Hygrometer
En hygrometer (stammar från grekiskans hygros (våt) och metron (mått)) är ett instrument som mäter luftfuktigheten. Hygrometern är ett av standardinstrumenten i en väderstation, där luftfuktighet tillsammans med temperatur och lufttryck samlas in och används inom meteorologin för att göra väderprognoser. En hygrometer används även för att mäta luftfuktigheten i inomhusmiljöer för att kunna reglera den till behagliga nivåer. Hygrometern används även industriellt för att reglera luftfuktigheten i en del tekniska processer. Den viktiga delen i en luftfuktighetsmätare är givaren som på något vis reagerar på luftfuktigheten, givarens signaler omvandlas av instrumentet till relativ eller absolut fuktighet. Om man har ett elektroniskt instrument kan givaren vara en bit ifrån resten av instrumentet, givaren kan till exempel vara utomhus men resten av instrumentet inomhus. Principen för daggpunktsmätare är att på något vis uppnå luftens daggpunkt och då notera vid vilken temperatur detta sker. Givaren i den elektroniska daggpunktsmätaren består av en liten spegel med kylning och termometer, en ljuskälla (lysdiod) och en fotodetektor. Spegeln kyls tills fukten kondenseras på den. Ljuset från ljuskällan reflekteras i spegeln och intensiteten mäts med fotodetektorn. När kondensation sker på spegeln minskar den uppmätta ljusintensiteten och kylningen avbryts. Temperaturen stiger och kylningen kopplas åter in. Spegeln kommer på detta sätt att hållas vid en temperatur som nätt och jämnt bildar imma. Temperaturen på spegeln mäts och presenteras som daggpunktstemperatur. Den vanligast förekommande typen av elektroniska hygrometrar baseras på egenskapen hos vissa speciella material att ändra sin elektriska ledningsförmåga i takt med den omgivande luftens fuktighet. En mätkropp (en givarkropp) av materialet ansluts till en elektrisk mätkrets som känner av resistansen, eller kapacitansen, hos givarkroppen. En annan givare i samma hölje mäter samtidigt lufttemperaturen. Dessa två signaler samkörs i en beräkningskrets och man har fått ett instrument som alltefter önskan kan redovisa den aktuella fuktigheten i absolut fukt, relativ fukt eller daggpunkt. En psykrometer bygger på principen att energi åtgår vid avdunstning av vattenånga. Den består av två termometrar, en vanlig som mäter lufttemperaturen och en s.k. våt termometer med en fuktad tygbit som används för att mäta våttemperaturen och bestämma daggpunkten. Den våta termometern kommer att kylas då vattnet i den fuktade tygbiten avdunstar. Temperaturen når snart kylgränstemperaturen och förblir där så länge avdunstningen pågår. Temperaturskillnaden mellan termometrarna kan sedan användas för att bestämma luftfuktigheten. Hårhygrometern har en givare konstruerad enligt principen att ett hårstrå blir längre när luftfuktigheten ökar. Förlängningen eller sammandragningen överförs till en visare, och utslaget är proportionellt med relativfuktigheten. Den principen gör det möjligt att göra en helt mekanisk hygrometer. Givare av denna typ används i små mekaniska "hemmaväderstationer". Hårstrået som används i hårhygrometrar bör ha ett cirkulärt tvärsnitt. Provföremålet insättes i ett slutet utrymme, där det också finns en mättad saltlösning i destillerat vatten som avdunstar från ett öppet kärl. Nackdelar med metoden är att det dels tar lång tid, innan luftfuktigheten i det slutna utrymmet blivit stabil och det dessutom är något beroende av temperaturen. Några för kalibrering användbara salter listas i följande tabell.
Psykrometer
En psykrometer (från grekiskans ψυχρός, "psychros", kylig, kall) är en typ av hygrometer (luftfuktighetsmätare) som bygger på principen att värme åtgår vid avdunstning av vatten. En psykrometer består av två termometrar, en vanlig (torr) termometer, samt en våt termometer (engelska: Wet Bulb Thermometer) där termometers känselkropp är omlindad med en ständigt fuktad tygbit. På grund av den värme som åtgår vid avdunstning från den våta termometern kommer den att visa en temperatur, den så kallade våttemperaturen, som är lägre än hos den torra termometern. Temperaturskillnaden mellan termometrarna kan sedan användas för att bestämma luftfuktigheten. För att förbättra mätningen hålls ofta luften ventilerad runt termometrarna samtidigt som de skyddas för strålningsutbyte med omgivningen. På ytan av en volym med flytande vatten finns alltid molekyler som har tillräckligt hög energi för att avgå till omgivningen som gas, de avdunstar. Förlusten av dessa högenergimolekyler gör att genomsnittsenergin, temperaturen, för det flytande vattnet sjunker. Det kallas evaporativ kylning och den värme som åtgår kallas latent värme eller ångbildningsvärme. Å andra sidan tas alltid vattenmolekyler från luften som kondenserar på ytan. Vid kondensationen åtförs latent värme till vattnet. Tätheten av vattenmolekyler i luften (luftfuktigheten) anger i vilken grad kondensation sker på ytan och påverkar därför hur mycket kondensationen kan kompensera den latenta värme som avgår genom avdunstning. En mindre temperaturskillnad mellan en torr termometer och en våt termometer speglar alltså en högre luftfuktighet. En psykrometer består av två termometer, där den ena termometers känselkropp är insvept med ett fuktigt material. Oftast används bomull (vanligen muslin) eller linne som via en veke står i förbindelse med en vattenbehållare. Ju torrare luft, desto mindre vatten kondenserar på det fuktiga materialet, desto större blir skillnaden mellan den evaporativa kylningen och den återförda latenta värmen från kondensationen, desto lägre temperatur kommer den våta termometern att visa och desto större blir skillnaden mellan den torra och den våta termometern. Från temperaturskillnaden kan man med hjälp av en så kallad psykrometerformel (se nedan), särskilda diagram eller tabeller bestämma den relativa fuktigheten eller andra parametrar. De diagram som används är psykrometerdiagram eller Mollierdiagram. Det är två diagram som ser olika ut men med vars hjälp man kan beräkna samma sak. Psykrometerprincipen är den mest tillförlitliga vid bestämning av luftfuktighet och används därför när exakta mätningar eftersträvas. Felkällorna för psykrometern är väldokumenterade och inkluderar. Däremot påverkas inte slutresultatet nämnvärt av absoluta fel hos termometrarna eftersom det är temperaturdifferensen som mäts. Psykrometer är olämplig mätinstrument i mindre slutna utrymmen eftersom avdunstningen av vatten från den våta termometern kan avsevärt påverka luftfuktigheten i utrymmet. Från ångtrycket kan andra luftfuktighetsparametrar bestämmas. Exempelvis bestäms den relativa fuktigheten av. Den enklaste typen av psykrometer är oventilerad och endast utsatt för naturlig ventilation. En sådan kräver att man väntar i minst 15 minuter efter att vatten fyllts på innan man får en korrekt avläsning. En ventilerad psykrometer kallas aspirationspsykrometer. Den har en fläkt som ser till att ny luft ständigt tillförs. Fläkten kan drivas av en fjäder eller en motor. Termen aspirationspsykrometer kommer från latinets aspiro som betyder "andas ut" eller "blåsa". En Assmann-psykrometer är en sorts aspirationspsykrometer som konstruerades 1892 av den tyske meteorologen Richard Assmann (1845-1918). I Assmanns konstruktion är termometrarna monterade i två blankpolerade rör som skyddar mot yttre värmestrålning. Vekens material och kondition. Det finns särskilda våttermometervekar som bör användas. Veken bör tvättas regelbundet.
Meteorologi
1780 konstruerade Horace de Saussure med hjälp av ett hårstrå en hygrometer för mätning av luftfuktighet. Mellan 1802 och 1803 skrev Luke Howard Om molnens förändring, i vilken han ger de olika molntyperna latinska namn. 1806 införde Francis Beaufort sitt system för klassificering av vindhastigheter. 1918 grundades en ny väderlekstjänst i norska Bergen. Denna prognosverksamhet kom att bli stilbildande och man gjorde stora framsteg för att utveckla den moderna meteorologin. Den modell som arbetades fram har kommit att kallas Bergenskolan. 1926 utvandrade Carl-Gustaf Rossby till USA, där han kom att göra betydande insatser för att utveckla meteorologin och atmosfärfysiken. 1940 grundade Rossby, tillsammans med amerikanska forskare The Institute of Meteorology at the University of Chicago (från 1943 The Department of Meteorology 1943), den så kallade Chicagoskolan. De första framgångsrika numeriska väderberäkningarna utfördes i USA 1950 med hjälp av datorn ENIAC . 1954 samlade Carl-Gustaf Rossby ett antal meteorologiska forskare i Stockholm och började utföra regelbundna operativa numeriska väderprognoser för praktiskt bruk. För beräkningsarbetet användes den första svenska elektroniska datorn BESK . Alla dessa försök baserades – med tanke på Richardsons misslyckanden – på förenklade matematiska modeller. Först 1958 lyckades den tyske meteorologen Karl-Heinz Hinkelmann genomföra en fungerande väderprognosberäkning baserad på Bjerknes och Richardsons modell . Hinkelmann hade redan 1951 i sin vetenskapliga artikel The mechanism of meteorological noise föreslagit att de i denna modell ingående ekvationerna var den bästa utgångspunkten för väderberäkningar, och föreslog samtidigt metoder för att undvika de problem som hade lett Richardsons beräkningsförsök till orimliga resultat. Den första lyckade uppskjutningen av en vädersatellit, TIROS-1, 1960 markerar början för tiden då väderinformation finns tillgänglig globalt. Vädersatelliter tillsammans med andra typer av satelliter som kretsar runt jorden på olika höjd har blivit ett värdefullt redskap för att studera allt från skogsbränder till El Niño. Meteorologin eller delar av den kan ses som en del av geofysik eller geokemi. Dynamisk meteorologi studerar atmosfärens strömningsmekanik och kan ses som en del av fluidmekanik. Inom dynamisk meteorologi utgör ett luftpaket atmosfärens minsta element och man ignorerar de molekylära och kemiska aspekterna av atmosfären. Gränsskiktsmeteorologi studerar atmosfären närmast markytan medan man inom aerologin studerar den fria atmosfären. Inom klimatologi studerar man klimat, det vill säga vädrets statistiska egenskaper över längre tid. Hydrologi och oceanografi är två andra stora angränsande vetenskaper till meteorologin. Trots att meteorologer nu förlitar sig nästan enbart på datormodeller, är det fortfarande ganska vanligt att använda tekniker som utvecklades innan datorerna var kraftfulla nog att göra förutsägelser med acceptabel noggrannhet. Många av dessa metoder används för att avgöra kvaliteten på en prognos, det vill säga hur mycket bättre datormodellen är än en annan äldre metod. Enkelt uttryckt: "Det blir samma väder imorgon som idag". Denna metod fungerar bra i korta tidsperioder i områden med stabilt väder. Man utgår ifrån att luften rör sig liknande i framtiden som den tidigare har gjort. Fungerar bäst över korta tidsperioder och om man tar hänsyn till förändringar i tryck och nederbörd. Den metod som används av professionella prognosmakare. Man utgår ifrån de ekvationer som beskriver väderförändringarna. Sen delar man in sitt område av atmosfären i celler och tar initialvärden från varje cell. Ju mindre cell man har desto noggrannare resultat uppnår man, men också längre beräkningstid. Den fungerar bäst när den kombineras med någon av metoderna nedan. Det finns många olika vädermodeller som fungerar olika bra i olika fall.
Luftfuktighet
Luftfuktighet (humid) är ett mått på mängden eller andelen vattenånga som finns i luften. Luftfuktigheten kan anges antingen som absolut luftfuktighet, då den faktiska mängden vattenånga i g/m³ anges, eller som relativ luftfuktighet, då man anger andelen vattenånga i procent av den maximalt möjliga mängden vattenånga vid aktuell temperatur, den så kallade mättnadsånghalten. Alla mätningar av luftfuktigheten utgår ifrån att det finns en övre gräns för luftfuktigheten, som beror på temperatur och tryck. Om man då antingen tillsätter mer vattenånga (fukt) eller sänker gasens temperatur, kommer mängden vattenånga till sist att överstiga detta maximum och den överskjutande delen fälls ut som vattendroppar = kondens. Ett instrument för att mäta luftfuktigheten kallas hygrometer. Mätvärdet kan uttryckas på två sätt: Absolut luftfuktighet och relativ luftfuktighet. Daggpunktsmätare kan också utnyttjas för bestämning av luftfuktigheten. Luftens relativa fuktighet (Φ) är kvoten mellan vattenångans partialtryck (pw) och vattenångans partialtryck vid mättat tillstånd (ps, indexet s kommer från engelskans saturate) i atmosfären, det vill säga vattnets ångtryck vid aktuell temperatur. Vid en relativ luftfuktighet på 100 % behöver det inte regna, men det är åtminstone dimma eller dagg. Däremot gäller inte det omvända. Är det dimma, dagg eller regn, så behöver inte luftfuktigheten vara 100 %. Den relativa luftfuktigheten påverkar även vid vilken temperatur snön smälter. Vid låg relativ luftfuktighet kan snö förekomma trots att det är flera plusgrader. Den relativa luftfuktigheten kan variera väldigt mycket, både över dygnet och mellan olika delar av "luftprofilen", vilket påverkar mikroklimatet. Inomhusluft brukar kännas torr för människan när luftfuktigheten understiger 30%. Ofta är luftens totaltryck ungefär 0,1 MPa (megapascal) = 1000 hPa (hektopascal) = 1000 mb (millibar), eller nära 750 mmHg. Luftens specifika fuktighet (x) är kvoten mellan massan vattenånga och massan våt luft. Uttrycket får enheten kg(vatten)/kg(våt luft). Observera att i den "våta luftmassan" ingår 1 kg torr luft + x kg vattenånga. Man kan även skriva enheten x kg(vatten)/(1 kg(luft)+ x kg(vatten)) eller kortare x/(1+x). Inom delar av kemin kallas den specifika luftfuktigheten ibland för absolut luftfuktighet, vilket är olyckligt eftersom andra discipliner ibland använder absolut luftfuktighet som beteckning på ånghalt, i likhet med engelskans absolute humidity. De rekommenderade beteckningarna specifik luftfuktighet respektive ånghalt undviker missförstånd. För de engelska definitionerna på "specific humidity" och "absolute humidity", se en:Specific_humidity#Specific humidity. Ånghalt är mängden kilogram vatten per kubikmeter men uttrycks i praktiken oftast i gram per kubikmeter. Här ovan anges gasens tillstånd på flera sätt - med trycket, volymen eller temperaturen. Sambanden mellan dessa storheter beskrivs av Allmänna gaslagen. När luft av viss temperatur och relativ fuktighet kyls kommer den relativa fuktigheten att öka. Om man har en yta som är kall kommer vattenånga vid en viss temperatur att kondenseras på ytan. Temperaturen då ytkondens bildas kallas för luftens daggpunkt, ty vid denna temperatur fälls dagg ut på obeväxta ytor. Kondens är även orsaken till att det bildas dimma och moln. Däremot beror "dagg i gräset" ofta på helt andra saker (se guttation). Fukt kondenserar också in i material vid en relativ luftfuktighet under daggpunkten, om materialet har en fuktkvot som är lägre än jämviktsfuktkvoten. Det kallas då kapillärkondensation och är en relativt långsam process i jämförelse med ytkondensation. Absolut luftfuktighet är vattnets massa per volymenhet (gram vatten per kubikmeter) eller per massenhet luft (gram vatten per kilogram luft). Relativ luftfuktighet är den aktuella fuktmängden uttryckt i procent av vattnets mättnadstryck vid den aktuella temperaturen.
