Водный баланс атмосферы — это соотношение между поступлением и выбытием водяного пара в атмосфере за определённый промежуток времени. Он представляет собой замкнутую систему, в которой непрерывно происходят процессы испарения, конденсации, выпадения осадков и переноса водяного пара. Все эти процессы определяют содержание влаги в атмосфере и её перераспределение в пространстве и времени.
Главные элементы водного баланса включают:
Общее выражение водного баланса атмосферы может быть записано как:
P = E + ΔW + R
где P — количество осадков, E — испарение, ΔW — изменение содержания влаги в атмосфере, R — сток (в контексте атмосферы — перенос влаги в другие регионы или выпадение за пределами наблюдаемой области).
Вода в атмосфере находится в трёх агрегатных состояниях: в виде пара, жидкости (водяные капли) и льда (кристаллы). Водяной пар невидим, в то время как облака и осадки представляют собой конденсированные формы влаги.
Содержание водяного пара в атмосфере определяется параметрами:
Максимальное содержание влаги в воздухе зависит от температуры: чем выше температура, тем больше водяного пара может удерживаться без конденсации.
Главным источником влаги в атмосфере является испарение с поверхности океанов, морей, озёр, рек, почвы и растительности. Наибольшее количество влаги поступает от Мирового океана, который покрывает около 71% поверхности Земли и активно испаряет воду благодаря высокой теплоёмкости и воздействию солнечной радиации.
Испарение с суши значительно менее интенсивно и зависит от:
Испарение с поверхности растительности (транспирация) также играет существенную роль. Совокупный процесс испарения с открытых водоёмов, почвы и с поверхности растительности называется эвапотранспирацией.
Осадки представляют собой основной путь удаления влаги из атмосферы. Они возникают в результате конденсации водяного пара в облаках, приводящей к образованию капель или кристаллов, которые, укрупняясь, выпадают на поверхность под действием силы тяжести.
Формы осадков включают:
Количество осадков, выпадающих в различных регионах, зависит от циркуляционных особенностей атмосферы, рельефа, температуры и влажности воздуха.
Перемещение водяного пара в атмосфере происходит за счёт адвекции (горизонтальный перенос) и конвекции (вертикальный перенос). Эти процессы играют ключевую роль в перераспределении влаги между различными регионами земного шара.
Глобальная циркуляция атмосферы формирует основные пути переноса влаги: от зон избытка испарения (экваториальные и субтропические широты) к зонам избытка осадков (умеренные и полярные широты). Перенос влаги происходит преимущественно в нижних 2–3 км тропосферы, где сосредоточено до 80% всей атмосферной влаги.
Фронтальные зоны, циклоны и антициклоны способствуют вертикальным и горизонтальным движениям воздуха, вызывающим как накопление влаги, так и её осаждение.
Водный баланс атмосферы не является одинаковым над сушей и океаном.
Этот дисбаланс компенсируется переносом водяного пара ветрами. Избыточный водяной пар, испаряющийся с океана, транспортируется над сушу, где он конденсируется и выпадает в виде осадков. Далее вода возвращается в океан по речной сети или в виде подземного стока.
Климатические изменения значительно влияют на водный баланс атмосферы. Потепление климата сопровождается увеличением испарения, особенно над океаном, и потенциальным увеличением водяного пара в атмосфере. Согласно уравнению Клапейрона-Клаузиуса, насыщенное парциальное давление водяного пара возрастает экспоненциально с ростом температуры, что увеличивает влагосодержание при прочих равных условиях.
Следствием этого являются:
Таким образом, водный баланс атмосферы находится в динамическом равновесии и чувствителен к малейшим изменениям в радиационном, термодинамическом и циркуляционном режимах атмосферы.
Водный баланс атмосферы может оцениваться с помощью:
Особое значение имеет интегрированное содержание водяного пара (IWV), определяемое радиометрическими методами и используемое для оценки влагозапаса в атмосфере.
Влага в атмосфере является не только компонентом водного, но и энергетического баланса. При фазовых переходах (испарение, конденсация, сублимация) происходит поглощение или выделение скрытой теплоты, которая участвует в формировании температурного режима и термической стратификации атмосферы.
Конденсация влаги при образовании облаков и осадков — один из основных источников энергии для вертикальных движений, особенно в конвективных системах (тропических циклонах, грозах). Таким образом, водный и энергетический балансы атмосферы неразрывно связаны и должны рассматриваться в единой системе.