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 Td – 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)
| t°C | 0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 |
| Надо льдом | ||||||||||
| –30 | 0,38 | 0,38 | 0,37 | 0,37 | 0,37 | 0,36 | 0,36 | 0,35 | 0,34 | 0,33 |
| –29 | 0,42 | 0,42 | 0,41 | 0,41 | 0,40 | 0,40 | 0,40 | 0,40 | 0,39 | 0,38 |
| –28 | 0,47 | 0,46 | 0,46 | 0,45 | 0,45 | 0,44 | 0,44 | 0,43 | 0,43 | 0,42 |
| –27 | 0,51 | 0,51 | 0,50 | 0,50 | 0,49 | 0,49 | 0,48 | 0,48 | 0,47 | 0,47 |
| –26 | 0,57 | 0,57 | 0,56 | 0,55 | 0,55 | 0,54 | 0,54 | 0,53 | 0,53 | 0,52 |
| –25 | 0,63 | 0,63 | 0,62 | 0,61 | 0,61 | 0,60 | 0,60 | 0,59 | 0,58 | 0,58 |
| –24 | 0,70 | 0,69 | 0,68 | 0,67 | 0,66 | 0,66 | 0,66 | 0,65 | 0,64 | 0,64 |
| –23 | 0,77 | 0,76 | 0,76 | 0,75 | 0,74 | 0,73 | 0,73 | 0,72 | 0,71 | 0,70 |
| –22 | 0,85 | 0,84 | 0,83 | 0,82 | 0,82 | 0,81 | 0,80 | 0,79 | 0,79 | 0,78 |
| –21 | 0,94 | 0,93 | 0,92 | 0,91 | 0,90 | 0,89 | 0,88 | 0,87 | 0,87 | 0,86 |
| –20 | 1,03 | 1,02 | 1,01 | 1,00 | 1,00 | 0,98 | 0,97 | 0,96 | 0,95 | 0,94 |
| –19 | 1,13 | 1,12 | 1,11 | 1,10 | 1,09 | 1,08 | 1,07 | 1,06 | 1,05 | 1,03 |
| –18 | 1,25 | 1,23 | 1,22 | 1,21 | 1,20 | 1,19 | 1,18 | 1,17 | 1,16 | 1,15 |
| –17 | 1,37 | 1,36 | 1,35 | 1,33 | 1,32 | 1,31 | 1,30 | 1,28 | 1,27 | 1,26 |
| –16 | 1,51 | 1,49 | 1,48 | 1,46 | 1,45 | 1,44 | 1,42 | 1,41 | 1,40 | 1,38 |
| –15 | 1,65 | 1,64 | 1,62 | 1,61 | 1,60 | 1,58 | 1,56 | 1,55 | 1,53 | 1,52 |
| –14 | 1,81 | 1,79 | 1,78 | 1,76 | 1,75 | 1,73 | 1,71 | 1,70 | 1,68 | 1,67 |
| –13 | 1,98 | 1,97 | 1,95 | 1,93 | 1,91 | 1,90 | 1,88 | 1,86 | 1,84 | 1,83 |
| –12 | 2,17 | 2,15 | 2,13 | 2,11 | 2,09 | 2,07 | 2,06 | 2,04 | 2,02 | 2,00 |
| –11 | 2,38 | 2,35 | 2,33 | 2,31 | 2,30 | 2,27 | 2,25 | 2,23 | 2,21 | 2,20 |
| –10 | 2,60 | 2,57 | 2,55 | 2,53 | 2,51 | 2,47 | 2,46 | 2,44 | 2,42 | 2,40 |
| –9 | 2,84 | 2,81 | 2,79 | 2,76 | 2,74 | 2,71 | 2,69 | 2,67 | 2,64 | 2,62 |
| –8 | 3,10 | 3,07 | 3,04 | 3,02 | 3,00 | 2,96 | 2,94 | 2,91 | 2,89 | 2,86 |
| –7 | 3,38 | 3,35 | 3,32 | 3,29 | 3,26 | 3,24 | 3,21 | 3,18 | 3,15 | 3,12 |
| –6 | 3,68 | 3,65 | 3,62 | 3,59 | 3,56 | 3,53 | 3,50 | 3,47 | 3,44 | 3,41 |
| –5 | 4,01 | 4,00 | 3,95 | 3,91 | 3,88 | 3,85 | 3,81 | 3,78 | 3,75 | 3,72 |
| –4 | 4,37 | 4,33 | 4,30 | 4,26 | 4,22 | 4,19 | 4,15 | 4,12 | 4,08 | 4,05 |
| –3 | 4,76 | 4,72 | 4,68 | 4,64 | 4,60 | 4,56 | 4,52 | 4,48 | 4,45 | 4,41 |
| –2 | 5,17 | 5,13 | 5,09 | 5,04 | 5,00 | 4,96 | 4,92 | 4,88 | 4,84 | 4,80 |
| –1 | 5,62 | 5,58 | 5,53 | 5,48 | 5,44 | 5,39 | 5,35 | 5,30 | 5,26 | 5,22 |
| –0 | 6,11 | 6,06 | 6,01 | 5,96 | 5,91 | 5,86 | 5,81 | 5,76 | 5,72 | 5,67 |
| Над водой | ||||||||||
| –30 | 0,51 | 0,50 | 0,50 | 0,49 | 0,49 | 0,48 | 0,48 | 0,47 | 0,47 | 0,46 |
| –29 | 0,56 | 0,55 | 0,55 | 0,54 | 0,54 | 0,53 | 0,53 | 0,52 | 0,52 | 0,51 |
| –28 | 0,61 | 0,61 | 0,60 | 0,59 | 0,59 | 0,58 | 0,58 | 0,57 | 0,57 | 0,56 |
| –27 | 0,67 | 0,66 | 0,66 | 0,65 | 0,65 | 0,64 | 0,63 | 0,63 | 0,62 | 0,62 |
| –26 | 0,74 | 0,73 | 0,72 | 0,72 | 0,71 | 0,70 | 0,70 | 0,69 | 0,68 | 0,68 |
| –25 | 0,80 | 0,80 | 0,79 | 0,78 | 0,78 | 0,77 | 0,76 | 0,76 | 0,75 | 0,74 |
| –24 | 0,88 | 0,87 | 0,86 | 0,86 | 0,85 | 0,84 | 0,83 | 0,83 | 0,82 | 0,81 |
| –23 | 0,96 | 0,95 | 0,94 | 0,94 | 0,93 | 0,92 | 0,91 | 0,90 | 0,90 | 0,89 |
| –22 | 1,05 | 1,04 | 1,03 | 1,02 | 1,01 | 1,01 | 1,00 | 0,99 | 0,98 | 0,97 |
| –21 | 1,15 | 1,14 | 1,13 | 1,12 | 1,11 | 1,10 | 1,09 | 1,08 | 1,07 | 1,06 |
| Продолжение табл. 4.1 | ||||||||||
| t°C | 0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 |
| –20 | 1,25 | 1,24 | 1,23 | 1,22 | 1,21 | 1,20 | 1,19 | 1,18 | 1,17 | 1,16 |
| –19 | 1,36 | 1,35 | 1,34 | 1,33 | 1,32 | 1,31 | 1,29 | 1,28 | 1,27 | 1,26 |
| –18 | 1,48 | 1,47 | 1,46 | 1,45 | 1,44 | 1,42 | 1,41 | 1,40 | 1,39 | 1,37 |
| –17 | 1,61 | 1,60 | 1,59 | 1,58 | 1,56 | 1,55 | 1,54 | 1,52 | 1,51 | 1,50 |
| –16 | 1,76 | 1,74 | 1,73 | 1,71 | 1,70 | 1,68 | 1,67 | 1,66 | 1,64 | 1,63 |
| –15 | 1,91 | 1,89 | 1,88 | 1,86 | 1,85 | 1,83 | 1,82 | 1,80 | 1,79 | 1,77 |
| –14 | 2,07 | 2,05 | 2,04 | 2,02 | 2,01 | 1,99 | 1,97 | 1,96 | 1,94 | 1,92 |
| –13 | 2,25 | 2,23 | 2,21 | 2,19 | 2,18 | 2,16 | 2,14 | 2,12 | 2,11 | 2,09 |
| –12 | 2,44 | 2,42 | 2,40 | 2,38 | 2,36 | 2,34 | 2,32 | 2,30 | 2,29 | 2,27 |
| –11 | 2,64 | 2,62 | 2,60 | 2,58 | 2,56 | 2,54 | 2,52 | 2,50 | 2,48 | 2,46 |
| –10 | 2,86 | 2,84 | 2,81 | 2,79 | 2,77 | 2,75 | 2,73 | 2,71 | 2,68 | 2,66 |
| –9 | 3,09 | 3,07 | 3,05 | 3,02 | 3,00 | 2,98 | 2,95 | 2,93 | 2,91 | 2,88 |
| –8 | 3,34 | 3,32 | 3,29 | 3,27 | 3,24 | 3,22 | 3,19 | 3,17 | 3,14 | 3,12 |
| –7 | 3,61 | 3,59 | 3,56 | 3,53 | 3,51 | 3,48 | 3,45 | 3,43 | 3,40 | 3,37 |
| –6 | 3,90 | 3,87 | 3,84 | 3,82 | 3,79 | 3,76 | 3,73 | 3,70 | 3,67 | 3,64 |
| –5 | 4,21 | 4,18 | 4,15 | 4,12 | 4,10 | 4,06 | 4,03 | 4,00 | 3,96 | 3,93 |
| –4 | 4,54 | 4,51 | 4,48 | 4,44 | 4,41 | 4,38 | 4,34 | 4,31 | 4,28 | 4,24 |
| –3 | 4,90 | 4,86 | 4,82 | 4,79 | 4,75 | 4,72 | 4,68 | 4,65 | 4,61 | 4,58 |
| –2 | 5,27 | 5,24 | 5,20 | 5,16 | 5,12 | 5,08 | 5,05 | 5,01 | 4,97 | 4,93 |
| –1 | 5,68 | 5,64 | 5,60 | 5,56 | 5,51 | 5,47 | 5,43 | 5,39 | 5,35 | 5,31 |
| –0 | 6,11 | 6,06 | 6,02 | 5,98 | 5,93 | 5,89 | 5,85 | 5,81 | 5,76 | 5,72 |
| 6,11 | 6,15 | 6,20 | 6,24 | 6,29 | 6,33 | 6,38 | 6,42 | 6,47 | 6,52 | |
| 6,56 | 6,61 | 6,66 | 6,71 | 6,76 | 6,80 | 6,86 | 6,90 | 6,95 | 7,00 | |
| 7,05 | 7,10 | 7,16 | 7,21 | 7,26 | 7,31 | 7,36 | 7,42 | 7,47 | 7,52 | |
| 7,58 | 7,63 | 7,68 | 7,74 | 7,79 | 7,85 | 7,90 | 7,96 | 8,02 | 8,07 | |
| 8,13 | 8,19 | 8,24 | 8,30 | 8,36 | 8,42 | 8,48 | 8,54 | 8,60 | 8,66 | |
| 8,72 | 8,78 | 8,84 | 8,91 | 8,97 | 9,03 | 9,09 | 9,16 | 9,22 | 9,28 | |
| 9,35 | 9,41 | 9,48 | 9,54 | 9,61 | 9,68 | 9,74 | 9,81 | 9,88 | 9,95 | |
| 10,02 | 10,08 | 10,15 | 10,22 | 10,29 | 10,36 | 10,44 | 10,51 | 10,58 | 10,65 | |
| 10,72 | 10,80 | 10,87 | 10,95 | 11,02 | 11,10 | 11,17 | 11,25 | 11,32 | 11,40 | |
| 11,48 | 11,56 | 11,63 | 11,71 | 11,79 | 11,87 | 11,95 | 12,03 | 12,11 | 12,20 | |
| 12,28 | 12,36 | 12,44 | 12,53 | 12,61 | 12,70 | 12,78 | 12,87 | 12,95 | 13,04 | |
| 13,13 | 13,21 | 13,30 | 13,39 | 13,48 | 13,57 | 13,66 | 13,75 | 13,84 | 13,93 | |
| 14,03 | 14,12 | 14,21 | 14,31 | 14,40 | 14,50 | 14,59 | 14,69 | 14,78 | 14,88 | |
| 14,98 | 15,08 | 15,18 | 15,28 | 15,38 | 15,48 | 15,58 | 15,68 | 15,78 | 15,88 | |
| 15,99 | 16,09 | 16,20 | 16,30 | 16,41 | 16,51 | 16,62 | 16,73 | 16,84 | 16,95 | |
| 17,04 | 17,15 | 17,26 | 17,37 | 17,49 | 17,60 | 17,71 | 17,83 | 17,94 | 18,06 | |
| 18,17 | 18,29 | 18,40 | 18,52 | 18,64 | 18,76 | 18,88 | 19,00 | 19,12 | 19,24 | |
| 19,37 | 19,49 | 19,61 | 19,74 | 19,86 | 20,00 | 20,11 | 20,24 | 20,36 | 20,50 | |
| 20,63 | 20,76 | 20,89 | 21,02 | 21,15 | 21,29 | 21,42 | 21,55 | 21,69 | 21,83 | |
| 21,96 | 22,10 | 22,24 | 22,38 | 22,52 | 22,66 | 22,80 | 22,94 | 23,08 | 23,23 | |
| 23,37 | 23,52 | 23,66 | 23,81 | 23,96 | 24,10 | 24,25 | 24,40 | 24,55 | 24,71 | |
| 24,86 | 25,01 | 25,17 | 25,32 | 25,48 | 25,63 | 25,79 | 25,95 | 26,11 | 26,27 | |
| 26,43 | 26,59 | 26,75 | 26,92 | 27,08 | 27,24 | 27,41 | 27,58 | 27,75 | 27,91 | |
| 28,08 | 28,25 | 28,43 | 28,60 | 28,77 | 28,94 | 29,12 | 29,30 | 29,47 | 29,65 | |
| 29,83 | 30,01 | 30,19 | 30,37 | 30,55 | 30,74 | 30,92 | 31,10 | 31,29 | 31,48 | |
| Окончание табл. 4.1 | ||||||||||
| t°C | 0,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 |
| 31,67 | 31,86 | 32,05 | 32,24 | 32,43 | 32,62 | 32,82 | 33,01 | 33,21 | 33,41 | |
| 33,61 | 33,81 | 34,01 | 34,21 | 34,41 | 34,61 | 34,82 | 35,02 | 35,23 | 35,44 | |
| 35,65 | 35,86 | 36,07 | 36,28 | 36,49 | 36,71 | 36,92 | 37,14 | 37,35 | 37,57 | |
| 37,79 | 38,01 | 38,24 | 38,46 | 38,68 | 38,91 | 39,13 | 39,36 | 39,59 | 39,82 | |
| 40,05 | 40,28 | 40,52 | 40,75 | 40,99 | 41,22 | 41,46 | 41,70 | 41,94 | 42,18 | |
| 42,43 | 42,67 | 42,92 | 43,16 | 43,41 | 43,66 | 43,91 | 44,16 | 44,41 | 44,67 | |
| 44,92 | 45,18 | 45,44 | 45,70 | 45,96 | 46,22 | 46,48 | 46,75 | 47,01 | 47,28 | |
| 47,55 | 47,82 | 48,09 | 48,36 | 48,63 | 48,91 | 49,18 | 49,46 | 49,74 | 50,02 | |
| 50,30 | 50,59 | 50,87 | 51,16 | 51,44 | 51,73 | 52,02 | 52,31 | 52,61 | 52,90 | |
| 53,20 | 53,49 | 53,79 | 54,09 | 54,39 | 54,70 | 55,00 | 55,31 | 55,61 | 55,92 | |
| 56,23 | 56,54 | 56,86 | 57,17 | 57,49 | 57,81 | 58,13 | 58,45 | 58,77 | 59,09 | |
| 59,42 | 59,75 | 60,07 | 60,40 | 60,74 | 61,07 | 61,40 | 61,74 | 62,08 | 62,42 | |
| 62,76 | 63,10 | 63,45 | 63,79 | 64,14 | 64,49 | 64,84 | 65,19 | 65,55 | 65,90 | |
| 66,26 | 66,62 | 66,98 | 67,34 | 67,71 | 68,07 | 68,44 | 68,81 | 69,18 | 69,55 | |
| 69,93 | 70,31 | 70,68 | 71,06 | 71,45 | 71,83 | 72,21 | 72,60 | 72,99 | 73,38 |
Согласно закону Дальтона, скорость испарения, прежде всего, пропорциональна разности (Es – е), где Es – упругость насыщения при температуре испаряющей поверхности; и е – фактическая упругость водяного пара (влажность воздуха). Чем меньше разность (Es – 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.
Дата добавления: 2015-09-07; просмотров: 2611;