نقطة الندى

نقطة الندى هي درجة الحرارة التي يجب أن يبرد إليها الهواء ، ذو الرطوبة المطلقة والضغط الثابتين، حتى ترتفع الرطوبة النسبية إلى 100%. ^{[ 1 ]} هذه الدرجة خاصية ديناميكية حرارية تعتمد على ضغط الهواء ومحتواه من الماء. عندما يبرد الهواء عند درجة حرارة أعلى من نقطة الندى، تقل قدرته على امتصاص الرطوبة ، وعندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون نقطة الندى، يتكثف بخار الماء ، أو يترسب، ليشكل ماءً سائلاً. ^{[ 2 ]} عندما يحدث هذا من خلال ملامسة الهواء لسطح بارد، يكون الراسب على ذلك السطح هو الندى . ^{[ 3 ]}

تتأثر نقطة الندى بالرطوبة المطلقة للهواء . فكلما زادت الرطوبة التي يحتويها الهواء، ارتفعت نقطة الندى. ^{[ 4 ]}

عندما تكون درجة الحرارة أقل من درجة تجمد الماء، تُسمى نقطة الندى بنقطة التجمد ، لأن الصقيع يتشكل عن طريق الترسيب وليس التكثيف. ^{[ 5 ]} في السوائل، يُطلق على النقطة المقابلة لنقطة الندى اسم نقطة التعكر .

تُعدّ درجة حرارة نقطة الندى مقياسًا مهمًا للرطوبة. فعندما تصل نقطة الندى إلى 20 درجة مئوية/70 درجة فهرنهايت، يشعر معظم الناس باللزوجة. لذا، تُعتبر نقطة الندى أفضل مؤشر لاستهلاك الطاقة للتبريد في فصل الصيف. ^{[ 6 ]}

إذا بقيت جميع العوامل الأخرى المؤثرة على الرطوبة ثابتة، فإن الرطوبة النسبية على مستوى سطح الأرض ترتفع مع انخفاض درجة الحرارة؛ وذلك لأن قدرة الهواء على حمل بخار الماء تقل، وبالتالي تقل كمية البخار اللازمة لتشبع الهواء. تتساوى درجة حرارة نقطة الندى مع درجة حرارة الهواء عندما يكون الهواء مشبعًا بالماء؛ وفي جميع الحالات الأخرى، تكون نقطة الندى أقل من درجة حرارة الهواء. ^{[ 7 ] : 129}

من الناحية التقنية، تُعرف نقطة الندى بأنها درجة الحرارة التي يتكثف عندها بخار الماء في عينة من الهواء تحت ضغط جوي ثابت إلى ماء سائل بنفس معدل تبخره. ^{[ 8 ]} عند درجات حرارة أقل من نقطة الندى، يكون معدل التكثف أكبر من معدل التبخر، مما يؤدي إلى تكوين كمية أكبر من الماء السائل. يُطلق على الماء المتكثف اسم الندى عندما يتشكل على سطح صلب، أو الصقيع إذا تجمد. في الهواء، يُطلق على الماء المتكثف اسم الضباب أو السحابة ، وذلك حسب ارتفاعه عند تشكله. إذا كانت درجة الحرارة أقل من نقطة الندى، ولم يتشكل ندى أو ضباب، يُطلق على البخار اسم البخار فوق المشبع . قد يحدث هذا إذا لم تكن هناك جزيئات كافية في الهواء لتعمل كنوى للتكثف . ^{[ 9 ]}

تعتمد نقطة الندى على كمية بخار الماء الموجودة في الهواء. فإذا كان الهواء جافًا جدًا ويحتوي على عدد قليل من جزيئات الماء، تكون نقطة الندى منخفضة، ويجب أن تكون الأسطح أبرد بكثير من الهواء حتى يحدث التكثف. أما إذا كان الهواء رطبًا جدًا ويحتوي على العديد من جزيئات الماء، فتكون نقطة الندى مرتفعة، ويمكن أن يحدث التكثف على أسطح أبرد من الهواء ببضع درجات فقط. ^{[ 10 ]}

تشير الرطوبة النسبية العالية إلى أن نقطة الندى قريبة من درجة حرارة الهواء الحالية. أما الرطوبة النسبية التي تبلغ 100% فتدل على أن نقطة الندى تساوي درجة الحرارة الحالية وأن الهواء مشبع بالماء إلى أقصى حد. وعندما يظل محتوى الرطوبة ثابتًا وترتفع درجة الحرارة، تنخفض الرطوبة النسبية، لكن نقطة الندى تبقى ثابتة. ^{[ 11 ]}

يستخدم طيارو الطيران العام بيانات نقطة الندى لحساب احتمالية تجمد المكربن ​​والضباب ، ولتقدير ارتفاع قاعدة السحب الركامية .

يؤدي ارتفاع الضغط الجوي إلى زيادة نقطة الندى. ^{[ 12 ]} وهذا يعني أنه إذا زاد الضغط، يجب تقليل كتلة بخار الماء لكل وحدة حجم من الهواء للحفاظ على نفس نقطة الندى. على سبيل المثال، لنأخذ مدينة نيويورك ( ارتفاعها 10 أمتار أو 33 قدمًا ) ودنفر ( ارتفاعها 1610 أمتار أو 5280 قدمًا ^{[ 13 ]} ). نظرًا لأن دنفر تقع على ارتفاع أعلى من نيويورك، فسيكون ضغطها الجوي أقل. وهذا يعني أنه إذا كانت نقطة الندى ودرجة الحرارة متساويتين في المدينتين، فستكون كمية بخار الماء في الهواء أكبر في دنفر.    

عندما ترتفع درجة حرارة الهواء، يستخدم الجسم البشري تبخر العرق لتبريد نفسه، ويتناسب تأثير التبريد طرديًا مع سرعة تبخر العرق. وتعتمد سرعة تبخر العرق على كمية الرطوبة في الهواء وقدرته على استيعابها. فإذا كان الهواء مشبعًا بالرطوبة (رطبًا)، فلن يتبخر العرق. يُنتج الجسم، من خلال آلية تنظيم الحرارة، العرق للحفاظ على درجة حرارته الطبيعية حتى عندما يتجاوز معدل إفراز العرق معدل التبخر، لذا قد يتغطى الجسم بالعرق في الأيام الرطبة حتى دون توليد حرارة إضافية (مثل ممارسة الرياضة).

عندما يسخن الهواء المحيط بالجسم بفعل حرارة الجسم، يرتفع ويحل محله هواء آخر. وإذا تحرك الهواء بعيدًا عن الجسم بفعل نسيم طبيعي أو مروحة، يتبخر العرق بسرعة أكبر، مما يجعل التعرق أكثر فعالية في تبريد الجسم، وبالتالي يزيد من الشعور بالراحة. وعلى النقيض، تقل الراحة مع ازدياد كمية العرق غير المتبخر.

يستخدم مقياس الحرارة ذو البصيلة الرطبة أيضًا التبريد التبخيري ، لذا فهو يوفر مقياسًا جيدًا للاستخدام في تقييم مستوى الراحة.

يُسبب انخفاض نقطة الندى (أقل من -5 درجة مئوية أو 23 درجة فهرنهايت ) شعورًا بعدم الراحة. فالهواء الجاف قد يُسبب تشقق الجلد وتهيجه بسهولة أكبر، كما يُؤدي إلى جفاف المجاري التنفسية. وتوصي إدارة السلامة والصحة المهنية الأمريكية بالحفاظ على درجة حرارة الهواء الداخلي بين 20 و24.5 درجة مئوية (68-76 درجة فهرنهايت) مع رطوبة نسبية تتراوح بين 20 و60%، ^{[ 14 ]} وهو ما يُعادل نقطة ندى تتراوح بين 4.0 و16.5 درجة مئوية (39 إلى 62 درجة فهرنهايت) (حسب قاعدة الحساب البسيطة أدناه).      

ترتبط درجات الندى المنخفضة، أي أقل من 10 درجات مئوية (50 درجة فهرنهايت) ، بانخفاض درجات الحرارة المحيطة، مما يقلل من حاجة الجسم للتبريد. ولا يمكن أن تترافق درجة الندى المنخفضة مع درجة حرارة عالية إلا في ظل رطوبة نسبية منخفضة للغاية، مما يسمح بتبريد فعال نسبياً.  

يتأقلم سكان المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية إلى حد ما مع ارتفاع نقطة الندى. لذا، قد يكون لدى سكان سنغافورة أو ميامي ، على سبيل المثال، عتبة أعلى للشعور بعدم الراحة مقارنةً بسكان المناطق المعتدلة مثل لندن أو شيكاغو ، أو المناطق الصحراوية شديدة الجفاف مثل الرياض حيث تنخفض نقطة الندى عادةً. غالبًا ما يبدأ سكان المناطق المعتدلة بالشعور بعدم الراحة عندما تتجاوز نقطة الندى 15 درجة مئوية (59 درجة فهرنهايت) ، بينما قد يجد آخرون نقاط ندى تصل إلى 18 درجة مئوية (64 درجة فهرنهايت) مريحة. يعتبر معظم سكان المناطق المعتدلة نقاط الندى التي تتجاوز 21 درجة مئوية (70 درجة فهرنهايت) خانقة وذات طابع استوائي، بينما قد لا يجد سكان المناطق الحارة والرطبة ذلك مزعجًا. لا تعتمد الراحة الحرارية على العوامل البيئية الفيزيائية فحسب، بل على العوامل النفسية أيضًا. ^{[ 15 ]}      

تبرد كتلة الهواء الصاعدة في الغلاف الجوي مع انخفاض الضغط، فتقترب درجة حرارتها من درجة التكثف. وتزداد الرطوبة النسبية لهذا الهواء مع انخفاض الضغط، مصحوبةً بكمية ثابتة من بخار الماء. يؤدي هذا المزيج إلى انخفاض درجة التكثف بمقدار 0.2  درجة مئوية لكل 100  متر، أو 4.5  درجة فهرنهايت لكل 1000  قدم. عند الارتفاع الذي تُبلغ عنده درجة التكثف، يبدأ التكثف مُكَوِّنًا السحب، أو الضباب كما يُسمى في الارتفاعات المنخفضة. تميل السحب الركامية إلى امتلاك قواعد مسطحة تُشير إلى الارتفاع الذي تتجاوز عنده درجة الحرارة درجة التكثف. يُطلق تكثف بخار الماء إلى قطرات ماء 600 سعر حراري من الطاقة لكل غرام من الماء، مما يُسخن الهواء المحيط. ^{[ 16 ] : 292}

يتم القياس بواسطة أجهزة خاصة تُسمى "مقياس نقطة الندى". تتكون هذه الأجهزة من مرآة معدنية مصقولة تبرد عند مرور الهواء فوقها. وتُحدد نقطة الندى من خلال ملاحظة انخفاض وضوح الانعكاس الذي تُحدثه المرآة. يمكن استخدام أجهزة يدوية من هذا النوع لمعايرة أنواع أخرى من مستشعرات الرطوبة، كما يمكن استخدام مستشعرات آلية في حلقة تحكم مع جهاز ترطيب أو إزالة الرطوبة للتحكم في نقطة ندى الهواء في مبنى أو في مساحة أصغر لعملية تصنيع.

تُعد صيغة ماغنوس تقريبًا تجريبيًا معروفًا يُستخدم لحساب نقطة الندى، T _d ، بمعلومية درجة حرارة الهواء الفعلية ("درجة حرارة البصيلة الجافة")، T (بالدرجات المئوية) والرطوبة النسبية (بالنسبة المئوية)، RH : $${\displaystyle {\begin{aligned}\gamma (T,\mathrm {RH} )&=\ln \left({\frac {\mathrm {RH} }{\ 100\ }}\right)+{\frac {b\ T}{\ c\ +\ T\ }}\$$ ;\\[8pt]T_{\mathsf {d}}&={\frac {\ c\ \gamma (T,\mathrm {RH} )\ }{\ b\ -\ \gamma (T,\mathrm {RH} )\ }}\  ;\end{aligned}}} حيث b = 17.625 و c = 243.04 درجة مئوية. ^{[ 17 ]} تم اختيار قيم b و c عن طريق تقليل الانحراف الأقصى في النطاق من -40 درجة مئوية إلى +50 درجة مئوية.

تتضمن الصيغة الأكثر اكتمالاً وأصل هذا التقريب ضغط بخار الماء المشبع المترابط (بوحدات الميليبار ، ويسمى أيضًا الهكتوباسكال ) عند درجة الحرارة T ، P _s ( T )، وضغط البخار الفعلي ( أيضًا بوحدات الميليبار)، Pa ( _T )، والذي يمكن إيجاده إما باستخدام الرطوبة النسبية أو تقريبه باستخدام الضغط الجوي (بالميليبار)، BP _mbar ، ودرجة حرارة " البصيلة الرطبة "، T _wet (ما لم يُذكر خلاف ذلك، يتم التعبير عن جميع درجات الحرارة بالدرجات المئوية ): $${\displaystyle {\begin{aligned}P_{\mathrm {s} }(T)&={\frac {\ 100\ }{\ \mathrm {RH} \ }}\ P_{\mathrm {a} }(T)=a\ e^{\frac {b\ T}{\ c\ +\ T\ }}\$$ ;\\[8pt]P_{\mathrm {a} }(T)&={\frac {\mathrm {RH} }{100}}\ P_{\mathrm {s} }(T)=a\ e^{\gamma (T,\mathrm {RH} )}\\[8pt]&\approx P_{\mathrm {s} }(T_{\mathrm {w} })-\mathrm {BP} _{\mathsf {mbar}}\ 0.00066\ \left(1+0.00115\ T_{\mathsf {wet}}\right)\left(T-T_{\mathsf {wet}}\right)\  ;\\[8pt]T_{\mathsf {d}}&={\frac {\ c\ \ln {\frac {\ P_{\mathrm {a} }(T)\ }{a}}\ }{\ b-\ln {\frac {\ P_{\mathrm {a} }(T)\ }{a}}}}\  ;\end{aligned}}}

للحصول على دقة أكبر، يمكن تحسين P _s ( T ) ( وبالتالي γ ( T , RH ) ) باستخدام جزء من تعديل بوغل ، المعروف أيضًا باسم معادلة أردن باك ، والذي يضيف ثابتًا رابعًا d : $${\displaystyle {\begin{aligned}P_{\mathrm {s,m} }(T)&=a\ e^{\left(b\ -\ {\frac {\ T\ }{d}}\right)\left({\frac {T}{\ c\ +\ T\ }}\right)}\$$ ;\\[8pt]\gamma _{\mathrm {m} }(T,\mathrm {RH} )&=\ln \left({\frac {\ \mathrm {RH} \ }{\ 100\ }}\ e^{\left(b\ -\ {\frac {\ T\ }{d}}\right)\left({\frac {T}{\ c\ +\ T\ }}\right)}\right)\  ;\\[8pt]T_{\mathsf {d}}&={\frac {\ c\ \ln {\frac {\ P_{\mathrm {a} }(T)\ }{a}}\ }{\ b-\ln {\frac {\ P_{\mathrm {a} }(T)\ }{a}}\ }}={\frac {\ c\ \ln \left({\frac {\ \mathrm {RH} \ }{\ 100\ }}{\frac {\ P_{\mathrm {s,m} }(T)\ }{a}}\right)\ }{\ b\ -\ \ln \left({\frac {\ \mathrm {RH} \ }{\ 100\ }}{\frac {\ P_{\mathrm {s,m} }(T)\ }{a}}\right)\ }}={\frac {\ c\ \gamma _{m}(T,\mathrm {RH} )\ }{\ b\ -\ \gamma _{m}(T,\mathrm {RH} )\ }};\end{aligned}}} حيث

• a = 6.1121  ملي بار، b = 18.678، c = 257.14 درجة مئوية، d = 234.5 درجة مئوية.  

توجد عدة مجموعات ثابتة مختلفة قيد الاستخدام. أما تلك المستخدمة في عرض الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي ^{[ 18 ]} فهي مأخوذة من ورقة بحثية نشرها ديفيد بولتون عام 1980 في مجلة مراجعة الطقس الشهرية : ^{[ 19 ]}

• a = 6.112  ملي بار، b = 17.67، c = 243.5  درجة مئوية.

توفر هذه التقييمات هامش خطأ أقصى قدره 0.1%، وذلك لنطاق درجة حرارة يتراوح بين -30 درجة مئوية و 35 درجة مئوية ، ورطوبة نسبية تتراوح بين 1% و100%. وتجدر الإشارة أيضًا إلى دراسة سونتاج عام 1990 ^{[ 20 ] .}

• a = 6.112  ملي بار، b = 17.62، c = 243.12 درجة مئوية ؛ لـ −45 درجة مئوية ≤ T ≤ 60 درجة مئوية (خطأ ±0.35 درجة مئوية).    

وهناك مجموعة أخرى شائعة من القيم مستمدة من كتاب "علم القياس النفسي ومخططات القياس النفسي" لعام 1974. ^{[ 21 ]}

• a = 6.105  ملي بار، b = 17.27، c = 237.7 درجة مئوية ؛ لـ 0 درجة مئوية ≤ T ≤ 60 درجة مئوية (خطأ ±0.4 درجة مئوية).    

كذلك، في مجلة الأرصاد الجوية التطبيقية وعلم المناخ ، ^{[ 22 ]} يقدم أردن باك عدة مجموعات تقييم مختلفة، مع اختلاف في الحد الأقصى للخطأ لنطاقات درجات الحرارة المختلفة. توفر مجموعتان على وجه الخصوص نطاقًا يتراوح بين -40  درجة مئوية و+50  درجة مئوية بين القيمتين، مع حد أقصى للخطأ أقل ضمن النطاق المحدد من جميع المجموعات المذكورة أعلاه.

• a = 6.1121  ملي بار، b = 17.368، c = 238.88 درجة مئوية ؛ لـ 0 درجة مئوية ≤ T ≤ 50 درجة مئوية (خطأ ≤ 0.05%).    
• a = 6.1121  ملي بار، b = 17.966، c = 247.15 درجة مئوية ؛ لـ −40 درجة مئوية ≤ T ≤ 0 درجة مئوية (خطأ ≤ 0.06%).    

تُشبه نقطة التجمد نقطة الندى في كونها درجة الحرارة التي يجب أن تبرد إليها كتلة معينة من الهواء الرطب، عند ضغط جوي ثابت ، حتى يترسب بخار الماء على سطح ما على شكل بلورات جليدية دون أن يمر بالحالة السائلة (قارن بالتسامي ). وتكون نقطة التجمد لكتلة معينة من الهواء دائمًا أعلى من نقطة الندى، لأن كسر الروابط الأقوى بين جزيئات الماء على سطح الجليد ، مقارنةً بسطح الماء السائل ( المبرد تبريدًا فائقًا )، يتطلب درجة حرارة أعلى. ^{[ 24 ]}

في اليونان القديمة ، اعتقد أرسطو أن الندى يتساقط من السماء. ^{[ 25 ]} خلال عصر النهضة ، بنى فرديناندو الثاني دي ميديشي مقياس رطوبة لتتبع درجة الحرارة وظروف الرياح التي تؤدي إلى تكوّن الماء. ^{[ 26 ]}

في القرن الثامن عشر، حاول تشارلز لو روي تحديد نقطة الندى عن طريق سكب الماء البارد في وعاء زجاجي. ^{[ 26 ]}

وضع ويليام تشارلز ويلز أول نظرية حديثة عن الندى ، ونشر تجاربه في كتابه "مقال عن الندى" عام 1818. ^{[ 25 ]} وأثبت عالم الأرصاد الجوية جون أيتكن عام 1887 أن الندى ينشأ من الأرض أو من النباتات، ولا يسقط من الهواء. ^{[ 25 ]}

أعلى نقطة ندى تم تسجيلها على الإطلاق على الأرض هي 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) (مع درجة حرارة 42 درجة مئوية (108 درجة فهرنهايت) )، وقد تم رصدها في الظهران ، المملكة العربية السعودية، في الساعة 3:00 مساءً في 8 يوليو 2003. ^{[ 27 ] [ 28 ]}     

• نقطة الفقاعة
• حرارة المكربن
• نقطة ندى الهيدروكربون
• علم القياس النفسي
• المخططات الديناميكية الحرارية

• إجابات مطلوبة غالبًا حول درجة الحرارة والرطوبة ونقطة الندى من قسم علوم الأرض والأرصاد الجوية