§ 44. Влага в атмосфере (1)

Физическая величина, показывающая фактическую массу водяного пара в граммах, содержащуюся в одном кубическом метре воздуха (г/м³) при данных температуре и давлении.

• 1. Физическая сущность — отражает плотность водяного пара в воздухе и прямо характеризует абсолютный запас влаги в конкретном объёме тропосферы.
• 2. Зависимость от температуры — количество водяного пара, которое физически способен удерживать воздух, строго лимитировано его температурой: чем выше температура, тем больше межмолекулярные расстояния и тем больше водяного пара может в нём поместиться.
• 3. Влажность насыщения — предельно возможное (максимальное) количество водяного пара, которое может содержать 1 м³ воздуха при определённой температуре (при –20 °C — не более 1 г; при –10 °C — до 2,5 г; при 0 °C — до 5 г; при +10 °C — до 9,5 г; при +20 °C — до 17 г; при +30 °C — до 30 г).
• 4. Географические контрасты — абсолютная влажность максимальна в жарких экваториальных широтах и над тропическими морями, а минимальна — в ледяных просторах Антарктиды, Арктики и в зимней Сибири, где холодный воздух физически не способен удерживать много пара.

Отношение фактического количества водяного пара, содержащегося в воздухе (абсолютной влажности), к максимальному количеству пара, которое этот воздух способен вместить при данной температуре (влажности насыщения), выраженное в процентах (%).

• 1. Формула расчёта — рассчитывается делением реальной абсолютной влажности на предельно возможную влажность насыщения при той же температуре, умноженным на 100%.
• 2. Степень насыщения — показывает, насколько воздух близок к предельному насыщению влагой: при 100% воздух полностью насыщен (точка росы, начинается конденсация тумана или выпадение осадков); сухой воздух далёк от насыщения (в пустынях относительная влажность может опускаться ниже 10–20%).
• 3. Градации влажности и самочувствие — нормальной для комфортного дыхания и здоровья человека считается относительная влажность от 30% до 60%; влажность выше 60% оценивается как высокая (затрудняет теплоотдачу и дыхание в жару), а ниже 30% — как низкая (сушит слизистые оболочки дыхательных путей).
• 4. Суточный ход — в течение суток относительная влажность закономерно изменяется обратно пропорционально температуре: ранним утром при минимальной температуре она максимальна (часто достигает 100% с выпадением росы), а в послеполуденные часы максимального прогрева воздуха падает до дневного минимума.

Метеорологический прибор, предназначенный для измерения относительной влажности атмосферного воздуха (от греческих слов hygros — влажный и metreo — измеряю).

• 1. Волосяной гигрометр — классический прибор, основанный на физическом свойстве человеческого волоса (предварительно обезжиренного спиртом) изменять свою длину при колебаниях влажности: при повышении влажности волос удлиняется, при высыхании — укорачивается. Изменение длины волоса передаётся через систему рычагов на стрелку, перемещающуюся по градуированной круговой шкале от 0 до 100%.
• 2. Психрометрический метод (психрометр) — станционный прибор, состоящий из двух идентичных термометров: «сухого» (показывает реальную температуру воздуха) и «влажного» (резервуар которого обёрнут смоченной в дистиллированной воде тканью — батистом). За счёт испарения воды влажный термометр охлаждается; по разности показаний сухого и влажного термометров с помощью специальной психрометрической таблицы определяют точную относительную влажность воздуха.
• 3. Практическое значение — непрерывные измерения влажности гигрометрами критически важны для прогнозирования заморозков, туманов, осадков, в авиационной метеорологии, в медицине, а также в музейных хранилищах, библиотеках, картинных галереях и на зернохранилищах для поддержания оптимального микроклимата.

Вода в атмосфере находится в непрерывном круговороте и постоянном фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое:

• Испарение: под действием солнечной радиации вода непрерывно испаряется с водной поверхности океанов, морей, рек, озёр, с влажной почвы и за счёт транспирации растениями, поступая в воздух в виде невидимого газообразного водяного пара;
• Подъём и охлаждение: тёплые объёмы воздуха с водяным паром поднимаются вверх в тропосфере, где температура воздуха закономерно понижается (на 6 °C на каждый километр подъёма);
• Конденсация: при охлаждении воздух доходит до состояния насыщения, и избыточный водяной пар переходит в жидкое состояние — конденсируется (сгущается), превращаясь в микроскопические взвешенные капельки воды; скопления этих капель высоко в небе образуют облака, а у самой поверхности земли — туман;
• Кристаллизация и выпадение осадков: при отрицательных температурах капельки замерзают, кристаллизуясь в снежинки и льдинки; укрупняясь, влага возвращается на земную поверхность в виде атмосферных осадков (дождя, снега, града, росы или инея).

Разделение воздуха на влажный и сухой основано на степени его насыщения водяным паром, то есть на показателе относительной влажности:

• Влажный воздух: насыщен или близок к насыщению водяным паром; его относительная влажность превышает 60–70%, а во время дождя или тумана достигает 90–100%. В таком воздухе испарение замедляется или полностью прекращается, так как воздух больше не может вместить дополнительную влагу;
• Сухой воздух: ненасыщен водяным паром и содержит значительно меньше влаги, чем мог бы вместить при своей текущей температуре; его относительная влажность составляет менее 30%. В таком воздухе испарение идёт с огромной скоростью (типичный пример — воздух в полупустынях Прикаспия или жарких пустынях Сахары, а также зимой в отапливаемых квартирах);
• Температурная зависимость: способность воздуха удерживать влагу напрямую определяется температурой — один и тот же объём холодного воздуха при –10 °C вмещает максимум 2,5 г пара (и при этом будет влажным, насыщенным на 100%), тогда как тёплый воздух при +30 °C с теми же 2,5 г пара будет экстремально сухим и ненасыщенным, поскольку его вместимость составляет до 30 г/м³.

Законченные академические определения:

• «Абсолютная влажность — это количество водяного пара в граммах, содержащееся в одном кубическом метре воздуха при данных условиях (измеряется в г/м³)»;
• «Относительная влажность — это отношение реального количества водяного пара, находящегося в воздухе, к тому максимальному количеству влаги, которое он способен содержать при данной температуре (влажности насыщения), выраженное в процентах (%)».

Правильный ответ: б) гигрометром.

Обоснование:

• Гигрометр — специализированный метеорологический прибор для измерения влажности воздуха (широко используются волосяные гигрометры, работающие на свойстве обезжиренного волоса удлиняться во влажной среде, и психрометры из пары термометров);
• Барометр — прибор, предназначенный исключительно для измерения атмосферного давления (в миллиметрах ртутного столба или гектопаскалях);
• Термометр — прибор, служащий для измерения температуры воздуха, почвы или воды (в градусах Цельсия).

Различия между насыщенным и ненасыщенным воздухом заключаются в следующем:

• Содержание водяного пара: насыщенный воздух содержит максимально возможное количество водяного пара, которое физически может вместить 1 м³ при данной конкретной температуре (достигнута влажность насыщения); ненасыщенный воздух содержит водяного пара меньше своего потенциального предела и способен принять дополнительную влагу;
• Относительная влажность: у насыщенного воздуха относительная влажность составляет строго 100%; у ненасыщенного воздуха показатель относительной влажности всегда строго меньше 100% (например, 20%, 50%, 80%);
• Поведение при испарении: в насыщенном воздухе испарение с водной поверхности или влажных предметов полностью прекращается (наступает динамическое равновесие конденсации и испарения); в ненасыщенном воздухе вода продолжает активно испаряться;
• Поведение при охлаждении: даже при малейшем понижении температуры насыщенного воздуха избыток влаги немедленно начинает конденсироваться — выделяются капельки росы, тумана или облаков; ненасыщенный воздух при небольшом охлаждении лишь повышает свою относительную влажность, не выделяя жидкой воды, пока не охладится до точки росы.

При изменении температуры насыщенного воздуха происходят следующие физические процессы:

• При понижении температуры (а):
• Падение влагоёмкости: холодный воздух способен удерживать значительно меньше водяного пара, чем тёплый (например, при +20 °C воздух вмещает до 17 г/м³, а при охлаждении до +10 °C — только до 9,5 г/м³);
• Выпадение конденсата: избыточный водяной пар, который охлаждённый воздух больше не может удерживать (в данном примере 17 – 9,5 = 7,5 г на каждый кубический метр), конденсируется — переходит из газообразного состояния в жидкое;
• Наблюдаемые явления: в воздухе образуется густой туман или облака, а на охлаждённых приземных предметах (траве, листьях, камнях, крышах) оседают капли росы (при температуре выше 0 °C) либо кристаллы инея (при отрицательных температурах);
• При повышении температуры (б):
• Рост влагоёмкости: при нагревании способность воздуха вмещать водяной пар резко возрастает;
• Переход в ненасыщенное состояние: если в воздух не поступает дополнительная влага, фактическое содержание пара остаётся прежним, но предельная вместимость воздуха увеличивается; в результате относительная влажность воздуха резко снижается, и он становится сухим и ненасыщенным;
• Растворение облачности: капельки воды в тумане или облаках начинают интенсивно испаряться, превращаясь обратно в невидимый газ — облака тают и рассеиваются, наступает ясная погода.