Водяной пар - Water vapor

Водяной пар (H 2 O)
St Johns Fog.jpg
Невидимый водяной пар конденсируется, образуя
видимые облака из капель жидкого дождя.
Жидкое состояние Воды
Твердое состояние Лед
Характеристики
Молекулярная формула H 2 O
Молярная масса 18,01528 (33)  г / моль
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 1,864 кДж / (кг · К)

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. 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 образованию облаков.

Являясь компонентом гидросферы и гидрологического цикла Земли, он особенно распространен в атмосфере Земли , где он действует как парниковый газ и нагревает обратную связь, внося больший вклад в общий парниковый эффект, чем неконденсирующиеся 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 доказательством, подтверждающим присутствие внеземной жидкой воды в случае некоторых планетарных объектов массы.

Характеристики

Испарение

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 . 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. Диапазон измерений от 30 до 120 дюймов в год. Формулы можно использовать для расчета скорости испарения с поверхности воды, например плавательного бассейна. 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.

Восстановление метеоритов в Антарктиде ( ANSMET )

Сублимация

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 остаются 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 действием вакуума до тех пор, пока она не покажет требуемый уровень детализации. Этот метод позволяет отображать белковые молекулы, структуры органелл и липидные бислои с очень низкой степенью искажения.

Конденсация

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. 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

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 химикатов, 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

Измерение количества водяного пара в среде можно производить напрямую или дистанционно с разной 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.

Средняя диапазон температур (градус) неопределенность измерения типичная частота измерения стоимость системы Примечания
Слинг-психрометр воздух От −10 до 50 от низкого до среднего ежечасно низкий
Спутниковая спектроскопия воздух От −80 до 60 низкий очень высоко
Емкостной датчик воздух / газы От −40 до 50 умеренный От 2 до 0,05 Гц Средняя склонны к насыщению / загрязнению со временем
Емкостной датчик с подогревом воздух / газы От −15 до 50 от умеренного до низкого От 2 до 0,05 Гц (в зависимости от температуры) от среднего до высокого склонны к насыщению / загрязнению со временем
Резистивный датчик воздух / газы От −10 до 50 умеренный 60 секунд Средняя склонен к загрязнению
Хлорид лития dewcell воздух От −30 до 50 умеренный непрерывный Средняя см. dewcell
Хлорид кобальта (II) воздух / газы От 0 до 50 высокий 5 минут очень низко часто используется в карточке индикатора влажности
Абсорбционная спектроскопия воздух / газы умеренный высокий
Оксид алюминия воздух / газы умеренный Средняя см. Анализ влажности
Оксид кремния воздух / газы умеренный Средняя см. Анализ влажности
Пьезоэлектрическая сорбция воздух / газы умеренный Средняя см. Анализ влажности
Электролитический воздух / газы умеренный Средняя см. Анализ влажности
Напряжение волос воздух От 0 до 40 высокий непрерывный от низкого до среднего Влияет на температуру. Неблагоприятно влияют длительные высокие концентрации
Нефелометр воздух / другие газы низкий очень высоко
Кожа Голдбитера ( коровья брюшина ) воздух От −20 до 30 умеренный (с исправлениями) медленнее, 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 низко очень высоко часто называемые первичным источником, национальные независимые стандарты, разработанные в США, Великобритании, ЕС и Японии.
Средняя диапазон температур (градус) неопределенность измерения типичная частота измерения стоимость системы Примечания

Влияние на плотность воздуха

Водяной пар легче или менее плотен, чем сухой воздух . При эквивалентных температурах он обладает плавучестью по сравнению с сухим воздухом, 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 и гораздо более низкая плотность 0,0048 г / л.

Расчеты

Точка росы.jpg

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 молярная 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 - максимальная концентрация водяного пара, ожидаемая для данной температуры. Концентрация водяного пара значительно увеличивается при повышении 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 одинаковых температурах

При той же температуре столб сухого воздуха будет плотнее или тяжелее столба воздуха, содержащего любой водяной пар, причем молярная масса двухатомного азота и двухатомного кислорода больше, чем молярная масса воды. Таким образом, любой объем сухого воздуха будет тонуть, если его поместить в больший объем влажного воздуха. Кроме того, объем влажного воздуха поднимется или станет плавучим, если поместить его в большую область сухого воздуха. С повышением температуры доля водяного пара в воздухе увеличивается, и его плавучесть будет увеличиваться. Увеличение плавучести может иметь значительное влияние на атмосферу, вызывая сильные, влажные восходящие потоки воздуха, когда температура воздуха и температура моря достигают 25 ° C или выше. Это явление является важной 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 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

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.

Обсуждение

Количество водяного пара в атмосфере ограничено парциальным давлением и температурой. Температура точки росы и относительная влажность служат ориентирами для процесса образования водяного пара в круговороте воды . Вложенная энергия, такая 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 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 используемой справочной формулой является 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. Есть ряд других формул, которые можно использовать.

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 рассеивает 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, таким образом, в виде тумана или тумана из капель воды, 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 продовольственных магазинах, таких как супермаркеты, используются открытые холодильные шкафы или ящики для пищевых продуктов , которые могут значительно снизить давление водяного пара (снизить влажность). Эта практика дает несколько преимуществ, а также создает проблемы.

В атмосфере Земли

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

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) до 4,24%, когда точка росы составляет 30 ° C (86 ° F). Более 99% атмосферной воды находится в форме пара, а не жидкой воды или льда, и примерно 99,13% водяного пара 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 то, что скрытая теплота парообразования , которая выделяется в атмосферу всякий раз, когда происходит конденсация, является одним из наиболее важных факторов в энергетическом балансе 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 важным парниковым газом из-за наличия гидроксильной связи, которая сильно поглощает в инфракрасном диапазоне .

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 своего окружения 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 форме циклонов и антициклонов, которые переносят воду, испарившуюся из океанов, внутрь континентов, позволяя расти растительности. .

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. Таким образом, водяной пар имеет масштабную высоту, составляющую долю от основной массы атмосферы, поскольку вода конденсируется и выходит , главным образом, в тропосфере , самом нижнем слое атмосферы. Двуокись углерода ( CO
2
) и метан , будучи хорошо перемешанными в атмосфере, имеют тенденцию подниматься над водяным паром. Поглощение и выброс обоих соединений способствует выбросу Земли в космос и, следовательно, парниковому эффекту на планете . Это воздействие парниковых газов можно наблюдать напрямую по различным спектральным характеристикам по сравнению с водяным паром, и наблюдается его рост с ростом CO.
2
уровни. И наоборот, добавление водяного пара на больших высотах оказывает непропорциональное воздействие, поэтому движение реактивных самолетов имеет непропорционально высокий эффект потепления. 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 поверхность; это , вероятно, происходило , возможно, более одного раза. Таким образом, ученые различают неконденсирующиеся (приводные) и конденсируемые (приводимые) парниковые газы, т. Е. Указанную выше обратную связь по водяному пару.

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.

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 измерена с помощью комбинации наземных наблюдений, метеозондов и спутников. Обводненность атмосферы в целом постоянно уменьшается из-за выпадения осадков. В то же время он постоянно пополняется за счет испарения, в первую очередь из океанов, 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 в атмосфере содержится около 1,29 x 10 16 литров (3,4 x 10 15 галлонов) воды. 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 25 мм. Среднее годовое количество осадков на планете составляет около 1 метра, для сравнения - быстрый оборот воды в воздухе - в среднем время пребывания молекулы воды в тропосфере составляет от 9 до 10 дней.

Глобальное среднее значение водяного пара составляет около 0,25% массы атмосферы и также меняется в зависимости от сезона, с точки зрения вклада в атмосферное давление, от 2,62 гПа в июле до 2,33 гПа в декабре. ДО6 МГЭИК выражает среднюю уверенность в увеличении 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 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 процентном отношении к общему количеству атмосферной воды роль таких процессов тривиальна. Относительные концентрации различных газов, испускаемых 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 .

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 .

Радиолокационная и спутниковая съемка

Эти карты показывают 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. 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 коммуникаций, 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.

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 образоваться, если бы весь водяной пар в колонне конденсировался. Наименьшее количество водяного пара (0 сантиметров) отображается желтым цветом, а максимальное количество (6 сантиметров) - темно-синим. Области отсутствующих данных отображаются оттенками серого. Карты основаны на данных, собранных датчиком спектрорадиометра изображения среднего разрешения (MODIS) на спутнике НАСА Aqua. Наиболее заметная закономерность во временных рядах - это влияние сезонных изменений температуры и поступающего солнечного света на водяной пар. В тропиках полоса чрезвычайно влажного воздуха колеблется к северу и югу от экватора из-за смены 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 временных рядах, заключается в том, что количество водяного пара над участками суши уменьшается в зимние месяцы больше, чем в прилегающих 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.

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, со спектрометров GOME на ERS и MetOp . 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 и ​​лишь частично подтверждаются экспериментами.

Генерация молнии

Водяной пар играет ключевую роль в образовании молний в атмосфере. С точки зрения физики облаков , обычно облака - это настоящие генераторы статического заряда, присутствующие в атмосфере Земли. Способность облаков удерживать огромное количество электроэнергии напрямую зависит от количества водяного пара, присутствующего в локальной системе.

Количество водяного пара напрямую контролирует 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.

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. Эта энергия будет передана в локальную противоположно заряженную область в виде молнии. Сила каждого разряда напрямую связана с диэлектрической проницаемостью атмосферы, емкостью и способностью источника генерировать заряд.

Инопланетянин

Водяной пар является обычным явлением в Солнечной системе и, соответственно, в других планетных системах . Его сигнатура была обнаружена в атмосферах Солнца в виде солнечных пятен . Присутствие водяного пара было обнаружено в атмосферах всех семи внеземных планет Солнечной системы, на Луне Земли и на спутниках других планет, хотя обычно в незначительных количествах.

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

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 . Следы водяного пара также были обнаружены в стратосфере Титана . Водяной пар было обнаружено, что основным компонентом атмосферы карликовой планеты , Ceres , самый большой объект в поясе астероидов Обнаружение было сделано с помощью дальнего инфракрасного способности на Herschel космической обсерватории . Это открытие является неожиданным, потому что обычно считается, что кометы , а не астероиды «порождают струи и шлейфы». По словам одного из ученых, «Границы между кометами и астероидами становятся все более размытыми». Ученые, изучающие Марс, выдвигают гипотезу о том, что вода движется по планете в виде пара.

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

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». Другие экзопланеты с признаками водяного пара включают HAT-P-11b и K2-18b .

Смотрите также

использованная литература

Библиография

внешние ссылки