Symulacja cyklu wodnego: Spalinowanie, kondensacja i zasada zachowania mas

Pięć zbiorników, jedna zachowana ilość

Cykl wodny nie jest tyle cyklem, ile zestawem zbiorników wymieniających stricte zachowaną masę: ocean, atmosfera, powierzchnia lądowa (rzeki, jeziora, wilgotność gleby), podwodne wody i lod. Każdy strzałka między nimi — wykasywanie, kondensacja, opad, spływ powierzchniowy, infiltrowanie — przekształca masę z jednego zbiornika do innego; nic nie jest tworzone ani utracone. Poprawna symulacja musi śledzić tę masę jasno, co czyni cykl wodny prawdziwym i dobrym przykładem prawa zachowania, które można obserwować w czasie rzeczywistym.

d(mass_i)/dt = sum of inflows to reservoir i - sum of outflows

sum over all 5 reservoirs of mass_i  =  constant, always

Clausius-Clapeyron: dlaczego ciepłe powietrze przechowuje więcej wody

Ewentalizacja i kondensacja są regulowane relacją Clausiusa-Clapeyrena, która mówi, że ciśnienie paru wodnego na punkcie zanotowania wzrasta prawie wykładniczo ze wzrostem temperatury. Praktyczna forma używana w modelach meteorologicznych i klimatycznych to przybliżenie Magnusa (Tetena):

e_s(T) = 6,1094 * exp( 17,625*T / (T + 243,04) ) // hPa, T w °C // reguła palcami: przechowawczość atmosfery w odniesieniu do wody wzrasta // około 7% dla każdego stopnia ciepłodawstwa demo live · ewentalizacja, kondensacja i przepływ masy między rezerwatorami● LIVE To skaliwanie o 7%-na-stopień jest powodem, dla którego ciepła atmosfera nie tylko czuje się bardziej wilgotna — może przechowywać znacząco więcej wody przed osiągnięciem punktu zanotowania, co jest jednym z najjawniejszych i najlepiej kwantyfikowalnych połączeń między globalną temperaturą a intensywnością obu zagubień wilgoci (większy żądanie ewentalizacyjne) i deszczów ciężkich (więcej wody dostępnej do kondensacji na raz).

e_s(T) = 6.1094 * exp( 17.625*T / (T + 243.04) )     // hPa, T in °C

// rule of thumb: the atmosphere's water-holding capacity rises
// about 7% for every 1°C of warming

Zamiana w gęsiak i opadanie deszczu

Powietrze staje się zasypane, gdy jego rzeczywista ciśnienie paru wodnego równe jest e_s(T) — równoznacznie, gdy temperatura spada do punktu gęsiaka. Podnosząc wilgotne powietrze (nad górą, po frontie, w podmuchu burzowym), to powietrze chłodzi się adiabatycznie aż do przekroczenia tego próg; nukleatory zjawisk gęsiackich (pył, sol, poluptycja) pozwalają na formowanie kropl wodnych, a już po tym, jak krople stały się ciężkie do przeciwstawienia się podmuchowi i oporu powietrza, deszcz opada.

Gdzie woda z deszczu przechodzi po opadnięciu: wprowadzanie w glebę przeciwko przepływu nadgruntu

Na powierzchni ziemi cykl wodny oddziela się ponownie. Woda albo wpada do kolumny gleby, z czasem zaokrąglając podwórek gruntowy, albo przepływa nadgruntowo do sieci zlewnych — to samo podziałowanie, które metoda flash-flood Curve Number wykorzystuje do oszacowania. Woda, która nie odpłynie ani się nie przepływi nadgruntu, powraca do atmosfery przez ekspresję i transpirację, zamykając pętlę na lądzie w taki sam sposób, jak ekspresja morza otwartego zamknie ją nad morzem.

Czasy przestrzenne: cykl toczy się na ogromnie różnych prędkościach

atmosfera ≈ 9 dni rzeki ≈ 2-6 miesięcy gospodarki glebowe ≈ 1-2 miesiące jeziora ≈ lata do dekad woda podziemna ≈ lata do setki tysięcy lat poludzia lodowe ≈ tysiące do setki tysięcy lat ocean ≈ ~3 000 lat (średnio) Molukuwa wody spędzi większość swojej istnienia zamarzniętej w lodzie lub oceanie, a tylko okresową dziewięć dni, na średnim poziomie, w atmosferze między sublimacją a upadaniem — co jest również przyczyną tego, że prognozy pogodowe stracone są precyzji po około tygodniu: wilgoć atmosfery, która ją napędza, odwraca się prawie tak szybko.

atmosphere        ≈ 9 days
rivers             ≈ 2-6 months
soil moisture      ≈ 1-2 months
lakes              ≈ years to decades
groundwater        ≈ years to tens of thousands of years
ice sheets         ≈ thousands to hundreds of thousands of years
ocean              ≈ ~3,000 years (mean)

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Global Water Cycle Visualization i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.