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.

Średnie miesięczne wartości wilgotności powietrza
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



Średnie miesięczne wartości parowania potencjalnego
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"