10. Випаровування та випарність

Водяна пара попадає в атмосферу при випаровуванні води з поверхні земного шару.

Випаровування  швидкість випаровування визначається масою води, яка випаровується за одиницю часу з одиничної поверхні, тобто [W] = кг/(м²с).У метеорології більшепоширена інша одиниця вимірювання – товщина шару води у мм, яка випаровується у зазначений проміжок часу.Цей проміжок може дорівнювати годині, добі, місяцю, року (наприклад мм/рік). Використання цієї одиниці дає змогу легко порівнювати кількість випаруваної води з кількістю опадів, які вимірюютьсятакожтовщиною шару води у мм. Водяна пара у формі турбулентного потоку поширюється в атмосферу і досягає висот, де вона конденсується і де утворюються хмари.

Випаровування можливо, якщо дефіцит водяної пари над випарною поверхнею буде більшим за 0.

(4.26)

де –тиск насичення водяної пари над випарною поверхнею, який визначається по її температурі, – парціальний тиск водяної пари в атмосфері.

Випарність  це поняття визначає максимальне можливе випаровування за даних умов з поверхні суші при необмеженому запасі вологи у ґрунті.У місцевостях з надмірним зволоженням випаровування фактично близьке до випарності, у засушливих районах воно значно менше за випарність.Оцінка максимальних величин випаровування має значення для розрахунку водного режиму водоймищ і норм зрошування.

Для розв’язання задачі про можливість чи неможливість випаровування, використовують поняття рівноважної відносної вологості

, (4.27)

де – тиск насичення, визначений по температурі випарної поверхні; – тиск насичення, визначений по температурі повітря.

Якщо тобто відносна вологість повітря менша за рівноважну, випаровування можливе і навпаки.

11. Методи визначення турбулентного потоку водяної пари (випаровування)

Метод турбулентної дифузії. Турбулентний потік водяної пари дорівнює швидкості випаровування з одиниці поверхні за одиницю часу. Якщоz₂=2 м,z=0,5 м,z₀=0, густина ₀= 1,3 кг/м³, атмосферний тискР= 1013 гПа, з урахуванням формулиS=0,622е/Р, за проміжок часу 1 година (3600 с) швидкість випаровування визначається за формулою

( кг/ м²год.) (4.28)

З урахуванням того, що 1 кг води на площі 1 м² утворює шар товщиною 1 мм, то

(мм/год), (4.29)

де ( м²/с) – коефіцієнт турбулентності на висоті = 1 м; (гПа) – градієнт вологості повітря у приземному шарі .

Метод теплового балансу. Випаровування з поверхні суші та води можна визначити з рівняння теплового балансу діяльного шару

( 4.30)

де В₀– радіаційний баланс діяльного шару підстильної поверхні; Р_т− турбулентний потік тепла або витрати тепла за рахунок турбулентного переносу; =LW– приховане тепло (конденсації або випаровування); Р_Г – потік тепла у ґрунті або воді.

Турбулентний потік тепла та витрати на випаровування зв’язані між собою і цей зв’язок має назву співвідношення Боуена

(4.31)

З урахуванням формули (4.31) перепишемо (4.30)

(4.32)

Тоді випаровування за методом теплового балансу розраховується за формулою

(4.33)

Параметр Боуена представимо у наступному вигляді

(4.34)

де tіеградієнти температури і вологості у приземному шарі.

З урахуванням того, що S= 0,622і що у приземному шарі Р1000 гПа розрахункова формула для визначення випаровування з поверхні суші за методом теплового балансу набуває наступного вигляду:

(4.35)

У формулі (4.35):В₀і Р_г у Вт/м²− радіаційний балансповерхні і потік тепла у грунт відповідно;L − питоме тепло пароутворення у Дж/кг; Δe = ( е_0,5− е_2,0 ) у гПа; Δt =(t_0,5 − t_2,0)у К; W у кг/м²с, або мм/с.

Із формули (4.35) випливає, що максимального значення випаровування набуває тоді, коли теплообмін між діяльним шаром грунту і глибинними шарами відсутній (= 0) і весь потік радіації витрачається на випаровування.Оскільки радіаційний баланс рідко перевищує значення 1,05 кВт/м², то максимальне випаровування при t = 1 K і e = 1 гПа приблизно складає 0,1 мм/год.

Випаровування залежить від швидкості вітру. Найбільше поширена проста емпірична формула для розрахунку швидкості випаровування (турбулентного потоку водяної пари) формула В.В. Шулєйкіна

, (4.36)

де – парціальний тиск насичення при температурі випарної поверхні; – парціальний тиск;−швидкість вітру у м/с. Якщоівимірюються на висоті 2 м то.