Характеристики влажности воздуха

Для количественного выражения содержания водяного пара в атмосфере используют различные характеристики влажности воздуха.

Парциальное давление водяного пара (е) – основная и наиболее употребительная характеристика влажности. Эта та часть общего давления, которая обусловлена данным газом. Парциальное давление пропорционально его плотности и абсолютной температуре. Выражается в гектопаскалях.

Относительная влажность (f) – отношение фактического давления пара к давлению насыщенного пара при данной температуре, выраженное в процентах:

Абсолютная влажность (а) – масса водяного пара в граммах в 1 м³ воздуха, т.е. плотность водяного пара, выраженная в граммах на кубический метр.

Для абсолютной влажности а справедливо выражение:

, если е в гПа, и , если е в мм. рт. ст.,

где е – в гектопаскалях (гПа); Т – в Кельвинах (К). Это выражение получим, если плотность водяного пара ρ_w= (0,622e)/(R_dT) выразим в граммах на 1 м³, а е – в гПа.

Итак, абсолютную влажность легко рассчитать, зная давление пара и температуру воздуха. При температуре 0°С (273 К) и для состояния насыщения а = 4,9 г/м³.

Абсолютная влажность меняется при адиабатических процессах. При расширении воздуха объем его увеличивается, и то же количество водяного пара распределяется на большой объем; следовательно, абсолютная влажность уменьшается. При сжатии воздуха абсолютная влажность растет.

Удельная влажность (массовая доля водяного пара) (q) – отношение массы водяного пара в некотором объеме к общей массе влажного воздуха в том же объеме. Если этот объем равен 1 м³ можно определить удельную влажность q как отношение плотности водяного пара к общей плотности влажного воздуха: q= ρ_w/ ρ

Удельную влажность можно рассчитать по формуле:

.

Т.к. величина (0,378 е/р) мала по сравнению с единицей, то ее без больших погрешностей можно отбросить, формула примет вид:

Итак, удельную влажность можно вычислить, зная давление водяного пара и давление воздуха.

Удельная влажность – безразмерная величина. Из выражения видно, что ее значения всегда малы, поскольку р во много раз больше е. В соответствии с ГОСТом удельную влажность выражают в промилле (‰). Однако на практике ее часто выражают числом граммов водяного пара в килограмме воздуха:

В отличие от абсолютной влажности удельная влажность не меняется при адиабатическом расширении или сжатии воздуха, так как при адиабатических процессах меняется объем воздуха, но не масса его.

Близка по значению к удельной влажности другая безразмерная характеристика – отношение смеси (S). Отношением смеси называют отношение массы водяного пара к массе сухого воздуха в том же объеме. Так же как и удельную влажность, на практике отношение смеси выражают числом граммов водяного пара на килограмм сухого воздуха:

Температура, при которой содержащийся в воздухе водяной пар достигает насыщения при неизменном общем давлении воздуха, называется точкой росы (τ). Так, если при температуре воздуха ±27°С давление пара в нем равно 23,4 гПа, то такой воздух не является насыщенным. Для того чтобы он стал насыщенным, нужно было бы понизить его температуру до +20°С. Вот эта температура +20°С и является в данном случае точкой росы. Очевидно, что чем меньше разница между фактической температурой и точкой росы, тем ближе воздух к насыщению. При насыщении точка росы равна фактической температуре.

Разность между температурой воздуха Т и точкой росы т называется дефицитом точки росы (Δ):

Δ = Т – τ.

Разность между давлением насыщенного пара Е при данной температуре воздуха и фактическим давлением е пара в воздухе называется дефицитом насыщения (D):

D = Е – е.

Выражается в гектопаскалях.

5. Суточный и годовой год влажности воздуха. Географическое распределение
влажности воздуха

Абсолютное содержание водяного пара в воздухе можно характеризовать следующими величинами: парциальное давление, абсолютная влажность и отношение смеси.

Парциальное давление водяного пара изменяется в суточном и годовом ходе. Амплитуда суточного хода в умеренных широтах мала: 1–2 гПа осенью и зимой и 3–4 гПа весной и летом, хотя в отдельные дни увеличивается до 6–8 гПа. На море и в приморских областях парциальное давление водяного пара имеет простой суточный ход, параллельный суточному ходу температуры воздуха (парциальное давление больше днем, когда и температура выше). Это характерно и для внутриматериковых частей в холодное время года.

В теплое время года в глубине материков парциальное давление водяного пара имеет двойной суточный ход: 2 максимума и 2 минимума. Первый минимум совпадает с минимумом температуры воздуха (рано утром). Затем парциальное давление растет до 9 ч. утра, после этого убывает до 15 ч., когда наступает второй минимум. При чем в сухих местах этот минимум является главным. Второй максимум наблюдается около 21–22 ч. Причиной такого двойного суточного хода является развитие конвекции в околополуденные часы, которая способствует перемещению водяного пара снизу вверх, что и приводит к уменьшению содержания водяного пара у земной поверхности (первый минимум). Второй минимум образуется вследствие конденсации водяного пара в ночные часы.

Годовой ход давления водяного пара параллелен ходу температуры: летом оно больше, зимой меньше. Годовая амплитуда е тем больше, тем больше амплитуда температур. В Беларуси величина парциального давления изменяется от 3–4 гПа в январе до 14–15 гПа в июле.

Относительная влажность воздуха представляет наибольший практический интерес, т.к. характеризует степень насыщенности воздуха водяным паром. Относительная влажность воздуха также имеет суточный и годовой ход.

Суточный ход относительной влажности воздуха зависит от суточного хода парциального давления и суточного хода давления насыщения, которое в свою очередь зависит от температуры воздуха. Парциальное давление в течение суток меняется мало, а давление насыщения – достаточно резко, вместе с температурой. Поэтому суточный ход относительной влажности не совпадает с суточным ходом температуры. При падении температуры относительная влажность воздуха растет и наоборот. Суточный минимум относительной влажности наблюдается в околополуденные часы (максимальная температура), а суточный максимум совпадает с минимальной температурой (около восхода солнца).

В Беларуси суточный ход относительной влажности в зимние месяцы практически не выражен (амплитуда составляет всего 3–5%). Летом разность между экстремальными значениями может достигать в среднем многолетнем 15–20%, а на юго-востоке (ст. Василевичи) – превышает 30%.

В годовом ходе относительная влажность воздуха также изменяется обратно температуре. Исключение составляют муссонные области, где период с максимальной относительной влажности совпадает с периодами ветров с моря и выпадения муссонных дождей (лето). А зимой относительная влажность воздуха уменьшена, что связано с выносом воздуха с материка.

Наименьшие значения относительной влажности (65–70%) в Беларуси приходятся не на самый теплый месяц года, а на переходный весенний – май, когда нарастание температуры над сушей идет быстрее, чем рост содержания влаги в воздушных массах, приходящих с поверхности океана. В летнее время относительная влажность воздуха медленно увеличивается, в среднем на 2–4% в месяц. В холодную часть года (октябрь – март) средние месячные значения относительной влажности 80–90%, максимум наблюдается в декабре 87–90%. Начиная с января, относительная влажность воздуха уменьшается.

Географическое распределение влажности воздуха зависит от испарения и от переноса влаги воздушными течениями. На географических картах изолинии давления водяного пара следуют за изотермами, особенно в холодный период года. Наибольшие значения е в течение года наблюдаются у экватора (20–25 гПа, до 30–35 гПа). С широтой парциальное давление убывает, при этом над сушей в большей мере, чем над океаном. Во внутренних районах Антарктиды и якутского полюса холода парциальное давление водяного пара меньше 0,1 гПа. Летом изолинии парциального давления над сушей проходят близко к широтным кругам (температура растет, а испарение ограничено запасами влаги). В районах суши с морским климатом парциальное давление имеет высокие значения и зимой и летом (циркуляция атмосферы), в муссонных областях оно мало зимой и велико летом. В среднем годовая и для всей Земли абсолютная влажность составляет 11 г/м³.

Относительная влажность высока в экваториальной зоне (средняя 85% и больше), в субполярных и полярных областях. Но причины такой высокой относительной влажности различны: в первом случае парциальное давление велико, а температуры не очень высокие (облачность), во втором – парциальное давление мало, а температуры низкие, особенно зимой. Также велика относительная влажность воздуха зимой в умеренных широтах. В летнее время – также в муссонных районах Индии (ветер с океана). Очень низкая относительная влажность воздуха круглый год в тропических и субтропических пустынях: Сахара, Аравия, Мексика, Австралия и др., где температуры очень высокие, а парциальное давление – очень мало. Летом – также во внетропических пустынях Колорадо и Средней Азии. Зимой – в Индии, где дует материковый ветер.

Парциальное давление водяного пара убывает с высотой, причем быстрее, чем общее давление (и плотность) воздуха. Относительная влажность меняется с высотой менее закономерно. В целом с высотой относительная влажность воздуха убывает, но на высотах, где происходит облакообразование, она растет. В слоях с инверсионным распределением температуры относительная влажность воздуха уменьшена.

Влагосодержание атмосферного столба (т.е. его количество во всем столбе воздуха над единицей земной поверхности) составляет 28,5 кг водяного пара над 1 м² поверхности. Масса такого столба при среднем давлении составляет более 10 т.

На высоте 1,5–2 км плотность водяного пара становится меньше в среднем в 2 раза, а на высоте 5–6 км, содержание водяного пара в воздухе в 10 раз меньше, чем у земной поверхности (при этом общая плотность воздуха убывает лишь в 2 раза). На высоте 10–12 км давление паров воды в 100 раз меньше, чем у земли. Таким образом, выше 10–15 км содержание водяного пара в воздухе ничтожно мало.