WILGOTNOSC POWIETRZA, MIARY, JEDNOSTKI

Mianem wilgotności powietrza określa się zawartość pary wodnej w powietrzu. Para wodna w powietrzu pochodzi z parowania zachodzącego ze swobodnych powierzchni wodnych i powierzchni lądowych (gruntu, roślinności...). Ze względu na skomplikowany charakter zależności wilgotności powietrza od temperatury powietrza, stosuje się szereg różnych miar, charakteryzujących wilgotność.
    Prężnością pary wodnej określa się ciśnienie parcjalne (cząstkowe), wywierane przez parę wodną w powietrzu. Jednostką pomiaru jest hPa (jednostka ciśnienia). Można to wyobrazić sobie jako różnicę ciśnienia w zamkniętej objętości powietrza i bez zmiany jego temperatury przed (p) i po całkowitym usunięciu z tej objętości znajdującej się pary wodnej (p').
    Nie można zmieszać dowolnej ilości pary wodnej z dowolną ilością powietrza (tak, jak to można zrobić na przykład ze spirytusem etylowym i wodą, czy azotem i tlenem). Ilość pary wodnej, która znaleźć się może w powietrzu (rozpuścić w powietrzu) zależy od jego temperatury. Im wyższa temperatura, tym więcej pary wodnej może "rozpuścić się" w powietrzu. Maksymalną ilość pary wodnej, jaką jest w stanie zawierać powietrze w danej temperaturze określa się mianem prężności maksymalnej lub prężnością pary nasyconej, niekiedy prężnością nasycenia i oznacza zazwyczaj symbolem E.
Wartości E w funkcji temperatury powietrza przedstawia tabela poniżej (tab. 1).

Tab.1. Wartości prężności maksymalnej pary wodnej (hPa) w funkcji temperatury powietrza (°C)

Prosty ogląd wartości E w tej tablicy wskazuje że zależność E = f(t) jest silnie nieliniowa (wykładnicza). Wniosek, jaki można wysnuć z analizy wartości E jako f od t jest taki, że w bardzo niskich temperaturach powietrza już minimalna ilość pary wodnej nasyca powietrze, gdy w wysokich temperaturach do nasycenia powietrza potrzeba bardzo dużo pary wodnej.
    Prężność pary wodnej, jaka występuje w danej chwili w powietrzu nazywa się prężnością aktualną i oznacza zazwyczaj symbolem e. Prężność aktualna w atmosferze zmienia się stosunkowo powoli; aby wzrosła, musi wzrosnąć również zawartość pary w powietrzu. Proces parowania, który dostarcza pary wodnej do powietrza jest procesem energochłonnym, przez to powolnym. Zmniejszenie się zawartości pary wodnej w powietrzu nie jest możliwe, bez wystąpienia procesów kondensacji (o czym dalej), W związku z tym zmiany prężności aktualnej zachodzą zazwyczaj wraz z procesami wymiany mas atmosferycznych nad danym obszarem. O innych przyczynach powie się później.

    Rożnicę, między prężnością maksymalną (E) w temperaturze powietrza, w której została zmierzona prężność aktualna a wartością prężności aktualnej (e), wyrażona w hPa:

określa się mianem niedosytu wilgotności, który informuje o tym, ile jednostek prężności potrzeba do całkowitego nasycenia danego powietrza. Od wartości niedosytu wilgotności zależy między innymi prędkość zachodzących procesów parowania; im jest on większy, tym parowanie jest (może być) szybsze.
    Wartości prężności aktualnej, choć pośrednio informują o tym, ile jest pary wodnej w powietrzu, nie są miarą wystarczająco poglądową, informacja, że np. prężność aktualna równa jest 5 hPa, bez znajomości temperatury powietrza i wględnie precyzyjnej znajomości E = f(t), niewiele jeszcze mówi.
    Z tego względu powszechnie używa się kolejnej miary wilgotności powietrza, jaką jest wilgotność względna (oznaczana najczęściej jako f), którą definiuje się jako:

informującą w jakim procencie, w stosunku do maksymalnie możliwego w danej temperaturze (tj. temperaturze, w której zmierzono e) powietrze jest nasycone parą wodną. Zauważmy, że w różnych temperaturach powietrza taka sama wartość wilgotności względnej (np. 50%) będzie oznaczała zupełnie rożne ilości pary wodnej znajdującej się w powietrzu. Przykładowo wilgotność względna 50% w temperaturze 0°C wystąpi przy e = 3.05 hPa, w temperaturze +20°C przy e = 11.7 hPa (patrz tab.1.).
    W formule definującej wilgotność względną występuje w mianowniku ułamka wartość E, która jest funkcją temperatury powietrza. Wraz ze wzrostem temperatury powietrza wartość E rośnie. Oznacza to, że zmiany temperatury powietrza, przy niezmienionej zawartości pary wodnej w powietrzu (e, prężności aktualnej) muszą pociągać za sobą zmiany wilgotności względnej (f). W przypadku niezmienionej zawartości pary wodnej (e) wzrost temperatury powoduje spadek (zmniejszenie się) wilgotności względnej. W przypadku spadku temperatury powietrza następuje wzrost wilgotności powietrza; ale do pewnych granic.

    Posłużmy się tutaj przykładem. Niech w powietrzu, które ma temperaturę 20°C zmierzono wartość e = 12.3 hPa. Obniżamy temperaturę tego powietrza do 0°C. W takim razie e = 12.3, zaś wartość prężnosći maksymalnej jest taka, jaka wynika z temperatury tego powietrza (20°C; E = 23.4 (patrz tabela 1), co oznacza, że wilgotność względna wynosi ~52.6% (12.3 / 23.4). Przy obniżeniu temperatury do 15°C wilgotność względna tego powietrza wzrośnie do 72.3% (12.3 / 17.0), przy dalszym obniżeniu temperatury, do 10°C zauważamy, że wartość prężności maksymalnej E zrównała się z wartością prężności aktualnej e (e = E) i wilgotność względna osiągnęła wartość 100% (12.3 / 12.3), czyli powietrze jest już całkowicie nasycone parą wodną (osiągnęło stan "roztworu nasyconego"). Dalszy spadek temperatury powietrza powoduje przejście powietrza w stan przesycenia, który spowoduje, że cały nadmiar ilości pary wodnej ponad wartość E wynikający z nowej, obniżonej temperatury powietrza ulegnie kondensacji. Proces kondensacji pary wodnej jest procesem przechodzenia pary wodnej (gazu) w wodę (ciecz). W powietrzu pojawią się mikrokrople wody, występujące w całej jego objętości, które tworzyć będą roztwór koloidalny wody w powietrzu (roztwór koloidalny - patrz podręcznik fizyki do szkoły średniej, patrz również "stożek Tyndala" w tym podręczniku, patrz "procesy kondensacji", "chmury").
    Temperatura, do której należy schłodzić powietrze, aby przy danej prężności aktualnej wilgotność względna osiągnęła 100% i rozpoczęły się w nim procesy kondensacji nosi nazwę temperatury punktu rosy i oznaczana jest zazwyczaj jako td. Temperatura punktu rosy powietrza, w którym nie zachodzą procesy kondensacji, zależy jednynie od wartości prężności aktualnej. Tak długo, jak temperatura powietrza nie spadnie poniżej temperatury punktu rosy, temperatura punktu rosy tego powietrza pozostaje stała. Podobnie stała temperatura punktu rosy pozostaje przy wzroście temperatury powietrza (o tak zachowujących się elementach meteorologicznych mówimy, że wykazują one właściwości konserwatywne).
    Wróćmy do przykładu. Od chwili, gdy powietrze osiągnęło temperaturę punktu rosy (10°C) i temperatura powietrza dalej powoli spada, cały czas wilgotność względna ma wartość 100% i temperatura punktu rosy tego powietrza jest równa jego temperaturze. Cały nadmiar pary wodnej, ponad wartość prężności maksymalnej w danej temperaturze (E) ulega kondensacji, czyli wykropleniu. Tak więc, po ochłodzeniu naszego powietrza do 5°C, jego wilgotność względna wyniesie dalej 100%, jego temperatura punktu rosy (td) wyniesie 5°, prężność aktualna e równa E będzie wynosić 8.7 hPa, wykropleniu w tej objętości powietrza ulegnie tyle wody, ile wynosi różnica między prężnością aktualną / maksymalną w temperaturze, gdy po raz pierwszy powietrze to doszło do temperatury punktu rosy (czyli 10°) a prężnością aktualną / maksymalną przy temperaturze 5°. [Policzymy: 12.3 - 8.7 = 3.6 hPa, tab. 1]. Dalsze powolne ochłodzenie do temperatury 0°C doprowadzi do tego, że temperatura punktu rosy tego powietrza spadnie do 0°C, prężność aktualna = prężności maksymalnej do 6.1 hPa a wykropleniu uległa taka ilość wody, która odpowiada zamiejszeniu wilgotności powietrza o 6.2 jednostek prężności (12.3 - 6.1 hPa).
    Tak więc, w analizowanym przez nas przypadku, z chwilą, gdy powietrze osiągnęło wilgotność względną równą100%, czyli temperaturę punktu rosy, zachodzące procesy kondensacji powodujące zmianę stanu skupienia wody w powietrzu, przy dalszym spadku temperatury powietrza powodują utrzymywanie się wilgotności względnej na poziomie 100% i obniżanie się ilości pary wodnej w powietrzu. Spada przy tym, tak samo jak i temperatura powietrza, temperatura punktu rosy (f(e)), przy czy obie wartości są sobie równe (td = tp).
    Przedstawiony przykład oczywiście upraszcza rzeczywistość. W przypadku bardzo szybkiego spadku temperatury powietrza może zaistnieć sytuacja, że wilgotność względna będzie wyższa od 100%, co można wytłumaczyć "nienadążaniem" procesów kondensacji za spadkiem temperatury powietrza. Z takim procesem mogli spotkać się Panowie, którzy mieli szczęście być w dobrych szkołach średnich, w których równie dobrzy nauczyciele fizyki demonstrowali doświadczenie z komorą Wilsona. W komorze Wilsona, po zsunięciu tłoka w dół, w wyniku gwałtownego rozprężenia powietrza temperatura powietrza równie gwałtownie spada i wilgotność względna osiąga wartości kilkuset %. Podobne procesy występują również czasami w atmosferze.
    Zwróćmy uwagę, że bardzo wszechstronną miarą wilgotności powietrza może być para temperatur - temperatura powietrza (tp) i temperatura punktu rosy tego powietrza (td). Zauważmy, że temperatura powietrza nie może być niższa od jego temperatury punktu rosy. Jeśli wyobrazimy sobie procesy kształtowania wilgotności powietrza, bez zmian ilości pary wodnej w powietrzu, związane ze zmianami temperatury tego powietrza w ten sposób, że obie te wartości znajdują się na osi liczbowej, to temperatura punktu rosy (td) będzie stała w miejscu na osi (zależy jedynie od e). Wzrost temperatury (tp) spowoduje oddalenie tp od td, spadek temperatury zbliżenie tp do td. W ten sposób różnica temperatury powietrza i temperatury punktu rosy informuje nas o tym, jaka jest wilgotność względna (duża różnica - mała wilgotność, mała różnica - duża wilgotność, czyli powietrze bliskie nasycenia parą wodną). W każdym momencie wiemy, jaki spadek temperatury doprowadzi do początków wystąpienia procesów kondensacji. Jeśli znamy prognozowaną wielkość spadku temperatury, natychmiast możemy ocenić, czy nastąpią procesy kondensacji, czy też nie nastąpią. Z tego względu meteorolodzy rzadko używają wilgotności względnej jako miary wilgotności, posługują się najczęściej wspomnianą parą temperatur, która charakteryzuje tak zwane stosunki termo-higryczne powietrza (wielkość kompleksowa, opisująca zarówno temperaturę, jak i całokształt stosunków wilgotnościowych). Wilgotnością względną często natomiast operuje się w celach praktycznych - na przykład w warunkach przewozu szeregu ładunków, pracy mechanizmów i urządzeń, warunków przebywania ludzi, etc. określa się wartości wilgotności względnej (od - do) które muszą być zachowane.
    Gdybyśmy wrócili do omawianego przykładu i zastanowili się, co się będzie działo w sytuacji, gdy ochłodzone do temperatury 0°C nasze powietrze zacznie się ponownie nagrzewać, to zauważymy, że w powietrzu tym prężność aktualna pary wodnej jest równa 6.1 hPa. W tym przypadku, wzrost tempertury spowoduje wzrost wartości E i jego wilgotność względna zacznie maleć. Temperatura punktu rosy tego powietrza pozostanie równa 0°C tak długo, jak nie zacznie się proces parowania mikrokropel znajdujących się w jego objętości. Proces parowania wymaga jednak dostarczenia do układu bardzo dużych ilości energii (ciepła; patrz "procesy kondensacji"). Bez dostarczenia tej energii, parowanie nie nastąpi i zawartość pary wodnej w powietrzu pozostanie bez zmian. Jak widzimy, procesy te nie są symetryczne (w pełni odwracalne), temperatura punktu rosy może spaść (obniżyć się) w wyniku ochłodzenia temperatury powietrza i występujących procesów kondensacji, ale bez powtórnego wzbogacenia powietrza w parę wodną temperatura punktu rosy nie wzrośnie. Tak więc przy spadku temperatury powietrza poniżej temperatury punktu rosy temperatura punktu rosy będzie spadała razem z temperaturą powietrza (td = tp, f = 100%), jednak ponowny wzrost temperatury powietrza nie spowoduje zmiany położenia (wartości) temperatury punktu rosy tak długo, jak nie wzrośnie w powietrzu zawartość pary wodnej.

    Oprócz wymienionych miar wilgotności powietrza stosuje się szereg innych, z których najważniejsze to:
wilgotność absolutna, informująca ile kg pary wodnej znajduje się w 1 m^3 powietrza (przy czym nie bierze się pod uwagę występujących ewentualnie produktów kondensacji - wody w stanie ciekłym lub stałym). Wilgotność absolutna (a) jest związana z prężnością aktualną (e, hPa) następującą zależnością:

gdzie: m - współczynnik objętościowego rozszerzania gazów równy 1/273 (0,00366),
            t   - temperatura powietrza w °C.

współczynnik zmieszania ( r ), określający stosunek masy pary wodnej do masy powietrza suchego, znajdującego się w danej objętości wilgotnego powietrza (g / kg), obliczany jako funkcja prężności aktualnej (e) i ciśnienia atmosferycznego (p):

gdzie: p - ciśnienie atmosferyczne (hPa).

    Te i inne, tu nie omówione, miary wilgotności powietrza stosuje się w meteorologii do różnego rodzaju operacji (obliczeń), takich jak na przykład szacowanie potencjalnej wielkości opadu, określenia stopnia chwiejności powietrza, zmian temperatury w powietrzu wznoszącym się itp. Wielość stosowanych miar wilgotności wynika ze skomplikowanych zależności fizycznych zachodzących między zawartością pary wodnej w powietrzu a jego temperaturą i ciśnieniem.
    Niezbędna jest znajomość pojęć: prężności aktualnej, prężności pary nasyconej (maksymalnej), niedosytu wilgotności, wilgotności względnej, temperatury pkt. rosy, pary temperatur: powietrza i temperatury pkt. rosy, znajomości zachowania się poszczególnych wielkości w funkcji zmian temperatury powietrza, zależności wzajemnych. Patrz również "tablice psychrometryczne".