Rozdział 9
Para wodna w atmosferze
Z wielu względów para wodna jest najważniejszym składnikiem
powietrza. W czasie gdy inne składniki zachowują swoją gazową
postać , ona to raz skrapla się dając opad deszczu czy śniegu
, raz paruje z olbrzymich basenów morskich , tworząc obieg wody
w przyrodzie.
Zawartość pary wodnej w powietrzu określają następujące
parametry :
- wilgotność : względna , bezwzględna , właściwa
- ciśnienie ( prężność ) pary wodnej
- niedosyt wilgotności
- temperatura punktu rosy
Para wodna jak każdy gaz wywiera ciśnienie , jego wartość nie
zależy od innych gazów występujących w mieszaninie. Z wiązku
z tym zawartość pary wodnej w powietrzu można określić za
pomocą jego ciśnienia.
W określonej przestrzeni w danej temperaturze istnieje
skończona wartość pary wodnej , której przekroczenie nie
powoduje dalszego wzrostu ciśnienia lecz skraplanie się (
następuje kondensacja ). To najwyższe ciśnienie nazywa się
ciśnieniem pary nasyconej a stan nosi nazwę nasycenia. Mówi
się że ciśnienie pary wodnej danej temperaturze ma jedną
maksymalną wartość. Ciśnienie pary zależy ściśle od
temperatury i szybko zwiększa sie wraz z jej wzrostem.
Ochładzając pewną zamkniętą przestrzeń powietrza nasyconego
parą wodną zmniejsza się pojemność pary w danej temperaturze
wobec czego dochodzi do skraplania się jej na zimnej powierzchni
ścian naczynia.
Podczas wzrostu temperatury ciśnienie pary wodnej nie ulegnie
zmianie , lecz para przechodzi w stan nienasycony.
Aktualne jak i maksymalne ciśnienie pary wodnej wyraża się w
hpa ( mb ) lub mm Hg. Jego wartości w szerokościach
umiarkowanych wahają się od 0.5 - 45 mb. Wilgotność względna
jest to stosunek normalnego ciśnienia pary wodnej do ciśnienia
maksymalnego w danej temperaturze wyrażony w procentach.
Parametr ten ukazuje stopień nasycenia powietrza parą wodną
jest zazwyczaj mniejszy od 100%. Przy stałej ilości pary wodnej
wilgotność względna zależy od temperatury i tak przy jej
spadku wilgotność rośnie a przy wzroście maleje.
Wilgotność bezwzględna wyraża ilość pary wodnej w gramach w
1 m3 powietrza i określa się wzorem
a = 217e/T
a - wilgotność bezwzględna
e - aktualne ciśnienie pary wodnej
T - temperatura w Kelwinach
Wilgotność właściwa jest to ilość gramów pary wodnej
znajdującej się w 1 kg powietrza. Wyraża się wzorem
q = 622 e/p
q - wilgotność właściwa
p - ciśnienie powietrza w hpa
Charakteryzuje się ona tym żę podczas procesów adiabatycznych
, sprężania czy rozprężania gazu w odróżnieniu od
wilgotności bezwzględnej nie znienia swojej wartości ,
ponieważ w czasie tego procesu zmianie ulega objętość a masa
pozostaje stała.
Niedosyt wilgotności jest to różnica między maksymalnym
ciśnieniem pary wodnej a aktualnym ciśnieniem. Wskazuje jak
dużo brakuje pary wodnej do osiągnięcia nasycenia. Ważna lecz
nie ostatnią wilkością określającą parę wodną jest
temperatura punktu rosy. Jest to temperatura w której zawarta w
powietrzu para wodna jest nasycona. Rzeczą charakterystyczna
jest różnica miedzy temperatura powietrza a temperatura punktu
rosy , im mniejsza jest ta różnica tym bliższe jest powietrze
stanu nasycenia. W przypadku gdy różnica wynosi zero powietrze
osiągneło nasycenie. Na przykład temperatura powietrza wynosi
20o a wilgotność względna 63 % wówczas stan kondensacji
osiągnie powietrze w temperaturze 12.8 C.
Wilgotność powietrza mierzy się za pomocą psychrometrów i
higrometrów. Psychrometr składa się z dwóch identycznych
termometrów z których jeden wskazuje aktualną temperature
powietrza a drugiego zbiorniczek owinięty jest mokrą szmatką
nawilżaną ze zbiorniczka z woda destylowaną. Na powierzchni
zbiorniczka z cieczą dochodzi do parowania wody. Intensywność
jego zależy od wilgotności powietrza , przy nasyceniu proces
ten zanika i temperatura obydwóch termometrów jest identyczna.
W przypadku gdy wilgotność względna jest mniejsza od 100%
termometr zwilżony będzie pokazywał temperature niższą.
Dlatego że cząsteczki pary wodnej aby oderwać się od wody
muszą uzyskać dostateczną energie. Jest ona uzyskiwana kosztem
energi wewnętrznej wody. Różnica wskazań termometrów suchego
i zwilżanego rośnie wraz i intensywnością parowania a więc
ze zmniejszaniem wilgotności.
Znając wartości temperatur termometru suchego i zwilżonego
łatwo jest wyznaczyć wilgotności powietrza , ciśnienia pary
wodnej , niedosytu wilgotności oraz temperatury punktu rosy. Do
tego celu używa sie tablic psychrometrycznych Rojeckiego.
Drugim przyrządem do mierzenia ilości pary wodnej jest
higrometr włosowy. Z jego skali odczytuje się bezpośrednio
wartości wilgotności względnej. Ponieważ jest mniej dokładny
, częściej używa się psychrometrów.
Stopień zawartości pary wodnej w powietrzu uzależniony jest od
temperatury powietrza (prężności pary nasyconej). Jej górna
granica jest maksymalną ilością pary jaka może istnieć w
powietrzu a jej przekroczenie powoduje kondensacje. Temperatura
również reguluje parowaniem zachodzącym na powierzchni wód
lądów roślin (transpiracja). Wraz ze wzrastem temperatury
rośnie intensywność parowania a więc i zawartość pary w
powietrzu. Z tych przyczyn roczny przebieg wilgotności powietrza
jest odzwierciedleniem funkcji temperatury powietrza.
Minimalne ciśnienie pary wodnej panuje zimą. Wielkość jej w
trzech najzimniejszych miesiącach jest niższa od 5mb. Maksimum
ciśnienia przypada na lipiec osiąga ono 15mb. Średnia
wartość ciśnienia pary wodnej wynosi 9 mb mieści się w
wąskim zakresie średnich krajowych.
Wilgotność względna wskutek zależności od temperatury i
ciśnienia pary wodnej wykazuje w stosunku rocznym przebieg
odwrotny do temperatury powietrza. Maksimum wilgotności
względnej przypada na okres zimowy a dokładnie na grudzień
przeciętna jego wartość wynosi 87%. Minimum obserwuje się
wiosną oraz latem , w czasie kwietnia , maja i lipca spada
poniżej 75%. Średnia roczna wilgotność względna wynosi 79%
informuje iż ciśnienie pary wodnej staniowi 79% ciśnienia pary
nasyconej w średniej temperaturze roku.
Wilgotność bezwzględna oraz właściwa wykazują niemal
identyczny profil w ciągu roku. Pierwsza z nich jest
proporcjanalna do ciśnienia pary i odwrotnie proporcjonalna do
temperatury , druga zaś zależy wyłącznie od ciśnienia
atmosferycznego i ciśnienia pary wodnej. Ciśnienie
atmosferyczne ze względu na małe zmiany procentowe ma mały
wpływ na wartość wilgotności właściwej.
Tah jak i w przypadku ciśnienia oba typy wilgotności osiągają
minimum w styczniu zaś maksimum w
lipcu , co jest idealnym odwzorowaniem temperatury powietrza.
Charakterystyczną wilkością jest
iloraz wilgotności bezwzględnej do właściwej wykazujący
niemal stałą wartość około 1.2. Iloraz ten
jest równy stosunkowi temperatury powietrza do ciśnienia
atmosferycznego i nic dziwnego że się mało
zmienia. Średnia roczna wartości wilgotności właściwej
wynosi 5.6g/kg oznacza to iż przeciętnie na 1
kilogram powietrza przypada 5.6 gramów pary wodnej.
miesiąc | ciśnienie pary wodnej [mb] |
wilgotność względna [%] |
wilgotność właściwa [g/kg] |
wilgotność bezwzględna [g/m^3] |
1 | 4.5 | 85 | 2.9 | 3.6 |
2 | 5.0 | 83 | 3.2 | 4.0 |
3 | 5.8 | 78 | 3.6 | 4.6 |
4 | 7.4 | 73 | 4.7 | 5.8 |
5 | 10.2 | 73 | 6.3 | 7.5 |
6 | 13.4 | 76 | 8.5 | 10.2 |
7 | 15.0 | 73 | 9.4 | 11.3 |
8 | 14.3 | 77 | 9.0 | 10.8 |
9 | 11.8 | 80 | 7.5 | 9.0 |
10 | 8.7 | 79 | 5.3 | 6.7 |
11 | 6.5 | 85 | 4.1 | 5.1 |
12 | 4.9 | 87 | 3.1 | 3.9 |
średnio | 9.0 | 79.0 | 5.6 | 6.9 |
pora roku | ciśnienie pary wodnej [mb] |
wilgotność względna [%] |
wilgotność właściwa [g/kg] |
wilgotność bezwzględna [g/m^3] |
zima | 5.1 | 82 | 4.1 | 5.1 |
wiosa | 10.3 | 74 | 7.8 | 10.3 |
lato | 13.7 | 77 | 10.4 | 13.7 |
jesień | 6.7 | 84 | 5.2 | 6.7 |
Wartości ciśnienia pary , wilgotności właściwej i
bezwzględnej odzwierciedlają temperaturę pór roku. Najniższe
wielkości tych parametrów występują zimą i jesienią a
maksymalne do nich latem oraz wiosną. Nieco inaczej rzecz się
ma z wilgotnością względną. Maksymalne wartości notuje się
jesienią gdy zapas wilgoci po obfitych opadach letnich jest
duży , a temperatura już niska. W zimie wilgotność względna
jest o 2% niższa , zaznacza się to niedoborem pary w powietrzu
wywołanym niską temperaturą oraz słabym parowaniem.
W czasie napływu mroźnych , kontynentalnych mas powietrza
wilgotność ta spada do 60 - 70%. Nieco niższe wartości
obserwuje się latem , mimo najwyższego ciśnienia pary. Sprzyja
temu wysoka temperatura powietrza.
Najniższe wilgotności względne panują wiosną , gdy po zimie
powietrze zawiera znikome ilości pary , temperatura jest wysoka
a częste kontynentalne masy powietrza wysuszają ziemię. Pewnym
plusem w tym okresie jest topniejąca pokrywa śnieżna , która
zamieniona w wodę przy dość wysokiej temperaturze intensywnie
paruje.
Dobowy przebieg wilgotności jest bardzo podobny do rocznego
przebiegu wilgotności i dobowego wykresu temperatury.
Analogicznie jak w przypadku temperatury wahania dobowe
ciśnienia pary oraz wilgotności powietrza są większe latem a
mniejsze zimą. Różnice w zmianach parametrów
wilgotnościowych wynikają ze wzrostu zachmurzenia w chłodnej
porze roku , obecności pokrywy śnieżnej zmniejszającej
parowanie (sublimacje).
W zimie w przebiegu wilgotności względnej zauważa się
ciekawą własność. Podczas napływu arktycznych mas powietrza
wilgotność obniża się wykazuje małe zmiany w ciągu doby ,
gdy adwekcja ciepłych atlantyckich mas przynosi topnienie
pokrywy wzrost a zarazem większe zmiany wilgotności w cyklu
dobowym.
W chłodnej porze roku największe wahania obserwuje się przy
małym zachmurzeniu i całkowitym braku pokrywy śnieżnej.
Jednak nawet w czasie bezchmurnej pogody wykres wilgotności jest
poszarpany lecz zachowujący najważniejszy charakter.
Nieregularności na wykresie powstają za sprawą turbulencyjnego
charakteru wiatru , zmieniający w sposób przypadkowy
prędkość i kierunek przepływu pary wodnej. Wahania dobowe
wilgotności przy braku warstwy śniegu i małym zachmurzeniu
wynoszą od 30% do 40%. Wilgotność osiąga swoje maksimum w
godzinach nocnych i porannych podczas największych spadków
temperatury.
Minimalne wartości występują w godzinach południowych i
popołudniowych , gdy temperatura jest maksymalna. Występujące
odchylenia od powyższej reguły wywołana są zmianami
zachmurzenia , siły wiatru oraz opadami.
Tymczasem analizując wilgotność powietrza nad pokrywą
śnieżną zauważa się znaczne zmniejszanie zmian dobowych przy
tym samym zachmurzeniu. Ponadto widoczne jest wyraźnie
przesunięcie ekstremów funkcji o 1-2 godz. w ten sposób że
przebieg temperatury wyprzedza wilgotność względną.
Stosunkowo niskie wahania obserwuje się przy dużym zachmurzeniu
, przebieg dobowy jest stabilny , osiągający niewielkie
odchylenia w czasie minimalnej i maksymalnej temperatury
powietrza.
Wiosną zmiany wilgotności w ciągu dnia o małym zachmurzeniu
nieba są większe niż zimą przy tych samych warunkach.
Wywołane jest to dość wysoką temperaturą oraz dużym
parowaniem w tej porze roku. W obu przypadkach wartości
charakterystyczne (ekstrema) niemal się pokrywają
Latem w Strzyżowie wilgotność względna jest niska w dzień w
godzinach południowych przy odpowiednio małym zachmurzeniu
spada do 40 - 50%. Jej wahania w tym okresie są maksymalne. W
przebiegu dobowym jeśli zachmurzenie jest stałe oraz niewielkie
maksymalne wilgotności względne obserwuje się nocą w dość
szerokim przedziale czasu od 2 do 6 poczym jej wartość spada
początkowo wolno a w godz. 10 - 12 bardzo szybko osiągając
minimum od 14 do 16.
Parowanie jest procesem fizycznym zachodzącym samorzutnie na
powierzchni cieczy (poniżej temperatury wrzenia) jest
przejściem z stanu ciekłego w gazowy.
Z punktu widzenia kinematyki molekularnej cząsteczki wody
posiadają pewną średnią energie kinetyczną , która przy
temperaturze niższej od temperatury wrzenia nie może
przezwyciężyć sił przyciągania międzycząsteczkowego. Ruch
molekuł jest chaotyczny cząstki miliony razy zmieniają
prędkość i kierunek ruchu. Istnieją molekuły o
zróżnicowanych prędkościach chwilowych i jeśli cząsteczka o
odpowiedniej energi kinetycznej znajdzie się w pobliżu
powierzchni cieczy , odrywa się od niej przedostając się do
przyległego powietrza. Gdy duże ilości cząsteczek o wysokich
prędkościach przedostaną się do atmosfery wówczas pozostaną
w niej molekuły o niższych prędkościch ich średnia energia
kinetyczna obniży się. Ponieważ energia ta proporcjonalna jest
do do temperatury
, temperatura wody obniży się. Miarą energi potrzebnej do
odparowania masy cieczy jest ciepło parowania. Dla wody ciepło
parowania jest bardzo wysokie przyczynia się to do znacznego
obniżenie temperatury wody co doskonale jest widoczne w
psychrometrach. Porcja energi potrzebna do przezwyciężenia
przyciągania międzycząsteczkowego nie jest stała , ulega
zmianom pod wpływem ciśnienia i temperatury. Przy standardowym
ciśnieniu oraz temperaturze 0o wynosi 2490 KJ/kg a w
temperaturze 20o 2450 KJ/kg. Oznacza to iż wzrost temperatury
obniża ciepło parowania.
Podczas podwyższania temperatury cieczy średnia energi
kinetyczna cząstek rośnie wobec czego więcej molekuł osiąga
minimalną Prędkość potrzebną do przejścia z jednego stanu w
drugi. parowanie staje się intensywniejsza. Straty cieplne
pomimo spadku temperaturowego ciepła parowania są coraz
większe. Równolegle do procesu odrywania się cząstek wody
odbywa się ich proces powrotu. Cząsteczki pary po oderwaniu
się od wody w powietrzu wielokrotnie odbijają się między
sobą i cząsteczkami powietrza. W pewnych okolicznościach
prędkości molekuł mogą zmaleć o gdy znajdzie się ona w
pobliżu cieczy zostanie ponownie pochłonięta przez nią. W
czasie parowania ilość odrywających się cząstek do
powracających jest większa. Gdy powietrze jest nasycone a para
osiągneła prężność maksymalną w danej temperaturze ilość
obu rodzajów cząstek jest identyczna (brak dopływu pary z wody
do powietrza).
Intensywność parowania oprócz tego że zależy od temperatury
to dużą rolę na niego mają :
niedosyt wilgotności powietrza w temperaturze powierzchni
parującej , prędkość wiatru oraz ciśnienie atmosferyczne.
Wiatr przemieszcza parę znad powierzchni parującej obniżając
w ten spoób niedosyt i parowanie rosną. Ciśnienie ze względu
na małe wahania na Ziemi nie odgrywa większej roli przy
parowaniu Jego wpływ zauważa się dopiero w terenach
wysokogórskich.
Ciśnienie przy znaczych zmianach ma wpływ na temperaturę
wrzenia oraz prężność pary nasyconej w ten sposób , że
spadek ciśnienia wywołuje obniżenie temperatury wrzenia. Wobec
tego zmianie ulega intensywność parowania , tak że obniżenie
ciśnienia wywołuje wzrost parowania przy przy czym zawartość
pary w danej temperaturze spada. Autorzy podręczników
meteorologi mają tutaj podzielone zdania jedni uważają że
intensywność parowania i ciśnienie powietrza są wzajemnie
proporcjonalne a inni że te dwie wilkości są odwrotnie
proporcjonalne. Chromow w "meteorologi i
klimatologi"podziela tę drugą zależność lecz popiera
ją sprzecznym wzorem z którego winika iż ciśnienie nie
wpływa na intensywność parowania.
Podczas występowania pokrywy śnieżnej odbywa się sublimacja
czyli przejście ciała stałego w lotne bez stanu pośredniego.
Wyższe wartości sił spójności między molekułami śniegu a
molekułami wody podwyższają energie potrzebną cząstką aby
oderwały się od ciała stałego. Z wyższości wartości
ciepła sublimacji nad ciepłem parowania wynika , że zimą
ilość pary jest mniejsza w przeciwieństwie do ciepłej pory
roku. Znacznie wieksze straty ciepła powoduje sublimacja , ale
pomimo małej intensywność nie przybierą one dużych
rozmiarów. Wielkością charakteryzującą parowanie jest
parowanie potencjalne oznaczające ubytek wody przez odrywanie
się molekuł wody nieograniczone zasobami wodnymi. Ze względu
na brak pomiarów parowania możliwe jest określenie tej
wielkości na drodze statystycznej. Istnieje wiele wzorów
umożliwiających obliczenie parowania potencjalnego jednym z
nich jest wzór Iwanowa :
Eo = 0.0018*(100% - f)*(25
+t)2
Eo- parowanie potencjalne w [mm]
f - wilgotność względna
t - temperatura powietrza w [Co]
Roczny przebieg parowania potencjalnego wykazuje znaczne
podobieństwa do temperatury i niedosytu wilgotności. Najniższe
parowanie notuje się w styczniu zaś najmniejszy niedosyt
występuje w grudniu w miesiącu o dużej wilgotności
względnej. To przesunięcie minimalnej wartości spowodowane
jest temperaturą powietrza , która w styczniu jest znacznie
niższa. Maksymalne parowanie i deficyt wilgotności notuje się
w letniej porze roku.
Średnia wartość parowania i niedosytu wilgotności w
poszczególnych porach roku przedstawia się następująco : zima 19.4mm - 1.2mb
wiosna 63.4mm - 3.6mb
lato 70.3mm - 4.2mb
jesień 25.0mm - 1.4mb
miesiąc | parowanie potencjalne [mm] |
niedosyt wilgotności [mb] |
śr. temperatura punkty rosy |
śr. temperatura minimalna |
1 | 12.7 | 0.8 | -4.8 | -5.6 |
2 | 15.6 | 1.3 | -3.1 | -3.1 |
3 | 30.0 | 1.6 | -1.0 | -1.2 |
4 | 52.6 | 2.8 | 2.8 | 2.7 |
5 | 68.7 | 3.7 | 7.2 | 6.5 |
6 | 50.5 | 4.3 | 11.3 | 10.2 |
7 | 88.2 | 5.4 | 12.9 | 12.6 |
8 | 72.0 | 4.2 | 12.2 | 11.5 |
9 | 50.6 | 3.0 | 9.4 | 8.7 |
10 | 41.2 | 2.2 | 4.9 | 4.5 |
11 | 20.6 | 1.3 | 0.5 | 0.4 |
12 | 13.6 | 0.7 | -3.0 | -3.9 |
śr./sumy | 536.3 | 2.6 | 4.1 | 3.6 |
Zdecydowanie największe wartości obu parametrów
występują latem , nieco niższe na wiosne. Skrajnie niskie
parowanie i niedosyt występuje jesienią oraz zimą. Z
informacji zawartych w powyższych zestawieniu wynika
proporcjonalność parowania potencjalnego do niedosytu
wilgotności. Wartość współczynnika proporcjonalności waha
sie w granicach 16 - 17. Wahania współczynnika wywołane są
zmiennością siły wiatru , temperatury powietrza oraz błędem
pomiarowym. Jednak mimo tego jest to dobry przykład
proporcjonalności tych wielkości.
Nie sposób przy analizie ilości pary wodnej w powietrzu
pominąć wielkości zwanej temperaturą punktu rosy. W przebiegu
rocznym obu wielkości zauważa się ich znaczne podobieństwo.
Wartości średniej temperatury minimalnej podczas niemal
wszystkich miesięcy są mniejsze od temperatury punktu rosy
przeciętnie o 0.5o . Jeżeli założyć , że minimalna
temperatura powietrza występowała w podobnych godzinach nocnych
, wówczas obniżenie temperatury poniżej temperatury punktu
rosy wywołane jest kondensacją (powstawanie rosy , mgły).
Istnieje jeszcze wiele wytłumaczeń tego zjawiska jest to
adwekcja mas powietrza oraz grawitacyjny
spływ powietrza w czasie którego tworzą się zastoiska zimnego
powierza w terenie kotlinnym. O tego
typie zjawiskach będzie mowa w rozdziale pt. "klimat
lokalny"