5.2. Швидкість випаровування
Кількісно випаровування оцінюється масою води, що випаровується за одиницю часу з одиниці поверхні. Ця величина називається швидкістю випаровування і виражається у кг/(с·м2). На практиці її обчислюють за триваліший проміжок часу (годину, добу, місяць) і переважно у міліметрах шару води, який упродовж цього часу випарувався.
Швидкість випаровування залежить від багатьох чинників, насамперед від температури та агрегатного стану поверхні, що випаровує, а також від ступеня насичення повітря, в яке надходить водяна пара.
У процесі випаровування молекули води частину своєї енергії витрачають на подолання сил зчеплення і на роботу розширення. Остання пов’язана зі збільшенням об’єму рідини, яка переходить у газоподібний стан. В результаті середня кінетична енергія молекул, що залишилися в рідині, зменшується, тобто рідина охолоджується. Для продовження процесу випаровування потрібне додаткове тепло, яке називається теплотою випаровування.
Теплота випаровування залежить від температури і типу поверхні, що випаровує. Так, для випаровування 1 г води при температурі 0°C потрібно витратити близько 2 500 Дж тепла, а для випаровування такої ж кількості льоду – на 335 Дж більше. Якщо тепло не надходить ззовні, то тіло, що випаровує, охолоджується і процес випаровування уповільнюється. При конденсації відбувається підведення цього тепла. Зі збільшенням температури поверхні, що випаровує, теплота випаровування зменшується, що полегшує процес випаровування.
Чиста втрата води шляхом випаровування залежить від близькості парціального тиску пари над поверхнею, що випаровує, до насичення. Цей факт ще на початку XIX ст. встановив відомий англійський хімік і фізик Джон Дальтон (1766–1844). При насиченні випаровування припиняється, тобто потоки молекул з поверхні, що випаровує, і на неї врівноважуються.
В загальному швидкість випаровування обернено пропорційна величині атмосферного тиску. Водночас, цей чинник має значення лише при зіставленні умов випаровування на різних висотах у горах. На рівнині коливання атмосферного тиску не настільки великі, щоб з практичною метою їх було слід враховувати.
На швидкість випаровування дуже впливає вітер. У повітрі молекули водяної пари швидко поширюються вгору і в усі боки від джерела випаровування. Певною мірою це відбувається унаслідок власного руху молекул, тобто шляхом молекулярної дифузії. Такий процес відбувається навіть в абсолютно спокійному повітрі. Однак у реальній атмосфері відбувається ще й перенесення водяної пари разом із самим повітрям: у горизонтальному напрямку з вітром та у вертикальному напрямку шляхом турбулентної дифузії. Тож зі збільшенням швидкості вітру та створюваної ним турбулентності швидкість випаровування також зростає.
Таким чином, швидкість випаровування можна представити такою залежністю:
|
|
(5.1) |
,
де
–
парціальний тиск насиченої водяної
пари при температурі поверхні, що
випаровує;
–
парціальний тиск водяної пари, яка
міститься у повітрі над даною поверхнею;
–
атмосферний тиск;
–
функція швидкості вітру;
–
коефіцієнт пропорційності.
Перелік чинників, які впливають на швидкість випаровування в реальній природній обстановці, цим не вичерпується. Так, на швидкість випаровування з поверхні морів та океанів помітно впливає солоність води. На неї також впливають шорсткість діяльної поверхні і характер ґрунту, особливості розподілу температури повітря з висотою (стратифікація приземного шару атмосфери), розміри поверхні, що випаровує, характер рослинного покриву тощо. Випаровування зростає на шорстких поверхнях, темних і вологих ґрунтах, при малій глибині залягання ґрунтових вод, над випуклими формами рельєфу, в густому травостої і багатоярусному лісі. Кількісна оцінка випаровування в реальних ландшафтах вимагає врахування величини транспірації, яка в свою чергу залежить від типу рослинності і фази розвитку рослин.
Величину випаровування в природних умовах вимірюють за допомогою ґрунтових випарників. Значне поширення отримали також непрямі методи його визначення: методи водного балансу, теплового балансу і турбулентної дифузії.