Расчет точки росы и абсолютной влажности

Точка росы — это температура, к которой должен быть охлаждён пакет воздуха при постоянном давлении и содержании водяного пара, чтобы произошёл насыщение. Ниже этой температуры водяной пар конденсируется в жидкость — роса на траве, туман в долинах, капли на холодном стекле. В отличие от относительной влажности, точка росы — абсолютная мера содержания влаги в воздухе, поэтому метеорологи используют её для сравнения двух дней, которые чувствуются по-разному, несмотря на одинаковые показатели относительной влажности.

Относительная влажность — это отношение: фактическое паровое давление делится на насыщенное паровое давление при текущей температуре, выражается в процентах. Поскольку насыщенное паровое давление растёт резко с температурой, одинаковый воздух может изменяться от 80% влажности у рассвета до 40% к полудню без добавления или удаления одной молекулы воды. Точка росы изменяется только при добавлении или удалении влаги, поэтому она является более стабильным показателем того, как воздух действительно ощущается.

Температура влажного термометра — это температура, которую показывает термометр, если его стекло обернуто влажной тканью и вентилируется. Испарение охлаждает стекло до равновесия с окружающим воздухом. Температура влажного термометра — это наименьшая температура, которую можно достичь путём испарительного охлаждения, поэтому она является предельным значением для работы влажных охладителей, порогом выживаемости для человеческой термостойкости (~35 °C) и критическим входным параметром при проектировании охлаждающих колонн.

Формула Магнуса выражает насыщенное паровое давление как e_s = A·exp(B·T/(C+T)). Старые коэффициенты (Тетенс 1930, Август 1828) были настроены на узкие диапазоны температур. Альдучов и Эскридж опубликовали уточнённые коэффициенты в 1996 году (A=6,1094, B=17,625, C=243,04), которые сохраняют точность в пределах 0,4% от −40 °C до +50 °C — значительно превышающую метеорологические требования. Формула имеет замкнутую форму, монотонную и легко вычисляется, поэтому почти все современные метеостанции и системы отопления используют какую-то версию этой формулы.

Регрессия Ротфуса, используемая в индексе тепла Национальной метеорологической службы, была настроена на условия лета в США. Она предполагает здорового взрослого в тени, слабый ветер и температуру воздуха выше около 27 °C (80 °F). Ниже этого порога испарительное охлаждение доминирует, и регрессия возвращает статистически неправдоподобные значения, поэтому инструмент переходит к простой аппроксимации Стедмана и помечает результат как не применимый.

Абсолютная влажность — это масса водяного пара на единицу объёма воздуха. Начиная с закона идеального газа для водяного пара (p_v · V = n · R · T), подставляя молярную массу M_v = 18,016 г/моль и используя специфальную газовую постоянную Rv = 461,5 Дж/кг·К, рабочая формула становится AH = e / (Rv · T), где e — фактическое паровое давление в паскалях, а T — температура в кельвинах. Результат получается в кг/м³; умножьте на 1000 для г/м³.

Отношение смеси (w) — это масса водяного пара на массу сухого воздуха; специфическая влажность (q) — это масса водяного пара на массу влажного воздуха (пар + сухой воздух). Они связаны формулой q = w / (1 + w), и отличаются на менее чем 2% в обычных атмосферных условиях, но различие важно для высокоточных приложений: отношение смеси сохраняется при адиабатическом движении без конденсации, что делает его предпочтительным координатным параметром для термодинамических диаграмм, таких как Skew-T log-P.

Опросы по комфорту показывают резкое изменение около точки росы 16 °C (60 °F). Ниже 13 °C большинство людей описывают воздух как приятный; от 13 до 16 °C воздух становится влажным, но допустимым; выше 18 °C испарение пота становится неэффективным и физическая активность становится труднее; выше 21 °C воздух ощущается тяжёлым даже в покое; выше 24 °C риск теплового повреждения быстро растёт при физической активности. Инструмент использует эти пороги для назначения цветного рейтинга комфорта.