ИСПАРЕНИЕ ВОДЫ И КОНДЕНСАЦИЯ ВОДЯНОГО ПАРА
ИСПАРЕНИЕ И ИСПАРЯЕМОСТЬ
Испарением называют переход вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное. Испарение является одним из основных звеньев в круговороте воды на земном шаре, а также важнейшим фактором теплообмена в растительных и животных организмах.
На испарение затрачивается значительное количество тепла, составляющее для всей земной поверхности порядка 12,6 • 1023 Дж/год, или около 30 % поглощаемого Землей солнечного тепла. За год с поверхности Мирового океана испаряется около 450 • 103 км3 воды, а с поверхности суши — 70 ■ 103 км3.
Количественно испарение характеризуется скоростью испарения — массой воды, испарившейся с единицы поверхности за единицу времени. Для практических целей скорость испарения выражается высотой (в миллиметрах) слоя воды, испарившейся за единицу времени. Слой воды высотой 1 мм, испарившейся с площади 1 м2, соответствует массе воды в 1 кг или 1 л воды (1 мм слоя воды = 10 м3/га = 10 т/га).
На интенсивность испарения влияют многие факторы, в том числе и метеорологические. Главные из них - температура испаряющей поверхности, влажность воздуха и ветер. Согласно закону Дальтона скорость испарения со прямо пропорциональна разности между давлением насыщенного пара Eh вычисленным по температуре испаряющей поверхности, и парциальным давлением водяного пара е, находящегося в воздухе, и обратно пропорциональна атмосферному давлению R
со = [А (Ех - е)]/Р,
где Л —коэффициент пропорциональности, зависящий, в частности, от скорости ветра.
Из закона Дальтона следует, что скорость испарения будет возрастать по мере увеличения разности Е\ — е, т. е. дефицита влажности воздуха, вычисленного по температуре испаряющей поверхности.
Влияние атмосферного давления обусловлено тем, что его увеличение затрудняет отрыв молекул воды от испаряющей поверхности. В связи с тем что у поверхности Земли атмосферное давление колеблется в сравнительно небольших пределах, оно несущественно влияет на скорость испарения и учитывается главным образом при сравнении скорости испарения на разных высотах в горной местности. При прочих равных условиях скорость испарения с высотой возрастает.
Зависимость скорости испарения от скорости ветра связана с турбулентной диффузией пара, которая становится интенсивнее по мере усиления ветра.
Под испаряемостью понимают максимальное количество влаги в миллиметрах, которое может в данных метеорологических условиях испариться с водной поверхности или с поверхности переувлажненной почвы за какой-либо промежуток времени.
На европейской части территории России испаряемость возрастает с северо-запада на юго-восток, так как в этом направлении увеличиваются тепловые ресурсы и сухость воздуха. Средняя годовая испаряемость в Санкт-Петербурге 320 мм, в Москве — 420, в Астрахани — 850 мм. В этом же направлении увеличивается разность между возможным и фактическим испарением с почвы.
. ИСПАРЕНИЕ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ, ПОЧВЫ И РАСТЕНИЙ
Скорость испарения зависит не только от метеорологических факторов, но и от свойств испаряющей поверхности.
Испарение с водной поверхности зависит, во-первых, от размера водоема. Испарение с небольших водоемов активнее, так как ветер приносит с окружающей суши более сухой воздух. Во-вторых, оно зависит от солености воды. С пресных водоемов испарение больше, так как упругость насыщения над пресной водой больше, чем над раствором.
На скорость испарения с поверхности почвы влияет много факторов. Очевидно, что с увеличением влажности почвы при прочих равных условиях испарение больше. Темные почвы сильнее прогреваются, чем светлые, и поэтому испаряют больше влаги. С неровной поверхности почвы (вспаханное поле) испарение идет интенсивнее, чем с ровной, так как над шероховатой поверхностью сильнее развито турбулентное перемешивание.
Интенсивность испарения зависит также от разновидности почвы. Песчаные почвы испаряют меньше, чем глинистые, и эта разница тем больше, чем крупнее частицы песка. А при диаметре песчинок более 2 мм испарения практически не происходит.
На скорость испарения оказывает влияние состояние почвы. Рыхлая почва с разрушенными капиллярами испаряет меньше, чем плотная с узкими капиллярами, по которым влага поднимается к поверхности почвы.
отмечал, что испарение с поверхности почвы резко уменьшается, если пахотный слой почвы имеет комковатое строение. В этом случае поднятие воды и, следовательно, испарение ее затруднены тем, что между отдельными комками имеются ходы большого размера, препятствующие капиллярным перемещениям воды. Наоборот, порошкообразная или пылева-тая структура почвы вызывает усиленное испарение с поверхности почвы.
На испарение воды почвой оказывает влияние глубина залегания грунтовых вод. Чем ближе к испаряющей поверхности залегают грунтовые воды, тем больше испарение.
Рельеф обусловливает изменение скорости ветра и различие в температуре почвы. На возвышенностях скорость ветра больше, чем в низинах, вследствие чего скорость испарения на возвышенностях больше. Склоны южной экспозиции прогреваются сильнее, чем северные, поэтому испарение на южных склонах интенсивнее.
Испарение воды растениями называют транспирацией. Транспирация - это сложный физико-биологический процесс. Поглощая воду из почвы, растение снабжает себя не только водой, обеспечивая процесс фотосинтеза, но и элементами минерального питания (в растворенном виде). Испаряя воду, растение понижает свою температуру.
Интенсивность транспирации зависит от тех же метеорологических факторов, что и физическое испарение с поверхности воды или почвы: температуры и влажности воздуха, скорости ветра. Транспирация воды происходит через устьица, которые на свету раскрываются больше. Следовательно, транспирация зависит еще от освещенности.
Интенсивность транспирации зависит от вида и сорта, состояния и фазы развития растений.
Расход воды на транспирацию может быть выражен через различные показатели, однако в сельскохозяйственной практике чаще применяют коэффициент транспирации — отношение мас-сь! воды, расходуемой растением на транспирацию, к массе сухого вещества (биологическому урожаю) за вегетационный или межфазный период.
Значение коэффициента транспирации изменяется в зависимости от условий произрастания: в более влажном климате и при значительных дозах удобрений транспирационный коэффициент уменьшается. Чем лучше условия внешней среды для растений, выше агротехника и больше урожай, тем меньше коэффициент транспирации.
Значения коэффициентов транспирации, полученные различными авторами, приведены в таблице 6.1.
Под суммарным испарением понимается сумма транспирации, испарения с почвы и испарения влаги, задержанной растительным покровом при выпадении осадков. Суммарное испарение
сельскохозяйственных полей помимо погодных условий обусловлено мощностью растительного покрова, биологическими особенностями сельскохозяйственных культур, глубиной корне-обитаемого слоя, агротехникой возделывания и т. д.
Соотношение между составляющими суммарного испарения в течение вегетационного периода значительно изменяется. В начале вегетации, когда испаряющая листовая поверхность еще невелика, испарение с поверхности почвы больше, чем с поверхности растений. В дальнейшем расход воды на транспирацию превышает физическое испарение с поверхности почвы, так как по мере нарастания фитомассы увеличивается затенение почвы и ослабляется воздухообмен среди растений.
. СУТОЧНЫЙ И ГОДОВОЙ ХОД ИСПАРЕНИЯ
Испарение с деятельной поверхности имеет выраженный суточный ход, особенно в теплое время года.
В суточном ходе испарение следует за дефицитом влажности воздуха, который, в свою очередь, следует за температурой. Испарение начинается утром, приблизительно через 1 ч после восхода Солнца, и прекращается вечером, примерно за 1 ч до захода Солнца. В ночное время суток испарение практически равно нулю.
Максимум испарения наблюдается в 13ч, когда достигают наибольших значений температура испаряющей поверхности, дефицит насыщения водяного пара и скорость ветра.
На годовой ход испарения, как и на суточный, главное влияние оказывает температура. Поэтому наибольшее испарение бывает в летние месяцы (июнь — июль), иногда и в мае, а наименьшее — в январе или декабре. Весной вследствие малой абсолютной влажности воздуха испарение бывает больше, чем осенью.
КОНДЕНСАЦИЯ И СУБЛИМАЦИЯ ВОДЯНОГО ПАРА
Переход водяного пара в жидкое состояние называется конденсацией. Превращение водяного пара в твердое состояние, минуя жидкую фазу, называется сублимацией. Конденсация и сублимация водяного пара происходят как в атмосфере, так и на деятельной поверхности.
Водяной пар, содержащийся в воздухе, переходит в жидкое или твердое состояние лишь в том случае, когда е > Е. Таким образом, для начала конденсации или сублимации либо фактическая упругость водяного пара в воздухе должна увеличиваться до значения, превышающего упругость насыщения, либо температура воздуха должна опуститься ниже точки росы. Поступление водяного пара в воздух над сушей ограничено, поэтому состояние насыщения в атмосфере достигается при изменении температуры. При понижении температуры воздуха ниже температуры точки росы излишек пара, превышающий упругость насыщения, конденсируется или сублимируется.
Понижение температуры воздуха ниже точки росы возможно вследствие охлаждения деятельной поверхности излучением и последующего охлаждения прилегающих слоев воздуха; соприкосновения теплого воздуха с холодной деятельной поверхностью; смешивания двух масс воздуха, имеющих разную температуру; поднятия воздуха вверх (см. гл. 4).
В чистом воздухе капельки воды (конденсат) начинают образовываться только при 6...8-кратном превышении упругости насыщения (зародышевые капли в этом случае возникают в результате объединения молекул водяного пара в комплексы). Такого перенасыщения в атмосфере не бывает, но зато в ней всегда имеется большое число различных гигроскопических частиц, являющихся активными ядрами конденсации (сублимации). Поэтому сгущение водяного пара в атмосфере начинается уже при влажности воздуха, близкой к 100 %.
Продукты конденсации и сублимации на земной поверхности и на наземных предметах. В зависимости от температуры поверхности, а также температуры и влажности воздуха могут образовываться роса, иней, изморозь, а при определенных условиях - гололед.
Роса — мелкие капли воды, образующиеся на поверхности почвы, на растениях и на других предметах при температуре точки росы выше 0 "С. Роса образуется вследствие радиационного охлаждения деятельной поверхности в ясные тихие ночи, когда температура поверхности и прилегающего к ней воздуха опускается до точки росы и сконденсировавшийся пар выделяется на поверхности в виде капелек воды.
Роса является некоторым ресурсом влаги для растений, особенно важным в засушливых районах. В умеренных широтах за одну ночь может образоваться 0,1...0,5 мм (0,1...0,5 л/м2) осадков; годовое количество влаги, выделяемое росой, составляет 10...30 мм (100...300 м3/га). Образование росы сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, в результате чего процесс выхолаживания замедляется и почва предохраняется от заморозков. Однако в период уборки урожая роса затрудняет работу комбайнов, так как солома и зерно вследствие большой гигроскопичности становятся влажными, зерно плохо вымолачивается, солома забивает барабаны молотилки комбайна. Сильные, долго не спадающие росы во время созревания зерна, а особенно в фазу полной спелости, вызывают «стекание» зерна. Обильные росы могут спровоцировать и появление болезней у растений.
В условиях, аналогичных выпадению росы, но при снижении температуры на поверхности предметов ниже 0 °С путем сублимации образуется иней, состоящий из ледяных кристаллов. Этот процесс происходит преимущественно при инверсии температуры воздуха.
Твердый налет представляет собой полупрозрачный, беловатого цвета ледяной налет толщиной до 2...3 мм, отлагающийся вследствие сублимации на наветренных сторонах различных холодных предметов при адвективном потеплении (приток более теплого воздуха, часто при тумане), причем температура воздуха остается отрицательной.
При зимних оттепелях в пасмурную погоду или при тумане на вертикальных поверхностях, которые холоднее воздуха, часто появляется жидкий налет, поверхности «запотевают».
Изморозь — отложение льда на ветвях деревьев, проводах и т. п. при тумане в результате сублимации водяного пара (кристаллическая изморозь) или намерзания капель переохлажденного тумана (зернистая изморозь).
Кристаллическая изморозь состоит из кристаллов льда, нарастающих на наветренной стороне при слабом ветре и температуре.—15 °С. Длина кристалликов обычно не превышает 1 см, но может достигать и нескольких сантиметров. Кристаллическая изморозь имеет вид пушистых гирлянд, легко осыпающихся при ветре.
Зернистая изморозь — снего-видный, рыхлый лед, нарастающий с наветренной стороны предметов в туманную, умеренно-морозную (до —10 °С), преимущественно ветреную погоду, особенно в горах. Толщина слоя отложения ее может достигать нескольких десятков сантиметров (рис. 6.3). В таких случаях это опасное метеорологическое явление, так как ломаются ветки деревьев, рвутся провода и т. д.
Туманы. Скопление продуктов конденсации или сублимации (или тех и других вместе), взвешенных в воздухе непосредственно над поверхностью Земли, образует туманы.
В зависимости от причин образования туманы делят на туманы охлаждения и туманы испарения, первые из которых абсолютно преобладают.
Охлаждение может происходить при разных условиях. Во-первых, воздух может перемещаться с более теплой подстилающей поверхности на более холодную и охлаждаться вследствие этого. Это адвективные туманы. Во-вторых, воздух может охлаждаться потому, что сама подстилающая поверхность под ним охлаждается радиационным путем. Это радиационные туманы.
Туманы испарения возникают чаще всего осенью и зимой (или летом ночью) в холодном воздухе над более теплой открытой водой.
Туманы имеют как положительное, так и отрицательное значение в жизни растений. Они могут быть полезны в период поздневесенних и раннеосенних заморозков, так как сдерживают выхолаживание деятельной поверхности. В другие периоды жизни растений туманы, особенно частые, малоблагоприятны. В период цветения растений они задерживают вызревание пыльцы, препятствуют лёту насекомых, что снижает продуктивность опыления и образования завязи. В период формирования нижнего междоузлия озимых и яровых хлебов они обусловливают крупноклеточное строение ткани, вследствие чего может снизиться устойчивость растений к полеганию.
Туманы, образующиеся в период формирования и дозревания плодов сельскохозяйственных культур, ухудшают их лежкость при хранении и снижают качество, а образующиеся в период уборки зерновых задерживают дозревание хлебов и, как и роса, затрудняют проведение уборочных работ. Туманы, так же как и роса, могут вызывать «стекание» зерна и стимулировать развитие болезней у растений. Далее приведена продолжительность увлажнения листьев пшеницы и интенсивность поражения ее линейной ржавчиной (по Пельтье).
Содержащиеся в воздухе капли воды и кристаллы льда уменьшают его прозрачность, поэтому дальность видимости в тумане может быть очень малой. Если она оказывается больше 1 км, но меньше 10 км, то такое явление называют туманной дымкой или просто дымкой.
Облака. Скопление продуктов конденсации и сублимации в свободной атмосфере образует облака. Размеры облачных элементов — капелек и кристалликов — настолько малы, что длительное время остаются взвешенными в воздухе или даже увлекаются восходящими потоками вверх.
Облака переносятся воздушными течениями. Если относительная влажность в окружающем воздухе убывает, то облака испаряются.
