Водяной пар

Водяной пар (H 2 O)
Невидимый водяной пар конденсируется, образуя видимые облака капель жидкого дождя
Жидкое состояние	Вода
Твердотельный	Лед
Характеристики
Молекулярная формула	Н 2 О
Молярная масса	18.01528(33)  g / mol
Температура плавления	0,00 °С (273,15 К )
Точка кипения	99,98 °С (373,13 К)
Удельная газовая постоянная	461,5 Дж /( кг ·К)
Теплота испарения	2,27 МДж /кг
Теплоемкость при 300 К	1864 кДж /(кг·К)

Водяной пар , водяной пар или водяной пар — это газовая фаза воды . Это одно из состояний воды в гидросфере . Водяной пар может образовываться при или кипении жидкой воды или при сублимации льда испарении . Водяной пар прозрачен, как и большинство компонентов атмосферы. В типичных атмосферных условиях водяной пар постоянно образуется путем испарения и удаляется путем конденсации . Он менее плотный, чем большинство других компонентов воздуха , и вызывает конвекционные потоки, которые могут привести к образованию облаков и тумана.

Будучи компонентом гидросферы и гидрологического цикла Земли, он особенно распространен в атмосфере Земли , где он действует как парниковый газ и вызывает потепление, внося больший вклад в общий парниковый эффект, чем неконденсирующиеся газы, такие как углекислый газ и метан . Использование водяного пара в виде пара было важно для приготовления пищи, а также в качестве основного компонента в системах производства и транспортировки энергии со времен промышленной революции .

Водяной пар — относительно распространенный компонент атмосферы, присутствующий даже в солнечной атмосфере , а также на каждой планете Солнечной системы и во многих астрономических объектах, включая естественные спутники , кометы и даже крупные астероиды . Точно так же обнаружение внесолнечного водяного пара указывало бы на аналогичное распределение в других планетных системах. Водяной пар также может быть косвенным свидетельством присутствия внеземной жидкой воды в случае некоторых объектов планетарной массы.

Водяной пар, который реагирует на изменения температуры, называется «обратной связью», поскольку он усиливает действие сил, которые изначально вызывают потепление. Итак, это парниковый газ.

Характеристики

Испарение

Когда молекула воды покидает поверхность и диффундирует в окружающий газ, говорят, что она испарилась . Каждая отдельная молекула воды, которая переходит между более связанным (жидкость) и менее связанным (пар/газ) состоянием, делает это посредством поглощения или выделения 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 некоторое количество тепла в процессе, называемом испарительным охлаждением . Количество водяного пара в воздухе определяет, как часто молекулы будут возвращаться на поверхность. Когда происходит чистое испарение, водоем подвергается чистому охлаждению, непосредственно 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 делают то же самое по всему миру. Данные США собираются и компилируются в ежегодную карту испарения. Измерения варьируются от менее 30 до более 120 дюймов в год. Формулы можно использовать для расчета скорости испарения с поверхности воды, например бассейна. В некоторых странах скорость испарения значительно превышает количество осадков .

Испарительное охлаждение ограничено атмосферными условиями . Влажность – это количество водяного пара в воздухе. Содержание пара в воздухе измеряется с помощью приборов, известных как гигрометры . Измерения обычно выражаются в виде удельной влажности или относительной влажности в процентах . Температуры атмосферы и поверхности воды определяют равновесное давление пара; Относительная влажность 100% 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 температуре 30 °C.

Восстановление метеоритов в Антарктиде ( ANSMET )

Электронная микрофотография лиофилизированной капиллярной ткани.

Сублимация

Сублимация — это процесс, при котором молекулы воды непосредственно покидают поверхность льда, не превращаясь сначала в жидкую воду. Сублимация объясняет медленное исчезновение льда и снега в середине зимы при слишком низких температурах, чтобы вызвать таяние. Антарктида демонстрирует этот эффект в уникальной степени, поскольку это континент с самым низким уровнем осадков на Земле. В результате появились большие территории, где тысячелетние слои снега сублимировались, оставив после себя все нелетучие материалы, которые они содержали. Это чрезвычайно ценно для некоторых научных дисциплин, ярким примером которых является коллекция метеоритов , которые остаются открытыми в беспрецедентном количестве и в отличной сохранности.

Сублимация важна при подготовке некоторых классов биологических препаратов к сканирующей электронной микроскопии . Обычно образцы готовятся путем криофиксации и замораживания , после чего сломанная поверхность подвергается замораживанию и эрозии под воздействием вакуума до тех пор, пока не будет достигнут необходимый уровень детализации. Этот метод может отображать молекулы белка, структуры органелл и липидные бислои с очень низкой степенью искажений.

Конденсат

Облака, образованные конденсированным водяным паром

Водяной пар будет конденсироваться на другой поверхности только в том случае, если эта поверхность холоднее температуры точки росы или когда равновесие водяного пара в воздухе нарушено. Когда водяной пар конденсируется на поверхности, на этой поверхности происходит суммарное нагревание. Молекула воды приносит с собой тепловую энергию. В свою очередь, температура атмосферы несколько падает. В атмосфере конденсация приводит к образованию облаков, тумана и осадков (обычно только в том случае, если этому способствуют ядра 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 в атмосфере. Отложение — это фазовый переход, отдельный от конденсации, который приводит к прямому образованию льда из водяного пара. мороз Примерами отложений являются и снег.

Существует несколько механизмов охлаждения, при помощи которых происходит конденсация:1) Прямая потеря тепла за счет проводимости 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, холодными и теплыми фронтами. 3) Адвективное охлаждение – охлаждение за счет горизонтального движения воздуха.

Важность и использование

• Обеспечивает воду растениям и животным: водяной пар преобразуется в дождь и снег, которые служат естественным источником воды для растений и животных.
• Контролирует испарение: избыток водяного пара в воздухе снижает скорость испарения.
• Определяет климатические условия: избыток водяного пара в воздухе вызывает дождь, туман, снег и т. д. Следовательно, он определяет климатические условия.

Химические реакции

Продуктом ряда химических реакций является вода. Если реакции протекают при температуре выше точки росы окружающего воздуха, вода будет образовываться в виде пара и увеличивать местную влажность, если ниже точки росы произойдет местная 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.

Подобным образом в присутствии водяного пара могут происходить и другие химические или физические реакции, приводящие к образованию новых химических веществ, таких как ржавчина на железе или стали, полимеризации (некоторые пенополиуретаны и цианакрилатные клеи отверждаются под воздействием атмосферной влажности) или изменению формы. например, безводные химические вещества могут поглощать достаточно пара, чтобы сформировать кристаллическую структуру или изменить существующую, что иногда приводит к характерным изменениям цвета, которые можно использовать для измерения .

Измерение

Измерение количества водяного пара в среде может производиться непосредственно или дистанционно с различной степенью точности. Дистанционные методы, такие как электромагнитное поглощение , возможны со спутников над атмосферой планет. В прямых методах могут использоваться электронные преобразователи, смоченные термометры или гигроскопические материалы, измеряющие изменения физических свойств или размеров.

	середина	температурный диапазон (градусы Цельсия)	измерения неопределенность	типичная частота измерений	стоимость системы	примечания
Пращевой психрометр	воздух	от −10 до 50	от низкого до умеренного	ежечасно	низкий
Спутниковая спектроскопия	воздух	от −80 до 60	низкий		очень высокий
Емкостный датчик	воздух/газы	от −40 до 50	умеренный	от 2 до 0,05 Гц	середина	склонен к насыщению/загрязнению со временем
Обогреваемый емкостный датчик	воздух/газы	от −15 до 50	от умеренного до низкого	от 2 до 0,05 Гц (зависит от температуры)	от среднего до высокого	склонен к насыщению/загрязнению со временем
Резистивный датчик	воздух/газы	от −10 до 50	умеренный	60 секунд	середина	склонен к загрязнению
из хлорида лития Ячейка росы	воздух	от −30 до 50	умеренный	непрерывный	середина	см . росовую ячейку
Хлорид кобальта(II)	воздух/газы	от 0 до 50	высокий	5 минут	очень низкий	часто используется в индикаторной карте влажности
Абсорбционная спектроскопия	воздух/газы		умеренный		высокий
Оксид алюминия	воздух/газы		умеренный		середина	см. Анализ влажности
Оксид кремния	воздух/газы		умеренный		середина	см. Анализ влажности
Пьезоэлектрическая сорбция	воздух/газы		умеренный		середина	см. Анализ влажности
электролитический	воздух/газы		умеренный		середина	см. Анализ влажности
Напряжение волос	воздух	от 0 до 40	высокий	непрерывный	от низкого до среднего	Влияет температура. Негативное воздействие при длительном воздействии высоких концентраций.
Нефелометр	воздух/другие газы		низкий		очень высокий
Кожа Златобита (Коровья брюшина)	воздух	от −20 до 30	умеренный (с поправками)	медленно, медленнее при более низких температурах	низкий	ссылка: Руководство ВМО по метеорологическим приборам и методам наблюдений № 8, 2006 г. (страницы 1.12–1).
Лайман-Альфа				высокая частота	высокий	http://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=lyman-alpha-hygrometer1 Требуется частая калибровка
Гравиметрический гигрометр			очень низкий		очень высокий	часто называемые первичными национальными независимыми стандартами, разработанными в США, Великобритании, ЕС и Японии.
	середина	температурный диапазон (градусы Цельсия)	измерения неопределенность	типичная частота измерений	стоимость системы	примечания

Влияние на плотность воздуха

Водяной пар легче или менее плотный, чем сухой воздух . При эквивалентных температурах он является плавучим 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 давление пара 0,6 кПа, а гораздо меньшая плотность - 0,0048 г/л.

Расчеты

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

• Молярная масса воды составляет 18,02 г/моль , рассчитанная по сумме атомных масс составляющих ее атомов .
• Средняя молярная масса воздуха (ок. 78% азота, N ₂ ; 21% кислорода, O ₂ ; 1% других газов) составляет 28,57 г/моль при стандартных температуре и давлении ( СТП ).
• Подчиняясь закону Авогадро и закону идеального газа , влажный воздух будет иметь меньшую плотность, чем сухой воздух. На 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 мала при температуре 0 °C. Красная линия на графике справа — это максимальная концентрация водяного пара, ожидаемая при данной температуре. Концентрация водяного пара значительно увеличивается с повышением температуры, приближаясь к 100% ( пар , чистый водяной пар) при 100 °C. Однако разница в плотности воздуха и водяного пара все равно будет существовать (0,598 против 1,27 г/л).

При равных температурах

При той же температуре столб сухого воздуха будет плотнее или тяжелее, чем столб воздуха, содержащего водяной пар, причем молярная масса двухатомного азота и двухатомного кислорода больше, чем молярная масса воды. Таким образом, любой объем сухого воздуха опустится, если поместить его в больший объем влажного воздуха. Кроме того, объем влажного воздуха будет подниматься или становиться 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 оказать значительное воздействие на атмосферу, вызывая мощные, насыщенные влагой восходящие потоки воздуха, когда температура воздуха и моря достигает 25 °C или выше. Это явление является значительной движущей силой циклонических и антициклонических погодных систем (тайфунов и ураганов).

Дыхание и дыхание

Водяной пар является побочным продуктом дыхания растений и животных. Его вклад в давление увеличивается с увеличением концентрации. Вклад его 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

Водяной пар имеет меньшую плотность, чем у воздуха , и поэтому плавучесть в воздухе, но имеет более низкое давление пара, чем у воздуха. Когда водяной пар используется в качестве подъемного газа на тепловом дирижабле, водяной пар нагревается с образованием пара так, что давление его пара превышает давление окружающего воздуха, чтобы сохранить форму теоретического «парового шара», что дает примерно Подъемная сила гелия на 60 % выше, чем у горячего воздуха.

Общее обсуждение

Количество водяного пара в атмосфере ограничено ограничениями парциального давления и температуры. Температура точки росы и относительная влажность действуют как ориентиры для процесса водяного пара в круговороте воды . Приток энергии, такой как солнечный свет, может вызвать большее испарение на поверхности океана или большую сублимацию на куске льда на вершине горы. Баланс между конденсацией и испарением дает величину, называемую парциальным давлением пара .

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 используемой справочной формулой является уравнение Гоффа-Грэтча для СВП над жидкой водой ниже нуля градусов Цельсия:

${\begin{aligned}\log _{10}\left(p\right)=&-7.90298\left({\frac {373.16}{T}}-1\right)+5.02808\log _{10}{\frac {373.16}{T}}\\&-1.3816\times 10^{-7}\left(10^{11.344\left(1-{\frac {T}{373.16}}\right)}-1\right)\\&+8.1328\times 10^{-3}\left(10^{-3.49149\left({\frac {373.16}{T}}-1\right)}-1\right)\\&+\log _{10}\left(1013.246\right)\end{aligned}}$

где T — температура влажного воздуха, выражена в кельвинах , а p — в миллибарах ( гектопаскалях ) .

Формула действительна примерно от -50 до 102 °C; однако существует очень ограниченное количество измерений давления пара воды над переохлажденной жидкой водой. Можно использовать и ряд других формул.

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 рассеет огромное количество 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 в виде тумана или тумана из капель воды, а также в виде конденсата или инея на поверхностях. Принудительное конденсирование этих капель воды из выдыхаемого воздуха лежит в основе конденсата выдыхаемого воздуха — развивающегося медицинского диагностического теста.

Контроль водяного пара в воздухе является ключевой проблемой в отрасли отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). Тепловой комфорт зависит от условий влажного воздуха. Ситуации, не связанные с человеческим комфортом, называются охлаждением и на них также влияет водяной пар. Например, во многих продовольственных магазинах, таких как супермаркеты, используются открытые холодильные шкафы или пищевые шкафы , которые могут значительно снизить давление водяного пара (снижение влажности). Эта практика приносит ряд преимуществ, а также проблем.

В атмосфере Земли

Доказательства увеличения количества водяного пара в стратосфере с течением времени в Боулдере, штат Колорадо.

Дополнительная информация: Атмосфера Земли.

Газообразная вода представляет собой небольшую, но экологически значимую составляющую атмосферы . Процент водяного пара в приземном воздухе варьируется от 0,01% при -42 °C (-44 °F). до 4,24%, когда точка росы составляет 30 °C (86 °F). Более 99% атмосферной воды находится в форме пара, а не в виде жидкой воды или льда. и примерно 99,13% водяного пара содержится в тропосфере . Конденсация водяного пара в жидкую или ледяную фазу ответственна за облака , дождь, снег и другие осадки , которые считаются одними из наиболее важных элементов того, что мы воспринимаем как погоду. Менее очевидно то, что скрытая теплота испарения , которая выделяется в атмосферу всякий раз, когда происходит конденсация, является одним из наиболее важных составляющих баланса энергии атмосферы как в локальном, так и в глобальном масштабе. Например, скрытое выделение тепла в результате атмосферной конвекции напрямую ответственно за возникновение разрушительных штормов, таких как тропические циклоны и сильные грозы . Водяной пар – важный парниковый газ из-за наличия гидроксильной связи, которая сильно поглощает инфракрасное излучение .

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 температурного уровня, а также рабочей среды, которая перемещается вперед и назад между ними. Верхний уровень температуры задает почва или водная поверхность Земли, которая поглощает поступающую солнечную радиацию и нагревается, испаряя воду. Влажный и теплый воздух у земли легче окружающей среды и поднимается до верхней границы тропосферы. Там молекулы воды излучают свою тепловую энергию в космическое пространство, охлаждая окружающий воздух. Верхняя атмосфера представляет собой нижний температурный уровень атмосферного термодинамического двигателя. Водяной пар в теперь 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, испаряющуюся над океанами, внутрь континентов, позволяя растительности расти. .

Вода в атмосфере Земли не просто находится ниже точки кипения (100 °C), но на высоте она опускается ниже воды точки замерзания (0 °C) из-за сильно полярного притяжения . В сочетании с его количеством водяной пар имеет соответствующую точку росы и точку замерзания , в отличие, например, от углекислого газа и метана. Таким образом, водяной пар имеет масштабную высоту, составляющую часть высоты основной атмосферы. Поскольку вода конденсируется и выходит , прежде всего, в тропосферу , самый нижний слой атмосферы. Углекислый газ ( CO ₂ ) и метан , хорошо смешанные в атмосфере, имеют тенденцию подниматься над водяным паром. Поглощение и выброс обоих соединений способствуют выбросам Земли в космос и, следовательно, планетарному парниковому эффекту . Это парниковое воздействие можно наблюдать непосредственно по четким спектральным характеристикам в зависимости от водяного пара, и наблюдается его рост с ростом _{CO 2 .} уровня И наоборот, добавление водяного пара на больших высотах оказывает непропорциональное воздействие, поэтому движение реактивных самолетов имеет непропорционально высокий согревающий эффект. Окисление метана также является основным источником водяного пара в стратосфере. и добавляет около 15% к эффекту глобального потепления метана.

В отсутствие других парниковых газов водяной пар Земли конденсировался бы на поверхности; это , вероятно, произошло , возможно, не раз. Таким образом, ученые различают неконденсирующиеся (движущие) и конденсируемые (вытесняемые) парниковые газы, т.е. описанную выше обратную связь водяного пара.

Туман и облака образуются в результате конденсации вокруг ядер конденсации облаков . В отсутствие ядер конденсация будет происходить только при гораздо более низких температурах. При постоянной конденсации или отложениях образуются облачные капли или снежинки, которые выпадают в осадок при достижении критической массы.

Концентрация водяного пара в атмосфере сильно варьируется в зависимости от места и времени: от 10 ppmv в самом холодном воздухе до 5% (50 000 ppmv) во влажном тропическом воздухе. и может быть измерен с помощью комбинации наземных наблюдений, метеозондов и спутников. Водность атмосферы в целом постоянно истощается за счет осадков. В то же время он постоянно пополняется за счет испарения, главным образом из океанов, озер, рек и влажной земли. Другие источники атмосферной воды включают горение, дыхание, извержения вулканов, испарение растений и различные другие биологические и геологические процессы. В любой момент времени существует около 1,29 х 10 ¹⁶ литров (3,4 х 10 ¹⁵ галлонов) воды в атмосфере. В атмосфере содержится 1 часть на 2500 пресной воды и 1 часть на 100 000 всей воды на Земле. Среднее глобальное содержание водяного пара в атмосфере примерно достаточно для того, чтобы покрыть поверхность планеты слоем жидкой воды глубиной около 25 мм. Среднегодовое количество осадков на планете составляет около 1 метра, сравнение предполагает быстрый круговорот воды в воздухе – в среднем время пребывания молекулы воды в тропосфере составляет около 9–10 дней.

Некоторые эффекты глобального потепления могут либо усиливать ( положительные обратные связи, такие как увеличение концентрации водяного пара), либо тормозить ( отрицательные обратные связи ) потепление.

Глобальное среднее значение водяного пара составляет около 0,25% массы атмосферы и также варьируется в зависимости от сезона: вклад в атмосферное давление составляет от 2,62 гПа в июле до 2,33 гПа в декабре. В ДО6 МГЭИК выражена средняя степень достоверности увеличения общего количества водяного пара примерно на 1-2% за десятилетие; ожидается, что оно увеличится примерно на 7% на каждый градус потепления.

Эпизоды поверхностной геотермальной активности, такие как извержения вулканов и гейзеры, выбрасывают в атмосферу различное количество водяного пара. Такие извержения могут быть масштабными по человеческим меркам, а крупные эксплозивные извержения могут выбрасывать исключительно большие массы воды исключительно высоко в атмосферу, но в процентном отношении к общему количеству атмосферной воды роль таких процессов тривиальна. Относительные концентрации различных газов, выбрасываемых вулканами, значительно варьируются в зависимости от места и конкретного события на любом месте. Однако водяной пар неизменно является самым распространенным вулканическим газом ; как правило, на него приходится более 60% общего объема выбросов при субаэральном извержении .

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

Радарная и спутниковая съемка

Эти карты показывают среднее количество водяного пара в столбе атмосферы за определенный месяц. ( нажмите, чтобы узнать больше )

MODIS / Terra глобальное среднее значение водяного пара в атмосфере в атм-см (сантиметры воды в атмосферном столбе, если она конденсировалась)

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

Как правило, сигналы радаров постепенно теряют силу по мере продвижения через тропосферу. Различные частоты затухают с разной скоростью, так что некоторые компоненты воздуха непрозрачны для одних частот и прозрачны для других. Радиоволны, используемые для радиовещания и других видов связи, испытывают 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, чего она не делает как отдельная молекула ; однако наличие водяного пара в атмосфере заставляет атмосферу действовать как гигантская призма.

Сравнение спутниковых снимков GOES-12 показывает распределение водяного пара в атмосфере относительно океанов, облаков и континентов Земли. Пар окружает планету, но распределен неравномерно. Цикл изображения справа показывает среднемесячное содержание водяного пара, единицы измерения указаны в сантиметрах, что представляет собой осаждаемую воду или эквивалентное количество воды, которое могло бы быть получено, если бы весь водяной пар в колонне конденсировался. Наименьшее количество водяного пара (0 сантиметров) отображается желтым цветом, а наибольшее количество (6 сантиметров) — темно-синим. Области недостающих данных отображаются оттенками серого. Карты основаны на данных, собранных датчиком спектрорадиометра среднего разрешения (MODIS) на спутнике НАСА Aqua. Наиболее заметной закономерностью во временном ряду является влияние сезонных изменений температуры и поступающего 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 Внутритропическая зона конвергенции , где сходятся восточные пассаты из каждого полушария и вызывают почти ежедневные грозы и облака. Дальше от экватора концентрация водяного пара высока в летнем полушарии и низка в зимнем полушарии. Другая закономерность, которая проявляется во временных рядах, заключается в том, что количество водяного пара над сушей в зимние месяцы уменьшается сильнее, чем над прилегающими областями океана. Во многом это связано с тем, что температура воздуха над сушей зимой падает сильнее, чем температура над океаном. Водяной пар конденсируется быстрее в более холодном воздухе.

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 Глобального эксперимента по мониторингу озона (GOME) на станциях ERS (GOME) и MetOp (GOME-2). Более слабые линии поглощения водяного пара в синем спектральном диапазоне и далее в УФ-диапазоне вплоть до предела диссоциации около 243 нм в основном основаны на квантово-механических расчетах. и лишь частично подтверждаются экспериментами.

Генерация молний

Смотрите также: Генератор Ван де Граафа

Водяной пар играет ключевую роль в образовании молний в атмосфере. Согласно физике облаков , обычно облака являются настоящими генераторами статического заряда , обнаруженного в атмосфере Земли. Способность облаков удерживать огромное количество электроэнергии напрямую связана с количеством водяного пара, присутствующего в локальной системе.

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

Например, после того, как облако стало генератором молний, ​​атмосферный водяной пар действует как вещество (или изолятор ), которое снижает способность облака разряжать свою электрическую энергию. Если через определенное время облако продолжит генерировать и хранить больше статического электричества , барьер, созданный атмосферным водяным паром, в конечном итоге разрушится из-за накопленной потенциальной электрической энергии. Эта энергия будет высвобождена в локальную противоположно заряженную область в виде молнии. Сила каждого разряда напрямую связана с диэлектрической проницаемостью атмосферы, емкостью и способностью источника генерировать заряд.

Инопланетянин

Дополнительная информация: Внеземная жидкая вода.

Водяной пар распространен в Солнечной системе и, соответственно, в других планетных системах . Его подпись была обнаружена в атмосфере Солнца, в виде солнечных пятен . Присутствие водяного пара обнаружено в атмосферах всех семи внеземных планет Солнечной системы, земной Луны, и спутники других планет, хотя обычно в следовых количествах.

Криогейзер , извергающийся на спутнике Юпитера Европе (концепция художника)

Художественная иллюстрация следов воды в атмосферах экзопланет, которые можно обнаружить с помощью таких инструментов, как космический телескоп Хаббл .

Считается, что геологические образования, такие как криогейзеры, существуют на поверхности нескольких ледяных лун, выбрасывающих водяной пар из-за приливного нагрева , и могут указывать на наличие значительных количеств подземной воды. Шлейфы водяного пара были обнаружены на спутнике Юпитера Европе и похожи на шлейфы водяного пара, обнаруженные на спутнике Сатурна Энцеладе . Следы водяного пара также были обнаружены в стратосфере Титана . что водяной пар является основным компонентом атмосферы карликовой планеты Было обнаружено , Церера , крупнейшего объекта в поясе астероидов. Обнаружение было сделано с использованием дальнего инфракрасного диапазона Гершель космической обсерватории . Это открытие является неожиданным, поскольку кометы , а не астероиды обычно считается, что , «выпускают струи и шлейфы». По словам одного из ученых, «границы между кометами и астероидами становятся все более размытыми». Ученые, изучающие Марс, предполагают, что если вода и движется по планете, то в виде пара.

Блеск хвостов комет во многом обусловлен водяным паром. При приближении к Солнцу лед многих комет превращается в пар. Зная расстояние кометы от Солнца, астрономы могут сделать вывод о содержании воды в комете по ее блеску.

Водяной пар также был подтвержден за пределами Солнечной системы. Спектроскопический анализ HD 209458 b , внесолнечной планеты в созвездии Пегаса, дает первое свидетельство присутствия водяного пара в атмосфере за пределами Солнечной системы. Было обнаружено, что звезда под названием CW Leonis имеет кольцо из огромного количества водяного пара, окружающее стареющую массивную звезду . Спутник НАСА, предназначенный для изучения химических веществ в межзвездных газовых облаках, сделал это открытие с помощью бортового спектрометра. Скорее всего, «водяной пар испарился с поверхностей орбитальных комет». Другие экзопланеты с признаками наличия водяного пара включают HAT-P-11b и K2-18b .

См. также

• Плотность воздуха
• Атмосферная река
• Точка кипения
• Конденсация в динамике аэрозоля
• Депонирование
• Атмосфера Земли
• Эдди-ковариация
• 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
• Скрытое тепло
• Скрытый тепловой поток
• Микроволновой радиометр
• Фаза материи
• Плотность насыщенного пара
• Пар
• Сублимация
• Перегрев
• Пересыщение
• Термодинамика
• Тропосфера
• Давление пара

Ссылки

Библиография

• Коттини, В.; Никсон, Калифорния; Дженнингс, Д.Э.; Андерсон, CM; Гориус, Н.; Бьоракер, Г.Л.; Кустенис, А.; Тинби, Северная Каролина; Ахтерберг, РК; Безар, Б.; де Кок, Р.; Лелуш, Э.; Ирвин, PGJ; Флазар, FM; Бампасидис, Г. (2012). «Водяной пар в стратосфере Титана по дальним инфракрасным спектрам Cassini CIRS». Икар . 220 (2): 855–862. Бибкод : 2012Icar..220..855C . дои : 10.1016/j.icarus.2012.06.014 . hdl : 2060/20140010836 . S2CID   46722419 .
• Купперс, Майкл; О'Рурк, Лоуренс; Бокеле-Морван, Доминик ; Захаров Владимир; Ли, Сынвон; фон Альмен, Пол; Керри, Бенуа; Тейсье, Дэвид; Марстон, Энтони; Мюллер, Томас; Кровизье, Жак; Баруччи, М. Антониетта; Морено, Рафаэль (2014). «Локальные источники водяного пара на карликовой планете (1) Церера». Природа . 505 (7484): 525–527. Бибкод : 2014Natur.505..525K . дои : 10.1038/nature12918 . ПМИД   24451541 . S2CID   4448395 .
• Лиде, Дэвид (1992). Справочник CRC по химии и физике (73-е изд.). ЦРК Пресс.
• МакЭлрой, Майкл Б. (2002). Атмосферная среда . Издательство Принстонского университета.
• Шредер, Дэвид (2000). Теплофизика . Эддисон Уэсли Лонгман.
• Шэдоуиц, Альберт (1975). Электромагнитное поле . МакГроу-Хилл.
• Сигурдссон, Харольдур; Хоутон, Б.Ф. (2000). Энциклопедия вулканов Сан-Диего, Калифорния: Academic Press. ISBN  9780126431407 .
• Скольник, Меррилл (1990). Справочник по радарам (2-е изд.). МакГроу-Хилл.
• Шридхаран, Р.; Ахмед, С.М.; Даса, Тиртха Пратим; Шрилатаа, П.; Прадипкумара, П.; Найка, Неха; Суприя, Гогулапати (2010). « Прямое» свидетельство наличия воды (H ₂ O) в солнечной лунной атмосфере, полученное CHACE на MIP Чандраяана I». Планетарная и космическая наука . 58 (6): 947–950. Бибкод : 2010P&SS...58..947S . дои : 10.1016/j.pss.2010.02.013 .
• Фогт, Стивен С.; Батлер, Р. Пол; Ривера, Э.Дж.; Хагигипур, Н.; Генри, Грегори В.; Уильямсон, Майкл Х. (2010). «Обзор экзопланеты Лика-Карнеги: планета размером 3,1 M _⊕ в обитаемой зоне близлежащей звезды M3V Глизе 581» (проект в формате PDF) . Астрофизический журнал . 723 (1): 954–965. arXiv : 1009.5733 . Бибкод : 2010ApJ...723..954В . дои : 10.1088/0004-637X/723/1/954 . S2CID   3163906 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
• Уивер, CP; Раманатан, В. (1995). «Выводы из простой модели климата: факторы, определяющие температуру поверхности и термическую структуру атмосферы» (PDF) . Журнал геофизических исследований . 100 (Д6): 11585–11591. Бибкод : 1995JGR...10011585W . дои : 10.1029/95jd00770 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.

Внешние ссылки

• 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 измерения давления водяного пара – PhyMetrix