تحقیق مقاله آب موجود در جو

آب در سه حالت بخار ،  ( بخار آب ) مایع   ( قطرات آب ) وجامد  ( بلورهی یخ ) در جو وجود دارد از این سه حالت ، تنها حالت بخار آن نامرئی است آب تحت شرایط خاصی از یک حالت به حالت دیگر تغییر پیدا می کند که برای هر کدام نام ویژه ای به کار گرفته  می شود .

این تغییر حالتها ونامهای مربوط ، به شرح زیرند :

تبخیر : تغییر حالت از مایع به بخار

انجماد : تغییر حالت از مایع به  جامد

تصعید : تغییر حالت از   جامد به بخار

ذوب : تغییر حالت از جامد به مایع

میعان : تغییر  حالت از بخار به مایع

نهشت : تغییر حالت از بخار به جامد

تغییر از حالت به مایع به بخار نیازمند نهان تبخیر است و برای تغییر  از ح الت جامد به منایع به گرمای نهان ذوب نیاز داریم .هنگامی که تغییر حالت در جهت عکس صورت  

 گیرد ، گرمای نهان و ذوب آزاد می شوند وهمچنین برای تغییر  حالت از جامد به بخار به گرمای نهان تصعی نیاز داریم که این گ رما در موقع نهشت آزاد می شود .

4-1 بخار آب

مقدار بخار آب موجود  درجو بر حسب زمان و مکان متغیر است . مقدار واقعی بخار آب موجود دریک نمونه هوا ممکن است با عبارت مختلفی تعریف شود که از  این قرارند .

4-1-1 نسبت آمیزه رطوبت

به نسبت جرم بخار  به جرم هوای خشک ( هوای بدون بخار آب  ) اطلاق می شود وواحد آن گرم بر کیلوگرم است

4-1-2 رطوبت مطلق

عبارت است از : نسبت جرم بخار آب به  حجمی که توسط مخلوط بخار آب و هوا اشغال شده است واحد رطوبت مطلق گرم بر متر مکعب است .

4-1-3 فشار بخار آب

عبارت است از فشار جزئی بخار آب موجود در جو این قسمتی از فشار کلی جو است و با واحد هکتو   پاسکال اندازه گیری میشود .

ظرفیت  پذیرش بخار آب در هوا ، با ازدیاد دما افزایش می یابد . در شکل 4-1 منحنی بیشترین اشباع ، پذیرش بخار آب  در یک نمونه هوا را بر حسب دما نشان می دهد در این شکل فرض بر این است که نمونه اشباع شده در مجاورت سطح مسطحی از آب در تعادل قرار دارد . در شکل 4-1 محور قائم را می توان بر حسب آمیزه رطوبت رطوبت مطلق و یا فشار بخار آب مدرج کرد .

عبارت اشباع را هنگامی برای نمونه ای از هوا به کار می بریم که آن نمونه بیشترین مقدار بخار آب را در یک دمای خاصی در خود جای داده  باشد ./ در شکل 4-1 توده هوای a  با دمای  25 و نسبت آمیزه رطوبت  25/21 اشباع است در این حالت نسبت آمیزه رطوبت را نسبت آمیزه رطوبت اشباع می نامند .

در هوای غیر اشباع C, b  میزان کمتری بخار آب در مقایسه با حالت اشباع ان در یک دمای خاص وجود دارد . هر گا ه مقداربخار اب در نمونه هوا از   حد اشباع آن در دمای مورد نظر بیشتر شده باشد و هوا را ابر اشباع d می نامند .

4-1-4 رطوبت نسبی

چهارمین عبارتی که غالبا برای توضیح بخار آب موجود در هوا به کار گر فته می شود ، رطوبت نسبی RH  است این کمیت عبارت است از : نسبت جرم بخار آب موجود در نمونه هوا در یک دمای خاص به  مقدار بخار آب موجود در همین  دما و درحالت اشباع این نسبت بر حسب درصد بیان می شود .

اندازه RH  برای یک نمونه غیر  اشباع همواره کمتر از 100% است برای نمونه B در دمای  20 نسبت 10 به 15 می باشد که RH  آن 7/66% است برای نمونه c با نسبت 57/1 به 2 RH  مساوی با 5/87 % می شود . دراین جا باید یاد آوری شد که : اگر چه نمونه B دارای بخار آب بیشتری در مقایسه با نمونه C است ولی رطوبت نسبی آن کمتر از رطوبت نسبی نمونه C است .این نشان دهنده این مطلب است که رطوبت نسبی توسط دمای نمونه هوای کنترل می شود میزان بخار آب موجود در آن  پارامتر کنترل کننده عمده نمی باشد .

با تغییر دمای نمونه هوا انازه RH  تغییر می کند .اگر میزان بخار آب موجود در نمونه همچنین فشار ثابت نگه داشته شوند ودمای نمونه B به  30 B2 افزایش داده شود آن گاه PH به 37%   کاهش می یابد بر عکس اگر دما به  170 کاهش یابد         RH (B3) به 90 % افزایش می یابد

اندازه  RH برای هوای اشباع A همواره 100% است و برای هوای ابر اشباع D که ممکن است تحت شرایط خاصی در جو و جود داشته باشد همواره بیشتر از 100% خواهد بود

تغییردر رطوبت نسبی تنها با  تغییر دمای هوا صورت نمی پذیرد . می توان با افزایش موجودی بخار آب و کاهش دما به طور همزمان B- K  به حالت اشباع  دست یافت .

4-2 دمای نقطه شبنم

دمای نقطه شبنم دمایی است که اگر نمونه ای از هوا را 0 با ثابت نگه داشتن موجودی بخار آب و فشار ) تا آن دما را پایین آوریم به حالت اشباع برسد .البته این مساله که درمجاورت سطح همواری از آب ( در حالت مایع آن ) صحت دارد بنابراین با توجه به شکل 4-1 نقطه شبنم نمونه B برابر با  14  (B4)   است . برای دماهای زیر صفر درجه سانتی گراد حالت اشباع نسبت به سطح همواری از یخ بیان می شود دمایی را که این شرایط برای نمونه ای از هوا با موجودی بخار آب معینی در آن وجود داشته باشد نقطه یخبندان می  نامند . شکل 4-2 برای نمونه غیر اشباع  ( E )   اندازه دمای نقطه یخبندان  ( E1 )  اندازه دمای نقطه یخبندان E1  بزرگتر از دمای نقطه شبنم E2  است 

4-3 تراکم

تراکم بخار آب در جو اغلب درنتیجه کاهش دمای هوا به زیر نقطه شبنم اتفاق می افتد در شکل 4-1 دمای B4  با نقطه شبنم  14 تا  10  B5  کاهش یافته و ابر اشباع می شود .

این وضعیت به ندرت  پایدار می ماند زیرا مقداری از بخار آب در ابتدا متراکم            شده ( B6 – B7 )   و باعث ادامه تراکم می شود ( B7 – B8 )  

عمل تراکم در جو نیاز به حضور هسته تراکم دارد که ذرات بسیار ریز موجود در  ( هواویزها ) این نقش را ایفا می کند .این ذرات د رغلظتهای مختلف بر اثر جریانهای طبیعی جو از قبلی فعالیت آتش فشانها ف جبابهای کوچک جدا شده از سطح دریا و ناشی از فرایندهای شیمیایی انجام شده در  جو از زمین به هوا وارد می شوند کلروسدیم ( نمک طعام ) و ذرات اسید سولفوریک نمونه هایی از هسته های تراکم بوده  که جاذب رطوبت می باشد . این هسته ها قسمتی از قطره های آب را تشکیل داده و باعث ادامه حضور این قطره ها در هوای اشباع می شوند . قطره های آب  شکلهای مختلفی رادر جود دارند که این امر بستگی به جریانی داردکه طی آن دما کاهش یافته است (  فصل  پنجم )  به طور نظری وجود یک توده  هوا در دمایی پایین تر از نقطه شبنم و به صورت ابر اشباع امکان پذیر است مشروط به این که هسته تراکم در هوا وجود نداشته باشد

از آمیزش دو نمونه هوا با دما و رطوبت نسبی متفاوت شاید بتوان تراکم ایجاد کرد در شکل 4-3 از مخلوط کردن نمونه Q با رطوبت نسبی 100% و نمونه P  با رطوبت نسبی کنتر از 100% نمونه M موجود بخار آب و دمای آن بین نمونه های Q,P قرار دارد به دست می آید همان گونه که  ملاحظه می شود نمونه M در حالت ابر اشباع قرار داشته و درصورت وجود هسته تراکم صورت خواهد گرفت .

4-4 تبخیر

موجودی بخار آب جو از طریق تبخیر از سطح زمین و یا تصعید از سطوح  یخی تامین می شود منابع آبی که تبخیر در آنها صورت می گیرد نه تنها شامل سطوح ازاد آبها مانند اقیانوسها  ، دریاچه ها و رودخانه ها ، بلکه شامل : سطوح خاکی و پوششهای گیاهی نیز می شوند .

تبخیر به صورت آهنگی  که ضخامتی از آب در مدتی معینی به بخار تبدیل می شود ، بیان می شود ( برای مثال میلی متر بر روز ) عمل تبخیر بر روی خشکی را تبخیر وتعرق می نامند زیرا تبخیر از روی خاک و تعرق گیاهان را شامل می شود آهنگ تبخیر به عوامل زیر بستگی دارد :

الف ) انرژی گرمای نهان وتبخیر مودر نیاز در اصل از محل انرژی خورشیدی جذب شده توسط سطح تامین می شود .

ب  ) رطوبت نسبی درشکل 4-1 هنگامی که لایه هوا در  تماس با سطح اشباع می شود A آهنگ تبخیر به صفر کاهش می یابد زیرا لایه هوای مذکور قدرت جذب رطوبت بیشتری را ندارد .

ج ) باد :هنگامی که هوای اشباع شده A توسط جریان هوا باد با هوای غیر اشباع B جایگزین می شود آهنگ تبخیر افزایش می یابد .همچنین هر گاه هوا در سطحی  پس از رسیدن به حالت اشباع با هوای بالای آن بر اثر تلاطم جایگزین می شود عمل تبخیر ادامه می یابد .

د  ) آب : ممکن است تمامی شرایط برای تبخیر مناسب باشد و به جز آب کافی در این صورت رسیدن به آهنگ تبخیر مورد نظر امکان پذیر نخواهد بود این گونه شرایط در بیابانها و یا در فصلهای خشک سال اتفاق می افتد .

در شکل 4-4 چگونگی توزیع میزان سالانه تبخیر در نواحی اقیانوسی نشان داده شده است . مناسب ترین شرایط برای تبخیر از نظر اب ، وجود انرژی و شرایط جوی در عرض این فرایند 15 تا 30 درجه ونامناسب ترین شرایط در  نواحی قطبی یافت می شود نتیجه این فرایند انتقال انرژی از سطح زمین به جو می باشد .

4-5 تغییرات روزانه رطوبت نسبی

اندازه گیری ها نشان می دهد که رطوبت نسبی تغییراتی روزانه دارد به طوری که کمترین مقدار آن در بعد ازظهر و بیشترین در سپیده دم صبح اتفاق می افتد ( شکل 4- 5 ) این تغیرات روزانه به : طبیعت سطح ، فصل سال ، دمای هوا وموجودی بخار آب بستگی دارد .

اندازه این تغییرات عموما بر روی خشکی بزرگتر از اندازه آن بر روی دریاست .

اگر موجودی بخار آب در یک نمونه هوا ثابت بمانند ، رطوبت نسبی در طول روز با افزایش دما کاهش می یابد  ( شکل 4-1 B – B2   ) در نتیجه رطوبت نسبی به کمترین حد می رسد که دمای هوا به بیشترین مقدار خود رسیده باشد 0 فصل سوم در مقابل با کاهش دمای هوا رطوبت نسبی افزایش می یابد وممکن است تا میزان 100% بالا رود و  این صنعت تا یک ساعت بعد ازطلوع آفتاب باقی بماند .

با افزایش دمای هوا در طول روز هوا قادر به نگهداری بخار آب فزاینده خواهد بود در نتیجه در صورت وجود شرایط مساعد تبخیر صورت می گیرد به هر حال افزایش دمای هوا اثر بیشتری بر روی رطوبت نسبی دارد تا افزایش موجودی بخار آب هوا ، بنابراین در مجموع کاهش در میزان  رطوبت نسبی در طول روز مشاهده خواهد شد .

اگر در طول دوره بعدی که کاهش دردمای هوا داریم به زیرنقطه شبنم برسیم ، رطوبت نسبی به مقدار 100% باقی مانده وتراکم اتفاق می افتد ( شکل 4-1 موارد B5 B6 B7 B8  مثالهای بیان شده فقط در مورد  سطوح وهوای بلافاصله  بالای آن صدق می کنند . دراینجا یاد آور شد که برخی اوقات هوای منتقل شده از سایر نقاط به محل مورد نظر بی نظمیهایی را در تغییرات روزانه رطوبت نسبی ایجاد می کند شکل 4-6 تغییرات دما و رطوبت نسبی را برای یک روز بهاری نشان می دهد .

4-6 رطوبت سنجی

اندازه گیری رطوبت مطلق و نسبت آمیزه رطوبت به طور مستقیم بسیار مشکل و حتی در اغلب موارد غیر ممکن است ، اما با داشتن رطوبت نسبی می توان با استفاده از  جدولها ومنحنیهای موجود آنها را محاسبه کرد .

وسایل گوناگونی جهت اندازه گیری رطوبت نسبی وجود دارد که از بین آنها به شرح رطوبت سنج سایکرومتر که اغلب از آن با نام دماسنج تر وخشک و یا رطوبت سنج میسن یاد می شود می پردازیم .

این دستگاه تشکیل شده است از دو دماسنج توسط یک غلاف پارچه ای از جنس نخ نازک همواره خیس نگه داشته می شود ( شکل 7-4  ) در نتیجه  بر اثر عبور جریان هوا از روی مخزنهای این دو در صورتی که از بخار آب اشباع نشده باشد دماسنج تر دمای پایین تری را نسبت به دماسنج خشک نشان میدهد . یا به دست آوردن اختلاف این دو دما TD- TW  که آن را تنزل دما می نامند و دمای محیط TD  با استفاده از  جدول 4-1 رطوبت  نسبی را می تو.ان محاسبه نمود .

این رطوبت سنج  با مشخصات ذکر شده  دارای نوع دیگری نیز می باشد که رطوبت سنج  چرخان موسوم است در این رطوبت سنج دماسنجهای تر وخشک درقابی جا سازی شده اند که می تواند حول یک محور گردش کند شکل 4-8 مخزن دماسنج در یک غلاف پارچه ای از  جنس نخ نازک که توسط لوله ای به مزخنی از اب مقطر راه دارد قرار داده شده است .

اساس کار این دورطوبت سنج بدین شکل است که با عبور هوای اشباع شده از روی مخزن دماسنج تر آب از روی پارچه نخی تبخیر می شود به طوی که انرژی مورد نیاز خود ( گرمای نهان تبخیر ) را از هوای اطراف دریافت می کند با از دست دادن این انرژی دمای هوای اطراف کاهش یافته دما سنج تر دمای این هوا را نشان میدهد .

هر چه رطوبت نسب پایین تر باششد اختلاف دما زیادتر خواهد بود . برای حالتی که رطوبت نسبی 100% است  اختلاف دما صفر بوده و دو دماسنج  تر وخشک عددی واحدی را می خوانند .

لازم به یاد آوری است که آهنگ تبخیر آب از دماسنج تر به سرعت جریان هوا بستگی دارد که حدود 2 تا 4 گروه ( حدود 5/0 متر بر ثانیه )  برای رطوبت سنج میسن و حداقل 7 گروه برای رطوبت سنج  چرخان می باشد بنابراین هر یک از این دو رطوبت سنج جدول جداگانه ای را لازم دارند .

باید یاد آور شد که اگر دماسنج تر عددی زیرصفر درجه سانتی گراد را بخواند باید پارچه دور مخزن آن را از یخ پوشیده شده باشد . در صورتیکه آب  این پارچ ابر سرد یعنی به صورت مایع در دمای زیر صفر باشد لازم است که نخست آن را به یخ تبدیل کرد سپس جریان  هوا  روی آن عبور دارد .

اغلب برای محاسبه  رطوبت نسبی نیاز به تعیین فشار جزئی بخار آب اشباع در محل می رود رابطه این فشار با افت دمای تر در فشار 1000 میلی بار در جدول 4- 2 داده شده است .