1. Notions de base :
Outre la température, l’humidité, c’est-à-dire la teneur en vapeur d’eau de l’air, est une grandeur météorologique importante. Cela devient compréhensible quand on considère que l’eau sous ses diverses formes est impliquée dans un grand nombre de phénomènes météorologiques. Cela s’applique non seulement aux nuages, au brouillard et aux nombreux types de précipitations, dont la formation ainsi que l’évaporation impliquent également l’utilisation d’énormes quantités d’énergie, mais aussi à l’émission et à l’absorption de rayonnement à ondes longues, pour lesquelles la teneur en vapeur d’eau de l’air est essentielle.
2. Mesures d'humidité
En fonction de la diversité des problèmes dans lesquels l'humidité joue un rôle, il existe un certain nombre de mesures d'humidité.
un) Le Pression de vapeur d'eau e L est la pression partielle de vapeur d'eau dans l'air. Elle est spécifiée en Pa (Pascal) selon les normes. En météorologie, notamment dans la littérature, l'unité de pression mbar (millibar) est utilisée, mais elle n'est plus utilisée depuis 1978. Le millibar est divisé par l'hectoPascal ( 1 mbar = 100 Pa = 1 hPa) remplacé. Les anciennes unités de pression mm Hg ou Torr ne sont plus autorisées (1 Torr = 1,3332 mbar = 133,32 Pa).
Dans des conditions normales, la pression de vapeur e L la pression de vapeur saturante E ne pas dépasser, puisque eL = E De la condensation se produit. E est une fonction pure de la température et en particulier ne dépend pas de la pression atmosphérique. L'équation physique de base qui décrit la dépendance de la pression de vapeur saturante à la température est l'équation de Claudius-Clapeyron connue de la thermodynamique.
[1] dE / dT = (r/(ΔV • T))
C'est ΔV le changement de volume spécifique lors de la transition de phase de l'eau à la vapeur d'eau (ou de la glace à la vapeur d'eau) et r la chaleur spécifique de transition de phase correspondante (en J/kg). En négligeant le volume de la phase liquide/solide par rapport à celui de la phase gazeuse, on peut utiliser l'équation du gaz idéal pour la vapeur d'eau pour V = 1/pw et obtient
[2] dE / dT = Er ( R w • T2 (2)
où R w la constante des gaz pour la vapeur d'eau est ( 461,4 J kg -1 K -1 ).
Si r était constant, cette équation pourrait être facilement intégrée, mais ce n’est pas le cas. Comme on peut l’illustrer facilement par un cycle de Carnot le long de la courbe limite de phase eau/vapeur d’eau (ou glace/vapeur d’eau),
[3] r(T) = r (T 0 ) - (c w - c pW ) (T - T 0 ).
T 0 est une température de référence (en principe arbitraire), et c w (c pw ) est la capacité thermique spécifique de l'eau liquide (vapeur d'eau). À cause de c w > c pw r diminue avec l'augmentation de la température.
En insérant (3) dans (2), nous obtenons
dE / dT = Er ( R w • T 2 •r(T 0 )-(c w -C pW ) (T - T 0 ) (4)
En supposant des capacités thermiques massiques constantes, cette équation peut également être intégrée
ln(E / E 0 ) =(r (T 0 )+T 0 (c w - c pw) )/R w [(1/T 0 ) - (1/T)] -[(c w -c pw )/R w ]ln(T/T 0 )
ou E = E 0 [T 0 /T]((c w -c pw )/R w ) • exp[( r (T 0 )+T 0 (c w - c pw ))/R w ) • [(1/T 0 ) - (1/T)] ]
Si vous définissez
|
T0 = |
273,15 K, |
|
R w = |
461,4 J kg -1 K -1 , |
|
c w = |
4186,8 J kg -1 K -1 , |
|
c pw = |
1850 J kg -1 K- 1 et |
|
r(T 0 )= |
2 501•10 6 J kg -1 |
on obtient
E = 6,1078 hPa[273,15/T] 5,072 • exp [6804,75[3,661•10 -3 - (1/T)]]
Malheureusement, cw et cpw dépendent également quelque peu de la température, de sorte que la formule (6) devient inexacte à des températures plus élevées. Dans la pratique, on utilise donc généralement des formules empiriques (appelées formules Magnus) dérivées de mesures précises en laboratoire. Voici les formules de Magnus pour la pression de vapeur saturante sur Eau (plage de validité 0 °C -100 °C), au-dessus de eau surfondue (plage de validité -50 °C - 0 °C) et à propos EiS (plage de validité -50 °C - 0 °C ).
|
[( 22.4429 •
e] / (27244 + e)] |
Dans ces équations numériques, E en hPa, si l'on θ(°C ) est utilisé. Ils font référence à la pression de vapeur qui est en équilibre avec une surface plane d'eau pure (glace). Au-dessus de la glace, la pression de vapeur saturante, à l'exception de la valeur à 7,4 •10 -3 °C (point triple), plus bas que sur une surface d'eau (surfondue) à la même température. Un indice pour E(θ) devrait fournir le tableau suivant :
|
θ(ªC) |
:-30 |
-20 |
-10 |
0 |
10 |
20 |
30 |
°C |
|
E w : |
0,51 |
1,25 |
2,86 |
6.11 |
12.29 |
23.42 |
42,49 |
hPa |
|
E E : |
0,38 |
1.03 |
2,60 |
6.11 |
|
|
|
hPa |
b) Le Point de rosée θ d est la température dont la pression de vapeur saturante au-dessus de l'eau E w (θ d ) juste égale à la pression de vapeur réelle e L (θ L ) est. Lorsqu'on parle de glace, on parle de point de gel.
Ainsi, ce qui suit s’applique : E w (θ d ) = e L (θ L ).
c) Le humidité absolue un est la densité de la vapeur d'eau, c'est-à-dire la masse de vapeur d'eau par unité de volume. L'unité correcte pour l'humidité absolue est kg-m -3 . Pour rendre pratique
Pour obtenir des valeurs numériques, a est généralement donné en gm -3 à. De l'équation du gaz a = ρ w = eL /R W • T vous pouvez utiliser la formule
a = 0,795 • e L / [l + (θ/273)] (10)
dériver. Cela donne un en gm -3 (ou éventuellement -) si l'on e L en hPa et θ(°C) utilisations.
d) Le humidité spécifique s est le rapport entre la masse de vapeur d'eau et la masse totale d'air humide du même volume. Ceci est équivalent au rapport des valeurs correspondantes
les densités, donc s = ρ w /(p L + p w ). En utilisant l'équation du gaz et R G / R w = 0,623 suit
s = (0,623 • e L ) / (p - 0,377 • e L ),
où p et e L peut être spécifié dans n'importe quelle (même) unité, s est un nombre pur ; mais il est généralement mesuré en g-kg -1 = 10 -3 spécifié. À cause de e L « p on peut utiliser l'Eq. (11) en très bonne approximation dans
5 = 623 • (e L /p) g/kg
transformer.
e) Le Rapport de mélange m est le rapport entre la masse de vapeur d'eau et la masse d'air sans vapeur d'eau du même volume. De cette définition découle
m = .(623 • e L ) / (p - e L)
En ce qui concerne les unités, ce qui a été dit précédemment sous s'applique. Environ, m = s , de sorte que la formule approximative (12) peut être utilisée.
Que deux tailles aussi similaires que s et m utilisées simultanément est dû au fait que certaines lois sont plus faciles à s , certains plus faciles avec m fais-le écrire. Pour des raisons pratiques, s et m même. Les deux sont des variables d’humidité météorologiques typiques. En tant que rapports de masses dans le même volume, leur valeur ne change pas avec les changements de pression et de température de l'air humide. Contrairement aux autres variables d'humidité, elles ne changent pas, en particulier lors des déplacements verticaux d'une parcelle d'air, et sont donc invariantes dans de nombreux processus météorologiques importants (par exemple, l'ascension adiabatique).
f) Le Déficit de saturation E L - et L . également appelé faim de vapeur, il est parfois utilisé à son avantage dans les considérations liées à l'évaporation. Mais ce n’est pas non plus une mesure de la
Teneur en vapeur d'eau de l'air telle que
G) le humidité relative f. Cela donne le rapport entre la pression de vapeur d'eau actuelle e L à la pression de vapeur saturante E L au-dessus de l'eau (!) à la température de l'air t L à.
f = (e L / E L ) = 100 • (e L / E L )
f est généralement donné en %. Son utilisation fréquente est probablement due notamment à sa facilité de mesure. Parfois, vous avez également besoin de
h) déficit de satiété relative E L / e L
(E L / e L )/E L = 1 - f(15)
c'est-à-dire l'ajout de f à 1
je) Enfin, il convient de mentionner ici deux quantités qui peuvent être considérées comme des quantités d'humidité, même si elles ne sont pas des indications directes de la teneur en humidité : Température du bulbe humide t` et le Température équivalente r fla.
Outre la température, l’humidité, c’est-à-dire la teneur en vapeur d’eau de l’air, est une grandeur météorologique importante. Cela est compréhensible si l’on considère que dans un grand nombre de situations météorologiques,
3. Méthode de mesure de l'humidité
Le grand nombre de grandeurs de mesure de l'humidité correspond à un nombre à peine plus petit de méthodes de mesure de l'humidité, dont certaines permettent la mesure directe de l'une ou l'autre des grandeurs mentionnées ci-dessus.
un) Malheureusement, il n’existe pas de méthode simple et efficace pour déterminer directement la pression de vapeur. et L . Le Bouteille de Rüdorff , dans lequel l'air à examiner est introduit dans une bouteille et la vapeur d'eau est éliminée en ajoutant un dessiccant, de sorte que la chute de pression est égale à et devrait être, fournit des valeurs inadéquates en raison des changements de pression et de température pendant la mesure et a donc davantage un caractère d'objet de démonstration. De même, les expériences avec des films perméables à la vapeur d’eau mais imperméables à l’air (cellophane) n’ont pas encore donné de résultats satisfaisants. Avec une certaine justification, les méthodes mentionnées sous b), e) et f), dans lesquelles la pression de vapeur du capteur est égale à celle de l'air à l'équilibre, pourraient être incluses dans cette catégorie.
b) Si une surface non hygroscopique est lentement refroidie de plus en plus en dessous de la température de l'air, puis finalement après avoir atteint le point de rosée t d Une buée avec condensation peut se produire, qui disparaît avec le réchauffement. On pourrait s'attendre à ce que la température au début de la formation de buée et la température à la disparition de la buée soient égales à la température du point de rosée. t d sont. En réalité, le premier se trouve en dessous, le second au-dessus. t d . Dans la plupart des cas, il suffit de prendre la moyenne des deux lectures comme Δd prendre du poids. Le principe de mesure simple a conduit à la construction de nombreux types de Hygromètres à condensation (miroirs à point de rosée) Cependant, la précision des mesures n’était souvent pas à la hauteur des attentes. Cela est dû, entre autres, aux difficultés de production de la surface non hygroscopique nécessaire. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec des surfaces métalliques polies (en particulier l'or). En dessous de 0 °C, où la méthode du point de rosée serait particulièrement intéressante en raison des erreurs croissantes des autres méthodes de mesure de l'humidité, la décision de savoir si la condensation est de la rosée (surfondue) ou du givre est parfois difficile. Enfin, le fait que l'air qui passe ne soit en aucun cas homogène en termes d'humidité, car des parties d'air plus humides et plus sèches alternent, entraîne des inexactitudes.
Cependant, la technologie de mesure moderne a trouvé des moyens de réduire ces erreurs en utilisant des éléments de mesure minces en forme de plaque pour réduire considérablement l'inertie, en permettant au refroidissement et au chauffage (partiellement inductif, chauffage par courants de Foucault) de se succéder rapidement et automatiquement, en détectant la formation de buée de manière photoélectrique et en assurant un échange d'air rapide. Plusieurs entreprises ont développé des appareils entièrement automatiques utilisant l'électronique moderne, mais ceux-ci ne peuvent pas être utilisés de manière générale, notamment en raison des coûts.
c) Avec hydromètres d'absorption la mesure directe de l'humidité absolue un réalisé. À cet effet, l'air à examiner est passé à travers des récipients (tubes en U, cylindres) contenant des substances hautement hygroscopiques (H 2 SO 4 sur la pierre ponce, CaP 2 O 5 CI 2 , ), qui absorbent la vapeur d'eau ; L'augmentation du poids des tubes de mesure et du volume d'air qui les traverse entraîne directement a. Bien que la méthode soit très précise si l'on prend suffisamment de précautions, elle demande beaucoup de travail, de sorte qu'elle est limitée aux expériences en laboratoire et n'est pas utilisée dans les applications pratiques.
d) La pression de vapeur saturante E L sur l'eau pure est - comme déjà mentionné ci-dessus - donnée par l'équation. (7) ou le tableau suivant est donné et une fonction de température pure. Si l'eau est contenue dans d'autres substances ou si celles-ci sont dissoutes dans l'eau, la pression de vapeur résultante eL est donnée par
e L = f•E L (16)
étant donné, où f < 1 est généralement un facteur pratiquement indépendant de la température et qui dépend uniquement de la teneur en eau de la substance. En équilibre de pression de vapeur avec l'air ambiant, le f La teneur en eau de la substance du capteur est une mesure de l'humidité relative, qui est définie selon l'équation. (14) est identique à (16). Bien entendu, l'élément de mesure doit avoir la température de l'air. Si vous mesurez la teneur en eau de ces substances, ce qui peut bien sûr également être fait indirectement via d'autres propriétés dépendant de la teneur en eau, vous obtenez d'abord l'humidité relative f et de cela et de la température de l'air la pression de vapeur et L . Toute une série de méthodes de mesure de l’humidité repose sur cette possibilité.
La méthode évidente de mesure de la teneur en eau par pesée a été utilisée à plusieurs reprises dans des études individuelles, tout comme l'observation des changements de volume dans une série de solutions convenablement sélectionnées avec différentes teneurs en eau. Un rôle bien plus important est cependant joué par la teneur en eau (et donc par f ) gonflement dépendant. Malgré des recherches approfondies, notamment sur de nouveaux types de plastiques, le premier élément de mesure de l'humidité, à savoir le cheveux humains dégraissés (Saussure 1783) , n'ont pas encore été déplacées. Cela change sa longueur d'environ 2,5 % entre 0 et 100 % d'humidité relative, d'où la relation entre le changement relatif de longueur X et l'humidité relative f Cependant, ce n’est pas linéaire.
|
f: |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
% |
|
X |
0 |
21 |
39 |
53 |
64 |
73 |
79 |
85 |
90 |
95 |
100 |
% |
Cette relation s’applique aux cheveux traités avec la méthode habituelle, qui dégraisse le tissu sans l’abîmer. Les méthodes de traitement les plus récentes produisent des caractéristiques différentes, parfois plus linéaires.
En raison de l'augmentation mécanique de la longueur des cheveux, on peut observer une éruption cutanée à un pourcentage relatif approximativement égal. L'échelle divisée en humidité peut être rendue facile à lire. L’un des types d’hygromètre à cheveux les plus courants est l’hygromètre Koppe. Dans son cas, les cheveux sont librement serrés dans un cadre. Une extrémité est enroulée autour d’un rouleau qui déplace le pointeur. L'autre extrémité est réglable en permanence afin que l'affichage puisse être ajusté pour correspondre à l'humidité réelle à un point de l'échelle. Le point de saturation sert de point d'étalonnage. L'air autour des cheveux peut être saturé en insérant un cadre recouvert de gaze humide dans l'appareil et en le fermant. Ensuite, la saturation sera bientôt atteinte et le pointeur pourra être déplacé à 100%
Il faut souligner ce point. Pour des tests plus approfondis, vous pouvez ensuite retirer l'emballage et la gaze et comparer la lecture à des niveaux d'humidité moyens (pièce) avec un autre humidimètre. Il peut être nécessaire de préparer un tableau de correction.
À côté de la Hygromètre Koppe Bien entendu, d’autres types sont également utilisés. Pour les mesures dans de petites pièces, l'hygromètre à cheveux Diem est souvent très utile. Les hygromètres à aiguille en forme de boîte, qui indiquent également la température (polymètres), permettent entre autres de lire l'humidité absolue sur un diagramme au point d'intersection des deux aiguilles. L'humidité relative étant une indication de la teneur en eau de produits tels que le bois, les céréales, le tabac, etc., des hygromètres à broches ont été construits à cet effet.
Malheureusement, les cheveux présentent quelques défauts. Sa lecture peut être visualisée avec une précision de 2 à 3 % d'humidité relative, à condition qu'elle soit continuellement comparée à un psychromètre. Si on le laisse reposer longtemps à l'air sec, il montrera des signes de vieillissement, ce qui peut entraîner des erreurs allant jusqu'à 10 %. Les défauts disparaissent en grande partie si les cheveux sont brièvement exposés à de l'air saturé ou presque saturé et ainsi « régénérés ». Lors de mesures à l’extérieur, il est probable que ce soit le cas presque toutes les nuits. Les tensions mineures peuvent être inversées par « régénération », mais les tensions plus graves rendent les cheveux inutilisables. Seuls les cheveux propres fonctionnent correctement, vous ne devez donc pas les toucher avec vos doigts. Malgré le petit diamètre (50 µm), une inertie plus faible est parfois souhaitable, notamment à basse température (par exemple radiosonde). Frankenberger y est parvenu en enroulant les cheveux (cheveux Velox). Cependant, de telles interventions fortes, qui sont également possibles avec des moyens chimiques, modifient les caractéristiques et réduisent la résistance.
Mais les cheveux ont aussi des avantages. Le fait que l’humidité relative soit pratiquement indépendante de la température a déjà été mentionné ci-dessus. Son plus grand avantage, cependant, est que sa lecture peut être enregistrée à l'aide de moyens simples, un mérite qui a donné à l'hygromètre à cheveux - et donc, peut-être pas entièrement à juste titre, à l'humidité relative - une position difficile à contester, malgré tous ses défauts. Comme la force de réglage d'un seul cheveu n'est pas suffisante pour vaincre le frottement d'un instrument d'écriture, plusieurs cheveux sont utilisés en faisceaux ou en harpes. Il convient également de mentionner que le changement de longueur peut être transmis à des dispositifs d'affichage et d'enregistrement situés loin du lieu de mesure en utilisant des méthodes électriques appropriées (par exemple des capteurs de résistance).
Comme déjà mentionné ci-dessus, outre la modification de la longueur des substances gonflantes, d'autres propriétés dépendant de la teneur en eau peuvent également servir de variable de mesure principale. Par exemple, les changements de couleur des sels de cobalt, déjà courants dans les hygroscopes simples, ont été utilisés, tout comme la dépendance du comportement diélectrique à la teneur en eau.
e) Le conductivité électrique devient de plus en plus important pour la mesure de l’humidité. Dans le cas de solutions de sels ou similaires, cela dépend fortement de la concentration, c'est-à-dire de la teneur en eau. Étant donné que la dépendance intrinsèquement perturbatrice à la température est bien connue, elle peut être éliminée mathématiquement ou, dans des méthodes plus récentes, même par des circuits appropriés. Par exemple, une bande de verre avec deux électrodes est utilisée comme élément de mesure de l'humidité de la radiosonde américaine. Entre les électrodes se trouve une fine couche de plastique dans laquelle du LiCI est incorporé sous forme de substance hygroscopique. Comme pour les cheveux, à l’équilibre, la pression de vapeur de la substance contenant de l’eau est égale à celle de l’air. La mesure directe en tant que grandeur électrique constitue un avantage notable, notamment pour la radiosonde. Bien entendu, d’autres matériaux appropriés peuvent être utilisés en plus du LiCI.
f) Une autre procédure est extérieurement similaire, dans laquelle généralement LiCI avec une substance porteuse est utilisé. Cependant, un courant de chauffage est envoyé à travers le film hygroscopique via les électrodes, de sorte que l'élément de mesure chauffe et que l'eau s'évapore jusqu'à atteindre une solution concentrée de LiCI, dans laquelle des cristaux se déposent. À l'équilibre, la pression de vapeur de la solution concentrée de LiCI est égale à celle de l'air. À partir de la température de l'élément de mesure, la pression de vapeur e peut être déterminée selon une relation empirique ou par étalonnage. Étant donné que la ventilation (équation du bilan thermique !) influence la courbe d'étalonnage, celle-ci doit être constante, ce qui est généralement recherché par des dispositifs de protection contre le vent.
G) Aussi le Changement de capacité d'un condensateur en changeant le diélectrique en présence de molécules d'eau peut être utilisé pour mesurer l'humidité. Cela se fait avec le « Hygrotest » qui sera utilisé dans l'expérience. Le diélectrique dans le condensateur de ce capteur d'humidité est un
Mélange de plastiques à haute teneur en polymères qui absorbent les molécules d'eau en fonction de la pression partielle de vapeur d'eau. Ceux-ci s'alignent dans le champ du condensateur en raison de leur propre moment dipolaire (polarisation d'orientation) et provoquent ainsi un changement de capacité, qui est converti en interne et affiché numériquement sous forme d'humidité relative.
h) Dans toutes les méthodes de mesure de l'humidité décrites jusqu'à présent, l'appareil de mesure de l'humidité le plus courant convertit la vapeur d'eau en eau liquide ou vice versa au niveau de l'élément de mesure. En raison de la très faible teneur en eau de l'air à basse température, cela entraîne des temps de réponse très longs. C’est principalement la raison pour laquelle le service de radiosondage de routine n’est actuellement pas en mesure d’obtenir des valeurs d’humidité fiables à des altitudes supérieures à 7 km. Il est donc compréhensible que l’on cherche des méthodes pour mesurer la teneur en eau de l’air sans la convertir en d’autres états. Le développement de méthodes visant à mesurer la teneur en vapeur d’eau en utilisant l’absorption sélective dans des plages spectrales appropriées a déjà produit un succès considérable. Ceci s'applique non seulement à la détermination de l'eau totale (équivalent en eau) contenue dans une colonne d'air au moyen de l'absorption du rayonnement à ondes courtes dans le proche infrarouge (< 1 µm), mais également aux mesures dans la gamme du rayonnement à ondes longues (10 µm) et, plus récemment, dans la gamme des ondes cm .
je) En plus des méthodes de mesure de l'humidité décrites jusqu'à présent, psychromètre représentent un groupe distinct et répandu d'instruments de mesure pour la détermination exacte des paramètres d'humidité. Les psychromètres sont constitués de deux thermomètres identiques, dont le récipient à mercure de l'un est recouvert d'un bas de gaze constamment humidifié. Le thermomètre « humide » perd de la chaleur par évaporation et affiche par conséquent une température plus basse que le thermomètre « sec ». La différence de température entre les deux thermomètres est une mesure de l'humidité relative. La précision du psychromètre dépend de la méthode de mesure sous-jacente. On distingue les psychromètres d'août à ventilation naturelle et les psychromètres de cabane à ventilation artificielle. Le psychromètre à aspiration Assmann est considéré comme un appareil de référence pour tester les appareils de mesure de température et d'humidité.