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.

Vesihöyryn tiivistyessä syntyy sumua tai pilviä.

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.^[1]

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/m³vuosikymmenessä sitten vuoden 1988.^[2]

Eräiden arvioiden mukaan vesihöyry aiheuttaa kirkkaana päivänä 60–70 % ja hiilidioksidi 20–25 % maan kasvihuoneilmiöstä.^[3]^[4]^[5]

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.^[6] $\ln$ 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.^[7] Maan vesistöjen pintalämpötila on korkeimmilaan 30,5 °C.^[8]

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.^lähde?

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)^[9]	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.^[10]

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^lähde?


$\log _{10}\left(p\right)=$	$-7{,}90298\left({\frac {373{,}16}{T}}-1\right)+5{,}02808\log _{10}{\frac {373{,}16}{T}}$
	$-1{,}3816\cdot 10^{-7}(10^{11{,}344(1-{\frac {T}{373{,}16}})}-1)$
	$+8{,}1328\cdot 10^{-3}(10^{-3{,}49149({\frac {373{,}16}{T}}-1)}-1)$
	$+\log _{10}\left(1013{,}246\right),$

missä T on ilman lämpötila kelvineinä ja p paine millibaariyksiköissä.

Lähteet

↑ The Environment School of Life Sciences, Napier University. Arkistoitu 19.1.2004. (englanniksi)
↑ Increased atmospheric moisture discovered ScienceDaily. 20. syyskuuta 2007. Arkistoitu 12.10.2007. Viitattu 18. lokakuuta 2007. (englanniksi)
↑ Water vapor Arkistoitu 7.7.2002. (englanniksi)
↑ Greenhouse – Green Planet Nova Online. (englanniksi)
↑ Schmidt, Gavin A.: Water vapor: feedback or forcing? 6. huhtikuuta 2005. RealClimate. Viitattu 13. heinäkuuta 2007. (englanniksi)
↑ Rákóczi†, Ferenz & Iványi, Zsuzsanna: Water vapour and greenhouse effect 14. kesäkuuta 1999. (pdf). (englanniksi)
↑ Kotliar, Gabriel: Venus: Earth’s “Hot” Future? (Power Point). (englanniksi)
↑ Powell, Kendall/Bluck, John: Tropical ‘runaway greenhouse’ provides insight to Venus 15. toukokuuta 2002. Nasa. Arkistoitu 17.8.2016. Viitattu 1.6.2007. (englanniksi)
↑ Tekniikan käsikirja 2, s. 229. Gummerus, 1967.
↑ Saturated Vapor Pressure, Density for Water hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/. (englanniksi)

Aiheesta muualla

Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Vesihöyry Wikimedia Commonsissa

Höyrynpaineen laskemiseen tarkoitettu ohjelma (englanniksi)
National Science Digital Library – Water Vapor (englanniksi)
Vesihöyryn mittaaminen (englanniksi)
psu.edu science misconceptions – Bad Clouds (englanniksi)
Calculate the condensation of your exhaled breath (englanniksi)
Water Vapor Myths: A Brief Tutorial (englanniksi)
AGU Water Vapor in the Climate System – 1995 (englanniksi)

Meteorologinen data ja muuttujat

[1] The Environment School of Life Sciences, Napier University. Arkistoitu 19.1.2004. (englanniksi)

[2] Increased atmospheric moisture discovered ScienceDaily. 20. syyskuuta 2007. Arkistoitu 12.10.2007. Viitattu 18. lokakuuta 2007. (englanniksi)

[3] Water vapor Arkistoitu 7.7.2002. (englanniksi)

[4] Greenhouse – Green Planet Nova Online. (englanniksi)

[5] Schmidt, Gavin A.: Water vapor: feedback or forcing? 6. huhtikuuta 2005. RealClimate. Viitattu 13. heinäkuuta 2007. (englanniksi)

[6] Rákóczi†, Ferenz & Iványi, Zsuzsanna: Water vapour and greenhouse effect 14. kesäkuuta 1999. (pdf). (englanniksi)

[7] Kotliar, Gabriel: Venus: Earth’s “Hot” Future? (Power Point). (englanniksi)

[8] Powell, Kendall/Bluck, John: Tropical ‘runaway greenhouse’ provides insight to Venus 15. toukokuuta 2002. Nasa. Arkistoitu 17.8.2016. Viitattu 1.6.2007. (englanniksi)

[9] Tekniikan käsikirja 2, s. 229. Gummerus, 1967.

[10] Saturated Vapor Pressure, Density for Water hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/. (englanniksi)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

Vesihöyry

Sisällys