Круговорот воды — Круговорот воды в атмосфере в глобальном масштабе

В этой статье мы обсудим воду, присутствующую на Земле, и ее роль в круговороте воды, который включает движение водяного пара между океанами и континентами, а также возврат воды в океаны через реки.

Важным фактором энергетического баланса Земли является водяной пар. Почти половина солнечной энергии, поглощаемой на поверхности, превращается в тепло, которое выделяется в атмосферу и используется для нагревания атмосферы и охлаждения поверхности за счет испарения.

Скрытое тепло является основной причиной нагревания атмосферы и перемещения тепла из низких широт в высокие.

Основным парниковым газом также является водяной пар, из-за которого климатическая система прогревается на 24°C.

Но поскольку температура — это единственное, что влияет на водяной пар, она является пассивной частью тропосферы и должна рассматриваться как часть системы климатической обратной связи.

COPYRIGHT_OAPL: Опубликовано на https://www.oapublishinglondon.com/iii/water-cycle/ доктором Куни Блейдсом 22 июля 2022 г. 06:11:33.274Z

Хотя водяной пар часто хорошо наблюдается и изучается, его трудно заметить во время дождя, особенно над океанами.

Круговорот воды, также известный как гидрологический цикл, во многом реагирует на глобальное потепление.

Стадии круговорота воды

В дополнение к основным видам деятельности, изображенным на схеме круговорота воды, существует множество других процессов, связанных с транспортировкой воды. Различные этапы круговорота воды описаны ниже.

Круговорот воды

Испарение

Солнце является самым мощным источником энергии, и большая часть испарения, которое происходит на Земле, происходит от него. В большинстве случаев испарение происходит, когда молекулы воды, находящиеся на поверхности водоемов, возбуждаются и поднимаются в окружающий воздух. Эти молекулы обладают максимальной кинетической энергией и имеют тенденцию собираться в облака водяного пара. В большинстве случаев испарение происходит при температурах ниже тех, при которых закипает вода. Испарение, которое происходит через листья растений, является частью другого процесса, называемого эвапотранспирацией.Этот механизм отвечает за значительное количество воды, находящейся в атмосфере.

сублимация

Процесс сублимации происходит, когда твердый снег или лед превращаются непосредственно в водяной пар, не плавясь в жидкую воду. Обычно это вызвано сухим ветром и низким уровнем относительной влажности. Люди сообщали, что видели сублимацию в действии на горных вершинах, где атмосферное давление очень низкое. Из-за низкого атмосферного давления для сублимации снега в водяной пар требуется меньше энергии, чем в обычных условиях. Фаза, в которой туман появляется из сухого льда, является еще одной иллюстрацией процесса сублимации. Ледяные щиты, покрывающие полюса мира, вносят наибольший вклад в процесс сублимации, происходящий на Земле.

Конденсация

Низкие температуры, с которыми можно столкнуться на больших высотах, приводят к тому, что водяной пар, скопившийся в атмосфере, со временем становится холоднее. В какой-то момент эти пары превращаются в крошечные кусочки воды и льда, которые слипаются, образуя облака.

Осадки

Когда температура выше 0°C, пары превращаются в капли воды. Однако он не может конденсироваться в отсутствие пыли или других загрязнений. Из-за этого водяной пар конденсируется на поверхности частицы. Когда соберется достаточно капель, они упадут с неба и приземлятся на землю внизу. Термин для этой процедуры — «осаждение» (или ливень). Когда температура исключительно низкая или атмосферное давление крайне низкое, капли воды замерзают и падают на землю в виде снега или града.

проникновение

Процесс инфильтрации позволяет осадкам поглощаться землей и использоваться растениями. Количество воды, поглощенной веществом, пропорционально количеству просочившейся в него воды.Хорошее сравнение было бы между камнями и почвой с точки зрения их способности удерживать воду. Путь, по которому идут подземные воды, может быть либо ручьем, либо рекой. С другой стороны, он мог просто опускаться глубже, тем самым создавая водоносные горизонты.

Сток

Если вода от осадков не собирается в водоносных горизонтах, она пойдет по пути наименьшего сопротивления, который обычно спускается по склонам холмов и гор, в конечном итоге становясь реками. Сток — это термин, используемый для описания этого явления. Когда количество снегопадов превышает скорость испарения или сублимации, ледяные шапки могут образовываться в районах с более низкой средней температурой. В полярных регионах нашей планеты находятся самые большие в мире ледяные шапки.

Каждый из описанных выше процессов происходит в цикле, который не имеет ни начала, ни конца, которые были бы предопределены.

Последствия круговорота воды

• Известно, что воздух очищается круговоротом воды. Например, для образования осадков водяной пар должен прилипнуть к частицам пыли. В сильно загрязненных городах капли дождя собирают водорастворимые газы и загрязняющие вещества, падающие с неба, помимо пыли. Капли дождя собирают биологические агенты, такие как бактерии, а также дым и сажу с заводов.
• Круговорот воды влияет на все аспекты жизни на Земле.
• Для работы ряда других биогеохимических циклов также необходим круговорот воды.
• Круговорот воды оказывает значительное влияние на преобладающие погодные условия. Например, парниковый эффект вызывает повышение температуры. Если бы эффект испарительного охлаждения круговорота воды был устранен, температура земной поверхности увеличилась бы на значительную величину.

Круговорот воды | Как работает гидрологический цикл

Вода на планете Земля

Общее количество доступной воды на Земле составляет примерно 1,5 х 109 км3. Океаны содержат большую его часть, 1,4 х 109 км3.Приблизительно 29 х 106 км3 заключено в наземном льду и ледниках, а еще 15 х 106 км3, как полагают, существуют в виде подземных вод. Если бы весь наземный лед и ледники растаяли, уровень моря поднялся бы на 80 метров.

Атмосфера содержит 13 х 103 км3 водяного пара, или 26 кг воды на м2 на столб воздуха на Земле. Низкие и высокие широты географически различны. Ежегодно океан и суша обменивают 103 км3 воды.

Чистый транзит из океана на сушу составляет 38 единиц, столько же возвращается по рекам. Однако количество осадков над континентами в три раза больше, что свидетельствует о рециркуляции воды над сушей. Согласно Тренберту и др., рециркуляция имеет годовой цикл и огромные континентальные различия. Летние и тропические районы имеют больше рециркуляции.

Круговорот воды в океанах отличается от континента к континенту. Большая часть воды Тихого океана циркулирует в океане с небольшим чистым движением на сушу. Атлантический и Индийский океаны обмениваются водой по-разному. Две трети чистого водного транспорта на континенты приходится на Атлантический океан, остальное — на Индийский океан. Большая часть воды континента поступает из Атлантики и возвращается по рекам.

Водяной пар как парниковый газ

На водяной пар приходится 75% парникового эффекта Земли. Циркуляция регулирует атмосферный водяной пар. Водяной пар в атмосфере испытывает сложную серию вертикальных и горизонтальных движений, которые могут включать конденсацию. Последняя температура конденсации определяет коэффициент насыщения смеси. Соотношение Клаузиуса-Клапейрона предсказывает, что отношение смешивания будет расти с температурой.

Водяной пар остается в атмосфере около недели, а углекислый газ (CO2) остается на столетия. Испарение с океанов и суши пополняет водяной пар, но температура регулирует его.

Водяной пар является частью реакции климатической системы на внешние раздражители. Изменения в концентрации парниковых газов, таких как CO2, могут вызвать сдвиг в воздействии на климат.Солнечная радиация, вулканические аэрозоли или антропогенные выбросы также могут вызывать его.

Полосы поглощения водяного пара близки к насыщению, подобно полосам CO2, с поглощением в основном в крыльях спектра. Логарифмическая функция соотношения смешивания аппроксимирует радиационный баланс. Вот как атмосферный водяной пар влияет на расчеты длинноволновой радиации в моделях погоды и климата.

В отличие от хорошо перемешанных парниковых газов водяной пар резко меняется во времени и пространстве. Сильная вертикальная подвижность сигналов свидетельствует о значительных градиентах влажности.

Климатические модели с грубым разрешением плохо фиксируют резкие градиенты и недооценивают уходящую длинноволновую радиацию (OLR) в сухом воздухе.

Логарифмическое соотношение смешивания предполагает, что OLR занижен. Хагеманн и др. обнаружили, что уменьшение горизонтального спектрального разрешения с T159 до T21 снижает OLR на 7 Вт м-2 при ясном небе. Количество водяного пара в верхней тропосфере пропорционально более важно, поэтому очень важно, где он находится в атмосфере.

Сила положительной обратной связи водяного пара является спорной. Исследования наблюдений и моделирования предполагают, что относительная влажность поддерживается, а водяной пар следует Клаузиусу-Клапейрону.

Эффект обратной связи можно аппроксимировать с помощью моделей, игнорируя компонент кода длинноволнового излучения, который оценивает эффект восходящего водяного пара. Водяной пар повышает эффект удвоения CO2 с 1,05°C до 3,38°C, что подразумевает положительную обратную связь.

Соден и Хелд говорят, что только водяной пар имеет коэффициент усиления от 1,9 до 3,2, но большая часть этого диапазона связана с изменениями градиента. Если рассматривать водяной пар и скорость градиента вместе, потепление увеличивается в 1,3–1,6 раза.

Как потепление климата повлияет на количество осадков??

Наблюдения и вычислительные модели показывают, что атмосферный водяной пар следует за температурой в соответствии с соотношением Клаузиуса-Клапейрона. Повышение на 1°C в нижней тропосфере увеличивает количество водяного пара на 6–7%.

Интеграция модели показывает увеличение гидрологического цикла (глобальные средние осадки и испарение) на 1–2% через 5 лет. В более теплом климате атмосферный водяной пар определяется атмосферной циркуляцией, но глобальные осадки ограничиваются поверхностным испарением.

Это обусловлено неравномерностью приземного излучения и определяется приземными ветрами, устойчивостью пограничного слоя и поглощением коротковолновой радиации атмосферой.

Согласно Такахаши, сумма скрытого теплового потока и коротковолнового поглощения на поверхности определяется длинноволновым потоком над пограничным слоем. Модели, которые неточны на 100%, маловероятны. Следовательно, построчное интегрирование показывает более высокое поглощение водяным паром, чем то, что используется в климатических моделях. Следовательно, модели могут завышать поток скрытого тепла.

Поднимающийся водяной пар имеет далеко идущие последствия. Круговорот воды в атмосфере во всем мире не поспевает за быстрым ростом содержания водяного пара в атмосфере из-за незначительных изменений потока скрытого тепла.

Это говорит о том, что период пребывания водяного пара в атмосфере увеличивается, что снижает массообмен между пограничным слоем и конвективным потоком массы в тропиках. Этот результат противоречит некоторым представлениям об изменении климата, согласно которым по мере нагревания атмосфера становится более энергичной.

Средний вертикальный обмен масс между пограничным слоем и свободной атмосферой замедляет крупномасштабную атмосферную циркуляцию. Неясно, насколько это повлияет на тропические циклоны, хотя может ограничить их количество в более теплом климате.

Соотношение Клаузиуса-Клапейрона влияет на перенос водяного пара к полюсу и характер испарения-осаждения (E-P).

Влажные регионы становятся более влажными по мере накопления водяного пара в нижних слоях тропосферы, а сухие регионы становятся суше. Этот вывод имеет важное значение для прогнозирования будущих моделей осадков в условиях потепления.

Это включает в себя увеличение количества осадков в зоне межтропической конвергенции (ITCZ) и траектории штормов в средних и высоких широтах и ​​меньшее количество осадков в Средиземноморье, Калифорнии, Техасе, а также на юге Африки и юге Австралии.

Черный мальчик пьет воду из кухонного крана

Экстремальные изменения количества осадков

Гамма-функция лучше всего описывает распределение осадков как функцию времени, поскольку большая часть осадков выпадает через короткие промежутки времени. Наиболее интенсивные осадки вызывают мелкомасштабные конвективные системы с большими вертикальными перемещениями.

Бенгтссон говорит, что конвективные процессы присутствуют почти во всех системах осадков, включая теплые фронты в высоких широтах зимой. Конвекционные штормы, такие как тропические циклоны, вызывают интенсивные осадки. В таких случаях менее чем за 12 часов выпало 1000 мм и более дождя.

Наибольший ущерб обществу наносят сильные осадки, длящиеся от нескольких часов до суток. Как могут измениться сильные осадки в условиях потепления климата?

В моделях с более теплым климатом количество экстремальных осадков увеличивается. Экстремальные 6-часовые осадки увеличиваются на 40–50% в районе траектории шторма (на 99-м процентиле или выше). По мере уменьшения среднего количества осадков спектр осадков смещается.

Поскольку потепление климата до сих пор было умеренным, всего около 25% по сравнению с экспериментом Бенгтссона и др., мы думаем, что будет трудно различить такие изменения во временном спектре осадков.

Аллан и Соден обнаружили сигналы естественной изменчивости. Это требует длительных и качественных наблюдений. Карл и Найт сообщили об увеличении количества осадков на 90-й процентиль или выше над центральной частью США, что согласуется с моделью Семенова и Бенгтссона.

Прогнозируемое моделью увеличение количества интенсивных осадков может иметь серьезные последствия. Изменения интенсивности осадков снизят вероятность экстремальных явлений.

Используя тот же модельный эксперимент, что и Семенов и Бенгтссон, 50-летний возвратный сток в реке Янцзы был изменен на 5-летний возвратный сток для климата, прогнозируемого в конце века с использованием сценария МГЭИК A1B (умеренный). Если такие изменения происходят, меры по защите от наводнений должны быть немедленно модернизированы.

Люди также спрашивают

Как вы объясните круговорот воды?

Водяной пар образуется при испарении жидкой воды, затем этот водяной пар конденсируется, образуя облака, и падает обратно на землю в виде дождя и снега. Различные этапы прохождения воды через атмосферу (транспорт).

Какова важность круговорота воды?

Круговорот воды является критически важным процессом, который контролирует погодные условия на нашей планете и обеспечивает доступность воды для всех живых существ. Чистая вода, необходимая для жизни, закончилась бы, если бы вода не перерабатывалась естественным путем.

Где начинается круговорот воды?

Круговорот воды не имеет начала. Однако, поскольку моря содержат большую часть воды на Земле, мы начнем с них. Вода в океане нагревается солнцем, что обеспечивает круговорот воды. Часть его выбрасывает пар в атмосферу.

Что влияет на круговорот воды?

Этот цикл становится более интенсивным в результате изменения климата, поскольку при повышении температуры воздуха в атмосферу испаряется больше воды. Более сильное поглощение водяного пара более теплым воздухом может привести к более сильным ливням, которые могут вызвать серьезные проблемы, такие как чрезмерные наводнения в прибрежных городах по всему миру.

Вывод

Водяной пар имеет решающее значение для климата. Вода с поверхности Земли охлаждает поверхность и нагревает атмосферу на 80 Вт м-2. Водяной пар переносит энергию между низкими и высокими широтами.

Круговорот воды влияет на циркуляцию океана, поскольку чистое испарение увеличивает соленость, в результате чего конвекция в верхних слоях океана и чистые площади осадков становятся противоположными. Водяной пар является основным парниковым газом, но он контролируется температурой, поэтому он является частью цикла климатической обратной связи.

Все признаки указывают на то, что водяной пар является положительной обратной связью с климатом, но его сила зависит от модели.

Это в значительной степени связано со сдвигами температуры и вертикального градиента в низких и высоких широтах, поскольку связанная обратная связь по вертикальному градиенту водяного пара является надежной. В более теплом климате количество водяного пара увеличивается быстро, но глобальные осадки могут увеличиваться медленнее. В более теплом климате в местах с высоким уровнем осадков будет наблюдаться их увеличение, а в районах с низким уровнем осадков — их уменьшение, что сделает гидрологический цикл более интенсивным.