4.3. Температура повітря

Температура повітря характеризує тепловий стан атмосфери і є виміром середньої кінетичної енергії руху молекул, які складають атмосферу. Відомо, що температура повітря (газу), яка визначається тепловим рухом його молекул і придатна для безпосереднього вимірювання, називається кінетичною.

(4.25)

де m - маса молекули; - середня квадратична швидкість руху молекул; К - стала Больцмана.

У шарі атмосфери від поверхні Землі до рівня біля 100 км, де густина повітря значна, ми вимірюємо саме кінетичну температуру.

На рівнях більш як 100 км, де відносна молекулярна маса повітря з висотою суттєво змінюється, температура повітря характеризується як молекулярна, що зв'язана з кінетичною температурою співвідношенням

, (4.26)

де Т_μ - молекулярна температура; μ₀ та μ - відносні молекулярні маси повітря поблизу Землі та на граничній висоті.

Температура повітря - це температура, яку показує термометр в умовах його повного теплового контакту й рівноваги з атмосферним повітрям і захисту від дії прямих сонячних променів. Вона вимірюється рідинними термометрами (ртуть, спирт та ін.), або електричними зі шкалами, у яких як реперні точки використовуються температури танення льоду та кипіння води. У шкалі Цельсія (стоградусній) - реперні точки 0° та +100°, у шкалі Фаренгейта - реперні точки +32° та 212°F. В обох цих шкалах існує температура нижча за нуль, тобто від'ємна. Перехід від шкали Фаренгейта до шкали Цельсія та навпаки виконується за формулами:

(4.27)

В теоретичних дослідженнях зазвичай застосовується абсолютна шкала Кельвіна (К), за якою 273,15 К відповідає 0°С, а 373,15 К-100°С. Температури за шкалою Кельвіна та шкалою Цельсія пов'язані співвідношеннями:

t°С = ТК-273,15,

ТК = t°С + 273,15 (4.28)

Застосування абсолютної шкали зручне тому, що при розрахунках ми маємо справу тільки з додатними температурами, а також у відповідні рівняння термодинаміки входить тільки температура в градусах Кельвіна. Зауважимо, що ціна поділки за шкалою Кельвіна дорівнює ціні поділки за шкалою Цельсія (1 К = 1°С).

На метеорологічних станціях температуру повітря вимірюють на висоті 2 м від поверхні Землі в спеціальних (психрометричних) будках, а на більших висотах - спеціальними приладами (радіозондами, ракетами та ін.).

4.4. Вологість повітря

Вода в атмосфері існує в трьох агрегатних станах: лід, рідина, пара. Твердий та рідкий стан води в атмосферному повітрі виявляється у вигляді кристаликів льоду, сніжинок, градин, краплинок води - це хмари та опади, а пароподібний стан - у вигляді вологості повітря. Взагалі вологими газами називають газові суміші, до складу яких входить водяна пара.

Вологе повітря, очищене від пилу та промислових домішок, можна розглядати як однорідну суміш двох газів: сухого повітря та водяної пари. Водяна пара - єдина складова вологого повітря, яка при значеннях температури та тиску, що спостерігаються в атмосферних умовах, може переходити в рідку (вода) та тверду (лід) фазу, або знаходитись з ними в рівновазі. Умовою фазової рівноваги чистої води та льоду з водяною парою для випадку плоскої межі розділу фаз, є рівність температур в обох фазах (відсутність теплообміну), рівність тиску (механічна рівновага) та рівність хімічного потенціалу води в газоподібній та конденсованій фазах.

Водяна пара надходить до атмосфери з земної поверхні (океанів, морів, озер, річок та інших зволожених поверхонь) у процесі випаровування - пароутворення. Цей процес, загалом, відбувається так. Молекули води перебувають у безперервному русі, і ті з них, які знаходяться близько до поверхні рідини та мають значну енергію, можуть відриватися від води та переходити в повітря. З іншого боку, частина молекул пари, що знаходиться в повітрі, зіткнувшись з поверхнею води, знову повертаються в рідину. Отже, одночасно відбувається як процес випаровування (відрив молекул води з поверхні рідини), так і процес конденсації (повернення молекул пари у воду). При цьому вода випаровуватиметься доти, доки не буде досягнуто рівноважного стану, інакше кажучи, доки кількість молекул, що вилітають з рідини, не буде рівним числу молекул пари, що повертаються у воду. При досягненні рівноважного стану видимий ефект переходу молекул води з поверхні рідини або будь-якої іншої вологої поверхні в повітря та повернення молекул пари з повітря у воду проявлятись не буде. У цьому випадку говорять, що простір над водою насичений водяною парою.

Із загальних фізичних уявлень випливає, що в системі вода-повітря сумарна маса молекул водяної пари, які знаходяться в повітрі при рівноважному стані, залежатиме від температури цієї системи: при вищій температурі вона буде більшою, ніж при нижчій. Очевидним є і той факт, що при більш високій температурі середня квадратична швидкість руху молекул водяної пари буде теж більшою, ніж при низькій температурі. У зв'язку з цим парціальний тиск водяної пари при стані насичення, як це випливає з рівняння (4.6), залежатиме тільки від температури. Математичний вираз залежності тиску водяної пари при стані насичення від температури має назву рівняння Клаузіуса-Клапейрона.

Вміст водяної пари в атмосфері оцінюється з допомогою характеристик вологості повітря або гігрометричних величин. До них належать: парціальний тиск водяної пари, що позначається буквою "е", а при стані насичення - буквою "Е"; абсолютна вологість (а) або густина водяної пари (ρ_п); масова частка водяної пари (s) (раніше її називали питомою вологістю); відношення суміші (W); відносна вологість (r); точка роси (τ); дефіцит насичення або дефіцит парціального тиску водяної пари (d).

Всесвітня метеорологічна організація рекомендує такі визначення характеристик вологості повітря.

1. Парціальний тиск водяної пари (е) - це тиск водяної пари, пропорційний її густині (масі в одиниці об'єму) та її абсолютній температурі.

е = а_nR_nT, [гПа] (4.29)

де а_n - густина водяної пари; R_n - питома газова стала водяної пари; Т - абсолютна температура. Одиниці вимірювання ті ж, що й одиниці вимірювання тиску повітря. Для стану насичення: е = Е.

2. Абсолютна вологість або густина водяної пари (а), інакше кажучи - це маса водяної пари, що міститься в одиниці об'єму вологого повітря. Визначається в грамах (кілограмах) на кубічний метр.

Коли відома пружність (гПа) та температура (К), то

а = 220 , [г/м³] (4.30)

3. Відношення суміші (W) - відношення маси водяної пари (m_n) до маси сухого повітря (m_c), з якою водяна пара перемішана.

W=m_n/m_с=622е/(Р-е), [г/кг] (4.31)

Одиниці вимірювання г/кг або кг/кг, або %_o.

4. Масова частка (s) - відношення маси водяної пари до маси вологого повітря, у якому міститься маса водяної пари

s= = = 622 , [г/кг], [%₀ ] (4.32)

5. Відносна вологість (r) - відношення, що виражається у відсотках, фактичного тиску водяної пари в атмосфері до тиску насиченої пари при тій же температурі над плоскою поверхнею чистої води

r = 100, [%] (4.33)

6. Точка роси (Т_d) - температура, при якій водяна пара, що є в повітрі, досягає стану насичення при постійному тиску повітря та її масовій частці.

7. Дефіцит тиску (вологи) (d) - різниця між тиском насичення водяної пари при даній температурі повітря і фактичним тиском водяної пари в повітрі.

d = Е - е, [гПа] (4.34)

На даний час основним методом визначення вологості повітря на метеорологічних станціях є психрометричний метод. Цей абсолютний метод вимірювання вологості повітря базується на використанні охолодження вологого тіла при випаровуванні вологи з його поверхні. Чим сухіше повітря, а значить, чим більший дефіцит насичення, тим інтенсивніше випаровування, тим нижча температура вологої поверхні, з якої випаровується вода.