5.5.1. Испарение

Испарение является главным источником поступления водяного пара в атмосферу, в результате чего происходит круговорот воды на Земле. Оно является также и основной составляющей водного ба­ланса территорий речных бассейнов, морей, озер, водохранилищ и других водных объектов, особенно в условиях засушливого кли­мата.

В отличие от других составляющих влагооборота на Земле - атмосферных осадков и речного стока, данных по испарению нет. Испарение не измеряют, а рассчитывают по другим характеристикам.

Испарение с поверхности воды в основном зависит от метеорологических условий. Испарение с почвы опреде­ляется, помимо метеорологических условий, влажностью почвы и ее водно-физическими характеристиками. Однако для любого вида испаряющей поверхности испарение зависит в основном от метеоро­логических условий: дефицита влажности воздуха, рассчитанного по температуре испаряющей поверхности, и интенсивности верти­кального и горизонтального переноса водяного пара, обычно опре­деляемого скоростью ветра и температурной стратификацией атмо­сферы.

Испарение с поверхности воды опреде­ляется в основном метеорологическими факторами, т. е. дефицитом влажности воздуха и скоростью ветра. Дефицит влажности воздуха d представляет собой разность между упругостью насыщения e₀ при температуре испаряющей поверхности и фактической упруго­стью водяного пара е над испаряющей поверхностью, т. е. d = e₀ – e. Знак дефицита влажности, рассчитанного по температуре по­верхности воды, и его абсолютное значение определяют направле­ние и количество водяного пара вблизи этой поверхности. Если (е₀ - е) > 0, то происходит испарение, при (е₀ - е) > 0 - конден­сация (сублимация) водяного пара, в случае (е₀ - е) = 0 наблюдается равновесие водяного пара над поверхностью воды. Дефицит влажности воздуха, рассчитанный по температуре поверхности воды, при неизменной влажности воздуха над водной поверхностью зависит от упругости насыщения, кото­рая определяется температурой воды. Кроме того, упругость насы­щения зависит от фазового состояния воды и степени ее минерали­зации.

Повышение температуры поверхности воды увеличивает e₀ и при неизменной упругости водяного пара в воздухе е приводит к увели­чению дефицита влажности воздуха, а следовательно, и испарения. Упругость насыщенного пара не является линейной функцией тем­пературы, поэтому одинаковое изменение температуры поверхности воды при высоких ее значениях приводит к большему изменению испарения, чем при низких. Это имеет наибольшее значение для ма­лых мелководных водоемов, температура поверхности которых мо­жет существенно меняться в суточном ходе и от одних суток к дру­гим. При температуре поверхности воды, большей температуры воздуха над ней, всегда происходит только испарение, конденсация пара или равновесие его над водной поверхностью невозможны, так как максимальная упругость водяного пара е₀, вычисленная по температуре поверхности воды, будет всегда больше упругости во­дяного пара воздуха даже при ее максимальном.

Если температура поверхности воды ниже температуры воздуха, то в зависимости от упругости пара в воздухе е может иметь место любой из процессов: испарение, конденсация или рав­новесие пара над водой. Равновесие пара над водой, более холод­ной, чем воздух, достигается при упругости пара в воздух, мень­шей его максимальной упругости, т. е. при относительной влаж­ности воздуха r’ < 100%. Эту относительную влажность воздуха называют равновесной. Чем холоднее вода по сравнению с воздухом, тем при меньшей относительной влажности воздуха достигается равновесие пара над водной поверхностью. Если относительная влажность воздуха больше равновесной, то происходит конденсация пара на поверхности воды, если же меньше, то - испарение.

Для испарения снега и льда требуется большое количество тепла. Если тепло не подводится к испаряющей поверхности, то она охлаждается, что вызывает уменьшение упругости насыщения и тем самым замедляет процесс испарения. Теплообмен, создающий приток тепла к испаряющей поверхности, может частично компен­сировать затрату тепла на испарение. Таким образом, теплообмен является своеобразным регулятором интенсивности испарения. Сам теплообмен зависит от теплопроводности снега и льда. Поскольку теплопроводность льда выше, чем снега, приток тепла к испаряю­щей поверхности льда будет большим и как следствие этого ин­тенсивность испарения со льда при прочих равных условиях будет большей. Аналогично интенсивность испарения с плотного снега больше, чем с рыхлого, свежевыпавшего, из-за разницы их тепло­проводности, зависящей от плотности снега.

Зависимость процесса испарения от дефицита влажности воз­духа, рассчитанного по температуре испаряющей поверхности, справедлива для условий неподвижного воздуха. В этом случае испарение носит название диффузного испа­рения, так как распространение испарившейся воды в воздухе определяется исключительно молекулярной диффузией. В реальности в природе такого никогда не происходит. Испарение в природных условиях происходит не в спо­койном воздухе, а находящемся в состоянии непрерывных движе­ний, носящих турбулентный характер и приводящих к горизонталь­ному и вертикальному переносу водяного пара. В результате тур­булентного обмена отдельные маленькие вихри захватывают и уно­сят от испаряющей поверхности увлажненный воздух, подводя в то же время к ней более сухой воздух. При таких условиях скорость испарения будет зависеть как от скорости воздушных потоков и их турбулентности, так и от дефицита влажности в более сухом воз­духе, приходящим на смену увлажненному. Поэтому зависимость скорости испарения от ветра оказывается довольно сложной. На малых водоемах, на испаряющую поверхность которых непрерывно поступает более сухой воздух, усиление ветра заметно увеличивает скорость испарения. Если испарение происходит с очень больших поверхностей (озер и водохранилищ), то проходя­щий над ними воздух постепенно увлажняется и тогда скорость ветра уже не оказывает такого существенного влияния на испа­рение.

Испарение с поверхности почвы, лишенной растительности, пре­жде всего определяется ее влажностью, так как сухая почва не ис­паряет влаги. Испарение с поверхности влажной почвы, так же как и с поверхности воды, зависит от дефицита влажности воздуха, рассчитанного по температуре испаряющей поверхности, и интен­сивности вертикального и горизонтального переноса водяного пара, влияние которых рассмотрено выше, поэтому испарение с поверх­ности почвы, лишенной растительности при влажности почвы, рав­ной полной влагоемкости, близко к испарению с водной поверхно­сти и определяется теми же факторами. Такая влажность почвы в естественных условиях наблюдается после весеннего таяния снега, длительного выпадения жидких атмосферных осадков или поливов. При просыхании почвы испарение с ее поверхности умень­шается. При этом на него начинают оказывать большое влияние влажность почвы, зависящая от притока воды в жидком или паро­образном состоянии. Приток воды к поверхностному слою почвы в свою очередь определяется глубиной залегания грунтовых вод, высотой капиллярного поднятия, зависящего от механического со­става и структуры почв.

В случае если почва покрыта растительностью, испарение носит более сложный характер, по­скольку происходит не только с самой почвы, но и с листьев расте­ний (транспирация), а также с поверхности растительного покрова, орошенного атмосферными осадками. Такое испарение носит название суммарного. Суммарное испарение с почвы, покрытой растительностью, и его составляющие зависят от большого числа факторов, главными им которых остаются влажность почво-грунтов, дефицит влажности воздуха, рассчитанный по температуре испаряющей поверхности, и интенсивность вертикального и горизонтального переноса водя­ного пара.

Испарение части атмосферных осадков, задержанных поверх­ностью растительного покрова, определяется количеством этой влаги, а сам процесс испарения ее мало отличается от процесса ис­парения с водной поверхности, изложенного выше. Эту составляю­щую суммарного испарения невозможно определить без специаль­ных измерений, поэтому ее часто включают в транспирацию, под которой понимают суммарный расход влаги растением на испаре­ние.