ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΤΟΥ ΑΕΡΑ

Transcript

1 ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΓΕΝΙΚΑ Όπως είναι γνωστό η ατμόσφαιρα περιέχει νερό και στις τρεις μορφές του, δηλαδή τη στερεά, την υγρή και την αέρια. Το 90% και περισσότερο απ αυτή την ποσότητα βρίσκεται συγκεκριμένο στο κατώτερο μέρος της ατμόσφαιρας μέχρι ύψους 8-10 km και αποτελεί το 0,3 0,45 της μάζας του στρώματος αυτού. Αν γενικά οι υδρατμοί αποτελούν ελάχιστο μέρος της όλης ατμόσφαιρας (0.4% κ.α), διαδραματίζουν σημαντικότατο ρόλο στα καιρικά φαινόμενα, στο ενεργειακό ισοζύγιο και γενικά στην αλληλεπίδραση Γης-Ατμόσφαιρας. Όλη η ποσότητα του διακινούμενου ύδατος εισέρχεται στην ατμόσφαιρα μέσω της εξάτμισης και της εξατμισοδιαπνοής. Έτσι τεράστιες ποσότητες ενέργειας μεταφέρονται και απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα μέσα απ αυτόν τον κύκλο του ύδατος. Η περιεκτικότητα της ατμόσφαιρας σε υδρατμούς μειώνεται με το ύψος και αυτό οφείλεται στην ελάττωση της θερμοκρασίας με το ύψος που συνεπάγεται μείωση της δυνατότητας της ατμόσφαιρας να συγκρατεί υδρατμούς. Γενικά ονομάζουμε ΥΓΡΑΣΙΑ το ποσό των υδρατμών που περιέχει ο ατμοσφαιρικός αέρας. 1. ΕΚΦΡΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ Υπάρχουν διάφοροι, τρόποι με τους οποίους εκφράζεται η υγρασία, καθένας από τους οποίους είναι περισσότερο κατάλληλος σε κάποια μορφή μελέτης της ατμόσφαιρας. α. Τάση υδρατμών e και μέγιστη τάση υδρατμών es Οι υδρατμοί, σαν ένα από τα αέρια της ατμόσφαιρας σύμφωνα με το νόμο μερικών πιέσεων, παρουσιάζουν κάποια μερική πίεση την οποία ονομάζουμε τάση υδρατμών e. Τη μέγιστη τιμή της e για δεδομένη θερμοκρασία την ονομάζουμε μέγιστη τάση υδρατμών ή τάση κεκορεσμένων υδρατμών es και λαμβάνεται στο σημείο δρόσου που είναι η θερμοκρασία στην οποία αρχίζει η συμπύκνωση των υδρατμών. β. Απόλυτη υγρασία dv. Αν μέσα σε όγκο V ατμοσφαιρικού αέρα. Αν με Μv συμβολίσουμε τη μάζα των υδρατμών που περιέχεται στον όγκο Vκαι με Md τη μάζα του ξηρού αέρα στον ίδιο όγκο τότε ορίζουμε σαν αναλογία μίγματος και συμβολίζουμε με W

2 το πηλίκο της μάζας των υδρατμών προς τη μάζα του ξηρού αέρα που τους περιέχει δηλαδή. δ. Ειδική υγρασία q Το πηλίκο της μάζας των υδρατμών Μv προς τη μάζα του υγρού αέρα Μv+Md που τους περιέχει ορίζουμε σαν ειδική υγρασία και συμβολίζουμε με q. ε. Σχετική υγρασία h. Σαν σχετική υγρασία ορίζεται ο λόγος της μάζας των υδρατμών Μv που περιέχονται σ έναν όγκο αέρα V προς τη μάζα υδρατμών Μvs που θα περιέχει ο όγκος αυτός αν ήταν κορεσμένος. Η σχετική υγρασία είναι καθαρός αριθμός και εκφράζεται επί τοις (%). ζ. Θερμοκρασία δρόσου Τd Θερμοκρασία δρόσου είναι η θερμοκρασία στην οποία πρέπει να ψυχθεί μια αέρια μάζα υπό σταθερή πίεση και χωρίς προσθήκη ή αφαίρεση υδρατμών, ώστε να κορεστεί. Αν δηλαδή η τάση των υδρατμών σ ένα όγκο ατμοσφαιρικού αέρα είναι e, τότε υπάρχει κάποια θερμοκρασία Τd για την οποία η αντίστοιχη μέγιστη τάση υδρατμών es ισούται με e. Τη θερμοκρασία αυτή ονομάζουμε θερμοκρασία ή σημεία δρόσου. Όταν η θερμοκρασία του αέρα και το σημείο δρόσου συμπίπτουν τότε η σχετική υγρασία είναι 100%. η. Θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου Τw Έστω μια αέρια μάζα αρχική θερμοκρασία Τ στην οποία προσφέρουμε νερό που εξατμίζεται μέχρι να κορεστεί η μάζα. Αν η μάζα θεωρηθεί θερμικά απομονωμένη από το περιβάλλον, τότε θα ψύχεται γιατί η εξάτμιση του νερού απαιτεί θερμότητα, η οποία αφαιρείται από την αέρια μάζα. Η τιμή στην οποία θα φτάσει η θερμοκρασία της αέριας μάζας όταν κορεστεί ονομάζεται θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου και συμβολίζεται με Τw. 2. MΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ Τα όργανα που χρησιμοποιούμε για τον υπολογισμό της υγρασία ταξινομούνται στους εξής τύπους: Α. Χημικοί απορροφητικοί τύποι (chemical absorption type) Β. Ηλεκτρικοί απορροφητικοί τύποι (electrical absorption type) Γ. Τύποι διάχυσης (Diffusion type)

3 Δ. Ψυχρόμετρα (psychrometer) Ε. Συστήματα εκμετάλλευσης της αλλαγής των διαστάσεων υγροσκοπικών ουσιών Ζ. Τύποι συμπύκνωσης (Condensation type) Η. Ηλεκτρονικοί τύποι (electronical type) Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν όλες αυτές οι μέθοδοι, παραμένει πρότυπος και βασικός τρόπος μέτρησης ο ψυχρομετρικός στον οποίο θα δοθεί έμφαση. 3. METΡΗΣΗ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΜΕ ΨΥΧΡΟΜΕΤΡΑ 1. Γενικά Ο Button παρατήρησε για πρώτη φορά, περίπου 1793, ότι αν το δοχείο ενός κοινού θερμομέτρου είναι υγρό, τότε η θερμοκρασία του μειώνεται λόγω εξάτμισης του νερού από την επιφάνεια του θερμομετρικού δοχείου της λεκάνης του θερμομέτρου. Ένα ψυχρόμετρο αποτελείται βασικά από δύο όμοια θερμόμετρα που είναι εξίσου ευαίσθητα στις θερμοκρασιακές μεταβολές. Το δοχείο του ενός των δύο θερμομέτρων είναι εντελώς ξηρό και καθαρό (το οποίο ονομάζεται ξηρό θερμόμετρο του ψυχρομέτρου0 ενώ το δοχείο του άλλου θερμομέτρου (το οποίο και ονομάζεται υγρό 0περιβάλλεται από λεπτό μεταξωτό ύφασμα. Το ξηρό θερμόμετρο θα δείχνει τη θερμοκρασία του αέρα (εφόσον το όργανο βρίσκεται μέσα στο μετεωρολογικό κλωβό), ενώ το υγρό θα δείχνει τιμή χαμηλότερη από αυτήν του ξηρού, εφόσον ο αέρας δεν είναι κορεσμένος από υδρατμούς και αυτό αιξαιτίας της εξάτμισης που συμβαίνει στο δοχείο του υγρού θερμομέτρου. Όσο ξηρότερος είναι ο αέρας τόσο μεγαλύτερη είναι η εξάτμιση οπότε και η διαφορά των δύο θερμομέτρων 2. Ψυχρομετρικός τύπος Από τις ενδείξεις του ξηρού και του υγρού θερμομέτρου προσδιορίζεται η τάση των υδρατμών e,(ή η απόλυτη υγρασία,e)με αντικατάσταση στον τύπο e=es(tw)-ap (T-Tw) (1) όπου,

4 Τ, η θερμοκρασία του ξηρού θερμομέτρου Τw, η θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου P, η ατμοσφαιρική πίεση es, η μέγιστη τάση των υδρατμών στη θερμοκρασία Τw A, μια σταθερά εξαρτώμενη κυρίως από τη ταχύτητα του αέρα που διέρχεται από το δοχείο του υγρού θερμομέτρου και ονομάζεται ψυχρομετρική σταθερά. H παραπάνω σχέση συνεπάγεται κάνοντας απλές σκέψεις στο τι συμβαίνει στο δοχείο του υγρού θερμομέτρου Έστω ότι σταθερό ρεύμα αέρα διέρχεται από τα δοχεία των δυο θερμομέτρων του ψυχρομέτρου. Θεωρούμε ότι η μάζα του αέρα είναι ικανοποιητικά μεγάλη ώστε η θερμική ισορροπία των δοχείων των θερμομέτρων με το άμεσο περιβάλλοντα αέρα να είναι σχετικά γρήγορη. Τότε μάζα υγρού αέρα,m, διερχόμενη από το δοχείο του υγρού θερμομέτρου στη μονάδα του χρόνου,υφίσταται θερμοκρασιακή μεταβολή από την αρχική της θερμοκρασία Τ στη θερμοκρασία Τw του υγρού θερμομέτρου. Αν mv η μάζα των υδρατμών που περιέχονται στη μάζα του υγρού αέρα m και Q η θερμότητα που προσφέρει προς το δοχείο του υγρού θερμομέτρου, στη μονάδα του χρόνου,η μάζα m ψυχωμένη από την θερμοκρασία Τ στην Τw τότε Q=[ (m-mv) cp+mvcpv ] (T-Tw) (2α) =[ mcp+mv (Cpv-Cp)] (T-Tw) (2β) όπου Cp, η ειδική θερμότητα του αέρα υπό σταθερή πίεση Cpv, η ειδική θερμότητα των υδρατμών υπό σταθερή πίεση Όμως mv=qm και q gr.kg -1 και cpν-ψπ 0,3 cp, οπότε η (2β) Γράφεται με καλή προσέγγιση Q mcp(t-tw) (3)

5 Aν η μάζα m s του υγρού αέρα αρχίζει να κορέννειται, τότε Q ποσό θερμότητας δαπανάται για να εξατμιστεί νερό από το δοχείο του υγρού θερμομέτρου προκειμένου να σχηματιστούν υδρατμοί και να κορεστεί ο παρακείμενος ακόρεστος υγρός αέρας. Η μεταβολή της αναλογίας μίγματος είναι rs(tw)-r (T), επομένως μέσα στον αέρα εξατμίζεται μάζα ms[ rs (Tw)-r(T),επομένως μέσα στον αέρα εξατμίζεται μάζα Ms[rs(Tw)-r(T)]. Οπότε το ποσό θερμότητας Q θα είναι: Q =ms[ (rs (Tw))-r(T) ] L (4) Όπου r(t), η ανάλογη μίγματος στη θερμοκρασία Τ rs (Tw), η αναλογία μίγματος κορεσμού στη θερμοκρασία Τw L η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης. Για να παραμένει η θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου σταθερή,πρέπει τα δύο ποσά θερμότητας που περιγράφονται από τις (3) και (4) να είναι ίσα. Πράγματι κατά τη στιγμή της παρατήρησης έχουμε θερμοδυναμική ισορροπία οπότε Q=Q. Επειδή τώρα r (T) e(t)/p και rs (Tw ) es(tw )/p, Έχουμε:.. (5) Όσο η ταχύτητα του ανέμου που διέρχεται από το δοχείο του υγρού θερμομέτρου αυξάνει τόσο και η μάζα ms προσεγγίζει τη μάζα m Aπό τη σύγκριση των εξισώσεων (5) και (1) προκύπτει ότι η ψυχρομετρική σταθερά Α ισούται με (6) όπου u, η τaχύτητα του ανέμου Β,α,β, είναι παράμετροι που εξαρτώνται από την θερμοκρασία (η Β εξαρτάται ελαφρά και από την ταχύτητα του ανέμου

6 Α,b, παράγοντες που καθορίζονται από το σχήμα και τις διαστάσεις του δοχείου του θερμομέτρου Όσο το μέγεθος του δοχείου του θερμομέτρου ελαττώνονται ή η ταχύτητα του ανέμου αυξάνεται, τόσο η τιμή της Α ελαττώνεται. Στην συνέχεια φαίνεται η επίδραση της μεταβολής της Α ή /και της Τw στη σχετική υγρασία U. Eξ ορισμού έχουμε U=, όπου es (T) η μέγιστη τάση των υδρατμών στη θερμοκρασία Τ. Έτσι η (1) γράφεται: U=.. (8) Τότε μια μεταβολή ΔΑ στην Α προκαλεί μεταβολή ΔU στη σχ. Υγρασία U (9) Mια μεταβολή ΔΤw στη Τw δημιουργεί U μεταβολή ΔU που είναι:.. (10) όπου β η μεταβολή της μέγιστης τάσης των υδρατμών με τη θερμοκρασία, στη Τw. Στις πίνακες 1 και 2 φαίνονται οι τιμές της ΔU για μια μεταβολή κατά 10% στην τιμή της Α και για μια μεταβολή κατά 1ΟC στη θερμοκρασία Τw,αντίστοιχα. Οι ατμοσφαιρικές καταστάσεις θεωρούνται σταθερές. ΠΙΝΑΚΑΣ 1 Η μεταβολή της σχετικής υγρασίας για μεταβολή 10% στην τιμή της Α. U (per cent) T ( O C) % % % % % %

7 ΠΙΝΑΚΑΣ 2 Η μεταβολή της σχετικής υγρασίας για μεταβολή κατά 1 ο C στη θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου (Α= k -1 ). T ( o C) % % % % % % Πρακτικές Φόρμουλες Οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται από το Μετεωρολογικό Γραφείο για τον υπολογισμό της e από παρατηρήσεις στο ψυχρόμετρο είναι (i) Για ταχύτητες ανέμου, που διέρχονται από το δοχείο του υγρού θερμομέτρου περίπου 1-2m/ sec : e(t)=es (Tw) (T-Tw) για τιμές Τw 0 o C

8 (ii) e(t)=es (Tw) (T-Tw) για τιμές Τw O o C Για ψυχρότερα όπου ο αέρας καθοδηγείται στα θερμόμετρα μ ε ανεμιστήρα 9π.χ)ψυχρόμετρα Αssmann) και η ταχύτητα του είναι περίπου 4 m /sec: e(t)=es (Tw)-0.37 (T-Tw) για τιμές Τw 0 o C e(t)=es (Tw)-0.33 (T-Tw) για τιμές Τw O o C Η πίεση έχει υπολογιστεί στη στάθμη των 1000 mb. Αν η μέση πίεση ενός τόπου διαφέρει από τα 1000 mb περισσότερο από 50mb τότε πρέπει να ληφθεί υπόψη η ανάλογη διόρθωση για τη διαφορά (Τ-Τw) στη συγκεκριμένη πίεση,όπως αυτή δίνεται από βοηθητικούς πίνακες. Γ. Ηλεκτρονικά ψυχρόμετρα Εάν συνδυαστούν τα όσα αναφέρθηκαν παραπάνω με ηλεκτρονικούς αισθητήρες θερμοκρασίας,μπορώ να κατασκευαστούν σύγχρονα ηλεκτρονικά ψυχρόμετρα. Στα πλαίσια αυτά χρησιμοποιείται το Pt 100 ή Thermistors τα οποία μπορώ να δοθούν εξαιρετικά χαρακτηριστικά. Σαν παράδειγμα καλών επιδόσεων αναφέρονται: Α) Χρονικά απόκριση 0.5 Hz b)ακρίβεια 0.5% και λογικό κόστος. Τελευταία προσφέρονται ηλεκτρονικά θερμαινόμενα ψυχρόμετρα που λειτουργούν στην περιοχή των 40 με +55 ο C Δ. Ηλεκτρονικοί αισθητήρες μέτρησης της υγρασίας Οι αισθητήρες αυτοί αξιοποιούν τις ιδιότητες των πυκνοτήτων αέρος. Ο τύπος αυτός χρησιμοποιεί έναν μικρό-χωρητικό αισθητήρα που ονομάζεται «humicap», ο οποίος για δεδομένη μεταβολή της υγρασίας μεταβάλει την χωρητικότητα του. Έτσι με την βοήθεια ενός διευκρινιστεί δίνει ηλεκτρική γραμμική έξοδο για αξιοποίηση. Οι διαστάσεις του αισθητήρα είναι περίπου 1cm 2 και η χρονική του απόκριση 10Hz για ταχύτητα ανέμου 2 m/sec. Η ακρίβεια της μέτρησης ανταγωνίζεται τα του ψυχρομέτρου. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1) Πρακτική Μετεωρολογία /Λεων.Καραπιπέρη 2) Invention of the meteorological instruments/e.w Knowles Middleton 3) Meteorological Instruments/ Middleton & Spilhaus 4) Environmental Measurement and Interpretation /R.B. Platt & J.F.Griffiths 5) Guide des instruments et des observations meteorologiques/o.m.m.- No 8.TP 3.