Абсолютная и относительная влажность

Вес, или точнее масса, водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха, называется абсолютной влажностью воздуха. Другими словами, это плотность водяного пара в воздухе. При одной и той же температуре воздух может поглотить вполне определенное количество водяного пара и достичь состояния полного насыщения. Абсолютная влажность воздуха в состоянии его насыщения носит название влагоемкости.

Величина влагоемкости воздуха резко возрастает с увеличением его температуры. Отношение величины абсолютной влажности воздуха при данной температуре к величине его влагоемкости при той же температуре называется относительной влажностью воздуха.

Для определения температуры и относительной влажности воздуха пользуются специальным прибором — психрометром. Психрометр состоит из двух термометров. Шарик одного из них увлажняется с помощью марлевого чехла, конец которого опущен в сосуд с водой. Другой термометр остается сухим и показывает температуру окружающего воздуха. Смоченный термометр показывает температуру более низкую, чем сухой, так как испарение влаги из марли требует определенного расхода тепла. Температура смоченного термометра носит название предела охлаждения. Разность между показаниями сухого и смоченного термометров называется психрометрической разностью.

Между величиной психрометрической разности и относительной влажностью воздуха имеется определенная зависимость. Чем больше психрометрическая разность при данной температуре воздуха, тем меньше относительная влажность воздуха и тем больше влаги может поглотить воздух. При разности равной нулю воздух насыщен водяным паром и дальнейшего испарения влаги в таком воздухе не происходит.

§ 6. Влажность воздуха. Туман и облака

1. Влажность воздуха. В атмосфере всегда имеется некоторое количество влаги в виде водяного пара. Содержание в воздухе водяного пара — это влажность воздуха. Водяной пар поступает в воздух при испарении с поверхности океанов, озер, рек, почвы и т. д. Испарение с поверхности суши зависит от температуры воздуха, наличия воды, скорости ветра, характера поверхности, растительности и других факторов. (Объясните, как лесная растительность влияет на испарение с поверхности почвы?) Влажность зависит от температуры воз­духа (рис. 27). Так, в 1 м3 воздуха при температуре +30 °С мо­жет содержаться до 30 г водяного пара, а при температуре -20 °С — лишь 1 г. Предельное содержание водяного пара в воздухе при данной температуре называется максимальной влажностью. Воздух, имеющий максимальную влажность, является насыщенным. Он не может вместить больше водяного пара, чем содержит. При нагревании насыщенного воздуха он становится ненасыщенным. При охлаждении ненасыщенный воздух насыщается. (Почему?). Но не всегда он становится насыщенным и перенасыщенным. К примеру, если 1 м3 воздуха при температуре 30 °С содержит 16 г водяного пара, то при его охлаждении до 20 °С вода не выделится. (Почему?). Чаще всего воздух бывает ненасыщенным, т.е. содержит водяного пара меньше, чем мог бы.

Фактическое содержание водяного пара в 1 м3 воздуха — это абсолютная влажность. Она зависит от температуры воздуха. Абсолютная влажность воздуха над океанами и побережьями имеет один минимум перед восходом Солнца и один максимум в 14—15 ч. Наименьшая абсолютная влажность в течение суток обусловлена малым испарением влаги в связи с небольшим понижением температуры ночью и замедленным обменом теплом между поверхностью суши или воды и приземными слоями воздуха. Таким же образом изменяется содержание водяного пара в воздухе над охлажденными материками зимой. В теплое время года в глубине материков в течение суток оно дважды понижается (перед восходом Солнца и около 15 ч.) и дважды повышается (около 9 ч. и 21—22 ч.). Понижение абсолютной влажности днем на материках обусловлено переносом ветром водяного пара на другие территории. Зимой абсолютная влажность воздуха меньше, чем летом.

Относительная влажность воздуха — это отношение (в про­центах) количества водяного пара, находящегося в воздухе, к максимальной влажности.

Если относительная влажность воздуха 80 %, это означает, что для полного насыщения воздуха водяным паром не хватает еще 20 % воды. Для определения относительной влажности воздуха нужно разделить абсолютную влажность на максимальную и умножить на 100 %. Относительная влажность изменяется в течение суток: минимальное значение — около 15 ч., максимальное — перед восходом Солнца. (Почему?)

Относительная влажность всегда высокая в экваториальных широтах (85 % и более), так как там круглый год высокая тем­пература и большое испарение с поверхности суши и океанов. Такая же высокая она и в полярных районах, но уже из-за низ­ких температур (для насыщения холодного воздуха не требуется много влаги). В умеренных широтах относительная влажность зимой выше, чем летом. Особенно низка она в пустынях — 50 % и ниже. Воздух, имеющий влажность около 30 % и меньше, счи­тается сухим. Нигде на Земле не зарегистрирована относительная влажность, равная 0 %.

Влажность воздуха измеряется гигрометром. Существует их несколько видов. Наиболее распространенный — волосной гигрометр (рис. 28). Он служит для непосредственного измерения относительной влажности. Основная часть прибора – обезжиренные человеческие волосы. Они изменяют свою длину при уменьшении или увеличении влажности. Эти изменения фиксируются на шкале прибора.

2. Туман и облака. При охлаждении воздуха, насыщенно­го водяным паром, выделяются капельки воды, а при темпера­туре ниже 0 °С — кристаллики льда. Так образуются туман и облака. Туман – это скопление водяных капелек (ледяных кристалликов) в приземных слоях воздуха. Наибольшее число дней с туманами (около 80) отмечается в Арктике. Мало туманов во внутренних частях материков, особенно в пустынях.

Облака — это скопления капель воды и кристаллов льда на значительной высоте над земной поверхностью. По физическому составу облака могут быть водяные (капельные), ледяные (кристаллические) и смешанные (состоящие из капель и кристаллов).

Облака различаются по внешнему виду и высоте (рис. 29). По внешнему виду выделяют перистые, кучевые, слоистые, дождевые облака и их разновидности. Перистые облака — это самые высокие об­лака в виде тонких белых нитей или белых клочьев и вытяну­тых гряд. Они состоят из кристалликов льда, образуются высо­ко в тропосфере (на высоте 7—10 км в умеренных широтах , 17-18 км в тропиках) при низких температурах. Кучевые облака имеют вид куполов, бугров, башен ярко-белого цвета, обычно с горизонтальным основанием, их высота — от 2 до 5 км и более. Чаще они наблюдаются в теплый период года и особенно характерны для тропических широт. Из кучевых облаков возникают кучево-дождевые облака. Обычно они громадных размеров: основание их нахо­дится на высоте 1—2 км, а вершины прости­раются до 5—8 км и более. Эти облака дают ливневые осадки, которые обычно сопровож­даются грозой. Слоистые облака — это серый, однородный на вид облачный слой, из кото­рого может выпадать очень мелкий дождь (морось) или очень слабый снег. Эти облака имеют небольшую вертикальную мощность (от десятков до нескольких сотен метров), распола­гаются не выше 2 км. В отличие от слоистых облаков слоисто-дождевые облака имеют боль­шую вертикальную мощность (несколько кило­метров), из них выпадают обложные осадки.

Степень покрытия неба облаками называется облачностью. Она опре­деляется визуально («на глаз») и оценивает­ся в баллах от 0 до 10. При полном отсутствии облаков облач­ность равна 0, при сплошной облачности — 10 баллам.

Облачность влияет на количество света, тепла, влаги, поступающих на земную поверхность.

Проверь себя

1. Что называется влажностью воздуха? Какие виды влажности различают?

2. Можно ли назвать воздух насыщенным, если при температуре 20 °С в нем содержится 15 г воды? 17 г воды?

3. Можно ли судить о насыщении влагой воздуха по абсолютной влажности?

4. Что такое туман и облака и как они образуются? В чем их различие?

5. Какие виды облаков наблюдаются в вашей местности? Когда ча­ще всего бывают туманы и почему?

Практические задания

1. Рассчитайте относительную влажность воздуха для Бреста и Могилева, если температура воздуха летним днем равна 20 °С, а фактическое содержание влаги в 1 м3 воздуха в Бресте 15 г, в Могилеве — 10 г.).

2. Рассчитайте, сколько литров воды может вместиться в воздухе классной ком­наты объемом в 200 м3, если его температура равна 20 °С?

Средняя годовая облачность для всей планеты равна 5,4. Над су­шей она составляет 4,9; над морем — 5,8 балла. Наиболее облачные места на Земле — северные части Атлантического и Тихого океанов, наименее облачные — пустыни.

Конкурс знатоков.

1.На каком острове в Атлантике наблюдается самое большое количество туманных дней (в среднем до 120 в году)? В этом районе встречается теплое течение Гольфстрим с холодным Лабрадорским.

2. Английский поэт П.Шелли писал об облаке следующее:

Я землей рождено, я водой вспоено,

Взращено средь небесной равнины,

Отдыхаю в горах, исчезаю в морях,

Я меняюсь, но нет мне кончины.

Раскройте смысл указанных строк.

Условия образования туманов

1. Туман возникает в том случае, когда у земной поверхности создаются благоприятные условия для конденсации водяного пара. Нужные для этого ядра конденсации существуют в воздухе всегда.
Вследствие гигроскопичности ядер конденсации образование тумана начинается при относительной влажности меньше 100 % (около 90-95 %), т. е. еще до достижения точки росы. Известно, что при температурах около -10 °С туман может быть смешанным, а при более низких температурах даже и чисто кристаллическим. Существование тумана при таких температурах возможно при значениях относительной влажности меньше 100 %. Такая влажность указывает на отсутствие насыщения по отношению к жидкой воде, но для ледяных кристаллов она будет соответствовать насыщению.
Приближение к состоянию насыщения происходит преимущественно в результате охлаждения воздуха. Второстепенную роль играет увеличение влажности воздуха вследствие испарения с теплой поверхности в холодный воздух.
В зависимости от этих причин образования туманы делят на два основных класса: туманы охлаждения и туманы испарения. Первый из этих классов абсолютно преобладает.
2. Охлаждение воздуха у земной поверхности происходит при разных условиях. Во-первых, при перемещении воздуха с более теплой подстилающей поверхности на более холодную. Туманы, которые при этом возникают, называются адвективными. Во-вторых, при радиационном охлаждении подстилающей поверхности. Воздух в этом случае охлаждается главным образом от земной поверхности. Возникающие при этом туманы называют радиационными. В-третьих, при влиянии обоих факторов. Туманы, возникающие в этом случае, называют адвективно-радиационными.
3. Адвективные туманы возникают в теплых воздушных массах, перемещающихся над более холодной поверхностью, т. е. при перемещении воздушных масс из низких широт в высокие или зимой с теплого моря на холодную сушу, летом с теплой суши на холодное море, а также с теплых участков морской поверхности на холодные (например, у Ньюфаундленда при переносе воздуха из области Гольфстрима в область Лабрадорского течения).
На суше адвективные туманы наблюдаются чаще всего осенью и зимой, когда существуют особенно значительные различия в температуре между низкими и высокими широтами, а также между сушей и морем. На море они наблюдаются чаще весной и летом.
Адвективные туманы простираются в высоту на сотни метров. Возникают они при значительных скоростях ветра, поэтому в них может происходить коагуляция капель, и они принимают моросящий характер: наиболее крупные капельки из них выпадают.
4. Радиационные туманы различаются двух типов: поземные и высокие. Поземные туманы наблюдаются только над сушей в ясные и тихие ночи. Они связаны с ночным радиационным выхолаживанием почвы или снежного покрова. Вверх они распространяются лишь на десятки метров. Распределение их носит локальный характер: возникают пятнами, особенно в низинах, вблизи болот, на лесных полянах. Над большими реками они не возникают вследствие конвекции над теплой (в ночные часы) водой.
Поземные туманы образуются в тихую погоду, но не при штиле — небольшая скорость ветра необходима для возникновения турбулентности, обусловливающей распространение охлаждения и тумапообразования вверх. Эти туманы возникают в слое приземной инверсии и после восхода солнца исчезают вместе с ней.
Высокие радиационные туманы могут наблюдаться на суше \ и на море до высоты нескольких сотен метров в устойчивых антициклонах в холодное время года. Это результат постепенного, день за днем, выхолаживания воздуха в нижних слоях антициклона. Такой туман может сохраняться неделями над большими районами, сплошь их захватывая.
5. Туманы испарения возникают чаще всего осенью и зимой в холодном воздухе над более теплой открытой водой. Над реками и озерами в глубине материков они появляются вечером или ночью, куда стекает воздух, охлажденный над соседними участками почвы. Туманы испарения могут возникать также вечером во время или после дождя, когда почва сырая и сильно испаряет, а температура воздуха падает. Над арктическими морями туманы испарения возникают над полыньями или открытой водой у кромки льда, куда переносится более холодный воздух с ледяного покрова или материка. Над внутренними морями такими, как Балтийское и Черное, они наблюдаются зимой при переносе на них холодных воздушных масс с суши. Туман испарения обычно клубится и быстро рассеивается, так как нагревается снизу от теплой воды. Но если причина туманообразования длительно сохраняется, то туман может наблюдаться подолгу.
Туманы перечисленных типов являются внутримассовыми, т. е. возникают внутри воздушных масс, независимо от фронтов. Однако наблюдаются и туманы, связанные с фронтами. К ним относится один из видов туманов испарения — предфронгальный туман. Выпадающие фронтальные осадки увлажняют почву. В результате усиленного испарения как с почвы, так и с падающих капель дождя, воздух у земной поверхности достигает насыщения и в нем образуется туман. Такой туман наблюдается сплошной полосой перед фронтом вместе с дождем.
6. Можно ‘предвидеть появление поземного радиационного тумана в ближайшую ночь, основываясь на состоянии погоды с вечера. Если погода тихая и ясная и в вечерний срок наблюдений температура близка к точке росы, то с большей или меньшей уверенностью можно предсказать появление ночью поземного тумана. Для этой цели на основе многолетних наблюдений строят графики или выводят эмпирические формулы, которые позволяют определить ночное понижение температуры в данной местности по значениям метеорологических величин за вечерний срок. Если ночной минимум температуры достигнет точки росы, можно ожидать начала туманообразования. Однако интенсивный туман возникает лишь в том случае, если ночной минимум температуры будет значительно ниже, чем точка росы, определенная по вечерним наблюдениям. Только при этом условии сконденсируется достаточное количество водяного пара.
7. В суточном ходе туманы на равнине имеют максимум интенсивности и повторяемости утром. На высоких уровнях в горах туманы распределяются в течение суток равномерно или имеют слабый максимум в послеполуденные часы. Причина заключается в особых условиях туманообразования в горах.
Горный туман, по существу, представляет собой облако, возникающее в связи с восходящим движением воздуха по горным склонам. Этот туман, связанный с адиабатическим охлаждением воздуха, может быть выделен в особый тип тумана склонов.