Vesihöyry

Vesihöyry (arkikielessä pelkkä höyry) on kaasumaista vettä. Vesihöyry on hajutonta, mautonta ja väritöntä, eikä sitä siis voi ihmissilmin erottaa muista ilmakehän kaasuista.  Höyry on vakiintunut tarkoittamaan vain veden kaasuolomuotoa mutta joskus höyryllä voidaan tarkoittaa myös muiden aineiden kaasuolomuotoa. Sitä syntyy useimmiten, kun vesi haihtuu tai jää sublimoituu. Veden, H2O, kiinteää olomuotoa sanotaan jääksi ja nesteolomuotoa vedeksi. Vesihöyryä voi syntyä myös kemiallisissa reaktioissa. Kylläinen höyry tarkoittaa höyryä, joka on paineen mukaisessa tiivistymislämpötilassaan. Mikäli höyry tällöin menettää lämpöä, se tiivistyy nesteeksi. Tulistettu höyry on tiivistymislämpötilaa korkeammassa lämpötilassa eli se voi menettää lämpöä ennen kuin alkaa tiivistyä eli nesteytyä. Tulistuksen idea on siinä, että vesi -olomuodosta riippumatta- sitoo runsaasti lämpöenergiaa hyödynnettäväksi myöhemmin.

Vesihöyry ilmakehässä – pilvet eivät ole vesihöyryä 
Arkikielessä sanomme näkevämme vesihöyryä teekattilassa, tupruamassa höyryjunan piipusta tai pakkasella hengitysilmassa. Fysiikan kielessä tätä arkikielen sanaa höyry kuitenkin käytetään eri tavalla. Kaikissa näissä tapauksissa kaasumuotoinen vesi on jo tiivistynyt pienenpieniksi pisaroiksi, samoiksi joista sumu muodostuu. Pilvet eivät siis fyysikoiden ammattikielellä ilmaistuna ole vesihöyryä, vaan nesteaerosolia, ts. hyvin pieniä vesipisaroita 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 vesihöyrynä lähemmäs napoja ja tiivistyy siellä, ja samalla vapauttaa siihen haihtumisessa sitoutuneen höyrystymislämmön. 

Lähes kaikki ilmakehän vesihöyry on troposfäärissä. Vesihöyryn määrää koko troposfäärissä voidaan arvioida tietyillä aallonpituuksilla tehdyistä sääsatelliittikuvista.

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:

missä  kasvihuoneilmiön mukainen lämpötila,  lämpötila ilman kasvihuoneilmiötä. Vesipitoisuudella  tarkoitetaan tässä vesihöyryn määrää maanpinnan ja 300 mbar painepinnan välillä 1012 tonneina.  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 vesien 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 %. Suhteellisen kosteuden yksikkö on %.

Vesihöyryn osapaine
Kaasun osapaineella tarkoitetaan kaasun painetta kaasuseoksessa, jonka kokonaispaine muodostuu sen kaikkien kaasujen paineiden summasta. Yksikkö on Pa.

Vesihöyryn diffuusio
Vesihöyryn diffuusio on lähinnä 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 lähinnä 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 tiivistymättä. Jäähdyttyään riittävästi tulistettu höyry muuttuu kylläiseksi. Tulistettua vesihöyryä käytetään esimerkiksi voimalaitosten höyryturbiineissa.

Kylläisen vesihöyryn paine 
   

Kylläisen vesihöyryn paine mmHg ja tiheys.

Kylläisen vesihöyryn paineen yhtälö välillä -50 ... +102 °C

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 

Termodynamiikka
Meteorologia
Kasvihuonekaasut
Vesi
Rakennustekniikka
Seulonnan keskeiset artikkelit