Su buharı gaz halindeki sudur. Meteorologlar havadaki su buharı miktarını ifade etmek için birkaç farklı terim tanımladılar. Bazıları havadaki su buharının gerçek miktarına veya konsantrasyonuna bağlar ve bazıları gerçek miktarı havayı doyuracak miktarla ilişkilendirir. Hava, yoğuşma yaratmadan mümkün olan maksimum miktarda su buharı içerdiğinde doymuş olduğu söylenir. Bu noktada, su moleküllerinin buharlaşma yoluyla havaya girme hızı, yoğuşma yoluyla ayrılma hızını tam olarak dengeler.
Özgül nem, bir numunedeki su buharı kütlesinin, hem kuru hava hem de su buharı olmak üzere nemli havanın toplam kütlesine oranıdır. Karışım oranı, su buharının kütlesinin numunedeki sadece kuru havanın kütlesine oranıdır. Kütle oranları olarak, hem özgül nem hem de karışım oranı boyutsuz sayılardır.
Bununla birlikte, atmosferik su buharı konsantrasyonları, hava miktarının en fazla yüzde birkaçı (ve genellikle çok daha düşük) olma eğiliminde olduğundan, her ikisi de genellikle kilogram (nemli veya kuru) hava başına gram su buharı birimleri olarak ifade edilir.
Mutlak nem, su buharı kütlesinin ilgili nemli hava hacmine bölünmesiyle tanımlanan ve genellikle metreküp başına gram olarak ifade edilen su buharı yoğunluğu ile aynıdır.
Belirli bir nemli hava örneğinin su buharına atfedilebilen kısmi basıncına buhar basıncıdor. Havayı doyurmak için gerekli buhar basıncı, doymuş buhar basıncıdır. Değeri sadece havanın sıcaklığına bağlıdır. ( Clausius-Clapeyron denklemi, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak saf suyun düz bir yüzeyi üzerindeki doyma buhar basıncını verir.) Doyma buhar basıncı sıcaklıkla hızla artar: 32°C değerindeki değer, o sıcaklıktaki değerin yaklaşık iki katıdır. 21°C Bulut damlası gibi kavisli bir yüzey üzerindeki doygun buhar basıncı, düz bir yüzey üzerindekinden daha büyüktür ve saf su üzerindeki doymuş buhar basıncı, çözünen bir çözünen ile su üzerindeki doymuş buhar basıncından daha büyüktür.
Bağıl nem, gerçek buhar basıncının, hava sıcaklığındaki doymuş buhar basıncına oranıdır ve yüzde olarak ifade edilir. Doyma buhar basıncının sıcaklığa bağımlılığı nedeniyle, belirli bir bağıl nem değeri için, ılık hava, soğuk havadan daha fazla su buharına sahiptir. Çiğ noktası sıcaklığı, sabit basınçta ve su buharı içeriğinde, doyma (veya yoğuşma) oluşana kadar soğutulmuş olsaydı havanın sahip olacağı sıcaklıktır. Gerçek sıcaklık ile çiy noktası arasındaki fark, çiy noktası çökmesidir.
Yaş termometre sıcaklığı bir hava parselinin, parsele su buharlaştırarak sabit basınçta doyma noktasına kadar soğutulması durumunda sahip olacağı sıcaklıktır. (Terim psikrometrenin, biri ampulün üzerinde ıslatılmış bir pamuk parçası olan bir çift termometrenin havalandırıldığı, nemi ölçmek için yaygın olarak kullanılan bir alet termometreler nemin bir ölçüsüdür.) Yaş termometre sıcaklığı, buharlaşma ile elde edilebilecek en düşük hava sıcaklığıdır. Doygunlukta, yaş termometre, çiy noktası ve hava sıcaklıklarının tümü eşittir; aksi takdirde çiy noktası sıcaklığı, hava sıcaklığından daha düşük olan yaş termometre sıcaklığından daha düşüktür.
İklim Sistemindeki Su Buharı
Su buharı sürekli olarak atmosferde dolaşır, yüzeyden buharlaşır, rüzgârlarla savrulan bulutları oluşturmak üzere yoğunlaşır ve ardından yağış olarak Dünya’ya geri döner. Güneşten gelen ısı suyu buharlaştırmak için kullanılır ve bu ısı, su yoğunlaşıp bulutlara dönüştüğünde havaya verilir. Bu buharlaşma-yoğunlaşma döngüsü, ısının Dünya alt tabakasından atmosfere gönderilmesi ve ısının Dünya etrafında gezebilmesi için elzem bir mekanizmadır.
Ayrıca su buharı, atmosferdeki sera gazlarının en bol olanıdır ve Dünya’nın ikliminin oluşmasında en önemlisidir. Sera gazları, Güneş’in kısa dalga radyasyonunun çoğunun içlerinden geçmesine izin verir, ancak Dünya yüzeyinden yayılan uzun dalgalı, kızılötesi radyasyonu emer veya hapseder. Havadaki su buharı ve diğer sera gazları olmasaydı, yüzey hava sıcaklıkları donma noktasının çok altında olurdu.
Atmosferdeki su buharı konsantrasyonu, toplam hava molekülü sayısı (esas olarak nitrojen ve oksijen) ile karşılaştırıldığında su moleküllerinin sayısını yansıtır. Atmosferik su buharı konsantrasyonunu tanımlamanın birçok yolu vardır. Bu metinde esas olarak karışım oranı ve bağıl nem kullanacağız. Karışım oranı, bir kilogram havadaki su buharı kütlesinin ölçüsüdür. Bağıl nem, bir hava örneğindeki su buharının gerçek basıncının, o havayı belirli bir sıcaklıkta doyurmak için gerekli basınca oranını yansıtır.
Sıcak hava, doygun hale gelmeden soğuk havadan daha yüksek bir su buharı konsantrasyonuna sahip olabilir. Sonuç olarak, herhangi bir nedenle hava ısındıkça daha fazla buharlaşma meydana gelebilir ve su buharı konsantrasyonu artabilir. Su buharındaki artış, sera etkisini artırır ve daha fazla ısınmaya neden olur. Artan sera gazlarından kaynaklanan ısınma, su buharının artmasına ve dolayısıyla daha da fazla ısınmaya yol açan bu olumlu geri bildirim, artan sera gazlarının etkisini tahmin etmek için kullanılan iklim modellerinin bir özelliğidir.
Atmosferik Su Buharının Klimatolojisi
Atmosferdeki su buharının ağırlığı, tüm gazların toplam deniz seviyesi basıncının yalnızca yüzde birinin yaklaşık dörtte birine katkıda bulunur. Belirli bir zamanda havadaki tüm su buharı yoğunlaşıp yağmur olarak düşseydi, sadece 2,5 cm derinliğe ulaşırdı. Buna çökeltilebilir su denir. Su buharı küresel olarak eşit olarak dağılmadığından, ekvator yakınında yaklaşık 5 cm ve kutuplarda onda birden daha az olacaktır. Dünya üzerindeki ortalama yağış yılda yaklaşık 1 m’dir, bu nedenle havada hızlı bir su değişimi olmalıdır. Ortalama su molekülü, yüzeye geri dönmeden önce havada yaklaşık 9 gün geçirir.
Bu hızlı devir, sıcaklığın yükseklik ve coğrafya ile değişmesiyle birleştiğinde, su buharının atmosferde sadece yatay olarak değil dikey olarak da eşit olmayan bir şekilde dağılmasına neden olur.
Havadaki toplam suyun yaklaşık yarısı deniz seviyesi ile deniz seviyesinden yaklaşık 1,5 km yüksekliktedir. Suyun %5-6’dan azı 5 km’nin üzerindedir ve %1’den azı stratosferde, yani nominal olarak 12 km’nin üzerindedir. Bağıl nem de yükseklikle birlikte yüzeyde yaklaşık %60-80 ortalama değerden 300 mbar’da (9 km) %20-40’a düşme eğilimindedir. Üst troposferde (yaklaşık 5 km’nin üzerinde) ve stratosferde az miktarda su buharı bulunmasına rağmen, son araştırmalar üst troposferik su buharının iklim için çok önemli olduğunu göstermiştir.
Ekvatordan kutuplara doğru yağışlı suyun genel olarak azalması, küresel sıcaklık dağılımının bir yansımasıdır. Beklendiği gibi, yağışlı su miktarları sıcak, ekvator bölgelerinde en fazladır ve soğuk, kutup bölgelerinde artan enlemle çok düşük değerlere doğru aşağı yukarı sürekli olarak azalır. Yüksek sıcaklığa rağmen yüzey havasının çok kuru olduğu büyük çöl bölgelerinde istisnalar vardır. En nemli bölge, en yüksek deniz yüzeyi sıcaklıklarının bulunduğu okyanuslu ılık havuz denilen batı ekvator Pasifik’tedir.
Su Buharı Varyasyonları
Atmosferik su buharı alanındaki değişiklikler, birkaç dakikadan on yıllara kadar olan zaman dilimlerinde meydana gelir. Su buharı modeli, sıcaklık ve atmosferik sirkülasyon modellerindeki mevsimsel değişikliklerle değişir. Mevsimsel değişimler kuzey yarımkürede güney yarımkürede olduğundan daha güçlü görünüyor, tıpkı karşılık gelen sıcaklık değişimlerinin daha güçlü olması gibi.
Kuzey yarımkürenin okyanustan daha düşük bir ısı kapasitesine sahip olan ve bu nedenle değişikliklere daha hızlı tepki veren daha büyük kara parçası nedeniyle varyasyonlar daha güçlüdür.
Su Buharının İklim Sistemindeki Rolü
Su buharı, su veya hidrolojik döngüde yüzey ile atmosfer arasındaki bağlantıdır. Atmosferdeki su buharının neredeyse tamamı, Güneş’in radyasyonu sayesinde okyanustan ve kıtalardan suyun buharlaştığı Dünya yüzeyinden kaynaklanır ve bitkiler tarafından solunur ve hayvanlar tarafından solunarak atmosfere verilir.
Atmosfere girdikten sonra, su buharı atmosferin üç boyutlu dolaşımı ile yatay ve dikey olarak taşınabilir ve yoğunlaşarak bulutlarda sıvı su veya buz kristalleri oluşturabilir. Döngü, su, yağmur veya kar gibi çeşitli yağış biçimlerinde Dünya yüzeyine döndüğünde tamamlanır. Bu döngü, atmosferik dolaşım ve sıcaklık düzenleriyle yakından bağlantılıdır.
Hidrolojik döngü, Dünya yüzeyinin doğasından güçlü bir şekilde etkilenir. Hidrolojik süreçler, okyanus ve kara üzerinde farklı zaman ölçeklerinde çalışır. Okyanus üzerinde, yavaş değişen yüzey sıcaklığı önemli bir kontrol faktörü iken, kara üzerinde, nispeten hızlı değişebilen yüzey sıcaklığı ve mevcut toprak neminin birleşik etkileri önemlidir.
Nehirler, suyu karadan okyanuslara taşır; buradan karada buharlaşmadan daha fazla yağış olması gerektiği sonucunu çıkarırız. Dengeyi sağlamak için, okyanuslar üzerinde yağıştan daha fazla buharlaşma olmalıdır. Fazla su buharı okyanuslardan karasal alanlara taşınır ve çökelir.
Su buharı taşınımı, küresel iklimin belirlenmesinde önemli bir faktördür. Su buharının atmosferdeki hareketi, enerjinin gizli ısı biçimindeki hareketini temsil eder. Yoğuşma üzerine, bu gizli enerji hissedilir ısıya veya hissedilebilen ısıya dönüştürülür ve böylece bir atmosferik ısıtma kaynağını temsil eder. Bu yoğuşmalı ısıtma, hava ve iklim ile ilişkili sirkülasyon sistemleri için önemli bir enerji kaynağıdır.