Водяной пар — газообразное агрегатное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха. Водяной пар — в чистом виде или в составе влажного газа, — находящийся в термодинамическом равновесии с поверхностью влажного вещества, называют равновесным водяным паром.
Содержится в тропосфере.
Образуется молекулами воды при её испарении, кипении жидкой воды или сублимации из льда. Он менее плотный, чем большинство других составляющих воздуха и вызывает конвекционные потоки, которые могут привести к образованию облаков.
При поступлении водяного пара в воздух он, как и все другие газы, создаёт определённое давление, называемое парциальнымПогода и климат планеты Земля . Оно выражается в единицах давления — паскалях. Водяной пар может переходить непосредственно в твёрдую фазу (десублимация) — в кристаллы льда. Количество водяного пара в граммах, содержащегося в 1 кубическом метре, называют абсолютной влажностью воздуха.
Теплоноситель Так как теплоёмкость пара, вернее теплота его конденсации достаточно велика, он широко используется в качестве эффективного теплоносителя. Как примеры использования можно привести паровое отопление, в испарительном охлаждении воздуха, а также промышленное использование пара, например, парогенераторы. Испарительное охлаждение применяется в системах кондиционирования.
Также, учитывая очень большую теплоёмкость процесса парообразования, вода, находящаяся при температуре насыщения, может использоваться, например, для охлаждения анодов очень мощных электронных ламп, и двигателей внутреннего сгорания (именно так и охлаждались многие бензиновые, дизельные, калоризаторные и газовые стационарные двигатели начала XX века).
В атмосфере Земли
Газообразная вода представляет собой небольшую, но экологически значимую составляющую атмосферы. Процентное содержание водяного пара в приземном воздухе колеблется от 0,01 % при температуре -42 °C 4,24 % при точке росы 30 °C.Более 99 % атмосферной воды находится в форме пара, а не жидкой воды или примерно 99,13 % водяного пара содержится в тропосфере. Конденсация водяного пара в жидкую или ледяную фазу ответственна за облака, дождь, снег и другие осадки, которые относятся к числу наиболее важных элементов того, что мы воспринимаем как погоду. Менее очевидно, что скрытая теплота испарения, которая выделяется в атмосферу всякий раз, когда происходит конденсация, является одним из наиболее важных терминов в энергетическом балансе атмосферы как в местном, так и в глобальном масштабе. Например, скрытое выделение тепла при атмосферной конвекции непосредственно ответственно за питание разрушительных штормов, таких как тропические циклоны и сильные грозы. Водяной пар является важным парниковым газом из-за наличия гидроксильной связи, которая сильно поглощается в инфракрасном диапазоне.
Водяной пар является «рабочим телом» атмосферного термодинамического двигателя, который преобразует тепловую энергию от солнечного излучения в механическую энергию в виде ветров. Преобразование тепловой энергии в механическую энергию требует верхнего и нижнего уровней температуры, а также рабочего тела, которое перемещается вперёд и обратно между ними. Верхний температурный уровень задает почва или водная поверхность Земли, которая поглощает поступающее солнечное излучение и нагревается, испаряя воду. Влажный и тёплый воздух на земле светлее, чем окружающий воздух, и поднимается до верхней границы тропосферы. Там молекулы воды излучают свою тепловую энергию в космическое пространство, охлаждая окружающий воздух. Верхние слои атмосферы представляют собой нижний температурный уровень атмосферного термодинамического двигателя. Водяной пар в холодном воздухе конденсируется и падает на землю в виде дождя или снега. Теперь более тяжёлый холодный и сухой воздух также опускается на землю; Таким образом, атмосферный термодинамический двигатель создаёт вертикальную конвекцию, которая переносит тепло от земли в верхние слои атмосферы, где молекулы воды могут излучать его в космическое пространство. Из-за вращения Земли и возникающих в результате этого сил Кориолиса эта вертикальная атмосферная конвекция также преобразуется в горизонтальную конвекцию в виде циклонов и антициклонов, которые переносят испарившуюся воду через океаны внутрь континентов, позволяя расти растительности
Вода в атмосфере Земли не только ниже точки кипения 100 °C, но и на высоте опускается ниже точки замерзания 0 °C из-за сильно полярного притяжения воды. В сочетании с его количеством водяной пар имеет соответствующую точку росы и точку замерзания, в отличие, например, от углекислого газа и метана. Таким образом, высота водяного пара составляет долю от высоты объёмной атмосферы, поскольку вода конденсируется и выходит, в первую очередь, в тропосферу, самый нижний слой атмосферы. Углекислый газ и метан, будучи хорошо перемешанными в атмосфере, имеют тенденцию подниматься над водяным паром. Поглощение и излучение обоих соединений способствуют выбросу Земли в космос и, таким образом, планетарному парниковому эффекту.. Это парниковое воздействие можно наблюдать непосредственно, через различные спектральные особенности по отношению к водяному пару, и наблюдается, как оно растёт с повышением уровня CO2 И наоборот, добавление водяного пара на больших высотах оказывает непропорциональное воздействие, поэтому реактивное движениеимеет непропорционально высокий эффект потепления. Окисление метана также является основным источником водяного пара в стратосфере и добавляет около 15% к эффекту глобального потепления метана.
В отсутствие других парниковых газов водяной пар Земли конденсировался бы на поверхности;: "The equilibrium temperature of the Earth is 255 K, well-below the freezing point of water, but because of its atmosphere, the greenhouse effect warms the surface" Вероятно, это происходило, возможно, не один раз. Таким образом, учёные различают неконденсирующиеся (движущиеся) и конденсируемые (управляемые) парниковые газы, т.е. вышеупомянутую обратную связь водяного пара..de Pater, I., Lissauer, J., Planetary Sciences, Cambridge University Press, 2007
Туман и облака образуются в результате конденсации вокруг ядер конденсации облаков. При отсутствии ядер конденсация будет происходить только при гораздо более низких температурах. При стойком конденсации или осаждении образуются облачные капли или снежинки, которые выпадают в осадок при достижении критической массы.
Концентрация водяного пара в атмосфере сильно варьируется в зависимости от места и времени, от 10 ppmv в самом холодном воздухе до 5% (50 000 ppmv) во влажном тропическом воздухе быть измерена с помощью комбинации наземных наблюдений, метеозондов и спутников,. Водность атмосферы в целом постоянно истощается осадками. В то же время она постоянно пополняется за счёт испарения, в первую очередь из океанов, озёр, рек и влажной земли. Другие источники атмосферной воды включают горение, дыхание, извержения вулканов, транспирацию растений и различные другие биологические и геологические процессы. В любой момент времени в атмосфере содержится около 1,29 x 1016 литров воды. Атмосфера содержит 1 часть из 2500 пресной воды и 1 часть из 100 000 всей воды на Земле. Среднее глобальное содержание водяного пара в атмосфере примерно достаточно для того, чтобы покрыть поверхность планеты слоем жидкой воды глубиной около 25 мм. Среднегодовое количество осадков на планете составляет около 1 метра, что позволяет предположить быстрый круговорот воды в воздухе – в среднем, время пребывания молекулы воды в тропосфере составляет от 9 до 10 дней..
Глобальное среднее содержание водяного пара составляет около 0,25% атмосферного по массе и также изменяется в зависимости от сезона, с точки зрения вклада в атмосферное давление от 2,62 гПа в июле до 2,33 гПа в декабре. Шестой оценочный доклад МГЭИК выражает среднюю уверенность в увеличении общего объёма водяного пара примерно на 1-2% за десятилетие; ожидается, что он будет увеличиваться примерно на 7% на 0.5 °C потепления.
Эпизоды поверхностной геотермальной активности, такие как извержения вулканов и гейзеры, выбрасывают в атмосферу различное количество водяного пара. Такие извержения могут быть крупными по человеческим меркам, а крупные взрывные извержения могут выбрасывать в атмосферу исключительно большие массы воды исключительно высоко, но в процентном соотношении к общему объему атмосферной воды роль таких процессов ничтожна. Относительные концентрации различных газов, выбрасываемых вулканами, значительно варьируются в зависимости от места и от конкретного события на каком-либо конкретном участке. Тем не менее, водяной пар неизменно является самым распространенным вулканическим газом; Как правило, на него приходится более 60% от общего объёма выбросов при субаэральном извержении.
Содержание водяного пара в атмосфере выражается с помощью различных мер. К ним относятся давление пара, удельная влажность, соотношение смешивания, температура точки росы и относительная влажность.
Радиолокационная и спутниковая съёмка
Поскольку молекулы воды поглощают микроволны и другие радиочастоты, вода в атмосфере ослабляет радиолокационные сигналы. Кроме того, атмосферная вода будет отражать и преломлять сигналы в степени, которая зависит от того, является ли она паровой, жидкой или твёрдой.
Как правило, радиолокационные сигналы постепенно теряют силу по мере того, как они проходят через тропосферу. Разные частоты затухают с разной скоростью, так что некоторые компоненты воздуха непрозрачны для одних частот и прозрачны для других. Радиоволны, используемые для вещания и других средств коммуникации, испытывают тот же эффект.
Водяной пар отражает сигналы радара в меньшей степени, чем две другие фазы воды. В виде капель и кристаллов льда вода выступает в роли призмы, чего она не делает как отдельная молекула; Тем не менее, существование водяного пара в атмосфере заставляет атмосферу действовать как гигантская призма.
Поскольку водяной пар поглощает свет (видимый спектральный диапазон), его поглощение может быть использовано в спектроскопических приложениях (таких как DOAS) для определения количества водяного пара в атмосфере. Это делается на оперативном уровне, например, с помощью спектрометров Глобального эксперимента по мониторингу озона (GOME) на ERS (GOME) и MetOp (GOME-2). Более слабые линии поглощения водяного пара в синем спектральном диапазоне и далее в ультрафиолетовом диапазоне до предела диссоциации около 243 нм в основном основаны на квантово-механических расчётах и лишь частично подтверждены экспериментами.
Сравнение спутниковых снимков GOES-12 показывает распределение атмосферного водяного пара относительно океанов, облаков и континентов Земли. Пар окружает планету, но распределяется неравномерно. Контур изображения справа показывает среднемесячное содержание водяного пара с единицами измерения в сантиметрах, что представляет собой осаждённую воду или эквивалентное количество воды, которое могло бы быть произведено, если бы весь водяной пар в столбце конденсировался. Наименьшее количество водяного пара (0 сантиметров) обозначено жёлтым цветом, а наибольшее количество (6 сантиметров) — тёмно-синим. Области отсутствующих данных отображаются оттенками серого. Карты основаны на данных, собранных с помощью спектрорадиометра среднего разрешения (MODIS) на спутнике НАСА Aqua. Наиболее заметной закономерностью во временном ряду является влияние сезонных изменений температуры и поступающего солнечного света на водяной пар.