Посудин укр.

Енергія, що відповідає потоку фотонів через одиницю поверхні за одиницю часу ( густина потоку фотосинтетичних фотонів ), ілена на мль фотонів, дорівнює загальній енергії Е фотонів,що проходять через одиницю поверхні за одиницю часу , поділеній на енергію одного фотона Е1:

ГПФФ ( моль м-2 с-1) / 1 моль = Е ( Дж )/S( м2)t( с ) Е1( Дж ).

Звідси

ГПФФ = 500 ( Дж м-2 с-1 ) 1 моль/ 2,35 105 Дж моль-1 = = 2,1 10-3 моль м-2 с-1.

Контрольне завдання

Чому дорівнює густина потоку енергії (Вт м-2 ) в смузі ФАВ, якщо ГПФФ становить 1000 мкмоль м-2 с-1?

Відповідь: 238 Вт м-2.

Парно-вибірковий тест

Знайти відповідні пари “радіометр – тип випромінювання, для вимірювання якого він призначений”

а. піранометр 1. для вимірювання низхідного (атмосферного) або висхідного (земної поверхні) довгохвильового випромінювання в межах цілої півсфери

б. альбедометр 2. для вимірювання прямого сонячного випромінюван-

В чому полягають гіпотези О. Л. Чижевського щодо періодичності сонячної активності?

Альтернативний тест

Чи вірно ствердження, що:

Точність піранометра першого класу становить ± 1,0 %. Так Ні

Акордно-вибірковий тест

Знайти вірні відповіді на запитання

136

11. ОПАДИ

11.1. Параметри опадів

Будь-які форми води, такі як дощ, паморозь, сніг, град, снігова та льодова крупа, що падають на земну поверхню, називаються опа-

дами.

Перехід від туману (хмари) до дощу визначається швидкістю руху дощових краплин, яка залежить від їхнього розміру. Частинки туману мають сферичну форму та розмір менший, ніж 0,1 мм; краплини дощу мають сплюснуту форму та розміри від 0,1 мм до 9 мм.

Розглянемо основні параметри опадів – твердих або рідких продуктів конденсації водяної пари, що падають з хмар чи осаджуються з повітря на земну поверхню.

Кількість опадів, що випали, вимірюють товщиною (в міліметрах) того шару, який би утворився на земній поверхні, коли б опади не стікали, не випаровувалися і не просочувалися у грунт.

Інтенсивність опадів відповідає кількості опадів у міліметрах, яка випадає за 1 хв. За інтенсивністю опади поділяють на слабкі, помірні та сильні. Якщо інтенсивність опадів перевищує 1 мм за 1 хв, то такі опади належать до злив.

Тривалість опадів – параметр, що характеризує, як довго тривають опади.

Треба розрізняти ці параметри – помірний дощ протягом доби може дати 120 мм опадів, тоді як під час зливи цю кількість опадів можна зареєструвати за 20 хв. Отже, кількість опадів у розглянутих двох прикладах однакова, а інтенсивність і тривалість – різні.

Розглянемо процеси, які пов’язані з опадами.

Випаровування перехід речовини з рідкого стану в газоподібний (пару). За рік з поверхні Світового океану випаровується близько 450 103 км3 води, а з поверхні суші близько 70 103 км3. Швидкість випаровування залежить від вологості повітря, температури поверхні, вітру.

Конденсація перехід речовини внаслідок охолодження або

138

тиску з газоподібного стану в рідкий. Конденсація можлива при температурах, менших критичних для даної речовини. Критичною температурою для атмосферної води є температура плавлення льоду (273,2 К). Необхідною умовою конденсації є наявність центрів конденсації, функції яких в атмосфері виконують дрібні частинки аерозолі або іонізовані атоми. Основними продуктами конденсації є туман, роса,

іній, паморозь, ожеледь тощо.

Процес одночасної конденсації і розсіювання водяної пари в атмосфері супроводжується утворенням хмар. Воду, яка випадає на земну поверхню з хмар у рідкому або твердому стані називають атмосферними опадами. За зовнішнім виглядом розрізняють такі типи опадів як дощ, сніг, крупа, град, мряка тощо. Відповідно до характеру випадання опади поділяють на облогові, зливові та мрячні. Стресову ситуацію можуть викликати град і зливові дощі.

Град це продукт конденсації водяної пари у грозових хмарах, де висхідні потоки повітря рухаються зі швидкістю більше, ніж 10 м/с, а температура становить 20... 30 0С. У 1993 р. у Кіровоградській області градини мали розміри курячого яйця; град завдав шкоди загинуло 35 тис. га сільськогосподарських посівів. У 1984 р. у Таджикистані випав град, причому маса градин досягала 880 г.

Зливи це дощі з інтенсивністю більш, ніж 0,5 мм за хвилину. Для Українських Карпат найхарактерніші зливи, що викликають селеві та зливові потоки. Зливові дощі призводять до вимивання рослин навіть на невеликих схилах, пошкодження посівів, водної ерозії грунту.

11.2. Взаємодія опадів з навколишнім середовищем

Під час взаємодії опадів з елементами рослинного покриву (листя, гілки, стовбури) частина опадів затримується рослиною та не досягає землі. Цей процес називається інтерцепцією. Частина води, що затримується, випаровується в атмосферу.

Процес інтерцепції залежить від типу рослинності (хвойний чи листяний покрив, дерева, кущі чи трава), структури та густини рослинного покриву, метеорологічних факторів (параметрів опадів, сонячного освітлення, вітру). Контроль інтерцепції важливий з точки зору вивчення процесів утворення кислотних дощів та їх впливу на лісові екосистеми.

139

11.3. Ізотопи в опадах

Ядро характеризується масовим числом А (загальним числом нуклонів), атомним номером Z (що дорівнює числу протонів та порядковому номеру хімічного елемента в періодичній системі) та чис-

лом нейтронів N = A – Z.

Ядро позначається символом ZА X , де Х – символ хімічного елемента. Наприклад, 2656 Fe означає, що масове число заліза дорівнює 56, а атомний номер – 26.

Ядра з однаковими атомними номерами Z, але з різними масовими числами А та числами нейтронів N називаються ізотопами (від грецьких слів ίσος (iso-, "рівний", "той же самий") та τόπος ("місце").

Наприклад, йод 127І має масове число А=127, число протонів

Z=53 і число нейтронів N=74; у той же час у природі існують ізотопи йоду 123І, 125І та 131І, в яких число нейтронів N становить 70, 72 та 78

відповідно. Як приклад наведемо ізотопи вуглецю 116 С , 126 С , 136 С , 146 С . Стабільні ізотопи характеризуються відсутністю радіоактивно-

го розпаду у часі.

Молекула води складається з двох атомів: водню Н та кисню О.

Ці елементи мають такі стабільні ізотопи: 1H: 99.9844%; 2D: 0,0156%;

16O: 99,763%; 17O: 0,0375%; 18O: 0,1995%.

11.4. Фракціонування ізотопів

Застосування сучасних методів аналізу показує, що різні ізотопи елементів поводять себе по-різному у фізичних процесах (важкі ізотопи мають меншу рухливість та швидкість дифузії) та хімічних реакціях (атоми різних ізотопів відрізняються розмірами та атомною вагою). Наявність такої різниці у поведінці ізотопів називається фра-

кціонуванням ізотопів.

Поширеність стабільних ізотопів виражається як відношення двох найпоширених ізотопів у зразку до такого ж відношення ізотопів у міжнародному стандарті. Позначається така поширеність дельтафункцією:

де Rsample − відношення 18O/16O або 2H/1H у зразку та Rstandard − для міжнародного стандaрту.

Оскільки різниця між відношеннями у зразку та міжнародному

140

стандарті незначна, вона виражається у ”проміле” (одна десята процента або одна тисячна; позначається як ‰).

У табл. 11.1 наведено міжнародні стандарти та абсолютні відношення для деяких ізотопів у навколишньому середовищі. Такі елементи як водень та кисень мають кілька міжнародних стандартів.

11.1. Міжнародні стандарти та абсолютні відношення для деяких ізотопів у навколишньому середовищі.

11.5. Стабільні ізотопи у процесі опадів

Протягом водного циклу відношення ізотопів змінюються завдяки процесам випаровування та конденсації. Глобальний клімат, регіональна топографія та розподіл вологості впливають на ці зміни. Ядра атомів відповідають за фізичні властивості води: легкі молекули води скоріше випаровуються з поверхні океанів та збагачують атмосферну пару легкими ізотопами 16O. Теж саме можна сказати про рослини, які збагачують атмосферу легкими ізотопами через транспірацію. Отже, маси атмосферного повітря з легкими ізотопами рухаються

141

до півночі, де вони охолоджуються та покидають атмосферу у вигляді опадів, збагачених важкими ізотопами 18O (рис. 11.1), тоді як в атмосфері залишаються легкі ізотопи 16O.

18О

North

Ocean Північ Поверхня

surface

океану

Рис. 11.1. Рух маси атмосферного повітря з легкими ізото-

пами

Таким чином, застосування техніки стабільних ізотопів в екогідрології дає можливість вивчити походження та вік великих мас води, оцінити рівень їх перемішування, визначити місцезнаходження та параметри водних потоків.

11.6. Вимірювання опадів

Прилад для збирання та вимірювання рідких опадів протягом певного проміжку часу називається дощоміром (наприклад, кількість опадів у мм протягом 24 год).

Дощомір складається з ємності, відкритої зверху, яка містить два елементи – колектор і приймач (рис. 11.2).

Колектор має циліндричну або конусоподібну форму; площа отвору його становить близько 100−200 см2. Приймач обладнаний шкалою для вимірювання зібраної води. Для запобігання випаровування на поверхню води наносять шар нафти товщиною 5 мм. Вершина приладу розташована на висоті 30 см від земної поверхні. Вся конструкція розміщується на бетонному фундаменті.

142

Невеликий магніт виконує функції контакту, що замикає електричний ланцюг. Кількість опадів відповідає кількості замикань ланцюга, тоді як час між двома замиканнями дає можливість оцінити інтенсивність дощу.

Сифонний дощомір являє собою циліндричний резервуар, обладнаний поплавком, що поєднується з пером самописа (рис. 11.4). За допомогою сифону резервуар звільнюється від води, коли кількість її досягне певного рівня, і перо самописа повертається в початковий стан.

Рис. 11.4. Си-

фонний дощомір

Ваговий опадомір базується на постійному контролі ваги води, зібраної в контейнері, за допомогою вимірювальної системи. Контейнер поєднаний з пружинним механізмом та шкалою (рис. 11.5). Процес запису опадів триває від 24 год до 7 діб.

144

Рис. 11.5. Ваговий дощомір

Дистанційне зондування. Оцінювання опадів на відстані здійснюється за допомогою радіолокаційних засобів, зокрема Допплерівського локатора, який дозволяє оцінити швидкість руху дощових крап-

лин, або поляриметричного Допплерівського локатора; останній дає можливість визначати горизонтальні та вертикальні розміри дощових краплин.

Застосування супутників дає можливість здійснювати аналіз та прогнозування опадів. З цією метою використовують супутники, що рухаються на геостаціонарних орбітах, тобто по колу над екватором;

до них належать GOES-8, GOES-10, GMS-5, Metsat-6, та Metsat-7, або низькоорбітальні супутники, такі як TRMM, NOAA-15, -16, -17, DMSP F13, F14, F15.

Слід відзначити супутник Tropical Rainfall Measuring Mission

(TRMM) сумісного виробництва США та Японії, призначений для моніторингу опадів у тропіках. Він обладнаний радіолокатором для детектування опадів, системою побудови зображень, радіометром видимої та інфрачервоної облсті, сенсором блискавок та хмар. Така супутникова система дає можливість аналізувати глобальні опади протягом

145