точка росы

Температура, при которой воздух насыщается водяным паром в процессе охлаждения.

На этом графике показан максимальный процент по массе водяного пара, который может содержать воздух при давлении на уровне моря в диапазоне температур. Для более низкого давления окружающей среды кривую необходимо нарисовать выше кривой тока. Более высокое давление окружающей среды дает кривую ниже кривой тока.

Точка росы данного объема воздуха — это температура , до которой его необходимо охладить, чтобы он стал насыщен водяным паром. Эта температура зависит от давления и содержания воды в воздухе. Когда воздух охлаждается ниже точки росы, его влагоемкость снижается, и водяной пар в воздухе конденсируется с образованием жидкой воды, известной 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 замерзания , поскольку иней образуется в результате 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 падения температуры; это связано с тем, 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 выше, чем скорость испарения, в результате чего образуется более жидкая вода. Конденсированная вода называется росой , если она образуется на твердой поверхности, или инеем, если она замерзает. В воздухе конденсированную воду называют либо туманом , либо облаком , в зависимости от высоты, на которой она образуется. Если температура ниже точки росы и не образуется ни роса, ни туман, пар называется пересыщенным . Это может произойти, если в воздухе недостаточно частиц, способных 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 для образования конденсата поверхности должны быть намного холоднее воздуха. Если воздух очень влажный и содержит много молекул воды, точка росы высока, и конденсация может образовываться на поверхностях, которые всего на несколько градусов холоднее воздуха. ^[8]

Высокая относительная влажность 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 повышается, относительная влажность снижается, 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 кучевых облаков .

Увеличение барометрического давления повышает точку росы. ^[10] Это означает, что при повышении давления масса водяного пара на единицу объема воздуха должна уменьшаться, чтобы поддерживать ту же точку росы. Например, возьмем Нью-Йорк (высота 33 фута или 10 м) и Денвер (высота 5280 футов или 1610 м ^[11] ). Поскольку Денвер находится на более высокой высоте, чем Нью-Йорк, барометрическое давление здесь, как правило, ниже. Это означает, что если точка росы и температура в обоих городах одинаковы, то количество водяного пара в воздухе будет больше в Денвере.

Отношение к человеческому комфорту

Когда температура воздуха высокая, человеческое тело использует испарение пота для охлаждения, при этом охлаждающий эффект напрямую зависит от того, насколько быстро испаряется пот. Скорость испарения пота зависит от того, сколько влаги содержится в воздухе и сколько влаги он может удерживать. Если воздух уже насыщен влагой (влажный), пот не будет испаряться. Терморегуляция тела вызывает потоотделение, чтобы поддерживать нормальную температуру тела, даже если скорость выработки пота превышает скорость испарения, поэтому во влажные дни человек может покрыться потом, даже не выделяя дополнительного тепла телу (например, как при физических упражнениях).

Поскольку воздух, окружающий тело, нагревается за счет тепла тела, он поднимается и заменяется другим воздухом. Если воздух удаляется от тела естественным ветерком или вентилятором, пот будет испаряться быстрее, что сделает потоотделение более эффективным для охлаждения тела, тем самым увеличивая комфорт. Напротив, комфорт снижается по мере увеличения неиспаренного пота.

В термометре с мокрым термометром также используется испарительное охлаждение , поэтому он является хорошим показателем для оценки уровня комфорта.

Дискомфорт также возникает, когда точка росы очень низкая (ниже примерно -5 °C или 23 °F). ^{[ нужна цитата ]} Более сухой воздух может привести к растрескиванию кожи и более легкому раздражению. Это также сушит дыхательные пути. Управление по охране труда США рекомендует поддерживать температуру воздуха в помещении 20–24,5 °C (68–76 °F) и относительную влажность 20–60 %, ^[12] что эквивалентно точке росы примерно от 4,0 до 16,5 °C ( от 39 до 62 °F) (расчёт по простому правилу приведен 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, живущие в тропическом и субтропическом климате, несколько акклиматизируются к более высокой точке росы. Так, например, у жителя Сингапура или Майами может быть более высокий порог дискомфорта, чем у жителя 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 другим комфортной может оказаться точка росы до 18 °C (64 °F). Большинство жителей регионов с умеренным климатом считают точку росы выше 21 °C (70 °F) угнетающей и тропической, в то время как жители жарких и влажных регионов могут не считать это неудобным. Тепловой комфорт зависит не только от физических факторов окружающей среды, но и от психологических факторов. ^[13]

Рекорды погоды точки росы

• Самая высокая температура точки росы: точка росы 35 °C (95 °F) — тогда как температура составляла 42 °C (108 °F) — наблюдалась 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. Точку росы можно определить, наблюдая за потерей четкости отражения от зеркала. Ручные устройства такого типа можно использовать для калибровки других типов датчиков влажности, а автоматические датчики можно использовать в контуре управления с увлажнителем или осушителем для контроля точки росы воздуха в здании или в небольшом производственном помещении. процесс.

Расчет точки росы

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

Хорошо известное приближение, используемое для расчета точки росы T _d , ^[16] с учетом фактической температуры воздуха («по сухому термометру») T (в градусах Цельсия) и относительной влажности (в процентах) RH, представляет собой метод Магнуса. формула: ^{[ необходимо уточнение ]}

$${\displaystyle {\begin{aligned}\gamma (T,\mathrm {RH} )&=\ln \left({\frac {\mathrm {RH} }{100}}\right)+{\frac {bT}{c+T}};\\[8pt]T_{\mathrm {d} }&={\frac {c\gamma (T,\mathrm {RH} )}{b-\gamma (T,\mathrm {RH} )}};\end{aligned}}}$$

давление насыщенного,гектопаскалямиTP _sT ), и фактическое _{давление}ПаTотносительной влажности,АД _мбармокрому термометру », T _wградусах 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 увеличить, используя часть модификации Бёгеля , также известную как уравнение Ардена Бака , которая добавляет четвертую константу d :

$${\displaystyle {\begin{aligned}P_{\mathrm {s,m} }(T)&=ae^{\left(b-{\frac {T}{d}}\right)\left({\frac {T}{c+T}}\right)};\\[8pt]\gamma _{\mathrm {m} }(T,\mathrm {RH} )&=\ln \left({\frac {\mathrm {RH} }{100}}e^{\left(b-{\frac {T}{d}}\right)\left({\frac {T}{c+T}}\right)}\right);\\[8pt]T_{d}&={\frac {c\ln {\frac {P_{\mathrm {a} }(T)}{a}}}{b-\ln {\frac {P_{\mathrm {a} }(T)}{a}}}}={\frac {c\ln \left({\frac {\mathrm {RH} }{100}}{\frac {P_{\mathrm {s,m} }(T)}{a}}\right)}{b-\ln \left({\frac {\mathrm {RH} }{100}}{\frac {P_{\mathrm {s,m} }(T)}{a}}\right)}}={\frac {c\gamma _{m}(T,\mathrm {RH} )}{b-\gamma _{m}(T,\mathrm {RH} )}};\end{aligned}}}$$

• а = 6,1121 мбар, б = 18,678, в = 257,14 °С, d = 234,5 °С.

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

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

Эти оценки обеспечивают максимальную погрешность 0,1 % для −30 °C ≤ T ≤ 35 °C и 1 % < относительной влажности < 100 % . Также заслуживает внимания Sonntag1990, ^[19]

• а = 6,112 мбар, б = 17,62, с = 243,12 °С; для −45 °C ≤ T ≤ 60 °C (погрешность ±0,35 °C).

Другой распространенный набор значений взят из «Психрометрии и психрометрических диаграмм» 1974 года . ^[20]

• а = 6,105 мбар, б = 17,27, с = 237,7 °С; для 0 °C ≤ T ≤ 60 °C (погрешность ±0,4 °C).

Кроме того, в «Журнале прикладной метеорологии и климатологии» [ ^21] Арден Бак представляет несколько различных наборов оценок с разными максимальными ошибками для разных температурных диапазонов. Два конкретных набора обеспечивают диапазон от -40 °C до +50 °C между ними, с еще меньшей максимальной погрешностью в указанном диапазоне, чем все вышеперечисленные наборы:

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

Простое приближение

Существует также очень простая аппроксимация, позволяющая преобразовать точку росы, температуру и относительную влажность. Этот подход имеет точность примерно ±1 °C, пока относительная влажность превышает 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 простым эмпирическим правилом:

На каждый 1 °C разницы между температурой точки росы и температурой по сухому термометру относительная влажность уменьшается на 5 %, начиная с относительной влажности = 100 %, когда точка росы равна температуре по сухому термометру.

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 снижения точка росы падает на 3 °F.

Точка замерзания

Точка замерзания аналогична точке росы в том смысле, что это температура, до которой необходимо охладить данный объем влажного воздуха при постоянном атмосферном давлении , чтобы водяной пар осаждался на поверхности в виде кристаллов льда , не переходя в жидкую фазу ( сравните с сублимацией ). Точка замерзания для данной порции воздуха всегда выше точки росы, поскольку для разрыва более прочных связей между молекулами воды на поверхности льда по сравнению с поверхностью ( переохлажденной ) жидкой воды требуется более высокая температура. ^[23]

Смотрите также

• Точка пузыря
• Карбюратор подогрев
• Точка росы по углеводородам
• Психрометрика
• Термодинамические диаграммы

Рекомендации

1. «Как: устранить конденсат на окнах» . 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.). Наука об атмосфере: вводный обзор. Академическая пресса. стр. 83–. ISBN 978-0-08-049953-6.
4. "Фрост-Пойнт". 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?». Чикаго Трибьюн . Проверено 24 января 2018 г.
6. «Наблюдаемая температура точки росы» . Департамент атмосферных наук (DAS) Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн . Проверено 15 февраля 2018 г.
7. «точка росы». Словарь Merriam-Webster.com .
8. Руководство по контролю влажности при проектировании, строительстве и обслуживании зданий . Агентство по охране окружающей среды США.
9. Хорстмейер, Стив (15 августа 2006 г.). «Относительная влажность… Относительно чего? Температура точки росы… лучший подход». Стив Хорстмайер . Проверено 20 августа 2009 г.
10. «Точка росы в сжатом воздухе – часто задаваемые вопросы» (PDF) . Вайсала . Архивировано из оригинала (PDF) 16 февраля 2018 года . Проверено 15 февраля 2018 г.
11. «Путеводитель по фактам о Денвере - сегодня» . Город и округ Денвер. Архивировано из оригинала 3 февраля 2007 года . Проверено 19 марта 2007 г.
12. «24 февраля 2003 г. - Повторение существующей политики OSHA в отношении качества воздуха в помещениях: температура / влажность в офисе и табачный дым в окружающей среде» . Управление по охране труда . Проверено 20 января 2020 г.
13. Линь, Цзы-Пин (10 февраля 2009 г.). «Тепловое восприятие, адаптация и посещение общественных мест в жарких и влажных регионах». Строительство и окружающая среда . 44 (10): 2017–2026. doi :10.1016/j.buildenv.2009.02.004.
14. «Иранский город поднялся до рекордных 129 градусов: по современным измерениям это почти самая жаркая погода на Земле» . Вашингтон Пост . Архивировано из оригинала 2 июля 2017 года . Проверено 3 июля 2017 г.
15. «Индекс удушающей жары в иранском городе составил 165 градусов, что близко к мировому рекорду | Klean Industries» . kleanindustries.com . 4 августа 2015 г. Проверено 28 декабря 2023 г.
16. «Температура точки росы - обзор | Темы ScienceDirect» .
17. Относительная влажность и температура точки росы на основе температуры и температуры по влажному термометру.
18. Болтон, Дэвид (июль 1980 г.). «Расчет эквивалентной потенциальной температуры» (PDF) . Ежемесячный обзор погоды . 108 (7): 1046–1053. Бибкод : 1980MWRv..108.1046B. doi :10.1175/1520-0493(1980)108<1046:TCOEPT>2.0.CO;2. Архивировано из оригинала (PDF) 15 сентября 2012 г. Проверено 4 июля 2012 г.
19. SHTxx Рекомендации по применению Расчет точки росы
20. «Расчет точки росы MET4 и MET4A» . Архивировано из оригинала 26 мая 2012 года . Проверено 7 октября 2014 г.
21. Бак, Арден Л. (декабрь 1981 г.). «Новые уравнения для расчета давления пара и коэффициента усиления» (PDF) . Журнал прикладной метеорологии . 20 (12): 1527–1532. Бибкод : 1981JApMe..20.1527B. doi :10.1175/1520-0450(1981)020<1527:NEFCVP>2.0.CO;2. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 15 января 2016 г.
22. Лоуренс, Марк Г. (февраль 2005 г.). «Взаимосвязь между относительной влажностью и температурой точки росы во влажном воздухе: простое преобразование и применение». Бюллетень Американского метеорологического общества . 86 (2): 225–233. Бибкод : 2005BAMS...86..225L. дои : 10.1175/BAMS-86-2-225 .
23. Хаби, Джефф. «Точка замерзания и точка росы» . Проверено 30 сентября 2011 г.

Внешние ссылки

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