6.3.1. Водяной пар в воздухе

Воздух – это смесь газов, состоящая из азота, кислорода, углекислого газа, инертных газов. Однако гораздо важнее наличие в атмосфере водяного пара, в значительной степени определяющего ее свойства. Источником водяного пара в воздухе является процесс круговорота воды в природе, главным образом, испарение с поверхности воды, почвы, транспирация растениями. Поступающий пар вначале движется вверх, а затем ветром перераспределяется между разными районами земли.

Процентное содержание водяного пара во влажном воздухе у поверхности составляет в среднем от 0.2% до 2.5%, увеличиваясь от полюсов к экватору. Чем более влажен воздух, тем меньшая часть объема приходится на постоянные газы при том же давлении и температуре. Казалось бы, такое небольшое количество пара в атмосфере несущественно и не может оказать на нее влияния. Это, однако, не так. Этого количества хватает для образования облаков, а они существенно влияют на трансформации солнечной радиации в атмосфере. Водяной пар оказывает огромное значение на состояние воздуха как газа. Воздух может быть насыщенным и ненасыщенным, оба состояния вполне типичны. В состоянии насыщения водяного пара в атмосфере столько, сколько предельно возможно при данной температуре. Такой водяной пар называют насыщающим. Обычно состояние насыщения достигается при понижении температуры воздуха. Если температура понижается и дальше, происходит конденсация избыточной влаги, каковая переходит из парообразного в жидкое или твердое состояние. При этом формируются облака и туманы и иногда, как следствие – осадки. Очевидно, содержание пара в объемах воздуха непрерывно меняется.

Водяной пар в атмосфере оказывает огромное влияние на погоду и климат. Его количество оказывает влияние на тепловые условия у поверхности. Пар сильно поглощает длинноволновую радиацию поверхности, но и сам излучает инфракрасную радиацию, идущую в основном к поверхности, что уменьшает ночное выхолаживание. При конденсации выделяются большие количества тепла, компенсирующие его затраты при испарении.

Содержание водяного пара в атмосфере называется влажностью воздуха. Основные характеристики влажности – парциальное давление водяного пара (или просто давление водяного пара) и относительная влажность.

Водяной пар обладает упругостью, как всякий газ. Давление водяного пара е пропорционально его плотности и абсолютной температуре. Выражается это давление в гектопаскалях. Давление водяного пара в состоянии насыщения называют давлением насыщенного водяного пара. Это максимальное давление пара, возможное при данной температуре.

Если воздух содержит пара меньше, чем нужно для насыщения, определяют степень его близости к состоянию насыщения. Это отношение фактического давления е водяного пара к давлению насыщенного пара Е при данной температуре воздуха называется относительной влажностью и имеет большое практическое значение:

f = (e/E)·100% (6.6)

В прогнозах погоды обычно дается именно относительная влажность. Так, при температуре 20˚С давление насыщенного пара равно 23.4 гПа. Если при этом давление водяного пара будет 11.7 гПа, то относительная влажность составит 50%.

У поверхности давление водяного пара меняется от сотых долей гПа (при очень низкой температуре в Антарктиде и Якутии) до 35 гПа и более (у экватора). Чем теплее воздух, тем больше водяного пара он может содержать в состоянии насыщения. Относительная влажность практически принимает значения от 0 до 100%.

Используется также понятие абсолютной влажности воздуха а. Это масса водяного пара в граммах в одном кубометре воздуха. Для абсолютной влажности справедливо соотношение:

a = 220(e/T) (6.7)

где T – температура. Используются и другие характеристики влажности.

На практике влажность измеряется психрометрическим методом, по показаниям двух термометров – с сухим и смоченным резервуарами. Испарение воды с поверхности смоченного термометра снижает его температуру в сравнении с температурой сухого термометра. Это понижение тем больше, чем больше дефицит насыщения. По разности температур сухого и смоченного термометров вычисляют давление водяного пара и относительную влажность воздуха, для чего используются психрометрические таблицы. Эта пара термометров называется психрометром. Для смачивания одного из термометров его резервуар обвязывается батистом и на метеостанциях постоянно держится влажным. Используются и аспирационные психрометры, в которых резервуары помещены в металлические трубки, а специальной устройство обеспечивает устойчивый поток воздуха, обдувающего термометры. Батист смачивается дистиллированной водой перед измерением. Используют и волосяные гигрометры, которые измеряют непосредственно относительную влажность. Их принцип действия основан на свойстве обезжиренного волоса менять длину при изменении относительной влажности. Этот прибор проще психрометра и не требует таблиц, но его точность существенно ниже, чем у психрометра. Волосяные гигрометры используют в самописцах влажности, когда требуется длительная непрерывная регистрация влажности. Существуют и иные способы определения влажности, например, весовой, конденсационный, однако для полевых и срочных наблюдений они малопригодны. В современных условиях чаще используют датчики влажности, присоединенные к регистрирующему устройству.