Атмосферные осадки — жидкая или твёрдая вода, выпадающая из облаков и достигающая земной поверхности: дождь, морось, снег, снежная крупа, ледяная крупа, град и ледяной дождь. В климатологии количеством осадков называют толщину слоя воды, который образовался бы на горизонтальной непроницаемой поверхности без стока, просачивания и испарения; один миллиметр соответствует одному литру воды на квадратный метр.
Облака и зарождение частиц
Облако возникает, когда влажный воздух охлаждается до насыщения, чаще при подъёме и адиабатическом расширении. Водяной пар конденсируется на аэрозольных ядрах в капли. При отрицательной температуре часть капель остаётся переохлаждённой; лёд зарождается на подходящих ядрах или при гомогенном замерзании при очень низких температурах. Переход пара непосредственно в лёд называют десублимацией; в метеорологической литературе исторически встречается «сублимация» в широком смысле.
Само наличие облака не гарантирует осадки: начальные капли и кристаллы слишком малы и удерживаются восходящими движениями. Нужны укрупнение частиц и достаточная глубина облака. Микрофизика зависит от температуры, содержания жидкой воды, аэрозоля, вертикальных скоростей и времени существования облака.
Укрупнение капель и ледяной процесс
В тёплом облаке крупные капли падают быстрее мелких, сталкиваются с ними и сливаются — это коалесценция. Эффективность столкновения зависит от размеров, электрических зарядов и турбулентности. Когда капля становится достаточно крупной, сопротивление воздуха уже не удерживает её; при падении она может дробиться, испаряться или снова захватывать капли.
В смешанном облаке давление насыщенного пара над водой выше, чем над льдом. Поэтому пар преимущественно осаждается на кристаллах, а переохлаждённые капли испаряются: так работает процесс Вегенера—Бержерона—Финдайзена. Кристаллы растут, агрегируют в снежинки или обрастают замерзающими каплями, образуя крупу. При прохождении тёплого слоя снег тает в дождь; последующий холодный слой определяет, замёрзнут ли капли до поверхности или останутся переохлаждёнными.
Формы жидких и смешанных осадков
Дождь состоит из жидких капель, обычно крупнее капель мороси. Морось — очень мелкие многочисленные капли, часто выпадающие из низких слоистых облаков и медленно оседающие. Мокрый снег — снег, частично подтаявший при температуре около нуля, либо смесь снега и дождя; употребление термина в наблюдениях следует сверять с принятой кодировкой.
Ледяной дождь образуют переохлаждённые капли, которые замерзают при столкновении с поверхностью и создают гололёд. Это не то же самое, что ледяные зерна: последние успевают замёрзнуть в воздухе. Условия определяются вертикальным профилем температуры, поэтому температура только у земли недостаточна для диагноза.
Снег, крупа и град
Снег состоит из отдельных ледяных кристаллов и их агрегатов. Форма кристаллов зависит от температуры и пересыщения, а размер снежинок — от столкновений и облачной динамики. Снежная и ледяная крупа образуются при обмерзании кристаллов или замерзании капель, но различаются структурой и свойствами.
Град — слоистые куски льда, растущие в мощных кучево-дождевых облаках. Сильные восходящие потоки многократно переносят зародыши через области переохлаждённой воды; падение начинается, когда частица становится слишком тяжёлой или покидает восходящий поток. Град не следует объяснять одним «замерзанием дождя»: его формирует сложная конвективная циркуляция.
Интенсивность, продолжительность и тип
Количество — накопленная сумма за интервал, интенсивность — количество в единицу времени, продолжительность — время выпадения. Краткий ливень может иметь высокую интенсивность при небольшой суточной сумме; продолжительный умеренный дождь — большую сумму без экстремальной минутной интенсивности. Для инженерных и экологических задач важны интервалы осреднения, повторяемость и площадь охвата.
Конвективные осадки связаны с сильными вертикальными движениями, обычно локальны, кратковременны и интенсивны. Обложные осадки выпадают из протяжённых слоисто-дождевых облачных систем, часто связанных с фронтами, и охватывают большую территорию. Орографический подъём усиливает осадки на наветренном склоне и создаёт дождевую тень за хребтом. Реальные события могут сочетать механизмы.
Измерение на поверхности
Осадкомер собирает выпавшую воду в приёмный сосуд; твёрдые осадки растапливают и переводят в водный эквивалент. Плювиографы и автоматические приборы регистрируют временной ход. Главная систематическая проблема — ветровой недолов, особенно снега: поток отклоняет частицы от отверстия. Влияют смачивание стенок, испарение, забрызгивание, метель и человеческие ошибки. Защитные ограждения и поправки улучшают сопоставимость.
Снегомерная съёмка измеряет высоту и водный эквивалент снежного покрова, которые нельзя получить простой суммой зимних осадков из-за переноса ветром, уплотнения, таяния и испарения. Плотность снега связывает глубину с запасом воды.
Радиолокаторы и спутники
Метеорологический радиолокатор измеряет отражение микроволн гидрометеорами и по эмпирическим соотношениям оценивает интенсивность. Доплеровские и поляриметрические параметры помогают различать дождь, снег и град. Ошибки создают ослабление сигнала, рельеф, «яркая полоса» таяния, неодинаковое распределение размеров капель и высота луча. Калибровка по осадкомерам обязательна.
Спутниковые приборы оценивают облака и осадки по инфракрасному и микроволновому излучению, а активные радары дают вертикальную структуру вдоль трассы. Это незаменимо над океанами и малонаселёнными районами, но спутниковый продукт является алгоритмической оценкой. Объединённые наборы совмещают станции, радары, спутники и модели, сохраняя неопределённость каждого источника.
Пространственная и временная изменчивость
Осадки меняются на расстояниях от сотен метров в грозе до тысяч километров в циклоне. Широта, близость океана, рельеф, направление переноса и растительность формируют климатическое распределение. Сезонность определяется циркуляцией и доступной влагой: муссоны создают влажный и сухой сезоны, в умеренных широтах меняется вклад фронтальных и конвективных процессов.
Экстремальность всегда привязана к масштабу: рекорд за 10 минут, сутки и сезон описывает разные угрозы. Редкая сумма для засушливого района может быть обычной во влажных горах. Анализ частоты требует длинного однородного ряда и учёта переноса станции, смены прибора и методики.
Водный баланс и экосистемы
Осадки возвращают на сушу и океан воду, испарившуюся с поверхности, и являются входной частью водного баланса бассейна. Часть перехватывается растительностью и испаряется, часть инфильтрируется и пополняет почвенную влагу и грунтовые воды, остальное образует поверхностный сток. Интенсивный дождь на насыщенной или уплотнённой почве повышает риск паводка и эрозии.
Снег временно накапливает воду и высвобождает её при таянии, определяя весеннее питание рек и доступность влаги для растений. Время, форма и температура осадков влияют на промерзание почв, пожарную опасность, продуктивность и жизненные циклы организмов. Засуху нельзя оценивать одной суммой: важны испаряемость, запасы почвенной воды и распределение дождей по времени.
Химический состав и кислотные осадки
Осадки захватывают растворимые газы и аэрозоли в облаке и под ним. Их состав отражает морскую соль, пыль, продукты горения, аммиак и вторичные сульфаты и нитраты. Кислотными называют осадки с повышенной кислотностью, обычно вследствие серной и азотной кислот из SO₂ и NOx. Естественный дождь слабокислый из-за растворённого CO₂, поэтому экологическую оценку проводят по ионному составу, выпадению и чувствительности экосистемы, а не по одному пороговому pH.
Изменение климата
Потепление увеличивает способность воздуха содержать водяной пар и меняет циркуляцию, поэтому во многих регионах усиливается интенсивность сильных осадков, но региональные изменения средних сумм неодинаковы. Возможны одновременно более сильные ливни и более длительные сухие периоды. Доля дождя вместо снега растёт там, где температура приближается к нулю, изменяя сроки стока и снежные запасы.
Региональный вывод делают по наблюдениям и ансамблям моделей, а не механически переносят глобальную тенденцию. На станции тренд может маскироваться естественной изменчивостью и неоднородностью ряда.
Разграничение гидрометеоров
В российской метеорологической классификации роса, иней и изморозь — наземные гидрометеоры: вода осаждается или намерзает непосредственно на поверхности, а не выпадает из облака. Туман — взвесь капель или кристаллов у земли, уменьшающая видимость; это также не выпадающие осадки. Гололёд — слой льда на предметах, часто результат ледяного дождя, но сам слой является отложением. Различие основано на механизме образования, а не только на агрегатном состоянии воды.
Кратко
Атмосферные осадки образуются после укрупнения облачных капель и ледяных частиц и достигают поверхности как дождь, снег, град и другие формы. Их количество, интенсивность и продолжительность измеряют раздельно, объединяя осадкомеры, радары и спутники. Роса, иней, изморозь и туман к выпадающим осадкам не относятся.