Испарение

В атмосферу вода попадает в результате испарения с поверхности Земли (водоемов, почвы); она выделяется живыми организмами в процессе жизнедеятельности (дыхание, обмен веществ, транспирация у растений); она является побочным продуктом вулканической деятельности, промышленного производства и окисления различных веществ.

Испарение (обычно воды) – поступление водяного пара в атмосферу вследствие отрыва наиболее быстродвижущихся молекул с поверхности воды, снега, льда, влажной почвы, капель и кристаллов в атмосфере.

Испарение с поверхности земли называется физическим испарением. Физическое испарение и транспирация вместе – суммарное испарение.

Суть процесса испарения заключается в отрыве отдельных молекул воды от водной поверхности или от влажной почвы и переходе воздух в качестве молекул водяного пара. Содержащийся в атмосфере пар конденсируется при охлаждении воздуха. Сгущение водяного пара также может идти путем сублимации (процесс непосредственного перехода вещества из газообразного в твердое, минуя жидкое). Из атмосферы вода удаляется при выпадении осадков.

Любое изменение фазового состояния сопровождается затратами или выделением энергии. Теплота конденсации равна 597 кал/г при 0°С, 539 кал/г при 100°С. Теплота сублимации при 0°С 677 кал/г (597 кал/г + 80 кал/г). Теплота плавления 80 кал/г.

Молекулы жидкости всегда находятся в движении, причем некоторые из них могут прорываться через поверхность жидкости и уходить в воздух. Отрываются те молекулы, скорость которых выше скорости движения молекул при данной температуре и достаточна для преодоления сил сцепления (молекулярного притяжения). С ростом температуры количество отрывающихся молекул растет. Молекулы пара могут возвращаться из воздуха в жидкость. Когда температура жидкости повышается, количество покидающих ее молекул становится больше количества возвращающихся, т.е. происходит испарение жидкости. Понижение температуры замедляет переход молекул жидкости в воздух и вызывает конденсацию пара. Если водяной пар поступает в воздух, то он, как и все другие газы, создает определенное давление. По мере того, как молекулы воды переходят в воздух, давление пара в воздухе увеличивается. Когда достигается состояние подвижного равновесия (количество молекул, покидающих жидкость, равно количеству возвращающихся молекул), то испарение прекращается. Такое состояние называется насыщением, водяной пар в таком состоянии – насыщающим, а воздух насыщенным. Давление водяного пара в состоянии насыщения называется давлением насыщенного водяного пара (Е), или упругостью насыщения, или максимальной упругостью.

Пока состояние насыщения не достигнуто, то идет процесс испарения воды, при этом упругость водяного пара (е) над жидкостью меньше максимальной упругости: е<Е.

Если количество возвращающихся молекул воды больше количества вылетающих, то имеет место процесс конденсации или сублимации (надо льдом): е>Е.

Давление насыщенного водяного пара зависит от

§ температуры воздуха,

§ от характера поверхности (жидкость, лед),

§ от формы этой поверхности,

§ солености воды.

На графиках, отображающих зависимость давления насыщенного водяного пара Е от температуры t выделяется тройная точка (рисунок 29). Ее координаты: t = 0,01°С, Е(р) = 6,1 гПа. При этих значениях t и Е все 3 фазы воды находятся в состоянии равновесия. При положительных температурах (выше точки плавления) вода может находиться только в жидком или газообразном состоянии. С ростом температуры выше температура тройной точки давление насыщенного водяного пара растет сначала медленно, а затем все быстрее. На каждые 10°С температуры давление насыщенного водяного пара возрастает почти вдвое. При температуре 30°С воздух может содержать в 7 раз больше водяного пара, чем при температуре 0°С.

Рисунок 29 – Тройная точка (http://mega.km.ru/bes_2004/DATA/PREV1998/t_230i.jpg)

При температуре меньше 0°С, т.е. ниже тройной точки, вода может находиться как в твердом (лед), так и в жидком переохлажденном состоянии. При этом следует подчеркнуть, что состояние переохлаждения является достаточно устойчивым (метастабильным). При температуре до -10°С явление переохлаждения в атмосфере является обычным, лишь при более низких температурах часть капелек жидкости замерзает. Вся вода переходит в лед при температуре меньше -40°С (по другим данным меньше -80°С). поэтому в атмосфере жидкая вода, лед и пар часто находятся в непосредственной близости.

Сравним давление насыщенного водяного пара над переохлажденной водой и надо льдом при отрицательной температуре. Сила сцепления вылетающих молекул водяного пара с молекулами воды меньше сил сцепления с молекулами льда. Это приводит к тому, что равновесная упругость водяного пара над переохлажденной водой Е больше упругости насыщения над льдом Е_Л (при одной и той же температуре). Разность ∆Е_Л = Е – Е_Л достигает максимума при температуре -12°С:

Е = 2,441 гПа, Е_Л = 2,172 гПа, ∆Е_Л = 0,269 гПа.

Различие в упругостях насыщения над водой и льдом приходит в условиях атмосферы к важным следствиям. Пусть рядом оказались капли переохлажденной воды и кристаллы льда. Истинная упругость водяного пара в окружающем каплю воздухе в облаках, как правило, больше Е_Л надо льдом и меньше Е над водой, т.е.

Е_Л < е <Е.

Например, при температуре -12°С: 2,172<2,250<2,441.

По отношению ко льду водяной пар находится в пересыщенном состоянии, следовательно, будет происходить сублимация водяного пара на кристаллах льда. С другой стороны, по отношению к переохлажденной капле водяной пар находится в ненасыщенном состоянии, (е<Е), следовательно, будет происходить испарение капли воды. Этот эффект перегонки воды с капель на кристаллы играет большую роль в образовании осадков. Наибольшая скорость перегонки наблюдается при температурах близких к -12°С.

Максимальное (равновесное) давление водяного пара над выпуклой поверхностью больше, чем над плоской, а последнее в свою очередь больше, чем над вогнутой: Е_вып>Е_пл>Е_вогн. Капли воды имеют выпуклую поверхность. Для круглых капель это превышение незначительно, а для капель радиусом 10^{-7 см необходимо значительное пересыщение водяного пара (в 3 или 4 раза). Если радиус капли больше 1 мкм, то отношение Е}_вып/Е_пл близко к 1, т.е. кривизна не влияет на кривизну пересыщения. Это говорит о том, что в облаках и туманах, если они достаточно устойчивы, относительная влажность должна быть близка к 100% (поскольку радиус большинства капель больше 1 мкм).

Давление насыщения над раствором соли меньше давления насыщения над чистой водой. Поэтому и над морской водой насыщение устанавливается при давлении пара меньшем, чем над пресной водой (~ на 2%).В реальных условиях атмосферы конденсация водяного пара идет на ядрах конденсации, которые представляют собой частицы солей (прежде всего NaСl). Если на кристаллике соли образуется капля, то она является раствором соли.

Наличие электрического заряда того или иного знака на капле приводит к уменьшению равновесной упругости водяного пара. Но с влиянием электрических зарядов следует считаться лишь в случае самых мелких капель.