Parowanie (ewaporacja) - proces zmiany stanu skupienia, przechodzenia z fazy ciekłej danej substancji w fazę gazową (parę) zachodzący z reguły na powierzchni cieczy. Może odbywać się w całym zakresie ciśnień i temperatur, w których mogą współistnieć z sobą obie fazy.

Konsekwencją parowania jest przenikanie wody w postaci gazowej do atmosfery. Uwarunkowania towarzyszące przemianom fazowym wody sprawiają, że jej ilość zmienia się dynamicznie w czasie i przestrzeni. Stąd też przedział zawartości pary w atmosferze waha się w granicach od 0 do 3,5 -4.0% jej objętości. Powietrze może zawierać tylko ograniczoną ilość pary wodnej. Wartość graniczna zawartości nazywana jest wilgotnością maksymalną. Wilgotność maksymalna jest zmienna i zależy od temperatury powietrza – im wyższa temperatura, tym wyższe wartości osiąga maksymalna pojemność powietrza względem pary wodnej.

 

Podział parowania:

•         Parowanie potencjalne – to maksymalna ilość pary wodnej jaką może wchłonąć w danych warunkach powietrze atmosferyczne ( zdolność ewaporacyjna atmosfery).

•         Parowanie rzeczywiste – to ilość wyparowanej wody w określonych warunkach pogodowych. Może być ono określone jako parowanie z wolnej powierzchni wody lub rozumiane jako parowanie terenowe, na które składa się parowanie z gruntu i z roślinności (transpiracja).

Wielkość parowania zależy od czynników:

•         Pierwotnych,

•         Wtórnych.

Do czynników pierwotnych zalicza się: dopływ promieniowania słonecznego, temperaturę i niedosyt wilgotności powietrza oraz prędkość wiatru.

Do czynników wtórnych parowania z wolnej powierzchni wodnej zalicza się: wielkość, głębokość, kształt zbiornika i zróżnicowanie linii brzegowej, stopień zanieczyszczenia wody i rodzaj roślinności w przybrzeżnej części zbiornika wodnego.

Do czynników wtórnych parowania terenowego zalicza się: rodzaj gleby, usytuowanie plantacji w terenie, nierównomierne zasilanie gleby w wodę w okresie wegetacji, gatunek, faza rozwojowa i gęstość biomasy roślin (stosunek parującej powierzchni roślin do umownej powierzchni gleby, np.: 1ha), a także zabiegi agrotechniczne, jak np. bronowanie i wałowanie.

 

W zależności od rodzaju powierzchni i warunków fizycznych, w jakich zachodzi proces parowania, wyróżniamy w agrometeorologii:

•         Ewaporację – parowanie z wolnej powierzchni wody,

•         Transpirację – parowanie biologiczne ( z wnętrza roślin),

•         Parowanie z gleby – ( zależne od warunków meteorologicznych i wilgotności gleby),

•         Ewapotranspirację – łączne parowanie z gleby i z powierzchni roślin wraz z transpiracją,

•         Parowanie terenowe – łączne parowanie z gleby i z powierzchni roślin wraz z transpiracją i parowaniem z powierzchni wody.

 

Parowanie wolnej powierzchni wodnej.

Wielkość ubytku wody do atmosfery z oceanu, jeziora, kałuży, kropli deszczu albo wypełnionego wodą zagłębienia na powierzchni liścia są nierozłącznie związane z przychodem energii, niedosytem wilgotności powietrza oraz jego ruchami. Przy temperaturze niższej od zera odbywa się również parowanie drobin pary wodnej z powierzchni śniegu lub lodu do powietrza (sublimacja).

„Efekt brzegowy”.

Powietrze napływające z obszarów lądu nad zbiornik wodny charakteryzuje się zazwyczaj znacznie mniejszą zawartością pary wodnej i większym niedosytem. Podczas przechodzenia nad powierzchnią zbiornika następuje zwiększenie wilgotności powietrza. Im dłuższa droga przesuwania się powietrza nad zbiornikiem, tym bardziej zmniejsza się niedosyt w jego najniższej warstwie. Z tego powodu zbiorniki o takim samym kształcie i głębokości, lecz różnych wielkościach powierzchni wysychają w niejednakowym czasie. Położenie podłużnej lub poprzecznej osi (doliny rzeczne jeziora rynnowe itp.) w stosunku do najczęściej zdarzających się kierunków wiatrów ma istotne znaczenie. Rozwinięcie i zróżnicowanie linii brzegowej również zwiększa straty spowodowane parowaniem.

Parowanie terenowe.

Pojęcie parowania terenowego obejmuje sumę całkowitej ilości wody, która przeszła powierzchni lądowej do atmosfery.

Wyróżniamy:

−     parowanie gleby bez pokrywy roślinnej,

−     parowanie roślin (transpirację),

−     parowanie z opadów i osadów wody, która zatrzymała się na fragmentach roślin i przedmiotów (intercepcję),

−     parowanie wolnej powierzchni wodnej, która okresowo zatrzymała się w zagłębieniach terenu,

−     parowanie pokrywy śnieżnej lub lodu.

Parowanie gleby.

Warunek konieczny istnienia zjawiska to obecność wody w zasięgu działania atmosfery, której oddziaływanie obejmuje dość głębokie warstwy podłoża. Przenoszenie wytworzonej w glebie pary wodnej do atmosfery zależy od warunków wymiany powietrza glebowego z przygruntową warstwą powietrza. Przesuszenie powierzchniowej warstwy i obniżenie poziomu wód gruntowych powodują wydłużenie drogi wytworzonej pary wodnej wewnątrz przestworów glebowych.

Transpiracja – parowanie z roślin.

Tak określamy zjawisko przechodzenia wody z gleby do atmosfery za pośrednictwem żywych roślin. Pod otworami w tkance okrywającej roślinę znajdują się przestwory, w których odparowuje woda przedostając się na drodze dyfuzji z otaczających tkanek. Możliwość przechodzenia pary wodnej do atmosfery zależy od stopnia otwarcia aparatów szparkowych. Bardzo szybki przychód energii słonecznej, wysoka temperatura i suchość powietrza, duże prędkości wiatru mogą spowodować zmniejszanie otworów szparek i ograniczenie transpiracji, w skrajnych przypadkach całkowite ich zamkniecie. Ustaje wówczas także proces asymilacji. W przypadku długotrwałego oddziaływania niekorzystnych warunków rośliny zmniejszają powierzchnię, z której może odbywać się parowanie, co następuje przez więdnięcie a nawet usychanie liści. Transpiracja podczas większości faz rozwojowych rozwoju przebiega podobnie do parowania z wolnej powierzchni wodnej pod warunkiem prawidłowego zasilania woda części naziemnej przez korzenie. Znaczne zawieszenie transpiracji występuje w tzw. Okresach krytycznej gospodarki wodnej występujących u większości roślin podczas kwitnienia. Wielkość transpiracji może wówczas znacznie przewyższać parowanie wolnej powierzchni wodnej.

Susza fizjologiczna

Okres, w którym roślina nie może pobierać wody z otoczenia, mimo iż woda tam występuje. Powodem tego może być zbyt niska temperatura powietrza, zbyt duże zasolenie gleby lub też jej zbyt małe napowietrzenie (zbyt mało tlenu) . Susza fizjologiczna występuje najczęściej późną jesienią, zimą i wczesną wiosną. Niektóre rośliny są odpowiednio przystosowane do radzenia sobie w czasie suszy – takie przystosowanie to kseromorfizm.

Gutacja.

Inna formą strat wody z organizmu roślinnego jest gutacja, przy której woda wydobywa się na zewnątrz w postaci kropli. To zjawisko stanowi z reguły reakcję obronną na nadmierne uwilgotnienie środowiska.

Zjawisko intercepcji jest związane przede wszystkim z pokrywą roślinną. Przy niewielkich opadach korony, np. świerka zatrzymują ponad połowę ogólnego przychodu wody i krople wyparowują bezpośrednio do atmosfery. Im bardziej zwarta roślinność, tym na ogół większa intercepcja.

Ewapotranspirację dzielimy na:

a)      rzeczywistą (ETR) – jest to parowanie terenowe w aktualnych warunkach przyrodniczych; zależy ona, obok czynników meteorologicznych, także od struktury i wilgotności gleby, gatunku i fazy rozwojowej roślin oraz poziomu agrotechniki.

b)     Potencjalną (ETP) – jest to parowanie z powierzchni terenu pokrytego roślinnością przy optymalnym uwilgotnieniu gleby.

Transport pary wodnej do atmosfery odbywa się głównie poprzez konwekcyjne prądy występujące oraz turbulencję, przestrzenna (pozioma) wymiana pary wodnej zachodzi w wyniku adwekcji (poziomy ruch mas powietrza, powodujący napływanie powietrza o odmiennych właściwościach ;temperatura, wilgotność, niż powietrze zalegające nad danym terenem) i turbulencji.

Pomiary parowania terenowego.

Metoda bilansu cieplnego jest uniwersalna i pozwala na określenie parowania dowolnej powierzchni. Wymaga jednak dokładnych pomiarów całkowitego bilansu promieniowania, wymiany cieplnej z podłożem oraz z atmosferą. Ze względu na trudności nie tylko wykonywania ciągłych pomiarów, lecz również ich interpretacji, metoda ta nie znalazła szerokiego zastosowania.

Najwięcej materiałów uzyskano metodą bilansu wodnego dorzecza, która na podstawie przychodu wody w postaci opadów i wielkości odpływu na przekroju zamykającym zlewnię pozwala wyznaczyć ogólne straty. W przypadku długotrwałego ciągu informacji możemy pominąć ilości wód opadowych, które znajdują się podłożu. Natomiast dla krótszych okresów należy dysponować danymi pomiarowymi informującymi o wielkości retencji całej zlewni.

Metoda bilansu wodnego podłoża polega na regularnych pomiarach zasobów wody w profilu, np. glebowym. Różnice pomiędzy wynikami dwóch kolejnych obserwacji pozwalają na stwierdzenie, w jakim stopniu przychód w postaci opadów i podsiąku z głębszych warstw uzupełnił straty spowodowane parowaniem terenowym i odpływem w głąb. Pomiarami jest objęta zazwyczaj metrowej głębokości warstwa gleby. Za pomocą ewaporometrów i lizymetrów uzyskujemy bardzo dokładne wyniki pomiarów, lecz w przypadku małej powierzchni parującej niewielkiej objętości gleby, nienaturalnych warunków podsiąku z głębszych warstw i przesiąku w głąb, warunków najbliższego otoczenia itp. tylko niektóre konstrukcje zapewniają wiarygodne informacje o wielkości parowania terenowego.

MAPA

PAROWANIE TERENOWE (EWAPOTRANSPIRACJA):

 Lizymetr glebowy służy do pomiarów parowania z gleby oraz transpiracji roślin i parowania zwilżonych przez opady nadziemnych części roślin, w warunkach stałych lub zmiennych stanów płytko zalegającej wody gruntowej.

Lizymetr glebowy składa się z blaszanego zbiornika umieszczonego w betonowej obudowie wkopanej w ziemię.

Na ażurowe dno zbiornika nasypuje się warstwę żwiru, a następnie napełnia glebą do określonego poziomu. Do ścian obudowy przymocowane są dwie rurki, z których jedna służy do dolewania wody do założonego poziomu lub jej odpompowywania, w przypadku nadmiaru po opadach, a w drugiej znajduje się pływak służący do kontroli poziomu wody w lizymetrze. Podsiąkająca od dołu woda w lizymetrze paruje przez powierzchnię gleby i podlega transpiracji przez rośliny, co powoduje obniżenie poziomu wody w studzience.

 Ewaporometr glebowy służy do pomiaru parowania terenowego bez podsiąku płytko zalegających wód gruntowych i zapewnia większą dokładność pomiarów niż lizymetr. Zbudowany jest z blaszanego zbiornika (futerału) na stałe wkopanego w glebę oraz ruchomego wazonu z dziurkowanym dnem, a także mocowanym do niego naczyniem zbierającym wodę pochodzącą z przesiąku przez glebę.

W celu dokonania pomiaru ruchomy wazon z odczepionym dnem ustawia się na powierzchni wybranego pola lub trawnika, a następnie wykopując wokół niego rowek, dociska się wazon tak długo, aż wypełni się monolitem glebowym o nienaruszonej strukturze wraz z roślinnością, która na danym polu rosła. Po podcięciu monolitu od dołu i zamocowaniu dziurkowanego dna oraz przyczepieniu naczynia na przesiąkającą wodę „przewozi się wazon do uprzednio założonego na tym samym polu futerału.

PRZYRZĄDY I METODY POMIARÓW

Ewaporometry – przyrządy do pomiaru wielkości parowania.

Wielkość parowania można określić w sposób bezpośredni i pośredni.

Metody bezpośrednie polegają na pomiarach zdolności ewaporacyjnej powietrza – za pomocą ewaporometru Wilda, Piche’a i GGI 3000; parowania z wolnej powierzchni wodnej- ewaporometrami wodnymi, zaś parowania terenowego- ewaporometrami glebowymi i lizymetrami.

W metodach pośrednich wykorzystuje się równania fizyczne i statystyczne oraz modele symulacji procesu parowania.

Ewaporometr Wilda

Służy do pomiaru parowania wskaźnikowego, które jest jednym z rodzajów parowania z wolnej powierzchni wodnej. Zbiornik na wodę o powierzchni 250cm² i głębokości 35mm umieszczony jest na uchylnej wadze, której skala wycechowana jest w milimetrach grubości warstwy wody w naczyniu, zmniejszając jego ciężar. 1mm odpowiada 25g. Po napełnieniu naczynia wodą wskazówka powinna być ustawiona w położeniu zerowym. W wyniku parowania obniża się poziom wody w naczyniu, zmniejszając jego ciężar. Ilość

wyparowanej wody w milimetrach odczytuje się na podziałce skali (0-15mm), po zwolnieniu wskazówki z zaczepu. Po dokonaniu odczytu należy uzupełnić brakującą ilość wody w naczyniu, tak by wskazówka ustawiła się na skali w położeniu zerowym. Ewaporometr Wilda umieszczony jest pod daszkiem żaluzjowym chroniącym przed opadami i bezpośrednim promieniowaniem słonecznym. Naczynie z wodą znajduje się na wysokości 50cm nad powierzchnią gruntu. Pomiary ewaporometrem Wilda wykonywane są w stacjach agrometeorologicznych i wybranych stacjach meteorologicznych IMGW. Wskazania ewaporometru Wilda odczytujemy z dokładnością do 0,1 mm. Gdy wskazówka opadnie do końca podziałki, co podczas upałów następuje szybciej, zaraz po dokonaniu odczytu szalkę napełniamy wodą, przy czym wskazówka nie może przekroczyć kreski zerowej na podziałce, i odczytujemy nowy stan wody. W celu ułatwienia obliczania dobowej wartości wyparowania wody należy napełniać szalkę w terminie 06 GMT, jednak w miarę potrzeby robimy to również w terminach 12 i 18 GMT. W ciągu całego okresu pomiarowego należy czuwać, aby w szalce nigdy nie zabrakło wody. Uwaga ta dotyczy szczególnie dni z wysoką temperaturą powietrza, z dużym niedosytem wilgotności i dni z silnym wiatrem.

Ewaporometr Piche’a

Stosowany do oceny wielkości parowania. Ewaporometr ten jest zbudowany z rurki szklanej długości około 30cm i średnicy wewnętrznej około 10mm, otwartej z jednego końca . Na rurce zamieszczona jest podziałka w cm³ z dokładnością do 0,1cm³. Rurkę napełnia się wodą destylowaną, a na jej otwarty koniec nakłada się bibułę w kształcie krążka, która jest dociskana za pomocą sprężyny do krawędzi otworu rurki, następnie zawiesza się w klatce meteorologicznej. W wyniku parowania wody z powierzchni bibuły poziom wody w rurce stopniowo się obniża. Z różnicy dwóch kolejnych odczytów oblicza się objętość wyparowanej wody w cm³ . Pomiary wykonuje się przy temperaturze powyżej . Wskazania przyrządu nie dostarczają jednak ścisłych danych ani o rzeczywistej wielkości parowania terenowego, ani o wielkości parowania z powierzchni wodnej.

Rurkę napełniamy wodą destylowaną lub przefiltrowaną deszczową tak, aby poziom wody znajdował; się nieco poniżej brzegu rurki, gdyż pierwsza od góry kreska podziałki ma wartość 0,5 cm . Na oszlifowany brzeg otworu rurki kładziemy krążek bibuły (wolno używać tylko krążków otrzymanych od producenta, lub innej instytucji), uprzednio przekłuty pośrodku cienką igłą, i przyciskamy go pierścieniem. Rurkę odwracamy zatopionym końcem ku górze i zawieszamy w klatce meteorologicznej "2". Poziom wody w zawieszonym ewaporometrze nie powinien wystawać ponad początkową kreskę podziałki.

Ewaporometrem Piche'a mierzymy z dokładnością do 0,1 cm odczytując jego wskazania na poziomie środka wklęsłego menisku wody. Należy pamiętać, że na podziałce zawieszonego ewaporometru wartości rosną w kierunku z góry w dół. Jeżeli np. poziom wody znajduje się w połowie przedziału między kreskami o wartościach 8 i 9, notujemy 8,5.

Gdy poziom wody w rurze zbliża się do kreski oznaczonej liczbą 20, a podczas upałów gdy nawet nie sięga do tej kreski, po zanotowaniu odczytu przyrząd, należy zdjąć z haczyka, usunąć stary krążek bibuły, brzeg rurki oczyścić, nalać do niej wody, założyć nowy (przebity) krążek bibuły i z powrotem zawiesić. Odczekawszy aż bibuła nasiąknie, dokonujemy drugiego odczytu, który również notujemy.

Zapis wyników pomiarów ewaporometrycznych

Wyniki pomiarów ewaporometrycznych wykonanych dzisiaj notujemy na stronie z datą dzisiejszą. W terminie, w którym przyrząd (szalkę ewaporometru Wilda, rurką ewaporometru Piche'a) napełniono wodą, zapisujemy stan wody przed napełnieniem i stan po napełnieniu.

Jako wartość dobową na stronie z datą wczorajszą wpisujemy sumę ubytków wody (z szalki, z rurki) w ciągu 24 godz. - od 06 GMT wczoraj do 06 GMT dziś. Jeżeli w tym przedziale czasu (06 - 06) wody do przyrządu nie nalewano, wartość dobowa jest różnicą odczytów z obu tych terminów, gdy zaś nalewano, to wartość dobowa jest sumą ubytków wody: od 06.GMT wczoraj do napełnienia przyrządu wodą i od wykonania tej czynności do 06 GMT dzisiaj.

Grubość warstwy wyparowanej wody

Gdy używamy ewaporometru Wilda, wyskalowanego w milimetrach, wartość dobowa ubytku wody z szalki w ciągu 24 godzin: od 06 GMT wczoraj do 06 dziś oznacza grubość warstwy wody (w mm) wyparowanej z przyrządu w tym czasie.

W przypadku stosowania ewaporometru Piche'a wartość dobowa ubytku wody z rurki jest objętością (w cm ) wody wyparowanej z krążka bibuły. Objętość tę przelicza się na grubość warstwy wody (w mm) następującym wzorem:

H = 10v/[3,14(2R2 + 2Rh - r2)]

gdzie:

H - grubość warstwy wyparowanej wody (mm),

v - suma ubytków wody z ewaporometru za dany przedział czasu (cm3)

R - promień zmoczonego krążka bibuły (cm)

h - grubość zmoczonego krążka bibuły (cm)

r - zewnętrzny promień otwartego końca rurki ewaporometru (cm)

Konserwacja ewaporometrów

W okresie wykonywania pomiarów przyrząd powinien być utrzymany czystości. W jesieni, gdy przewiduje się spadek temperatury powietrza poniżej zera, ewaporometr (tak Wilda wraz z daszkiem jak i Piche'a) przenosimy z klatki meteorologicznej do biura stacji, gdzie, po gruntownym oczyszczeniu, przechowujemy do następnego sezonu pomiarowego.

Źródła błędów pomiarów ewaporometrycznych

- Kształt powierzchni parującej (parowanie z powierzchni eliptycznej jest większe niż z powierzchni kolistej)

- Ekspozycja powierzchni parującej (ze względu na osłonięcie od wiatru)

- Wielkość zbiornika – „efekt krawędziowy” – parowanie z obszarów bliskich krawędzi jest większe w porównaniu z inna częścią zbiornika (efekt turbulencyjny)

- Barwa ścian i dna zbiornika

- Ubytki wody z zbiorniku spowodowane przez ptaki, owady itd.

- Uwzględniony niepoprawnie opad

- Zmiany temperatury wody (rozszerzalność temp. wody)

- Zanieczyszczenia powierzchni

- Poziom wody w zbiorniku

Ewaporometr GGI- 3000

Ewaporometr GGl-3OO0

a — widok ogólny, b — przekrój pionowy ewaporometru, c — przekrój pionowy deszczomierza; 1— zbiornik ewaporometru, 2 — naczynie miarowe, 3 — powierzchnia zbierająca deszczomierza, 4- zbiornik na wodę opadową