Введение

Естественные процессы движения воды в водном цикле

Эвапотранспирация (ЭТ) – это совокупность процессов, перемещающих воду с поверхности Земли (открытые водоемы и ледяные поверхности, оголенная почва и растительность) в атмосферу. Она включает в себя как испарение воды (переход воды в воздух непосредственно с почвы, растительного покрова и водоемов), так и транспирацию (испарение, происходящее через устьица, или отверстия, в листьях растений). Эвапотранспирация является важной частью местного водного цикла и климата, а ее измерение играет ключевую роль в сельскохозяйственном орошении и управлении водными ресурсами.

Определение

Эвапотранспирация определяется как: "Совокупность процессов, посредством которых вода переносится в атмосферу из открытых водоемов и ледяных поверхностей, голой почвы и растительности, составляющих земную поверхность". Эвапотранспирация играет важную роль в управлении водосборными бассейнами. Два ключевых компонента эвапотранспирации:

Испарение: перемещение воды непосредственно в воздух из источников, таких как почва и водоемы. На испарение могут влиять такие факторы, как тепло, влажность, солнечное излучение и скорость ветра. В глобальном масштабе, по оценкам, в среднем от трех пятых до трех четвертей осадков на суше возвращается в атмосферу посредством эвапотранспирации. Эвапотранспирация, как правило, не учитывает другие механизмы, участвующие в возврате воды в атмосферу, хотя некоторые из них, такие как сублимация снега и льда в высокогорных или высокоширотных регионах, могут вносить значительный вклад в атмосферную влажность даже в обычных условиях.

Основные факторы

Уровни испаропотока в определенной области в основном определяются тремя факторами: во-первых, количеством доступной воды. Во-вторых, количеством энергии, содержащейся в воздухе и почве (например, тепла, измеряемого глобальной температурой поверхности); и в-третьих, способностью атмосферы принимать воду (влажностью). Что касается второго фактора (энергии и тепла): изменение климата привело к повышению глобальных температур (см. данные инструментальных измерений температуры). Это глобальное потепление увеличило испаропоток над сушей. Увеличение испаропотока – одно из последствий изменения климата для круговорота воды в природе.

Тип растительности

Тип растительности влияет на уровень транспирации и испарения. Например, травянистые растения обычно транспирируют меньше, чем древесные, поскольку у них, как правило, меньшая площадь листьев. Кроме того, растения с глубоко проникающими корнями могут транспирировать воду более постоянно, так как эти корни способны извлекать больше воды для растения и листьев. Другой пример: в хвойных лесах, как правило, наблюдается более высокая скорость транспирации и испарения, чем в широколиственных лесах, особенно в период зимнего покоя и ранней весны, благодаря их вечнозеленой природе.

Растительность

Транспирация является более значительной составляющей испаротранспирации (по сравнению с испарением) в областях с обильной растительностью. В результате, более плотная растительность, такая как леса, может увеличивать испаротранспирацию и уменьшать водообеспеченность. Два исключения составляют облачные и тропические леса. В облачных лесах деревья собирают жидкую воду из тумана или низких облаков на своей поверхности, которая затем стекает на землю. Эти деревья по-прежнему участвуют в испаротранспирации, но часто собирают больше воды, чем испаряют или транспирируют. В тропических лесах водообеспеченность увеличивается (по сравнению с расчищенными, безлесными землями в той же климатической зоне), поскольку испаротранспирация повышает влажность внутри леса (часть которой конденсируется и быстро возвращается в виде осадков, ощущаемых на уровне земли как дождь). Плотность растительности блокирует солнечный свет и снижает температуру на уровне земли (тем самым уменьшая потери от поверхностного испарения), а также снижает скорость ветра (тем самым уменьшая потерю влаги, переносимой воздухом). Совокупный эффект приводит к увеличению поверхностного стока и повышению уровня грунтовых вод, пока тропические леса сохраняются. Расчистка тропических лесов часто приводит к опустыниванию, поскольку температура на уровне земли и скорость ветра увеличиваются, растительный покров теряется или намеренно уничтожается в результате расчистки и выжигания, влажность почвы снижается ветром, а почвы легко подвергаются эрозии под воздействием сильных ветров и осадков.

Почва и орошение

В районах, не подвергающихся орошению, фактическое испарение с транспирацией обычно не превышает количество осадков, с некоторым запасом и временными колебаниями, зависящими от водоудерживающей способности почвы. Как правило, оно меньше, поскольку часть воды теряется из-за инфильтрации или поверхностного стока. Исключение составляют районы с высоким уровнем грунтовых вод, где капиллярный эффект может приводить к подъему воды из-под земли через почвенный профиль обратно на поверхность. Если потенциальное испарение с транспирацией превышает фактическое количество осадков, почва будет высыхать до тех пор, пока не установится равновесие, если не применяется орошение.

Прямые измерения

Эвапотранспирацию можно измерять непосредственно с помощью весового или панлизиметра. Лизиметр непрерывно измеряет вес растения и сопутствующей почвы, а также количество воды, добавленной осадками или орошением. Изменение запаса воды в почве затем определяется по изменению веса. При правильном использовании это обеспечивает точное измерение эвапотранспирации на небольших участках.

Оценка на основе метеорологических данных

С учетом метеорологических данных, таких как ветер, температура и влажность, можно рассчитать эталонную испаряемость (ET). Наиболее общим и широко используемым уравнением для расчета эталонной испаряемости (ET) является уравнение Пенмана. Вариация Пенмана-Монтейта рекомендуется Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций (ФАО) и Американским обществом гражданских инженеров (ASCE). Более простое уравнение Блейни-Криддла было популярно в западной части Соединенных Штатов на протяжении многих лет, но оно менее точно в влажных регионах с высокой влажностью. Другие уравнения для оценки испаропотока на основе метеорологических данных включают уравнение Маккинка, которое просто, но требует калибровки для конкретной местности, и уравнения Харгривза. Для преобразования эталонной испаряемости в фактическую испаропотребность культуры необходимо использовать коэффициент культуры и коэффициент водного стресса. Коэффициенты культуры, используемые во многих гидрологических моделях, обычно меняются в течение года, поскольку сельскохозяйственные культуры сезонны, и в целом поведение растений меняется в течение года: многолетние растения созревают в течение нескольких сезонов, а однолетние не выживают более одного, поэтому реакция на стресс может существенно зависеть от многих аспектов типа и состояния растения.