Greinar
Bólstraský á Kyrrahafi
Bólstraský á Kyrrahafi.

Eimþrýstingur

Raki í lofthjúpnum V

Trausti Jónsson 1.6.2007

Eimþrýstingur eða hlutþrýstingur vatnsgufu

Lofthjúpurinn er hvergi alveg laus við vatn, en mjög mismikið er af því frá einum stað til annars. Mest er þó af því þar sem loft er að jafnaði hlýjast, þ.e.a.s. nærri yfirborði og þá sérstaklega í hitabeltinu. Magnið er hægt að tilfæra á ýmsa (nánast) jafngilda vegu og sjáum við dæmi um það hér að neðan.

Meðalþrýstingur við sjávarmál á jörðinni er um 1013,25 hPa, á hverjum stað á vatnsgufa hlut í þrýstingnum, rétt eins og aðrar lofttegundir. Hlutur hennar er allt frá 1 hPa upp undir 50 hPa þar sem mest er. Hér á landi er hlutþrýstingur vatnsgufu um eða undir 5 hPa á vetrum (mun lægri í miklum kuldum), en rúmlega 10 hPa á sumrin.

Höfum í huga að þó hlutþrýstingur vatnsgufu á einhverjum stað sé 10 hPa, táknar það aðeins að 1% sameinda á þeim stað sé vatngufa, en ekki að vatnsgufa sé 1% af allri loftsúlunni fyrir ofan staðinn. Vatnsgufan dreifist ójafnt, þrýstingur hennar getur t.d. verið 1 hPa (0,1% af heildarþrýstingi) aðeins 1 m frá þeim stað sem hann er 10 hPa.

Mettunarþrýstingur

Í grundvallaratriðum er tiltölulega einfalt að mæla hlutþrýsting vatnsgufunnar. Það má t.d. gera í lokuðu keri þar sem mestöllu lofti hefur verið dælt út. Kerið er síðan tengt við loftvog (þrýstimæli) sem mælir þrýstinginn í því.

Sé einum vatnsdropa nú sleppt inn í kerið gufar hann upp, veldur viðbótarþrýstingi þar sem enginn eða lítill var fyrir og loftvogin sem tengd er kerinu rís. Takið sérstaklega eftir því að vatnssameindirnar eru í senn að losna (gufa) frá og tengjast (þéttast á) vatnsyfirborðinu en meðan (nettó-) uppgufun á sér stað losna fleiri sameindir en tengjast.

Sé meira vatni bætt í gufar það áfram upp og þrýstingur vex í kerinu, en að því kemur að jafnvægi kemst á milli uppgufunar og þéttingar. Vatn fer þá að safnast saman á botni kersins. Í ljós kemur að það er háð hita hversu mikið vatn getur gufað upp í rýmið áður en jafnvægi næst milli uppgufunar og þéttingar og rýmið mettast sem kallað er.

Hlutþrýstingur vatnsgufu við mettun er kallaður mettunarþrýstingur (e. saturation pressure). Nákvæmlega sama gerist innan um allar hinar lofttegundirnar í andrúmsloftinu (lögmál Daltons), vatnsgufan á þar þó aðeins hluta heildarþrýstingsins, hlutþrýsting (e). Heldur þjálla er að tala um rakaþrýsting (eða eimþrýsting) í stað hlutþrýstings vatnsgufunnar og verður það gert hér að neðan.

Saman fara ákveðinn mettunarþrýstingur (es) og ákveðinn hiti sem kallaður er mettunarhiti (Ts). Hlutþrýstingur er því (nær) ætíð lægri eða jafn mettunarþrýstingi við sama hita. Fyrir kemur að hlutþrýstingur er hærri en mettunarþrýstingur, og nefnist það ástand yfirmettað (ofurmettað). Stöku sinnum er loft yfirmettað af náttúrulegum ástæðum, en það er sjaldgæft og ætíð óstöðugt ástand.

Samband mettunarrakaþrýstings og hita
línurit
Mynd 1. Bláa línan sýnir mettunarrakaþrýsting við hita frá -20°C til 45°C. Loft með hita og rakaþrýsting neðan línunnar er ekki mettað, mettað ef hiti og þrýstingur liggja á línunni, en ofan línunnar er loft yfirmettað. Síðastnefnda ástandið er óstöðugt. Eins og sjá má vex mettunarrakaþrýstingur mjög ört með hita og er við 100°C (suðumark við sjávarmál) kominn upp fyrir 1000 hPa. Við 0°C er mettunarrakaþrýstingurinn aðeins 6,11 hPa.

Mettunarþrýstingur vex með vaxandi hita, eins og áður sagði. Mynd 1 sýnir þetta samband og nefnist hún es-T rit. Lárétti ásinn á myndinni sýnir hita og er frostmark merkt sérstaklega. Lóðrétti ásinn sýnir þrýsting.

Sérstakt merki er sett við 6,1 hPa, en það er mettunarþrýstingur við 0°C (frostmark). Heildregna línan sýnir mettunarþrýsting sem fall af hita og má af línunni lesa mettunarþrýsting fyrir hvaða hita sem er frá 0°C og upp í 45°C. Við 10°C er hann t.d. 12,3 hPa en 23,3 hPa við 20°C.

Línan á myndinni skilgreinir þrjá ástandsmöguleika:

(i) ómettað neðan línunnar

(ii) mettað á línunni

(iii) yfirmettað ofan hennar.

En hvað gerist undir frostmarki?

aftur upp

Undir frostmarki

Hægt er að tala um sambúð fljótandi vatns og vatnsgufu (eims) sem tveggja fasa. En vatnsgufa getur einnig verið í lofti þó hiti sé undir frostmarki. Það þýðir að falli hiti undir frostmark bætist að auki einn fasamöguleiki við, þ.e.a.s. ís og flækir málið nokkuð.

Mettunarþrýstingur er lægri yfir ís (uppgufun er minni) en yfir vatnsyfirborði og raki þéttist því auðveldar á ís en á fljótandi vatni. Komi utanaðkomandi vatnssameind að vökvayfirborði rekst hún á sameindir sem hafa meiri skriðorku en komi hún að ísfleti.

Líkur eru því á að meðalhraði utanaðkomandi sameindar verði minni eftir árekstur við sameind í ís en sameind í vökva og þar með er líklegra að hún sitji þar áfram eftir áreksturinn heldur en eftir árekstur við fljótandi og þar með 'lausara' yfirborð vatnsflatarins. Sé hiti undir frostmarki ræðst upphaf rakaþéttingar af því hvort ís er í umhverfinu eða ekki. Þetta ræður miklu um úrkomumyndun.

Samband mettunarrakaþrýstings og hita þegar hiti er undir frostmarki
línurit
Mynd 2. Bláa línan sýnir mettunarþrýsting yfir (flötum) vatnsfleti, en sú rauða yfir ís. Loft gufar síður upp frá ísfleti en fljótandi vatnsyfirborði, mettunarrakaþrýstingur er lægri yfir ís en vatni. Sjá annars megintexta.

Mynd 2 sýnir mettunarrakaþrýsting yfir vatnsfleti og ís þegar hiti er undir frostmarki. Munum að vatn getur lifað í vökvaformi þó hiti sé undir frostmarki, en ís bráðnar sé hiti yfir því. Mettunarþrýstingurinn er nokkru lægri yfir ís en yfir vatni.

aftur upp

Úr Veðurbók Trausta Jónssonar

Skylt efni er að finna í næstu fróðleiksgrein um raka í lofthjúpnum (eða fyrri grein).





Aðrir tengdir vefir



Ekkert skjal tengt
Þetta vefsvæði byggir á Eplica