Испарение и испаряемость

Вода в атмосфере. Свойства воды

Вода на земле есть повсюду. Океаны, моря, реки, озера и др. водоемы занимают 71% земной поверхности. Вода, которая содержится в атмосфере, – единственное вещество, которое может находиться там во всех трех фазовых состояниях (твердое, жидкое и газообразное) одновременно.

Важнейшие для метеорологии физические свойства воды представлены в таблице 6.

Таблица 6 – Физические характеристики воды (Русин, 2008)

Свойства воды, важные для климатообразования:

· вода является поглотителем лучистой энергии;

· обладает одним из самых высоких значений удельной теплоемкости среди других веществ на земле (это сказывается на разности в нагревании суши и моря, проникновение радиации и тепла вглубь почвы и водоёмов);

· идеальный (почти) растворитель;

· дипольное (биполярное) строение молекул воды обеспечивает высокую температуру кипения (без водородных связей температура кипения равнялась бы -80°С).

· расширение при замерзании в отличие от других веществ, которые сжимаются. (максимальная плотность воды наблюдается при температуре +4°С; плотность льда меньше плотности воды: дистиллированной на 1/9, морской на 1/7; более легкий лед плавает по поверхности воды).

Благодаря процессам испарения и конденсации в атмосфере непрерывно происходит круговорот воды, в котором участвует значительная масса ее. В среднем многолетний круговорот воды характеризуется следующими данными (таблица 1):

Таблица 1 – Характеристики круговорота воды на Земле (Матвеев, 1976)

С поверхности океанов (361 млн. км²) в течение года испаряется слой воды толщиной 1127 мм (или 4,07·10¹⁷ кг воды), с поверхности материков – 446 мм (или 0,66·10¹⁷ кг воды). Толщина слоя осадков, выпадающих за год, на океанах составляет 1024 мм (или 3,69·10¹⁷ кг воды), на материках – 700 мм (или 1,04·10¹⁷ кг воды). Количество осадков на материках значительно превышает испарение (на 254 мм, или на 0,38·10¹⁷ кг воды). Это означает, что значительная масса водяного пара поступает на материки с океанов. С другой стороны, не испарившаяся на материках вода (254 мм) стекает в реки и далее в океан. На океанах испарение превышает (на 103 мм) количество осадков. Разность восполняется стоков воды с океанов.

Испарение и испаряемость

В атмосферу вода попадает в результате испарения с поверхности Земли (водоемов, почвы); она выделяется живыми организмами в процессе жизнедеятельности (дыхание, обмен веществ, транспирация у растений); она является побочным продуктом вулканической деятельности, промышленного производства и окисления различных веществ.

Испарение (обычно воды) – поступление водяного пара в атмосферу вследствие отрыва наиболее быстродвижущихся молекул с поверхности воды, снега, льда, влажной почвы, капель и кристаллов в атмосфере.

Испарение с поверхности земли называется физическим испарением. Физическое испарение и транспирация вместе – суммарное испарение.

Суть процесса испарения заключается в отрыве отдельных молекул воды от водной поверхности или от влажной почвы и переходе воздух в качестве молекул водяного пара. Содержащийся в атмосфере пар конденсируется при охлаждении воздуха. Сгущение водяного пара также может идти путем сублимации (процесс непосредственного перехода вещества из газообразного в твердое, минуя жидкое). Из атмосферы вода удаляется при выпадении осадков.

Молекулы жидкости всегда находятся в движении, причем некоторые из них могут прорываться через поверхность жидкости и уходить в воздух. Отрываются те молекулы, скорость которых выше скорости движения молекул при данной температуре и достаточна для преодоления сил сцепления (молекулярного притяжения). С ростом температуры количество отрывающихся молекул растет. Молекулы пара могут возвращаться из воздуха в жидкость. Когда температура жидкости повышается, количество покидающих ее молекул становится больше количества возвращающихся, т.е. происходит испарение жидкости. Понижение температуры замедляет переход молекул жидкости в воздух и вызывает конденсацию пара. Если водяной пар поступает в воздух, то он, как и все другие газы, создает определенное давление. По мере того, как молекулы воды переходят в воздух, давление пара в воздухе увеличивается. Когда достигается состояние подвижного равновесия (количество молекул, покидающих жидкость, равно количеству возвращающихся молекул), то испарение прекращается. Такое состояние называется насыщением, водяной пар в таком состоянии – насыщающим, а воздух насыщенным. Давление водяного пара в состоянии насыщения называется давлением насыщенного водяного пара (Е), или упругостью насыщения, или максимальной упругостью.

Пока состояние насыщения не достигнуто, то идет процесс испарения воды, при этом упругость водяного пара (е) над жидкостью меньше максимальной упругости: е<Е.

Если количество возвращающихся молекул воды больше количества вылетающих, то имеет место процесс конденсации или сублимации (надо льдом): е>Е.

Давление насыщенного водяного пара зависит от

· температуры воздуха,

· от характера поверхности (жидкость, лед),

· от формы этой поверхности,

· солености воды.

Большая часть водяного пара поступает в атмосферу с поверхности морей и океанов. Особенно это относится к влажным, тропическим районам Земли. В тропиках испарение превышает количество осадков. В высоких широтах имеет место обратное соотношение. В целом же по всему земному шару количество осадков приблизительно равно испарению.

Испарение регулируется некоторыми физическими свойствами местности, в частности температурой поверхности воды и крупных водоемов, преобладающими здесь скоростями ветра. Когда над поверхностью воды дует ветер, то он относит в сторону увлажнившийся воздух и заменяет его свежим, более сухим (т.е. к молекулярной диффузии добавляется адвекция и турбулентная диффузия). Чем сильнее ветер, тем быстрее сменяется воздух и тем интенсивнее испарение.

Испарение можно характеризовать скоростью протекания процесса. Скорость испарения(V) выражается в миллиметрах слоя воды, испарившейся за единицу времени с единицы поверхности. Она зависит от дефицита насыщения, атмосферного давления и скорости ветра.

Испарение в реальных условиях измерить трудно. Для измерения испарения применяют испарители различных конструкций или испарительные бассейны (с площадью поперечного сечения 20 м² или 100 м² и глубиной 2 м). Но значения, полученные по испарителям, нельзя приравнивать к испарению с реальной физической поверхности. Поэтому прибегают к расчетным методам: испарение с поверхности суши рассчитывается исходя из данных по осадкам, стоку и влагосодержанию почвы, которые легче получить путем измерений. Испарение с поверхности моря можно вычислить по формулам, близким к суммарному уравнению.

Различают фактическое испарение и испаряемость.

Испаряемость– потенциально возможное испарение в данной местности при существующих в ней атмосферных условиях.

При этом подразумевают либо испарение с поверхности воды в испарителе; испарение с открытой водной поверхности крупного водоема (естественного пресноводного); испарение с поверхности избыточно увлажненной почвы. Испаряемость выражается в миллиметрах слоя испарившейся воды за единицу времени.

В полярных областях испаряемость мала: около 80 мм/год. Это связано с тем, что здесь наблюдаются низкие температуры испаряющей поверхности, а давление насыщенного водяного пара Е_S и фактическое давление водяного пара малы и близки между собой, поэтому и разность (Е_S – е) невелика.

В умеренных широтах испаряемость изменяется в широких пределах и имеет тенденцию к росту при продвижении с северо-запада на юго-восток материка, что объясняется ростом в этом же направлении дефицита насыщения. Наименьшие значения в этом поясе Евразии наблюдаются на северо-западе материка: 400–450 мм, наибольшие (до 1300–1800 мм) в Центральной Азии.

В тропиках испаряемость мала на побережьях и резко увеличивается во внутриматериковых частях до 2500–3000 мм.

У экватора испаряемость относительно низка: не превышает 100 мм по причине небольшой величины дефицита насыщения.

Фактическое испарение на океанах совпадает с испаряемостью. На суше оно существенно меньше, главным образом, зависит от режима увлажнения. Разность между испаряемостью и осадками можно использовать для расчета дефицита увлажнения воздуха.