5. Водяна пара в атмосфері

5.1. Загальні поняття про випаровування і насичення

Випаровування. В атмосферному повітрі завжди міститься певна кількість водяної пари, яка надходить у нього завдяки випаровуванню з поверхні води, льоду або вологого ґрунту (т. зв. фізичне випаровування), а також завдяки фізіологічному випаровуванню води живими рослинами (т. зв. транспірація). Випаровування діяльної поверхні разом із транспірацією рослинного покриву називається сумарним випаровуванням.

Випаровуванням, як відомо, називають перехід речовини з рідкого або твердого стану у газоподібний – у пару. У метеорології під цим терміном (без додаткового означення) здебільшого мають на увазі надходження водяної пари в атмосферу унаслідок відривання найшвидших молекул з поверхні води, снігу, криги, вологого ґрунту, а також крапель і кристалів в атмосфері.

Від поверхні, що випаровує, здатні відділитися тільки ті молекули, які рухаються зі швидкістю, достатньою для подолання сил молекулярного зчеплення. Зі зростанням температури число таких молекул, а отже і самого випаровування, зростає.

Водночас молекули водяної пари, які перебувають над поверхнею, що випаровує, частково повертаються у рідку або тверду фазу. Тож випаровування, яке фактично спостерігається, є різницею двох потоків молекул – тих, які відриваються від поверхні, що випаровує, і тих, які повертаються до неї назад.

Насичення і перенасичення. Унаслідок збільшення вмісту водяної пари над поверхнею, що випаровує, інтенсивність цих потоків швидко вирівнюється. Стан, за якого в атмосферному повітрі встановлюється динамічна рівновага між молекулами води, які відриваються з поверхні, що випаровує, і повертаються до неї, називають насиченням. Насиченими називають ще й водяну пару у такому стані, а також повітря, в якому вона міститься. Тиск, створюваний водяною парою у стані насичення, називають тиском насичення водяної пари.

Повітря називається перенасиченим, якщо у певний момент часу кількість водяної пари над поверхнею, що випаровує, стає більшою за необхідну для насичення. При цьому число молекул, які повертаються на поверхню, перевищує число молекул, які відриваються від неї, тобто фактичне випаровування з поверхні змінюється оберненим до нього процесом – конденсацією пари на поверхні.

Тиск насичення водяної пари (, гПа) залежить від багатьох чинників, та насамперед від температури повітря і фазового стану води, що випаровується (рис. 5.1). Зі збільшенням температури тиск насичення водяної пари також зростає, але це зростання не є лінійним. Тому для його обчислення розроблено низку емпіричних формул. Результати обчислень за цими формулами затабульовано, тож на практиці визначають за спеціальними таблицями.

Рис. 5.1. Залежність тиску насиченої пари від температури над переохолодженою водою () і над льодом ().

Стан насичення над поверхнею льоду буде спостерігатися при меншому значенні тиску водяної пари, ніж над поверхнею переохолодженої води при тій же температурі. Пояснюється це тим, що сили зчеплення між молекулами льоду більші, ніж між молекулами води. Тому при одній і тій же температурі число молекул, які відриваються від поверхні льоду, менше, ніж тих, що відриваються від поверхні води. У зв'язку з цим при однаковій температурі насичення пари над льодом і настає при меншому її тиску, ніж над переохолодженою водою.

Значення тиску насичення над плоскими поверхнями льоду () і води () збігаються тільки при температурі 0°C. Зі зниженням температури різниця між ними швидко збільшується, досягає максимуму (0,269 гПа) при температурі ‑12°C і потім знову зменшується. Значення різниць при різних температурах повітря використовуються для оцінки доцільності штучної інтенсифікації та стимуляції опадів із хмар кристалічної структури.

Окрім температури і фазового стану на величину тиску насичення водяної пари впливають також: форма поверхонь, що випаровують; хімічний склад речовини, з якої відбувається випаровування; електричний стан поверхні, що випаровує.

Так, на підставі теоретичних досліджень, підтверджених експериментально, встановлено, що при однаковій температурі та агрегатному стані випарювального середовища тиск насиченої пари над випуклою поверхнею більший, ніж над плоскою, а над плоскою більший, ніж над увігнутою. Причина цього явища полягає у тому, що на окрему молекулу, розташовану на поверхні рідини, діють сили тяжіння з боку решти молекул, які перебувають усередині сфери міжмолекулярної взаємодії. На випуклій поверхні краплі всередину такої сфери потраплятиме менше молекул води, ніж, скажімо, на ввігнутій поверхні ґрунтового капіляра. Відповідно, сили молекулярного зчеплення, які утримуватимуть молекулу всередині рідини над випуклими поверхнями, будуть більшими, ніж над ввігнутими. Сили молекулярного зчеплення, що діють на плоскій поверхні, будуть більшими, ніж на випуклій поверхні і меншими, ніж на ввігнутій поверхні.

Для достатньо великих крапель і ґрунтових пор описаний вище ефект дуже слабкий (табл. 5.1). Однак для найдрібніших крапель з радіусом стан насичення () досягається тільки при трикратному перенасиченні відносно плоскої водної поверхні (). Іншими словами, у повітрі, яке є насиченим тільки відносно плоскої водної поверхні, настільки дрібні крапельки існувати не можуть, оскільки для них повітря буде ненасиченим і за таких умов вони будуть швидко випаровуватися.

Таблиця 5.1

Відносні величини тиску насичення водяної пари над краплями різних розмірів при 0°C

, см	10‑7	10‑6	10‑5	10‑4	3·10‑4
	3,320	1,128	1,012	1,0012	1,0003

Досі ми розглядали тиск насичення тільки над чистою дистильованою водою. Розчинення у воді солей зменшує тиск насичення водяної пари. Відносне зменшення тиску насичення пропорційне концентрації розчину солі у воді, а тому морська вода випаровується повільніше за прісну.

Висока концентрація солей зменшує рівноважний тиск водяної пари над рідиною і в результаті крапельки розчину можуть перебувати у рівновазі із середовищем при значно менших перенасиченнях, ніж краплі чистої води того ж розміру. Насичення водяної пари над краплями соляних розчинів відбувається уже при відносній вологості 78–80 %. Випаровування таких крапель можливе тільки при ще меншій відносній вологості. При відносній вологості понад 80 % відбуватиметься конденсація водяної пари на такі краплі розчину, їх ріст та зниження концентрації розчину. Слід відмітити, що сили зчеплення між молекулами розчиненої речовини і розчинника (води) переважають сили зчеплення між молекулами самої води.

Певною мірою тиск насичення водяної пари залежить від електричного заряду крапель. Наявність електричного заряду зменшує тиск насичення водяної пари. Однак при звичайних умовах такий вплив дуже малий. Дія електричного заряду стає помітною тільки за наявності значного заряду на дуже малих частинках.