ЛЕКЦИЯ 6

ВОДЯНОЙ ПАР В АТМОСФЕРЕ

Влажностью воздуха называют содержание водяного пара в атмосфере. Водяной пар является одной из важнейших состав­ных частей земной атмосферы.

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу вследствие испарения воды с поверхности водоемов, почвы, снега, льда и растительного покрова, на что затрачивается в среднем 23 % солнечной радиации, приходящей на земную поверхность.

В атмосфере содержится в среднем 1,29 • 10¹³ т влаги (водяно­го пара и жидкой воды), что эквивалентно слою воды 25,5 мм.

Влажность воздуха характеризуется следующими величинами:

абсолютной влажностью, парциальным давлением водяного пара, давлением насыщенного пара, относительной влажнос­тью, дефицитом насыщения водяного пара, температурой точки росы и удельной влажностью.

Абсолютная влажность а (г/м³) — количество водяного пара, выраженное в граммах, содержащееся в 1 м³ воздуха.

Парциальное давление (упругость) водяного пара е — фактичес­кое давление водяного пара, находящегося в воздухе, измеряют в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.), миллибарах (мб) и гектопаскалях (гПа). Упругость водяного пара часто называют абсолютной влажностью. Однако смешивать эти разные понятия нельзя, так как они отражают разные физические величины ат­мосферного воздуха.

Давление насыщенного водяного пара, или упругость насыщения, Е— максимально возможное значение парциального давления при данной температуре; измеряют в тех же единицах, что и е. Упру­гость насыщения возрастает с увеличением температуры. Это зна­чит, что при более высокой температуре воздух способен содер­жать больше водяного пара, чем при более низкой температуре.

Относительная влажность f — это отношение парциального давления водяного пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного водяного пара при данной температуре. Выража­ют ее обычно в процентах с точностью до целых:

f =(е/Е)*100%.                

Относительная влажность выражает степень насыщения воз­духа водяными парами.

Дефицит насыщения водяного пара (недостаток насыщения) d — разность между упругостью насыщения и фактической упругос­тью водяного пара:

d = Е - е

Дефицит насыщения выражают в тех же единицах и с той же точностью, что и величины е и Е. При увеличении относитель­ной влажности дефицит насыщения уменьшается и при f = 100 % становится равным нулю.

Так как Е зависит от температуры воздуха, а е — от содержа­ния в нем водяного пара, то дефицит насыщения является комп­лексной величиной, отражающей тепло- и влагосодержание воз­духа. Это позволяет шире, чем другие характеристики влажнос­ти, использовать дефицит насыщения для оценки условий про­израстания сельскохозяйственных растений.

Точка росы td (°С) — температура, при которой водяной пар, со­держащийся в воздухе при данном давлении, достигает состояния насыщения относительно химически чистой плоской поверхности воды. При f = 100 % фактическая температура воздуха совпадает с точкой росы. При температуре ниже точки росы начинается кон­денсация водяных паров с образованием туманов, облаков, а на поверхности земли и предметов образуются роса, иней, изморозь.

Удельная влажность q (г/кг) — количество водяного пара в граммах, содержащееся в 1 кг влажного воздуха:

q = 622 е/Р,

 где е — упругость водяного пара, гПа; Р — атмосферное давление, гПа.

Удельную влажность учитывают в зоометеорологических рас­четах, например, при определении испарения с поверхности ор­ганов дыхания у сельскохозяйственных животных и при опреде­лении соответствующих затрат энергии.

Изменение характеристик влажности воздуха в атмосфере с высотой

Наибольшее количество водяного пара содержится в нижних слоях воздуха, непосредственно прилегающих к испаряющей поверхности. В вышележащие слои водяной пар проникает в ре­зультате турбулентной диффузии.

Проникновению водяного пара в вышележащие слои способ­ствует то обстоятельство, что он легче воздуха в 1,6 раза (плот­ность водяного пара по отношению к сухому воздуху при 00С равна 0,622), поэтому воздух, обогащенный водяным паром, как менее плотный стремится подняться вверх.

Распределение упругости водяного пара по вертикали зависит от изменения давления и температуры с высотой, от процессов конденсации и облакообразования. Поэтому трудно теоретичес­ки установить точную закономерность изменения упругости во­дяного пара с высотой.

Парциальное давление водяного пара с высотой уменьшается в 4...5 раз быстрее, чем атмосферное давление. Уже на высоте 6 км парциальное давление водяного пара в 9...10 раз меньше, чем на уровне моря. Это объясняется тем, что в приземный слой атмосферы водяной пар поступает непрерывно в результате ис­парения с деятельной поверхности и его диффузии за счет тур­булентности. Кроме того, температура воздуха с высотой пони­жается, а возможное содержание водяного пара ограничивается температурой, так как понижение ее способствует насыщению пара и его конденсации.

Уменьшение упругости пара с высотой может чередоваться с ее ростом. Например, в слое инверсии упругость пара обычно растет с высотой.

Относительная влажность распределяется по вертикали не­равномерно, но с высотой в среднем она уменьшается. В при­земном слое атмосферы в летние дни она несколько возрастает с высотой за счет быстрого понижения температуры воздуха, за­тем начинает убывать вследствие уменьшения поступления во­дяного пара и снова возрастает до 100 % в слое образования об­лаков. В слоях инверсии она резко уменьшается с высотой в ре­зультате повышения температуры. Особенно неравномерно из­меняется относительная влажность до высоты 2...3 км.

Суточный и годовой ход влажности воздуха

В приземном слое атмосферы наблюдается хорошо выражен­ный суточный и годовой ход влагосодержания, связанный с со­ответствующими периодическими изменениями температуры.

Суточный ход упругости водяного пара и абсолютной влажности над океанами, морями и в прибрежных районах суши аналогичен суточному ходу температуры воды и воздуха: минимум перед вос­ходом Солнца и максимум в 14... 15 ч. Минимум обусловлен очень слабым испарением (или его отсутствием вообще) в это время су­ток. Днем по мере увеличения температуры и соответственно ис­парения влагосодержание в воздухе растет. Таков же суточный ход упругости водяного пара и над материками зимой.

Годовой ход упругости водяного пара и абсолютной влажности совпадают с годовым ходом температуры воздуха как над океа­ном, так и над сушей. В Северном полушарии максимум влагосодержания воздуха наблюдается в июле, минимум — в январе. Например, в Санкт-Петербурге средняя месячная упругость пара в июле составляет 14,3 гПа, а в январе — 3,3 гПа.

Суточный ход относительной влажности зависит от упруго­сти пара и упругости насыщения. С повышением температуры испаряющей поверхности увеличивается скорость испарения и, следовательно, увеличивается е. Но Е растет значительно быстрее, чем е, поэтому с повышением температуры поверх­ности, а с ней и температуры воздуха относительная влаж­ность уменьшается. В итоге ход ее вблизи земной поверхности оказывается обратным ходу температуры поверхности и воздуха: максимум относительной влажности наступает перед восходом Солнца, а минимум — в 15...16 ч (рис. 5.2). Дневное ее понижение особенно резко выражено над континентами в летнее время, когда в результате турбу­лентной диффузии пара вверх е у поверхности уменьшается, а вследствие роста температуры воздуха Е увеличивается. По­этому амплитуда суточных колебаний относительной влажно­сти на материках значительно больше, чем над водными по­верхностями.

В годовом ходе относительная влажность воздуха, как правило, также меняется обратно ходу температуры. Например, в Санкт-Петербурге относительная влажность в мае в среднем составляет 65 %, а в декабре — 88 % (рис. 5.3). В районах с муссонным кли­матом минимум относительной влажности приходится на зиму, а максимум — на лето вследствие летнего переноса на сушу масс влажного морского воздуха: например, во Владивостоке летом f= 89%, зимой f=68 %.

Ход дефицита насыщения водяного пара параллелен ходу температуры воздуха. В течение суток дефицит бывает наи­большим в 14...15 ч, а наименьшим — перед восходом Солнца. В течение года дефицит насыщения водяного пара имеет мак­симум в самый жаркий месяц и минимум в самый холодный. В засушливых степных районах России летом в 13ч ежегодно отмечается дефицит насыщения, превышающий 40 гПа. В Санкт-Петербурге дефицит насыщения водяного пара в июне в среднем составляет 6,7гПа, а в январе — только 0,5 гПа.

Влажность воздуха в растительном покрове

Растительный покров оказывает большое влияние на влаж­ность воздуха. Растения испаряют большое количество воды и тем самым обогащают водяным паром приземный слой атмос­феры, в нем наблюдается повышенное влагосодержание воздуха по сравнению с оголенной поверхностью. Этому способствует еще и уменьшение растительным покровом скорости ветра, а следовательно, и турбулентной диффузии пара. Особенно резко это выражено в дневные часы. Упругость пара внутри крон дере­вьев в ясные летние дни может быть на 2...4 гПа больше, чем на открытом месте, в отдельных случаях даже на б... 8 гПа. Внутри агрофитоценозов возможно повышение упругости пара по срав­нению с паровым полем на 6...11 гПа. В вечерние и ночные часы влияние растительности на влагосодержание меньше.

Большое влияние растительный покров оказывает и на отно­сительную влажность. Так, в ясные летние дни внутри посевов ржи и пшеницы относительная влажность на 15... 30 % больше, чем над открытым местом, а в посевах высокостебельных куль­тур (кукуруза, подсолнечник, конопля) — на 20...30 % больше, чем над оголенной почвой. В посевах наибольшая относитель­ная влажность наблюдается у поверхности почвы, затененной растениями, а наименьшая — в верхнем ярусе листьев.

Дефицит насыщения водяного пара соответственно в посевах значительно меньше, чем над оголенной почвой. Его распреде­ление характеризуется понижением от верхнего яруса листьев к нижнему.

Ранее отмечалось, что растительный покров значительно влияет на радиационный режим, температуру почвы и воздуха , существенно изменяя их по сравнению с открытым местом, т.е. в растительном сообществе формируется свой, особый метеорологический режим — фитоклимат. На­сколько сильно он выражен, зависит от вида, габитуса и возрас­та растений, густоты насаждения, способа посева (посадки).

Влияют на фитоклимат и погодные условия — в малооблачную и ясную погоду фитоклиматические особенности проявляются сильнее.

Методы и приборы для измерения влажности воздуха

Влажность воздуха может быть измерена несколькими мето­дами: абсолютным (весовым), психрометрическим и гигрометрическим (сорбционным).

Сущность абсолютного метода заключается в том, что через стеклянные труб­ки, наполненные каким-либо гигроскопичным веществом (например, хлористым кальцием, крепкой серной кислотой), пропускают определенный объем воздуха. Трубки взвешивают до и после пропускания через них влажного воздуха и по при­бавлению их массы судят о количестве поглощенного водяного пара. Разделив прибавленную массу на объем пропущенного через трубки воздуха, определяют его абсолютную влажность в г/м3.

Этот способ определения влажности воздуха кропотлив, занимает много вре­мени, и поэтому его применяют только в лабораториях.

Наибольшее распространение получили психрометрический и гигрометрический (сорбционный) методы.

Психрометрический метод измерения основан на охлаждении одного из двух психрометрических термометров за счет испаре­ния, так как его резервуар обернут кусочком батиста и перед из­мерением смачивается дистиллированной водой. На этом прин­ципе действуют станционный и аспирационный психрометры.

Станционный психрометр устанавливают в психрометрической будке (рис. 5.4) на метеоплощадке.

Аспирационный психрометр МВ-4М (рис. 5.5) по принципу действия не отличается от станци­онного психрометра. Главная осо­бенность конструкции этого при­бора — наличие аспирационного устройства, обеспечивающего обдувание резервуаров термометров воздухом. Его широко применяют при полевых наблюдениях, так как он удобен при переноске.

При измерении температуры и влажности воздуха в посевах аспирационный психрометр устанавливают горизонтально (или вертикально) на нужном уровне. Отверстия защитных трубок должны быть ориентированы в противоположную от Солнца сторону и навстречу ветру.

По психрометру влажность воздуха определяют только до температуры воздуха —10 "С. При более низких температурах показания психрометра ненадежны, поэтому переходят на сорбционный метод.

Гигрометрический (сорбционный) метод измерения влажнос­ти воздуха основан на свойстве гигроскопических тел, реагиро­вать на изменение влажности воздуха.

Волосной гигрометр МВ-1 служит для измерения относитель­ной влажности воздуха (рис. 5.6). Действие прибора основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса, изменять, длину в зависимости от относительной влажности воздуха.

Гигрограф волосной М-21А применяют для непрерывной реги­страции относительной влажности воздуха (рис. 5.7). Приемником влажности является пучок обезжиренных человеческих во­лос. В зависимости от скорости вращения барабана различают гигрографы двух видов: суточные и недельные.

Приборы, работающие на гигрометрическом принципе, — от­носительные. Поэтому их показания необходимо определенным способом корректировать с показаниями психрометра.

Значение влажности воздуха для с-х производства

Водяной пар, содержащийся в атмосфере, имеет, как отмеча­лось в главе 2, большое значение в сохранении тепла на земной поверхности, так как он поглощает излучаемое ею тепло. Влаж­ность воздуха относится к числу элементов погоды, имеющих су­щественное значение и для сельскохозяйственного производства.

Влажность воздуха оказывает большое влияние на растение. Она в значительной степени обусловливает интенсивность транспирации. При высокой температуре и пониженной влаж­ности транспирация резко увеличивается и у растений возникает большой недостаток воды, что отражается на их росте и развитии. Например, отмечается недоразвитие генеративных органов, задерживается цветение.

Низкая влажность в период цветения обусловливает пересы­хание пыльцы и, следовательно, неполное оплодотворение, что у зерновых, например, вызывает череззерницу. В период налива зерна чрезмерная сухость воздуха приводит к тому, что зерно получается щуплым, урожай снижается.

Малое влагосодержание воздуха приводит к мелкоплодности плодовых, ягодных культур, винограда, слабой закладке почек под урожай будущего года и, следовательно, снижению урожая.

Влажность воздуха отражается и на качестве урожая. Отмече­но, что низкая влажность снижает качество льноволокна, но по­вышает хлебопекарные качества пшеницы, технические свой­ства льняного масла, содержание сахара в плодах и т. д.

Особенно неблагоприятно снижение относительной влажно­сти воздуха при недостатке почвенной влаги. Если жаркая и су­хая погода длится продолжительное время, то растения могут за­сохнуть.

Отрицательно сказывается на росте и развитии растений и длительное повышение влагосодержания (f > 80 %). Избыточно высокая влажность воздуха обусловливает крупноклеточное строение ткани растений, что приводит в дальнейшем к полега­нию зерновых культур. В период цветения такая влажность воз­духа препятствует нормальному опылению растений и снижает урожай, так как меньше раскрываются пыльники, уменьшается лет насекомых.

Повышенная влажность воздуха задерживает наступление полной спелости зерна, увеличивает содержание влаги в зерне и соломе, что, во-первых, неблагоприятно отражается на работе уборочных машин, а во-вторых, требует дополнительных затрат на просушку зерна.

Снижение дефицита насыщения до 3 гПа и более приводит практически к прекращению уборочных работ из-за плохих ус­ловий.

В теплое время года повышенная влажность воздуха способ­ствует развитию и распространению ряда грибных заболеваний сельскохозяйственных культур (фитофтороз картофеля и тома­тов, милдью винограда, белая гниль подсолнечника, различные виды ржавчины зерновых культур и др.). Особенно усиливается влияние этого фактора с увеличением температуры .

От влажности воздуха зависят и сроки проведения ряда сель­скохозяйственных работ: борьбы с сорняками, закладки кормов на силос, проветривания складских помещений, сушки зерна и др.

В тепловом балансе сельскохозяйственных животных и чело­века с влажностью воздуха связан теплообмен. При температуре воздуха ниже 10 °С повышенная влажность усиливает теплоотда­чу организмов, а при высокой температуре — замедляет.