Водяна пара, її тиск, і відносна вологість повітря

Лабораторно-практичне заняття №2

Тема: Дослідження і оцінка метеорологічних умов у навколишньому середовищі. Вплив деяких чинників природного середовища на здоров’я і працездатність людини

Мета роботи:

а) вивчити зовнішню будову метеорологічних приладів, засвоїти методики дослідження метеорологічних параметрів, вивчити основні параметри;

б) вивчити теоретичний матеріал теми;

в) вивчити будову і принцип роботи приладів, які використовуються в даній роботі;

г) засвоїти методики проведення експериментів;

д) дати відповіді на питання для контролю та самоконтролю.

Лабораторне та методичне забезпечення:

термометр ртутний, термограф метеорологічний М-16А, гігрометр М-63, гігрограф метеорологічний М-21А, аспіраційний психрометр МВ-4М (батист, піпетка, балон з дистильованою водою, зажим), барометр-анероїд БР-52, анемометри (крильчастий АСО-3, чашковий МС-13, індукційний АРІ-49), барограф метеорологічний М-22АН, баротермогігрометр БМ-2, навчально-методичний посібник.

Теоретичні відомості

Метеорологія – це наука про атмосферу Землі. Атмосферою називається газова оболонка Землі, яка зв’язана із Землею силою тяжіння і яка бере участь в її добовому і річному обертанні. Атмосфера складається із суміші газів, які називаються повітрям. Повітря без водяної пари називається сухим. Сухе повітря біля земної поверхні складається з азоту N₂ (78% по об’єму) і кисню О₂ (21% по об’єму). Майже 1% приходиться на аргон (Ar); усього 0,033% на вуглекислий газ (СО₂). Такі гази як криптон (Kr), ксенон (Хе), неон (Ne), водень (Н₂), озон (О₃), радон (Ra), метан (СН₄), аміак (NH₃) та інші складають тисячні, мільйонні долі відсотка. Загальна маса атмосфери становить приблизно 5×10¹⁵ тон. Це майже в 1 мільйон разів менше ніж маса земної кулі. За густиною і характерного руху повітря, за температурним режимом і іншим властивостям атмосфера ділиться на ряд концентрованих шарів: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу (в неї входять іоно- і екзосфери).

Нижня частина атмосфери, до висоти 10…15 км, в якій знаходиться 4/5 всієї маси атмосферного повітря, називається тропосферою. Для неї характерно падіння температури з висотою в середньому на 0,60 °С/100м. У тропосфері міститься майже вся водяна пара атмосфери, утворюються хмари, випадають опади; безперервно здійснюється горизонтальний рук повітря – вітер, який має турбулентний характер, що призводить, у свою чергу, до перемішування повітря у вертикальному напрямі. Разом із повітрям поширюється волога, тепло тощо. Таким чином, в атмосфері проходять різноманітні фізичні процеси, які безперервно змінюють її стан.

Стан атмосфери біля земної поверхні (в даному місці в даний час), а також у більш високих шарах, називається погодою. Такі характеристики погоди як: температура повітря, атмосферний тиск, вологість повітря, вітер, хмарність, видимість, кількість і вид опадів, тумани, завірюхи, грози і дощі тощо, - носять назву метеорологічних величин.

Температура повітря

Практично єдиним джерелом тепла для Землі і її атмосфери є енергія Сонця. Енергія Сонця перетворюється в тепло частково в самій атмосфері, а в основному на земній поверхні. Вона йде на нагрівання верхніх шарів ґрунту, води, а від ґрунту або води надходять все нові маси повітря, які нагріваються і піднімаються. Так тепло швидко передається від ґрунту до повітря, від одних його шарів до інших. Те ж саме проходить і при охолодженні. У тропосфері виникають конвекційні струми повітря, які мають турбулентний характер (хаотичне перемішування повітря).

У процесі великомасштабних повітряних течій на Землі повітря тропосфери розділяється на окремі повітряні маси, які переміщуються з одних областей Землі в інші. Повітряні маси за своїми температурами, вологості, вмісту пилу тощо носять на собі відбиток тієї області Землі, де повітряна маса сформувалася. Далі, переміщуючись в інші області Землі, повітряні маси переносять у ці області і свій режим погоди. Звичайно, властивості повітряних мас, перш за все, температура, безперервно змінюються при їх переміщенні з одних районів в інші. Температура повітря в кожній точці атмосфери теж безперервно змінюється; в різних місцях Землі в один і той же час вона також різна. Дані про температуру повітря, одержані на метеорологічних станціях, обробляються, і на їх основі виводяться наступні показники:

1. Середньодобова температура.

2. Середньодобова температура за місяцями.

3. Середня температура кожного місяця.

4. Середня багаторічна температура місяця (не менше ніж протягом 35 років).

5. Середньорічна температура кожного року.

6. Абсолютні мінімуми і максимуми температур на будь-який строк спостережень – добу, місяць, рік, протягом декількох років.

У системі СІ температура виражається в градусах шкали Цельсія (°С) і позначається буквою t. Широко поширені (особливо в теорії) абсолютна шкала температури – шкала Кельвіна. Температура за цією шкалою позначається буквою Т, одиниця її вимірювання Кельвін (К).

Для вимірювання температури повітря в строки спостережень використовуються термометри (ртутні, спиртові); в експедиційних умовах – аспіраційний психрометр Асмана (і для визначення вологості повітря). Крім строкових термометрів, використовуються екстремальні термометри – максимальний (ртутний) і мінімальний (спиртовий), які показують найвищу і найнижчу температуру за проміжок часу між двома строками спостережень. Для безперервної реєстрації змін температури використовуються прилади-самописці – термографи.

Температура повітря вимірюється в метеорологічних будках, причому резервуари термометрів (строкових, екстремальних) розміщують на висоті 2 м від поверхні ґрунту. Будка виконується з дерева і зафарбовується в білий колір для того, щоб вона максимально відбивала сонячні промені і якнайменше нагрівалась. Стінки будки роблять у вигляді жалюзі: вони складаються з окремих планок, розміщених таким чином, щоб промені сонця не попадали углиб будки, але повітря могло би в ній вільно циркулювати. Таким чином, будка захищає термометр від прямої сонячної радіації, випромінювання від земної поверхні і навколишніх предметів (будинків, дерев тощо). Тільки в такому виконанні будки проходить вирівнювання температури по термометру з температурою навколишнього повітря.

Атмосферний тиск

Усякий газ, а повітря – це суміш газів, діє на обмежуючі стінки з певною силою тиску, яка направлена перпендикулярно до стінки. Числове значення цієї сили тиску, віднесене до одиниці площі поверхні, і називають тиском.

Якщо уявно виділити який-небудь об’єм усередині атмосфери, то повітря в цьому об’ємі зазнає тиск ззовні на уявні стінки, які обмежують даний об’єм, із сторони навколишнього повітря. Зі своєї сторони повітря всередині об’єму чинить такий же тиск на навколишнє повітря. Виділений об’єм може бути як завгодно малим і навіть може зводитися до точки. Отже, в кожній точці атмосфери є певний тиск, який чинить атмосфера на всі предмети, які знаходяться в ній, і на земну поверхню.

Тиск змінюється із зміною температури і обумовлений рухом молекул повітря і його власної ваги – тяжінням до Землі. У стані спокою повітря величина тиску на одиницю площі відповідає масі повітряного стовпа, який знаходиться над нею. Зменшення маси повітря в цьому стовпі приводить до падіння тиску, а збільшення – до його зростання. Чим вище над земною поверхнею дана точка, тим менший стовп повітря, який знаходиться над нею, а, отже, і атмосферний тиск.

У зв’язку з тим, що сила тяжіння змінюється із широтою, а величина повітряного стовпа залежить від висоти над рівнем моря і від температури, то за нормальний прийнятий атмосферний тиск над рівнем моря на широті 45° при температурі повітря 0°С. У цьому випадку вага повітря врівноважується ртутним стовпом висотою 760 мм. Із збільшенням висоти атмосферний тиск зменшується.

Одиницею вимірювання тиску в системі СІ являється Паскаль (Па), гектопаскаль (гПа):

1 Па = 1 Н/м²

1 гПа = 10² Па

Інколи використовується і позасистемна одиниця – міліметр ртутного стовпа (мм.рт.ст). 1 мм.рт.ст = 133,3 Па.

Основним приладом для вимірювання атмосферного тиску являється ртутний барометр. У цьому приладі, відомому з курсу фізики, атмосферний тиск врівноважується висотою стовпа ртуті; за зміною висоти ртутного стовпа можна судити про зміну атмосферного тиску. Широко використовуються барометри-анероїди, барографи, метеографи, принцип роботи яких заснований на деформації пружної металевої коробки, із якої викачане повітря, при зміні зовнішнього тиску на неї. Прилади цього типу градуюють за показами ртутного барометра.

На метеорологічних станціях прилади для вимірювання атмосферного тиску встановлюють усередині приміщення (різниця між атмосферним тиском в приміщенні і під відкритим небом на тому ж рівні досить незначна).

Водяна пара, її тиск, і відносна вологість повітря

Атмосферне повітря біля Землі, як правило, являється вологим. Це значить, що в його склад разом з іншими газами входить водяна пара, відсотковий вміст якої коливається в середньому майже від 0…0,2% до 3…4%. У зв’язку з цим відсоткове співвідношення інших газів у вологому повітрі теж змінюється. Водяна пара безперервно надходить в атмосферу шляхом випаровування водних поверхонь, вологої землі, а також у результаті транспірації (випаровування) рослинністю. В атмосфері може виникати стан насичення (водяна пара міститься в повітрі в кількості, яка гранично можлива при даній температурі). При цьому водяна пара називається насиченою; повітря, яке містить її, також називається насиченим. Вміст водяної пари в повітрі називається вологістю повітря. Вологість повітря, перш за все, залежить від того, скільки водяної пари надходить в атмосферу шляхом випаровування з поверхонь у певному районі. Природно, що над океанами вона більша, ніж над материками. В той же час у кожному місці вологість повітря залежить від атмосферної циркуляції: повітряні течії можуть приносити в певний район більш вологі або більш сухі повітряні маси з інших областей Землі.

Основні характеристики вологості – це парціальний тиск водяної пари (тиск водяної пари), абсолютна вологість, відносна вологість, точка роси, дефіцит насичення. Водяна пара, як і всякий газ, володіє пружністю (тиском). Згідно рівняння стану газів тиск водяної пари пропорційний її густині і її абсолютній температурі:

Р = rRT , (2.1)

де

Р – тиск водяної пари, гПа;

r – густина водяної пари, г/м³;

R – універсальна газова стала ;

Т– температура за абсолютною шкалою, К.

Абсолютна вологість – це масовий вміст водяної пари в грамах в 1м³ повітря (г/м³). Для абсолютної вологості справджується вираз:

а = 220 е/Т , (2.2)

де

а – абсолютна вологість повітря, г/м³;

е – фактичний тиск водяної пари, гПа (мм.рт.ст);

Т – температура за абсолютною шкалою, К.

Абсолютну вологість повітря можна розрахувати, знаючи тиск пари і температуру повітря. Наприклад, при температурі 0°С (273 К) і стану насичення повітря водяною парою (е = 6,1 гПа – знайдемо за таблицею залежності тиску насиченої водяної пари від температури) а = 4,9 г/м³.

Максимальний тиск водяної пари, який можливий за даної температури, називається тиском насиченої водяної пари. Він росте із збільшенням температури. Це значить, що при більш високій температурі повітря здатне містити більше водяної пари, ніж при більш низькій температурі. Наприклад, при температурі 0⁰С тиск насиченої водяної пари рівний 6,1 гПа, при +10⁰С – 12,3 гПа, при +20⁰С – 23,4 гПа, при +30⁰С – 42,2 гПа. Отже, на кожні 10⁰С температури тиск насиченої водяної пари і пропорційний їй вміст насиченої водяної пари в повітрі збільшується майже вдвічі. При температурі +30⁰С повітря може містити водяної пари в стані насичення в 7 разів більше ніж при температурі 0⁰С. Якщо повітря містить водяної пари менше ніж потрібно для насичення його при даній температурі, можна визначити, наскільки повітря близьке до стану насичення. Для цього розраховують відносну вологість повітря.

Відносна вологість повітря – це відношення фактичного тиску (е) водяної пари, яка міститься в повітрі, до тиску насиченої пари (Ес) при температурі повітря, виражене у відсотках:

j = (е /Е) × 100% , (2.3)

де

j– відносна вологість повітря, %;

е– фактичний тиск водяної пари, гПа (мм.рт.ст);

Ес– тиск насиченої водяної пари при температурі повітря, гПа (мм.рт.ст).

Наприклад, відносна вологість повітря j = 60% показує, що повітря містить 60% тієї кількості водяної пари, яке воно може містити при цій температурі.

Відносна вологість залежить від температури повітря і від вмісту в ньому водяної пари. Вона може приймати значення від нуля у випадку сухого повітря (е = 0), до 100% – для стану насичення (е = Ес).

Важливою характеристикою вологості повітря являється дефіцит насичення– різниця між тиском насиченої пари Ес при даній температурі і фактичним тиском пари е в повітрі. D = Ес – е. Інакше кажучи, дефіцит насичення характеризує, скільки водяної пари не вистачає для насичення повітря при даній температурі. Виражається він в гектопаскалях (гПа).

Стан насичення повітря водяною парою досягається при зниженні температури повітря. Коли цей стан досягнутий, то при подальшому зниженні температури, частина водяної пари стає надлишковою, конденсується і переходить у рідкий або твердий стан. У повітрі виникають водні краплі і льодяні кристали хмар і туманів. Отже, точка роси– це температура, при якій водяна пара, яка міститься в повітрі, досягає стану насичення при незмінному загальному тиску повітря і конденсується. Наприклад, якщо при температурі повітря 27⁰С тиск пари в ньому 23,4 гПа, то таке повітря не являється насиченим. Для того, щоб воно стало насиченим, потрібно понизити його температуру до 20⁰С. Ось ця температура в даному випадку і є точкою роси.

Для визначення вологості повітря використовуються психрометр Августа, гігрометр, прилади-самописці – гігрограф, метеограф, які поміщають в метеорологічних будках. Для експедиційних і мікрокліматичних спостережень використовується аспіраційний психрометр Асмана.

Швидкість вітру

Різниця атмосферного тиску між двома точками, як біля земної поверхні, так і вище неї приводить до постійного переміщення повітря в горизонтальному напрямі. Горизонтальне переміщення повітря відносно земної поверхні називається вітром. Вітер виникає лише при такому перепаді тиску, який є достатньо великий, щоб подолати опір повітря і викликати його рух. Вітер спрямований від високого тиску до низького. Він характеризується швидкістю і напрямком. Швидкість вітру залежить від перепадів тиску, а напрямок визначається тією частиною горизонту, звідки він дме. Швидкість вітру вимірюється в м/с. Інколи в км/год; в вузлах (морських милях за годину). Щоб перевести швидкість вітру з м/с у вузли, необхідно помножити число метрів за секунди на 2.

Швидкість і напрямок вітру постійно змінюються. Біля поверхні Землі середня швидкість вітру близька до 5…10 м/с, але іноді (при ураганах) може перевищувати 50 м/с. У смерчах можливі швидкості і більше 100 м/с. Існує дванадцятибальна шкала вітрів (шкала Бофорта), яка пов’язує швидкість вітру з різноманітними його ефектами, такими як коливання гілок і дерев, поширення диму із труб, ступінь коливання на морі тощо.

Таблиця 2.1

Бали	Швидкість вітру, м/с	Назва вітру	Узагальнена назва (для шкали)
	0-0,5	штиль	штиль
1, 2, 3	0,6-5,2	тихий, легкий, слабий	слабкий
4, 5	5,3-9,8	помірний, свіжий	помірний
6, 7, 8	9,9-18,2	сильний, великий, дуже сильний	сильний
9, 10, 11	18,3-29,0	шторм, сильний шторм, жорсткий шторм	шторм
	Більше 29,0	ураган	ураган

Швидкість вітру біля земної поверхні вимірюється анемометрами різної конструкції (чашковим, крильчастим, індукційним, мельничним), принцип роботи яких заснований на тому, що тиск вітру приводить у обертання прийомну частину приладу або відхиляє її від положення рівноваги (дошка Вільда). Використовуються також і прилади-самописці – анемографи і анеморумбографи (за допомогою яких вимірюється і напрям вітру). Прилади-самописці на метеорологічних станціях встановлюються на висоті 10…12 метрів над земною поверхнею.

Напрям вітру

Необхідно запам’ятати, що говорячи про напрямок вітру, мають на увазі напрям, звідки дує вітер. Вказати цей напрям можна, назвавши або точку горизонту, звідки дує вітер, або кут, який утворюється напрямом вітру з меридіаном місця, тобто його азимутом.

В першому випадку розрізняють 16 румбів горизонту: 8 основних – північ (ПІ), північ-схід (ПС), схід (С), південь схід (ПС), південь (ПД), південь-захід (ПЗ), захід (З), північ-захід (ПЗ) і 8 проміжних румбів між ними: північ-північ-схід (ППС), схід-північ-схід (СПС), захід-південь-захід (ЗПЗ), захід-північ-захід (ЗПЗ), північ-північ-захід (ППЗ). 16 румбів горизонту мають наступні скорочені міжнародні назви:

N	E	S	W
NNE	ESE	SSW	WNW
NE	SE	SW	NW
ENE	SSE	WSW	NNW

Вимовляється: N – норд, E – ост, S – зюйд, W – вест. Якщо напрям вітру характеризується кутом його з меридіаном, то відлік ведеться від півночі за годинниковою стрілкою. Отже, півночі відповідає 0°(360°), півночі-сходу – 45°, сходу 90°, півдню – 180°, заходу 270°.

При спостереженнях за вітром на наземних метеорологічних станціях напрям його вказується в румбах горизонту, а в вищих шарах атмосфери – у градусах.

Напрям вітру визначається за допомогою флюгера, який обертається на вертикальній вісі. Під дією вітру флюгер приймає положення по напрямку вітру. Флюгер з’єднується з дошкою Вільда.

На наземних метеорологічних станціях реєструються:

– температура повітря;

– атмосферний тиск;

– відносна вологість повітря;

– вітер (вимірюється його швидкість і визначається напрям);

– хмарність – ступінь покриття неба хмарами, типи хмар;

– кількість опадів, їх види (дощ, мряка, сніг тощо);

– наявність і інтенсивність різних опадів, які утворюються на земній поверхні і на предметах (роси, інею, ожеледиці тощо), а також туману;

– горизонтальна видимість – віддаль, на якій перестають розрізнятися обриси предметів;

– температура на поверхні ґрунту;

– випаровування води з водних поверхонь і ґрунту.

Реєструються також завірюхи, смерчі, пильні бурі, грози, полярні сяяння і деякі інші явища в атмосфері (райдуги, міражі тощо). У програму спостережень обсерваторій і деяких станцій входять ще актинометричні спостереження за сонячною радіацією, земним випромінюванням, за температурою і вологістю повітря на різних висотах у приземному шарі; вимірювання пилу, хімічних домішок, радіоактивних продуктів; спостереження за вмістом у повітрі електрично заряджених частинок і за змінами електричного та магнітного полів тощо.