رطوبة الهواء
رطوبة الهواء أو الرطوبة الجوية هي كمية بخار الماء الموجودة في الهواء، وخاصة في طبقة التروبوسفير (طبقة الجو السفلى). تختلف الرطوبة حسب درجة الحرارة وضغط الهواء، فكلما كان الهواء أدفأ زادت كمية بخار الماء الذي يحمله، وعندما يحتوي الهواء على أقصى كمية من بخار الماء يستطيع حملها تحت درجة حرارة وضغط معيّنيْن، فعندئذ يقال إنّ الهواء قد تشبّع ببخار الماء. تقاس رطوبة الهواء باستخدام جهاز قياس الرطوبة (الهيجرومتر).
مع أن كمية الماء الموجودة على شكل رطوبة في الغلاف الجوي هي قليلة جداً (نحو 0.01% من كمية الماء الموجودة على الأرض) مقارنة بتلك الموجودة على سطح الأرض (نحو مليار و360 مليون كم2)، إلا أنه يتبخر نحو 380 ألف كم من الماء مرتفعاً الغلاف الجوي كل عام. ومنها نحو 60 ألف كم تتبخر من القارات (البحيرات والأنهار والتربة والنبات)؛ ونحو 320 ألف كم تتبخر من المحيطات والبحار. وتعود هذه الكمية من الماء إلى السطح بأكثر من طريقة. ففي المناطق الرطبة قد تصل نسبة الرطوبة إلى 100% فيتكون الضباب الكثيف، وعندما تدنو نسبة الرطوبة عن 30% يصبح الهواء جافًا تقريبًا مما يُشعر الإنسان بالعطش. تكثر الرطوبة في المدن الساحلية خصوصًا في فصل الصيف. ونسبة 60% - 70% نهارًا مع درجة حرارة 38° تشعرك بأن درجة الحرارة أعلى مما هي عليه في الواقع، ويصاب الإنسان بالتعرق إلى درجة أنه إذا أمضى وقتًا طويلاً في العراء يصاب بالجفاف، ويجب نقله إلى المستشفى. كما أن الرطوبة تكمن في الضباب والندى والتبلل.
وتعد الرطوبة الجوية أحد «المحركات» الأساسية للمناخ، بسبب الطاقة الهائلة المكتسبة أو المحررة عند تحوّل الماء من حالة إلى أخرى. إذ يكتسب الماء طاقة عند التبخر تبلغ 580 سعراً لكل غرام من الماء، تنقل مع البخار على شكل حرارة كامنة. وعند الأخذ بالحسبان كمية التبخر السنوي على مستوى الكرة الأرضية، يتضح أن عملية التبخر، تنقل نحو 2204×1510 سعر من الطاقة إلى الغلاف الجوي، وذلك على شكل حرارة كامنة في الرطوبة تُحرر عندما يتم التكثف على شكل حرارة محسوسة. ويعبّر عن محتوى الهواء من الرطوبة بعدة صيغ.
تقاس الرطوبة المطلقة الآتي :
إذا تواجدت كمية بخار ماء "m" في حجم "V" من الهواء ، فتكون الرطوبة المطلقة فيه:
الوحدة المستخدمة هي جرام/متر.
أي أنها كتلة بخار الماء الموجودة في حجم معين من الهواء. وتُعَد هذه الطريقة غير محافظة (non conservative)؛ أي أن كميتها تتغير، بتغير كثافة و/أو درجة حرارة الهواء؛ بل تتحكمان في حجمه؛ إذ الزيادة في الرطوبة تؤدي إلى انخفاض كثافة الهواء؛ ما يزيد من حجم الهواء لوحدة الكتلة. أما التغير في درجة الحرارة، فيؤدي تغيراً في كثافة الهواء وحجمه، بالنسبة إلى وحدة الكتلة. فعندما تزداد الحرارة، يتمدد الهواء، فيكبر حجم الكتلة المعينة، وتنخفض الكثافة. فلو أن متراً مكعباً من الهواء، يحتوي على جرام واحد من الماء، على شكل بخار، فإن رطوبته المطلقة تكون 1جرام/م3. أما إذا رفعت درجة حرارة الهواء، فسوف يتمدد، بقدر التسخين، ليصبح حجمه أكبر من متر مكعب، فيبلغ 1.1 متر مكعب. أما كمية الماء المحمولة فيه، على شكل بخار، فلن تتغير؛ ما يقلل من رطوبته المطلقة، لتصبح 1جرام/1.1 متر مكعب، أو 0.91 جرام/م3.
ويقصد بها كتلة بخار الماء، الموجود في كتلة معينة من الهواء، المكون من هواء جاف وبخار ماء؛ وتكون وحدتها، هي الجرام لكل كيلوجرام (جرام/كجم). وتُعّد الرطوبة النوعية من الطرائق المحافظة، للتعبير عن رطوبة الهواء، أي أنها لا تتأثر بالتغير في درجة الحرارة، وما ينتج عنه، من تمدد أو انكماش، يؤثر في كثافة الهواء.
وتعرف الرطوبة النوعية الإشباعية، بأنها كتلة بخار الماء، التي تستطيع كتلة معينة من الهواء حملها، عند درجة حرارة معينة، وضغط جوي معين.
الرطوبة النسبية، هي نسبة بخار الماء الموجود في الهواء، إلى ما يستطيع الأخير حمله منه، عند درجة الحرارة نفسها، والضغط الجوي نفسه. وتحسب بوساطة الرطوبة النوعية الفعلية، والرطوبة النوعية الإشباعية، أو بوساطة ضغط بخار الماء الإشباعي، وضغط بخار الماء الفعلي، كما يلي:
بارتفاع درجة الحرارة تزداد كمية جزيئات الماء التي تمتلك طاقة حركة كافية لمغادرة سطح الماء . أي يزداد معدل تبخر الماء بارتفاع درجة الحرارة . توصف حالة التشبع بحدوث توازن بين معدل تبخر الماء إلى الهواء ومعدل تكثف جزيئات البخار للعودة إلى الماء .
يتزايد تركيز التشبع لبخار الماء بتزايد درجة الحرارة وتتبع العلاقة بينهما دالة أسية كما هو موضح في منحنى التشبع في الشكل . وتكون لكل درجة حرارة تركيز معين محدد لتشبع بخار الماء في الهواء . عند الضغط العادي الذي يبلغ 1013,25 باسكال ودرجة حرارة 10 درجة مئوية يمكن للهواء احتواء 9,40 جرام من الماء . ونفس كمية الهواء يمكنها أن تحوي 30,4 جرام ماء عند 30 درجة مئوية ، وعند 60 درجة مئوية يمكنها احتواء 100 جرام من الماء .
الجو لا يكون رطباً إلاَّ إذا احتوى على بخار الماء . ولا تخلو الطبقات السفلى من الغلاف الجوي من بخار الماء بأي حال من الأحوال. وبخار الماء هو ذرات صغيرة جدًا من الماء متطايرة في الهواء، ويتعذر على العين المجردة رؤيتها . المصدر الرئيسي لهذا البخار هو المسطحات المائية التي تغطي أكثر من ثلثي سطح الكرة الأرضية. وإذا زاد بخار الماء في الهواء صار الهواء كثير الرطوبة وإذا قل صار جافًا . قياس الرطوبة : تقاس درجة رطوبة الجو بواسطة جهاز يعرف باسم الهيغرومتر (Hygrometer).
تعرف نقطة الندى على أنها درجة الحرارة التي لو برد إليها الهواء المعين لأصبح مشبعاً ببخار الماء، أي يتساوى فيه ضغط بخار الماء الفعلي مع ضغط بخار الماء الإشباعي، أو تصبح رطوبته النسبية 100%. لذا، كلما كانت درجة الحرارة لنقطة الندى مرتفعة، كان محتوى الهواء من الرطوبة عالياً، والعكس صحيح. ولأن نقطة الندى، لا تتغير كثيراً، في خلال اليوم، فإنها تُعَد من القيم المحافظة. ويمكن حساب نقطة الندى، بتعويض قيمة ضغط بخار الماء الفعلي.