التبخر Evaporation

موضوع: التبخر Evaporation 13/05/12, 08:45 pm

أ. التبخر Evaporation
التبخر هو عملية تحويل الماء من الحالة السائلة إلى بخار (حالة غازية)، ونقل هذا البخار بعيداً عن سطح التبخر. وتتم عملية التبخر من أنواع عديدة من السطوح، مثل: البحيرات، والأنهار، والتربة، والنباتات. وتقدر كمية الماء، التي تدخل الغلاف الغازي، على شكل بخار، بنحو 380 ألف كيلومتر مربع من الماء؛ منها 320 ألفاً من المحيطات والبحار، و60 ألفاً من القارات. ولكي يتم التبخر، لا بدّ من توافر الطاقة، اللازمة لتغير حالة جزيئات الماء من السائل إلى البخار. ويتم استمداد هذه الطاقة اللازمة من الأشعة الشمسية، بشكل أساسي، ومن حرارة الهواء، بشكل ثانوي. ويعد الاختلاف في تركيز بخار الماء، هو القوة الدافعة لنقل بخار الماء من سطح التبخر إلى الهواء المجاور. ومع استمرار عملية التبخر، يبدأ الهواء المجاور بالتشبع؛ ما يجعل عملية التبخر تبدأ بالتباطؤ، وأحياناً التوقف؛ إذا لم يتم نقل هذا الهواء المشبع ببخار الماء. ويعتمد معدل نقل هذا الهواء المشبع من مكانه، واستبدال هواء غير مشبع به، على سرعة الرياح، بشكل كبير. لذلك، يمكن القول إن العوامل، التي تتحكم في معدل عملية التبخر، هي الإشعاع الشمسي، وحرارة الهواء، ورطوبة الهواء، وسرعة الرياح.
وعندما يتم التبخر من سطح التربة، فإن معدل التبخر، يتوقف كذلك على درجة تغطية سطح التربة بالنباتات، ومقدار رطوبة التربة المتاحة عند السطح. فعندما يتوقف إمداد الماء إلى سطح التربة، من طريق المطر، أو الري، أو الماء الجوفي القريب من السطح، ينخفض معدل التبخر بسرعة، وقد يتوقف تماماً، في غضون بضعة أيام.
النتح Transpiration
النتح هو عملية تبخر الماء السائل، المحتوى في خلايا النبات، ونقله إلى الهواء. وعادة، يتم فقدان النباتات للماء، من طريق الثغرات Stomata، المتمثلة في فتحات صغيرة، في أوراق النباتات، يعبر من خلالها بخار الماء والغازات الأخرى. ويفقد النبات معظم الماء، الذي يمتصه من طريق الجذور، بعملية التبخر، عدا جزء بسيط من هذا الماء، يستخدم في العمليات الأخرى، داخل النبات.
وتعتمد عملية النتح على إمداد الطاقة، اللازم لعملية التبخر؛ والاختلاف في تركيز بخار الماء بين الهواء المجاور والثغور في أوراق النبات، وسرعة الرياح، كما هو الحال في عملية التبخر المباشرة. كما يلعب مدى توافر الرطوبة في التربة، وقدرة التربة على توصيل الماء إلى جذور النباتات، دوراً مهماً في تحديد معدل النتح. وكذلك، يتأثر معدل النتح بدرجة ملوحة التربة، وخصائص المحصول، حيث إن أنواع مختلفة من النباتات، تنتج بمعدلات مختلفة؛ كما أن المحصول الواحد، ينتج بمعدلات مختلفة في أثناء أطوار نموه.
التبخرنتح
لأن عمليتَي التبخر والنتح، يحدثان معاً، في آن واحد؛ وليس هناك طرائق سهلة للتمييز بينهما؛ فإن مجملهما يعرف بالتبخرنتح Actual Evapotranspiration ، الذي يعتمد على العوامل المناخية، وعوامل المحصول، وعوامل الإدارة والظروف البيئية.
أ. العوامل المناخية
تعد الأشعة الشمسية، وحرارة الهواء، والرطوبة الجوية، وسرعة الرياح، من أهم العوامل المناخية، التي تتحكم في معدل التبخر والنتح.
ب. عوامل المحصول
يعتمد معدل التبخرنتح على نوع المحصول، ومرحلة تطوره ونموه، وارتفاعه، وخشونته، وانعكاسية الأشعة منه، ومدى تغطية المحصول للتربة، وخصائص الجذور؛ لأن ذلك يحدد مقاومة النبات للنتح،.
ج. عوامل الإدارة والظروف البيئية
يتأثر معدل التبخر والنتح بملوحة التربة، وخصوبتها، ووجود الطبقات غير المنفذة للماء، وعدم التحكم في أمراض المحاصيل، والمبيدات الحشرية؛ لأن هذه العوامل تؤثر في نمو النبات، ومن ثَم، في عملية التبخر والنتح.
تبخرنتح المحصول المرجعي
يقصد بتبخر نتح المحصول المرجعي Reference Crop Evapotranspiration أو ما كان يعرف سابقاً بالتبخرنتح الإمكاني Potential Evapotranspiration، معدل التبخرنتح من سطح مرجعي عبارة عن انجيلة خضراء افتراضية، ارتفاعها 12 سنتيمتراً، ومقاومتها للنتح 70 ثانية لكلّ متر، وانعكاسيتها 0.23. أي أن العوامل المؤثرة في معدل النتح، هنا، هي العوامل المناخية فقط. لذلك، يمكن تحديد العوامل المؤثرة في معدل التبخرنتح الإمكاني بالعوامل التالية:
أ. كمية الأشعة الشمسية القصيرة الموجة، الساقطة على السطح
يتناسب التبخر والنتح الإمكاني تناسباً طردياً مع كمية الأشعة الشمسية القصيرة الموجة، الساقطة على السطح. وتعتمد كمية الأشعة الشمسية القصيرة الموجة، الساقطة على وحدة مساحة من السطح على العوامل التالية:
(1) بعد الأرض عن الشمس
تقترب الأرض من الشمس أحياناً، و أحياناً تبتعد عنها؛ لأن الأولى تدور حول الثانية، في مدار إهليجي؛ إذ تبلغ المسافة بينهما أقلّ مدى لها، عند الحضيض، في الرابع من يناير؛ بينما تكون في الأوج (أبعد مسافة بين الأرض والشمس) في اليوم السابع من يوليه (انظر شكل المدار الأهليجي للأرض). ولأن كمية الطاقة الشمسية الواصلة إلى السطح، تتناسب تناسباً عكسياً مع مربع المسافة الفاصلة بين الأرض والشمس؛ فإن هذا يؤثر في معدلات التبخر والنتح.
(2) زاوية ميل أشعة الشمس
تعتمد زاوية ميل أشعة الشمس، أو زاوية الشمس على درجة عرض الشمس (solar declination)، ودرجة عرض المكان (latitude)؛ إذ تزداد زاوية ميل أشعة الشمس، كلما ازدادت درجة عرض المكان، أو قلت درجة عرض الشمس. وحيث إن أغلب المناطق الجافة، تقع في المناطق المدارية؛ فإن كمية الأشعة الشمسية القصيرة الموجة، الواصلة للسطح، في هذه المناطق ـ تكون عالية؛ واستطراداً، تكون معدلات التبخر والنتح الإمكاني عالية فيها، مقارنة بمناطق العروض العليا.
لذلك نجد أن المتوسط السنوي للأشعة الشمسية يبلغ أعلاه عند خط الاستواء ويتناقص تدريجياً نحو القطبين (انظر شكل ميزانية الطاقة لكامل السنة). أما في فصل الشتاء الشمالي عندما تكون الشمس متعامدة على مدار الجدي، فإن الأشعة الشمسية وفائض الطاقة يبلغ أعلى مستوى له عند مدار الجدي في نصف الكرة الجنوبي، ويتناقص كلما اتجهنا نحو خط الاستواء، أو إلى القطب الجنوبي (انظر شكل ميزانية الطاقة لشهر ديسمبر)، وعلى النقيض من ذلك، تبلغ الأشعة الشمسية وفائض الطاقة أعلى مستوى لها عند مدار السرطان في فصل الصيف بنصف الكرة الشمالي (انظر شكل ميزانية الطاقة لشهر يونيه).
(3) عدد ساعات سطوع الشمس
يتوقف عدد ساعات سطوع الشمس، على درجة عرض الشمس، ودرجة عرض المكان؛ فيزداد عدد ساعات سطوع الشمس، في نصف الكرة الشمالي، كلما ازدادت درجة عرض المكان، عندما تكون درجة عرض الشمس موجبة، والعكس صحيح (انظر شكل ساعات سطوع الشمس). وبما أن كمية الأشعة الشمسية، الساقطة على السطح، في اليوم الواحد، تساوي حاصل ضرب المعدل في عدد ساعات سطوع الشمس؛ فإن ازدياد عدد ساعات سطوع الشمس، يزيد من كمية الأشعة الشمسية، الساقطة على السطح؛ فيزيد من معدل التبخر والنتح اليومي.
(4) مدى توهين الغلاف الغازي للإشعاع الشمسي
يقوم الغلاف الغازي بتوهين أو تقليل الإشعاع الشمسي، الواصل إلى السطح، من طريق عمليات الامتصاص و التشتت (تغيير اتجاه الإشعاع) والانكسار (انظر شكل توزيع الأشعة الشمسية)؛ ويعتمد ذلك على الكتلة والخصائص الطيفية لمواد الغلاف الغازي، وزاوية سمت الإشعاع الشمسي.فلكما ازدادت زاوية سمت الإشعاع الشمسي، طالت المسافة، التي تخترقها أشعة الشمس، في الغلاف الغازي؛ فيزداد التوهين لتلك الأشعة. وحيث إن الغيوم تعد أكثر مكونات الغلاف الغازي عكساً للأشعة الشمسية (انظر جدول انعكاسية أنواع السحب للأشعة الشمسية وامتصاصيتها)، فإن المناطق الصحراوية، في المناطق المدارية، والتي تتسم بقلة الغيوم، يكون مقدار التوهين فيها قليلاً؛ فتزداد كمية الأشعة الشمسية، الواصلة إلى السطح؛ ما يزيد من معدلات التبخر والنتح.
ب. كمية الأشعة طويلة الموجة المشعة، من الغلاف الغازي
تستقبل الأجسام، على سطح الأرض، هذا النوع من الأشعة، في الليل و النهار على حدٍّ سواء، من الغلاف الجوي. إلاّ أن تأثيرها في معدلات التبخر والنتح، هو أقلّ كثيراً من الأشعة الشمسية، وذلك لأن هذه الأشعة، تنطلق من أجسام أقلّ حرارة من الشمس. وكمية الطاقة المشعة من الجسم، تتناسب تناسباً طردياً، مع القوة الرابعة لدرجة حرارة الجسم، المقيسة بالدرجات المطلقة(K) ، بحسب قانون ستيفان-بولتزمان، الذي هو عبارة عن تكامل قانون بلانك على جميع الحزم الطيفية:
L=εσT4
L= الإشعاع الحراري، الواصل إلى سطح الأرض، من الغلاف الغازي.
ε= إشعاعية الغلاف الجوي (%).
σ= ثابت ستيفان-بولتزمان.
T4= درجة حرارة الهواء في المطلق (كيلفن).
ج. انعكاسية السطح وإشعاعيته
لا تستخدم جميع الطاقة، الواصلة إلى السطح، على شكل أشعة، في عملية التبخر، بتحويلها إلى حرارة كامنة (latent heat)، إذ إن جزءاً من الأشعة الساقطة، ينعكس من على السطح؛ و تعتمد هذه النسبة، التي تعرف بمعامل الانعكاس (albedo) على خصائص السطح (انظر جدول انعكاسية الأشعة الشمسية من السطوح المختلفة). كذلك جزء من الطاقة، التي وصلت إلى السطح، على شكل طاقة كهرومغناطيسية، وتم تحويلها إلى طاقة حرارية، يتم إشعاعها إلى الغلاف الغازي، على شكل طاقة كهرومغناطيسية طويلة الموجة. وتعتمد كمية هذه الطاقة المشعة، على درجة حرارة الجسم وإشعاعيتة (emissivity) أي نسبة الطاقة الإشعاعية، التي يشعها الجسم إلى كمية الطاقة الإشعاعية التي يشعها جسم أسود (black body)، عند درجة الحرارة نفسها.
د. حرارة الهواء
تزيد درجة حرارة الهواء من معدلات التبخر والنتح، من طريق زيادة كمية الطاقة المنقولة، بالتوصيل، من الهواء إلى سطح التبخر أو النتح؛ وزيادة سرعة عملية انتشار (diffusion) جزيئات الماء في الهواء، بعيداً عن سطوح التبخر والنتح. وبما أن الهواء، في المناطق المدارية، حار؛ فإن ذلك يزيد من معدلات التبخر والنتح، في تلك المناطق.
هـ. الرطوبة النسبية للهواء
تتناسب معدلات التبخر والنتح تناسباً عكسياً مع الرطوبة النسبية للهواء ( ضغط بخار الماء الفعلي، بالنسبة إلى ضغط بخار الماء الإشباعي)؛ وذلك لأن الجزء من الهواء الملامس لسطوح التبخر والنتح، يكون في حالة توازن ثرموديناميكي، مع هذه السطوح (ضغط بخار الماء الفعلي يساوي ضغط بخار الماء الإشباعي)؛ ولأن حركة جزيئات الماء، من هذا الجزء المشبع، إلى بقية الهواء، من طريق الانتشار، تعتمد على الفارق في ضغط بخار الماء (التركيز) بين هذَين الجزءَين. ولأن ضغط بخار الماء الإشباعي، يعتمد على درجة حرارة الهواء (انظر شكل ضغط بخار الماء ودرجة الحرارة)؛ فإن الرطوبة النسبية للهواء، تتغير تبعاً لدرجة حرارته، حتى لو لم تتغير كتلة بخار الماء الموجود فيه.
و. سرعة الرياح
تؤثر سرعة الرياح في معدلات التبخر والنتح، من طريق تحريك الهواء الملامس لسطوح التبخر والنتح، والذي قد ارتفع ضغط بخار الماء فيه، بعيداً عن هذه السطوح، وإحلال هواء أجف محله؛ ما يسرع من عملية الانتشار لجزيئات الماء. ولذلك، تزداد معدلات التبخر والنتح بازدياد سرعة الرياح.
طرق تقدير التبخرنتح الإمكاني
لقد طور العديد من المعادلات التجريبية، لتقدير معدل التبخرنتح الإمكاني، خلال النصف الثاني من القرن العشرين؛ اضطلع بها العديد من العلماء، في التخصصات المختلفة، وفي أماكن جغرافية مختلفة. وهذه المعادلات، تعتمد على المتغيرات المناخية المقيسة أو المقدرة؛ وتتفاوت فيما بينها في درجة التعقيد، وعدد المتغيرات المطلوبة، وفي دقة تقديرها لمعدل التبخرنتح الإمكاني. كما أن دقة تقدير هذه المعادلات، تختلف من مكان جغرافي إلى آخر، بحسب الظروف المناخية، التي طورت المعادلة بناء على بياناتها المناخية (انظر جدول الأداء التجريبي لأهم معادلات تقدير التبخرنتح الإمكاني). وبشكل عام، تعد معادلة بنمان ـ مونتيث Penman- Monteith أفضل هذه المعادلات جميعاً، من حيث الدقة، سواء في الأقاليم الرطبة أو الأقاليم الجافة؛ لذا، فقد تبنتها منظمة الأغذية والزراعة، التابعة للأمم المتحدة، أسلوباً أمثل لتقدير معدلات التبخرنتح الإمكاني، في جميع بلدان العالم.
وتأخذ معادلة بنمان ـ مونتيث في الحسبان كلاًّ من الأشعة الشمسية (الأشعة القصيرة)، والأشعة الطويلة المشعة من الغلاف الغازي، والحرارة المستمدة من التربة أو المفقودة في التربة، ودرجة حرارة الهواء، وسرعة الرياح على ارتفاع مترَين من سطح التربة، ورطوبة الهواء النسبية. وتأخذ الصيغة التالية:
(1)
التبخر Evaporation 12646612

حيث Yن:
ETo : reference crop evapotranspiration [mm d-1 ]
معدل التبخرنتح الإمكاني (مم/يوم)
Rn : net radiation at the crop surface [MJ m-2 d-1 ]
صافي الأشعة، الطويلة والقصيرة، عند سطح المحصول (ميجاجول/م2 يوم)
G : soil heat flux [MJ m-2 d-1 ]
كمية الطاقة المفقودة في التربة، أو المكتسبة منها (ميجا جول/ م2 يوم)
T : average air temperature [°C]
متوسط درجة حرارة الهواء (المئوية)
U2 : wind speed measured at 2 m height [m s-1 ]
سرعة الرياح مقيسة على ارتفاع مترَين (م/ثانية)
(ea-ed) : vapour pressure deficit [kPa]
عجز ضغط بخار الماء (كيلو باسكال)
Δ : slope of the vapour pressure curve [kPa °C-1 ]
مقدار انحدار منحنى ضغط بخار الماء، كدالة من درجة الحرارة (كيلو باسكال/ درجة مئوية)
γ : psychrometric constant [kPa °C-1 ]
ثابت سايكو متري (كيلو باسكال/ درجة)
900 : conversion factor
معامل تحويل