Лабораторне заняття 8 Випаровування, прилади для визначення, спостереження, обробка інформації

Мета роботи: Освоїти поняття і методи вимірювання випаровування, порядок спостережень і обробки інформації

Прилади та обладнання: Випаровувач ГГИ–3000, дощомір ГГИ–3000, ґрунтовий випаровувач ГГИ – 500- 50, дощомір ГГИ-500.

Загальні положення

Випаровуванням називають перехід речовини із рідкого стану у газоподібний.

Волога випаровується з водних просторів, поверхні суші, з рослинного покриву, поверхні снігу і льоду. Водяна пара, яка надходить у повітря (при зниженні температури самого повітря нижче точки роси), конденсується, внаслідок чого утворюються хмари, тумани, гідрометеори, випадають опади. Останні, за сприятливих умов, випаровуються і знову надходять у повітря, створюючи таким чином замкнене коло вологообігу.

Для випаровування 1г води потрібно витрачати близько 600 кал тепла. За рік з поверхні світового океану випаровується близько 45·10³ км³ води, а з поверхні суші близько 70·10³ км³. Енергія, що необхідна для випаровування цієї кількості води, забезпечується надходженням сонячної радіації. Випаровування залежить від багатьох факторів. До головних факторів, що визначають інтенсивність випаровування у природних умовах відносять :

• наявність вологи;

• надходження тепла, яке витрачається на процес випаровування, тобто наявність енергетичних ресурсів;

• турбулентне перемішування, за рахунок якого водяна пара розповсюджу-ється в атмосфері.

Тобто головними факторами, які визначають випаровування є температура поверхні з якої відбувається випаровування, вологість повітря і вітер.

Кількісно випаровування характеризується швидкістю випаровування – масою води, яка випаровується за одиницю часу з одиниці поверхні. Для практичних цілей швидкість випаровування виражається висотою (мм) шару води, яка випарувалася за одиницю часу. Шар води висотою 1 мм, який випаровується із площі 1 м² відповідає масі води 1 кг. У природних умовах інтенсивність випаровування залежить від багатьох факторів, в першу чергу від температури поверхні, яка випаровується, дефіциту насиченості повітря водяною парою у прилеглому шарі і швидкості вітру.

Згідно закону Дальтона швидкість випаровування W прямо пропорційна різниці між тиском насиченої водяної пари Е₁, розрахованим по температурі поверхні, яка випаровується, і нормальним тиском водяної пари е, яка знаходиться у повітрі, і обернено пропорційна атмосферному тиску Р.

W = A (E₁ - e) / Р, (8.1)

де А – коефіцієнт пропорційності, який залежить від швидкості вітру;

Згідно закону Дальтона швидкість випаровування буде зростати по мірі збільшення різниці Е₁-е. Вплив атмосферного тиску обумовлений тим, що його зростання затримує відрив молекул від поверхні, яка випаровується. Так як у поверхні землі атмосферний тиск коливається у порівняно невеликих межах, він не суттєво впливає на швидкість випаровування і враховується головним чином при порівнянні швидкості випаровування на різних висотах у гірській місцевості.

Випаровування з поверхні води

Швидкість випаровування залежить не тільки від метеорологічних факторів, але і від властивостей поверхні, яка випаровується. Швидкість випаровування з водної поверхні зростає із збільшенням її температури, дефіциту насиченості над нею і швидкості вітру. При переміщенні повітря із суші на водоймище швидкість випаровування із водоймища збільшується, тому що у сухому повітрі дефіцит насиченості водяної пари (Е₁-е) більше ніж над водоймищем.

Швидкість випаровування з водної поверхні залежить і від прямої сонячної радіації, яка прогріває шар води на глибину, що залежить від прозорості води. На швидкість випаровування з поверхні морів і океанів здійснює вплив їх солоність, так як парціальний тиск над розчином менше ніж над прісною водою.

Випаровування з поверхні ґрунту

Випаровування з поверхні ґрунту залежить від його температури, вологості, фізичних властивостей, стану його поверхні, рельєфу, рослинного покриву, вологості повітря, швидкості вітру і т. д.

Сонячна радіація, яка прогріває поверхню ґрунту, значно збільшує швидкість випаровування. Темні ґрунти прогріваються сильніше світлих, і тому випаровують більше вологи ніж світлі. Рівна поверхня ґрунту випаровує менше ніж шорстка, так як має відносно меншу випарність і, крім того, над рівною поверхнею повільніше розвивається турбулентне перемішування. Рихлий грунт випаровує менше ніж щільний з вузькими капілярами, по яким вода піднімається до поверхні ґрунту. Швидкість випаровування залежить і від ступеню зволоженості ґрунту. Чим більше вологість ґрунту, тим більше він випаровує при інших рівних умовах, однак швидкість випаровування зростає тільки до певного значення.

На швидкість випаровування впливає також рельєф місцевості. На височинах, де повітря рухається більш інтенсивно випаровування здійснюється швидше, ніж у низинах і долинах, де повітря менш рухливе. Швидкість випаровування залежить також і від орієнтації схилів; південні схили прогріваються сильніше, ніж північні і східні, і тому випаровування на них більш інтенсивне.

Рослинний покрив, який затінює грунт від сонячних променів і послаблює переміщення повітря, значно зменшує випаровування з ґрунту.

Випаровування води рослинами – називається транспірацією. Транспірація – це складний фізико-біологічний процес. Рослини за допомогою кореневої системи вбирають воду із ґрунту, піднімають до листя і випаровують її головним чином через листяну поверхню. У жаркі дні, посилюючи транспірацію, рослини знижують свою температуру і запобігають перегріву.

Кількість води, яка необхідна для створення сухої речовини, називається коефіцієнтом транспірації. Його значення залежить від виду і сорту рослин, стану і фази розвитку, від стану навколишнього середовища: температури і вологості повітря і ґрунту, сонячної радіації, вітру і т. д. Швидкість вітру 3 м/с прискорює процес випаровування у 2-3 рази, пряма сонячна радіація, яка нагріває рослину, різко збільшує випаровування. На інтенсивність випаровування значний вплив здійснює вологість кореневмісного шару ґрунту. Із зменшенням вологості ґрунту транспірація зменшується (при інших рівних умовах). В залежності від умов проростання рослини мають різні регулюючі системи і засоби, які дозволяють зменшити випаровування (воскове покриття листя, різна орієнтація до сонячних променів і т. д.).

Випаровування і випарність

Розрізняють поняття випаровування і випарність. Під випарністю розуміють максимально можливе випаровування у даних умовах при необмежених запасах вологи . Величина фактичного випаровування може дорівнювати або бути меншою від випарності. Наприклад, у пустелях величина випарності велика, а фактичне випаровування мале, бо кількість води у ґрунті обмежена.

Визначення величини випаровування води (створення пари як з водної поверхні так і з ґрунту) має велике значення для вирішення багатьох задач практичного і теоретичного характеру.

Добовий і річний хід випаровування

У природних умовах випаровування здійснюється безперервно, але швидкість випаровування змінюється як протягом доби так і протягом року. Максимальне випаровування у добовому ході спостерігається у 13–14 годині, коли найбільш великі температури поверхні, яка випаровується, дефіцит насиченості водяної пари і швидкість вітру. Вночі, коли поверхня, яка випаровується, має більш низьку температуру, а дефіцит насиченості і швидкість вітру невеликі, швидкість випаровування зменшується до 0 і навіть до від’ємних значень, тобто спостерігається виділення водяної пари з атмосфери на земну поверхню.

У річному ході випаровування максимум у північній півкулі спостерігається у липні, мінімум – у листопаді – січні. З висотою кількість водяної пари зменшується і річний хід випаровування зрівнюється.

Добовий і річний хід випаровування відповідає ходу дефіциту вологості повітря і температури повітря.

В природних умовах процес випаровування проходить безперервно протягом усього року. Він є однією із основних ланок у круговороті води, а також найважливішим фактором теплообміну у рослинних і тваринних організмах. У більшості випадків випаровування – це найбільш суттєвий витратний елемент водного балансу.

Прилади для вимірювання випаровування

Випаровування вимірюють у теплий період року приладами різних систем, які називаються випаровувачами, а також розраховують по рівнянням теплового і водного балансу. В комплект таких приладів входить випарник і дощомір. Товща шару води, яка випаровується, визначається з точністю до 0,1мм. Випаровування, яке виражається у міліметрах шару води, чисельно дорівнює кількості літрів води, яка випаровується з 1 м² поверхні, що випаровується.

Вимірювання випаровування з поверхні води

Для вимірювання випаровування з водної поверхні широко використовуються випарні басейни, площею 20 м², які встановлюють на суші і випаровувачі ГГИ-3000, площею 3000 см², які можна встановлювати на суші і на воді (на спеціальних плотах).

Випаровувач ГГИ–3000 є найбільш розповсюдженим на мережі метеорологічних станцій приладом для вимірювання випаровування з водної поверхні.

Комплект випаровувача складається із випарника, дощоміру, бюретки і вимірювальної трубки. Випаровувач встановлюється у ґрунті на спеціальних водовипарних майданчиках і на спеціальних плотах у водоймищах.

Випаровувач (рис.8.1) являє собою циліндричний металевий бак 1 з конусоподібним дном.

Рис. 8.1. Випарник випаровувача Рис. 8.2. Об’ємна бюретка

ГГИ – 3000

П

Рис.8.3. Вимірюваль-на колба

лоща випаровуючої поверхні його складає 3000см². Для запобігання можливих деформацій стінок бака в нього вставляються металеві кільця 2 або виготовляються гофровані стінки. Верхній край бака має зовнішній козирок шириною 20мм. У центрі дна випаровувача суворо вертикально встановлена металева труба 3, яка у середній частині прикріплена трьома розтяжками 5 . Трубка 3 служить для встановлення при спостереженнях об’ємної бюретки 4 (рис.8.2), крім того до неї прикріплюється колінчаста стойка з голкою 6, яка служить репером рівня води, що повинен підтримуватися у випаровувачі. Випарник наповнюють водою до тих пір, доки наконечник голки не співпаде з рівнем води.

Рівень голки знаходиться на 48мм нижче площини, яка проходить через верхній край випаровувача. Для кріплення випаровувача при його встановленні на плоту існує чотири вушка 7. Випаровувач заповнюється водою із того водоймища для якого визначається випаровування. Наповнення проводять до тих пір, поки кінець голки не співпаде з горизонтом води у випаровувачі. Об’ємна металева бюретка служить для визначення зміни рівня води у випаровувачі (рис.82). Внутрішній діаметр бюретки 50мм, площа поперечного перерізу – 20см², висота – 60мм. Дно бюретки має у центрі встановлюючий стержень 8, який при вимірюванні величини випаровування вставляється у центральну трубку випарника. З боку бюретки біля самого дна є невеликий отвір, який за допомогою зігнутого важеля 2 і гвинта 10, який впирається у кришку бюретки, може щільно закриватися гумовою пробкою 11. У верхній частині бюретка має носик 12 для зливу води.

Для вимірювання кількості води, яка захоплюється бюреткою, служить спеціальна вимірювальна скляна колба (рис.8.3), яка складається із резервуара об’ємом 30 см³, і градуйованої циліндричної трубки. Існують колби з ціною поділки 0,1 мм шару води у випарнику і з будь - якими поділками. Останні повинні бути протаровані, тобто повинна бути визначена ціна однієї поділки у міліметрах шару води, яка випаровується.