганн считает парообразную влагу в атмосфере самостоятельным количественно конечным водным образованием, а не составной частью гидросферы, каковой она является в действительности, и не осмысливает ее неисчерпаемость в силу постоянной возобнавляемости. Ведь только количество годовых осадков, формирующихся за счет пара, содержащегося в атмосфере, в среднем для всей поверхности Земли составляет более 1000 мм, а в некоторых местах даже десятки тысяч.

Третий довод также неверен, так как профессор Ганн не учитывает, что конденсация атмосферного пара в почве это не самостоятельный процесс, а лишь вид равнодействующей - результат двуединого процесса обмена молекулами между жидкой водой или ее пленками на твердых частицах и паром всегда находящимся над нею в воздухе.

Этот процесс происходит при всех температурах вплоть до 100?С, т.е. пока вода еще может находиться в жидком состоянии при нормальном атмосферном давлении. Естественно, что и в тропических странах, как и самых холодных, пар из атмосферы может поглощаться почвой в моменты, когда температура ее становится ниже точки росы при данной температуре и влажности воздуха.

В четвертом, самом тяжелом, снаряде, разбившем теорию Фольгера, есть скрытый дефект, который до сего времени не заметили ни сторонники, ни противники инфильтрационной теории. Здесь совершенно игнорированы свойства газов, находящихся в механической смеси друг с другом. Забыт закон Дальтона о парциальном давлении газов. Ставится абсолютно незаконный знак равенства между паром и туманом, который газом не является и действительно не может передвигаться самостоятельно, а передвигается только с потоками воздуха, в котором он содержится. Туман это не газ, а скопление мельчайших капель воды в совокупности образующих облака, которые газом не являются и свойствами его не обладают.

Будучи газом, водяной пар в почву и из почвы передвигается самостоятельно путем диффузии под влиянием перепадов в собственном парциальном давлении, и при этом ни в каком сопровождении других газов, входящих в состав воздуха, не нуждается. Независимо от общего атмосферного давления водяной пар будет перемещаться из атмосферы в почву все то время, пока в результате поглощения его парциальное давление в почве будет меньше такового в атмосфере.

«Тяжелый снаряд» профессора Ганна оказывается не более прочным, чем мыльный пузырь.

Теперь очевидно, что при внимательном анализе критических аргументов профессора Ганна против теории Фольгера, вернее гипотезы, так и не ставшей теорией, они оказались совершенно беспочвенными.

В гипотезе же Фольгера, при очистке ее от ошибочных положений, неизбежных при появлении новых идей, четко прослеживается рациональное зерно, способность дать жизнеспособный проросток новой теории влагообмена между почвой и атмосферой.

Но это стало видно только теперь, спустя целый век. И какой век! Количество научной информации за прошедшие сто лет во всех областях человеческих знаний колоссально возросло. В свое же время сторонники Фольгера так и не смогли найти достаточно веских контраргументов, и его теория на Западе была буквально похоронена.

Больше ею всерьез там не занимался уже никто.

Однако в России интерес к парообразной влаге не угас, так как частые засухи заставляли ученых искать и другие, кроме осадков, источники увлажнения почвы. (А.Ф.Лебедев, 1930).

В первой половине ХХ столетия большим авторитетом пользовались исследования А.Ф.Лебедева, который пришел к выводу, что почва и грунт обогащаются помимо воды осадками (дождь, снег, туман, град и т.д.) как за счет водяных паров атмосферы, так и за счет водяных паров, передвигающихся из земных глубин к поверхности почвы.

Обогащение же почвы водою за счет водяных паров атмосферы происходит благодаря молекулярной и термической конденсации водяного пара атмосферы исключительно в самом поверхностном слое почвы.

По его мнению, все передвижение водяного пара в почве происходит благодаря разнице в его упругости, обусловленной разницей температур в различных слоях почвы. Зимой пар движется из грунта в почву и обогащает ее водою. Летом наоборот - из верхних слоев почвы вниз к слою с постоянной температурой.

Наиболее настойчивую попытку поколебать незыблемость парадигмы об атмосферных осадках, как о единственном источнике пополнения почвы влагой сделал Э.Н.Благовещенский (1946). «Установление конденсационного генезиса почвенной влаги, писал он, позволяет по-иному рассматривать все водное хозяйство пустынных областей. Так как питание водоносных горизонтов происходит в некоторой мере за счет конденсационной воды, то и возобновление откаченных запасов должно зависеть от интенсивности конденсационных процессов. На очереди стоит изучение количественной стороны явления конденсации и разработка агротехнических и мелиорационных мероприятий для всемерного ее использования... В пустынях Средней Азии существуют колебания влажности почвы с суточной периодичностью. Ночью влажность сухой почвы повышается от двойной до тройной максимальной гигроскопичности, днем возвращается в исходное положение. Несомненно, что значительная часть влаги при этом расходуется растительностью. Более того, если бы эти периодические повышения влажности отсутствовали, то жизнь растений в пустыне летом была бы невозможна».

При изучении режима влажности сероземов и коричневых почв он приходит к следующим выводам (1963 г.) «Суммарный баланс суточных изменений влажности за год превышает годовой баланс сезонных изменений. В коричневых почвах он вероятно достигает 1000-1200 мм, превышая сезонный (500-700 мм) в два раза, в сероземах - 700-900 мм, превышая сезонный (100-150 мм) в 5-6 раз. Наибольшие колебания почвенной влажности в годовом ходе на поверхности почвы, в суточном - на глубине 50-150 см. С глубиной амплитуда быстро уменьшается. Но изменения влажности в годовом и суточном ходе (2-3%) прослеживаются до 9 метровой глубины».

Э.Н.Благовещенский умер в расцвете своих творческих сил и был ближе других исследователей к раскрытию физической сущности влагообмена между почвой и атмосферой и подлинной значимости парообразной влаги атмосферы, хотя и не сумел полностью порвать мощные цепи старой парадигмы.

Из наиболее значительнх работ последнего времени нельзя обойти сводку А.А.Роде «Конденсация в почве парообразной влаги атмосферы» в книге «Вопросы водного режима почв» (1978). В ней автор подверг критическому рассмотрению многочисленные публикации по названной проблеме, а взгляды Э.Н. Благовещенского отнес к «безусловно ошибочным».

Каковы же те позиции, с которых А.А.Роде проводил анализ накопленных многими исследователями материалов, критиковал ошибочные, по его мнению, взгляды отдельных исследователей и давал оценку проблемы парообразной влаги атмосферы в целом?

Послушаем самого А.А.Роде. «Явление, которому посвящена настоящая работа, в литературе нередко именуется просто «конденсация влаги в почве». Однако такой термин не точен. В почвенном воздухе всегда имеется водяной пар, в большинстве случаев в количестве, насыщающем воздух. При понижении температуры этот пар переходит в жикое состояние, т.е. конденсируется. При повышении температуры происходит обратный процесс, т.е. внутрипочвенное испарение. Конденсация и испарение влаги в любой почве постоянно чередуются друг с другом вследствие циклических и нециклических изменений температуры почвы.

Однако далее мы будем рассматривать не конденсацию водяного пара, уже содержащегося в почвенном воздухе, а конденсацию в почве водяного пара, поступающего в нее из приземного слоя воздуха.

Количество парообразной влаги в атмосфере невелико, оно измеряется немногими десятками миллиметров во всем ее слое. К тому же ни при каких условиях полного обевоживания атмосферы произойти не может».

Здесь и далее довольно четко прослеживаются следующие основные Принципы: гидросфера испарение вода влажность воздух

1. Пар в поченном воздухе - самостоятельное водное образование и динамика его количества управляется температурой почвы.

2. Водяной пар может поступать в почву только из приземного слоя воздуха.

3. Количество парообразной влаги в атмосфере невелико, оно конечно, и полностью в почву отдано быть не может, что и предопределяет ее скромные возможности в смысле источника водного питания почвы, т.е. получения жидкой влаги из воздуха.

4. А.А.Роде так же, как и ранее Ганн, считает, что водяной пар в почву может поступать только с воздухом. «Между тем содержание водяного пара в воздухе столь невелико, что нужны огромные его объемы, чтобы получить сколь-нибудь измеримое количество жидкой воды. (Воздух входит в почву при изменени атмосферного давления в ничтожных количествах)».

5. Полностью поддерживается положение А.Ф. Лебедева о том, что движение пара в почве определяется упругостью водяного пара (УВП) в различных ее слоях, а конденсация происходит только на поверхности почвы и растений.

6. А.А.Роде, как и все авторы, разбираемых им работ, не уделяет никакого внимания динамике влажности воздуха.

7. Почвенная влага (имеется в виде только жидкая вода) является единственным источником водообеспечения растений. Т.е. парообразная влага растениями непосредственно не потребляется.

Таким образом, старая парадигма скромности практической значимости парообразной влаги атмосферы получила новую авторитетную поддержку.

Но жизнь не стоит на месте. В наш век научно-технической революции проблема ресурсов пресной воды, особенно в сельском хозяйстве становится по истине глобальной. Многие естественные водоемы и реки загрязнены и отравлены промышленными отходами. Неразумное сведение лесов планеты (особенно тропических) на больших площадях привело к увеличению количества засух и повышению их жесткости.

Пресная вода для человечества становится таким же важнейшим природным ресурсом, как топливо, энергия, минеральное сырье. Поэтому в поисках ее источников должны использоваться все возможные пути, в том числе и возможные способы освоения парообразной влаги атмосферы.

Мы не разделяем пессимистической оценки проблемы освоения парообразной влаги атмосферы, данной А.А.Роде, т.к. в трудах многих исследователей, в том числе и самого А.А.Роде, приводятся факты, говорящие в пользу ее значимости, но непонятные и истолкованные с позиций господствующей парадигмы.

При внимательном анализе лучшие современные системы земледелия Т.С.Мальцева и А.И.Бараева содержат в себе элементы, способствующие использованию растениями определенных количеств парообразной влаги атмосферы.

Для своего дальнейшего развития сельское хозяйство нашей страны остро нуждается в новых научных идеях и технических решениях.

Из трех китов земледелия: плодородие почвы, тепло и влага, наиболее благополучен первый. Высокоразвитое производство удобрений позволдяет регулировать плодородие почвы в любых условиях.

Суммарное поступление тепла на земную поверхность зависит от наклона земной оси и расстояния от Солнца и в наше время регулированию не поддается. К тому же в южной части страны, включая юг Украины, Нижнюю Волгу, Среднюю Азию, юг Казахстана, имеется около 500 млн.га земель, щедро обеспеченных солнечным теплом, которые или не используются совсем или используются экстенсивно как малопродуктивные пастбища. Т.е. по солнечному теплу у нас имеется незадействованный резерв в целых два пахотных клина страны.

Но чтобы их задействовать, нужна пресная вода. А ее то на этих землях как раз и не хватает. Становится очевидным, что идея современного водопользования, рассчитанная на утилизацию готовых даров природы (атмосферные осадки, речной сток, частично подземные воды) уже исчерпала свои возможности, а перегрузка ее чревата серьезными экологическими последствиями. Следовательно, нужны принципиально новые идеи, новый более мощный, чем имеющиеся и используемые, возобновляемый источник пресной воды, принципиально новые способы увлажнения почвы и водообеспечения культурных растений.

Настоящая работа является новой попыткой привлечь внимание работников науки и практики сельского хозяйства к проблеме практического использования парообразной влаги атмосферы, собрать воедино и организовать всех ее сторонников и энтузиастов на фундаментальное решение продовольственной проблемы. И как знать, не станет ли их дружными усилиями «ирригация паром» вместе с ирригацией жидкой водой тем средством, которое остановит и надвигающийся экологический кризис на планете Земля и отведет костлявую руку голода, занесенную над значительной частью ее населения.

Вода в природном комплексе земли

Вода одно из самых распространенных природных химических соединений на земле. В глубоких недрах мантии земли сосредоточено 13-15 млрд. км³ воды. По современным воззрениям, выход воды, выделявшейся из мантии в процессе разогревания земли на ранних стадиях ее формирования, дал начало гидросфере.

Гидросфера - водяная оболочка земли, включающая океаны, моря, озера, водохранилища, реки, подземные воды, почвенную влагу составляет около 1,4-1,5 млрд. км³, причем на долю суши приходится всего около 90 млн км³ воды. Из них подземные воды составляют 60, ледники - 29, озера - 0,75, почвенная влага - 0,075, реки - 0,0012 млн. км³. В атмосфере вода находится в виде пара, тумана и облаков, капель дождя и кристаллов снега (всего около 13-15 тыс. км³).

Около 10% поверхности суши постоянно занимают ледники. На севере и северо-востоке СССР, на Аляске и севере Канады - общей площадью около 16 млн.км³, всегда сохраняется подпочвенный слой льда (всего около 0,5 млн.км³). В земной коре - литосфере содержится по разным оценкам от 1 до 1,3 млрд.км³ воды, что близко к содержанию ее в гидросфере. Это в основном связанная вода, входящая в состав некоторых минералов и горных пород (гипс, гидратированные формы кремнезема, гидросиликаты и др.)

Вода входит в состав всех живых организмов, причем в целом в них содержится лишь вдвое меньше воды, чем во всех реках земли. В живых организмах количество воды, за исключением семян и спор, колеблется между 60 и 99,7% по массе. По словам французского биолога Э.Дюбуа-Реймона, живой организм есть одушевленная вода. (БЭС, 1971, т.5).

Влагооборот на Земле

Сравнительно узкий интервал температур, в котором вода испытывает все фазовые преобразования, обусловливает и непрерывный процесс перемещения ее в географической оболочке земли за счет температурных колебаний. Вода испаряется с поверхности водоемов почвы, растительности и поступает в атмосферу в виде водяного пара.

При понижении температуры влажного воздуха как адиабатически, так и вследствие отдачи тепла, водяной пар конденсируется, переходя в жидкое и твердое состояние. Образуются облака и туманы. Частично процесс конденсации водяного пара приводит к возникновению осадков и наземных метеоров (роса, иней). В значительной же степени, как мы увидим ниже, этот процесс приводит к непосредственному обогащению почвы влагой в суточном цикле влаго- и теплообмена между почвой и атмосферой.

Общее количество воды на Земле, средний уровень мирового океана в современную историческую эпоху остается постоянным. Это значит, что для всего земного шара за длительный период вся вода, испаряющаяся с поверхности, теми или иными путями возвращается обратно.

Средняя высота слоя осадков для всего земного шара за год равна 1000 мм, что соответствует 511 тыс.км³ (приблизительно в 7 раз больше количества воды в Черном море и в 35-40 раз больше чем ее содержится в атмосфере). 21% - 108 тыс. км³ выпадает над сушей и 79% - 403 тыс.км³ над океанами. Почти половина всех осадков выпадает в зоне между 20? с.ш. и 20? ю.ш. на обе полярные зоны приходится всего 4% осадков.

Во влагообороте между сушей и океаном существенное значение имеет речной сток (310 мм водного слоя).

Вертикальная и горизонтальная циркуляция атмосферы, приводящая к созданию экстремальных условий для фазового преобразования содержащейся в ней воды, достаточно хорошо изучена. В настоящей работе эта хорошо изученная и освещенная в обширной литературе, часть земного влагооборота, определяемая количеством выпадающих осадков, специально не рассматривается, а лишь принимается во внимание как объективная реальность, происходящая на общем фоне круговорота воды в природе Земли. Предметом же нашего внимания является парообразная влага, участвующая в прямом влагообмене между почвой и атмосферой, которой и будет уделено главное внимание.

Влага в воздухе

Содержание водяного пара в атмосфере одна из наиболее существенных характеристик погоды и климата и экологических условий для всего живого на Земле. Оно колеблется в весьма значительных пределах. Так у земной поверхности содержание водяного пара в воздухе составляет в среднем 0,2% по объему в высоких широтах и до 2,5% в тропиках. Амплитуда экстремальных значений значительно шире. Соответственно упругость водяного пара (УВП) в атмосфере в полярных широтах зимой меньше 1 мб (иногда лишь сотые доли мб) и летом ниже 5 мб, в тропиках возрастает до 30 мб, а иногда и больше. В субтропических пустынях она также понижена до 5-10 мб.

Относительная влажность воздуха (ОВВ) очень высока в экваториальной зоне (среднегодовая 85% и выше), а также в полярных широтах и зимой внутри материков средних широт (здесь за счет низкой температуры воздуха). Летом высокой ОВВ характеризуются мусонные районы (Индия - 75-80%). Низкие ее значения наблюдаются в субтропических и тропических пустынях и зимой в мусонных районах.

С высотой влажность воздуха быстро убывает. Уже на высоте 1,5-2 км УВП в среднем вдвое меньше, чем у земной поверхности. На тропосферу (нижние 10-15 км) приходится 99% водяного пара атмосферы. В среднем над каждым м² земной поверхности в воздухе содержится около 28,5 кг водяного пара. Распределение же его, как указывалось выше, неравномерно и зависит в основном от температурного режима региона. (БСЭ, 1971 г, т.5, стр. 149)

Испарение с поверхности воды и влажность воздуха

Согласно элементарной физике, молекулы жидкости движутся с самыми различными скоростями. Молекулы, кинетическая энергия которых выше, чем работа, необходимая для преодоления сил сцепления, тянущих их внутрь жидкости, могут вылетать за пределы жидкости.

Вырвавшись за пределы жидкости, молекула попадает в газовую среду, каждый см³ которой содержит 2,7*10¹⁹ молекул, каждая из которых по Луи де Бройлю испытывает приблизительно 10¹⁰ соударений в секунду, изменяющих направление ее движения. Поэтому все время одни молекулы вылетают из жидкости, другие в нее возвращаются. Если вылетает молекул больше, чем возвращается обратно, жидкость испаряется. Если наоборот, число возвращающихся молекул больше числа вылетающих, происходит конденсация пара. При равенстве числа молекул, вылетающих из жидкости и возвращающихся обратно в нее, наступает подвижное равновесие и пар считается насыщающим пространство над жидкостью.

Число молекул, которыми обмениваются в течение 1 секунды жидкость и спорикасающийся с нею насыщенный пар, даже в случае малолетучих жидкостей невообразимо велико. Об этом свидетельствует необыкновенная скорость, с которой происходит испарение жидкости, если почему-либо образующиеся пары не возвращаются в жидкость. Подсчитано, что при комнатной температуре сквозь 1 см² поверхности воды в течение одной секунды проносятся 10²¹ молекул, что могло бы составить около 37 см³ пара или 30 мг жидкой воды. Внешне же этот бурный поток в силу своей двусторонности никак себя не обнаруживает. Процесс этот происходит непрерывно и постоянно и при любых температурах, включая отрицательные; т.е. даже над поверхностью замерзшей воды имеется некоторое количество пара.

Очень важно подчеркнуть, что поверхность воды с ее пленкой поверхностного натяжения представляет собой не некую непроницаемую для молекул перегородку между жидкостью и воздухом, а наоборот, весьма активную обменую поверхность, сквозь которую в обе стороны (и в воду и в воздух) одновременно движутся бесчисленные множества молекул пара, что конденсация пара и испарение воды происходят одновременно. То, что мы привыкли называть «испарением» и «конденсацией», самостоятельными процессами не являются. Это лишь виды равнодействующей двуединого процесса молекулярного обмена на границе жидкость - пар, отражающей разницу в количестве молекул, вылетающих из жидкости и возвращающихся обратно в жидкость.

В замкнутом пространстве над водою довольно быстро устанавливается подвижное равновесие между количеством вылетающих и возвращающихся молекул. Количественная характеристика давления насыщающего пара величина конечная и строго соответствует температуре в рассматриваемой конкретной системе жидкость-газ. Изменить давление пара, насыщающего пространство над водою, можно только изменением температуры в системе. При попытке увеличить давление пара над водой без изменения температуры путем сокращения объема пространства, занимаемого паром, его молекулы переходят в жидкость, т.е. в воду, и устанавливается новое равновесие.

Процесс этот происхордит весьма быстро, благодаря большой скорости движения молекул пара. Так уже при 0?С скорость движения молекул водяного пара в среднем составляет 570м/сек. Естественно, что молекулы не летят свободно по прямой, так как испытывают 10¹⁰ столкновений в секунду с себе подобными, а это влечет ровно столько же изменений направления их движения. В целом же весь этот сонм молекул движется в направлении меньшего давления, т.е. меньшего числа соударений или в сторону, где отсутствует препятствие к движению. Поэтому всякий газ стремится занять возможно больший объем.

Атмосфера не является замкнутым пространством. Все газы, ее составляющие, образуют равномерно обтекающую Землю оболочку, удерживаемую силой земного тяготения.

Сравнение атмосферы с океаном или образное название «воздушный океан» вполне уместно. Она, как и гидросфера, обладает тяжестью и тем большей, чем больше ее слой. Она, как и водный океан, подвержена различным течениям, волнениям, завихрениям и т.д., о чем свидетельствует постоянное отклонение атмосферного давления от средней нормальной величины 760 мм ртутного столба над уровнем моря.

Нельзя освободить от воды дно водоема, каким бы мощным ни был откачивающий насос. Под силой тяжести на освобождающееся место будут немедленно опускаться вышележащие слои воды. Нельзя выкачать воздух даже из ограниченно открытого сосуда, так как атмосферный воздух будет врываться туда через малейшее отверстие под давлением собственной тяжести (1 кг/см²). Это всем очевидное положение очень важно тем, что водяной пар, будучи газом, обладает всеми теми же физическими свойствами и подчиняется тем же физическим законам, что и любой газ, входящий в состав атмосферы.

Водяной пар обладает собственной тяжестью, о чем свидетельствует его парциальное давление в атмосфере Земли. Поэтому при рассмотрении любых явлений природы, связанных с его участием, его следует прнимиать как единое целое, как паровую оболочку всей Земли и как газообразную компоненту (неотъемлемую составную часть) гидросферы, связанную с жидкой и твердой ее компонентами постоянным обменом молекул.

Из этого вытекает очень важное положение о том, что невозможно «осушить», обезводить какой-то слой воздуха, так как любое «изъятие» пара будет немедленно компенсироваться поступлением его из окружающего пространства атмосферы со скоростью, обусловленной его парциальным давлением в данной местности и при данной температуре.

Нельзя полностью обезводить и атмосферу над любой местностью, так как согласно принципа подвижного равновесия, всякое искусственное изъятие пара из атмосферы будет немедленно компенсироваться поступлением его из окружающего пространства атмосферы со скоростью, обусловленной его парциальным давлением в данной метсности и при данной температуре.

Нельзя полностью обезводить и атмосферу над любой местностью, так как согласно принципа подвижного равновесия, всякое искусственное изъятие пара из атмосферы будет немедленно компенсироваться поступлением новых его порций из гидросферы, составной частью которой, он является. Ведь содержание пара над водой, как указывалось выше, определяется только температурным режимом системы жидкость-газ. Следовательно, высушить атмосферу можно только после того, как будет израсходована вся гидросфера, что невозможно ни практически, ни теоретически.

Именно поэтому, уютно бытующие в специальной литературе мнения о том, что пополнение почвы влагой за счет парообразной воды атмосферы невозможно в сколько-нибудь значительных количествах из-за ограниченного содержания ее в атмосфере и возможности иссушения нижних слоев атмосферы, никакой научной почвы под собою не имеют и являются полностью бессмысленными и в корне неправильными.

Чтобы уяснить некоторые закономерности распрделения парообразной влаги в атмосфере над территорией СССР, рассмотрим приводимые ниже данные наблюдений метеостанций, расположенных в различных регионах. Данные таблицы 1 приводятся по общесоюзному справочнику - «Основные данные по климату СССР» (Обнинск, 1976).

Таблица 1. Годовые колебания температуры и влажности воздуха. Годовое количество осадков в различных пунктах СССР (по данным метеостанций)

В представленной таблице довольно четко прослеживается решающее влияние температуры воздуха на уровень УВП: Так зимой она колеблется от 0,3 мб в Оймяконе (ср.температура января -48,5?С) до 9,1 мб в Батуми со с.т.я. +6,7?. Летом от 8,0 мб на мысе Челюскина (при ср. температуре июля +1,5?) до 22,9 мб в Батуми (при с.т.и. +22,9?).

Разница в УВП между зимой и летом в каждой местности (за исключением внутриконтинентальных пустынь) колеблется в пределах 14-18 мб и даже 20 мб. При прочих равных условиях, на уровень УВП заметное влияние оказывает не только близость обширных водоемов, но может быть больше, и характер растительного покрова. Так УВП в июле, фиксируемая метеостанцией Одесского порта, значительно ниже, чем в Сочи или Батуми при идентичных температурных условиях. Еще ниже она в Красноводске и Аральском море, хотя температура воздуха там намного выше. Здесь оказывается огромное влияние, прилегающих к большим водоемам пустынных территорий.

На материковой части РСФСР и Украины в большинстве случаев УВП стоит на высоком уровне (18-20 мб). Лишь в традиционно засушливых местах Саратовской, Оренбургской областей и Алтайского края (Кулунда) среднеиюльская УВП ниже на 1-2 мб по сравнению со всей остальной территорией.

В местностях, с хорошо развитым растительным покровом, Западной Украины, Нечерноземья и Сибири относительная влажность воздуха не только не уступает таковой на морских побережьях, но в иных случаях (Львов, Калинин и др.), даже превосходит на заметную величину. Даже в таком самом холодном и сухом месте, как Оймякон относительная влажность воздуха в июле составляет 69%, а УВП - 13,8 мб. Т.е. и здесь содержится в воздухе значительные количества парообразной влаги.

Огромное значение наземного растительного покрова для формирования и поддержания уровня УВП особенно четко прослеживается в Средней Азии. В песчаных пустынх УВП в июле составляет всего 10 мб (м/с Акбайтал и Базаубай), в орошаемых же оазисах она резко возрастает на 5-7 мб (Ашхабад, Термез, Фергана).

Годовое количество осадков не всегда возрастает с увеличением влажности воздуха. Например, среднеиюльская УВП в Кулунде выше, чем в Барнауле, а осадков там выпадает вдвое меньше.

Влажность воздуха в Фергане выше, чем в Душанбе, а годовое количество осадков меньше в 3,5 раза. Можно констатировать, что распределние УВП над всей территорией СССР значительно более равномерно, чем распределение атмосферных осадков.

Распределение парообразной влаги по высоте можно хорошо проследить по данным метеостанций Таджикистана (табл. 2).

С увеличением высоты местности давление водяных паров в атмосфере падает примерно вдвое быстрее, чем общее давление атмосферы, так как при этом падает и температура воздуха.

Таблица 2. Зависимость влажности воздуха от высоты местности

Из приведенных выше материалов следует четкий вывод, что количественная сторона содержания водяного пара в атмосфере в первую очередь зависит от ее температуры. Все другие факторы имеют уже второстепенное значение и их влияние может только накладываться на главный, т.е. на температуру.

Для подавляющего большинства районов СССР годовые колебания температуры обусловливают изменения среднемесячных значений УВП от января к июлю порядка 15-17 мб.

Но ведь температурный режим земной поверхности меняется не только в течение года. Благодаря смене дня и ночи, температура поверхности земли и воздуха в течение суток испытывает значительные изменения, что не может не отражаться и на содержании парообразной влаги в атмосфере. Рассмотрим на примере наблюдений ГМС Душанбе суточную динамику основных метеоэлементов в наиболее жаркое время года (табл.3).

Из таблицы 3 ясно видно, что в течение суток значительные колебания испытывают не только температуры почвы и воздуха, но и другие метеофакторы. Более, чем на 60% может измениться в течение суток ОВВ (11.07.78). Очень сильно колеблется и УВП, дневная амплитуда, например 12.07.78, достигла 11,1 мб.

Таблица 3. Суточная динамика основных метеоэлементов по 8 срокам наблюдения (ГМС Душанбе, июль 1978)

Анализ лент самописцев обнаруживает еще более резкие колебания и не только в течение суток, а буквально в течение одного часа. Поэтому анализ восьми срочных наблюдений, дает еще далеко неполную картину колебаний УВП. При более подробных наблюдениях она оказывается еще более резкой.

Осредненные за месяц данные по срокам наблюдений, выявляют утренний и вечерний максимум УВП. Если же рассматривать отдельно каждые сутки, то этой закономерности можно и не заметить; максимальные значения УВП можно зафиксировать в любой час дня.

Более четкий ритм суточных колебаний обнаруживается при анализе относительной влажности воздуха: максимум ее приходится на предутренние часы, минимум - на 13-18 часов.

Соответственно изменяется и дефицит УВП, который во второй половине дня может достигать 40-50 и более мб.

Атмосферное давление летом более стабильно, чем в другие времена года и изменяется в течение суток менее резко, чем УВП. Четкой связи изменений атмосферного давления с изменениями УВП не прослеживается. Давление водяного пара и давление атмосферы в целом по-видимому зависят от различных причин и изменяются под воздействием различных движущих сил и факторов. Поэтому, увеличение УВП не всегда влечет за собой увеличение атмосферного давления в целом, так же, как и увеличение или уменьшение атмосферного давления не влекут за собой подобных же изменений УВП.

Суточные амплитуды колебаний основных метеоэлементов в различные времена года представлены в таблице 4 по трем метеостанциям Таджикистана, расположенным в различных условиях.

Таблица 4. суточные амплитуды колебаний основных метеоэлементов по временам года (средние за ІІ декаду каждого месяца 1978 года)

АГМС Душанбе расположена в окружении обширных площадей, так называемой, обеспеченной богары с годовым количеством осадков 600-800 мм.

АГМС Курган-Тюбе расположена в орошаемой Вахшской долине, окруженной более сухой, полуобеспеченной богарой со среднегодовым количеством осадков около 300 мм.

АГМС Ленинабад расположена в окружении необеспеченной богары со среднегодовым количеством осадков 155 мм и незначительных площадей орошаемых земель.

По всем метеостанциям амплитуды колебаний температуры воздуха и почвы закономерно возрастают по мере сезонного прогревания почвы и атмосферы в данной местности и поэтому наибольших значений они достигают в самое жаркое время года и осенью снова уменьшаются до зимнего минимума.

Наименьшие суточные амплитуды УВП, ОВВ и дефицита УВП отмечаются в зимнее время и в дни со сплошной облачностью. Весною, с повышением температур они закономерно увеличиваются, достигают наибольших значений летом и осенью вновь уменьшаются.

Это лишний раз говорит о том, что влажность воздуха тесно связана с температурным режимом и совершенно не зависит от атмсоферного давления. Наибольшие суточные амплитуды всех показателей влажности воздуха н...