В жаркую и сухую погоду снег может исчезать прямо в атмосфере

Ручьи, реки и озера, питаемые тающим снегом, уже в середине июля 2021 года истощаются, что вызывает беспокойство у фермеров, биологов и специалистов по гидрологии снега. Это неудивительно в Калифорнии, где уровень снега за предыдущую зиму был значительно ниже нормы. Но это справедливо и для Колорадо и Скалистых гор, где в целом выпало нормальное количество снега. Казалось бы, при нормальном количестве снега должно быть много воды ниже по течению, верно?

Более века назад ученый-снеговед Джеймс Черч из Университета Невады в Рино начал изучать, как количество снега на горах связано с количеством воды в реках, питающихся тающим снегом. Но, как выяснили гидрологи за многие десятилетия, корреляция между количеством снега и речным стоком не является идеальной. Удивительно, но исследователи многого не знают о том, как снежный покров связан с реками.

Конечно, сухая зима приведет к скудному стоку весной и летом. Но есть и другие причины, по которым снег с гор не доходит до реки внизу. Одна из растущих областей исследований посвящена изучению того, как засухи могут привести к хронической сухости почвы, которая всасывает больше воды, чем обычно. Эта вода также пополняет грунтовые воды внизу.

Но есть и другой, менее изученный способ потери влаги - испарение прямо в атмосферу. Как количество снега меняется каждый год, так и потери воды в воздух. При благоприятных условиях в воздух может улетучиваться больше снега, чем тает в реках. Но то, как снегопады и потери влаги в воздух связаны с уровнем воды в реках и озерах, - важная и недостаточно хорошо изученная часть круговорота воды, особенно в засушливые годы.

Существует два способа потери влаги в атмосферу до того, как она попадет в ручей или реку.

Первый - это испарение. Когда вода поглощает достаточно энергии от Солнца, молекулы воды превращаются в газ, называемый водяным паром. Этот испаряющийся водяной пар затем накапливается в воздухе. В основном это испарение происходит с поверхности озер, из воды в почве или при таянии снега, когда вода стекает по камням или другим поверхностям.

Еще один способ потери влаги в атмосфере, с которым вы, возможно, не так хорошо знакомы: сублимация. Сублимация - это когда твердое вещество превращается в газ, например, сухой лед. То же самое может происходить и с водой, когда снег или лед превращается в водяной пар. Когда воздух холоднее нуля, сублимация происходит, когда молекулы льда и снега поглощают столько энергии, что переходят в жидкую форму и сразу превращаются в газ.

Ряд атмосферных условий может привести к усиленному испарению и сублимации и, в конечном счете, к уменьшению количества воды в ручьях и реках. Сухой воздух может поглощать больше влаги, чем влажный, и втягивать больше влаги с земли в атмосферу. Сильные ветры также могут поднимать влагу в воздух и удалять ее от места, где она изначально выпала. И наконец, чем теплее воздух и чем больше светит солнце, тем больше энергии доступно для превращения снега или воды в пар. При сочетании этих факторов - например, теплых сухих ветров в Скалистых горах, называемых ветрами Чинук, - испарение и сублимация могут происходить довольно быстро. В сухой ветреный день в атмосферу может сублимироваться до двух дюймов снега. Это означает, что на каждую площадь снега размером с футбольное поле приходится примерно один бассейн воды.

Измерить количество воды в реке или озере относительно просто. А с помощью спутников и снегомерных съемок гидрологи могут получить приличные оценки количества снега на горном хребте. Измерить испарение, и особенно сублимацию, гораздо сложнее.

Сегодня исследователи обычно оценивают сублимацию косвенно, используя физические уравнения и модели ветра и погоды. Но в этих расчетах много неопределенностей и неизвестных. Кроме того, исследователи знают, что наибольшая потеря влаги при сублимации происходит в альпийской местности выше линии тропиков, но ученые-снеговеды редко измеряют там глубину снега. Это еще больше увеличивает неопределенность вокруг сублимации, потому что если вы не знаете, сколько влаги было в системе изначально, трудно определить, сколько было потеряно.

Наконец, погода и глубина снежного покрова сильно варьируются от года к году. Все это делает измерение количества снега, который выпадает и затем теряется в атмосфере, невероятно сложным.

Когда ученым удавалось измерить и оценить сублимацию, они получали данные о потерях влаги, составляющих от нескольких процентов до более чем половины всего выпавшего снега, в зависимости от климата и места, где вы находитесь. И даже в одном месте сублимация может сильно варьироваться из года в год в зависимости от снега и погоды.

Когда влага уходит в атмосферу, она рано или поздно выпадает на поверхность в виде дождя или снега. Но это может произойти на другом конце Земли, и это не поможет пострадавшим от засухи районам.

Трудно сказать, насколько важны потери влаги в атмосферу для общего круговорота воды в каждом конкретном горном массиве. Автоматизированные системы мониторинга снежного покрова - особенно на больших высотах над линией горизонта - могут помочь исследователям лучше понять, что происходит со снегом и каковы условия, вызывающие его потери в атмосферу.

Количество воды в реках - и время ее появления - влияет на сельское хозяйство, экосистемы и образ жизни людей. Когда воды не хватает, возникают проблемы. Поскольку изменение климата ведет к увеличению засух и изменчивости погоды, восполнение пробелов в знаниях о круговороте воды, таких как сублимация, имеет большое значение.