3.3. Légnedvesség

A légköri víz a hidroszféra elenyésző részét képzi (a légkörben összesen 0,013·106 km3 víz található, ezzel szemben a világóceánokban mintegy 1338·106 km3, a krioszféra víztartalma 24,6·106 km3, a szárazföldi vizeké pedig 23,6 ·106 km3). A tartózkodási ideje viszont – ellentétben a többi tározóban található vízmennyiséghez képest nagyságrendekkel kisebb (átlagosan 9-10 nap, míg az óceánokban kb. 3000 év, a krioszférában közel 12000 év, a felszíni vizekben pedig 220 év). E csekély, de gyorsan megújuló mennyiség mind az időjárás, mind az éghajlat szempontjából kiemelt jelentőségű légköri állapothatározó.

A légköri víz befolyásolja a Föld-légkör rendszer sugárzás- és energiaháztartását. Mind a rövidhullámú Napsugárzás, mind a hosszúhullámú terresztriális sugárzás tartományában jelentős elnyelési sávokkal rendelkezik. A legjelentősebb üvegházhatású gáz. A felszín és a légkör közti energiacserében is fontos szerepet játszik a látens hőáramon keresztül.

A légköri víz másik fontos szerepe a felhő- és csapadékképződésben nyilvánul meg. A párolgás és csapadék révén biztosítja a hidrológiai ciklus körforgását. Mindezek mellett a felhőkhöz a víznek köszönhetően különböző légkör-elektromossági és légkör-optikai jelenségek is kapcsolódatnak.

A légköri vízgőztartalom (relatív nedvesség) vertikális eloszlása egy adott időpontban

3.19. ábra: A légköri vízgőztartalom (relatív nedvesség) vertikális eloszlása budapesti rádiószondás felszállás mérései alapján (a rádiószonda mérésekről részletes információkat lásd később) egy adott időpontban. A légnedvesség gyakorlatilag a troposzférában található és csak elenyésző mennyiség található a tropopauza felett a sztratoszférában és a magasabb légköri tartományokban.

A légkör vízmennyiség gyakorlatilag a troposzférában található és csak elenyésző mennyiség található a tropopauza felett (3.19. ábra).

Ha a teljes légköri vízgőztartalom egyszerre kicsapódna és csapadékként a felszínre hullana, az összesen 25 mm csapadékot jelentene a Föld felszínén. A Föld évi globális átlagos csapadékmennyisége 1000 mm, ebből belátható, hogy a légköri vízmennyiség évente kb. 40-szer cserélődik.

A légköri víztartalom tér- és időbeli eloszlása rendkívül változatos. Mennyisége 0 és 4% (0 és 40000 ppm) között változik. A levegő víztartalmát a nedvességi mérőszámokkal jellemezhetjük.

3.3.1. Nedvességi mérőszámok

A légkör víztartalmát különböző mennyiségekkel fejezhetjük ki. Ezeket a mennyiségeket nedvességi mérőszámoknak, vagy nedvességi karakterisztikáknak nevezzük. A nedvesség meghatározása során azzal az egyszeresítő közelítéssel élünk, hogy a levegő vízgőz és száraz levegő elegye. A nedvességi mérőszámokat összefoglalva a 3.2. táblázat tartalmazza.

3.2. táblázat: Különböző nedvességi mérőszámok. Az levegőt vízgőz és száraz levegő elegyének tekintjük.

Nedvességi karakterisztika

Jele

Leírás

Mértékegység

gőznyomás

(páranyomás)

e

egységnyi térfogatban a vízgőz részleges (parciális) nyomása

Pa

telítési gőznyomás

es

a vízgőz nyomása telített állapotban

Pa

harmatpont

td

az a hőmérséklet, amelyre a levegőt állandó nyomás mellett lehűtve, az telítetté válik

°C

gőzsűrűség

ρv

egységnyi térfogatban levő vízgőz tömege

kg vízgőz / m3 levegő

abszolút nedvesség

a

egységnyi térfogatban levő vízgőz tömege

g vízgőz / m3 nedves levegő

telítési abszolút nedvesség

as

az abszolút nedvesség telítettség esetén

g vízgőz / m3 nedves levegő

keverési arány

r

a vízgőz és a vízgőzzel keveredő száraz levegő aránya

dimenzió nélküli

(kg / kg)

telítési keverési arány

rs

a keverési arány telítettség esetén

dimenzió nélküli

(kg / kg)

specifikus nedvesség

q

egységnyi tömegű nedves levegőben lévő vízgőz tömege

dimenzió nélküli (kg vízgőz / kg nedves levegő)

telítési specifikus nedvesség

qs

a specifikus nedvesség telítettség esetén

dimenzió nélküli (kg vízgőz / kg nedves levegő)

relatív nedvesség

f

a tényleges gőznyomás és a telítési gőznyomás aránya * 100

dimenzió nélküli

(%)

nedves hőmérséklet

tw

az a hőmérséklet, amelyen a levegő víz bepárologtatása révén telítetté válik

°C

3.3.1.1. A vízgőz nyomása

A levegő nyomását az alkotóelemek parciális (részleges) nyomásának összegeként kapjuk. A vízgőz parciális nyomása (e) felírható a vízgőz állapotegyenlete alapján:

,

(3-12)

ahol Rv a vízgőz specifikus gázállandója (értéke 461 J kg –1 K–1), T a hőmérséklet Kelvinben, αv pedig a vízgőz specifikus térfogata.

A telítési gőznyomás (es) megadja a t hőmérsékletű telített levegőben levő vízgőz parciális nyomását (mértékegysége Pa). A telítési gőznyomás függ a hőmérséklettől, minél magasabb a hőmérséklet, annál több vízgőzt tud befogadni a levegő (3.20. ábra).

A telítési gőznyomást a gyakorlatban gyakran a Magnus–Tetens (1930) formulával adjuk meg. Ez egy tapasztalati képlet, ami kapcsolatot teremt a hőmérséklet és a telítési nedvességtartalom között:

,

(3-13)

ahol a, b állandók értékei vízfelszín felett: a = 7,5 és b = 237,3 °C, jégfelszín felett: a = 9,5, b = 265,5 °C. A t hőmérséklet a képletben Celsius fokban szerepel.

Amennyiben a képletben a hőmérséklet helyett a harmatpontot (td – lásd később) használjuk, úgy a tényleges gőznyomást (e) kapjuk eredményül:

,

(3-14)

A telítési és tényleges gőznyomás különbsége a telítési hiány (D):

D = es – e.

(3-15)

A telítési hiányt a 3.20. ábra mutatja.

3.3.1.2. Harmatpont

A harmatpont (vagy harmatpont hőmérséklet) (td) az a hőmérséklet (°C), amelyre a levegőt állandó nyomás mellett lehűtve, az telítetté válik.

A harmatpont-deficit (tdef) a léghőmérséklet és a harmatpont különbsége:

tdef = t – td , tdef ≥ 0.

(3-16)

A harmatpont deficitet a 3.20. ábra mutatja.

A telítési gőznyomás hőmérséklet függése, a gőznyomás hiány és a harmatpont deficit

3.20. ábra: A telítési gőznyomás hőmérséklet függése. Magasabb hőmérsékletű levegő több vízgőzt tud befogadni. Az es – e értéke a gőznyomást hiány, a t – td érték pedig a harmatpont deficit.

3.3.1.3. Gőzsűrűség

A légkörben levő vízgőz sűrűsége (ρv) a vízgőznyomás alapján megadható:

.

(3-17)

A vízgőz sűrűsége a vízgőz tömege és a gőz által kitöltött térfogat hányadosa, mértékegysége kg/m3.

3.3.1.4. Abszolút nedvesség

Az abszolút nedvesség (a) megadja, hogy 1 m3 levegőben hány g vízgőz van. E sűrűség dimenziójú mérőszám a gőzsűrűség gyakorlatban alkalmazott nedvességi mérőszáma. A telítési abszolút nedvesség az abszolút nedvesség értéke telített állapotban.

3.3.1.5. Keverési arány

A keverési arány (r) adott térfogatban lévő vízgőz és száraz levegő arányát adja meg, dimenzió nélküli mérőszám:

,

(3-18)

ahol a száraz levegő sűrűségét (ρd) az alábbi módon írhatjuk:

,

(3-19)

A telítési keverési arány (rs) az alábbi módon írható:

,

(3-20)

3.3.1.6. Specifikus nedvesség

A specifikus nedvesség (q) szintén egy dimenzió nélküli mérőszám. Megadja az 1 kg nedves levegőben levő vízgőz tömegét. Értéke kisebb, de alig tér el a keverési aránytól:

.

(3-21)

A telítési specifikus (qs) nedvesség pedig az alábbi módon írható:

.

(3-22)

3.3.1.7. Relatív nedvesség

A relatív nedvesség (f) a tényleges és a telítési értékhez tartozó nedvességtartalom arányát adja meg, vagyis azt, hogy a lehetséges víztartalom hány százaléka van a levegőben. A légrész telített, ha a relatív nedvesség 100%. A relatív nedvesség is dimenzió nélküli mérőszám, értékét százalékban adjuk meg:

.

(3-23)

A relatív nedvesség és az abszolút nedvesség kapcsolatát a hőmérséklet függvényében a 3.31. ábra mutatja.

3.3.1.8. Nedves hőmérséklet

A nedves hőmérsékletet (tw) akkor érjük el, ha víz párologtatásával addig növeljük a levegő vízgőztartalmát, amíg az telítetté nem válik. A párolgás következtében a párolgó felszín hőmérséklete fokozatosan csökken, végül egy, a környező levegő vízgőztartalmától függő egyensúlyi értéket ér el (az ehhez tartozó hőmérsékletet nevezzük nedves hőmérsékletnek).

A nedves hőmérséklet és a harmatpont is a hőmérséklet csökkenése révén érhető el, de a harmatponttal ellentétben a nedves hőmérséklet elérése esetén a levegő vízgőztartalma nem állandó.

Az abszolút nedvesség hőmérséklet függése különböző relatív nedvességi értékek mellett

3.21. ábra: Az abszolút nedvesség a hőmérséklet függvényében különböző relatív nedvességi értékek mellett. Az f = 100% relatív nedvességhez tartozó görbe a telítési abszolút nedvesség hőmérséklet függését mutatja. 0 °C-on például a telítési abszolút nedvesség 4,85 g m–3.

3.3.2. A levegő nedvességtartalmának mérése

A meteorológiai gyakorlatban különböző elven működő nedvességmérő műszerek használatosak. Ezekről összefoglalást az a 3.3 táblázat.

3.3. táblázat: Különböző elven működő nedvességmérő műszerek és a használatukkal meghatározható nedvességi mérőszámok

Módszer

Típus

Milyen nedvességi mérőszámot mér?

1.) gravimetrikus módszer

abszorpciós higrométer

abszolút nedvesség

2.) kondenzációs módszer

hűtött tükör higrométer

harmatpont

3.) termodinamikai módszer

pszichrométerek

száraz/nedves hőmérséklet

4.) mechanikai módszer

nedvszívó higrométerek

relatív nedvesség

5.) elektromos vagy kémiai tulajdonságok megváltozásán alapuló módszer

különböző elektromos nedvességmérők

különböző nedvesség paraméterek

6.) vízgőz elnyelési spektrumon alapuló módszer

Lyman-alfa, uv, ir „gyors válaszidejű” higrométerek

nedvesség fluktuáció

3.3.2.1. Gravimetrikus módszer

A gravimetrikus módszer tömegmérésen alapul. Az abszorpciós nedvességmérőkben bizonyos anyagok nedvszívó képességét használják ki. Meghatározott térfogatú levegőt valamilyen nedvszívó anyagon (abszorbensen) keresztül áramoltatnak, ezáltal a nedvszívó anyag a levegő nedvességét magába szívja, így a súlya gyarapodik. Az abszorpciós nedvességmérőkben nedvszívó anyagként általában: foszfor-pentoxidot, vagy magnézium-perklorátot használnak. A műszerrel a levegő abszolút nedvessége mérhető. Előnye, hogy ilyen módon határozható meg a legpontosabban a nedvesség mértéke, ezért a nedvességmérés abszolút műszereinek tekinthetők, hátránya viszont, hogy szabad téren nem alkalmazható (laboratóriumi méréseknél használják).

3.3.2.2. Kondenzációs módszer

A kondenzációs módszer során a vízgőz kondenzációját használjuk ki. Az automatikus fotocellás harmatpont higrométerben (3.22. ábra) mesterségesen előidézett telítettség elérése mellett mérjük azt a hőmérsékletet, ami a harmatpont értékét jelenti.

A műszer egy tükörből áll, amihez egy hőcserélő rendszer kapcsolódik. Ebben szárazjéggel hűtött alkohol kering. A tükör felett egy fotocella található. A tükörre egy ferdén elhelyezett fényforrásból fény esik, olyan szögben, hogy közvetlenül nem jut fény a fotocellára. Ha a hőmérséklet eléggé alacsony, a tükör bepárásodik, fény jut a fotocellára, kikapcsol a hűtés, bekapcsol a fűtés. Amikor a pára eltűnik, a fotocella visszakapcsol. A hőmérséklet tehát folyamatosan a harmatpont körül ingadozik. A hőmérsékletet pl. termoelemes hőmérő segítségével mérjük.

A tükör hűtése a Peltier-effektus alapján termo-elektromosan történik. Itt két különböző fémet összekapcsolunk és egy áramkörbe kapcsolunk. Az átfolyó áram hatására a forrasztási pontnál felmelegedés, vagy lehűlés keletkezik.

A műszer előnye, hogy pontos, még negatív hőmérsékleteken is.

Automatikus fotocellás harmatpont higrométer

3.22. ábra: Automatikus fotocellás harmatpont higrométer. A műszerben a kondenzációt mesterségesen idézik elő egy hűtött tükör segítségével. A kicsapódás egy fotocellával érzékelhető és az adott időpontban a hőmérséklet (a harmatpont értéke) pontosan meghatározható.

3.3.2.3. Termodinamikai módszer

A nedvességmérést hőmérsékletmérésre vezetjük vissza és a levegő nedvességtartalmát pszichrométerekkel (hőmérős nedvességmérőkkel) határozzuk meg. A mérés elve ez esetben, hogy a víz párolgása által okozott hűlés mértékéből következtethetünk a nedvességre. A pszichrométer hőmérsékleti értékeket mér és a száraz, illetve nedves hőmérséklet közti különbség (pszichrométeres hiány) alapján egy empirikus képlet segítségével megadható valamilyen nedvességi mérőszám.

A gőznyomás értékét a Sprung-képlet alapján számíthatjuk:

,

(3-24)

ahol t a levegő hőmérséklete (száraz hőmérséklet), tw a párolgó felszín hőmérséklete (nedves hőmérséklet), es a tw-re vonatkozó telítési gőznyomás (hPa), e a tényleges gőznyomás (hPa), P a légnyomás (hPa), P0 a normál légnyomás 1013,25 hPa, A pedig a légáramlás sebességétől függő pszichrométeres együttható. P/P0 közelítőleg 1, A értékére 0,5-öt vesznek.

A gőznyomás (e) értékét a gyakorlatban megfelelő táblázatok használatával határozzák meg.

Pszichrométer típusok:

Az Assmann-féle pszichrométer

3.23. ábra: Az Assmann-féle pszichrométer. Árnyékolt, fémborítású műszer a száraz-nedves hőmérők segítségével határozható meg a száraz (normál) és a nedves hőmérséklet és ezek különbsége alapján a pszichrometrikus különbség. A műszerhez egy aspirátor is kapcsolódik, ami a levegő áramlását biztosítja a mérés során.

a.) August-féle szívófonalas pszichrométer:

Elhelyezése hőmérőházban történik. Két, közös állványon elhelyezett hőmérőből áll. Az egyik hőmérő higanygömbjét muszlinburok veszi körül, melynek a vége egy vízzel teli csészébe nyúlik, ahonnan vizet szív fel. Ez benedvesíti a higanygömböt, így az a párolgás hatására alacsonyabb hőmérsékletet fog mutatni.

A módszer hátránya, hogy a párolgás miatt idővel a higanygömb körül telítetté válik a levegő, a nedves borítás nem tud tovább párologni, ezáltal a pszicrometrikus különbség pontatlanná válik.

b.) Assmann-féle pszichrométer:

Az Assmann-féle pszichrométer a nedves hőmérő körül légáramlást biztosít. A két hőmérőt egy fényesre csiszolt, nikkelezett, kettős falú fémcsőben helyezték el (3.23. ábra). Ez arra szolgál, hogy a sugárzástól védje a hőmérőket. A levegőt egy ventillátor szívja a hőmérők gömbjéhez. Az egyik hőmérő higanygömbjét muszlinburkolattal vonják be, s az a levegő nedvességének mértékében különböző mértékben párolog. Mivel a párolgáshoz hő használódik el, a nedves hőmérő alacsonyabb hőmérsékletet mutat.

3.3.2.4. Mechanikai módszer

Ebbe a csoportba a nedvszívó higrométerek tartoznak, melyekkel a relatív nedvesség mérhető.

Bizonyos anyagok a nedvesség hatására megváltoztatják tulajdonságaikat (pl. alakjukat, méretüket).

a.) Hajszálas higrométer:

Meteorológiai célra olyan anyag alkalmas, amely nagy mennyiségben, könnyen hozzáférhető. Ilyen anyagnak tűnt a hajszál. Először 1783-ban, Horace Benedict de Saussure (1740–1799) készített ún. hajnedvmérőt. A műszerrel a levegő relatív nedvességét tudjuk meghatározni. Előtte ezt a nedvességi karakterisztikát nem is használták.

A műszerben való alkalmazás előtt a hajszálat megfelelően elő kell készíteni (etiléterben zsírtalanítani, desztillált vízben jól kiöblíteni). A hajszál megnyúlása a relatív nedvesség hatására meglehetősen csekély változás mutat (ha a relatív nedvesség 0-ról 100%-ra nő, a hajszál csak 2,5%-al nyúlik meg).

A műszer hibáját okozza a hőmérséklet hatása. A hajszál ugyanis a hőmérsékletváltozásra is reagál. (15°C hőmérsékletváltozás akkora megnyúlást okoz, mint a relatív nedvesség 1%-os változása). Mivel a műszer amúgy sem túl pontos, a hőmérsékleti korrekciót nem szokás figyelembe venni.

Előnye, hogy egyaránt használható pozitív és negatív hőmérsékleten, továbbá az elektromos eszközök megjelenése előtt az is előny volt, hogy folyamatos mérést lehetett vele végezni (3.24. ábra).

b.) Membrános higrométer:

Hasonló elven működik, de itt állati gyomorból készített aranyütő-hártya szolgál a nedvesség mérésére. Pontosabb, mint a hajszálas higrométer. Régebben főként magaslégköri méréseknél alkalmazták.

Hajszálas higrográf

3.24. ábra: Hajszálas higrográf. A hajszálkötegek a levegő relatív nedvességtartalmának függvényében eltérő mértékben nyúlnak meg. A változást egy írókar segítségével egy forgóhengeren elhelyezett papírlapra rögzíti a műszer.

3.3.2.5. Elektromos vagy kémiai tulajdonságok megváltozásán alapuló módszer

Az utóbbi évtizedekben számos nedvességmérő műszert alkottak, melyek valamilyen elektromos, vagy kémiai tulajdonság megváltozása alapján származtatják a légköri nedvességtartalmat.

a.) Rezisztív szenzor:

Egyszerű, olcsó szenzor, melyben például egy lítium-klorid bevonat vizet vesz fel a nedvességtartalom függvényében, ezáltal ellenállás megváltozik (3.25. ábra). Az ellenállás-változásból a nedvességtartalomra lehet következtetni.

Rezisztív szenzor ellenállásának változása a relatív nedvesség függvényében

3.25. ábra: Rezisztív szenzor ellenállásának változása a relatív nedvesség függvényében

b.) Kapacitív szenzor:

A szenzor elektromos kapacitása változik a légköri nedvességtartalom függvényében. Megbízható, a változásokat gyorsan követő, pontos műszer, ezért elterjedten alkalmazzák a mérések során.

3.3.2.6. Spektrális nedvességmérők

A műszerekben a vízgőz elnyelési sávjait használják ki. Különböző hullámhosszakon mérve, a vízgőz elnyelése alapján lehet annak mennyiségére következtetni. Az elnyelési sávok alapján a Lyman-alfa szenzorok, az uv-szenzorok (kripton higrométer – 3.26.ábra), valamint az infravörös-szenzorok terjedtek el.

KH-20 Kripton higrométer és működési elve

3.26. ábra: KH-20 Kripton higrométer és működési elve. Egy kripton lámpa sugarakat bocsát ki 123,58 nm és 116,49 nm-es hullámhosszon. A forrással szemben elhelyezkedő érzékelő méri a beérkező jelet, ami arányos a levegőben lévő vízgőz mennyiségével.

Közös jellemzőjük, hogy gyors válaszidejű érzékelők, ezért általában mikrometeorológiai méréseknél alkalmazzák őket (lásd pl. Horváth el al., 2005; Nemitz et al., 2009). Megbízható, pontos műszerek. Általában nem a tényleges nedvességtartalmat, hanem annak fluktuációját mérik, ami a felszín és a légkör közötti áramok (pl. nedvességáram) meghatározásánál pontos.

Irodalomjegyzék

Horváth, L., Asztalos, M., Führer, E., Mészáros, R., és Weidinger, T.. 2005. Measurement of ammonia exchange over grassland in the Hungarian Great Plain. Agricultural and Forest Meteorology. 130. 282–298.

Nemitz, E., Hargreaves, J., Neftel, A., Loubet, B., Cellier, P., Dorsey, J.R., Flynn, M., Hensen, A., Weidinger, T., Meszaros, R., Horvath, L., Dämmgen, U., Frühauf, C., Löpmeier, F.J., Gallagher, M.W., és Sutton, M.A.. 2009. Intercomparison and assessment of turbulent and physiological exchange parameters of grassland. Biogeosciences. 6. 1445–1466..

World Meteorological Organization. 1968 (WMO, 1968). Methods in Use for the Reduction of Atmospheric Pressure. WMO echnical Note No. 91. WMO-No. 226. TP.120. Geneva. .

World Meteorological Organization. 2003 (WMO, 2003). Manual on the Global Observing System. Volume I – Global Aspects. WMO-No. 544. Geneva. ISBN 92-63-13544-4.

World Meteorological Organization. 2008 (WMO, 2008). Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation. WMO-No. 8. Geneva. ISBN 978-92-63-10008-5.