ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 5, с. 718-720
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 551.551
О ВЛИЯНИИ СОЛЕНОСТИ ВОДЫ НА ЕЕ ИСПАРЕНИЕ
© 2007 г. Г. Н. Панин, В. С. Брезгунов
Институт водных проблем РАН 117333 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: panin@aqua.laser.ru Поступила в редакцию 23.11.2006 г., после переработки 18.12.2006 г.
1. ВВЕДЕНИЕ
Интенсивность испарения зависит от свойств воздушных масс, переносимых над водоемом, и в значительной степени определяется условиями подстилающей морской поверхности. Известно, что испарение с пресного водоема находится в прямой зависимости от его температуры. На испарение с соленого водоема и непосредственно с поверхности Мирового океана должно оказывать влияние присутствие электролита. В частности, хорошо известно, что присутствие электролита приводит к повышению температуры кипения и понижению температуры замерзания раствора, которое прямо пропорционально мольной концентрации растворенного вещества. Например, океаническую воду соленостью 35 промилле для замерзания необходимо охладить до температуры -1.85°С (значения температуры замерзания при высоких соленостях воды см. в [1]).
Очевидно, что добавление растворяемого вещества понижает давление пара чистого растворителя. Для разбавленных растворов в соответствии с законом Рауля давление пара имеет вид [2, 3]:
Р = NР0, (1)
где Р0 - давление чистого растворителя (пресной воды), N - мольная доля растворителя в растворе.
С физической точки зрения присутствие электролита должно приводить к уменьшению испарения.
Следуя закону Рауля, для морской воды получено следующее линейное соотношение [2]:
Р = Р0( 1 -0.0005375), (2)
которое согласуется с данными, приведенными в Океанографических таблицах [4]; в (2) - соленость морской воды в промилле.
Согласно (2) давление водяного пара морской воды ниже, чем давление водяного пара пресной воды, что естественно должно быть учтено при определении испарения Мирового океана.
На Земле находится ряд водоемов, где соленость на порядок выше, чем в океане (например, Мертвое море, вода залива Кара-Богаз-Гол), или
сильно меняется во времени (например, Аральское море, соленость которого за последнее время также выросла на порядок). Правомочно ли использовать соотношения (1), (2) в этих случаях? Растворы, для которых соотношение (1) выполняется при всех концентрациях и при всех температурах, называются идеальными. Чтобы более точно определить влияние солености воды для более высококонцентрированных растворов и оценить применимость соотношения (2) для высокоминерализованных природных вод, следует обратиться к экспериментальным данным. В то же время хотелось бы получить возможность корректировать непосредственно величину испарения в зависимости от солености воды. Все это стимулировало проведение дополнительных исследований.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ИСПАРЕНИЯ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДОЕМОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОЛЕНОСТИ ВОДЫ
Для решения этих задач были проведены специальные эксперименты в лаборатории. Фактически был проведен простой опыт, из которого были получены некоторые оценки влияния солености на величину испарения. Испарение определялось методом взвешивания ванночек с водой на аналитических весах. Площадь поверхности ванночки, открытой для испарения воды, составляла 71.5 см2. В пять из семи ванночек добавлялось разное количество морской соли, в результате чего были образованы электролиты с соленостью 10, 30, 100, 200, 300 промилле. В двух ванночках была пресная вода. Опыт проводился при температуре воздуха 20 ± 2°С, влажность воздуха менялась от 50 до 55%. Ванночки были установлены на одной плоскости и так, чтобы внешние условия поддерживались по возможности одинаковыми для всех. Однако различия условий, конечно, имелись, и чтобы учесть их и оценить суммарную погрешность опыта, сопоставлялись величины испарения из двух ванночек, наполненных только пресной водой. Сопоставление показало, что
О ВЛИЯНИИ СОЛЕНОСТИ ВОДЫ НА ЕЕ ИСПАРЕНИЕ
719
средняя ошибка не превышает 5% измеренной величины. Результаты измерений приведены на рис. 1, на котором показан временной ход величин испарения с поверхности пресной воды и электролитов с соленостью 1, 3, 10, 20, 30 процентов соответственно. Следует заметить, что уменьшение испарения в интервале 40-70 часов вызвано непосредственно снижением температуры воздуха в этот период до 18-19°С. В период с 70 до 140 часов температура воздуха в эксперименте была более стабильной и интенсивность испарения практически не менялась во времени.
Приведенные кривые показывают, что в эксперименте наблюдалось закономерное различие в величинах испарения с вод разной солености (чем выше соленость воды, тем ниже величина испарения). Причем эта пропорциональность соблюдалась на протяжении всего эксперимента, в течение 140 часов. Из рис. 1 видно, что высококонцентрированные растворы достаточно сильно снижают испарение, например, раствор соленостью 200 или 300 промилле снижает испарение приблизительно на 30%, что безусловно, должно учитываться при анализе водного и теплового баланса таких водоемов.
Отношение величин испарения с поверхности растворов Е5 к испарению с поверхности пресной воды Е0 в зависимости от солености воды представлено на рис. 2. Экспериментальные значения коэффициента К5 = Е5/Е0, усредненного за весь период измерения, приведенные на рис. 2, хорошо иллюстрируют влияние солености на испарение, которое может быть рассчитано по полученной нами эмпирической формуле:
К5 = 0.75 + 0.25ехр
-0.655%
где 5 - соленость воды (в промилле).
Для непосредственного определения испарения с водоемов с соленой водой можно использовать эту эмпирическую зависимость:
Е5 = Е0 К5 =
= Е0( 0.75 + 0.25ехр
-0.655 %
(3)
Испарение, г/м2 с 0.017
0.016 0.015 0.014 0.013 0.012 0.011 0.010 0.009 0.008 0.007
Пресная вода 1% 3% 10%
20% 30%
20 40 60 80
100
120 140 Время, ч
Рис. 1. Зависимость испарения воды от ее солености по экспериментальным данным.
1.00
0.95 0.90 0.85 0.80 0.75
К8 = 0.75 + 0.25 ехр
-0.0655
где Е0 - испарение с водоема с пресной водой при тех же внешних условиях.
Следует заметить, что соотношение (3), в отличие от закона Рауля, позволяет непосредственно определять величину испарения в зависимости от солености воды. Но для того, чтобы иметь возможность сопоставить экспериментальные данные с теоретической зависимостью Рауля (а точнее, определить пределы распространения закона Рауля на условия высоких соленостей воды), нами с использованием экспериментальных данных была пересчитана зависимость (2) применительно к условиям проведенного эксперимента. В результате такого сопоставления (рис. 3) было показано,
10 15 20 25 30 Соленость воды, %
Рис. 2. Зависимость коэффициента К3 = Е3/Е0 = 0.75 +
+ 0.25 ехр-00658% от солености воды в процентах по экспериментальным данным.
что при соленостях воды, меняющейся от 0 и до 250%о, расхождения между линейным законом Рауля и нелинейной экспериментальной зависимостью находятся в пределах ±50%. При более высоких значениях солености появляется систематическое отличие в результатах сопоставления. Показано, что при соленостях 300% и более наблюдающаяся нелинейность испарения от солености воды приводит к уже заметным отклонениям от линейного закона Рауля.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенное экспериментальное исследование зависимости скорости испарения от величины концентрации электролитов в воде показало, что в диа-
0
5
ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА том 43 < 5 2007
720
ПАНИН, БРЕЗГУНОВ
Е^Е0
Рис. 3. Зависимость испарения от солености воды по линейному закону Рауля (1) = Е0(1-0.0115%)) и по экспериментальным данным (2), (Е3 = Е0(0.75 +
+ 0.25ехр-00655%)) при относительной влажности воздуха 50%.
пазоне изменения солености от 0 до 300 промилле происходит существенное уменьшение величины испарения с ростом минерализации раствора. При солености раствора 250-300 промилле скорость испарения уменьшается почти на 30% по сравнению с
пресной водой. При этом зависимость скорости испарения от величины минерализации раствора значимо отличается от линейной, как это предполагает использование формулы, основанной на законе Рауля. Отклонение от линейной зависимости возрастает с увеличением солености испаряющейся воды, достигая 10% при концентрации соли в растворе 300 промилле. Полученная по результатам проведенного эксперимента экспоненциальная зависимость скорости испарения от солености испаряющейся воды может быть использована для коррекции оценок водного баланса природных водоемов с высокой концентрацией солей.
Исследование проводилось при частичном финансировании за счет гранта РФФИ № 06-0564790.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прокопьев СИ. Моделирование термических свойств вод Арала в широком диапазоне солености // Экстремальные гидрологические события в Арало-Каспийском регионе, М.: Наука, 2006. С. 73-74.
2. Хорн Р. Морская химия (структура воды и химия гидросферы). М.: Мир, 1972. 399 с.
3. Курс метеорологии (Физика атмосферы) / Ред. П.Н. Тверской. Л.: Гидрометеоиздат, 1951. 887 с.
4. Океанографические таблицы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 477 с.
Сдано в набор 15.06.2007 г. Подписано к печати 22.08.2007 г. Формат бумаги 60 х 881/8
Цифровая печать Усл. печ. л. 18.0 Усл. кр.-отт. 4.4 тыс. Уч.-изд. л. 17.9 Бум. л. 9.0
Тираж 239 экз. Зак. 586
Учредители: Российская академия наук, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
Издатель: Академиздатцентр "Наука", 117997 Москва, Профсоюзная ул., 90
Оригинал-макет подготовлен МАИК "Наука/Интерпериодика" Отпечатано в ППП "Типография "Наука", 121099 Москва, Шубинский пер., 6
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.