5.3. Характеристики вологості повітря та основні закономірності їх зміни у просторі і часі

Характеристики вологості повітря. Уміст водяної пари у повітрі прийнято позначати терміном "вологість повітря". Кількість водяної пари може визначатися з допомогою характеристик вологості повітря, або гігрометричних величин, до яких належать: парціальний тиск водяної пари, відносна та абсолютна вологість, масова частка водяної пари, співвідношення суміші, температура точки роси, дефіцит насичення та ін.

1. Парціальний тиск водяної пари (лат. partialis – частковий, окремий), – частина загального тиску газової суміші вологого повітря, зумовлена тиском водяної пари. Іншими словами, це – тиск, який би створювала водяна пара, якби вона одна займала увесь об’єм суміші. Це основна і найбільш часто використовувана характеристика вологості. Тиск водяної пари пропорційний густині повітря (масі в одиниці об’єму) та її абсолютній температурі. Парціальний тиск водяної пари () визначається у тих же одиницях, що й атмосферний тиск, тобто в гектопаскалях (гПа).

2. Дефіцит насичення  – різниця між тиском насичення і фактичним тиском водяної пари за даної температури і тиску повітря:

.

(5.2)

Раніше поняття дефіциту насичення позначалося терміном "дефіцит вологості", який новими державними стандартами у галузі метеорології не дозволяється для вживання.

3. Відносна вологість повітря () – це відсоткове співвідношення фактичного парціального тиску водяної пари в атмосфері до тиску насичення водяної пари () над плоскою поверхнею води при тій же температурі:

.

(5.3)

Відносна вологість повітря дає уявлення про ступінь насичення повітря водяною парою. При повному насиченні та . Якщо , то й . Аналіз (5.3) показує, що при незмінному значенні відносна вологість може збільшуватися або зменшуватися залежно від збільшення або зменшення температури повітря, оскільки тиск насичення водяної пари залежить від температури (див. рис. 5.1). При цьому при зменшенні температури повітря відносна вологість буде збільшуватися, а при збільшенні – зменшуватися.

Завдяки простоті та оперативності вимірювання відносна вологість повітря найчастіше використовується у повсякденному житті та в практиці метеорологічного забезпечення народного господарства, авіації зокрема.

4. Абсолютна вологість повітря () – маса водяної пари, що міститься в одиниці об’єму повітря (г/м³ або г/см³). Між абсолютною вологістю (, г/м³) і парціальним тиском водяної пари (, гПа) існує просте співвідношення:

, або ,

(5.4)

де  – абсолютна температура повітря, кельвінів;  – температура повітря в градусах Цельсія;  – коефіціент об’ємного теплового розширення повітря ().

Парціальний тиск водяної пари часто називають абсолютною вологістю, однак при обчисленнях та не слід ототожнювати, оскільки вони виражають різні фізичні величини.

5. Масова частка водяної пари () – співвідношення маси водяної пари у певному об'ємі до загальної маси вологого повітря у тому ж об’ємі, або та кількість водяної пари в грамах, що є в одному грамові або кілограмові вологого повітря. Недозволеним для вживання синонімом є термін "питома вологість".

З урахуванням співвідношення густин водяної пари та сухого атмосферного повітря (0,622), величину визначають за формулою:

(г/г), або (г/кг),

(5.5)

де  – атмосферний тиск. На практиці масову частку пари виражають у проміле (‰) з точністю до 0,0001.

6. Точка роси () – температура, при якій водяна пара, що міститься у повітрі, за даного вмісту вологи та незмінного атмосферного тиску досягає величини тиску насичення (повного насичення відносно плоскої поверхні чистої води). Точка роси завжди нижча за фактичну температуру повітря або дорівнює їй. Вона визначається за значенням парціального тиску водяної пари, оскільки температура, при якій відносна вологість повітря досягає 100 %, і є точкою роси (при цьому ).

Слід пам'ятати, що точка роси є характеристикою вологості повітря, а не його термічного режиму.

7. Точка інею () – температура, при якій водяна пара, що міститься у повітрі, при незмінних атмосферному тиску і масовій частці водяної пари, стає насиченою відносно плоскої поверхні чистого льоду.

8. Дефіцит точки роси – різниця між температурою повітря і точкою роси

.

(5.6)

Між характеристиками вологості повітря існують певні зв'язки, тому за допомогою формул або спеціальних таблиць можна за значенням однієї характеристики визначити іншу. Залежно від практичних потреб використовують різні характеристики вологості повітря. Так, у щоденних прогнозах погоди повідомляють відносну вологість повітря, на приземні синоптичні карти наносять значення температури точки роси, на карти баричної топографії – значення дефіциту точки роси.

Для вимірювання характеристик вологості повітря використовуються спеціальні метеорологічні прилади: станційні та аспіраційні психрометри (останні використовуються переважно поза метеорологічним майданчиком, для спостережень в приземному шарі повітря одночасно на декількох рівнях), гігрометри, гігрографи.

Зміна основних характеристик вологості повітря у просторі і часі. З віддаленням від підстильної поверхні, яка є джерелом надходження водяної пари в атмосферу, її вміст різко зменшується. Установлено, що вміст водяної пари на висоті 1 км становить тільки близько 70 % від її вмісту біля земної поверхні, на висоті 2 км – близько 40 %, на висоті 5 км – 10 %.

В загальному випадку парціальний тиск водяної пари з висотою змінюється нерівномірно: зменшення його може чергуватися зі зростанням, наприклад у підінверсійному шарі.

Змінюються характеристики водяної пари і в горизонтальному напрямку: найбільші значення парціального тиску водяної пари спостерігаються в екваторіальних широтах, а найменші – на полюсах.

У теплий період року над суходолом у добовому ході парціального тиску водяної пари зазвичай виявляються два мінімуми і два максимуми (рис. 5.2).

Перший мінімум настає вранці разом із мінімумом температури підстильної поверхні і, отже, при мінімальному надходженні вологи при випаровуванні. Зі збільшенням висоти Сонця температура підстильної поверхні і парціальний тиск швидко зростають, поки випаровування переважає над перенесенням пари угору. Таким чином, до 10–12 год. настає перший максимум. У наступні години турбулентне перенесення вологи у розташовані вище шари повітря перевищує надходження вологи при випаровуванні і парціальний тиск водяної пари зменшується, досягаючи мінімуму близько 15–16 год. Потім при послабленні турбулентності земна поверхня залишається ще достатньо теплою, що забезпечує перевищення випаровування над перенесенням вологи угору. За таких умов парціальний тиск водяної пари продовжує зростати, досягаючи максимуму близько 20–22 год., після чого випаровування зменшується і парціальний тиск також знижується до ранкового мінімуму.

Рис. 5.2. Добовий хід парціального тиску водяної пари і відносної вологості повітря в Черкасах. Липень

(за Кліматичним кадастром України, 2006)

Над морями добовий хід парціального тиску водяної пари слідує за добовим ходом температури.

Добовий хід відносної вологості повітря в цілому протилежний до добового ходу температури повітря. Відносна вологість досягає максимальних величин уночі і особливо вранці, а мінімальних – удень (за винятком тих районів, де спостерігаються бризи).

У річному ході парціального тиску водяної пари є літній максимум і зимовий мінімум. Відносна вологість веде себе навпаки. Максимальних значень вона досягає взимку, а мінімальних – улітку (за винятком тих територій, які перебувають у зоні впливу мусонів).