Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Водяной пар (H 2 O)
St Johns Fog.jpg
Невидимый водяной пар конденсируется с образованием
видимых облаков жидких капель дождя.
Жидкое состояниеВода
Твердое состояниеЛед
Свойства [1]
Молекулярная формулаH 2 O
Молярная масса18,01528 (33)  г / моль
Температура плавления0,00  ° С (273,15  К ) [2]
Точка кипения99,98 ° С (373,13 К) [2]
удельная газовая постоянная461,5 Дж / ( кг · К)
Теплота испарения2,27 МДж / кг
Теплоемкость при 300 К1,864 кДж / (кг · К) [3]

Водяной пар , водяной пар или водяной пар является газообразной фазой воды . Это одно состояние воды в гидросфере . Водяной пар может быть получен от испарения или кипения жидкой воды или от сублимации из льда . Водяной пар прозрачен, как и большинство компонентов атмосферы. [4] В обычных атмосферных условиях водяной пар постоянно образуется за счет испарения и удаляется путем конденсации . Он менее плотный, чем большинство других компонентов воздуха.и вызывает конвекционные потоки, которые могут привести к облакам.

Являясь компонентом гидросферы и гидрологического цикла Земли, он особенно распространен в атмосфере Земли , где он действует как самый мощный парниковый газ , более сильный, чем другие газы, такие как углекислый газ и метан . Использование водяного пара в качестве пара было важно для приготовления пищи, а также в качестве основного компонента в системах производства и транспортировки энергии со времен промышленной революции .

Водяной пар является относительно обычным компонентом атмосферы, присутствует даже в солнечной атмосфере, а также на каждой планете Солнечной системы и во многих астрономических объектах, включая естественные спутники , кометы и даже большие астероиды . Точно так же обнаружение внесолнечного водяного пара указывало бы на аналогичное распределение в других планетных системах. Водяной пар важен в том смысле, что он может быть косвенным свидетельством, подтверждающим присутствие внеземной жидкой воды в случае некоторых планетарных объектов.

Свойства [ править ]

Испарение [ править ]

Когда молекула воды покидает поверхность и диффундирует в окружающий газ, считается, что она испарилась . Каждая отдельная молекула воды, которая переходит между более ассоциированным (жидким) и менее ассоциированным (пар / газ) состоянием, делает это посредством поглощения или высвобождения кинетической энергии . Совокупное измерение этой передачи кинетической энергии определяется как тепловая энергия и происходит только тогда, когда существует разница в температуре молекул воды. Жидкая вода, которая превращается в водяной пар, забирает с собой часть тепла в процессе, называемом испарительным охлаждением . [5]Количество водяного пара в воздухе определяет, как часто молекулы будут возвращаться на поверхность. Когда происходит чистое испарение, водоем подвергается чистому охлаждению, напрямую связанному с потерей воды.

В США Национальная метеорологическая служба измеряет фактическую скорость испарения со стандартной открытой поверхности воды на открытом воздухе в различных местах по всей стране. Другие поступают так же по всему миру. Данные по США собираются и компилируются в годовую карту испарения. [6] Диапазон измерений от 30 до 120 дюймов в год. Формулы можно использовать для расчета скорости испарения с поверхности воды, например плавательного бассейна. [7] [8] В некоторых странах скорость испарения намного превышает количество осадков .

Испарительное охлаждение ограничено атмосферными условиями . Влажность - это количество водяного пара в воздухе. Содержание пара в воздухе измеряется с помощью устройств, известных как гигрометры . Измерения обычно выражаются как удельная влажность или относительная влажность в процентах . Температура атмосферы и поверхности воды определяет равновесное давление пара; 100% относительная влажность возникает, когда парциальное давление водяного пара равно равновесному давлению пара. Это состояние часто называют полным насыщением. Влажность колеблется от 0 граммов на кубический метр в сухом воздухе до 30 граммов на кубический метр (0,03 унции на кубический фут), когда пар насыщен при 30 ° C. [9]

Электронная микрофотография замороженной капиллярной ткани

Сублимация [ править ]

Сублимация - это процесс, при котором молекулы воды напрямую покидают поверхность льда, не превращаясь сначала в жидкую воду. Сублимация является причиной медленного исчезновения льда и снега в середине зимы при температурах, слишком низких, чтобы вызвать таяние. Антарктида демонстрирует этот эффект в уникальной степени, потому что это континент с самым низким уровнем осадков на Земле. В результате есть большие области, где тысячелетние слои снега сублимировались, оставив после себя нелетучие материалы, которые они содержали. Это чрезвычайно ценно для некоторых научных дисциплин, ярким примером которых является коллекция метеоритов , которые остались открытыми в беспрецедентном количестве и в отличном состоянии сохранности.

Сублимация важна при подготовке определенных классов биологических образцов для сканирующей электронной микроскопии . Обычно образцы готовятся путем криофиксации и замораживания-разрушения , после чего сломанная поверхность протравливается замораживанием, подвергаясь эрозии под воздействием вакуума до тех пор, пока не появится требуемый уровень детализации. Этот метод позволяет отображать белковые молекулы, структуры органелл и липидные бислои с очень низкой степенью искажения.

Конденсация [ править ]

Облака, образованные конденсированным водяным паром

Водяной пар будет конденсироваться на другой поверхности только тогда, когда эта поверхность холоднее, чем температура точки росы , или когда равновесие водяного пара в воздухе было превышено. Когда водяной пар конденсируется на поверхности, на этой поверхности происходит чистое нагревание. Молекула воды несет с собой тепловую энергию. В свою очередь, температура атмосферы немного понижается. [10] В атмосфере конденсация порождает облака, туман и осадки (обычно только при содействии ядер конденсации облаков ). Точка росы воздушного пакета - это температура, до которой он должен остыть, прежде чем водяной пар в воздухе начнет конденсироваться. Конденсат в атмосфере образует облачные капли.

Кроме того, чистая конденсация водяного пара происходит на поверхностях, когда температура поверхности равна или ниже температуры точки росы атмосферы. Осаждение - это фазовый переход, отдельный от конденсации, который приводит к прямому образованию льда из водяного пара. Примерами отложений являются иней и снег.

Существует несколько механизмов охлаждения, с помощью которых происходит конденсация: 1) Прямая потеря тепла из-за теплопроводности или излучения. 2) Охлаждение за счет падения давления воздуха, которое происходит при подъеме воздуха, также известное как адиабатическое охлаждение . Воздух может подниматься горами, которые отклоняют воздух вверх, конвекцией, а также холодным и теплым фронтами. 3) Адвективное охлаждение - охлаждение за счет горизонтального движения воздуха.

Химические реакции [ править ]

В ряде химических реакций в качестве продукта используется вода. Если реакции происходят при температурах выше точки росы окружающего воздуха, вода будет образовываться в виде пара и увеличивать локальную влажность, если ниже точки росы произойдет локальная конденсация. Типичными реакциями, приводящими к образованию воды, являются горение водорода или углеводородов в воздухе или других кислородсодержащих газовых смесях или в результате реакций с окислителями.

Аналогичным образом в присутствии водяного пара могут происходить другие химические или физические реакции, приводящие к образованию новых химических веществ, таких как ржавчина на железе или стали, происходит полимеризация (некоторые пенополиуретаны и цианоакрилатные клеи затвердевают под воздействием атмосферной влажности) или изменяются формы например, когда безводные химические вещества могут поглощать достаточно пара, чтобы сформировать кристаллическую структуру или изменить существующую, иногда приводя к характерным изменениям цвета, которые можно использовать для измерения .

Измерение [ править ]

Измерение количества водяного пара в среде может производиться напрямую или удаленно с различной степенью точности. Дистанционные методы такого электромагнитного поглощения возможны со спутников над атмосферой планет. Прямые методы могут использовать электронные преобразователи, увлажненные термометры или гигроскопические материалы для измерения изменений физических свойств или размеров.

среднийдиапазон температур (градус)неопределенность измерениятипичная частота измерениястоимость системыПримечания
Слинг-психрометрвоздухаОт −10 до 50от низкого до среднегоежечаснонизкий
Спутниковая спектроскопиявоздухаОт −80 до 60низкийочень высоко
Емкостной датчиквоздух / газыОт −40 до 50умеренныйОт 2 до 0,05 Гцсреднийсклонны к насыщению / загрязнению со временем
Емкостной датчик с подогревомвоздух / газыОт −15 до 50от умеренного до низкогоОт 2 до 0,05 Гц (зависит от температуры)от среднего до высокогосклонны к насыщению / загрязнению со временем
Резистивный датчиквоздух / газыОт −10 до 50умеренный60 секундсреднийсклонен к загрязнению
Хлорид лития dewcellвоздухаОт −30 до 50умеренныйнепрерывныйсреднийсм. dewcell
Хлорид кобальта (II)воздух / газыОт 0 до 50высоко5 минуточень низкийчасто используется в карточке индикатора влажности
Абсорбционная спектроскопиявоздух / газыумеренныйвысоко
Оксид алюминиявоздух / газыумеренныйсреднийсм. Анализ влажности
Оксид кремниявоздух / газыумеренныйсреднийсм. Анализ влажности
Пьезоэлектрическая сорбциявоздух / газыумеренныйсреднийсм. Анализ влажности
Электролитическийвоздух / газыумеренныйсреднийсм. Анализ влажности
Напряжение волосвоздухаОт 0 до 40высоконепрерывныйот низкого до среднегоВлияет на температуру. Неблагоприятно действуют длительные высокие концентрации
Нефелометрвоздух / другие газынизкийочень высоко
Кожа Голдбитера ( коровья брюшина )воздухаОт −20 до 30умеренный (с исправлениями)медленнее, медленнее при более низких температурахнизкийСсылка: Руководство ВМО по метеорологическим приборам и методам наблюдений № 8 2006 г. (страницы 1.12–1)
Лайман-альфавысокая частотавысокоhttp://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=lyman-alpha-hygrometer1 Требуется частая калибровка
Гравиметрический гигрометрочень низкийочень высокочасто называемые первичным источником, национальные независимые стандарты, разработанные в США, Великобритании, ЕС и Японии.
среднийдиапазон температур (градус)неопределенность измерениятипичная частота измерениястоимость системыПримечания

Влияние на плотность воздуха [ править ]

Водяной пар легче или менее плотен, чем сухой воздух . [11] [12] При эквивалентных температурах он обладает плавучестью по отношению к сухому воздуху, при этом плотность сухого воздуха при стандартной температуре и давлении (273,15 К, 101,325 кПа) составляет 1,27 г / л, а водяной пар при стандартной температуре имеет пар давление 0,6 кПа и гораздо более низкая плотность 4,85 мг / л.

Расчеты [ править ]

Расчет плотности водяного пара и сухого воздуха при 0 ° C:

  • Молярная масса воды составляет 18,02 г / моль , в расчете от суммы атомных масс составляющих его атомов .
  • Средняя молекулярная масса воздуха (примерно 78% азота, N 2 ; 21% кислорода, O 2 ; 1% других газов) составляет 28,57 г / моль при стандартной температуре и давлении ( STP ).
  • Повинуясь Закон Авогадро и закон идеального газа , влажный воздух будет иметь более низкую плотность , чем сухой воздух. При макс. при насыщении (т.е. относительная влажность = 100% при 0 ° C) плотность снизится до 28,51 г / моль.
  • Условия STP подразумевают температуру 0 ° C, при которой способность воды превращаться в пар очень ограничена. Его концентрация в воздухе очень низкая при 0 ° C. Красная линия на графике справа - это максимальная концентрация водяного пара, ожидаемая для данной температуры. Концентрация водяного пара значительно увеличивается с повышением температуры, приближаясь к 100% ( пар , чистый водяной пар) при 100 ° C. Однако разница в плотностях между воздухом и водяным паром все равно будет существовать (0,598 против 1,27 г / л).

При одинаковых температурах [ править ]

При той же температуре столб сухого воздуха будет плотнее или тяжелее, чем столб воздуха, содержащий любой водяной пар, причем молярная масса двухатомного азота и двухатомного кислорода больше, чем молярная масса воды. Таким образом, любой объем сухого воздуха утонет, если его поместить в больший объем влажного воздуха. Кроме того, объем влажного воздуха поднимется или станет плавучим, если его поместить в большую область сухого воздуха. С повышением температуры доля водяного пара в воздухе увеличивается, и его плавучесть увеличивается. Увеличение плавучести может иметь значительное влияние на атмосферу, вызывая сильные, влажные восходящие воздушные потоки, когда температура воздуха и моря достигает 25 ° C или выше. Это явление обеспечивает значительную движущую силу дляциклонические и антициклонические погодные системы (тайфуны и ураганы).

Дыхание и дыхание [ править ]

Водяной пар является побочным продуктом дыхания растений и животных. Его вклад в давление увеличивается с увеличением его концентрации. Его вклад парциального давления в давление воздуха увеличивается, снижая вклад парциального давления других атмосферных газов (закон Дальтона) . Общее давление воздуха должно оставаться постоянным. Присутствие водяного пара в воздухе естественным образом разбавляет или вытесняет другие компоненты воздуха по мере увеличения его концентрации.

Это может повлиять на дыхание. В очень теплом воздухе (35 ° C) доля водяного пара достаточно велика, чтобы вызвать духоту, которая может возникнуть во влажных условиях джунглей или в плохо вентилируемых зданиях.

Подъемный газ [ править ]

Водяной пар имеет более низкую плотность, чем воздух, и поэтому обладает плавучестью в воздухе, но имеет более низкое давление пара, чем у воздуха. Когда водяной пар используются в качестве подъемного газа с помощью теплового дирижабля водяной пар нагревают с образованием пары , так что его давление пара больше , чем давление окружающего воздуха, чтобы поддерживать форму теоретического «паровой аэростат», который дает около 60% подъем гелия и вдвое больше горячего воздуха. [13]

Общее обсуждение [ править ]

Количество водяного пара в атмосфере ограничено парциальным давлением и температурой. Температура точки росы и относительная влажность определяют процесс образования водяного пара в круговороте воды . Вложенная энергия, такая как солнечный свет, может вызвать большее испарение на поверхности океана или большую сублимацию на глыбе льда на вершине горы. Баланс между конденсацией и испарением дает величину под названием пары парциального давления .

Максимальное парциальное давление (давление насыщения ) водяного пара в воздухе зависит от температуры смеси воздуха и водяного пара. Для этой величины существует множество эмпирических формул; Наиболее используемая справочная формула - уравнение Гоффа-Гратча для SVP над жидкой водой ниже нуля градусов Цельсия:

где T , температура влажного воздуха, дана в единицах кельвина , а p дана в миллибарах ( гектопаскалях ).

Формула действительна примерно от -50 до 102 ° C; однако существует очень ограниченное количество измерений давления водяного пара над переохлажденной жидкой водой. Существует ряд других формул, которые можно использовать. [14]

При определенных условиях, например при достижении температуры кипения воды, чистое испарение всегда будет происходить при стандартных атмосферных условиях, независимо от процента относительной влажности. Этот немедленный процесс приведет к рассеиванию большого количества водяного пара в более прохладную атмосферу.

Выдыхаемый воздух почти полностью находится в равновесии с водяным паром при температуре тела. В холодном воздухе выдыхаемый пар быстро конденсируется, проявляясь, таким образом, в виде тумана или тумана из водяных капель, а также в виде конденсата или инея на поверхностях. Принудительная конденсация этих капель воды на выдохе является основой конденсата выдыхаемого воздуха , развивающегося медицинского диагностического теста.

Контроль водяного пара в воздухе является ключевой задачей в сфере отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). Тепловой комфорт зависит от условий влажного воздуха. Комфортные ситуации, не связанные с человеческим фактором, называются охлаждением , и на них также влияет водяной пар. Например, во многих продуктовых магазинах, таких как супермаркеты, используются открытые холодильные шкафы или ящики для продуктов , которые могут значительно снизить давление водяного пара (снизить влажность). Эта практика дает как преимущества, так и проблемы.

В атмосфере Земли [ править ]

Доказательства увеличения количества водяного пара в стратосфере с течением времени в Боулдере, штат Колорадо.
Дополнительная информация: Атмосфера Земли

Газообразная вода представляет собой небольшой, но экологически значимый компонент атмосферы . Процент водяного пара в приземном воздухе варьируется от 0,01% при -42 ° C (-44 ° F) [15] до 4,24%, когда точка росы составляет 30 ° C (86 ° F). [16] Примерно 99,13% его содержится в тропосфере . Конденсации водяного пара к жидкости или ледяной фазы отвечает за облака , дождь, снег, и других осадков , все из которых входят в число наиболее значимых элементов того , что мы воспринимаем как погоду. Менее очевидно, что скрытая теплота испарения, который выбрасывается в атмосферу всякий раз, когда происходит конденсация, является одним из наиболее важных элементов баланса энергии атмосферы как в локальном, так и в глобальном масштабе. Например, скрытое тепловыделение при атмосферной конвекции является непосредственной причиной возникновения разрушительных штормов, таких как тропические циклоны и сильные грозы . Водяной пар является наиболее сильным парниковым газом из-за наличия гидроксильной связи, которая сильно поглощает в инфракрасной области светового спектра .

Водяной пар является «рабочим телом» атмосферного термодинамического двигателя, который преобразует тепловую энергию солнечного излучения в механическую энергию в виде ветра. Преобразование тепловой энергии в механическую требует верхнего и нижнего температурных уровней, а также рабочей среды, которая перемещается туда и обратно между ними. Верхний температурный уровень задается почвой или водной поверхностью земли, которая поглощает поступающее солнечное излучение и нагревает, испаряя воду. Влажный и теплый воздух у земли легче, чем окружающий, и поднимается до верхней границы тропосферы. Там молекулы воды излучают свою тепловую энергию в космическое пространство, охлаждая окружающий воздух. Верхняя атмосфера составляет нижний температурный уровень атмосферного термодинамического двигателя.Водяной пар в уже холодном воздухе конденсируется и падает на землю в виде дождя или снега. Теперь более тяжелый холодный и сухой воздух также опускается на землю; Таким образом, атмосферный термодинамический двигатель создает вертикальную конвекцию, которая переносит тепло от земли в верхние слои атмосферы, где молекулы воды могут излучать его в космическое пространство. Из-за вращения Земли и возникающих в результате сил Кориолиса эта вертикальная атмосферная конвекция также преобразуется в горизонтальную конвекцию в виде циклонов и антициклонов, которые переносят воду, испарившуюся из океанов, внутрь континентов, позволяя расти растительности. .Таким образом, атмосферный термодинамический двигатель создает вертикальную конвекцию, которая переносит тепло от земли в верхние слои атмосферы, где молекулы воды могут излучать его в космическое пространство. Из-за вращения Земли и возникающих в результате сил Кориолиса эта вертикальная атмосферная конвекция также преобразуется в горизонтальную конвекцию в виде циклонов и антициклонов, которые переносят воду, испарившуюся из океанов, внутрь континентов, позволяя расти растительности. .Таким образом, атмосферный термодинамический двигатель создает вертикальную конвекцию, которая переносит тепло от земли в верхние слои атмосферы, где молекулы воды могут излучать его в космическое пространство. Из-за вращения Земли и возникающих в результате сил Кориолиса эта вертикальная атмосферная конвекция также преобразуется в горизонтальную конвекцию в виде циклонов и антициклонов, которые переносят воду, испарившуюся из океанов, внутрь континентов, позволяя расти растительности. .которые переносят воду, испарившуюся через океаны, внутрь континентов, позволяя расти растительности.которые переносят воду, испарившуюся через океаны, внутрь континентов, позволяя расти растительности.[17]

Вода в атмосфере Земли не только ниже точки кипения (100 ° C), но на высоте она опускается ниже его точки замерзания (0 ° С), из - за воды сильно полярная привлекательность . В сочетании с его количеством, водяной пар , то имеет соответствующую точку росы и иней точку , в отличии от , например, двуокиси углерода и метана. Водяной пар, таким образом, имеет масштабную высоту, составляющую долю от объема атмосферы [18] [19] [20], поскольку вода конденсируется и выходит , в основном в тропосфере , самом нижнем слое атмосферы. [21] Двуокись углерода ( CO2) и метан , будучи неполярным, поднимаются над водяным паром. Поглощение и выброс обоих соединений способствует выбросу Земли в космос и, следовательно, парниковому эффекту на планете . [19] [22] [23] Это воздействие парниковых газов можно непосредственно наблюдать по различным спектральным характеристикам по сравнению с водяным паром, и наблюдается его рост с ростом CO.
2уровни. [24] И наоборот, добавление водяного пара на большой высоте оказывает непропорциональное воздействие, поэтому метан (поднимается, затем окисляется до CO
2и две молекулы воды) и движение реактивных двигателей [25] [26] [27] имеют непропорционально высокий эффект потепления.

Менее ясно, как облачность отреагирует на потепление климата; в зависимости от характера реакции облака могут либо еще больше усилить, либо частично уменьшить потепление от долгоживущих парниковых газов.

В отсутствие других парниковых газов водяной пар Земли будет конденсироваться на поверхности; [28] [29] [30] это , вероятно, случалось , возможно, более одного раза. Таким образом, ученые различают неконденсирующиеся (приводные) и конденсируемые (приводимые) парниковые газы, т. Е. Указанную выше обратную связь по водяному пару. [31] [32] [33]

Туман и облака образуются из-за конденсации вокруг ядер конденсации облаков . В отсутствие ядер конденсация будет происходить только при гораздо более низких температурах. При постоянной конденсации или осаждении образуются облачные капли или снежинки, которые выпадают в осадок, когда достигают критической массы.

Обводненность атмосферы в целом постоянно уменьшается из-за осадков. В то же время он постоянно пополняется за счет испарения, в первую очередь из морей, озер, рек и влажной земли. Другие источники атмосферной воды включают горение, дыхание, извержения вулканов, транспирацию растений и различные другие биологические и геологические процессы. В любой момент времени имеется 1,29 x 10 16 л (3,4 x 10 15гал.) воды в атмосфере. В атмосфере содержится 1 часть на 2500 пресной воды и 1 часть на 100000 всей воды на Земле. Среднее глобальное содержание водяного пара в атмосфере примерно достаточно, чтобы покрыть поверхность планеты слоем жидкой воды глубиной около 1 см. Среднее годовое количество осадков на планете составляет около 1 метра, что предполагает быстрый круговорот воды в воздухе - в среднем время пребывания молекулы воды в тропосфере составляет от 9 до 10 дней. [34]

Эпизоды поверхностной геотермальной активности, такие как извержения вулканов и гейзеры, выбрасывают в атмосферу разное количество водяного пара. Такие извержения могут быть крупными с точки зрения человека, а крупные взрывные извержения могут привести к выбросу исключительно больших масс воды исключительно высоко в атмосферу, но в процентах от общего содержания атмосферной воды роль таких процессов тривиальна. Относительные концентрации различных газов, излучаемых вулканами, значительно варьируются в зависимости от места и конкретного события на любом одном месте. Однако водяной пар - самый распространенный вулканический газ ; как правило, на его долю приходится более 60% всех выбросов при субаэральном извержении . [35]

Содержание водяного пара в атмосфере выражается с помощью различных мер. К ним относятся давление пара, удельная влажность , коэффициент смешивания, температура точки росы и относительная влажность .

Радиолокационные и спутниковые изображения [ править ]

Воспроизвести медиа
На этих картах показано среднее количество водяного пара в столбе атмосферы за данный месяц ( нажмите, чтобы узнать подробнее )
MODIS / Terra глобальное среднее значение водяного пара в атмосфере в атм-см (сантиметры воды в атмосферном столбе, если он конденсируется)

Поскольку молекулы воды поглощают микроволны и другие радиоволны , вода в атмосфере ослабляет радиолокационные сигналы. [36] Кроме того, атмосферная вода будет отражать и преломлять сигналы до такой степени, которая зависит от того, является ли она паром, жидкостью или твердым телом.

Как правило, радиолокационные сигналы постепенно теряют силу по мере того, как они проходят через тропосферу. Различные частоты ослабляются с разной скоростью, так что некоторые компоненты воздуха непрозрачны для одних частот и прозрачны для других. Радиоволны, используемые для радиовещания и других видов связи, имеют тот же эффект.

Водяной пар отражает радар в меньшей степени, чем две другие фазы воды. В форме капель и кристаллов льда вода действует как призма, а не как отдельная молекула ; однако наличие водяного пара в атмосфере заставляет атмосферу действовать как гигантская призма. [37]

Сравнение спутниковых изображений GOES-12 показывает распределение водяного пара в атмосфере относительно океанов, облаков и континентов Земли. Пар окружает планету, но распределяется неравномерно. Цикл изображения справа показывает среднемесячное содержание водяного пара с единицами измерения, выраженными в сантиметрах, что представляет собой осаждаемую воду или эквивалентное количество воды, которое могло бы быть произведено, если бы весь водяной пар в колонне конденсировался. Наименьшее количество водяного пара (0 сантиметров) отображается желтым цветом, а максимальное количество (6 см) - темно-синим. Области отсутствующих данных отображаются оттенками серого. Карты основаны на данных, собранных спектрорадиометром среднего разрешения.(MODIS) на спутнике НАСА Aqua. Наиболее заметная закономерность во временных рядах - это влияние сезонных изменений температуры и солнечного света на водяной пар. В тропиках полоса чрезвычайно влажного воздуха колеблется к северу и югу от экватора при смене времен года. Эта полоса влажности является частью зоны межтропической конвергенции, где восточные пассаты из каждого полушария сходятся и производят почти ежедневные грозы и облака. Дальше от экватора концентрация водяного пара высока в летнем полушарии и низкая - в зимнем. Другая закономерность, которая проявляется во временном ряду, заключается в том, что количество водяного пара над сушей уменьшается в зимние месяцы больше, чем в соседних районах океана.Во многом это связано с тем, что температура воздуха над сушей зимой падает сильнее, чем над океаном. Водяной пар быстрее конденсируется в более холодном воздухе.[38]

Поскольку водяной пар поглощает свет в видимом спектральном диапазоне, его поглощение можно использовать в спектроскопических приложениях (например, DOAS ) для определения количества водяного пара в атмосфере. Это делается оперативно, например, с помощью спектрометров GOME на ERS и MetOp . [39] Более слабые линии поглощения водяного пара в синем спектральном диапазоне и далее в УФ до его предела диссоциации около 243 нм в основном основаны на квантово-механических расчетах [40] и лишь частично подтверждаются экспериментами. [41]

Генерация молнии [ править ]

Смотрите также: генератор Ван де Граафа и Внеземная жидкая вода

Водяной пар играет ключевую роль в образовании молний в атмосфере. С точки зрения физики облаков , обычно облака являются настоящими генераторами статического заряда, обнаруженного в атмосфере Земли. Способность облаков удерживать огромное количество электроэнергии напрямую зависит от количества водяного пара, присутствующего в локальной системе.

Количество водяного пара напрямую регулирует диэлектрическую проницаемость воздуха. В периоды низкой влажности статический разряд происходит быстро и легко. В периоды повышенной влажности происходит меньше статических разрядов. Диэлектрическая проницаемость и емкость работают рука об руку, создавая мегаваттную мощность молнии. [42]

Например, после того, как облако начало превращаться в генератор молний, ​​водяной пар из атмосферы действует как вещество (или изолятор ), которое снижает способность облака выделять свою электрическую энергию. Если через некоторое время облако продолжит генерировать и накапливать больше статического электричества , барьер, созданный атмосферным водяным паром, в конечном итоге разрушится из-за накопленной электрической потенциальной энергии. [43] Эта энергия будет выпущена в локальную противоположно заряженную область в виде молнии. Сила каждого разряда напрямую связана с диэлектрической проницаемостью атмосферы, емкостью и способностью источника генерировать заряд. [44]

Внеземное [ править ]

Дополнительная информация: Внеземная жидкая вода.

Водяной пар распространен в Солнечной системе и, соответственно, в других планетных системах . Его сигнатура была обнаружена в атмосферах Солнца в солнечных пятнах . Присутствие водяного пара было обнаружено в атмосферах всех семи внеземных планет Солнечной системы, на Луне Земли [45] и на спутниках других планет, [ какие? ] хотя обычно только в следовых количествах.

Криогейзер извергается на спутнике Юпитера Европе (концепция художника) [46]
Художественная иллюстрация подписи воды в атмосферах экзопланеты, обнаруживаемых такими инструментами, как космический телескоп Хаббла . [47]

Считается , что геологические образования, такие как криогайзеры , существуют на поверхности нескольких ледяных лун, выбрасывающих водяной пар из-за приливного нагрева, и могут указывать на наличие значительного количества подземной воды. Шлейфы водяного пара были обнаружены на спутнике Юпитера Европе и похожи на шлейфы водяного пара, обнаруженные на спутнике Сатурна Энцеладе . [46] Следы водяного пара были также обнаружены в стратосфере Титана . [48] Водяной пар был обнаружен, что основной компонент атмосферы карликовой планеты , Цереры , крупнейшего объекта вПояс астероидов [49] Обнаружение было сделано с использованием дальнего инфракрасного способности на Гершелем космической обсерватории . [50] Это открытие является неожиданным, потому что кометы , а не астероиды , как правило, считаются «источниками струй и плюмов». По словам одного из ученых, «Границы между кометами и астероидами становятся все более размытыми». [50] Ученые, изучающие Марс, выдвигают гипотезу, что, если вода движется по планете, она делает это в виде пара. [51]

Блеск кометы хвостов идет в основном из водяного пара. При приближении к Солнцу многие кометы уносят возвышенное в пар. Зная расстояние до кометы от Солнца, астрономы могут определить содержание воды в комете по ее яркости. [52]

Водяной пар также был подтвержден за пределами Солнечной системы. Спектроскопический анализ HD 209458 b , внесолнечной планеты в созвездии Пегаса, дает первое свидетельство наличия водяного пара в атмосфере за пределами Солнечной системы. У звезды под названием CW Leonis было обнаружено кольцо из огромного количества водяного пара, окружающее стареющую массивную звезду . НАСА спутник предназначен для исследования химических веществ в облаках межзвездного газа, сделал открытие с бортовым спектрометром. Скорее всего, «водяной пар испарился с поверхностей орбитальных комет». [53] HAT-P-11b, относительно небольшая экзопланета, также обладает водяным паром. [54]

См. Также [ править ]

  • Плотность воздуха
  • Атмосферная река
  • Точка кипения
  • Конденсация в динамике аэрозолей
  • Отложение
  • Атмосфера Земли
  • Ковариация вихрей
  • Уравнение состояния
  • Испарительный охладитель
  • Туман
  • Мороз
  • Газовые законы
  • Свободная энергия Гиббса
  • Правило фаз Гиббса
  • Парниковый газ
  • Теплоемкость
  • Теплота испарения
  • Влажность
  • Гигрометр
  • Идеальный газ
  • Кинетическая теория газов
  • Скрытая теплота
  • Скрытый тепловой поток
  • СВЧ радиометр
  • Фаза материи
  • Плотность насыщенного пара
  • Пар
  • Сублимация
  • Перегрев
  • Пересыщение
  • Термодинамика
  • Тропосфера
  • Давление газа

Ссылки [ править ]

  1. ^ Лиде (1992)
  2. ^ a b Венская стандартная средняя океаническая вода (VSMOW), используемая для калибровки, плавится при 273,1500089 (10) K (0,000089 (10) ° C и кипит при 373,1339 [Кельвина | K} (99,9839 ° C).
  3. ^ «Водяной пар - Удельная теплоемкость» . Проверено 15 мая 2012 года .
  4. ^ "Что такое водяной пар?" . Проверено 28 августа 2012 года .
  5. ^ Шредер (2000) , стр. 36
  6. ^ https://web.archive.org/web/20080412215652/http://www.grow.arizona.edu/Grow--GrowResources.php?ResourceId=208 . Архивировано из оригинального 12 апреля 2008 года . Проверено 7 апреля 2008 года . Отсутствует или пусто |title=( справка )
  7. ^ «плавание, бассейн, расчет, испарение, вода, термальный, температура, влажность, пар, excel» . Проверено 26 февраля, 2016 .
  8. ^ «Сводка результатов всех исследований скорости испарения в бассейне» . Р.Л. Мартин и партнеры. Архивировано из оригинального 24 марта 2008 года.
  9. ^ «климат - метеорология» . Encyclopdia Britannica . Проверено 26 февраля, 2016 .
  10. ^ Шредер (2000) , стр. 19
  11. ↑ Уильямс, Джек (5 августа 2013 г.). «Почему сухой воздух тяжелее влажного» . Вашингтон Пост . Проверено 28 декабря 2014 года .
  12. ^ «Влажность 101» . Всемирный фонд спасения воды. Архивировано из оригинального 16 апреля 2013 года . Проверено 28 декабря 2014 года .
  13. ^ Гуди, Томас Дж. "Паровые шары и паровые дирижабли" . Проверено 26 августа 2010 года .
  14. ^ "Составы давления водяного пара" . Проверено 26 февраля, 2016 .
  15. ^ МакЭлрой (2002) , стр. 34, Рис. 4.3a
  16. ^ МакЭлрой (2002) , стр. 36 пример 4.1
  17. ^ https://web.stanford.edu/~ajlucas/The%20Atmosphere%20as%20a%20Heat%20Engine.pdf
  18. ^ Брюс Л. Гэри. «Ch # 5» . Проверено 26 февраля, 2016 .
  19. ^ а б «Парниковый эффект углекислого газа» . Проверено 26 февраля, 2016 .
  20. ^ Уивер и Раманатан (1995)
  21. ^ Норрис, Г. (2 декабря 2013 г.). «Ледяной сюрприз». Авиационная неделя и космические технологии . 175 (41): 30,22 000 футов, что считается верхним пределом для облаков, содержащих переохлажденную жидкую воду.
  22. ^ "Климатологи подтверждают неуловимые горячие точки тропосферы" . Центр передового опыта ARC в области науки о климатических системах . Проверено 17 мая 2015 года .
  23. ^ Шервуд, S; Нишант, Н (11 мая 2015 г.). «Атмосферные изменения в течение 2012 года, как показывают итеративно усредненные данные радиозонда о температуре и ветре (IUKv2)» . Письма об экологических исследованиях . 10 (5): 054007. Bibcode : 2015ERL .... 10e4007S . DOI : 10.1088 / 1748-9326 / 10/5/054007 .
  24. ↑ Feldman, D (25 февраля 2015 г.). «Наблюдательное определение поверхностного радиационного воздействия CO2 с 2000 по 2010 год» . Природа . 519 (7543): 339–343. Bibcode : 2015Natur.519..339F . DOI : 10,1038 / природа14240 . PMID 25731165 . 
  25. ^ Мессер, А. "Инверсионные следы от реактивных двигателей изменяют среднесуточный диапазон температур" . Проверено 17 мая 2015 года .
  26. ^ Данахи, А. "Инверсионные следы самолетов способствуют удержанию тепла облаками высокого уровня" . Проверено 17 мая 2015 года .
  27. ^ Райан, А; Маккензи, А; и другие. (Сентябрь 2012 г.). «Инверсионные следы Второй мировой войны: тематическое исследование вызванной авиацией облачности». Международный журнал климатологии . 32 (11): 1745–1753. Bibcode : 2012IJCli..32.1745R . DOI : 10.1002 / joc.2392 .
  28. ^ Vogt et al. (2010) : «Равновесная температура Земли составляет 255 К, что значительно ниже точки замерзания воды, но из-за атмосферы парниковый эффект нагревает поверхность»
  29. ^ Какое максимальное и минимальное расстояние до Земли совместимо с жизнью?
  30. ^ "для Земли альбедо составляет 0,306, а расстояние составляет 1.000 а. е., поэтому ожидаемая температура составляет 254 K или -19 C - значительно ниже точки замерзания воды!"
  31. ^ де Патер, И., Лиссауэр, Дж., Планетарные науки, Cambridge University Press, 2007
  32. ^ «Свойства» . Американское химическое общество . Проверено 26 февраля, 2016 .
  33. ^ Lacis, A. et al., Роль долгоживущих парниковых газов как основного регулятора LW, который управляет глобальной температурой поверхности при изменении климата в прошлом и будущем, Tellus B, vol. 65 с. 19734, 2013
  34. ^ Gleick, PH (1996). "Водные ресурсы". В Schneider, SH (ред.). Энциклопедия климата и погоды . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. С. 817–823. Vol. 2
  35. ^ Сигурдссон и Хоутон (2000)
  36. Перейти ↑ Skolnik (1990) , p. 23,5
  37. ↑ Скольник (1990) , стр. 2.44–2.54
  38. ^ «Водяной пар» . Глобальные карты. 31 июля 2018 . Проверено 26 февраля, 2016 .
  39. ^ Лойола, Диего. «ГОМЕ-2 / МетОП-А в DLR» . atmos.eoc.dlr.de . Проверено 19 октября 2017 года .
  40. ^ Теннисон, Джонатан (2014). «Диполи колебательно-вращательного перехода из первых принципов» . Журнал молекулярной спектроскопии . 298 : 1–6. Bibcode : 2014JMoSp.298 .... 1T . DOI : 10.1016 / j.jms.2014.01.012 .
  41. ↑ Tennyson, J., Bernath, PF, Brown, LR, Campargue, A., Carleer, MR, Csa´sza´r, AG, Daumont, L., Gamache, RR, es, JTH, Naumenko, OV, Polyansky, О.Л., Ротмам, Л.С., Вандаэле, А.К., Зобов, Н.Ф., Аль Дерзи, АР, Фабри, К., Фазлиев, А.З., Ртенбахер, Т.Ф., Гордон, И.Е., Лоди, Л., и Мизус, II (2013) . «Критическая оценка ИЮПАК вращательно-колебательных спектров водяного пара 1440. Часть III». Физическая химия Химическая физика . 15 (37): 15 371–15 381. Bibcode : 2013PCCP ... 1515371T . DOI : 10.1039 / C3CP50968K . PMID 23928555 . CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  42. ^ Shadowitz (1975) , стр. 165-171
  43. ^ Shadowitz (1975) , стр. 172-173, 182, 414-416
  44. ^ Shadowitz (1975) , стр. 172
  45. ^ Sridharan et al. (2010) , стр. 947
  46. ^ а б Кук, Цзя-Жуй С .; Гутро, Роб; Браун, Дуэйн; Харрингтон, JD; Фон, Джо (12 декабря 2013 г.). «Хаббл видит признаки водяного пара на Луне Юпитера» . НАСА . Проверено 12 декабря 2013 года .
  47. ^ «Хаббл отслеживает слабые следы воды в атмосферах экзопланет (иллюстрация художника)» . Пресс-релиз ЕКА / Хаббла . Проверено 5 декабря 2013 года .
  48. ^ Cottini et al. (2012)
  49. ^ Küppers et al. (2014)
  50. ^ a b Харрингтон, JD (22 января 2014 г.). "Телескоп Herschel обнаруживает воду на карликовой планете - выпуск 14-021" . НАСА . Проверено 22 января 2014 года .
  51. ^ Якоски, Брюс и др. «Вода на Марсе», апрель 2004 г., Physics Today , с. 71.
  52. ^ Анатомия кометы
  53. ^ Ллойд, Робин. «Водяной пар, возможные кометы, найденная звезда на орбите», 11 июля 2001 г., Space.com . Проверено 15 декабря 2006 года.
  54. ^ Клавин, Уитни; Чоу, Фелиция; Уивер, Донна; Вильярд; Джонсон, Мишель (24 сентября 2014 г.). «Телескопы НАСА находят чистое небо и водяной пар на экзопланете» . НАСА . Проверено 24 сентября 2014 года .

Библиография [ править ]

  • Cottini, V .; Nixon, C.A .; Дженнингс, Д. Э .; Anderson, C.M .; Gorius, N .; Bjoraker, GL; Coustenis, A .; Teanby, N.A .; Achterberg, R.K .; Bézard, B .; de Kok, R .; Lellouch, E .; Ирвин, П. Г. Дж .; Flasar, F.M .; Бампасидис, Г. (2012). «Водяной пар в стратосфере Титана по дальним инфракрасным спектрам CIRS Cassini». Икар . 220 (2): 855–862. Bibcode : 2012Icar..220..855C . DOI : 10.1016 / j.icarus.2012.06.014 . hdl : 2060/20140010836 .
  • Кюпперс, Майкл; О'Рурк, Лоуренс; Бокеле-Морван, Доминик; Захаров, Владимир; Ли, Сынвон; фон Аллмен, Пауль; Керри, Бенуа; Тейсье, Дэвид; Марстон, Энтони; Мюллер, Томас; Crovisier, Жак; Баруччи, М. Антониетта; Морено, Рафаэль (2014). «Локальные источники водяного пара на карликовой планете (1) Церера». Природа . 505 (7484): 525–527. Bibcode : 2014Natur.505..525K . DOI : 10,1038 / природа12918 . PMID  24451541 .
  • Лиде, Дэвид (1992). CRC Справочник по химии и физике (73-е изд.). CRC Press.
  • МакЭлрой, Майкл Б. (2002). Атмосферная среда . Издательство Принстонского университета.
  • Шредер, Дэвид (2000). Теплофизика . Эддисон Уэсли Лонгман.
  • Shadowitz, Альберт (1975). Электромагнитное поле . Макгроу-Хилл.
  • Сигурдссон, Харальдур; Хоутон, Б. Ф. (2000). Энциклопедия вулканов . Сан-Диего, Калифорния: Academic Press. ISBN 9780126431407.
  • Скольник, Меррилл (1990). Справочник по радарам (2-е изд.). Макгроу-Хилл.
  • Sridharan, R .; Ахмед, С. М .; Даса, Тиртха Пратим; Sreelathaa, P .; Pradeepkumara, P .; Найка, Неха; Суприя, Гогулапати (2010). « „ Доказательство прямого“для воды (Н 2 О) в солнечной атмосфере Луны от Chace на MIP из Чандраян I». Планетарная и космическая наука . 58 (6): 947–950. Bibcode : 2010P & SS ... 58..947S . DOI : 10.1016 / j.pss.2010.02.013 .
  • Фогт, Стивен С .; Батлер, Р. Пол; Rivera, E.J .; Haghighipour, N .; Генри, Грегори В .; Уильямсон, Майкл Х. (2010). «Ликский-Карнеги экзопланет обследование: 3,1 М ⊕ планет в жилой зоне близлежащего M3V звезда Gliese 581» (PDF , проект) . Астрофизический журнал . 723 (1): 954–965. arXiv : 1009,5733 . Bibcode : 2010ApJ ... 723..954V . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 723/1/954 .
  • Weaver, C.P .; Раманатан, В. (1995). «Выводы из простой модели климата: факторы, определяющие температуру поверхности и термическую структуру атмосферы» (PDF) . Журнал геофизических исследований . 100 (D6): 11585–11591. Bibcode : 1995JGR ... 10011585W . DOI : 10.1029 / 95jd00770 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Национальная научная цифровая библиотека - Водяной пар
  • Рассчитайте конденсацию выдыхаемого воздуха
  • Мифы о водяном паре: краткое руководство
  • Водяной пар AGU в климатической системе - 1995 г.
  • Бесплатная программа для Windows, Калькулятор преобразования единиц давления водяного пара - PhyMetrix