Mikro- ja megamaailma füüsikaMikro- ja megamaailma füüsika : Õhuniiskus

Õhuniiskus

Joonis 1.3.1 Mis muutub, kui õhk ei ole kuiv? Õhu koostise diagrammile tuleb lisada veel üks väike lõik. Teised diagrammi osad ja protsendid siis muidugi muutuvad veidi. Lõigu suurus oleneb kindla koha kliimast ja sellest, milline on parasjagu ilm. Oluline on ka temperatuur ja see, kust puhuvad tuuled, aga üldiselt on lisatav lõik väike. Parasvöötme kliimas suvisel ajal keskmiselt ilusa ilmaga võiks see lõik olla umbes üks protsent. Nii et vett on õhus vähe. Ometi on atmosfääri veeaurul oluline osa meie tervise, kliima, ilmaennustuse, viljasaagi, suvepuhkuse jms seisukohalt vaadates.

Õhu komponentide mahuline vahekord on üsna püsiv. Kuiv õhk koosneb lämmastikust (78%), hapnikust (21%) ja veel umbes kümnest gaasist (kokku 1%). Selle viimase ühe protsendi hulgas on kõige rohkem argooni (0,93%), aga ka atmosfääri toimimise seisukohalt väga olulist süsinikdioksiidi ja metaani. Selline oleks kuiva atmosfääri koostis, aga meie igapäevane õhk sisaldab peale nimetatu alati veel väikeses koguses veeauru. Veeaur on ainus atmosfääri komponent, mille sisaldus õhus pidevalt muutub. Õhus olev veeauru kogus muutub nii ööpäeva jooksul kui ka aastaaegade lõikes. Muutused on tihedalt seotud temperatuuriga ja omavad suurt tähtsust kliima kujunemisel. Kogu atmosfäärist on mahuliselt umbes 0,4% veeaur. Maapinna lähedal on veeauru õhus tavaliselt 1-4%. Veeauru sisaldust õhus nimetatakse õhuniiskuseks.

Soojal suvepäeval (õhutemperatuur 25°C) võib ühes kuupmeetris õhus olla näiteks 15 g vett. Veeauru sisaldust õhus võib arvuliselt väljendada mitmel moel, massi, ruumala või rõhu kaudu. Kõige lihtsam ongi märkida ühes kuupmeetris õhus sisalduva vee mass. Seda nimetatakse absoluutseks õhuniiskuseks () või veeauru tiheduseks. Grammi kuupmeetri kohta ongi tiheduse ühik, õhu tihedus on näiteks 1,29 kg/m3 ehk 1290 g/m3.

Niisiis, kirjeldataval suvepäeval võib näiteks olla õhu absoluutne niiskus

Samadel tingimustel (õhurõhk ja temperatuur) võib absoluutne niiskus olla väiksem, aga ka veidi suurem, kuid üle 23g/m3 see olla ei saa, kui temperatuur ei tõuse. Kui õhk muutub näiteks veekogudest aurustumise tõttu järjest niiskemaks, siis ühel hetkel tekib küllastunud veeaur. Küllastus tähendab seda, et nii palju, kui molekule läheb üle gaasi faasi, läheb neid ka tagasi vedeliku faasi. Normaalsel atmosfäärirõhul 25°C juures ei saa veeauru tihedus olla suurem kui 23g/m3. Seda nimetatakse küllastunud veeauru tiheduseks (). Kui vesi veekogude pinnalt, vihmapiiskadelt või taimede lehtedelt aurustub, siis absoluutne niiskus kasvab, aga ei ületa tavaliselt küllastatud auru tihedust. See tähendab, et maksimaalne absoluutne niiskus samadel tingimustel on

Küllastumine sõltub temperatuurist, igal õhutemperatuuril on oma küllastunud auru tihedus, mis on laboratoorselt määratud (ptk 1.6.) ja mida võib vaadata vastavast tabelist. Kõrgemal temperatuuril on küllastunud auru tihedused suuremad. Väga kuuma ja märja ilmaga (37°C) võiks ühes kuupmeetris õhus olla isegi 44 g veeauru, aga tihtipeale on kuumad ilmad pigem kuivad ja küllastus saabub hoopis temperatuuri langemise tõttu. Enamasti on õhus veeauru küllastusest vähem, aga välitingimustes võib õhuniiskus küllatuseni tõusta näiteks vihmase ilmaga või veepinnalt aurustumise tulemusena. Kuigi väike vihmasadu ei pruugi küllastuse saabumiseks piisavalt auru lisada, on siiski kindel, kestva saju ja uduga on õhu absoluutne niiskus maksimaalne võimalik.

Kuidas veeaur õhus püsib?

Õhu veesisaldust kirjeldatakse mõnikord nii, nagu imaks õhk endasse vett või hoiaks kõrgemal temperatuuril tänu soojusliikumisele rohkem veeauru kinni. See pole õige ettekujutus.

On tõepoolest ahvatlevalt lihtne kirjeldada õhuniiskust, eriti küllastumist, nagu hoiaksid õhu gaaside molekulid vee molekule (veeauru) õhus justkui üksteisele palli põrgatades. Kuna kõrgemal temperatuuril on soojusliikumine intensiivsem, siis tundub loogiline, et kiiresti liikuvad lämmastiku ja hapniku molekulid nügivad vee molekule enam, ei lase neil kokku saada ja piiskadeks kondenseeruda. Tegelikult see nii ei ole.

Browni liikumise kirjeldused, eriti arvutimudelid, on meile siin karuteene teinud. Kipume mõtlema, et nii nagu vee molekulid põrgatavad ringi väikseid tahkeid kehakesi, nii ka molekulid poksivad üksteist. Tegelikult on vee molekulid õhu põhiliste koostisosade molekulidest väiksemad ja neid on õhus väga vähe. Ka lämmastikku ja hapnikku on tegelikult üsna vähe, st molekulid on gaasis päris hõredalt ja tühja ruumi jääb palju. Toatemperatuuril on õhu molekulide vahelised keskmised kaugused umbes 10 korda suuremad molekulide mõõtmetest ja keskmine molekuli liikumiskiirus umbes 600 m/s. Kui vaadata mõnda arvutimudelit, kus soojusliikumist visualiseeritakse, siis on molekulid enamasti kujutatud üsna suurelt, nad liiguvad väga aeglaselt ja kohtuvad liiga tihti. Näitlikkuse mõttes on see vajalik, sest 600 m/s liikuva molekuli kujutamine tühise kihutava täpikesena arvutiekraanil ei visualiseeriks midagi.

Küllastunud veeauru tihedus ei sõltu teiste gaaside juuresolekust. Vabalt veepinnalt auraks ka täiesti tühjas ruumis temperatuuril 25°C nii palju vett, et küllastunud auru tihedusoleks ikka 23 g/m3. Kõrgemal temperatuuril rohkem, madalamal vähem. Lämmastiku molekulid ei takista molekulide lahkumist veepinnalt ega ka soosi seda.

Tuleb meenutada, et vesi on teistest õhu gaasidest erinev. Lämmastik ja hapnik on maapealsete temperatuuride juures alati gaasid, aga vesi tuleb ette tahkes, vedelas ja gaasifaasis (ptk 1.1 ja 1.2.). Kui veepinnalt aurustub sama palju molekule, kui sinna tagasi kondenseerub, siis ongi tegemist küllastumisega. Madalal temperatuuril tekib samasugune tasakaal jää ja auru vahel. Lisaks sellele on vee molekulid polaarsed, mõjutavad üksteist teatud määral ja veeaur ei käitu seepärast päris ideaalse gaasina (ptk 1.2.).

Suhteline õhuniiskus. Kui on teada, et õhus on tõesti kuupmeetri kohta 15 g veeauru (), aga nimetatud temperatuuril võiks olla kuni 23 g (A25°C), siis ei ole raske välja arvutada, millise osa (mitu %) võimalikust moodustab tegelik. Seda suhet väljendatakse peaaegu alati protsentides ja nimetatakse suhteliseks (relatiivseks) õhuniiskuseks (). Suhteline õhuniiskus on inimeste tervise ja enesetunde hindamise seisukohalt oluline näitaja. Ka ilmaennustuses on suhteline niiskus parem näitaja kui absoluutne.

Kui juba nimetatud arvud valemisse panna, siis tuleb välja, et meie näidispäeva suhteline õhuniiskus on

Mugav on, kui eluruumides on õhu suhteline niiskus parajalt keskmine. Nii liiga kuiv kui ka liiga niiske õhk on pikema aja jooksule tervisele kahjulikud. Näiteks kooliruumides peab vastavalt tervisekaitsenõuetele õhuniiskus olema 30%–70%. Eluruumides peetakse siiski paremaks hoida niiskus vahemikus 40%–60%. Kahjuks on talvisel ajal köetud ruumides õhuniiskus tihti alla 30%, mis pole tervisele hea.

Tabel Küllastunud õhuniiskus erinevatel temperatuuridel.