Физическая природа испарения
Испарение представляет собой процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на границе раздела фаз – жидкость–газ. В атмосфере основной интерес представляет испарение воды с различных поверхностей: водоемов, почвы, растительности, а также с искусственных объектов. Молекулы воды, обладающие достаточной кинетической энергией, преодолевают межмолекулярные силы и покидают жидкую фазу, переходя в водяной пар. Этот процесс сопровождается поглощением скрытой теплоты испарения — около 2,45·10⁶ Дж/кг при 20 °C.
Скорость испарения определяется рядом факторов, основными из которых являются:
Испарение воды оказывает заметное влияние на тепловой баланс земной поверхности, участвует в перераспределении влаги и энергии в системе атмосфера–поверхность, и играет важнейшую роль в формировании метеорологических процессов, таких как образование облаков и осадков.
Уравнение испарения
Одним из основных способов описания испарения служит эмпирическое уравнение Далтона:
E = k(u)(es − e)
где E — скорость испарения (например, в мм/сутки или кг·м⁻²·с⁻¹), k(u) — коэффициент, зависящий от скорости ветра u, e_s — давление насыщенного водяного пара при температуре поверхности, e — фактическое парциальное давление водяного пара в воздухе.
Этот подход подчеркивает зависимость испарения от градиента парциального давления водяного пара и турбулентного обмена в приземном слое атмосферы.
Поток влаги и энергии при испарении
Испарение связано с вертикальным влаговым и тепловым переносом в приземном слое атмосферы. Поток скрытой теплоты LE (где L — удельная теплота испарения, E — поток испарившейся воды) является составляющей турбулентного потока энергии и включается в уравнение теплового баланса:
Rn = H + LE + G
где R_n — суммарная радиация, H — поток чувствительной теплоты, LE — поток скрытой теплоты, G — поток тепла в почву.
При высоком уровне увлажнения поверхности основная доля радиационной энергии расходуется на испарение, уменьшая прогрев воздуха. Это особенно характерно для водоемов, заболоченных территорий и увлажненной растительности.
Транспирация растений: физико-физиологический механизм
Транспирация — это испарение воды с поверхности растений, преимущественно через устьица листьев. Процесс имеет двойственную природу: он регулируется как физическими условиями (температурой, влажностью, освещённостью, ветром), так и физиологическими механизмами, контролирующими открытие и закрытие устьиц.
Вода поступает из почвы через корневую систему, поднимается по проводящим тканям (ксилеме) к листьям, где испаряется в межклеточное пространство и выходит наружу. Движущей силой этого потока является водяной потенциал, зависящий от градиента давления пара между влажной внутренней поверхностью листа и окружающим воздухом. Этот процесс имеет следующие фазы:
Аэро- и гидродинамика транспирации
Скорость транспирации, как и испарения с открытых водных поверхностей, определяется балансом между поступлением тепла и влаги и их выносом в атмосферу. Однако в отличие от простого испарения, транспирация регулируется растением, которое может изменять степень открытости устьиц.
Аэродинамическое сопротивление атмосферы и сопротивление устьичных пор влияют на общий поток водяного пара. Для описания этих процессов применяется модель двойного сопротивления:
$$ E = \frac{\rho_a \cdot g_v \cdot (q_s - q_a)}{r_a + r_s} $$
где ρ_a — плотность воздуха, g_v — удельная масса водяного пара, q_s — удельная влажность устьичной камеры, q_a — удельная влажность воздуха, r_a — аэродинамическое сопротивление, r_s — сопротивление устьиц (stomatal resistance).
Потенциальное и фактическое испарение
Различают потенциальное испарение — максимально возможное испарение при достаточном водоснабжении поверхности, и фактическое испарение — реально происходящий процесс при конкретных условиях увлажнения. Потенциальное испарение зависит исключительно от метеорологических условий, и его можно оценить по формулам типа Пенмана, Пристли-Тейлора и др.
Формула Пенмана объединяет радиационные и аэродинамические компоненты:
$$ E = \frac{\Delta R_n + \gamma f(u)(e_s - e)}{\Delta + \gamma} $$
где Δ — наклон кривой насыщенного давления пара, γ — психрометрическая константа, f(u) — функция скорости ветра.
Фактическое испарение может быть существенно ниже потенциального, особенно в засушливых регионах и в периоды водного дефицита.
Эвапотранспирация и её значение
Совокупный процесс испарения с почвы и транспирации растениями называется эвапотранспирацией. Этот процесс играет ключевую роль в водном балансе экосистем и в климатической системе. Эвапотранспирация:
Для оценки эвапотранспирации в моделях климатических и гидрологических процессов широко применяются как прямые наблюдения (лизиметры, микрометеорологические методы), так и дистанционное зондирование (спутниковые данные) и численные модели, учитывающие взаимодействие атмосферы, почвы и растительности.
Связь с глобальной циркуляцией и климатом
На глобальном уровне испарение и транспирация — важные источники влаги для атмосферы. Более 85% всех осадков возвращается в атмосферу в виде водяного пара именно благодаря этим процессам. Тепло, поглощаемое при испарении и высвобождаемое при конденсации, формирует латентный тепловой поток, который влияет на:
Изменения в эвапотранспирации, вызванные изменениями климата, землепользования или деградацией почв и растительности, способны существенно повлиять на локальные и региональные климатические условия, в том числе на засушливость, повторяемость осадков и тепловой режим.
Особенности в различных природных условиях
Законы сохранения и балансы
Процессы испарения и транспирации описываются законами сохранения массы и энергии. Основу количественного анализа составляют следующие балансовые соотношения:
Водный баланс:
P = E + R + ΔS
где P — осадки, E — испарение (включая транспирацию), R — сток, ΔS — изменение запасов воды в системе.
Энергетический баланс:
Rn = H + LE + G
как основа оценки латентного и чувствительного теплообмена.
Эти уравнения используются как в локальных измерениях (полевые наблюдения), так и в крупномасштабных моделях климата и прогноза погоды.