Vesihöyry

Vesihöyry (arkikielessä pelkkä höyry) on kaasumaista vettä. Vesihöyry on hajutonta, mautonta ja väritöntä, eikä sitä siis voi ihmissilmin erottaa muista ilmakehän kaasuista. Vesihöyryä syntyy, kun vesi haihtuu tai jää sublimoituu. Veden, H2O, kiinteää olomuotoa sanotaan jääksi ja nesteolomuotoa vedeksi. Vesihöyryä voi syntyä myös kemiallisissa reaktioissa. Kylläinen vesihöyry tarkoittaa vesihöyryä, joka on paineen mukaisessa tiivistymislämpötilassaan. Mikäli vesihöyry tällöin menettää lämpöä, se tiivistyy nestemäiseksi vedeksi. == Vesihöyry ilmakehässä – pilvet eivät ole vesihöyryä == Arkikielessä sanomme näkevämme vesihöyryä teekattilassa, tupruamassa höyryjunan piipusta tai pakkasella hengitysilmassa. Täsmällisemmässä ilmaisussa arkikielen sanaa höyry kuitenkin käytetään eri tavalla. Kaikissa näissä tapauksissa kaasumuotoinen vesi on jo tiivistynyt pienenpieniksi pisaroiksi, samoiksi joista tavallinen sumu muodostuu. Pilvet eivät siis ilmatieteen ammattikielellä ilmaistuna ole vesihöyryä, vaan nestettä (tai jäätä tai näiden yhdistelmää) sisältävää aerosolia, ts. hyvin pieniä vesipisaroita (ja/tai jäähitusia) leijumassa kaasussa. Fysiikassa vesihöyryn ja kaasun erona voi nähdä, että vesihöyryn lämpötila on alle kriittisen lämpötilan (647 K), joten se on mahdollista saada nestemäiseksi kasvattamalla painetta. Vesihöyry on tärkeä osa ilmakehän lämmöntasausjärjestelmää: vesi haihtuu lämpimillä alueilla, kulkee ilmavirtausten mukana vesihöyrynä lähemmäs napoja ja tiivistyy siellä, ja samalla vapauttaa siihen haihtumisessa sitoutuneen höyrystymislämmön. Lähes kaikki ilmakehän vesihöyry on troposfäärissä. Vesihöyryn määrää koko troposfäärissä voidaan mitata usealla tavalla. Sitä voidaan mitata esimerkiksi maanpinnalta ilmakehään mittaamaan lähetettävillä radioluotaimilla arvioida, lentokoneisiin liitetyillä mittauslaitteilla sekä useilla kaukomittaustavoilla satelliitista käsin tai esimerkiksi satelliitin ja maanpinnan välisen radiosignaalin kulkuaikaviiveen perusteella. === Vesihöyry kasvihuonekaasuna === Vesihöyry on kasvihuonekaasu eli ilmakehässä se voimistaa kasvihuoneilmiötä. Maan ilmakehässä on vesihöyryä hyvin vaihteleva määrä eri alueilla ja aikoina, mutta yleisesti 0,2 % eli 1,3 · 1016 kg. Vesihöyryn arvioidaan aiheuttavan kasvihuoneilmiöstä noin 36–70 %. Vesihöyryn elinikä ilmakehässä on kuitenkin todella lyhyt, noin 7–10 päivää. Tästä seuraa, että ihminen ei toiminnallaan suoraan lisää ilmakehän vesihöyrypitoisuutta, vaikka pitoisuudet voivat muuttua ilmaston lämpenemisen seurauksena. Joidenkin yhdysvaltalaisten tutkijoiden mukaan ilmakehän kosteuspitoisuus on kasvanut 0,41 kg/m3 vuosikymmenessä sitten vuoden 1988. Eräiden arvioiden mukaan vesihöyry aiheuttaa kirkkaana päivänä 60–70 % ja hiilidioksidi 20–25 % maan kasvihuoneilmiöstä. Maan ilmakehän vesipitoisuuden vaikutus kasvihuoneilmiöön noudattaa havaintojen mukaan suunnilleen kaavaa: :T_g - T_e = 14{,}817 \ln (W_c) - 4{,}7318 , missä T_g kasvihuoneilmiön mukainen lämpötila, T_e lämpötila ilman kasvihuoneilmiötä. Vesipitoisuudella W_c tarkoitetaan tässä vesihöyryn määrää maanpinnan ja 300 mbar painepinnan välillä 1012 tonneina. \ln on luonnollinen logaritmi. Joutkut tutkijat olettavat, että jos lämpötila Maan ja nimenomaan merien pinnalla kasvaisi kyllin suureksi, vesihöyryn aiheuttama kasvihuoneilmiö alkaisi voimistaa itseään ja karkaisi käsistä. Lämpötilan nousu haihduttaisi vettä vesihöyryksi kasvihuoneilmiötä voimistamaan, mikä nostaisi lämpötilaa, mikä taas lisäisi veden haihtumista ja kasvihuoneilmiötä ja niin edelleen. Merivesien lämpötilojen ollessa yli 27 astetta, merivedet haihtuvat niin rajusti, että siihen sitoutunut lämpö luo hurrikaaneja. Maan valtamerien pinnan keskilämpötila on nyt 10 °C. Jos se olisi 27 °C, kasvihuone-ilmiö karkaisi käsistä. Maan vesistöjen pintalämpötila on korkeimmilaan 30,5 °C. Väitetään, että joillain valtamerien kosteilla, yli 70 % suhteellisen kosteuden 9 km:n korkeudessa olevilla alueilla tapahtuisi paikallista karkaavaa kasvihuone-ilmiötä, jota ympäröivät kuivat alueet tasoittavat. == Termejä == ===Ilman absoluuttinen kosteus=== Ilman absoluuttinen kosteus tarkoittaa vesihöyryn massaa tarkasteltavassa tilavuudessa. Yksikkö voi olla esimerkiksi g/m³. Nimitys absoluuttinen kosteus on sikäli harhaanjohtava, että lukuarvo on lämpötilasta riippuvainen. Usein absoluuttisesta kosteudesta puhuttaessa tarkoitetaankin vesihöyryn ja kuivan ilman massojen sekoitussuhdetta. ===Ilman suhteellinen kosteus=== Ilman suhteellinen kosteus tarkoittaa ilman sisältämän vesihöyryn määrän suhdetta suurimpaan mahdolliseen määrään jonka ilma voi kyseisessä lämpötilassa sisältää. Kun ilma on täysin kyllästetty vesihöyryllä suhde on 100 %. Suhteellinen kosteus ilmaistaan prosentteina (%). Ilmakehässä pieni ylikyllästystilakin on mahdollinen, mikäli sopivia tiivistymisytimiä ei ole tarjolla sumu- tai pilvipisaroiden muodostumiselle. ===Vesihöyryn osapaine=== Kaasun osapaineella tarkoitetaan kaasun painetta kaasuseoksessa, jonka kokonaispaine muodostuu sen kaikkien kaasujen paineiden summasta. SI- järjestelmässä osapaineen yksikkö on pascal (Pa). ===Vesihöyryn diffuusio=== Vesihöyryn diffuusio on lähinnä muun muassa rakennustekniikassa käytettävä termi, joka tarkoittaa höyrymolekyylien satunnaista liikkumista huokoisen aineen huokosissa. Diffuusio pyrkii tasoittamaan vesihöyryn paine-eroja höyryn siirtyessä pienempään paineeseen päin. ===Vesihöyryn konvektio=== Vesihöyryn konvektio tarkoittaa vesihöyryn siirtymistä osapaine-eron vaikutuksesta aukoissa, joissa ei ole rakenteellista estettä. Koska ilma virtaa aina alenevan kokonaispaineen suuntaan, saattaa höyryn osapaine-eroa suurempi kokonaispaine-ero muuttaa virtauksen suuntaa. Termiä käytetään rakennustekniikassa. ===Vesihöyryn läpäisevyys=== Vesihöyryn läpäisevyys on muun muassa rakennustekniikassa käytettävä termi, jolla tarkoitetaan aineen kykyä läpäistä vesihöyryä diffuusiolla. Mitä suurempi läpäisevyys, sitä pienempi höyrynvastus, jolloin vesihöyry siirtyy helpommin aineen läpi. Vesihöyryn läpäisevyyden yksikkö on kg/m s Pa. ===Kylläinen höyry=== Kylläinen höyry on kaasuuntunutta vettä kastepisteen lämpötilassa. Lämpötilan laskiessa höyry alkaa välittömästi tiivistyä vedeksi. ===Tulistettu höyry=== Tulistettu höyry on tilanteen painetta vastaavaa höyrystymispistettä korkeammassa lämpötilassa. Tulistettua höyryä syntyy kuumentamalla kylläistä höyryä. Tulistettu höyry voi luovuttaa lämpöä ennen kuin alkaa tiivistyä nesteeksi. Jäähdyttyään riittävästi tulistettu höyry muuttuu kylläiseksi. Tulistettua vesihöyryä käytetään esimerkiksi voimalaitosten höyryturbiineissa. Tulistuksen idea on siinä, että vesi – olomuodosta riippumatta – sitoo runsaasti lämpöenergiaa hyödynnettäväksi myöhemmin. == Kylläisen vesihöyryn paine == Lämpötila (°C) Paine (kPa) Tiheys g/m³ -25 jää 0,0635 -20 jää 0,1035 -15 vesi 0,1915/ jää 0,1655 -10 vesi 0,2865/ jää 0,2600 -5 vesi 0,4217/ jää 0,4017 -4 vesi 0,4546/ jää 0,4373 -3 vesi 0,4897/ jää 0,4757 -2 vesi 0,5274/ jää 0,5173 -1 vesi 0,5677/ jää 0,5622 0 0,6107 4,846 1 0,6566 5,192 2 0,7056 5,797 3 0,7577 5,947 4 0,8131 6,360 5 0,8722 6,797 6 0,9349 7,269 7 1,0016 7,751 8 1,0725 8,270 9 1,1477 8,819 10 1,2275 9,399 11 1,3122 10,01 12 1,4020 10,66 13 1,4971 11,34 14 1,5979 11,34 15 1,7045 12,83 16 1,8174 13,63 17 1,9367 14,47 18 2,063 15,37 19 2,196 16,30 20 2,337 17,29 21 2,486 18,33 22 2,643 19,42 23 2,808 20,57 24 2,982 21,77 25 3,166 23,04 26 3,360 24,36 27 3,564 25,76 28 3,778 27,22 29 4,004 28,75 30 4,241 30,36 31 4,491 32,04 32 4,753 33,80 33 5,028 35,65 34 5,318 37,58 35 5,621 39,60 36 5,939 41,71 37 6,273 43,91 38 6,623 46,22 39 6,990 48,62 40 7,374 51,14 41 7,700 53,50 42 8,197 56,50 43 8,638 59,00 44 9,099 62,33 45 9,581 65,45 46 10,084 68,66 47 10,611 72,03 48 11,161 75,53 49 11,735 79,18 50 12,334 82,98 52 13,611 91,03 54 15,001 99,74 56 16,509 109,1 58 18,146 119,3 60 19,92 130,2 62 21,84 141,9 64 23,91 154,5 66 26,15 168,1 68 28,56 182,6 70 31,16 198,1 72 33,96 214,7 74 36,96 232,5 76 40,19 251,5 78 43,65 271,7 80 47,36 293,3 85 57,80 353,5 90 70,11 423,5 95 84,53 504,5 100 101,32 (1 ilmakehä) 598,0 110 143,26 826,7 120 198,53 1122 130 270,11 1497 140 361,4 1967 150 476,2 2548 160 618,0 3260 170 792,0 4122 180 1002,7 5158 190 1255,2 6393 200 1555,1 7858 210 1908,0 9586 220 2320,1 11610 230 2797,9 13990 240 3348,0 16760 250 3978 19990 260 4694 23760 270 5505 28150 280 6419 33280 300 8592 46300 320 11290 64550 340 14608 92810 350 16529 360 18674 1435000 374,15 22129 315*1000 Kylläisen vesihöyryn paine mmHg ja tiheys. Lämpötila °C Vesihöyryn paine mmHg Vesihöyryn tiheys g/m³ Lämpötila °C Vesihöyryn paine mmHg Vesihöyryn tiheys g/m³ -10 2,15 2,36 40 55,3 51,1 0 4,58 4,85 60 149,4 130,5 5 6,54 6,8 80 355,1 293,8 10 9,21 9,4 95 634 505 11 9,84 10,01 96 658 523 12 10,52 10,66 97 682 541 13 11,23 11,35 98 707 560 14 11,99 12,07 99 733 579 15 12,79 12,83 100 760 598 20 17,54 17,3 101 788 618 25 23,76 23 110 1074,6 ... 30 31,8 30,4 120 1489 ... 37 47,07 44 200 11659 7840 Kylläisen vesihöyryn paineen yhtälö välillä −50…+102 °C \log_{10} \left ( p \right )= -7{,}90298 \left(\frac{373{,}16}{T}-1\right) + 5{,}02808 \log_{10} \frac{373{,}16}{T} \- 1{,}3816 \cdot 10^{-7} (10^{11{,}344 (1-\frac{T}{373{,}16})} -1) \+ 8{,}1328 \cdot 10^{-3} (10^{-3{,}49149 (\frac{373{,}16}{T}-1)} -1) \+ \log_{10} \left ( 1013{,}246 \right ) , missä T on ilman lämpötila kelvineinä ja p paine millibaariyksiköissä. == Lähteet == == Aiheesta muualla == *Höyrynpaineen laskemiseen tarkoitettu ohjelma *National Science Digital Library – Water Vapor *Vesihöyryn mittaaminen *psu.edu science misconceptions – Bad Clouds *Calculate the condensation of your exhaled breath *Water Vapor Myths: A Brief Tutorial *AGU Water Vapor in the Climate System – 1995 Luokka:Termodynamiikka Luokka:Meteorologia Luokka:Kasvihuonekaasut Luokka:Vesi Luokka:Rakennustekniikka Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit