Испарение и насыщение

Глава 4. Атмосферная влага

Испарение и насыщение

Водяной пар поступает в атмосферу вследствие испарения с поверхности водоемов и почвы (физическое испарение) и вследствие транспирации растений. Физическое испарение состоит в том, что отдельные молекулы воды отрываются от водной поверхности или от влажной почвы и переходят в воздух, образуя водяной пар. В воздухе пар быстро распространяются вверх и в стороны от источника испарения. Напомним, что распространение пара, как и других субстанций, происходит отчасти вследствие собственного движения молекул (молекулярная диффузия); за счет адвекции, т.е. переноса водяного пара в горизонтальном направлении вместе с воздухом (ветром); в вертикальном направлении – вместе с турбулентными вихрями, всегда возникающими в движущемся воздухе (т.е. путем турбулентной диффузии). Вертикальные перемещения объёмов воздуха с одних высот на другие также могут быть обусловлены конвекцией: воздух более тёплый и, следовательно, менее плотный, чем окружающая среда, перемещается вверх, а воздух более холодный и более плотный – вниз. При слабом развитии конвекция имеет беспорядочный, турбулентный характер.

Интенсивность переноса водяного пара в атмосфере путем турбулентной диффузии, адвекции или конвекции на несколько порядков (в десятки и сотни тысяч раз) превышает интенсивность переноса за счет молекулярной диффузии.

Но одновременно с испарением происходит и обратный процесс – переход водяного пара, содержащегося в воздухе, в жидкое состояние, т.е. конденсация. Если достигается состояние подвижного равновесия (возвращение молекул равно их отдаче с поверхности), то такое состояние называют насыщением, водяной пар в этом состоянии – насыщающим, а воздух, содержащий насыщающий водяной пар, – насыщенным. Упругость водяного пара в состоянии насыщения называют упругостью насыщения (см. гл. 1). Упругость насыщения растет с температурой: на каждые 10° температуры упругость насыщения и пропорциональное ей содержание насыщающего водяного пара в воздухе возрастают почти вдвое. При температуре +30° воздух может содержать водяного пара в состоянии насыщения в 7 раз больше, чем при температуре 0°.

Для вычисления упругости насыщенного пара(Е)над плоской поверхностью воды и чистого льда служат формулы и таблицы, позволяющие по температуре определить давление насыщенного пара (табл. 4.1).

Дефицит насыщения d – разность между давлением насыщенного водяного пара и его парциальным давлением: d = E – e.

Точка росы T_d – температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, при данном атмосферном давлении становится насыщенным.

Скорость испарения (z)выражается в миллиметрах слоя воды, испарившейся за единицу времени, например за сутки (мм/сут).

Таблица 4.1

Давление насыщенного пара Е (гПа)

Согласно закону Дальтона, скорость испарения, прежде всего, пропорциональна разности (E_s – е), где E_s – упругость насыщения при температуре испаряющей поверхности; и е – фактическая упругость водяного пара (влажность воздуха). Чем меньше разность (E_s – е), тем медленнее идет испарение. Кроме того, скорость испарения обратно пропорциональна атмосферному давлению (р), однако, этот фактор важен лишь в горах при значительных перепадах высоты местности. Наконец, испарение зависит от скорости ветра (v), поскольку ветер относит водяной пар от испаряющей поверхности, тем самым поддерживая дефицит влажности в непосредственной близости от нее. Испарение очень велико в тех случаях, когда большой дефицит влажности сопровождается силь­ными ветрами. Итак,

(4.1)

где k – коэффициент пропорциональности; – коэффициент, зависящий от скорости ветра.

Наиболее простой эмпирической формулой для определения скорости испарения с больших водоемов является формула В.В. Шулейкина:

Q = cv(E – e),

где Q – скорость испарения (г/(с×м²), Е – давление насыщенного пара (гПа) при температуре испаряющей поверхности, е – парциальное давление водяного пара (гПа), с – коэффициент, зависящий от высоты, на которой измеряется парциальное давление водяного пара, v – скорость ветра (м/с). Если скорость ветра и парциальное давление водяного пара измеряется на высоте 2 м, коэффициент с равен 0,34×10^-6 г/(см³гПа).

Легко измерить испарение с поверхности воды в чашке прибора (ис­парителя). Однако такое испарение больше, чем испарение обширного естественного водоема. Измерить испарение с поверхности почвы намного труднее. Почвенные испарители определят испарение из вырезанных монолитов почвы, но результаты также могут отличаться от испарения в естественных условиях.

Еще сложнее измерить транспирацию–испарение воды растениями, которая, являясь процессом биологическим, для разных видов растений различна при одинаковых метеорологических условиях. Основной орган транспирации – лист, внутренняя ткань которого постоянно выделяет водяной пар, проникающий затем в окружающую атмосферу через устьица. У растений одного вида в сходных условиях количество испаряемой воды тем выше, чем больше листовая поверхность. Так, с 1 га посева пшеницы выделяется около 2 тыс. т воды, кукурузы – 3,2 тыс. т.

Для определения испарения с больших географических площадей прибегают к расчетнымметодам. Испарение с поверхности суши рассчитывается, например, методом водного баланса – по осадкам, стоку и влагосодержанию почвы, с которыми связано испарение и которые могут определяться путем измерений. Эти методы подробно рассматриваются в курсе гидрологии.