Para wodna - Water vapor

Para wodna (H 2 O)
St Johns Fog.jpg
Niewidzialna para wodna skrapla się, tworząc
widoczne chmury kropelek ciekłego deszczu
Stan ciekły Woda
Stan stały lód
Nieruchomości
Formuła molekularna H 2 O
Masa cząsteczkowa 18.01528(33)  g / mol
Temperatura topnienia 0,00  °C (273,15  K )
Temperatura wrzenia 99,98 °C (373,13 K)
właściwa stała gazowa 461,5 J /( kg ·K)
Ciepło parowania 2,27 MJ /kg
Pojemność cieplna przy 300 K 1,864 kJ /(kg·K)

Para wodna , para wodna lub para wodna to gazowa faza wody . Jest to jeden stan wody w hydrosferze . Woda oparów może być wytwarzana z odparowania lub wrzącej wody w postaci ciekłej lub w sublimacji z lodem . Para wodna jest przezroczysta, jak większość składników atmosfery. W typowych warunkach atmosferycznych para wodna jest stale generowana przez parowanie i usuwana przez kondensację . Jest mniej gęsty niż większość innych składników powietrza i wyzwala prądy konwekcyjne , które mogą prowadzić do powstawania chmur.

Będąc składnikiem hydrosfery i cyklu hydrologicznego Ziemi, występuje szczególnie obficie w ziemskiej atmosferze , gdzie działa jako gaz cieplarniany i sprzężenie zwrotne związane z ociepleniem, przyczyniając się w większym stopniu do całkowitego efektu cieplarnianego niż gazy niekondensowalne, takie jak dwutlenek węgla i metan . Wykorzystanie pary wodnej, jako pary , było ważne w gotowaniu oraz jako główny składnik systemów produkcji i transportu energii od czasu rewolucji przemysłowej .

Para wodna jest stosunkowo powszechnym składnikiem atmosfery, obecnym nawet w atmosferze słonecznej, jak również na każdej planecie Układu Słonecznego i wielu obiektach astronomicznych, w tym naturalnych satelitach , kometach, a nawet dużych asteroidach . Podobnie wykrycie pozasłonecznej pary wodnej wskazywałoby na podobny rozkład w innych układach planetarnych. Para wodna jest istotna, ponieważ może być pośrednim dowodem na obecność pozaziemskiej ciekłej wody w przypadku niektórych obiektów o masie planetarnej.

Nieruchomości

Odparowanie

Ilekroć cząsteczka wody opuszcza powierzchnię i dyfunduje do otaczającego gazu, mówi się, że wyparowała . Każda pojedyncza cząsteczka wody, która przechodzi między stanem bardziej zasocjowanym (ciecz) i mniej zasocjowanym (para/gaz), robi to poprzez absorpcję lub uwolnienie energii kinetycznej . Zbiorczy pomiar tego transferu energii kinetycznej jest definiowany jako energia cieplna i występuje tylko wtedy, gdy występuje różnica temperatur cząsteczek wody. Ciekła woda, która staje się parą wodną, ​​zabiera ze sobą porcję ciepła w procesie zwanym chłodzeniem wyparnym . Ilość pary wodnej w powietrzu określa, jak często cząsteczki powracają na powierzchnię. Kiedy nastąpi parowanie netto, zbiornik wodny zostanie poddany chłodzeniu netto bezpośrednio związanemu z utratą wody.

W Stanach Zjednoczonych National Weather Service mierzy rzeczywistą szybkość parowania ze znormalizowanej „miski” otwartej powierzchni wody na zewnątrz, w różnych miejscach w całym kraju. Inni robią to samo na całym świecie. Dane z USA są gromadzone i kompilowane w roczną mapę parowania. Pomiary wahają się od poniżej 30 do ponad 120 cali rocznie. Wzory mogą służyć do obliczania szybkości parowania z powierzchni wody, takiej jak basen. W niektórych krajach szybkość parowania znacznie przekracza szybkość opadów .

Chłodzenie wyparne jest ograniczone przez warunki atmosferyczne . Wilgotność to ilość pary wodnej w powietrzu. Zawartość pary w powietrzu jest mierzona za pomocą urządzeń znanych jako higrometry . Pomiary są zwykle wyrażane jako wilgotność właściwa lub procentowa wilgotność względna . Temperatury atmosfery i powierzchni wody determinują równowagową prężność pary; Wilgotność względna 100% występuje, gdy ciśnienie parcjalne pary wodnej jest równe ciśnieniu równowagi pary. Ten stan jest często określany jako całkowite nasycenie. Wilgotność waha się od 0 gramów na metr sześcienny w suchym powietrzu do 30 gramów na metr sześcienny (0,03 uncji na stopę sześcienną), gdy para jest nasycona w temperaturze 30 °C.

Odzyskiwanie meteorytów na Antarktydzie ( ANSMET )
Mikrografia elektronowa liofilizowanej tkanki kapilarnej

Sublimacja

Sublimacja to proces, w którym cząsteczki wody bezpośrednio opuszczają powierzchnię lodu, nie stając się najpierw wodą w stanie ciekłym. Sublimacja odpowiada za powolne zanikanie lodu i śniegu w środku zimy w temperaturach zbyt niskich, aby spowodować topnienie. Antarktyda pokazuje ten efekt w wyjątkowym stopniu, ponieważ jest to kontynent o najniższym wskaźniku opadów na Ziemi. W rezultacie istnieją duże obszary, na których tysiącletnie warstwy śniegu uległy sublimacji, pozostawiając wszelkie nielotne materiały, które zawierały. Jest to niezwykle cenne dla niektórych dyscyplin naukowych, czego dramatycznym przykładem jest kolekcja meteorytów, które są odsłonięte w niezrównanej liczbie i doskonałym stanie zachowania.

Sublimacja jest ważna w przygotowaniu niektórych klas preparatów biologicznych do skaningowej mikroskopii elektronowej . Zazwyczaj próbki są przygotowywane przez kriofiksację i zamrażanie-złamania , po czym złamana powierzchnia jest wytrawiana, erodowana przez poddanie działaniu próżni aż do uzyskania wymaganego poziomu szczegółowości. Ta technika może wyświetlać cząsteczki białek, struktury organelli i dwuwarstwy lipidowe z bardzo niskim stopniem zniekształcenia.

Kondensacja

Chmury utworzone przez skondensowaną parę wodną

Para wodna skondensuje się na innej powierzchni tylko wtedy, gdy ta powierzchnia będzie chłodniejsza niż temperatura punktu rosy lub gdy równowaga pary wodnej w powietrzu zostanie przekroczona. Kiedy para wodna skrapla się na powierzchni, następuje na niej ocieplenie sieci. Cząsteczka wody niesie ze sobą energię cieplną. Z kolei temperatura atmosfery nieznacznie spada. W atmosferze kondensacja powoduje powstawanie chmur, mgły i opadów (zwykle tylko wtedy, gdy ułatwiają ją jądra kondensacji chmur ). Punkt rosy przesyłki lotniczej to temperatura, do której musi się ona schłodzić, zanim para wodna w powietrzu zacznie się skraplać. Kondensacja w atmosferze tworzy kropelki chmur.

Również kondensacja netto pary wodnej występuje na powierzchniach, gdy temperatura powierzchni jest równa lub niższa od temperatury punktu rosy atmosfery. Osadzanie jest przemianą fazową oddzieloną od kondensacji, która prowadzi do bezpośredniego tworzenia lodu z pary wodnej. Przykładami depozycji są mróz i śnieg.

Istnieje kilka mechanizmów chłodzenia, dzięki którym zachodzi kondensacja: 1) Bezpośrednia utrata ciepła przez przewodzenie lub promieniowanie. 2) Chłodzenie spowodowane spadkiem ciśnienia powietrza, który pojawia się wraz z uniesieniem powietrza, znane również jako chłodzenie adiabatyczne . Powietrze mogą być unoszone przez góry, które odchylają powietrze w górę, przez konwekcję oraz przez zimne i ciepłe fronty. 3) Chłodzenie adwekcyjne - chłodzenie dzięki poziomemu ruchowi powietrza.

Reakcje chemiczne

Woda jest produktem wielu reakcji chemicznych. Jeśli reakcje zachodzą w temperaturach wyższych niż punkt rosy otaczającego powietrza, woda uformuje się jako para i zwiększy lokalną wilgotność, jeśli poniżej punktu rosy nastąpi lokalna kondensacja. Typowe reakcje, w wyniku których powstaje woda, to spalanie wodoru lub węglowodorów w powietrzu lub innych mieszaninach gazów zawierających tlen , lub w wyniku reakcji z utleniaczami.

W podobny sposób w obecności pary wodnej mogą zachodzić inne reakcje chemiczne lub fizyczne, w wyniku których powstają nowe związki chemiczne, takie jak rdza na żelazie lub stali, zachodzi polimeryzacja (niektóre pianki poliuretanowe i kleje cyjanoakrylowe utwardzają się pod wpływem wilgoci z powietrza) lub zmieniają się formy na przykład w przypadku, gdy bezwodne chemikalia mogą wchłonąć wystarczającą ilość oparów, aby utworzyć strukturę krystaliczną lub zmienić istniejącą, czasami powodując charakterystyczne zmiany koloru, które można wykorzystać do pomiaru .

Pomiar

Pomiar ilości pary wodnej w medium może odbywać się bezpośrednio lub zdalnie z różnym stopniem dokładności. Metody zdalne, takie jak absorpcja elektromagnetyczna, są możliwe z satelitów nad atmosferami planetarnymi. Metody bezpośrednie mogą wykorzystywać przetworniki elektroniczne, zwilżone termometry lub materiały higroskopijne mierzące zmiany właściwości fizycznych lub wymiarów.

średni zakres temperatur (stopnie C) niepewność pomiaru typowa częstotliwość pomiaru koszt systemu notatki
Psychrometr z procy powietrze -10 do 50 niski do umiarkowanego cogodzinny Niska
Spektroskopia satelitarna powietrze -80 do 60 Niska bardzo wysoko
Czujnik pojemnościowy powietrze/gazy -40 do 50 umiarkowany 2 do 0,05 Hz średni skłonność do nasycenia/zanieczyszczenia z czasem
Ogrzewany czujnik pojemnościowy powietrze/gazy -15 do 50 umiarkowany do niskiego 2 do 0,05 Hz (w zależności od temperatury) średni do wysokiego skłonność do nasycenia/zanieczyszczenia z czasem
Czujnik rezystancyjny powietrze/gazy -10 do 50 umiarkowany 60 sekund średni podatne na zanieczyszczenia
Dewcell chlorku litu powietrze -30 do 50 umiarkowany ciągły średni zobacz dewcell
Chlorek kobaltu(II) powietrze/gazy 0 do 50 wysoka 5 minut bardzo niski często używany w karcie wskaźnika wilgotności
Spektroskopia absorpcyjna powietrze/gazy umiarkowany wysoka
Tlenek glinu powietrze/gazy umiarkowany średni patrz Analiza wilgotności
Tlenek krzemu powietrze/gazy umiarkowany średni patrz Analiza wilgotności
Sorpcja piezoelektryczna powietrze/gazy umiarkowany średni patrz Analiza wilgotności
Elektrolityczny powietrze/gazy umiarkowany średni patrz Analiza wilgotności
Napięcie włosów powietrze 0 do 40 wysoka ciągły niski do średniego Pod wpływem temperatury. Niekorzystnie wpływa na długotrwałe wysokie stężenia
Nefelometr powietrze/inne gazy Niska bardzo wysoko
Skóra Goldbeatera (Cow Peritoneum) powietrze -20 do 30 umiarkowany (z poprawkami) wolno, wolniej w niższych temperaturach Niska ref: WMO Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation No. 8 2006, (strony 1.12–1)
Lyman-alfa Wysoka częstotliwość wysoka http://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=lyman-alpha-hygrometer1 Wymaga częstej kalibracji
Higrometr grawimetryczny bardzo niski bardzo wysoko często nazywane źródłem podstawowym, niezależne krajowe standardy opracowane w USA, Wielkiej Brytanii, UE i Japonii
średni zakres temperatur (stopnie C) niepewność pomiaru typowa częstotliwość pomiaru koszt systemu notatki

Wpływ na gęstość powietrza

Para wodna jest lżejsza lub mniej gęsta niż suche powietrze . W równoważnych temperaturach wykazuje wyporność w stosunku do suchego powietrza, przy czym gęstość suchego powietrza w standardowej temperaturze i ciśnieniu (273,15 K, 101,325 kPa) wynosi 1,27 g/l, a para wodna w standardowej temperaturze ma prężność pary 0,6 kPa, a znacznie niższa gęstość 0,0048 g/L.

Obliczenia

Punkt rosy.jpg

Obliczenia gęstości pary wodnej i suchego powietrza w temperaturze 0 °C:

  • Masa molowa wody wynosi 18,02 g/mol , obliczona z sumy mas atomowych jej atomów składowych .
  • Średnia masa molowa powietrza (ok. 78% azotu, N 2 ; 21% tlenu, O 2 ; 1% innych gazów) wynosi 28,57 g/mol przy standardowej temperaturze i ciśnieniu ( STP ).
  • Zgodnie z prawem Avogadro i prawem gazu doskonałego , wilgotne powietrze będzie miało mniejszą gęstość niż powietrze suche. Przy max. nasycenie (tj. wilgotność względna = 100% przy 0 °C) gęstość spadnie do 28,51 g/mol.
  • Warunki STP oznaczają temperaturę 0 °C, w której zdolność wody do przekształcenia się w parę jest bardzo ograniczona. Jego stężenie w powietrzu jest bardzo niskie w temperaturze 0 °C. Czerwona linia na wykresie po prawej stronie to maksymalne stężenie pary wodnej oczekiwane dla danej temperatury. Stężenie pary wodnej znacznie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, zbliżając się do 100% ( para wodna , czysta para wodna) przy 100°C. Jednak różnica w gęstości między powietrzem a parą wodną nadal będzie istniała (0,598 vs. 1,27 g/l).

W równych temperaturach

W tej samej temperaturze słup suchego powietrza będzie gęstszy lub cięższy niż słup powietrza zawierającego parę wodną, ​​przy czym masa molowa azotu dwuatomowego i tlenu dwuatomowego jest większa niż masa molowa wody. W ten sposób każda objętość suchego powietrza opadnie, jeśli zostanie umieszczona w większej objętości wilgotnego powietrza. Ponadto, ilość wilgotnego powietrza będzie lub będzie wyporu jeśli jest umieszczony w większym obszarze suchego powietrza. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta proporcja pary wodnej w powietrzu i zwiększa się jej wyporność. Wzrost wyporu może mieć znaczący wpływ na atmosferę, powodując silne, bogate w wilgoć, wznoszące się prądy powietrza, gdy temperatura powietrza i temperatura morza osiągają 25°C lub więcej. Zjawisko to stanowi istotną siłę napędową dla cyklonowych i antycyklonicznych systemów pogodowych (tajfuny i huragany).

Oddychanie i oddychanie

Para wodna jest produktem ubocznym oddychania roślin i zwierząt. Jego udział w ciśnieniu wzrasta wraz ze wzrostem jego stężenia. Jego udział ciśnienia cząstkowego w ciśnieniu powietrza wzrasta, obniżając udział ciśnienia cząstkowego innych gazów atmosferycznych (prawo Daltona) . Całkowite ciśnienie powietrza musi pozostać stałe. Obecność pary wodnej w powietrzu naturalnie rozcieńcza lub wypiera inne składniki powietrza wraz ze wzrostem jej stężenia.

Może to mieć wpływ na oddychanie. W bardzo ciepłym powietrzu (35 °C) udział pary wodnej jest wystarczająco duży, aby powodować duszność, której można doświadczyć w warunkach wilgotnej dżungli lub w słabo wentylowanych budynkach.

Gaz podnoszący

Para wodna ma mniejszą gęstość niż powietrze i dlatego unosi się w powietrzu, ale ma niższą prężność pary niż powietrze. Gdy para wodna jest używana jako gaz unoszący w sterowcu termicznym, para wodna jest podgrzewana w celu wytworzenia pary, tak że jej ciśnienie pary jest większe niż ciśnienie otaczającego powietrza w celu utrzymania kształtu teoretycznego „balonu parowego”, który daje około 60% wzrost helu i dwa razy więcej gorącego powietrza.

Ogólna dyskusja

Ilość pary wodnej w atmosferze jest ograniczona ograniczeniami ciśnień cząstkowych i temperatury. Temperatura punktu rosy i wilgotność względna stanowią wytyczne dla procesu pary wodnej w obiegu wodnym . Dopływ energii, taki jak światło słoneczne, może wywołać większe parowanie na powierzchni oceanu lub większą sublimację na kawałku lodu na szczycie góry. Równowaga pomiędzy kondensacji i odparowaniu otrzymuje się ilość zwane oparów ciśnienia cząstkowego .

Maksymalne ciśnienie cząstkowe (ciśnienie nasycenia ) pary wodnej w powietrzu zmienia się wraz z temperaturą mieszaniny powietrza i pary wodnej. Istnieje wiele wzorów empirycznych dla tej wielkości; najczęściej używanym wzorem odniesienia jest równanie Goffa-Gratcha dla SVP nad ciekłą wodą poniżej zera stopni Celsjusza:

gdzie T , temperatura wilgotnego powietrza, wyrażona jest w kelwinach , a p w milibarach ( hektopaskalach ).

Formuła obowiązuje od około -50 do 102 °C; jednak istnieje bardzo ograniczona liczba pomiarów ciśnienia pary wodnej nad przechłodzoną ciekłą wodą. Istnieje wiele innych formuł, których można użyć.

W pewnych warunkach, na przykład po osiągnięciu temperatury wrzenia wody, w standardowych warunkach atmosferycznych zawsze nastąpi parowanie netto, niezależnie od procentu wilgotności względnej. Ten natychmiastowy proces spowoduje rozproszenie ogromnych ilości pary wodnej do chłodniejszej atmosfery.

Wydychane powietrze jest prawie całkowicie w równowadze z parą wodną w temperaturze ciała. W zimnym powietrzu wydychana para szybko się kondensuje, ukazując się w ten sposób jako mgła lub mgiełka kropelek wody oraz jako kondensacja lub szron na powierzchniach. Przymusowe kondensowanie tych kropelek wody z wydychanego powietrza jest podstawą do tworzenia kondensatu wydychanego powietrza , rozwijającego się medycznego testu diagnostycznego.

Kontrolowanie pary wodnej w powietrzu jest kluczowym problemem w branży grzewczej, wentylacyjnej i klimatyzacyjnej (HVAC). Komfort cieplny zależy od wilgotnych warunków powietrza. Sytuacje komfortu, które nie są ludzkie, nazywane są chłodzeniem , a także mają na nie wpływ para wodna. Na przykład wiele sklepów spożywczych, takich jak supermarkety, wykorzystuje otwarte szafy chłodnicze lub skrzynki na żywność , które mogą znacznie obniżyć ciśnienie pary wodnej (obniżenie wilgotności). Ta praktyka przynosi wiele korzyści, a także problemów.

W ziemskiej atmosferze

Dowody na rosnące ilości pary wodnej w stratosferze w czasie w Boulder, Kolorado.

Woda gazowa stanowi mały, ale istotny dla środowiska składnik atmosfery . Procent pary wodnej w powietrzu powierzchniowym waha się od 0,01% w temperaturze -42°C (-44°F) do 4,24%, gdy punkt rosy wynosi 30°C (86°F). Ponad 99% wody atmosferycznej ma postać pary, a nie ciekłej wody lub lodu, a około 99,13% pary wodnej znajduje się w troposferze . Kondensacja pary wodnej do fazy ciekłej lub lodu odpowiedzialny jest za chmury , deszcz, śnieg, i innych opadów atmosferycznych , z których wszyscy liczą Wśród najbardziej znaczących elementów, czego doświadczamy, jak pogoda. Mniej oczywiste jest to, że ciepło utajone parowania , które jest uwalniane do atmosfery, gdy zachodzi kondensacja, jest jednym z najważniejszych elementów bilansu energetycznego atmosfery zarówno w skali lokalnej, jak i globalnej. Na przykład, utajone wydzielanie ciepła w konwekcji atmosferycznej jest bezpośrednio odpowiedzialne za napędzanie niszczycielskich burz, takich jak tropikalne cyklony i silne burze z piorunami . Para wodna jest ważnym gazem cieplarnianym ze względu na obecność wiązania hydroksylowego , które silnie pochłania podczerwień .

Para wodna jest „czynnikiem roboczym” atmosferycznego silnika termodynamicznego, który przekształca energię cieplną promieniowania słonecznego w energię mechaniczną w postaci wiatrów. Przekształcenie energii cieplnej w energię mechaniczną wymaga wyższego i niższego poziomu temperatury, a także czynnika roboczego, który przemieszcza się pomiędzy nimi. Górny poziom temperatury wyznacza gleba lub powierzchnia wodna ziemi, która pochłania wpadające promieniowanie słoneczne i ogrzewa się, odparowując wodę. Wilgotne i ciepłe powietrze przy ziemi jest lżejsze od otoczenia i unosi się do górnej granicy troposfery. Tam cząsteczki wody wypromieniowują swoją energię cieplną w przestrzeń kosmiczną, schładzając otaczające powietrze. Górna atmosfera stanowi dolny poziom temperatury atmosferycznego silnika termodynamicznego. Para wodna w zimnym już powietrzu skrapla się i opada na ziemię w postaci deszczu lub śniegu. Cięższe teraz zimne i suche powietrze również opada na ziemię; atmosferyczny silnik termodynamiczny tworzy w ten sposób konwekcję pionową, która przenosi ciepło z gruntu do górnych warstw atmosfery, gdzie cząsteczki wody mogą wypromieniowywać je w przestrzeń kosmiczną. Ze względu na ruch obrotowy Ziemi i wynikające z tego siły Coriolisa, ta pionowa konwekcja atmosferyczna jest również przekształcana w konwekcję poziomą, w postaci cyklonów i antycyklonów, które przenoszą odparowaną wodę z oceanów do wnętrza kontynentów, umożliwiając wzrost roślinności .

Wody w atmosferze ziemskiej nie tylko poniżej swojego punktu wrzenia (100 ° C), a na wysokości nie spada poniżej punktu zamrażania (0 ° C), ze względu na wodę jest przyciąganie wysoce polarny . W połączeniu ze swoją ilością, para wodna ma wtedy odpowiedni punkt rosy i szronu , w przeciwieństwie np. do dwutlenku węgla i metanu. W ten sposób para wodna ma wysokość skali ułamka wysokości atmosfery masowej, ponieważ woda skrapla się i wychodzi , głównie w troposferze , najniższej warstwie atmosfery. Dwutlenek węgla ( CO
2
) i metan , które są dobrze wymieszane w atmosferze, mają tendencję do unoszenia się ponad parę wodną. Absorpcja i emisja obu związków przyczyniają się do emisji Ziemi do kosmosu, a tym samym do planetarnego efektu cieplarnianego . To wymuszenie cieplarniane jest bezpośrednio obserwowalne, poprzez wyraźne cechy spektralne w porównaniu z parą wodną, ​​i obserwuje się, że rośnie wraz ze wzrostem CO
2
poziomy. I odwrotnie, dodawanie pary wodnej na dużych wysokościach ma nieproporcjonalny wpływ, dlatego ruch samolotów ma nieproporcjonalnie wysoki efekt ocieplenia. Utlenianie metanu jest również głównym źródłem pary wodnej w stratosferze i dodaje około 15% do globalnego ocieplenia metanu.

W przypadku braku innych gazów cieplarnianych, para wodna Ziemi skondensowałaby się na powierzchni; to jest prawdopodobne stało , prawdopodobnie więcej niż jeden raz. W ten sposób naukowcy rozróżniają gazy cieplarniane nieskraplające się (napędzające) i ulegające kondensacji (napędzane), tj. powyższe sprzężenie zwrotne pary wodnej.

Mgła i chmury powstają w wyniku kondensacji wokół jąder kondensacji chmur . W przypadku braku jąder kondensacja zachodzi tylko w znacznie niższych temperaturach. W warunkach ciągłej kondensacji lub osadzania tworzą się kropelki chmur lub płatki śniegu, które wytrącają się, gdy osiągną masę krytyczną.

Stężenie pary wodnej w atmosferze jest bardzo zmienne w zależności od miejsca i czasu, od 10 ppmv w najzimniejszym powietrzu do 5% (50 000 ppmv) w wilgotnym powietrzu tropikalnym i może być mierzone za pomocą kombinacji obserwacji lądu, balonów meteorologicznych i satelitów. Zawartość wody w atmosferze jako całości jest stale zmniejszana przez opady atmosferyczne. Jednocześnie jest stale uzupełniany przez parowanie, głównie z oceanów, jezior, rzek i wilgotnej ziemi. Inne źródła wody atmosferycznej obejmują spalanie, oddychanie, erupcje wulkanów, transpirację roślin oraz różne inne procesy biologiczne i geologiczne. W danym momencie w atmosferze znajduje się około 1,29 x 10 16 litrów (3,4 x 10 15 gal.) wody. Atmosfera zawiera 1 część na 2500 słodkiej wody i 1 część na 100 000 całkowitej wody na Ziemi. Średnia globalna zawartość pary wodnej w atmosferze jest z grubsza wystarczająca do pokrycia powierzchni planety warstwą ciekłej wody o głębokości około 25 mm. Średnie roczne opady dla planety wynoszą około 1 metra, co dla porównania implikuje szybki obrót wody w powietrzu – przeciętnie czas przebywania cząsteczki wody w troposferze wynosi około 9 do 10 dni.

Globalna średnia para wodna stanowi około 0,25% masy atmosfery, a także zmienia się sezonowo, pod względem udziału w ciśnieniu atmosferycznym od 2,62 hPa w lipcu do 2,33 hPa w grudniu. IPCC AR6 wyraża średnią pewność wzrostu całkowitej pary wodnej na poziomie około 1-2% na dekadę; oczekuje się, że wzrośnie o około 7% na °C ocieplenia.

Epizody powierzchniowej aktywności geotermalnej, takie jak erupcje wulkanów i gejzery, uwalniają do atmosfery zmienne ilości pary wodnej. Takie erupcje mogą być duże w kategoriach ludzkich, a duże erupcje wybuchowe mogą wstrzyknąć wyjątkowo duże masy wody wyjątkowo wysoko do atmosfery, ale jako procent całkowitej wody atmosferycznej rola takich procesów jest nieistotna. Względne stężenia różnych gazów emitowanych przez wulkany różnią się znacznie w zależności od miejsca i konkretnego zdarzenia w dowolnym miejscu. Jednak para wodna jest niezmiennie najczęstszym gazem wulkanicznym ; z reguły stanowi ponad 60% całkowitej emisji podczas erupcji podpowietrznej .

Zawartość pary wodnej w atmosferze wyraża się różnymi miarami. Należą do nich ciśnienie pary, wilgotność właściwa , proporcje mieszania, temperatura punktu rosy i wilgotność względna .

Obrazowanie radarowe i satelitarne

Mapy te pokazują średnią ilość pary wodnej w kolumnie atmosfery w danym miesiącu ( kliknij po więcej szczegółów )
MODIS / Terra globalna średnia atmosferyczna para wodna w atm-cm (centymetrach wody w kolumnie atmosferycznej, jeśli uległa kondensacji)

Ponieważ cząsteczki wody pochłaniają mikrofale i inne częstotliwości fal radiowych, woda w atmosferze tłumi sygnały radarowe . Ponadto woda atmosferyczna będzie odbijać i załamywać sygnały w stopniu zależnym od tego, czy jest parą, cieczą czy ciałem stałym.

Generalnie, sygnały radarowe tracą moc progresywnie, im dalej przemieszczają się przez troposferę. Różne częstotliwości tłumią się w różnym tempie, tak że niektóre składniki powietrza są nieprzezroczyste dla niektórych częstotliwości i przezroczyste dla innych. Fale radiowe używane do nadawania i innej komunikacji mają ten sam efekt.

Para wodna odbija radar w mniejszym stopniu niż dwie pozostałe fazy wody. W postaci kropli i kryształków lodu woda działa jak pryzmat, czego nie spełnia jako pojedyncza cząsteczka ; jednak istnienie pary wodnej w atmosferze powoduje, że atmosfera działa jak gigantyczny pryzmat.

Porównanie zdjęć satelitarnych GOES-12 pokazuje rozkład atmosferycznej pary wodnej w stosunku do oceanów, chmur i kontynentów Ziemi. Para otacza planetę, ale jest nierównomiernie rozłożona. Pętla obrazu po prawej stronie pokazuje średnią miesięczną zawartość pary wodnej z jednostkami podaną w centymetrach, czyli ilość wody wytrącającej się lub równoważną ilość wody, która mogłaby zostać wytworzona, gdyby cała para wodna w kolumnie uległa kondensacji. Najmniejsze ilości pary wodnej (0 centymetrów) występują w kolorze żółtym, a największe (6 centymetrów) w kolorze ciemnoniebieskim. Obszary brakujących danych są wyświetlane w odcieniach szarości. Mapy są oparte na danych zebranych przez czujnik spektroradiometru obrazowania średniej rozdzielczości (MODIS) na satelicie Aqua NASA. Najbardziej zauważalnym wzorem w szeregach czasowych jest wpływ sezonowych zmian temperatury i wpadającego światła słonecznego na parę wodną. W tropikach pasmo niezwykle wilgotnego powietrza kołysze się na północ i południe od równika wraz ze zmianą pór roku. Ten pasmo wilgotności jest częścią Intertropical Convergence Zone , gdzie wschodnie pasaty z każdej półkuli zbiegają się i wytwarzają prawie codziennie burze i chmury. Dalej od równika stężenie pary wodnej jest wysokie na półkuli latem i niskie na półkuli zimowej. Innym wzorcem, który pojawia się w szeregach czasowych, jest to, że ilość pary wodnej na obszarach lądowych zmniejsza się w miesiącach zimowych bardziej niż na sąsiednich obszarach oceanicznych. Dzieje się tak głównie dlatego, że zimą temperatura powietrza nad lądem spada bardziej niż temperatura nad oceanem. Para wodna kondensuje szybciej w zimniejszym powietrzu.

Ponieważ para wodna pochłania światło w widzialnym zakresie spektralnym, jej absorpcję można wykorzystać w zastosowaniach spektroskopowych (takich jak DOAS ) do określenia ilości pary wodnej w atmosferze. Odbywa się to operacyjnie, np. ze spektrometrów GOME na ERS i MetOp . Słabsze linie absorpcji pary wodnej w niebieskim zakresie spektralnym i dalej w UV do granicy dysocjacji około 243 nm są w większości oparte na obliczeniach mechaniki kwantowej i są tylko częściowo potwierdzone eksperymentami.

Generowanie błyskawic

Para wodna odgrywa kluczową rolę w wytwarzaniu wyładowań atmosferycznych. Z fizyki chmur , zwykle chmury są prawdziwymi generatorami ładunku statycznego , jakie można znaleźć w ziemskiej atmosferze. Zdolność chmur do przechowywania ogromnych ilości energii elektrycznej jest bezpośrednio związana z ilością pary wodnej obecnej w systemie lokalnym.

Ilość pary wodnej bezpośrednio kontroluje przenikalność powietrza. W okresach niskiej wilgotności wyładowanie statyczne jest szybkie i łatwe. W okresach większej wilgotności występuje mniej wyładowań elektrostatycznych. Przepuszczalność i pojemność działają ramię w ramię, aby wytworzyć megawatową moc wyładowania.

Na przykład po tym, jak chmura zaczęła swoją drogę do wyładowania piorunów, para wodna z atmosfery działa jak substancja (lub izolator ), która zmniejsza zdolność chmury do rozładowywania energii elektrycznej. Po pewnym czasie, jeśli chmura będzie nadal generować i magazynować więcej elektryczności statycznej , bariera, która została utworzona przez parę wodną z atmosfery, ostatecznie rozpadnie się na zmagazynowaną elektryczną energię potencjalną. Ta energia zostanie uwolniona do lokalnego, przeciwnie naładowanego regionu w postaci błyskawicy. Siła każdego wyładowania jest bezpośrednio związana z przenikalnością atmosferyczną, pojemnością i zdolnością źródła do generowania ładunku.

Pozaziemskie

Para wodna jest powszechna w Układzie Słonecznym, a co za tym idzie, w innych układach planetarnych . Jego sygnaturę odkryto w atmosferach Słońca, występujących w plamach słonecznych . Obecność pary wodnej wykryto w atmosferach wszystkich siedmiu pozaziemskich planet Układu Słonecznego, ziemskiego Księżyca i księżyców innych planet, chociaż zazwyczaj w śladowych ilościach.

Kriogeyser wybuchający na księżycu Jowisza Europa (koncepcja artysty)
Artystyczna ilustracja sygnatur wody w atmosferach egzoplanet wykrywalnych przez instrumenty, takie jak Kosmiczny Teleskop Hubble'a .

Uważa się, że formacje geologiczne, takie jak kriogejzery , istnieją na powierzchni kilku lodowych księżyców wyrzucających parę wodną w wyniku ogrzewania pływowego i mogą wskazywać na obecność znacznych ilości wody podpowierzchniowej. Pióropusze pary wodnej zostały wykryte na księżycu Jowisza w Europie i są podobne do pióropuszy pary wodnej wykrytych na księżycu Saturna Enceladusie . Ślady pary wodnej wykryto również w stratosferze Tytana . Pary wodnej okazało się być głównym składnikiem atmosfery planety karłowatej , Ceres , największy obiekt w pasie planetoid Wykrycie został wykonany przy użyciu zdolności dalekiej podczerwieni z Kosmiczne Obserwatorium Herschela . Odkrycie jest nieoczekiwane, ponieważ to komety , a nie asteroidy , są zwykle uważane za „wystrzeliwujące dżety i pióropusze”. Według jednego z naukowców „Linie między kometami a asteroidami coraz bardziej się zacierają”. Naukowcy badający Marsa stawiają hipotezę, że jeśli woda porusza się wokół planety, robi to jako para.

Blask komety ogony pochodzi głównie z pary wodnej. Podczas zbliżania się do Słońca lód wiele komet przenosi wzniosłość w parę. Znając odległość komety od Słońca, astronomowie mogą wydedukować zawartość wody w komecie na podstawie jej jasności.

Para wodna została potwierdzona również poza Układem Słonecznym. Analiza spektroskopowa HD 209458 b , pozasłonecznej planety w konstelacji Pegaza, dostarcza pierwszych dowodów na istnienie atmosferycznej pary wodnej poza Układem Słonecznym. Odkryto, że gwiazda o nazwie CW Leonis ma pierścień ogromnych ilości pary wodnej krążący wokół starzejącej się, masywnej gwiazdy . NASA satelita przeznaczony do badań chemicznych w obłoków gazu, dokonał odkrycia z pokładowego spektrometru. Najprawdopodobniej „para wodna wyparowała z powierzchni orbitujących komet”. Inne egzoplanety, w których występuje para wodna, to HAT-P-11b i K2-18b .

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Zewnętrzne linki