В отличие от испарения, сублимация превращает снег и лед непосредственно в газ
Эта история была первоначально опубликована на The Conversation и опубликована здесь под лицензией Creative Commons.
Ручьи, реки и озера, которые питаются тающим снегом на американском Западе, по состоянию на середину июля 2021 года уже иссякают, к большому беспокойству таких фермеров, биологов и снежных гидрологов, как я. Это неудивительно в Калифорнии, где уровень снега предыдущей зимой был значительно ниже нормы. Но это также верно для Колорадо и Скалистых гор, где в целом выпало нормальное количество снега. Вы думаете, что если бы было нормальное количество снега, у вас было бы много воды вниз по течению, верно?
Более века назад специалист по снегу Джеймс Черч из Университета Невады в Рино начал изучать зависимость количества снега в горах от количества воды в реках, питаемых тающим снегом. Но, как узнали гидрологи за многие десятилетия, корреляция между снегом и речным стоком не идеальна. Удивительно, но многие исследователи не знают, как снежный покров связан с реками.
Конечно, засушливая зима приведет к скудным стокам весной и летом. Но есть и другие причины, по которым снег с гор не достигает реки внизу. Одной из растущих областей исследований является изучение того, как засухи могут привести к хронически сухой почве, которая поглощает больше воды, чем обычно. Эта вода также пополняет грунтовые воды ниже.
Но другой, менее изученный способ потери влаги - это испарение прямо в атмосферу. Точно так же, как количество снега меняется каждый год, меняется и потеря воды в воздухе. При правильных условиях в воздух может исчезнуть больше снега, чем тает в реках. Но то, как снегопад и потеря влаги в воздухе связаны с уровнем воды в реках и озерах, является важной и недостаточно изученной частью круговорота воды, особенно в засушливые годы.
Есть два пути, по которым влага может попасть в атмосферу до того, как она попадет в ручей или реку. Первый - через испарение. Когда вода поглощает достаточное количество солнечной энергии, молекулы воды превращаются в газ, называемый водяным паром. Этот плавающий водяной пар затем хранится в воздухе. Большая часть этого испарения происходит с поверхности озер, из воды в почве или когда тает снег и вода течет по камням или другим поверхностям.
Еще один способ попадания влаги в атмосферу - это способ, с которым вы, возможно, менее знакомы: сублимация. Сублимация - это когда твердое вещество сразу превращается в газ - подумайте о сухом льде. То же самое может случиться с водой, когда снег или лед превращаются непосредственно в водяной пар. Когда воздух холоднее нуля, происходит сублимация, когда молекулы льда и снега поглощают столько энергии, что переходят из жидкой формы в газообразное.
Ряд атмосферных условий может привести к повышенному испарению и сублимации и, в конечном итоге, к уменьшению количества воды, попадающей в ручьи и ручьи. Сухой воздух может поглощать больше влаги, чем влажный воздух, и вытягивать больше влаги из земли в атмосферу. Сильные ветры также могут уносить влагу в воздух и уносить ее от места, где она первоначально упала. И, наконец, чем теплее воздух и чем ярче светит солнце, тем больше энергии доступно для превращения снега или воды в пар. Когда вы получаете комбинации этих факторов, таких как теплые, сухие ветры в Скалистых горах, называемые ветрами чавычи, испарение и сублимация могут происходить довольно быстро. В сухой ветреный день в атмосферу может сублимировать до двух дюймов снега. Это означает примерно один бассейн с водой на каждый участок снега размером с футбольное поле.
Относительно легко измерить, сколько воды течет через реку или озеро. А используя спутники и снежные съемки, гидрологи могут получить достоверную оценку того, сколько снега лежит на горном хребте. Измерить испарение, а особенно сублимацию, гораздо сложнее.
Сегодня исследователи обычно оценивают сублимацию косвенно, используя уравнения физики и модели ветра и погоды. Но в этих расчетах много неопределенностей и неизвестных. Кроме того, исследователи знают, что наибольшая потеря влаги в результате сублимации происходит в альпийской местности над линией деревьев, но специалисты по снегу редко измеряют там глубину снега. Это еще больше увеличивает неопределенность в отношении сублимации, потому что, если вы не знаете, с каким количеством влаги начала работать система, трудно определить, сколько влаги было потеряно.
Наконец, погода и глубина снежного покрова сильно меняются от года к году. Все это делает измерение количества снега, который выпадает и затем теряется в атмосфере, невероятно сложным.
Когда ученые смогли измерить и оценить сублимацию, они измерили потери влаги, которые колеблются от нескольких процентов до более чем половины общего количества снегопадов, в зависимости от климата и того, где вы находитесь. И даже в одном месте сублимация может сильно различаться из года в год в зависимости от снега и погоды.
Когда влага попадает в атмосферу, она в конце концов выпадает на поверхность в виде дождя или снега. Но это может быть на другой стороне Земли и не поможет пострадавшим от засухи районам.
Трудно сказать, насколько важна потеря влаги в атмосфере для общего круговорота воды в любом данном горном массиве. Автоматизированные системы мониторинга снега, особенно на больших высотах над линией деревьев, могут помочь исследователям лучше понять, что происходит со снегом и какие условия вызывают потери в атмосфере.
Количество воды в реках - и когда эта вода появляется - влияет на сельское хозяйство, экосистемы и образ жизни людей. При нехватке воды возникают проблемы. Поскольку изменение климата приводит к большему количеству засух и изменчивой погоде, важно заполнить пробел в знаниях о круговороте воды, например, о сублимации.
Стивен Р. Фасснахт - профессор гидрологии снега в Университете штата Колорадо.