Повітря та атмосфера
Нижні шари атмосфери складаються із суміші газів, званої повітрям,в якій знаходяться у зваженому стані рідкі та тверді частинки. Загальна маса останніх незначна порівняно з усією масою атмосфери.
Атмосферне повітря є сумішшю газів, основними з яких є азот N2, кисень О2, аргон Аr, вуглекислий газ СО2 і водяна пара. Повітря без водяної пари називають сухим повітрям. У земній поверхні сухе повітря на 99% складається з азоту (78% за обсягом або 76% за масою) та кисню (21% за обсягом або 23% за масою). 1%, що залишився, припадає майже повністю на аргон. Усього 0,08% залишається на вуглекислий газ СО2. Численні інші гази входять до складу повітря в тисячних, мільйонних та ще менших частках відсотка. Це криптон, ксенон, неон, гелій, водень, озон, йод, радон, метан, аміак, перекис водню, закис азоту та ін. Склад сухого атмосферного повітря поблизу Землі наведено в табл. 1.
Склад сухого атмосферного повітря поблизу поверхні Землі
по відношенню до щільності
Діоксид вуглецю (CO2)
До складу реальної атмосфери входять три важливі змінні компоненти – водяна пара, озон та вуглекислий газ. Зміст водяної пари в повітрі змінюється у значних межах, на відміну від інших складових частин повітря: біля земної поверхні воно коливається між сотими частками відсотка та кількома відсотками (від 0,2% у полярних широтах до 2,5% у екватора, а в окремих (коли коливається майже від нуля до 4%). Це пояснюється тим, що при існуючих в атмосфері умовах водяна пара може переходити в рідкий і твердий стан і, навпаки, може надходити в атмосферу заново внаслідок випаровування із земної поверхні.
Водяна пара безперервнонадходить в атмосферу шляхом випаровування з водних поверхонь, з вологого ґрунту і шляхом транспірації рослин, при цьому в різних місцях і в різні часи він надходить у різних кількостях. Від земної поверхні він поширюється нагору, а повітряними течіями переноситься з одних місць Землі до інших.
У атмосфері може бути стан насичення. У такому стані водяна пара міститься в повітрі в кількості, гранично можливій за даної температури. Водяну пару при цьому називаютьнасиченою(абонасиченою),а повітря, що містить її,насиченою.
З водяною парою в повітрі та з її переходами з газоподібного стану в рідкий та твердий пов'язані найважливіші процеси погоди та особливості клімату. Наявність водяної пари в атмосфері суттєво позначається на теплових умовах атмосфери та земної поверхні. Водяна пара сильно поглинає довгохвильову інфрачервону радіацію, яку випромінює земна поверхня. У свою чергу і сам він випромінює інфрачервону радіацію, більшість якої йде до земної поверхні. Це зменшує нічне охолодження земної поверхні і тим самим нижніх шарів повітря.
На випаровування води із земної поверхні витрачаються великі кількості тепла, а при конденсації водяної пари в атмосфері це тепло віддається повітрі. Хмари, що у результаті конденсації, відбивають і поглинають сонячну радіацію її шляху до земної поверхні. Опади, що випадають із хмар, є найважливішим елементом погоди та клімату. Нарешті наявність водяної пари в атмосфері має важливе значення для фізіологічних процесів.
Зміст водяної пари в повітрі називаютьвологістю повітря.Основні характеристики вологості - цепружність водяної париівідносна вологість.
Водяна пара, як всякий газ, має пружність (тиск). Пружність водяної париепропорційна її щільності (вмісту в одиниці об'єму) та її абсолютній температурі. Вона виявляється у тих самих одиницях, як і тиск повітря, тобто. або вміліметрах ртутного стовпа,або вмілібарах.
Пружність водяної пари в стані насичення називаютьпружністю насичення.Цемаксимальна пружність водяної пари, можлива за даної температури.Наприклад, при температурі 0° пружність насичення дорівнює 6,1 мб.На кожні 10° температури пружність насичення збільшується приблизно вдвічі.
Якщо повітря містить водяної пари менше, ніж потрібно для насичення її при даній температурі, можна визначити, наскільки повітря близьке до стану насичення. Для цього обчислюютьвідносну вологість.Так називають відношення фактичної пружностіеводяної пари, що знаходиться в повітрі, до пружності насиченняЕпри тій же температурі, виражене у відсотках, тобто.
Наприклад, при температурі 20 ° пружність насичення дорівнює 23,4 мб. Якщо при цьому фактична пружність пари в повітрі буде 11,7 мб, то відносна вологість повітря дорівнює
Пружність водяної пари біля земної поверхні змінюється від сотих часток мілібару (при дуже низьких температурах взимку в Антарктиді та Якутії) до 35 мбі більше (у екватора). Чим тепліше повітря, тим більше водяної пари може він містити без насичення і, тим більше може бути в ньому пружність водяної пари.
Відносна вологість повітря може набувати всіх значень – від нуля для цілком сухого повітря (е= 0) до 100% для стану насичення(е = Е).