Испарение как источник водяного пара в атмосфере. Круговорот воды в природе

Количество водяного пара в атмосфере очень мало по сравнению с количеством сухого воздуха. Несмотря на это, роль водяного пара в жизни на Земле и в процессах, совершающихся в атмосфере, исключительно велика.

Количество водяного пара, содержащееся в составе атмосферы за месяц, эквивалентно более чем десяти тысячам кубических километров воды. Для сравнения укажем, что Каспийское море содержит около 70 000 км³ воды. Основным, практически единственным источником, водяных паров в атмосфере является испарение воды с поверхности океанов, морей и континентов, причем доля испарения с континентов составляет приблизительно 28% от всей воды, испаряющейся с поверхности нашей планеты. На испарение тратится около 18% всей энергии, поступающей от Солнца к Земле.

Испарение. Процесс испарения сводится к тому, что с поверхностей жидкости происходит отрыв отдельных молекул, которые имеют скорость, достаточную для преодоления сил молекулярного сцепления. Эти молекулы должны обладать несколько большей энергией, чем средняя кинетическая энергия молекул при данной температуре. С повышением температуры испаряющегося вещества число таких молекул увеличивается, а следовательно, увеличивается и испарение. Испаряющиеся молекулы уносятся от поверхности жидкости; некоторые же из них а результате молекулярного движения вновь попадают на поверхность жидкости. Таким образом, наблюдаемое нами испарение представляется разностью двух потоков молекул: испаряющихся и конденсирующихся. Состояние, при котором эти потоки равны, называется состоянием насыщения. При таком состоянии наблюдаемое испарение отсутствует.

Из сказанного выше следует, что одним из важнейших условий испарения воды является наличие разности между насыщающей упругостью водяного пара при данной температуре испаряющей поверхности и фактической упругостью водяного пара в окружающем пространстве. Это значит, что чем ниже относительная влажность воздуха над испаряющей поверхностью, тем больше испарение.

В ограниченном замкнутом объеме состояние насыщения наступает сравнительно быстро, однако в естественных условиях испарения с поверхности океанов и континентов такое состояние может наблюдаться лишь в сравнительно тонком, прилегающем к испаряющей поверхности слое, но в этом случае испарение не прекращается, а лишь замедляется.

Чем ниже насыщающая упругость над данной испаряющей поверхностью при данной температуре, тем медленнее происходит испарение. В то же «время упругость насыщения изменяется в зависимости от целого ряда факторов. К числу этих факторов относятся: температура испаряющегося вещества, агрегатное «состояние его (вода, лед), форма испаряющей поверхности (капли воды или частицы льда), наличие в испаряющемся веществе солей, электрическое состояние испаряющей поверхности и др. Зависимость упругости насыщения водяного пара «от температуры представлена на рис. 100.

Из рисунка видно, что упругость насыщения повышается с повышением температуры. Кроме того, при отрицательных температурах воздуха (а следовательно, и испаряющегося вещества) упругость насыщения над льдом (пунктирная линия) несколько меньше, чем над водой (сплошная линия), так как силы сцепления в молекулах льда больше, чем в молекулах воды. По этой причине испарение с поверхности льда происходит медленнее, чем с поверхности переохлажденной воды. Эта зависимость важна при вычислении испарения с облачных элементов и «при определении влажности воздуха.

В табл. 73 приведены значения упругости насыщения над водой (Е), льдом (Е_л) и разностей между ними (ΔЕл), выраженные в мб.

Различие в упругости насыщения над водой и льдом имеет большое значение в развитии атмосферных процессов. Если в облаке одновременно наблюдаются капли переохлажденной воды и кристаллы льда, то упругость насыщения водяного пара вокруг капель оказывается больше, чем упругость насыщения над льдом, и меньше, чем над водой. Тогда будет наблюдаться сублимация водяного пара на кристаллах льда и испарение капли. Этот процесс играет большую роль в образовании осадков.

Уменьшение радиуса «капель сопровождается быстрым ростам упругости насыщения, поэтому последняя над поверхностью капель достигается только в случае пересыщения относительно плоской поверхности. В табл. 74 приведено значение отношения упругости насыщения над каплей (Е_к) к упругости насыщения над плоской водной поверхностью в процентах.

Из таблицы видно, что при радиусах капель больше 10^-4 см кривизна их поверхности уже не влияет на упругость насыщения. Уменьшение же размера капель ниже этой величины приводит к повышению упругости насыщения над ними. Соли, содержащиеся в испаряющейся жидкости, обусловливают понижение упругости насыщения. При этом относительное понижение упругости насыщения прямо пропорционально концентрации раствора. Над океанами при солености около 35‰ понижение упругости насыщения приближенно равно 2% и отношение упругости насыщения над соленой (Е_с) и пресной (Е_n) водой составляет 98 %, поэтому морская вода испаряется несколько медленнее пресной. Так, при относительной влажности воздуха 90 и 95% испарение морской воды соответственно составляет 0,8 и 0,6 от испарения пресной воды. Таким образом, при малых относительных влажностях разница несущественна, зато при больших — значительная.

Некоторое влияние на упругость насыщения оказывает электрический заряд испаряющегося вещества. Это имеет значение при оценке испарения и конденсации воды у поверхности капель. Заряды последних несколько уменьшают упругость насыщения над ними.

Кроме изложенного выше, на испарении с поверхности жидкости или твердого вещества существенно сказывается обмен масс воздуха, окружающего испаряющую поверхность. Если у этой поверхности воздух быстро заменяется другим, то оторвавшиеся молекулы относятся дальше, а на их место приходят массы воздуха с меньшим количеством свободных молекул воды. Это ускоряет процесс испарения. При застое масс воздуха у испаряющей поверхности состояние насыщения достигается быстрее и испарение замедляется. Таким образом, на испарение влияет турбулентность движения воздуха над испаряющей поверхностью. Чем турбулентность больше, тем больше испарение, А это значит, что испарение увеличивается с увеличением скорости ветра.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: Н. И. Егоров, И. М. Безуглый, В. А. Мнежинский, и др.

Источник: Морская гидрометеорология

Данные публикации будут полезны для курсантав морских учебных заведений и капитанаов/штурманов гражданского флота, интересующимся глубоким пониманием гидрометеорологии