Испарение и насыщение

Влагооборот на Земле состоит из испарения воды с земной поверхности, ее конденсации, выпадения осадков и стока. Вопросы стока являются предметом исследования в гидрологии.

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу путем испарения с поверхности воды, почвы и транспирации. Испарение с поверхности почвы и воды называется физическим испарением, которое совместно с транспирацией образует суммарное испарение.

Процесс испарения заключается в том, что отдельные молекулы воды отрываются от подстилающей поверхности и переходят в воздушную среду в виде водяного пара. В воздухе эти молекулы быстро распространяются вверх и в стороны от источника испарения за счет молекулярной и турбулентной диффузии.

При насыщении воздуха водяным паром количество молекул, уходящих с поверхности равно количеству возвращающихся на нее. Давление водяного пара, находящегося в насыщенном воздухе называется давлением насыщенного водяного пара. На каждые 10ºС повышения температуры воздуха давление насыщенного водяного пара повышается почти вдвое.

Капли жидкой воды в атмосфере часто находятся в переохлажденном состоянии. В обычных для атмосферы условиях замерзание этих капель начинается при температуре ниже -10ºС, поэтому в атмосфере вода и лед часто находятся в непосредственной близости.

При отрицательных температурах воздуха давление насыщенного водяного пара, по отношению к ледяным кристаллам меньше, чем по отношению к каплям воды. При температуре воздуха -10ºС и давлении водяного пара 2,7 гПа воздух для является ненасыщенным для водяных капель, т.к. давление насыщенного водяного пара для них E= 2,7 гПа и они будут испаряться. Для кристаллов льда, при той же температуре, E= 2,6 гПа и они будут расти. Такие условия часто создаются в облаках и играют важную роль при выпадении осадков.

Для выпуклых поверхностей капель воды давление насыщенного водяного пара больше, чем для плоской поверхности воды, поскольку на выпуклой поверхности силы сцепления между молекулами меньше. Для маленьких капель, радиусом 10^-7 см, для насыщения воздуха необходимо втрое большее давление водяного пара, чем для водной поверхности. В воздухе, где отсутствует плоская поверхность, такие капли существовать не могут, они будут испаряться.

Если в воде растворены соли, то давление насыщенного пара снижается. Над морской водой уровень насыщения устанавливается при давлении водяного пара на 2% меньшем, чем над пресной водой. Соответственно снижается и уровень насыщающего давления водяного пара для капель, образовавшихся на солевых ядрах конденсации.

Скорость испарения измеряется в миллиметрах слоя воды, испарившейся в единицу времени, например за 1 час или другой промежуток времени, с данной поверхности. По закону Дальтона скорость испарения прямо пропорциональна разности между давлением насыщенного водяного пара при определенной температуре испаряющей поверхности E_s и фактическим давлением водяного пара e. В том случае, если испаряющая поверхность теплее воздуха, насыщающее давление, которого равно E, т.е. E_s>E, то процесс испарения продолжается, оно происходит даже в том случае, если e=E.

Скорость испарения обратно пропорциональна величине атмосферного давления P и тесно связана с турбулентностью, которая, в свою очередь, зависит от скорости ветра V, что выражается зависимостью

(4.1)

Непосредственное измерение величины и скорости испарения является очень трудной задачей, не решенной до настоящего времени. По этой причине количество испарившейся с земной поверхности воды вычисляют по другим элементам водного баланса: осадкам, поверхностному стоку и увлажнению почвы. Испарение с водной поверхности можно вычислить по формулам, разработанным на основе выражении (4.1).

Испаряемостью W называется максимально возможное испарение с поверхности, не ограниченной запасами влаги. Величина испаряемости не всегда совпадает с фактическим испарением, поскольку для ее достижения во многих случаях отсутствует достаточное количество влаги.

В полярных областях при низких температурах земной поверхности и очень малой разностью E_s–e испаряемость мала. На Шпицбергене она составляет 80 мм в год, в средней Европе 460, в Санкт-Петербурге 320, в Лондоне 400, в Москве 420, в Луганске 740. В Средней Азии при наличии высокой температуры и большом дефиците насыщения W= 1400–1800 мм. В тропиках испаряемость сравнительно невелика на побережьях, но резко возрастает во внутренних частях материков. На океаническом побережье пустыни Сахара испаряемость W=600–700 мм, а в засушливых областях Аравийского полуострова она достигает 3000 мм в год.

Фактическое испарения с поверхности океанов и морей, равное испаряемости, намного превышает испарение с суши. В океанах, расположенных в средних и низких широтах фактическое испарение колеблется в пределах от 600 до 3000 мм в год. На территории суши в полярных районах испарение составляет 100–200 мм в год и возрастает во влажных тропиках и субтропиках до 800–1000 мм.