凝結
物質從氣態轉變為液態
凝結,是氣體遇冷而變成液體,如水蒸氣遇冷變成水。溫度越低,凝結速度越快。
凝結的逆過程稱作蒸發。凝結屬於液化形式中的一種,但不完全等於液化。凝結是一種相變,故在通常情況下發生的凝結,會伴隨著物質的一些物理性質如密度、比熱、聲音在其中的傳播速度等發生躍變。
如水在1個大氣壓和100℃時的摩爾體積是,而相應的水蒸氣的摩爾體積是,即水的密度約為它的蒸汽的1,600倍。通過等溫壓縮不再能使氣體液化的最低溫度稱為臨界溫度,與之相應的壓強稱作臨界壓強。
水蒸氣在空氣中凝結時,必須有如塵埃或帶電粒子等組成的凝結核(見過冷),否則會形成過冷的或過飽和蒸汽。但一旦在其中吹入細微的塵粒或出現帶電粒子時,則過飽和蒸汽中會很快地發生凝結。這就是說,凝結核對於形成雲層是至關重要的。液化單位質量的蒸汽為同溫度的液體所放出的熱量稱為該種物質的凝結熱。顯然,凝結熱在數量上等於汽化熱。如1千克水蒸氣液化為水時的凝結熱為。
在水資源極其匱乏的乾旱區,任何補充性的水資源都可能對其生態系統產生積極的影響。凝結水作為穩定持續的水資源,儘管凝結量相對較小,但對於維持乾旱半乾旱地區生態系統的穩定性具有非常重要的作用。凝結水是沙漠生境中某些植物、昆蟲、小型動物、生物土壤結皮的重要水分來源;可以提高沙漠中1年生植物種子的萌發,有效地減少因土壤蒸發而損失的水分。另外,凝結水作為一種濕氣的來源,在維持沙丘穩定性方面也起著重要的作用。
國外學者自20世紀40年代起,在乾旱區凝結水方面已開展了大量的研究,包括凝結水的測定方法、凝結水的形成機理、凝結水量和持續時間的影響因素以及定量模擬、凝結水的生態學和水文學意義等。我國對凝結水的研究起步較晚,1961年王積強首次在山東德州開展了凝結水試驗,初步測得了凝結水量。還有學者分別在內蒙古科爾沁沙地、荒漠綠洲邊緣、毛烏素沙漠邊緣、騰格里沙漠邊緣、沙坡頭地區、天山北麓昌吉地下水均衡試驗場、羅布泊地區、古爾班通古特沙漠等地,開展了許多卓有成效的研究,涉及凝結水的觀測方法、生成量、形成機理、影響因素、數值模型、潛在的生態學和水文學意義等各方面。
目前關於凝結水的觀測方法,國際上仍沒有統一的標準。大量試驗證明,土壤凝結水主要發生在表層0-5cm範圍內,沙漠地區最大涉及到10cm。
土壤凝結水的水汽來源主要有兩個方面:一是來源於空氣中的水汽,包括近地表空氣中的水汽、植物蒸騰和呼吸作用散逸的水汽、地面蒸發的水汽;凝結水的另一來源是地表以下某一深度以上的土壤空隙中的水汽。土壤凝結水基本上發生在晚上22:00至次日凌晨8:00,晴天日出后一定時間範圍內凝結現象仍繼續發生。土壤凝結水形成的時間受多種環境因子的綜合影響,不同區域產生土壤凝結水的時間存在較大差異,即使在同一地區,也會因為生境和氣象因子的不同而存在差異。