В атмосфере Земли содержится около 14 тыс. км 3 водяного пара. Вода попадает в атмосферу в результате испарения с подстилающей поверхности. В атмосфере влага конденсируется, перемещается воздушными течениями и вновь выпадает в виде разнообразных осадков на поверхность Земли, совершая, таким образом, постоянный круговорот воды. Круговорот воды возможен, благодаря, способности воды находится в трёх состояниях (жидком, твердом, газообразном (парообразном)) и легко переходить из одного состояния в другое. Влагооборот является одним из важнейших циклов климатообразования.

Для количественного выражения содержания водяного пара в атмосфере употребляют различные характеристики влажности воздуха. Основные характеристики влажности воздуха – упругость водяного пара и относительная влажность.

Упругость (фактическая) водяного пара (е) – давление водяного пара находящегося в атмосфере выражается в мм.рт.ст. или в миллибарах (мб). Численно почти совпадает с абсолютной влажностью (содержанием водяного пара в воздухе в г/м 3), поэтому упругость часто называют абсолютной влажностью. Упругость насыщения (максимальная упругость) (Е) – предел содержания водяного пара в воздухе при данной температуре. Значение упругости насыщения зависит от температуры воздуха, чем выше температура, тем больше он может содержать водяного пара.

Зависимость максимальной упругости от температуры.

Если воздух содержит водяного пара меньше, чем нужно для насыщения его при данной температуре, можно определить, насколько воздух близок к состоянию насыщения. Для этого вычисляют относительную влажность.

Относительная влажность (r) – отношение фактической упругости водяного пара к упругости насыщения, выраженное в процентах:

Распределение среднемесячной относительной влажности в июле (%) (по С.Г. Любушкиной и др.).

Распределение среднемесячной относительной влажности в январе (%) (по С.Г. Любушкиной и др.).

При насыщении е = Е, r = 100%.

Имеются и другие важные характеристики влажности, как дефицит влажности и точка росы.

Дефицит влажности (D) – разность между упругостью насыщения и фактической упругостью:

Точка росы τº – температура, при которой содержащийся в воздухе водяной пар мог бы насытить его. Пример, воздух при температуре 27ºС имеет е = 27,4 мб. Насытится он при температуре 20ºС, которая и будет точкой росы.

Литература

1. Зубащенко Е.М. Региональная физическая география. Климаты Земли: учебно-методическое пособие. Часть 1. / Е.М. Зубащенко, В.И. Шмыков, А.Я. Немыкин, Н.В. Полякова. – Воронеж: ВГПУ, 2007. – 183 с.

Радиационный баланс атмосферы и подстилающей поверхности, сумма прихода и расхода лучистой энергии, поглощаемой и излучаемой атмосферой и подстилающей поверхностью. Для атмосферы радиационный баланс состоит из приходной части - поглощённой прямой и рассеянной солнечной радиации, а также поглощённого длинноволнового (инфракрасного) излучения земной поверхности, и расходной части - потери тепла за счёт длинноволнового излучения атмосферы в направлении к земной поверхности (т. н. противоизлучение атмосферы) и в мировое пространство.

Приходную часть радиационного баланса подстилающей поверхности составляют: поглощённая подстилающей поверхностью прямая и рассеянная солнечная радиация, а также поглощённое противоизлучение атмосферы; расходная часть состоит из потери тепла подстилающей поверхностью за счёт собственного теплового излучения. Радиационный баланс является составной частью теплового баланса атмосферы и подстилающей поверхности.

Дать определение характеристик влажности воздуха

В атмосфере Земли содержится около 14 тыс. км3 водяного пара. Вода попадает в атмосферу в результате испарения с подстилающей поверхности. В атмосфере влага конденсируется, перемещается воздушными течениями и вновь выпадает в виде разнообразных осадков на поверхность Земли, совершая, таким образом, постоянный круговорот воды. Круговорот воды возможен, благодаря, способности воды находится в трёх состояниях (жидком, твердом, газообразном (парообразном)) и легко переходить из одного состояния в другое. Влагооборот является одним из важнейших циклов климатообразования.

Для количественного выражения содержания водяного пара в атмосфере употребляют различные характеристики влажности воздуха. Основные характеристики влажности воздуха - упругость водяного пара и относительная влажность.

Упругость (фактическая) водяного пара (е) - давление водяного пара находящегося в атмосфере выражается в мм. рт. ст. или в миллибарах (мб). Численно почти совпадает с абсолютной влажностью (содержанием водяного пара в воздухе в г/м3), поэтому упругость часто называют абсолютной влажностью. Упругость насыщения (максимальная упругость) (Е) - предел содержания водяного пара в воздухе при данной температуре. Значение упругости насыщения зависит от температуры воздуха, чем выше температура, тем больше он может содержать водяного пара.

Если воздух содержит водяного пара меньше, чем нужно для насыщения его при данной температуре, можно определить, насколько воздух близок к состоянию насыщения. Для этого вычисляют относительную влажность.

Относительная влажность (r) - отношение фактической упругости водяного пара к упругости насыщения, выраженное в процентах.

Имеются и другие важные характеристики влажности, как дефицит влажности и точка росы.

Дефицит влажности (D) - разность между упругостью насыщения и фактической упругостью:

Точка росы фє - температура, при которой содержащийся в воздухе водяной пар мог бы насытить его. Пример, воздух при температуре 27єС имеет е = 27,4 мб. Насытится он при температуре 20єС, которая и будет точкой росы.

Необходимые приборы и принадлежности : станционный психрометр, аспирационный психрометр, дистиллированная вода, пипетка для смачивания, штатив для укрепления психрометра, ртутный барометр, Психрометрические таблицы, волосной гигрометр.

В атмосферном воздухе всегда имеется водяной пар, содержание которого меняется по объёму в пределах от 0 до 4% и зависит от физико-географических условий местности, времени года, циркуляционных особенностей атмосферы, состояния поверхности почвы, температуры воздуха и т.п.

В единице объёма воздуха при данной температуре содержание водяного пара не может быть больше некоторого предельного количества, называемого максимально возможной упругостью водяного пара или максимальным насыщением . Оно соответствует равновесию между паром и водой, т.е. насыщенному состоянию пара.

Водяной пар, образующийся над испаряемой поверхностью, оказывает определённое давление, которое называется упругостью водяного пара или парциальным давлением (е).

Упругость водяного пара (е) определяется по формуле:

е = Е" - А· р(t - t")

где Е" – максимальная упругость водяного пара при температуре смоченного термометра; р – атмосферное давление; t – температура воздуха (температура по сухому термометру), 0 С; t – температура испаряющей поверхности (температура по смоченному термометру), 0 С; А – постоянная психрометра, зависящая от его конструкции и, главным образом, от скорости движения воздуха около приёмной части психрометра. Так, постоянная станционного психрометра принимается равной 0,0007947, что соответствует средней скорости движения воздуха в будке (0,8 м/сек). Постоянная аспирационного психрометра равна 0,000662 при постоянной скорости движения воздуха (2 м/сек) у приемной части термометров.

Измеряется парциальное давление в миллиметрах ртутного столба или миллибарах. При любой температуре парциальное давление водяного пара (е) не может превышать давление насыщенного пара (Е). Для вычисления Е существуют специальные формулы по ним составлены таблицы по которым его и находят (прил.1, 2).

Относительная влажность (f) – отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара над плоской поверхностью дистиллированной воды при данной температуре, выраженное в %.

Относительная влажность воздуха показывает на сколько воздух близок или далёк к насыщению водяным паром, определяют с точностью до 1%.

Дефицит насыщения (d) – разность между давлением насыщенного водяного пара и его парциальным давлением. d = Е – е.

Дефицит насыщения выражается в мм ртутного столба или миллибарах.

Абсолютная влажность (g) – количество водяного пара, находящегося в 1м 3 воздуха, выраженное в граммах.

Если давление воздуха выражено в миллибарах, то g определяется по формуле:

Если давление воздуха выражено в миллиметрах, то g определяется по формуле:

где L – коэффициент расширения газов, равный 1/273, или 0,00366.

Точка росы (t d) – температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе при неизменном давлении, достигает состояния насыщения относительно плоской поверхности чистой воды или льда. Точку росы определяют с точностью до десятых долей градуса.

Методы измерения влажности воздуха

Психрометрический метод – это основной метод для определения влажности воздуха, который основан на измерении температуры воздуха и температуры смоченного водой термометра – температуры термодинамического равновесия между затратами тепла на испарение со смоченной поверхности и притоком тепла к термометру от окружающей среды. Определение влажности воздуха этим методом осуществляется по показанию психрометра – прибора, состоящего из двух термометров. Приёмная часть (резервуар) одного из психрометрических термометров обёртывается батистом, находящимся в увлажнённом состоянии (смоченный термометр), С поверхности резервуара смоченного термометра происходит испарение, на которое затрачивается тепло. Другой термометр психрометра – сухой, он показывает температуру воздуха. Смоченный же термометр показывает собственную температуру, зависящую от интенсивности испарения воды с поверхности резервуара.

Для измерения влажности воздуха используются два типа психрометров: станционный и аспирационный.

Станционный психрометр состоит из двух одинаковых термометров с делениями через 0,2 0 , установленных вертикально на штативе в психрометрической будке. Резервуар правого термометра плотно обёртывается в один слой кусочком батиста, конец которого опускается в стаканчик с дистиллированной водой. Стаканчик закрывается крышкой с прорезью для батиста. Установку термометров в психрометрической будке представлена на рис. 20.

Отсчёты по термометрам должны проводиться как можно быстрее, так как присутствие наблюдателя вблизи термометров может исказить показания. Вначале отсчитываются и записываются десятые доли, а затем – целые градусы.

Наблюдения по психрометру проводятся при любой положительной температуре воздуха, а при отрицательной – только до -10 0 , так как при более низкой температуре результаты наблюдений становятся ненадежными. При температуре воздуха ниже 0 0 кончик батиста на смоченном термометре обрезается. Батист смачивают на 30 мин до начала наблюдений, погружая резервуар термометра в стаканчик с водой.

Рис. 20 Установка термометров в психрометрической будке

При отрицательной температуре вода на батисте может быть не только в твердом состоянии (лёд), но и в жидком (переохлаждённая вода). По наружному виду установить это весьма трудно. Для этого необходимо прикоснуться к батисту карандашом, на конце которого имеется кусочек льда или снега, и следить за показанием термометра. Если в момент прикосновения столбик ртути повысится, то на батисте была вода, которая перешла в лёд; при этом выделилась скрытая теплота, за счёт чего и увеличилось показание термометра. Если же от прикосновения к батисту показание термометра не меняется, значит на батисте лёд, и изменения агрегатного состояния не происходит.

Учёт агрегатного состояния воды на резервуаре смоченного термометра весьма важен, так как максимальная упругость водяного пара, входящая в психрометрическую формулу, над водой и льдом различна.

Вычисление характеристик влажности воздуха по показаниям психрометра осуществляется с помощью психрометрических таблиц, составленных по формулам. В психрометрических таблицах приводятся готовые значения t d , e, f, d для разных сочетаний t и t" при постоянной А, равной 0,0007947 и атмосферном давлении 1000 мб. Если давление воздуха больше или меньше 1000 мб, к характеристикам влажности вводятся поправки. Поправку у упругости водяного пара находят по величине атмосферного давления и разности показаний сухого и смоченного термометров. При атмосферном давлении меньше 1000 мб, эта поправка положительна, если превышает 1000 мб, ее вводят со знаком минус.

Аспирационный психрометр (рис. 21) состоит из двух психрометрических термометров 1 , 2 с ценой деления 0.2 0 , помещённых в металлическую оправу.

Оправа состоит из трубки 3 , раздваивающейся книзу, и боковых защит 4 . Верхний конец трубки 3 соединен с аспиратором 7 , просасывающим наружный воздух через трубки 5 и 6 , в которых находятся резервуары термометров 10, 11 . Аспиратор имеет пружинный механизм. Пружина заводится ключом 8 . Трубки 5 и 6 сделаны двойными. Резервуар одного из термометров (правый) обвернут коротко обрезанным батистом. Никелированная и полированная поверхность психрометра хорошо отражает солнечные лучи. Поэтому для его установки не требуется никакой дополнительной защиты и он устанавливается на открытом воздухе. Аспирационные психрометры используются для градиентных наблюдений на метеорологических станциях, а также в полевых микроклиматических исследованиях.

Рис. 21 Аспирационный психрометр

Перед наблюдением психрометр выносят из помещения зимой за 30 мин, а летом за 15 мин. Батист правого термометра смачивают с помощью резиновой груши 9 с пипеткой летом за 4 мин, а зимой за 30 мин до срока наблюдений. После смачивания заводят аспиратор, который в момент отсчёта должен работать полным ходом. Поэтому зимой за 4 мин до отсчёта нужно вторично завести психрометр.

Характеристики влажности воздуха по данным аспирационного психрометра вычисляют также с помощью психрометрических таблиц. Психрометрическая постоянная для этого прибора равна 0,000662.

Гигрометрический метод – основан на свойстве обезжиренного человеческого волоса менять свою длину при изменении влажности воздуха.

Волосной гигрометр (рис. 22). Основной частью волосного гигрометра является обезжиренный (обработанный в эфире и спирте) человеческий волос, обладающий свойством изменять свою длину под влиянием изменения относительной влажности. При уменьшении относительной влажности волос 1 , укрепленный на раме 2 , укорачивается, при увеличении - удлиняется.

Верхний конец волоса прикреплён к регулировочному винту 3 , с помощью которого можно менять положение стрелки 7 на шкале 9 гигрометра. Нижний конец волоса соединён с блоком в виде дужки 4 , сидящей на стержне 5. Грузик 6 этого блока служит для натяжения волоса. На оси блока 8 укреплена стрелка 7 , свободный конец которой при изменении влажности перемещается по шкале.

Цена деления шкалы гигрометра - 1% относительной влажности. Деления на шкале неравномерны: при небольших значениях влажности они крупнее, а при больших – мельче. Применение такой шкалы обусловлено тем, что изменение длины волоса идёт быстрее при малых величинах влажности и медленнее при больших её значениях.

Рис. 22 Волосной гигрометр

При продолжительном действии гигрометры становятся менее чувствительными к изменению влажности: волос вытягивается и загрязняется, а плёнка высыхает. Учитывая это, приходится часто сверять прибор с психрометром и находить его поправки, для чего применяется графический приём. Для этого на координатную сетку наносят точки по данным одновременных наблюдений относительной влажности по психрометру и гигрометру за длительный период (например, за осенние месяцы при подготовке гигрометра к зиме) и через середину полосы, где точки легли более густо, проводят плавную линию так, чтобы по обе стороны от нее было по возможности одинаковое количество точек (рис. 23).

В дальнейшем, пользуясь этой линией, для любого показания гигрометра можно найти соответствующее значение относительной влажности по станционному психрометру. Например, если отсчёт по гигрометру был 75%, то исправленное значение относительной влажности будет 73%.

Для более удобного пользования графиком составляют переводную таблицу. В первом вертикальном столбце (десятки) и в первой горизонтальной строке (единицы) дается шкала гигрометра. В клетки записываются значения относительной влажности, снятые с кривой. Пользуясь этой таблицей, по показаниям гигрометра находят исправленные значения относительной влажности.

Рис.23 График поправок гигрометра

Особо важное значение наблюдения по гигрометру имеют в зимнее время года, когда этот прибор нередко остается единственным для определения влажности воздуха. Поэтому в осенние месяцы его тщательно регулируют и строят переводной график, которым и пользуются в течение всей зимы.

1 Ознакомиться с психрометрическими таблицами путём проработки пояснений к ним и разбора примеров.

2 Ознакомиться с устройством станционного и аспирационного психрометров.

3 Провести измерения по аспирационному психрометру.

4 По показаниям сухого и смоченного термометров и по величине давления с помощью психрометрических таблиц определить характеристики влажности воздуха.

Результаты наблюдений оформить в тетрадь.

В воздухе, характеризуемое рядом величин. Вода, испарившаяся с поверхности при их нагревании, попадает в и сосредотачивается в нижних слоях тропосферы. Температура, при которой воздух достигает насыщения влагой при данном содержании водяного пара и неизменном , называется точкой росы.

Влажность характеризуется следующими показателями:

Абсолютная влажность (лат. absolutus - полный). Она выражается массой водяного пара в 1м воздуха. Исчисляется в граммах водяного пара на 1 м3 воздуха. Чем выше , тем больше абсолютная влажность, так как больше воды при нагревании переходит из жидкого состояния в парообразное. Днем абсолютная влажность больше, чем ночью. Показатель абсолютной влажности зависит от : в полярных широтах, например, она равна до 1 г на 1 м2 водяного пара, на экваторе до 30 грамм на 1 м2 в Батуми ( , побережье ) абсолютная влажность составляет 6 г на 1 м, а в Верхоянске ( , ) - 0,1 грамма на 1 м От абсолютной влажности воздуха в большой степени зависит растительный покров местности;

Относительная влажность . Это отношение количества влаги, находящейся в воздухе, к тому количеству, которое он может содержать при той же температуре. Исчисляется относительная влажность в процентах. Например, относительная влажность равна 70%. Это значит, что воздух содержит 70% того количества пара, которое он может вместить при данной температуре. Если суточный ход абсолютной влажности прямо пропорционален ходу температур, то относительная влажность обратно пропорциональна этому ходу. Человек чувствует себя хорошо при , равной 40-75%. Отклонение от нормы вызывает болезненное состояние организма.

Воздух в природе редко бывает насыщенным водяными парами, но всегда содержит какое-то его количество. Нигде на Земле не была зарегистрирована относительная влажность, равная 0%. На метеорологических станциях влажность измеряется с помощью прибора гигрометра, кроме того, используются приборы-самописцы - гигрографы;

Воздух насыщенный и ненасыщенный. При испарении воды с поверхности океана или суши воздух не может вмещать водяной пар беспредельно. Этот предел зависит от . Воздух, который больше не может вместить влагу, называется насыщенным. Из этого воздуха при малейшем охлаждении его начинают выделяться капельки воды в виде росы, . Это происходит потому, что вода при охлаждении переходит из состояния (пар) в жидкое. Воздух, находящийся над сухой и теплой поверхностью, обычно содержит водяного пара меньше, чем мог бы содержать при данной температуре. Такой воздух называется ненасыщенным. При его охлаждении не всегда выделяется вода. Чем воздух теплее, тем больше его способность к влагопоглощению. Например, при температуре -20°С воздух содержит не более 1 г/м воды; при температуре + 10°С - около 9 г/м3, а при +20°С - около 17 г/м Поэтому при кажущейся сильной влажности воздуха в

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА. ТОЧКА РОСЫ.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА.

1.Атмосфера.

Атмосфера – это газообразная оболочка Земли, состоящая, в основном, из азота (более 75%), кислорода (чуть менее 15%) и других газов. Около 1% атмосферы приходится на водяной пар. Откуда же он берётся в атмосфере?

Большую долю площади земного шара занимают моря и океаны, с поверхности которых постоянно при любой температуре происходит испарение воды. Выделение воды происходит также при дыхании живых организмов.

От количества водяных паров, содержащихся в воздухе, зависит погода, самочувствие человека, проведение технологических процессов на производстве, сохранность экспонатов в музее, сохранность зерна в хранилищах. Поэтому очень важен контроль за степенью влажности воздуха и умение, при необходимости, изменять её в помещении.

2.Абсолютная влажность.

Абсолютной влажностью воздуха называется количество водяного пара, содержащегося в 1 м 3 воздуха (плотность водяного пара).

Или , где

m – масса водяного пара, V – объём воздуха, в котором содержится водяной пар. Р – парциальное давление водяного пара, μ – молярная масса водяного пара, Т – его температура.

Так как плотность пропорциональна давлению, то абсолютную влажность можно характеризовать и парциальным давлением водяного пара.

3.Относительная влажность.

На степень влажности или сухости воздуха влияет не только количество водяных паров, содержащихся в нём, но и температура воздуха. Даже если количество водяного пара одинаково, при более низкой температуре воздух будет казаться более влажным. Вот почему в холодном помещении возникает ощущение сырости.

Это объясняется тем, что при более высокой температуре в воздухе может содержаться большее максимальное количество водяного пара, а в воздухе содержится в том случае, когда пар является насыщенным . Поэтому, максимальное количество водяного пара , которое может содержаться в 1 м 3 воздуха при данной температуре, называется плотностью насыщенного пара при данной температуре.

Зависимость плотности и парциального давления насыщенного пара от температуры можно найти в физических таблицах.

Учитывая эту зависимость, пришли к выводу, что более объективной характеристикой влажности воздуха является относительная влажность .

Относительной влажностью называется отношение абсолютной влажности воздуха к тому количеству пара, которое необходимо для насыщения 1 м 3 воздуха при данной температуре.

ρ – плотность пара, ρ 0 – плотность насыщенного пара при данной температуре, а φ – относительная влажность воздуха при данной температуре.

Относительную влажность можно определить и через парциальное давление пара

Р – парциальное давление пара, Р 0 – парциальное давление насыщенного пара при данной температуре, а φ – относительная влажность воздуха при данной температуре.

4.Точка росы.

Если воздух, содержащий водяной пар, изобарно охлаждать, то при некоторой температуре водяной пар становится насыщенным, так как с понижением температуры максимально возможная плотность водяного пара в воздухе при данной температуре уменьшается, т.е. уменьшается плотность насыщенного пара. При дальнейшем понижении температуры излишки водяного пара начинают конденсироваться.

Температура , при которой данный водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы .

Это название связано с явлением, наблюдающимся в природе – выпадением росы . Объясняется выпадение росы следующим образом. В течение дня воздух, земля и вода в различных водоёмах прогреваются. Следовательно, идёт интенсивное испарение воды с поверхности водоёмов и почвы. Водяной пар, содержащийся в воздухе, при дневной температуре является ненасыщенным. Ночью, и особенно к утру, температура воздуха и поверхности земли понижается, водяной пар становится насыщенным, и излишки водяного пара конденсируются на различных поверхностях.

Δρ – тот излишек влаги, который выделяется, когда температура становится ниже точки росы.

Эту же природу имеет и туман. Туман – это мельчайшие капельки воды, образовавшиеся в результате конденсации пара, но не на поверхности земли, а в воздухе. Капельки настолько малы и легки, что могут удерживаться в воздухе во взвешенном состоянии. На этих капельках происходит рассеяние лучей света, и воздух становится непрозрачным, т.е. видимость затрудняется.

При быстром охлаждении воздуха пар, становясь насыщенным, может, минуя жидкую фазу, сразу перейти в твёрдую. Этим объясняется появление на деревьях инея. Некоторые интересные оптические явления в небе (например, гало) обусловлены прохождением солнечных или лунных лучей через перистые облака, состоящие из мельчайших кристалликов льда.

5.Приборы для определения влажности.

Самыми простыми приборами для определения влажности являются гигрометры различных конструкций (конденсационный, плёночный, волосной) и психрометр.

Принцип действия конденсационного гигрометра основан на измерении точки росы и определении по ней абсолютной влажности в помещении. Зная температуру в помещении и соответствующую данной температуре плотность насыщенных паров, находим относительную влажность воздуха.

Действие плёночного и волосного гигрометров связано с изменением упругих свойств биологических материалов. С увеличением влажность упругость их понижается, и плёнка или волос растягиваются на бо " льшую длину.

Психрометр состоит из двух термометров, в одном из которых резервуар со спиртом обмотан влажной тканью. Так как с ткани постоянно происходит испарение влаги и, следовательно, отвод теплоты, то температура, показываемая этим термометром, будет всё время меньше. Чем менее влажный воздух в помещении, тем испарение идёт более интенсивно, термометр с влажным резервуаром охлаждается сильнее и показывает меньшую температуру. По разнице температур сухого и влажного термометров, используя соответствующую психрометрическую таблицу, определяют относительную влажность воздуха в данном помещении.