Légköri vízzel kapcsolatos mérések TGBL1116 Meteorológiai műszerek Bíróné Dr. Kircsi Andrea Egyetemi adjunktus DE Meteorológiai Tanszék Debrecen, 2009/2010 I. félév Levegő vízgőztartalma légnedvesség Kondenzálódott víz: Felhő, köd Csapadék: mikro- és makrocsapadék Párolgás http://web.mit.edu/wplp/course/f98stud/bw/fmhydrol.htm Hidrológiai ciklus A Föld vízkészlete 2 milliárd km 3 (kb. 2 10 18 tonna) Ennek 15 %-a kémiailag kötött A maradék 1,4 milliárd km 3 a globális víztározókban található. Hidrológiai ciklus A légköri víz kb. 13.000 km 3 : 99% troposzférában Ha mind kihullna 25 mm csapadékot jelentene (átlagosan 1000 mm az évi csapadékmennyiség) 1 év alatt kb. 40-szer újul meg a légköri vízkészlet tartózkodási idő 9 nap. (Ha 900mm/25mm=36x újul 356/36=10.1nap) 97,6%-a légnemű halmazállapotú, 2,2%-a pedig szilárd vagy cseppfolyós halmazállapotban található a légkörben. száraz levegő + vízgőz = nedves levegő http://blue.utb.edu/paullgj/geog3320/lectures/earthenergy.html Mérések fontossága A levegő nedvességtartamának mérése A levegő pillanatnyi nedvességtartalmának és változásának ismerete számos területen kerül felhasználásra: Meteorológiai analízis, előrejelzés, éghajlati kutatások Mezőgazdaság, hidrológia, tengerészet, környezetvédelem, környezeti kutatások 1
Légnedvesség mérőszámai Keverési arány (r): vízgőz (m v ) és a száraz levegő (m l ) tömegének hányadosa. [kg/kg] mv e r 0. 622 m p l Abszolút nedvesség (a): térfogategységnyi nedves levegőben lévő vízgőz tömege. [kg/m 3 ] mv a V Fajlagos, vagy specifikus nedvesség (q): tömegegységnyi nedves levegőben lévő vízgőz tömege. [kg/kg] mv a q m m a v l l Légnedvesség mérőszámai Gőznyomás (e ): A nedves levegőben lévő vízgőz parciális nyomása. [hpa] Telítési gőznyomás (e w ) (e i ): Adott hőmérsékleten a párolgás és kondenzáció dinamikus egyensúlyban van. Erre az állapotra vonatkozó gőznyomás a telítettségi gőznyomás. Függ: a levegő hőmérsékletétől, oldatkoncentráció, vízfelszín alakjától, a víz halmazállapotától. Emiatt vízfelszínre és jégfelszínre adjuk meg. [hpa] Légnedvesség mérőszámai Relatív nedvesség (U): Adott hőmérsékleten és nyomáson a levegőben lévő vízgőz nyomása hány %-a az adott hőmérséklethez tartozó telítési gőznyomásnak. [%] Harmatpont (T d ): Az a hőmérséklet, ahol a nedves levegő telítetté válik adott nyomáson. [ C] Telítési gőznyomás függése a hőmérséklettől Telítési gőznyomás Gőznyomás Telítési hiány Harmatpont Telítési gőznyomás függése a hőmérséklettől Légnedvességmérők - higrométerek Telítési gőznyomás Gőznyomás 1. Abszorpciós nedvszívóképességtömegváltozás 2. Hajszálas hosszváltozás 3. Membrán higrométerek - aranyütőhártya 4. Pszichrométerek termodinamikai módszer 5. Kondenzációs harmattükör a harmatpont mesterséges előállítása 6. Elektromos higrométerek légmagvas kondenzátor kapacitásának a mérése Harmatpont Harmatpont depresszió 2
Abszorpciós higrométerek Abszorpciós higrométerek Abszolút nedvesség mérése nagy pontossággal történik Elsődleges standard műszerek a gravimetrikus higrométerek laboratóriumokban használják Ismert tömegű nedvszívó anyagon vezetik át az ismert térfogatú levegőt. P 2 O 5 (foszfor pentoxid) vagy Mg(ClO 4 ) 2 Magnézium perklorát 1m 3 P 2 O 5 Hajszálas higrométer Zsírmentesített szőke hajszálköteg hosszváltozása Relatív nedvesség Higrográf 10 perc beállási idő Nemcsak a hossza, átmérője is változik Szennyeződés kiszáradás hibaforrások Nem túl pontos 5% Hajszálas higrométerek Termohigrográf Poliméter Az állomás-higrométer tökéletesített változata, Hőmérőjéről a hőmérséklet és a hozzá tartozó telítési gőznyomás olvasható le, Légnedvesség-mérőjéről a relatív nedvesség és a telítettségi hiány olvasható le. Poliméter 3
Leonardo da Vinci higrométere Membrános higrométer érzékelője aranyütőhártya http://www.fortunecity.com/olympia/tilden/186/weather/ http://www.museoscienza.org/english/leonardo/igrometro.asp Pszichrométer Termodinamikai úton méri a levegő nedvességtartalmát Száraz nedves hőmérőpár Nedves hőmérő alacsonyabb értéket mér. A pszichrométeres különbség a levegő nedvességtartalmának függvénye annál nagyobb minél szárazabb a levegő Pszichrométer Nedves hőmérőt két hőhatás éri: Hőt veszít párolgás révén Hőt nyer külső T függvényében Egyensúly alakul ki c(t t') E - e c' p e E Ap( t t') A - kísérleti úton meghatározott konstans Pszichrométer táblázat August-féle pszichrométer Egyszerű kivitel Számos hibaforrás a szélcsend illetve a változó szélsebesség befolyásolja a párolgás intenzitását, Megoldás:a párolgás számára aspirátorral előidézett állandó légáramlást vezetnek (egységes szélviszonyok) a nedves hőmérőhöz. 4
Assmann-féle szellőztetett pszichrométer Pszichrométer Kondenzációs higrométerekharmattükör Harmatpont mesterséges előállítása telítési gőznyomás előidézése levegő gőznyomása relatív nedvesség Tükör alatt éter, vagy gyorsan párolgó anyag Lassan hűt tükör elhomályosodik (alacsony ) Lassan melegít tükör kitisztul (magas ) A kettő átlaga adja a harmatpontot Kondenzációs higrométerek- harmattükör Automatizált: fotocella érzékeli a tükör elhomályosodását Fényforrás ferdén világítja meg a tükröt keletkező vízcseppek révén jut fény a fotocellába Hűtés szárazjéggel hűtött alkohol Fűtés után termoelem méri a hőmérsékletet Lambrecht-féle harmattükör LiCl bevonatú érzékelő kondenzációs higrométeren Ellenállásmérésen alapul a harmatpont mérése Higroszkópos tulajdonságú LiCl sóoldat felett a gőznyomás alacsonyabb A bevonat vizet vesz fel a környezetéből Sóoldatot melegítjük egyensúlyi hőmérséklet Ez arányos a levegő gőznyomásával a levegő harmatpontjával Légmagvas kondenzátor Kapacitás mérés A légmagvas kondenzátor töltéstároló-képessége változik A kondenzátor kapacitása arányosan változik a levegő nedvességtartalmával 5
Követelmények Standard higrométerek követelményei Higrométerek elhelyezése Előírások sokban hasonlítanak a hőmérők elhelyezésére Műszert védeni kell a direkt sugárzástól csapadéktól, széltől, szennyezőanyagoktól Igyekezni kell kerülni, hogy a műszer közvetlen környezetében helyi mikroklíma alakuljon ki. Általában a faházikó képes vizet abszorbeálni, mely befolyásolhatja a légnedvesség méréseket. Egyes műszerekre és éghajlati területekre speciális előírások vonatkozhatnak. Köszönöm a figyelmet! Bíróné Kircsi Andrea kircsia@delfin.klte.hu http://meteor.geo.klte.hu 6