Файл: Чандлер Т. Воздух вокруг нас.pdf

берега, так как воздух все больше насыщается и, следователь­ но, все меньше влаги поглощает. Рассчитано, что скорость испа­ рения с больших водных поверхностей примерно на 20—30% меньше, чем с испарителя при одинаковой температуре и скоро­ сти ветра.

Лизиметры, как правило, измеряют испарение с почвы, по­ крытой растительностью. Если известно, сколько воды затраче­ но на орошение растительности и сколько просочилось через почву лизиметра, можно легко найти количество воды, испарив­ шейся с поверхности растительности. И испарители, и лизимет­ ры требуют большого ухода, но не гарантируют высокой точности данных об испарении. Поэтому скорость испарения чаще вычис­ ляют по формулам, содержащим такие метеорологические пара­ метры, которые измеряются более легким способом.

Для того чтобы вычислить испарение с поверхности Земли, предполагается выполнение хотя бы одного из трех следующих условий. Во-первых, почва должна быть насыщена водой, что­ бы количество воды, испарившееся с растения и выбранное рас­ тением из почвы, было одинаковым. Почва не должна высыхать, чтобы растение не испаряло ту влагу, которая содержится в нем самом. Чтобы удовлетворить этому условию, определяется посто­ янная корня, т. е. максимальное количество влаги, измеренное в сантиметрах, которое могут извлечь корни растений из насы­ щенной влагой почвы. Эта величина зависит от вида и возраста растений, от типа почвы. Для травы она составляет 10—14 см, для деревьев с глубоко проникающими корнями может достигать 25 см и более. Во-вторых, энергии должно быть достаточно, что­ бы обеспечить превращение всей воды, которую способно испа­ рить растение, в пар. В-третьих, движение воздуха должно быть достаточно сильным, чтобы удалять насыщенный паром воздух от испаряющей поверхности листьев растения. В противном слу­ чае растения будут испарять меньше того, на что они способны. Вот почему домохозяйка, развешивая белье для просушки, рас­ считывает на сухую и ветреную погоду. Оба эти фактора погоды существенны для процесса испарения.

Физические теории, объясняющие процесс испарения, осно­ ваны, как правило, на том, что энергия и ветер определяют ско­ рость перехода воды в пар. Используя, например, уравнения теп­ лового баланса, можно вычислить количество испарившейся вла­ ги. Зная все статьи прихода и расхода тепла, можно определить, сколько тепла идет на испарение. Предположим, что в течение лета в северном полушарии (с мая по сентябрь) 100 единиц энер­ гии Солнца достигают Земли: из них 34 единицы возвращаются обратно от верхних слоев атмосферы, 20 отражаются земной поверхностью, 4 нагревают воздух, 2 нагревают почву и одна используется в фотосинтезе. Отсюда следует, что оставшиеся

60

39 единиц идут на испарение и транспирацию. Эти два процесса, трудно разделимые в природных условиях, называются эвапотранспирацией, поглощают больше энергии, чем любой другой процесс.

Вычислив количество энергии, необходимое для превраще­ ния воды в водяной пар, возможно рассчитать скорость испа­ рения. Необходимые коэффициенты для такого рода подсчетов можно получить с помощью различных аэродинамических мето­ дов.

Аэродинамические методы решения этой задачи более слож­ ны, чем методы энергетического баланса. Они основаны на урав­ нениях, определяющих, сколько водяного пара и тепла перено­ сят атмосферные вихри и турбулентные потоки с водной поверх­ ности. Что касается водяного пара, то его количество зависит от скорости ветра и разности в температуре и влажности между водной поверхностью и воздухом над ней. Английский физик-поч­ вовед Пенман сумел вывести эмпирическую формулу для испа­ рения с открытой водной поверхности.

Скорость испарения с такой поверхности и с поверхности, покрытой растительностью, временами почти одинакова. Но так как транспирация происходит практически лишь в течение дня,, то полная скорость испарения с растительной поверхности за 24 часа всегда меньше, чем скорость испарения с открытой вод­

ния. С мая по август в северном полушарии отношение этих цифр составляет 0,8 и с ноября по февраль, когда рост растений замедляется, оно равно примерно 0,6. Эти цифры можно исполь­ зовать в случае, если надо определить транспирацию на тесно засаженной растениями территории. Тип растительности менее важен, чем можно предположить, тип почвы также весьма несу­ ществен, если он не влияет на постоянную корня.

Аэродинамический метод и метод энергетического баланса были объединены Пенманом в единой формуле, выражающей скорость испарения с открытой водной поверхности через пара­ метры, которые легко измерить на метеорологической станции: среднюю температуру воздуха, среднюю влажность воздуха, про­ должительность солнечного дня, среднюю скорость ветра. Но даже при таком упрощении вычисления очень громоздки. Были предложены десятки других формул. Формула, выведенная аме­ риканским климатологом Торнтвейтом, требует менее трудоемких вычислений. С ее помощью можно вычислить возможное испаре­ ние и транспирацию, когда запасы воды в почве достаточны, т. е. когда почва не высушена ниже постоянной корня.

Гидрологические опыты показывают, что часто испарение с поверхностных слоев голой почвы резко уменьшается, после

61

того как испарятся первые 2—3 см воды. Это происходит, повидимому, когда разрушаются капилляры, по которым вода из глубоких слоев почвы движется к поверхности. Голая почва, та­ ким образом, сама регулирует испарение со своей поверхности. В засушливых районах, где вода накапливается в течение не­ скольких лет, почву специально перекапывают, уничтожают на ней растительность, чтобы уменьшить потери влаги на испарение. Содержание незасеянной земли оправдывает себя: во-первых, сохраняется влага, которую в противном случае вытягивали бы сорняки, и, во-вторых, почва предохраняется от истощения. Ис­ следования испарения также помогли наладить ирригацию в за­ сушливых районах. Засушливыми районами в последние годы стали считать те районы, в которых сухость почвы ниже посто­ янной корня и влияет на рост и развитие растений. Недостаток воды здесь заставляет растения (например, кактус) приспосабли­ ваться, ограничивая потери на транспирацию или накапливая воду в благоприятный сезон для существования в неблагоприят­ ный. Большие территории, которые ранее считались хорошо ув­ лажненными и даже избыточно влажными, теперь относятся к за­ сушливым в некоторые сезоны. В отдельных районах, например на юго-востоке Англии, ирригация способствовала увеличению урожая зерновых.1

Исследования процессов испарения помогли сохранить воду в водоемах. Один такой водоем в Брокен-Хилл (Австралия), глу­ биной только 5 м, терял в среднем 2 м воды в год в сухой период, пока испарение не приостановили, распылив по поверхности спе­ циальное вещество, которое образовало предохраняющую моно­

Мертвого моря, например, в среднем за год теряет в 4—5 раз больше, чем получает от дождя. Даже более северное Каспий­ ское море испаряет от 12 до 15 см воды в год. И в так называе­ мом умеренном климате часто потери влаги с озер и водоемов настолько велики, что ставятся под сомнение методы охраны водосборов с помощью небольших лесных массивов. В лесных районах круговорот воды также может быть осложнен не толь­ ко транспирацией, но и испарением дождя, задержанного листья­ ми и плодами. Сосна может задержать от 20 до 50% дождя, лиственные деревья задерживают меньше, поскольку вода легче стекает с их листьев. Изучение процессов испарения приносит пользу там, где сажают деревья, чтобы иссушать болота, напри­ мер на юго-западе Франции.

1 Благодаря орошению урожаи зерновых увеличились в несколько раз в Нижнем Поволжье и на Северном Кавказе.— Прим. ред.

62

6 Конденсация

В каждый момент времени атмосфера содержит свыше 13 млрд, т влаги. Эта цифра практически постоянна, так как потери за счет выпадения осадков в конечном счете непрерывно воспол­ няются испарением. Скорость кругооборота влаги в атмосфере оценивается колоссальной цифрой — около 16 млн. т/с или 505 млрд, т/год. Если бы вдруг весь водяной пар в атмосфере, сконденсировался и выпал в виде осадков, то эта вода могла бы покрыть всю поверхность земного шара слоем примерно 2,5 см, иными словами, атмосфера содержит количество влаги, эквива­ лентное всего лишь 2,5 см дождя. Так как на Земле в среднем за год выпадает 92 см, то следовательно, в атмосфере влага об­ новляется 36 раз, т. е. 36 раз атмосфера насыщается влагой и освобождается от нее. Это значит, что молекула водяного пара пребывает в атмосфере в среднем 10 дней.

Однажды испарившись, молекула водяного пара дрейфует обычно сотни и тысячи километров, пока не сконденсируется и, возможно, не выпадет с осадками на Землю. Вода, выпадающая в виде дождя, снега или града на возвышенностях Западной Ев­ ропы, преодолевает примерно 3000 км от Северной Атлантики. Между превращением жидкой воды в пар и выпадением осадков на Землю совершается несколько физических процессов.

Степлой поверхности Атлантики молекулы воды попадают

втеплый влажный воздух, который в дальнейшем может под­

няться над окружающим его более холодным (более плотным) и более сухим воздухом. Если при этом будет наблюдаться силь­ ное турбулентное перемешивание обеих масс, то в атмосфере появится слой перемешивания и облака на границе двух воздуш­ ных масс. Но перемешиваются воздушные массы или нет, около 5% их объема составляет влага. Насыщенный паром воздух всег­

64