Точка росы

Температура, при которой воздух насыщается водяным паром в процессе охлаждения

Этот график показывает максимальную долю (по массе) водяного пара, который может содержать воздух при давлении на уровне моря в диапазоне температур. Для более низкого давления окружающей среды кривая должна быть нарисована выше текущей кривой. Более высокое давление окружающей среды дает кривую под текущей кривой.

Точка росы данного объема воздуха — это температура , до которой он должен быть охлажден, чтобы стать насыщенным водяным паром. Эта температура зависит от давления и содержания воды в воздухе. Когда воздух охлаждается ниже точки росы, его влагоемкость уменьшается, и содержащийся в воздухе водяной пар конденсируется , образуя жидкую воду, известную как роса . ^[1] Когда это происходит при контакте воздуха с более холодной поверхностью, на этой поверхности образуется роса. ^[2]

На точку росы влияет влажность воздуха . Чем больше влаги содержится в воздухе, тем выше его точка росы. ^[3]

Когда температура ниже точки замерзания воды, точка росы называется точкой инея , поскольку иней образуется путем осаждения, а не конденсации. ^[4] В жидкостях аналогом точки росы является точка помутнения .

Влажность

Если все остальные факторы, влияющие на влажность, остаются постоянными, на уровне земли относительная влажность повышается по мере понижения температуры; это происходит потому, что для насыщения воздуха требуется меньше пара. В нормальных условиях температура точки росы не будет выше температуры воздуха, поскольку относительная влажность обычно ^[5] не превышает 100%. ^[6]

С технической точки зрения, точка росы — это температура, при которой водяной пар в образце воздуха при постоянном барометрическом давлении конденсируется в жидкую воду с той же скоростью , с которой он испаряется. ^[7] При температурах ниже точки росы скорость конденсации будет больше, чем скорость испарения, образуя больше жидкой воды. Конденсированная вода называется росой , когда она образуется на твердой поверхности, или инеем, если она замерзает. В воздухе конденсированная вода называется либо туманом , либо облаком , в зависимости от высоты, на которой она образуется. Если температура ниже точки росы, и роса или туман не образуются, пар называется перенасыщенным . Это может произойти, если в воздухе недостаточно частиц, чтобы действовать как ядра конденсации . ^[5]

Точка росы зависит от того, сколько водяного пара содержится в воздухе. Если воздух очень сухой и содержит мало молекул воды, точка росы низкая, и поверхности должны быть намного холоднее воздуха, чтобы произошла конденсация. Если воздух очень влажный и содержит много молекул воды, точка росы высокая, и конденсация может произойти на поверхностях, которые всего на несколько градусов холоднее воздуха. ^[8]

Высокая относительная влажность воздуха означает, что точка росы близка к текущей температуре воздуха. Относительная влажность 100% указывает на то, что точка росы равна текущей температуре и что воздух максимально насыщен водой. Когда содержание влаги остается постоянным, а температура увеличивается, относительная влажность воздуха уменьшается, но точка росы остается постоянной. ^[9]

Пилоты авиации общего назначения используют данные о точке росы для расчета вероятности обледенения карбюратора и тумана , а также для оценки высоты основания кучевообразных облаков .

Увеличение барометрического давления повышает точку росы. ^[10] Это означает, что если давление увеличивается, масса водяного пара на единицу объема воздуха должна быть уменьшена, чтобы поддерживать ту же точку росы. Например, рассмотрим Нью-Йорк (33 фута или 10 м высоты) и Денвер (5280 футов или 1610 м высоты ^[11] ). Поскольку Денвер находится на большей высоте, чем Нью-Йорк, он будет иметь тенденцию к более низкому барометрическому давлению. Это означает, что если точка росы и температура в обоих городах одинаковы, количество водяного пара в воздухе будет больше в Денвере.

Отношение к человеческому комфорту

Когда температура воздуха высокая, человеческое тело использует испарение пота для охлаждения, причем охлаждающий эффект напрямую связан с тем, как быстро испаряется пот. Скорость, с которой может испаряться пот, зависит от того, сколько влаги содержится в воздухе и сколько влаги может удерживать воздух. Если воздух уже насыщен влагой (влажный), пот не испаряется. Терморегуляция организма будет производить потоотделение, пытаясь поддерживать нормальную температуру тела, даже когда скорость, с которой он выделяет пот, превышает скорость испарения, поэтому человек может покрыться потом во влажные дни даже без выработки дополнительного тепла телом (например, при занятиях спортом).

По мере того, как воздух вокруг тела нагревается от тепла тела, он будет подниматься и заменяться другим воздухом. Если воздух отводится от тела естественным бризом или вентилятором, пот будет испаряться быстрее, делая потоотделение более эффективным для охлаждения тела, тем самым увеличивая комфорт. Напротив, комфорт уменьшается по мере увеличения неиспарившегося пота.

Влажный термометр также использует испарительное охлаждение , поэтому он является хорошим средством для оценки уровня комфорта.

Дискомфорт также возникает, когда точка росы очень низкая (ниже примерно −5 °C или 23 °F). ^{[ требуется цитата ]} Более сухой воздух может привести к растрескиванию кожи и более легкому раздражению. Он также высушит дыхательные пути. Администрация по охране труда и технике безопасности США рекомендует поддерживать температуру воздуха в помещении на уровне 20–24,5 °C (68–76 °F) с относительной влажностью 20–60% ^[12] , что эквивалентно точке росы приблизительно от 4,0 до 16,5 °C (от 39 до 62 °F) (по простому правилу расчета ниже).

Более низкие точки росы, менее 10 °C (50 °F), коррелируют с более низкими температурами окружающей среды и приводят к тому, что организму требуется меньше охлаждения. Более низкая точка росы может сочетаться с высокой температурой только при чрезвычайно низкой относительной влажности, что обеспечивает относительно эффективное охлаждение.

Люди, населяющие тропический и субтропический климат, несколько акклиматизируются к более высоким точкам росы. Таким образом, житель Сингапура или Майами , например, может иметь более высокий порог дискомфорта, чем житель умеренного климата, такого как Лондон или Чикаго . Люди, привыкшие к умеренному климату, часто начинают чувствовать себя некомфортно, когда точка росы поднимается выше 15 °C (59 °F), в то время как другие могут найти точку росы до 18 °C (64 °F) комфортной. Большинство жителей умеренных зон посчитают точку росы выше 21 °C (70 °F) угнетающей и тропической, в то время как жители жарких и влажных зон могут не счесть это некомфортным. Тепловой комфорт зависит не только от физических факторов окружающей среды, но и от психологических факторов. ^[13]

Рекорды погоды по точке росы

• Самая высокая температура точки росы: точка росы 35 °C (95 °F) — при температуре 42 °C (108 °F) — была зафиксирована в Дахране , Саудовская Аравия, в 15:00 8 июля 2003 года. ^{[14] [15]}

Измерение

Устройства, называемые гигрометрами, используются для измерения точки росы в широком диапазоне температур. Эти устройства состоят из полированного металлического зеркала, которое охлаждается при прохождении через него воздуха. Точка росы определяется путем наблюдения за потерей четкости отражения, отбрасываемого зеркалом. Ручные устройства такого рода могут использоваться для калибровки других типов датчиков влажности, а автоматические датчики могут использоваться в контуре управления с увлажнителем или осушителем для контроля точки росы воздуха в здании или в небольшом помещении для производственного процесса.

Расчет точки росы

График зависимости точки росы от температуры воздуха для нескольких уровней относительной влажности.

Хорошо известным эмпирическим приближением, используемым для расчета точки росы, T _d , при наличии только фактической температуры («сухого термометра») воздуха, T (в градусах Цельсия) и относительной влажности (в процентах), RH, является формула Магнуса: где b = 17,625 и c = 243,04 °C. ^[16] Значения b и c были выбраны путем минимизации максимального отклонения в диапазоне от -40 °C до +50 °C. $${\displaystyle {\begin{aligned}\gamma (T,\mathrm {RH} )&=\ln \left({\frac {\mathrm {RH} }{100}}\right)+{\frac {bT}{c+T}};\\[8pt]T_{\mathrm {d} }&={\frac {c\gamma (T,\mathrm {RH} )}{b-\gamma (T,\mathrm {RH} )}};\end{aligned}}}$$

Более полная формулировка и происхождение этого приближения включают взаимосвязанные давление насыщенного водяного пара (в единицах миллибар , также называемых гектопаскалями ) при T , P _s ( T ), и фактическое давление пара (также в единицах миллибар), Pa ( _{T ),} которое может быть либо найдено с помощью RH , либо приближенно выражено с помощью барометрического давления (в миллибарах), BP _mbar , и температуры « смоченного термометра », T _w (если не указано иное, все температуры выражены в градусах Цельсия ): $${\displaystyle {\begin{aligned}P_{\mathrm {s} }(T)&={\frac {100}{\mathrm {RH} }}P_{\mathrm {a} }(T)=ae^{\frac {bT}{c+T}};\\[8pt]P_{\mathrm {a} }(T)&={\frac {\mathrm {RH} }{100}}P_{\mathrm {s} }(T)=ae^{\gamma (T,\mathrm {RH} )}\\&\approx P_{\mathrm {s} }(T_{\mathrm {w} })-BP_{\mathrm {mbar} }0.00066\left(1+0.00115T_{\mathrm {w} }\right)\left(T-T_{\mathrm {w} }\right);\\[8pt]T_{\mathrm {d} }&={\frac {c\ln {\frac {P_{\mathrm {a} }(T)}{a}}}{b-\ln {\frac {P_{\mathrm {a} }(T)}{a}}}};\end{aligned}}}$$

Для большей точности P _s ( T ) (и, следовательно, γ ( T , RH)) можно улучшить, используя часть модификации Бёгеля , также известную как уравнение Ардена Бака , которое добавляет четвертую константу d : где $${\displaystyle {\begin{aligned}P_{\mathrm {s,m} }(T)&=ae^{\left(b-{\frac {T}{d}}\right)\left({\frac {T}{c+T}}\right)};\\[8pt]\gamma _{\mathrm {m} }(T,\mathrm {RH} )&=\ln \left({\frac {\mathrm {RH} }{100}}e^{\left(b-{\frac {T}{d}}\right)\left({\frac {T}{c+T}}\right)}\right);\\[8pt]T_{d}&={\frac {c\ln {\frac {P_{\mathrm {a} }(T)}{a}}}{b-\ln {\frac {P_{\mathrm {a} }(T)}{a}}}}={\frac {c\ln \left({\frac {\mathrm {RH} }{100}}{\frac {P_{\mathrm {s,m} }(T)}{a}}\right)}{b-\ln \left({\frac {\mathrm {RH} }{100}}{\frac {P_{\mathrm {s,m} }(T)}{a}}\right)}}={\frac {c\gamma _{m}(T,\mathrm {RH} )}{b-\gamma _{m}(T,\mathrm {RH} )}};\end{aligned}}}$$

• a = 6,1121 мбар, b = 18,678, c = 257,14 °C, d = 234,5 °C.

Существует несколько различных наборов констант, которые используются. Те, которые используются в презентации NOAA [ ^17] , взяты из статьи Дэвида Болтона 1980 года в Monthly Weather Review : ^[18]

• а = 6,112 мбар, b = 17,67, с = 243,5 °С.

Эти оценки дают максимальную погрешность 0,1%, для −30 °C ≤ T ≤ 35°C и 1% < RH < 100% . Также следует отметить Sonntag1990, ^[19]

• a = 6,112 мбар, b = 17,62, c = 243,12 °C; для −45 °C ≤ T ≤ 60 °C (погрешность ±0,35 °C).

Другой распространенный набор значений берет начало в «Психрометрии и психрометрических таблицах» 1974 года . ^[20]

• a = 6,105 мбар, b = 17,27, c = 237,7 °C; для 0 °C ≤ T ≤ 60 °C (погрешность ±0,4 °C).

Также в журнале «Journal of Applied Meteorology and Climatology» [ ^21] Арден Бак представляет несколько различных наборов оценок с различными максимальными ошибками для различных диапазонов температур. Два конкретных набора предоставляют диапазон от −40 °C до +50 °C между ними, с еще более низкой максимальной ошибкой в ​​указанном диапазоне, чем все наборы выше:

• a = 6,1121 мбар, b = 17,368, c = 238,88 °C; для 0 °C ≤ T ≤ 50 °C (погрешность ≤ 0,05%).
• a = 6,1121 мбар, b = 17,966, c = 247,15 °C; для −40 °C ≤ T ≤ 0 °C (погрешность ≤ 0,06%).

Простая аппроксимация

Существует также очень простое приближение, которое позволяет преобразовывать точку росы, температуру и относительную влажность. Этот подход точен с точностью около ±1 °C, если относительная влажность выше 50%: $${\displaystyle {\begin{aligned}T_{\mathrm {d} }&\approx T-{\frac {100-\mathrm {RH} }{5}};\\[5pt]\mathrm {RH} &\approx 100-5(T-T_{\mathrm {d} });\end{aligned}}}$$

Это можно выразить в виде простого практического правила:

При каждой разнице в 1 °C между температурой точки росы и сухим термометром относительная влажность уменьшается на 5%, начиная с RH = 100%, когда точка росы равна температуре сухого термометра.

Вывод этого подхода, обсуждение его точности, сравнение с другими приближениями и дополнительную информацию об истории и применении точки росы можно найти в статье, опубликованной в Бюллетене Американского метеорологического общества . ^[22]

Для температур в градусах Фаренгейта эти приближения дают $${\displaystyle {\begin{aligned}T_{\mathrm {d,^{\circ }F} }&\approx T_{\mathrm {{}^{\circ }F} }-{\tfrac {9}{25}}\left(100-\mathrm {RH} \right);\\[5pt]\mathrm {RH} &\approx 100-{\tfrac {25}{9}}\left(T_{\mathrm {{}^{\circ }F} }-T_{\mathrm {d,^{\circ }F} }\right);\end{aligned}}}$$

Например, относительная влажность 100% означает, что точка росы равна температуре воздуха. При относительной влажности 90% точка росы на 3 °F ниже температуры воздуха. На каждые 10 процентов ниже точка росы падает на 3 °F.

Точка замерзания

Точка замерзания похожа на точку росы в том, что это температура, до которой необходимо охладить заданную порцию влажного воздуха при постоянном атмосферном давлении , чтобы водяной пар отложился на поверхности в виде кристаллов льда , не подвергаясь жидкой фазе (сравните с сублимацией ). Точка замерзания для заданной порции воздуха всегда выше точки росы, так как для разрыва более прочной связи между молекулами воды на поверхности льда по сравнению с поверхностью ( переохлажденной ) жидкой воды требуется более высокая температура. ^[23]

Смотрите также

• Точка пузырька
• Обогрев карбюратора
• Точка росы углеводородов
• Психрометрия
• Термодинамические диаграммы

Ссылки

1. «Как устранить запотевание окон». 15 ноября 2021 г.
2. "Точка росы". Глоссарий – Национальная метеорологическая служба NOAA . 25 июня 2009 г.
3. Джон М. Уоллес; Питер В. Хоббс (24 марта 2006 г.). Атмосферная наука: вводный обзор. Academic Press. стр. 83–. ISBN 978-0-08-049953-6.
4. "Frost Point". Глоссарий – Национальная метеорологическая служба NOAA . 25 июня 2009 г.
5. Скиллинг, Том (20 июля 2011 г.). «Спросите Тома, почему: возможно ли, чтобы относительная влажность превышала 100 процентов?». Chicago Tribune . Получено 24 января 2018 г.
6. "Наблюдаемая температура точки росы". Кафедра атмосферных наук (DAS) в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне . Получено 15 февраля 2018 г.
7. "точка росы". Словарь Merriam-Webster.com . Merriam-Webster.
8. Руководство по контролю влажности при проектировании, строительстве и обслуживании зданий . Агентство по охране окружающей среды США.
9. Хорстмейер, Стив (2006-08-15). "Относительная влажность... относительно чего? Температуры точки росы... лучший подход". Стив Хорстмейер . Получено 2009-08-20 .
10. "Точка росы в сжатом воздухе – часто задаваемые вопросы" (PDF) . Vaisala . Архивировано из оригинала (PDF) 16 февраля 2018 г. . Получено 15 февраля 2018 г. .
11. "Denver Facts Guide – Today". Город и округ Денвер. Архивировано из оригинала 3 февраля 2007 года . Получено 19 марта 2007 года .
12. "24.02.2003 - Повторение существующей политики OSHA по качеству воздуха в помещениях: температура/влажность в офисах и табачный дым в окружающей среде". Управление по охране труда и технике безопасности . Получено 20.01.2020 .
13. Линь, Цзы-Пин (10 февраля 2009 г.). «Термическое восприятие, адаптация и посещаемость на общественной площади в жарких и влажных регионах». Строительство и окружающая среда . 44 (10): 2017–2026. Bibcode : 2009BuEnv..44.2017L. doi : 10.1016/j.buildenv.2009.02.004.
14. "Иранский город взлетает до рекордных 129 градусов: почти самая жаркая точка на Земле по современным измерениям". Washington Post . Архивировано из оригинала 2 июля 2017 года . Получено 3 июля 2017 года .
15. "В иранском городе зафиксирован индекс удушающей жары в 165 градусов, что близко к мировому рекорду". Klean Industries . 4 августа 2015 г. Получено 28.12.2023 .
16. Лоуренс, Марк Г. (1 февраля 2005 г.). «Соотношение между относительной влажностью и температурой точки росы во влажном воздухе: простое преобразование и приложения». Бюллетень Американского метеорологического общества . 86 (2): 225–234. Bibcode : 2005BAMS...86..225L. doi : 10.1175/BAMS-86-2-225 . Получено 15 марта 2024 г.
17. Относительная влажность и температура точки росы по температуре и температуре смоченного термометра
18. Болтон, Дэвид (июль 1980 г.). "Вычисление эквивалентной потенциальной температуры" (PDF) . Monthly Weather Review . 108 (7): 1046–1053. Bibcode :1980MWRv..108.1046B. doi :10.1175/1520-0493(1980)108<1046:TCOEPT>2.0.CO;2. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-09-15 . Получено 2012-07-04 .
19. SHTxx Примечание по применению Расчет точки росы
20. "MET4 and MET4A Calculation of Dew Point". Архивировано из оригинала 26 мая 2012 г. Получено 7 октября 2014 г.
21. Buck, Arden L. (декабрь 1981 г.). "Новые уравнения для вычисления давления пара и коэффициента усиления" (PDF) . Journal of Applied Meteorology . 20 (12): 1527–1532. Bibcode :1981JApMe..20.1527B. doi :10.1175/1520-0450(1981)020<1527:NEFCVP>2.0.CO;2. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-04 . Получено 2016-01-15 .
22. Лоуренс, Марк Г. (февраль 2005 г.). «Соотношение между относительной влажностью и температурой точки росы во влажном воздухе: простое преобразование и приложения». Бюллетень Американского метеорологического общества . 86 (2): 225–233. Bibcode : 2005BAMS...86..225L. doi : 10.1175/BAMS-86-2-225 .
23. Хаби, Джефф. "Точка замерзания и точка росы" . Получено 30 сентября 2011 г.

Внешние ссылки

• Часто необходимые ответы о температуре, влажности и точке росы от sci.geo.meteorology