Гидравлика, гидрология и метеорология (стр. 49 )

Ф и з и ч е с к о е  и с п а р е н и е  происходит посредством процессов молекулярной и турбулентной диффузии.

Сущность процесса молекулярной диффузии заключается в отрыве от водной или влажной почвенной поверхности молекул воды, набравших за сечт нагрева такую кинетическую энергию, которая позволяет им преодолеть силы тяжести и сцепления влаги и перейти во взвешенное состояние в воздухе.

Более интенсивной составляющей физического испарения является процесс турбулентной диффузии, при котором молекулы воды захватываются с водной и влажной почвенной поверхности и переносятся в вертикальном направлении за счет вертикальных составляющих передвижения воздушных масс.

Процесс испарения сопровождается потерей тепла. Для перехода  1 г воды при 0єС в пар требуется 2507 кДж тепла. Это так называемая скрытая теплота испарения.

Процесс физического испарения происходит как с поверхности водных объектов, так и с поверхности влажной почвы, поэтому его разделяют на испарение с водной поверхности и испарение с почвы. Обычно на почвенной поверхности существует какая-либо растительность, которая переводит часть влаги из верхнего слоя почвы в атмосферу посредством транспирации. Кроме того, часть влаги, находящейся на стволах, стеблях и листьях растений, непосредственно испаряется в атмосферу.

Тем не менее под термином «суммарное испарение» или «испарение с поверхности суши» понимают суммарное испарение с почвы и растительности, а также транспирацию влаги растениями. В международной практике для характеритсики суммарного испарения используют термин «эвапотранспирация».

Чтобы правильно составить водный баланс для конкретной территории, на которой имеются какие-либо водные объекты, необходимо помимо суммарного испарения учесть еще и испарение с водной поверхности этих объектов.

Испарение, не ограниченное запасами влаги, принято называть  и с п а р я е м о с т ь ю.

По своей сущности испарение с водной поверхности водоемов можно считать испаряемостью. Испарение с водной поверхности испарителя, расположенного на суше, тоже можно принимать за испаряемость. Эта величина в большинстве случаев существенно отличается от испарения с суши. Только для заболоченных территорий значения испаряемости и фактического испарения отличаются друг от друга.

Испарение обычно измеряют в миллиметрах (мм) слоя воды, испаряющейся за конкретное время (год, месяц). Если же в качестве расчетного используют небольшой промежуток времени (ч, сут), то принято говорить об интенсивности процесса испарения, (мм/ч или мм/сут).

Испарение с водной поверхности. За испарением с водной поверхности обычно наблюдают водно-балансовых станциях с помощью испарителей и испарительных бассейнов. Стандартным сетевым прибором для измерения испарения с водной поверхности является испаритель Государственного гидрологического института ГГИ-3000. Он представляет собой металлический сосуд с площадью испаряющей поверхности 3000 см2 и высотой 68,5 см. В центре испарителя установлена вертикальная трубка, к верхнему концу которой прикреплена коленчатая игла. Острие иглы находится на 7,5 см ниже борта испарителя. Испаритель наполняют водой до уровня, совпадающего с окончанием иглы. Испарение определяют по падению уровня воды на вертикальной трубке. Количество выпавших осадков за период наблюдения учитывают наземным дождемером, который располагают рядом с испарителем.

Испарители ГГИ-3000 можно устанавливать на берегу водоема и на специально оборудованных плотах.

Эталонный испаритель – это испарительный бассейн с площадью зеркала 20 м2 и глубиной 2 м. Обычно показания испарительного бассейна площадью 20 м2 соответствуют испарению с малых водоемов площадью до 5 км2. Существует карта изолиний средних многолетних переходных коэффициентов от наземных испарителей ГГИ-3000 к бассейну площадью 20 м2. На основании этой карты и многолетних наблюдений за испарением по испарителю ГГИ-3000 была построена карта средних многолетних значений испарения с водной поверхности бассейна площадью 20 м2 и схема районирования территории бывшего СССР по типу внутригодового хода испарения (рис. 18.7).

Всего на карте выделено 8 зон. Из них I находится в Северном Ледовитом океане составляет всего лишь 20 мм; VIII зона – на юго-западе с испарением 130 – 180 мм. Беларусь расположена в IV – V зонах с испарением 40 – 50 мм.

Существует нормированное распределение испарения по месяцам. Для IV и V зон оно представлено в табл. 18.1.

Т а б л и ц а  18.1. Испарение с поверхности малых водоемов по месяцам, %

Зона	Месяца
4	5	6	7	8	9	10	11
IV	3	6	22	21	19	12	6	1
V	6	14	20	21	19	12	6	2

Все водоемы применительно к расчету испарения делят на 3 группы: малые (площадью до 5 км2), средние (5 – 40 км2), большие  (> 40 км2 – это озера и водохранилища). В средних и больших водоемах испарение на 15 – 20 % больше, чем в малых.

При отсутствии данных наблюдений испарение со средних водоемов можно вычислить по эмпирической формуле (13.5).

Испарение с поверхности суши (эвапотранспирация). При составлении различного вида водохозяйственных балансов необходимо знать среднее многолетнее суммарное испарение. Существует несколько методов его определения. Наибольшее применение получили метод водного баланса и биоклиматический метод.

М е т о д  в о д н о г о  б а л а н с а. Из уравнения водного баланса, составленного для многолетнего периода при наличии надежных данных об осадках Х и стока У, суммарное испарение определяют как разность этих величин

Е = Х – У.                                (18.14)

По этому уравнению в Государственном гидрологическом институте (ГГИ) была построена карта изолиний суммарного испарения  (рис. 18.8), по которой достаточно точно можно найти искомое значение для водосборовс площадью более 6000 км2.

Б и о к л и м а т и ч е с к и й  м е т о д  разработан А. М. и применительно в большей мере к орошаемым землям. Он учитывает биологические особенности сельскохозяйственных культур. Суммарное испарение вычисляется по формуле

Е = вУd200,                                (18.15)

где в – биологический коэффициент испарения, зависящий от вида растений;

Уd200 – сумма суточных дефицитов влажности воздуха на высоте  2 м за рассматриваемый период.

И с п а р е н и е  с  п о в е р х н о с т и  п о ч в ы. Основными влияющими факторами являются температура воздуха, скорость ветра и дефицит влажности. Определенное влияние оказывают также цвет почвы, рельеф местности.

Для измерения испарения применяют почвенные испарители различных конструкций. В основном используется весовой метод, заключающийся в том, что испарение с почвы в определенный промежуток времени находят по изменению массы почвенного монолита, помещенного в испаритель с учетом выпавших осадков за тот же период и количества воды, просочившейся через него. Изменение массы устанавливают взвешиванием, а осадки измеряют с помощью почвенного дождемера. Воду, просочившуюся через монолит и собравшуюся в водосборном сосуде испарителя, измеряют стаканом дождемера. При наблюдениях пользуются почвенными испарителями ГГИ-500-50 (площадь 500 см2, высота 50 см, ГГИ-500-100 (площадь 500 см2, высота 100 см).

И с п а р е н и е  с  р а с т и т е л ь н о г о  п о к р о в а  точно измерить весьма сложно. Здесь также применяются весовые методы. В балансовых водохозяйственных расчетах этот вид испарения практически не учитывают.

И с п а р е н и е  с  п о в е р х н о с т и  с н е г а  и  л ь д а  (называемое «возгонкой») имеет место, когда упругость пара в воздухе рвп над снегом или льдом меньше, чем упругость пара рнп, насыщающего пространство при температуре испаряющейся поверхности. Для европейской части СНГ оно составляет небольшую величину – 20 – 30 мм, т. е. до 5% годового испарения.

Распределение испарения по поверхности земли. Обычно при анализе климатических условий региона оценивают как реальное испарение, так и испаряемость. Значения испаряемости для территории суши существенно различаются (от менее 100 мм в год в арктических и антактических широтах до 3000 мм в год в районах пустынь). Испаряемость, как правило, увеличивается с удалением от морей и океанов и приближением к областям с постоянным высоким давлением и соответственно безоблачным небосводом. В частности, на европейской территории СНГ испаряемость возрастает по направлению с севера-запада на юго-восток (в Санкт-Петербурге – 320 мм, в Москве – 417 мм, в районах Нижней Волги – более 800 мм). Если продолжать двигаться примерно в том же направлении, то в пустынных территориях Средней Азии можно встретить регионы с испаряемостью около 2000 мм. Области с максимальным испарением находятся в пределах тропических широт Мирового океана, в частности, у юго-восточного побережья Северной Америки – более 2500 мм. Наименьшие значения испарения (до 100 мм) – в высоких широтах северного полушария.

Для территории бывшего СССР о значениях испарения с поверхности суши (суммарного испарения) можно судить по карте, показанной на рис. 18.8.

18.4. Облачность

Конденсация водяного пара в атмосфере. Процесс перехода водяного пара в жидкое состояние принято называть к о н д е н с а ц и е й.

При низких температурах (ниже –30єС) водяной пар практически сразу переходит в твердое состояние (состояние ледяных кристаллов). Такой процесс называют  с у б л и м а ц и е й.

Оба процесса могут вызывать ряд метеорологических явлений: облачность, осадки, туман, дымку, мглу. При изучении этих явлений необходимо рассмотреть процесс конденсации и условия, при которых он происходит.