تحقیق مقاله تبخیر

مقدمه

تبخیر جریانی است که بوسیله آن آب یا یخ تبدیل به گازمی شود. در فیزیک فرایند تبدیل یخ به بخار را تصعید می نامند.

با توسعه جوامع بشری یکی از مسائل مهم در پیشرفت هرجامعه ، دسترسی به آب با کیفیت مناسب در محل و زمان مورد نظر می باشد ، به طوریکه یکی از مهمترین عوامل محدودکننده توسعه اقتصادی ، می تواند کمبود آب و یا کیفیت نامناسب آن می باشد.

موقعیت جغرافیایی و شرایط اقلیمی خاص ، کشور ما را در رده مناطق کم باران کره زمین قرار داده است . زیرا صرف نظر از صفحات شمالی البرز و بخشی قسمت های غربی زاگرس قسمت اعظم کشور ما از نزولات جوی کافی بی بهره می باشد.

از آنجایی که تبخیر می تواند از سطوح مختلف از جمله : رطوبت موجود درپوشش گیاهی ، سطح خاک وسطوح آزاد آب مثل اقیانوس ها ، دریاها ، نهرها و حتی سفره‌های آب زیرزمینی و ... صورت می گیرد. پس این امر باعث می شود که مقدار بسیار زیادی از آب از دسترسی ما خارج شود پس درنظر گرفتن نقش تبخیر برای برنامه ریزی و مدیریت میزان آب مصرفی در کشاورزی و طرح‌های عمرانی مانند مهندسی ساختمان ، ایجاد سدهای مختلف ، بیلان جرم دریاچه‌ها ‌، حوضچه های تبخیری مورد استفاده در دفع فاضلاب های آلوده کننده بسیار مهم است. البته بایداین نکته را در نظر داشت که در بین پدیده های مختلف هواشناسی ، اندازه‌گیری میزان تبخیر واقعی مشکل‌ترین کارهاست.

پس به طور خلاصه می توان گفت که اهداف این تحقیق و پژوهش عبارتند از :

شناسایی عوامل مؤثر بر تبخیر سطحی

آشنایی با روشهای اندازه گیری تبخیر

نقش تبخیر در برنامه ریزی و احداث پروژه های سد و مخازن آب

استفاده بهینه در مصرف آب و برآورد نیاز آبی گیاهان

استفاده بهینه از زمینهای قابل کشت کشاورزی و حاصلخیزی زمینهای زراعتی

شناسایی عوامل تبخیر در کمیت و کیفیت محصولات غذایی و کشاورزی

تبخیر

عمل تبخیر یک فرایند کاملا فیزیکی بوده که در آن انرژی حرارتی باعث تغییر حالت آب از مایع به گاز می گردد.

در هواشناسی به فرایندی تبخیر می گویندکه نتیجه آن آزاد شدن مولکولهای آب و وارد شدن آنها در اتمسفر می باشد. به عبارت دیگر تبخیر در طبیعت همان انتشار بخار آب از یک سطح مرطوب ، سطح آزاد آب و اعم از حالت مایع یا جامد را در درجه حرارتی پایین تر از نقطه جوش آب می توان تعریف کردکه به آن تبخیر سطحی اطلاق می شود.

لذا تبخیر نقش مهمی در میزان آب قابل دسترس در یک منطقه دارد . بااهمیت‌ترین شکل تبخیر ، تبخیری است که از روی اقیانوس هاو دریاهای آزاد انجام می پذیرد و از آنجایی که این آبها از منابع اصلی مجموعه‌ی آب در سطح زمین می باشد ، عامل اصلی انتقال آب و بخار آن در حجم بالا بین اقیانوس ها و خشکی ها محسوب می شود.

از دیگر شکل های بااهمیت تبخیر ، تبخیر از رطوبت موجود در پوشش گیاهی ، سطح خاک و سطوح آزاد کوچک آب مثل دریاچه‌ها ، رودخانه ها و نهرهاست . ریشه‌ ی گیاهان رطوبت موجود در خاک را جذب و بخشی از آن را توسط اندام‌های خود ترجیحا برگها به اتمسفر زمین وارد می کند ، به این فرم از تبخیر ، تعرق می گویند . چون تعرق گیاهان را نمی توان از تبخیر سطح خاک مجزا کرد ، کل پدیده را تبخیر و تعرق نامند که غالباً آب مصرفی گیاه گفته می شود. لذا برآورد میزان آبی که در اثر آبیاری به مصرف تعرق زراعت  و درختان می‌رسد ، بر اساس تبخیر و تعرق است . ابعاد و اندازه‌ی شبکه های آبیاری نیز تابع مستقیمی از مقدار و زمان آب مصرفی است که به صورت تبخیر و تعرق  وارد جو می شود . مسلماً تبخیرو تعرق جزء اصلی چرخه‌ی هیدرولوژی برای تشکیل صددرصد بارش در مناطق کویری ، 75 درصد در مناطق مرطوب و صددرصد در مجموع کره‌ی زمین محسوب می‌شود.

در فعالیت‌های عمرانی تبخیر از دو نظر حائز اهمیت است :اولاً تبخیر مستقیم از سطح رودخانه‌ها دریاچه ها و مخازن سدها باعث تلفات آب می شود . ثانیاً تبخیر و تعرق از سطح پوشش گیاهی داخل حوضه های آبریز نیز جزء تلفات به حساب می آید.

تلفات آب بر اثر تبخیر در آب و هوای معتدل مرطوب سالانه در حدود 600 میلی‌متر از سطح آزاد آب و در حدود 450 میلی متر از سطح زمین می باشد . حال آنکه در یک آب و هوای خشک این ارقام می تواند به ترتیب 2000 و 100  میلی متر باشد .

ملاحظه می شود که تبخیر از سطح آزاد آب افزایش و تبخیر واقعی کاهش می یابد . پایین بودن رقم تبخیر از سطح خشکی به دلیل عدم وجود بارندگی و موجودیت آب برای تبخیر است . بنابراین در اقلیم های خشک و نیمه خشک تبخیر از اهمیت زیادی برخوردار است . تخمین آن در طرح‌ های عمرانی نیز به همان ترتیب حایز اهمیت است.

شکل زیر توزیع جغرافیایی میانگین تبخیر سالانه از اقیانوس ها و خشکی ها را مورد بررسی قرار می دهد.

به طوریکه در شکل مشاهده می کنید از نظر جغرافیایی حداکثر میانگین تبخیر و تعرق در اطراف خط استوا است که مقدار آن در نزدیک قطبین به صفر می رسد . توزیع جغرافیایی تبخیر و تعرق همچنین تحت تاثیر توزیع جغرافیایی خشکی ها ، اقیانوس ها و بارش بر روی خشکی ها می‌باشد . همانطور که در شکل مشاهده می شود از عرض های جغرافیایی پایین تا متوسط تبخیر بیشتری در اقیانوس‌ها نسبت به خشکی هاست. همچنین افت جزئی را که میزان تبخیر از اقیانوس ها نسبت به خشکی‌ها در استوا در شکل دارد میتوان ناشی از پایین بودن میزان باد و فراوانی میزان رطوبت در سطح همجوار اقیانوس ها دانست.

همچنین که اوج‌های جزئی تبخیر در عرض‌های متوسط زمین منعکس کننده تسلط بادهای غربی و بارفتن دسترسی به آب است و کاهش جزئی در نزدیک عرض 30 درجه در اثر کمبود آب در نوار‌های بیابانی است . در اقیانوس ها الگوی اساسی توزیع تبخیر به طور وسیعی تحت تاثیرجریانهای سطحی آن قرار می گیرد.

جریان تبخیر

مولکولهای آب در شرایط معمولی ، چه در دریاچه های بزرگ و چه به صورت لایه های نازک که ذرات خاک را در بر گرفته اند و چند میلی متر بیشتر آب ندارند دارای جرم مشخصی بوده و در یک حرکت ثابت می باشند اضافه شدن گرما به آب سبب افزایش انرژی مولکول های آب و حرکت سریع آنها می شود ، نتیجه اش افزایش فاصله همراه با کاهش نیروی چسبندگی بین مولکول ها را به دنبال خواهد داشت . در درجه حرارت‌های بالا مولکول‌های بیشتری در سطح آب تمایل به آزاد شدن و وارد شدن به لایه های هوای همجوار سطح آب دارند . همزمان مولکول های بخار آب تمایل به‌ آزاد شدن و وارد شدن به لایه های همجوار سطح آب دارند . مولکولهای لخار در این لایه در یک حرکت مداوم به سرمی برند و بعضی از آنها به سطح آب زیرین خود نفوذ می کنند. بنابراین میزان  تبخیر در یک زمان معین بستگی به اختلاف تعداد مولکول هایی که از سطح آب خارج می‌شود و تعداد مولکول هایی که بر می گردند ، دارد.

عوامل موثر درتبخیر

اصولاً تبخیر از سطح آب یک عمل پیوسته و مداوم است که دو عامل اصلی جریان تبخیر را تحت تاثیر قرار می دهد:

در دسترس بودن انرژی برای ایجاد گرمای نهان تبخیر که این انرژی مورد نیاز جهت شکستن پیوند هیدروژنی آب است .

توان انتقال وانتشار بخار آب از سطح تبخیر می باشد که بستگی به گرادیان سرعت باد و رطوبت ویژه در هوای بالای آن است . علاوه برآن ، عوامل فیزیکی و محیطی نیز در میزان تبخیر موثر هستند .

تابش خورشید(انرژی خورشیدی)

تغییر حالت  آب به گاز دردمای ده درجه سانتی گراد نیاز به  انرژی دارد . بنابراین تبخیر می تواند در طول روز و حتی در شب چنانچه انرژی در اختیار باشد ، صورت گیرد . اصولاً مقدار انرژی که بتواند عمل تبخیر را انجام دهد در روز بیشتر از شب و در تابستان بیش از زمستان است . بنابراین انرژی خورشیدی در تغییرات میران تبخیر تاثیر تعیین کننده ای دارد . به طوریکه لینسلی و همکارانش (1985) پیشنهاد کردند که تلفات آب در اثر تبخیر از سطوح آزاد آب اساساً به نام تبخیر خورشیدی بیان می شود . این موضوع در شکل زیر نشان می دهد که چگونه انرژی خورشیدی و تبخیر رابطه ی نزدیکتری نسبت به درجه حرارت و تبخیر دارند .  عرض جغرافیایی محل نیز که انرژی دریافت شده از خورشید به آن بستگی دارد در این امر دخالت دارد . به عبارت دیگر تبخیر بستگی به موقعیت جغرافیایی محل دارد و دارای تغییرات روزانه ، ماهانه و فصلی است.

دمای هوا

همانطورکه گفته شد برای انجام عمل تبخیر انرژی مورد نیاز است. چنانچه درجه حرارت سطح مرطوب و هوای مجاور آن زیاد باشد تبخیر با سرعت بیشتری انجام می پذیرد . زیرا در دمای بالاتر برای تبخیر هر گرم آب ، انرژی کمتری مورد نیاز خواهد بود. از طرف دیگر هر چه درجه‌ی حرارت هوای بالای سطح مرطوب گرمتر باشد توانایی بیشتری در جذب رطوبت خواهد داشت. هر چند دما به عنوان شاخصی از مقدار انرژی خورشیدی است اما چون این امکان وجود دارد که دمای یک منطقه مستقل از مقدار تابش خورشید کم یا زیاد باشد لذا به عنوان یک پارامتر مستقل مورد بررسی قرار می گیرد.

رطوبت

سومین عامل موثر بر تبخیر رطوبت نسبی هواست . با افزایش میزان خشکی هوا یا کاهش رطوبت موجود آمادگی اتمسفر جهت پذیرش بخار آب بیشتر می گردد. در صورت عدم تغییر خصوصیات هوا که سبب تغییرات ظرفیت هوا نیز می شود ، فشار حقیقی بخار آب (فشار بخار آب در بالای هوای اشباع ) در طی یک روز تغییر چندانی ندارد . متقابلاً رطوبت نسبی دارای تغییرات زیادی است . به طوریکه با افزایش رطوبت نسبی در لایه‌ی همجوار سطح تبخیر ، میزان انتقال ذرات آب از سطح تبخیر کاهش می یابد ، هر چند که رطوبت نسبی با میزان صددرصد ، مقداری تبخیر معمولاً انجام می گردد . از آنجایی که زمانی رطوبت نسبی هوا افزایش می یابد که درجه حرارت هوا پایین آمده است و حتی اگر میزان بخار آب در توده‌ی هوا ثابت بماند ، کاهش دمای هوا سبب کاهش میزان تبخیر می گردد ، بنابراین در هوای سرد تبخیر ممکن است کمتر از هوای گرم باشد علتش را هم می توان در ظرفیت کم پذیرش بخار آب در درجه‌ی اشباع هوای سرد دانست .

جریان انتشار(باد)

بلافاصله پس از تبخیر لایه‌ی نازک هوایی که درحد فاصل سطح مرطوب و هوا قرار گرفته است از بخار آب اشباع می شود.

انتشار مولکول های آب از سطح آزاد آب به طرف لایه‌ی هوای ساکن با نزدیک شدن نقطه اشباع کاهش می یابدو سبب افزایش ورود مجدد مولکول های آب در هوا به سطح آب می‌شود . بنابراین جهت ادامه‌ی تبخیر بایستی حرکت قابل ملاحظه در هوا برای برداشتن لایه‌ی هوای مرطوب پایینی در تماس با سطح آب و مخلوط کردن آن با هوای خشک لایه بالایی وجود داشته باشد . بنابراین میزان تبخیر اغلب و همیشه تا حدی تحت تاثیر حرکت اغتشاش هوا می‌باشد. رابطه‌ی بین سرعت باد و تبخیر فقط تا محدوده مشخصی وجود خواهد داشت . افزایش بیش از حد سرعت باد در افزایش میزان تبخیر موثر واقع نخواهد شد. محدوده‌ی این سرعت با تغییر دیگر شرایط موثر در میزان تبخیر تغییر می کند ، اما همراهی شرایط آشفتگی در انتشار ، جهت توانایی های لازم و سرعت بخشیدن به تبخیر در رسیدن به حداکثر میزان تبخیر در تحت شرایط انرژی و رطوبت هوا کمک می کند . به عبارت دیگر باد عامل ایجاد تبخیر نیست بلکه  سبب برقراری یا افزایش شدت میزان تبخیر تا محدوده مشخصی می شود.

فشار اتمسفر

با کم شدن فشار اتمسفر مولکول ها راحت تر می توانند از سطح مایع خارج شده و بدین ترتیب  بر شدت تبخیر افزوده میگردد. در ارتفاعات اگر چه فشار هوا کمتر می باشد لیکن به سبب کاهش درجه حرارت و افزایش رطوبت نسبی هوا ، تبخیر نسبت به دشتها کمتر است.

اندازه سطح

میزان تبخیر در سرعت ثابت باد با اندازه‌ی سطح تبخیر و رطوبت نسبی ارتباط پیدا می کند.

با حرکت توده‌ی هوا در عرض یک دریاچه بزرگ بتدریج رطوبت نسبی بیشتری را اخذ کرده و از قدرت تبخیرآن کاسته می شود به طوریکه به تدریج که مساحت تبخیر کاهش می یابد ، تفاوت بین تبخیر در کناره‌ی دریاچه و وسط آن کاهش می یابد ، تا جایی که بخار آب مانند یک روکش تمامی سطح تبخیر را فرا گرفته ، ضخامت آن تدریجاً افزایش پیدا می‌کند. هر چه دریاچه وسیع‌تر باشد مجموع کاهش تبخیر بیشتر است ، هر چند که مجموع حجم آب تبخیر شده با افزایش سطح تبخیراضافه می شود . رطوبت هوا در حالتی که سطح آب یکنواخت  باشد (اقیانوسها ) به غیر از مناطق ساحلی مستقل از فاصله طی شده توده‌ی هوا می باشد. بنابر این در این شرایط تبخیر در مناطق یکنواخت می باشد و مقدارش با انرژی دریافتی رابطه‌ی نزدیک خواهد داشت. همچنین سطوح تبخیر خیلی کوچک مانند تبخیر نگارها و تبخیرسنج‌ها تاثیر کمی در درجه حرارت و رطوبت هوای مجاور خود دارند. میزان بخار آب کمی که سطح تبخیر را ترک می کند حتی اگر با شدت زیادی هم باشد ، بلافاصله منتشر شده لذا یک جریان تبخیر مداوم در سطح تبخیر برقرار می گردد. مقدار متفاوت تبخیر در اندازه مختلف سطوح آزاد آب از رطوبت وارد شده‌ی هوا تاثیر قابل ملاحظه ای  می پذیرد. اگر ابتدا رطوبت موجود در هوا زیاد باشد حتی اگر رطوبت وارده به سطح تبخیر مسافت طولانی از عرض دریاچه را طی می کند ، تغییرات در تبخیر جزئی است. بنابراین در سطوح کوچک و بزرگ میزان تبخیر متفاوت نخواهد بود . اما اگر رطوبت اولیه‌ی هوا کم باشد ، لذا رطوبت وارد شده سبب افزایش رطوبت موجود درسطح تبخیر می گردد و در مقایسه با سطوح کوچکتر به تناسب میزان تبخیر از سطوح بزرگ آب کاسته می‌شود.

عمق آب

تاثیر عمق آب در توزیع فصلی تبخیر قابل بررسی است . رژیم فصلی درجه حرارت دریاچه‌ی کم‌عمق معمولاً با رژیم جریان درجه حرارت مشابه می باشد. بنابراین حداکثر میزان تبخیر در تابستان و حداقل آن در زمستان خواهد بود. در یک دریاچه‌ی عمیق موضوع متفاوت است زیرا نه تنها ظرفیت ذخیره‌ی گرمایی بیشتری از آبهای کم عمق دارد بلکه در عرض‌های متوسط جغرافیایی تجربه نشان داده است که طبقه بندی حرارتی قابل ملاحظه‌ای در آنها وجود دارد که تبخیر را تحت تاثیر قرار می دهد. در طی فصول بهار و تابستان گرمای وارد شده سطح آب در فاصله‌ی محدودی از عمق آب مخلوط می شود. نتیجه اینکه منطقه ای از آب گرم در لایه سطح آب که دارای درجه حرارت یکسان و گرمتر از بقیه‌ی آب می باشد در دریاچه تشکیل می‌گردد. با سرد شدن آب در فصل پائیز چگالی آب افزایش پیدا می کند ، آب سرد شده به اعماق کشیده می‌شود و آب گرم پائین‌تر جایگزین آن می گردد حتی در شرایط سطح آزاد یخ این جایگزینی ها در طول فصل زمستان به طور مداوم در اثر عمل باد انجام می پذیرد. در هرحالت ، درجه حرارت‌ها و چگالی های یکسان در طی عمق آب به دنبال خواهد داشت  تا آشفتگی هوا عمل مکانیکی مخلوط کردن را تا عمقی از آب گسترش دهد. بنابراین انرژی ذخیره شده در فصول پائیز و تابستان به کندی به سطح آب آمده ، به انرژی خورشیدی موجود در آن وقت از سال اضافه می شود. نهایتاً ذخیره‌ی گرمایی تاثیر نسبی به درجه حرارت هوا و آب می گذارد و مشاهده می گردد که درجه حرارت آب در تابستان کمتر از درجه حرارت هوا و در زمستان درجه حرارت هوا کمتر از درجه حرارت آب می باشد.

رنگ مایع

غلظت املاح موجود در آب(شوری)

میزان تبخیربا غلظت املاح موجود درآب رابطه معکوس داشته بطوریکه وجود املاح در آب باعث کندی تبخیرمی شود. برای مثال به ازای هر یک در صد افزایش چگالی آب در اثر شوری، تبخیر به میزان یک درصد کاهش می یابد. کاهش تبخیر به علت کاهش فشار بخار آب شور است. به عبارتی فشار بخار آب اشباع در مجاورت آب ناخالص کمتر از آب خالص می باشد بنابراین تبخیر از آب دریا با میانگین شوری  حدود تا درصد کمتر ازتبخیر آب خالص می باشد.

بنابراین دریاچه های بسیار شور مناطق کویری مانند حوض سلطان یا مسیله می توانند در شرایط بسیارحاد کویری مدت زیادی دوام داشته باشند.