Vesihöyryn monet kasvot

Selitykset vesihöyryn merkityksestä kasvihuonekaasuna ovat ehkä pääsääntöisesti luonteeltaan yleisluontoisia.
Tässä yritetään spesifisemmin paneutua alailmakehän ja pinnan välisten vuorovaikutussuhteiden selvittämiseen. Tähän käytetään kostean ilman tilaa ehkä parhaiten kuvaavaa ix-diagrammia. Kuvassa 1 on tästä eräs versio.

Diagrammin rakenteesta muutama sana:

Pystyakselilla vasemmalla reunalla on asteikko ilman lämpötilalle, joka on se lämpötila mitä lämpömitari näyttää. Lämpötilaa diagrammissa edustavat suorat ovat samalla isotermejä. Pystyakselilla on myös esitetty ilman tiheys loivasti laskevina katkoviivoina.

Vaaka-akselilla kuvan alaosassa sen yläpuolella on asteikko ilman vesihöyrypitoisuudelle ja sen alapuolella vesihöyryn osapaine asteikko.

Oikealle ylös kaartuvat käyrät ovat ilman suhteellisen kosteuden käyriä, alipana 100% suhteellisen kosteuden käyrä, jossa ilma on vesihöyrystä kylläissä tilassa. Tämän alapuolella on sumualue, jossa ilman seassa vesi voi esiintyä eri olomuodoissaan.

Vasemmalta alas suuntautuvat yhtenäinäiset viivat ovat vakioentalpian/adiabaatin suoria, sekä katkoviivat märän lämpömittarin suoria.

Asteikko, joka kiertää kuvaa oikealta alhaalta jatkuen aina sen yläosalle ja sieltä vasemmalle, esittää energian kulutusta haihdutettua vesikiloa kohden (di/dx), oikea arvo saadaan yhdensuuntaisuus siirrolla, tästä myähemmin.

Diagrammi on kätevä, kun nopeasti – sanotaan yhdellä silmäyksellä – selvittää ilman tila. Esimerkiksi kyvan 1 pisteessä A ilman tila on t=23C,HR=50%,x=8,5gr/kgda ja entalpia i=8,5gr/kgda.

EPSON scanner image

Kuva 1

Veden ja jään pinnalla on aina hyvin ohut kerros kylläisessä tilassa olevaa ilmaa, jonka lämpötila on sama kuin veden tai jään. Kuvan 2 piste O voi siten esittää esimerkiksi meren pinnan tilaa. Tässä tapauksessa merien keskimääräistä pintalämpötilaa, joka Wikipedian mukaa on noin 16C. Lämpötilan noustessa meren tilapiste siirtyy oikealle nousevaan suuntaan ja lämpötilan laskiessa vasemmalle laskevaan suuntaan pitkin kyllästyskäyrää. Jos pinnan kosteus on alempi, esim maan pinnalla, niin silloin pinnan tilaa kuvaa tätä vastaa lämpötilan ja kosteuden määräämä tilapiste.
Kaikki mitä seuraavassa esitetään, koskee tilannetta, jossa ilma tietyssä tilassa virtaa tällaisen pinnan yli ja se mitä tapahtuu eli miten ilman ja pinnan tila muuttuu, riippuu ilman tilapisteen asemasta ix-diagrammissa suhteessa pinnan tilapisteeseen.

Kuva 2
EPSON scanner image

(Kuvien perusdiagrammit on kopioitu: Thermodynamics of humid air; Markku J. Lampinen, translated by Juho Arjonranta.)

Kuvaan 2 on tehty joukko lisäyksiä. Ympyrän kaaret ja niihin liittyvät sektorit viittaavat ilman tilan ominaisuuksien muutoksiin. Sisin kaari esittää lämpötilaa, punaisella sektorilla lämpötila kasvaa ja sinisellä laskee. Keskimmäinen kaari puolestaan kuvaa entalpian muuttumista, punaisella entalpia kasvaa ja sinisellä laskee. Uloin kaari ilmaisee kosteuden muuttumista, punaisella sektorilla kosteus kasvaa ja sinisellä laskee.

Sektoreittain voi tapahtua seuraavia muutoksia:

Alue 1 ilman alkutila on kyllästyskäyrän ja isotermin 16C välisellä alueella. Keskimäärin tämä on yleisin tapaus eli pinnan lämpötila on korkeampi kuin alailmakehän. Tällaisen ilman virratessa pitkin meren pintaa sen lämpötila, entalpia ja kosteus nousevat (absoluuttinen että suhteellinen kosteus) ja ilman tila pyrkii kohti meren pinnan tilapistettä. Energia tähän saadaan merivedestä, jos korvaavaa energiaa ei ole tarjolla, niin pinnan lämpötila alenee.

Alue 2 Tässä ilman alkutila on isotermin 16C ja adiabaatin välisessä tilassa. Ilman lämpötila alenee mutta entalpia ja kosteus kasvavat. Energia tilamuutokseen tulee merestä ja taas jos korvaavaa energiaa ei ole tarjolla, niin meren pinnan lämpötila pyrkii alenemaan. Tulos on ehkä hieman yllättävä, sillä nyt lämmin Ilma virratessaan yli viileämmän meren pinnan tosiasiassa jäähdyttää pintaa.

Alue 3. Tällä alueella sekä ilman lämpötila että entalpia alenevat, mutta kosteus kasvaa. Vaikka haihtuminen lisääntyy, niin tästä huolimatta ilmasta vapautuu ebergiaa, joka pyrkii lämmittämään meren pintaa.

Alue 4. Ilman lämpötila, kosteus sekä entalpia alenevat, vapautuva energia lämmittää meren pintaa.

Kuvassa 2 lyhyt punaiseksi tarkoitettu vähän epäselvä viivan pätkä alkaen pisteestä t=15C,RH=77%,x=8,1gr/kgda kuvaten alailmakehän keskimääräistä tilaa. Kun tällainen ilma virtaa keskimääräisen meren pinnan yli, on prosessin suunta kohden meren pinnan tilaa. Alailmakehän ja pinnan tilan yhdistävän suoran kanssa on piirretty yhdensuuntainen suora 0C asteen kautta di/dx asteikolle leikaten tämän suunnilleen kohdassa 2,8kJ/kgH2O, tämä on keskimäärin veden haihduttamuseen tarvittava energia.

Alailmakehän ja pinnan välinen vektori on kuvaan 2 erikseen piirretyn suorakulmaisen kolmion hypotenuusa ja lyhyemmän kateetin ”pituus” 1C. Jos ilman tila saavuttaa pinnan tilan, niin tähän tarvitaan energiaa noin 8,85kJ/kgda. Tämä voidaan jakaa kahteen osaan, nimittäin veden haihduttamiseen ja ilman lämmittämiseen, ensinnä veden haihduttamiseen käytetty energia on noin 7,85kJ/kgda ja ilman lämmittämiseen 1kJ/kgda.

IPCC:n mukaan alailmakehän suhteellinen kosteus on keskimäärin 77% ja vakio. Jos samalla alailmakehän ja pinnan välinen lämpmtilaero on vakio 1C, niin tästä seuraa, kuten ix-diagrammista on nähtävissä, että di/dx laskee lämpötilan kohotessa eli vesikilon haihduttamiseen tarvitaan aiempaa vähemmän energiaa. Kuitenkin yhä kosteammaksi käyvän ilman entalpia kasvaa nopeammin kuin ilman lämpötila nousee. Lisääntyvä kosteus jarruttaa lämpötilan nousua koska entistä suurempi osa käytettävissä olevasta enegiasta kuluu veden haihduttamiseen lämpötilan nousun kustannuksella ts di kasvaa nopeammin kuin dt.

Sitten vielä ilman tiheyden merkityksestä. Kuten diagrammista näkyy Ilman tiheys alenee kosteuden kasvaessa – vesihöyry on kevyempää kuin kuiva ilma. Tässä on selitys miksi kylmempi, mutta kosteampi ilma voi kevyempänä nousta pinnalta ylös ennemmin kuin kuivempi ja hieman lämpimämpi ilma.

Kari Kivirauma

Perusinsinööri, projektipäällikkö, suunnittelupäällikkö, näissä leipälajeina lujuusoppi ja termodynamiikka.tehtaanjohtaja, yrittäjä. Kuntourheilija lajeina lähinnä juoksu, hiihto ja kuntosali. Perhokalastus ja retkeily, sekä kaikenlainen turhanaikaisen opiskelu lähellä sydäntä.

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu