Скорость испарения

Скорость испарения V выражается в миллиметрах слоя воды, испарившейся за единицу времени, например за сутки, с данной поверхности. Она, прежде всего, пропорциональна раз­ности между упругостью насыщения при температуре испаряю­щей поверхности и фактической упругостью водяного пара в воз­духе: E_s - е (закон Дальтона).

Чем меньше разность (E_s - е), тем медленнее идет испаре­ние, т. е. тем меньше водяного пара переходит в воздух за еди­ницу времени. Если испаряющая поверхность теплее воздуха, то E_s больше, чем упругость насыщения E при температуре воз­духа; поэтому испарение продолжается и тогда, когда воздух уже насыщен, т. е. когда e = E<E_s. Кроме того, скорость испа­рения обратно пропорциональна атмосферному давлению р. Но этот фактор важен лишь при сравнении условий испарения на разных высотах в горах; на равнине колебания атмосферного давления не так велики, чтобы он имел серьезное значение.

Наконец, испарение зависит от скорости ветра v, поскольку ветер и связанная с ним турбулентность относят водяной пар от испаряющей поверхности и поддерживают необходимый де­фицит влажности в непосредственной близости от нее. Испаре­ние очень велико летом в степной зоне России, когда к большому дефициту влажности часто присоединяются и силь­ные ветры.

Итак,

где k — коэффициент пропорциональности.

Измерение испарения является трудной задачей. Легко измерить испарение с поверхности воды в чашке прибора — ис­парителя — или в небольшом искусственном бассейне. Однако нельзя вполне приравнивать такое испарение к испарению с боль­шого естественного водоема. В последнем случае испарение меньше, чем определенное по испарителю. Измерить испарение с поверхности почвы намного труднее; соответствующие при­боры — почвенные испарители — существуют, но определяемые ими величины испарения из вырезанных монолитов почвы также могут отличаться от испарения в естественной обстановке. Положение еще осложняется и транспирацией, которая, бу­дучи процессом, биологическим, для разных видов растений различна при одинаковых метеорологических условиях.

Поэтому для определения испарения с больших географиче­ских площадей прибегают к расчетным методам. Испарение с поверхности суши рассчитывается, например, по осадкам, стоку и влагосодержанию почвы, т. е. по другим элементам водного баланса, с которыми связано испарение и которые легче опре­деляются путем измерений. Испарение с поверхности моря можно рассчитывать по формулам, близким к уравнению (1), т. е. из данных о влагосодержании воздуха, температуре и ветре.

Географическое распределение испаряемости и испарения

Говоря о количестве воды, испаряющемся в той или иной местности, нужно различать фактическое испарение и возможное испарение, или испаряемость.

Испаряемостью называют максимально возможное испаре­ние, не ограниченное запасами влаги. Таково испарение с чашки испарителя, куда регулярно добавляется вода. Испарение с по­верхности водоема или избыточно увлажненной почвы также может быть названо испаряемостью. Однако в случае большой испаряющей поверхности оно меньше, чем испарение, определен­ное по испарителю.

Величина испаряемости характеризует, насколько погода и климат в данной местности благоприятствуют процессу испа­рения.

Однако испаряемость не всегда совпадает с фактическим ис­парением с поверхности почвы. Для почвы с недостаточным увлажнением величина фактического испарения меньше, чем для водной поверхности при тех же условиях, т. е. меньше испаряе­мости; просто потому, что не хватает влаги, которая могла бы испаряться. Например, в условиях Средней Азии испаряемость летом очень велика вследствие большого дефицита влажности при высоких температурах. С водных поверхностей в этом рай­оне, например, Аральского моря, испаряется большое количество воды с единицы поверхности. Но поблизости, в пустынях, где осадки очень малы, фактическое испарение из иссушенной песча­ной почвы также очень мало; испаряться нечему.

Рассмотрим числовые величины испаряемости на суше, определенные либо по испарению с водных поверхностей в при­борах (испарителях), либо путем расчетов для небольших вод­ных поверхностей по средним значениям других метеорологиче­ских элементов (для этого существуют эмпирические формулы).

В полярных областях, при низких температурах испаряющей поверхности, как упругость насыщения Е_s так и фактическая упругость е малы и близки друг к другу. Поэтому разность (E_s - е) мала, и вместе с ней мала испаряемость. На Шпицбер­гене она только 80 мм в год, в Англии около 400 мм, в Средней Европе около 450 мм. На Европейской территории России испаряемость растет с северо-запада на юго-восток вместе с ростом дефицита влажности. В Ленинграде она 320 мм в год, в Москве 420 мм, в Луганске 740 мм. В Средней Азии с ее высокими лет­ними температурами и большим дефицитом влажности испаряе­мость значительно выше: 1340 мм в Ташкенте и 1800 мм в Нукусе.

В тропиках испаряемость сравнительно невелика на побе­режьях и резко возрастает внутри материков, особенно в пу­стынях. Так, на Атлантическом побережье Сахары годовая ис­паряемость 600—700 мм, а на расстоянии 500 км от берега — 3000 мм. В наиболее засушливых районах Аравии и пустынь по Колорадо она выше 3000 мм. Только в Южной Америке нет областей с годовой испаряемостью более 2500 мм.

У экватора, где дефицит влажности мал, испаряемость отно­сительно низка: 700—1000 мм. В береговых пустынях Перу, Чили и Южной Африки годовая испаряемость также не более 600—800 мм.

Влажная почва, покрытая растительностью, может терять влаги больше, чем водная поверхность, так как к испарению в этом случае прибавляется транспирация. Но почва в районах с недостаточным увлажнением, конечно, испаряет меньшее ко­личество воды; не более того, что она получает в результате впитывания дождевой и талой воды.

Рассмотрим теперь географическое распределение факти­ческого испарения.

На карте XVI (из «Атласа теплового баланса земного шара» под редакцией M. И. Будыко) приводятся рассчитанные годовые суммы фактического испарения. Можно видеть, что испарение с океанов (где оно совпадает с испаряемостью) значительно пре­вышает испарение с суши. На большей части акватории миро­вого океана в средних и низких широтах оно от 600 до 2500 мм, а максимумы доходят до 3000 мм. В полярных водах при нали­чии льдов испарение сравнительно невелико. На суше годовые суммы испарения от 100—200 мм в полярных и пустынных райо­нах (в Антарктиде еще меньше) до 800—1000 мм во влажных тропических и субтропических областях (юг Азии, страны по Гвинейскому заливу и Конго, юго-восток США, восточное побе­режье Австралии, острова Индонезии, Мадагаскар). Максималь­ные значения на суше — несколько больше 1000 мм.

Карта XVI. Испарение с подстилающей поверхности. Средние годовые величины (в мм/год).

Характеристики влажности

Влагосодержание воздуха, прежде всего, зависит от того, сколько водяного пара попадает в атмосферу путем испарения с земной поверхности в том же районе. Естественно, что над океанами оно больше, чем над материками, так как испарение с поверхности океана не ограничено запасами воды. В то же время в каждом месте влагосодержание зависит и от атмосфер­ной циркуляции: воздушные течения приносят в данный район воздушные массы более влажные или более сухие из других об­ластей Земли. Наконец, для каждой температуры существует со­стояние насыщения, т. е. существует некоторое предельное влаго­содержание, которое не может быть превзойдено.

Для количественного выражения содержания водяного пара в атмосфере употребляют различные характеристики влажности воздуха. О двух из них было сказано в главе второй. Это, во-первых, упругость (давление) водяного пара е — основ­ная и наиболее употребительная характеристика влагосодержания. Во-вторых, это относительная влажность r, т. е. процентное отношение фактической упругости пара к упругости насыщения при данной температуре:

Употребительной характеристикой является также абсо­лютная влажность, т. е. плотность водяного пара, выраженная в граммах на кубический метр.