بخار الماء

بخار الماء أو بخار الماء أو البخار المائي هو الطور الغازي للماء . وهو إحدى حالات الماء داخل الغلاف المائي . يمكن إنتاج بخار الماء من تبخر أو غليان الماء السائل أو من تسامي الجليد . بخار الماء شفاف، مثل معظم مكونات الغلاف الجوي. ^{[1] في ظل الظروف الجوية النموذجية، يتم توليد بخار الماء} باستمرار عن طريق التبخر وإزالته عن طريق التكثيف . إنه أقل كثافة من معظم مكونات الهواء الأخرى ويؤدي إلى تيارات الحمل الحراري التي يمكن أن تؤدي إلى السحب والضباب.

نظرًا لكونه أحد مكونات الغلاف المائي للأرض والدورة الهيدرولوجية، فإنه متوفر بكثرة في الغلاف الجوي للأرض ، حيث يعمل كغاز دفيئة وارتداد حراري، مما يساهم في إجمالي تأثير الاحتباس الحراري أكثر من الغازات غير القابلة للتكثيف مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان . كان استخدام بخار الماء، كبخار ، مهمًا للطهي، وكمكون رئيسي في أنظمة إنتاج الطاقة والنقل منذ الثورة الصناعية .

بخار الماء هو أحد مكونات الغلاف الجوي الشائعة نسبيًا، وهو موجود حتى في الغلاف الجوي للشمس وكذلك في كل كوكب في النظام الشمسي والعديد من الأجرام الفلكية بما في ذلك الأقمار الطبيعية والمذنبات وحتى الكويكبات الكبيرة . وبالمثل، فإن اكتشاف بخار الماء خارج المجموعة الشمسية يشير إلى توزيع مماثل في الأنظمة الكوكبية الأخرى. يمكن أن يكون بخار الماء أيضًا دليلاً غير مباشر يدعم وجود ماء سائل خارج الأرض في حالة بعض الأجرام ذات الكتلة الكوكبية.

يُشار إلى بخار الماء، الذي يتفاعل مع التغيرات في درجات الحرارة، باسم "التغذية الراجعة"، لأنه يعمل على تضخيم تأثير القوى التي تسبب في البداية الاحترار. لذا، فهو غاز دفيئة. ^[2]

كلما غادر جزيء الماء سطحًا وانتشر في غاز محيط به، يُقال إنه تبخر . كل جزيء ماء فردي ينتقل بين حالة أكثر ارتباطًا (سائل) وحالة أقل ارتباطًا (بخار / غاز) يفعل ذلك من خلال امتصاص أو إطلاق الطاقة الحركية . يُعرَّف القياس الكلي لنقل الطاقة الحركية هذا بأنه طاقة حرارية ويحدث فقط عندما يكون هناك فرق في درجة حرارة جزيئات الماء. يأخذ الماء السائل الذي يصبح بخار ماء جزءًا من الحرارة معه، في عملية تسمى التبريد التبخيري . ^[3] تحدد كمية بخار الماء في الهواء عدد المرات التي ستعود فيها الجزيئات إلى السطح. عندما يحدث التبخر الصافي، سيخضع الجسم المائي لتبريد صافٍ مرتبط مباشرة بفقدان الماء.

في الولايات المتحدة، تقيس هيئة الأرصاد الجوية الوطنية المعدل الفعلي للتبخر من سطح مائي مفتوح موحد في الهواء الطلق، في مواقع مختلفة على مستوى البلاد. ويقوم آخرون بنفس الشيء في جميع أنحاء العالم. يتم جمع بيانات الولايات المتحدة وتجميعها في خريطة تبخر سنوية. ^[4] تتراوح القياسات من أقل من 30 إلى أكثر من 120 بوصة في السنة. يمكن استخدام الصيغ لحساب معدل التبخر من سطح مائي مثل حمام السباحة. ^{[5] [6] في بعض البلدان، يتجاوز معدل التبخر معدل} هطول الأمطار بكثير .

التبريد التبخيري مقيد بالظروف الجوية . الرطوبة هي كمية بخار الماء في الهواء. يتم قياس محتوى بخار الهواء بأجهزة تعرف باسم أجهزة قياس الرطوبة . عادة ما يتم التعبير عن القياسات على أنها رطوبة نوعية أو نسبة الرطوبة النسبية . تحدد درجات حرارة الغلاف الجوي وسطح الماء ضغط البخار المتوازن؛ تحدث الرطوبة النسبية بنسبة 100٪ عندما يكون الضغط الجزئي لبخار الماء مساويًا لضغط بخار التوازن. غالبًا ما يشار إلى هذه الحالة بالتشبع الكامل. تتراوح الرطوبة من 0 جرام لكل متر مكعب في الهواء الجاف إلى 30 جرامًا لكل متر مكعب (0.03 أونصة لكل قدم مكعب) عندما يكون البخار مشبعًا عند 30 درجة مئوية. ^[7]

لا يستشهد هذا القسم بأي مصادر . يُرجى المساعدة في تحسين هذا القسم من خلال إضافة الاستشهادات إلى مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها . ( مارس 2024 ) ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة )

التسامي هو العملية التي تترك بها جزيئات الماء سطح الجليد مباشرة دون أن تتحول أولاً إلى ماء سائل. ويفسر التسامي اختفاء الجليد والثلج ببطء في منتصف الشتاء عند درجات حرارة منخفضة للغاية بحيث لا تسبب الذوبان. وتُظهِر القارة القطبية الجنوبية هذا التأثير بدرجة فريدة لأنها القارة ذات أدنى معدل لهطول الأمطار على وجه الأرض. ^[8] ونتيجة لذلك، توجد مناطق كبيرة حيث تسامت طبقات الثلج التي يبلغ عمرها آلاف السنين ، تاركة وراءها أي مواد غير متطايرة كانت تحتوي عليها. وهذا أمر قيم للغاية لبعض التخصصات العلمية، ومن الأمثلة الدرامية على ذلك مجموعة النيازك التي تُركت مكشوفة بأعداد لا مثيل لها وحالات حفظ ممتازة.

تعتبر عملية التسامي مهمة في تحضير فئات معينة من العينات البيولوجية للمجهر الإلكتروني الماسح . وعادة ما يتم تحضير العينات عن طريق التثبيت بالتبريد والكسر بالتجميد ، وبعد ذلك يتم تجميد السطح المكسور، وتآكله عن طريق التعرض للفراغ حتى يظهر المستوى المطلوب من التفاصيل. ويمكن لهذه التقنية عرض جزيئات البروتين وهياكل العضيات والطبقات الدهنية بدرجات منخفضة للغاية من التشوه.

سيتكاثف بخار الماء على سطح آخر فقط عندما يكون هذا السطح أكثر برودة من درجة حرارة نقطة الندى ، أو عندما يتم تجاوز توازن بخار الماء في الهواء. عندما يتكثف بخار الماء على سطح، يحدث ارتفاع في درجة الحرارة الصافية على هذا السطح. ^[9] يحمل جزيء الماء معه طاقة حرارية. في المقابل، تنخفض درجة حرارة الغلاف الجوي قليلاً. ^[10] في الغلاف الجوي، ينتج التكثيف السحب والضباب وهطول الأمطار (عادةً فقط عندما يتم تسهيله بواسطة نوى التكثيف السحابي ). نقطة الندى لحزمة الهواء هي درجة الحرارة التي يجب أن تبرد إليها قبل أن يبدأ بخار الماء في الهواء في التكثيف. يشكل التكثيف في الغلاف الجوي قطرات السحب.

كما يحدث تكاثف صافي لبخار الماء على الأسطح عندما تكون درجة حرارة السطح مساوية أو أقل من درجة حرارة نقطة الندى في الغلاف الجوي. والترسيب هو انتقال طوري منفصل عن التكاثف يؤدي إلى تكوين الجليد مباشرة من بخار الماء. والصقيع والثلج من أمثلة الترسيب.

هناك عدة آليات للتبريد تحدث بها عملية التكاثف: 1) فقدان الحرارة بشكل مباشر عن طريق التوصيل أو الإشعاع. 2) التبريد الناتج عن انخفاض ضغط الهواء والذي يحدث مع رفع الهواء، والمعروف أيضًا بالتبريد الأدياباتي . يمكن رفع الهواء عن طريق الجبال، والتي تعمل على انحراف الهواء إلى أعلى، وعن طريق الحمل الحراري، وعن طريق الجبهات الباردة والدافئة. 3) التبريد الحملي - التبريد الناتج عن الحركة الأفقية للهواء.

• توفير الماء للنباتات والحيوانات: يتحول بخار الماء إلى مطر وثلوج تعمل كمصدر طبيعي للمياه للنباتات والحيوانات.
• التحكم في التبخر: يؤدي وجود بخار الماء الزائد في الهواء إلى تقليل معدل التبخر.
• تحديد الظروف المناخية: يؤدي بخار الماء الزائد في الهواء إلى إنتاج المطر والضباب والثلوج وما إلى ذلك. وبالتالي، فإنه يحدد الظروف المناخية.

هناك عدد من التفاعلات الكيميائية التي ينتج عنها الماء. إذا حدثت التفاعلات عند درجات حرارة أعلى من نقطة الندى للهواء المحيط، فسوف يتشكل الماء على شكل بخار ويزيد من الرطوبة المحلية، وإذا حدث ذلك تحت نقطة الندى فسوف يحدث تكاثف محلي. التفاعلات النموذجية التي تؤدي إلى تكوين الماء هي احتراق الهيدروجين أو الهيدروكربونات في الهواء أو مخاليط غازية أخرى تحتوي على الأكسجين ، أو نتيجة للتفاعلات مع المؤكسدات.

وبنفس الطريقة، يمكن أن تحدث تفاعلات كيميائية أو فيزيائية أخرى في وجود بخار الماء مما يؤدي إلى تكوين مواد كيميائية جديدة مثل الصدأ على الحديد أو الفولاذ، أو حدوث البلمرة (تتصلب بعض رغاوي البولي يوريثين وغراء السيانوكريلات عند التعرض للرطوبة الجوية) أو تغيير الأشكال مثل حيث قد تمتص المواد الكيميائية اللامائية ما يكفي من البخار لتشكيل بنية بلورية أو تغيير بنية موجودة، مما يؤدي في بعض الأحيان إلى تغييرات مميزة في اللون يمكن استخدامها للقياس .

يمكن قياس كمية بخار الماء في وسط ما بشكل مباشر أو عن بعد بدرجات متفاوتة من الدقة. ومن الممكن استخدام طرق عن بعد مثل الامتصاص الكهرومغناطيسي من الأقمار الصناعية فوق الغلاف الجوي للكواكب. وقد تستخدم الطرق المباشرة محولات إلكترونية أو موازين حرارة مبللة أو مواد ماصة للرطوبة لقياس التغيرات في الخصائص الفيزيائية أو الأبعاد.

	واسطة	مدى درجة الحرارة (درجة مئوية)	عدم اليقين في القياس	تردد القياس النموذجي	تكلفة النظام	ملحوظات
مقياس الرطوبة المعلق	هواء	-10 إلى 50	منخفضة إلى معتدلة	كل ساعة	قليل
التحليل الطيفي عبر الأقمار الصناعية	هواء	-80 إلى 60	قليل		عالية جدا
مستشعر سعوي	الهواء/الغازات	-40 إلى 50	معتدل	2 إلى 0.05 هرتز	واسطة	عرضة للتشبع/التلوث بمرور الوقت
مستشعر سعوي دافئ	الهواء/الغازات	-15 إلى 50	معتدلة إلى منخفضة	2 إلى 0.05 هرتز (يعتمد على درجة الحرارة)	متوسطة إلى عالية	عرضة للتشبع/التلوث بمرور الوقت
مستشعر مقاوم	الهواء/الغازات	-10 إلى 50	معتدل	60 ثانية	واسطة	عرضة للتلوث
خلية ندى كلوريد الليثيوم	هواء	-30 إلى 50	معتدل	مستمر	واسطة	انظر إلى خلية الندى
كلوريد الكوبالت (II)	الهواء/الغازات	0 الى 50	عالي	5 دقائق	منخفض جدا	تستخدم عادة في بطاقة مؤشر الرطوبة
مطيافية الامتصاص	الهواء/الغازات		معتدل		عالي
أكسيد الألومنيوم	الهواء/الغازات		معتدل		واسطة	انظر تحليل الرطوبة
أكسيد السيليكون	الهواء/الغازات		معتدل		واسطة	انظر تحليل الرطوبة
الامتصاص الكهرضغطي	الهواء/الغازات		معتدل		واسطة	انظر تحليل الرطوبة
التحليل الكهربائي	الهواء/الغازات		معتدل		واسطة	انظر تحليل الرطوبة
توتر الشعر	هواء	0 الى 40	عالي	مستمر	منخفضة إلى متوسطة	يتأثر بدرجة الحرارة ويتأثر سلبًا بالتركيزات العالية لفترات طويلة
جهاز قياس مستوى الماء في الدم	الهواء/الغازات الأخرى		قليل		عالية جدا
جلد البقرة الذهبية (البريتونيوم البقري)	هواء	-20 إلى 30	معتدل (مع التصحيحات)	بطيئًا، أبطأ في درجات الحرارة المنخفضة	قليل	المرجع: دليل المنظمة العالمية للأرصاد الجوية للأدوات وطرق الرصد رقم 8 2006، (الصفحات 1.12–1)
لايمان ألفا				تردد عالي	عالي	http://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=lyman-alpha-hygrometer1 يتطلب معايرة متكررة
مقياس الرطوبة الوزني			منخفض جدا		عالية جدا	غالبًا ما يطلق عليها المصدر الأساسي، وهي معايير وطنية مستقلة تم تطويرها في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة والاتحاد الأوروبي واليابان
	واسطة	مدى درجة الحرارة (درجة مئوية)	عدم اليقين في القياس	تردد القياس النموذجي	تكلفة النظام	ملحوظات

بخار الماء أخف أو أقل كثافة من الهواء الجاف . ^{[11] [12]} عند درجات حرارة مكافئة يكون طافيًا بالنسبة للهواء الجاف، حيث تبلغ كثافة الهواء الجاف عند درجة الحرارة والضغط القياسيين (273.15 كلفن، 101.325 كيلو باسكال) 1.27 جم / لتر وبخار الماء عند درجة الحرارة القياسية له ضغط بخار 0.6 كيلو باسكال وكثافة أقل بكثير تبلغ 0.0048 جم / لتر.

حسابات كثافة بخار الماء والهواء الجاف عند 0 درجة مئوية:

• الكتلة المولية للماء هي 18.02 جم/مول ، كما تم حسابها من مجموع الكتل الذرية للذرات المكونة لها .
• متوسط ​​الكتلة المولية للهواء (حوالي 78٪ نيتروجين، N ₂ ؛ 21٪ أكسجين، O ₂ ؛ 1٪ غازات أخرى) هو 28.57 جم / مول في درجة الحرارة والضغط القياسيين ( STP ).
• وفقًا لقانون أفوجادرو وقانون الغاز المثالي ، فإن كثافة الهواء الرطب ستكون أقل من كثافة الهواء الجاف. عند أقصى تشبع (أي الرطوبة النسبية = 100% عند 0 درجة مئوية) ستنخفض الكثافة إلى 28.51 جم/مول.
• تشير ظروف STP إلى درجة حرارة 0 درجة مئوية، حيث تكون قدرة الماء على التحول إلى بخار محدودة للغاية. يكون تركيزه في الهواء منخفضًا جدًا عند 0 درجة مئوية. يمثل الخط الأحمر على الرسم البياني إلى اليمين أقصى تركيز لبخار الماء المتوقع عند درجة حرارة معينة. يزداد تركيز بخار الماء بشكل كبير مع ارتفاع درجة الحرارة، ويقترب من 100٪ ( البخار ، بخار الماء النقي) عند 100 درجة مئوية. ومع ذلك، سيظل الفرق في الكثافة بين الهواء وبخار الماء موجودًا (0.598 مقابل 1.27 جم / لتر).

عند نفس درجة الحرارة، سيكون عمود الهواء الجاف أكثر كثافة أو أثقل من عمود الهواء الذي يحتوي على أي بخار ماء، حيث تكون الكتلة المولية للنيتروجين ثنائي الذرة والأكسجين ثنائي الذرة أكبر من الكتلة المولية للماء. وبالتالي، فإن أي حجم من الهواء الجاف سوف يغرق إذا تم وضعه في حجم أكبر من الهواء الرطب. كما أن حجم الهواء الرطب سوف يرتفع أو يصبح طافيًا إذا تم وضعه في منطقة أكبر من الهواء الجاف. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد نسبة بخار الماء في الهواء، وتزداد قدرته على الطفو. يمكن أن يكون لزيادة القدرة على الطفو تأثيرًا جويًا كبيرًا، مما يؤدي إلى ظهور تيارات هوائية قوية وغنية بالرطوبة صاعدة عندما تصل درجة حرارة الهواء ودرجة حرارة البحر إلى 25 درجة مئوية أو أكثر. توفر هذه الظاهرة قوة دافعة كبيرة لأنظمة الطقس الإعصارية والمضادة للأعاصير (الأعاصير والعواصف).

بخار الماء هو أحد المنتجات الثانوية لعملية التنفس في النباتات والحيوانات. تزداد مساهمته في الضغط مع زيادة تركيزه. تزداد مساهمته في الضغط الجزئي في ضغط الهواء، مما يقلل من مساهمة الضغط الجزئي للغازات الجوية الأخرى (قانون دالتون) . يجب أن يظل الضغط الجوي الكلي ثابتًا. يؤدي وجود بخار الماء في الهواء بشكل طبيعي إلى تخفيف أو إزاحة مكونات الهواء الأخرى مع زيادة تركيزه.

قد يؤثر هذا على عملية التنفس. ففي الهواء الدافئ للغاية (35 درجة مئوية) تكون نسبة بخار الماء كبيرة بما يكفي لإحداث الاختناق الذي يمكن الشعور به في ظروف الغابات الرطبة أو في المباني سيئة التهوية.

بخار الماء له كثافة أقل من كثافة الهواء وبالتالي فهو طافي في الهواء ولكن ضغط بخاره أقل من ضغط الهواء. عندما يستخدم بخار الماء كغاز رافع بواسطة منطاد حراري، يتم تسخين بخار الماء لتكوين بخار بحيث يكون ضغط بخاره أكبر من ضغط الهواء المحيط من أجل الحفاظ على شكل "بالون البخار" النظري، والذي ينتج ما يقرب من 60٪ من رفع الهيليوم وضعف الهواء الساخن. ^[13]

إن كمية بخار الماء في الغلاف الجوي مقيدة بقيود الضغوط الجزئية ودرجة الحرارة. تعمل درجة حرارة نقطة الندى والرطوبة النسبية كدليل لعملية بخار الماء في دورة المياه . يمكن أن يؤدي إدخال الطاقة، مثل ضوء الشمس، إلى المزيد من التبخر على سطح المحيط أو المزيد من التسامي على قطعة من الجليد أعلى الجبل. يعطي التوازن بين التكثيف والتبخر الكمية المسماة الضغط الجزئي للبخار .

يختلف الحد الأقصى للضغط الجزئي ( ضغط التشبع ) لبخار الماء في الهواء باختلاف درجة حرارة خليط الهواء وبخار الماء. توجد مجموعة متنوعة من الصيغ التجريبية لهذه الكمية؛ الصيغة المرجعية الأكثر استخدامًا هي معادلة جوف-جراتش لضغط التشبع الجزئي فوق الماء السائل عند درجة حرارة تقل عن صفر درجة مئوية:

${\displaystyle {\begin{aligned}\log _{10}\left(p\right)=&-7.90298\left({\frac {373.16}{T}}-1\right)+5.02808\log _{10}{\frac {373.16}{T}}\&-1.3816\times 10^{-7}\left(10^{11.344\left(1-{\frac {T}{373.16}}\right)}-1\right)\\&+8.1328\times 10^{-3}\left(10^{-3.49149\left({\frac {373.16}{T}}-1\right)}-1\right)\\&+\log _{10}\يسار(1013.246\يمين)\نهاية{محاذاة}}}$

حيث يتم تحديد T ، درجة حرارة الهواء الرطب، بوحدات كلفن ، ويتم تحديد p بوحدات مليبار ( هيكتوباسكال ).

الصيغة صالحة من حوالي -50 إلى 102 درجة مئوية؛ ومع ذلك، هناك عدد محدود للغاية من قياسات ضغط بخار الماء فوق الماء السائل المبرد للغاية. هناك عدد من الصيغ الأخرى التي يمكن استخدامها. ^[14]

في ظل ظروف معينة، مثل الوصول إلى درجة غليان الماء، سوف يحدث تبخر صافٍ دائمًا أثناء الظروف الجوية القياسية بغض النظر عن نسبة الرطوبة النسبية. وسوف تعمل هذه العملية الفورية على تبديد كميات هائلة من بخار الماء في جو أكثر برودة.

يكون الهواء الزفير في حالة توازن تام تقريبًا مع بخار الماء عند درجة حرارة الجسم. وفي الهواء البارد، يتكثف البخار الزفيري بسرعة، وبالتالي يظهر على شكل ضباب أو ضباب من قطرات الماء وكتكاثف أو صقيع على الأسطح. ويشكل تكاثف قطرات الماء هذه بالقوة من الزفير أساس تكاثف الزفير ، وهو اختبار تشخيصي طبي متطور.

يعد التحكم في بخار الماء في الهواء من الأمور الرئيسية في صناعة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء . تعتمد الراحة الحرارية على ظروف الهواء الرطبة. تسمى مواقف الراحة غير البشرية بالتبريد ، وتتأثر أيضًا ببخار الماء. على سبيل المثال، تستخدم العديد من متاجر المواد الغذائية، مثل محلات السوبر ماركت، خزائن تبريد مفتوحة، أو علب طعام ، والتي يمكن أن تخفض بشكل كبير ضغط بخار الماء (خفض الرطوبة). تقدم هذه الممارسة العديد من الفوائد وكذلك المشاكل.

يمثل الماء الغازي مكونًا صغيرًا ولكنه مهم بيئيًا للغلاف الجوي . تتراوح نسبة بخار الماء في الهواء السطحي من 0.01٪ عند -42 درجة مئوية (-44 درجة فهرنهايت) ^[15] إلى 4.24٪ عندما تكون نقطة الندى 30 درجة مئوية (86 درجة فهرنهايت). ^[16] أكثر من 99٪ من الماء الجوي في شكل بخار، وليس ماء سائل أو جليد، ^[17] ويوجد حوالي 99.13٪ من بخار الماء في طبقة التروبوسفير . إن تكثيف بخار الماء إلى الطور السائل أو الجليدي مسؤول عن السحب والأمطار والثلوج وهطول الأمطار الأخرى ، وكلها من بين أهم العناصر فيما نختبره كطقس. أقل وضوحًا، فإن الحرارة الكامنة للتبخر ، والتي يتم إطلاقها في الغلاف الجوي كلما حدث التكثيف، هي واحدة من أهم المصطلحات في ميزانية الطاقة الجوية على المستويين المحلي والعالمي. على سبيل المثال، فإن إطلاق الحرارة الكامنة في الحمل الحراري الجوي مسؤول بشكل مباشر عن توليد الطاقة للعواصف المدمرة مثل الأعاصير المدارية والعواصف الرعدية الشديدة . يعد بخار الماء غازًا دفيئًا مهمًا ^{[18] [19]} بسبب وجود الرابطة الهيدروكسيلية التي تمتص بقوة في الأشعة تحت الحمراء .

بخار الماء هو "الوسط العامل" للمحرك الديناميكي الحراري الجوي الذي يحول الطاقة الحرارية من أشعة الشمس إلى طاقة ميكانيكية في شكل رياح. ويتطلب تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية مستوى درجة حرارة أعلى ومستوى درجة حرارة أدنى، بالإضافة إلى وسط عامل يتحرك ذهابًا وإيابًا بينهما. ويحدد مستوى درجة الحرارة الأعلى التربة أو سطح الماء للأرض، الذي يمتص إشعاع الشمس الوارد ويسخن، مما يؤدي إلى تبخر الماء. والهواء الرطب والدافئ على الأرض أخف من محيطه ويرتفع إلى الحد الأعلى لطبقة التروبوسفير. وهناك تشع جزيئات الماء طاقتها الحرارية إلى الفضاء الخارجي، فتبرد الهواء المحيط. ويشكل الغلاف الجوي العلوي مستوى درجة الحرارة الأدنى للمحرك الديناميكي الحراري الجوي. ويتكثف بخار الماء في الهواء البارد الآن ويسقط على الأرض في شكل مطر أو ثلج. ويهبط الهواء البارد والجاف الأثقل الآن إلى الأرض أيضًا؛ وبالتالي، ينشئ المحرك الديناميكي الحراري الجوي حملًا حراريًا رأسيًا ينقل الحرارة من الأرض إلى الغلاف الجوي العلوي، حيث يمكن لجزيئات الماء أن تشعها إلى الفضاء الخارجي. وبسبب دوران الأرض وقوى كوريوليس الناتجة، يتحول هذا الحمل الحراري الرأسي الجوي أيضًا إلى حمل حراري أفقي، في شكل أعاصير وأعاصير مضادة، تنقل الماء المتبخر فوق المحيطات إلى داخل القارات، مما يتيح للنباتات النمو. ^[20]

الماء في الغلاف الجوي للأرض ليس أقل من نقطة غليانه (100 درجة مئوية) فحسب، بل إنه ينخفض ​​عند الارتفاع إلى ما دون نقطة تجمده (0 درجة مئوية)، وذلك بسبب جاذبية الماء شديدة الاستقطاب . وعند دمجه مع كميته، فإن بخار الماء يكون له نقطة ندى ونقطة تجمد ذات صلة ، على عكس ثاني أكسيد الكربون والميثان على سبيل المثال. وبالتالي فإن ارتفاع مقياس بخار الماء يمثل جزءًا بسيطًا من ارتفاع الغلاف الجوي العام، ^{[21] [22] [23] حيث} يتكثف الماء ويخرج ، في المقام الأول في طبقة التروبوسفير ، وهي أدنى طبقة من الغلاف الجوي. ^[24] يميل ثاني أكسيد الكربون ( CO ₂ ) والميثان ، اللذان يختلطان جيدًا في الغلاف الجوي، إلى الارتفاع فوق بخار الماء. يساهم امتصاص وانبعاث كلا المركبين في انبعاث الأرض إلى الفضاء، وبالتالي تأثير الاحتباس الحراري الكوكبي . ^{[22] [25] [26] يمكن ملاحظة قوة الاحتباس الحراري هذه بشكل مباشر، من خلال} ميزات طيفية مميزة مقابل بخار الماء، ولوحظ أنها ترتفع مع ارتفاع مستويات _ثاني أكسيد الكربون . ^[27] وعلى العكس من ذلك، فإن إضافة بخار الماء على ارتفاعات عالية لها تأثير غير متناسب، وهذا هو السبب في أن حركة الطائرات النفاثة ^{[28] [29] [30]} لها تأثير احترار مرتفع بشكل غير متناسب. كما أن أكسدة الميثان هي أيضًا مصدر رئيسي لبخار الماء في طبقة الستراتوسفير، ^[31] وتضيف حوالي 15٪ إلى تأثير الاحتباس الحراري العالمي للميثان. ^[32]

في غياب الغازات المسببة للانحباس الحراري الأخرى، فإن بخار الماء على الأرض سوف يتكثف على السطح؛ ^{[33] [34] [35]} ومن المرجح أن هذا قد حدث أكثر من مرة. وبالتالي يميز العلماء بين الغازات المسببة للانحباس الحراري غير القابلة للتكثيف (الدافعة) والقابلة للتكثيف (الدافعة)، أي ردود الفعل لبخار الماء المذكورة أعلاه. ^{[36] [19] [18]}

تتكون الضباب والسحب من خلال التكاثف حول نوى تكاثف السحب . وفي غياب النوى، لن يحدث التكاثف إلا عند درجات حرارة أقل بكثير. وفي ظل التكاثف المستمر أو الترسيب، تتشكل قطرات السحب أو رقاقات الثلج، والتي تتساقط عندما تصل إلى كتلة حرجة.

إن تركيز بخار الماء في الغلاف الجوي متغير للغاية بين المواقع والأوقات، من 10 جزء في المليون في الهواء الأكثر برودة إلى 5٪ (50000 جزء في المليون) في الهواء الاستوائي الرطب، ^[37] ويمكن قياسه بمزيج من ملاحظات الأرض وبالونات الطقس والأقمار الصناعية. ^[38] يتم استنفاد محتوى الماء في الغلاف الجوي ككل باستمرار بسبب هطول الأمطار. في نفس الوقت يتم تجديده باستمرار عن طريق التبخر، وأبرزها من المحيطات والبحيرات والأنهار والأرض الرطبة. تشمل المصادر الأخرى للمياه الجوية الاحتراق والتنفس والثورات البركانية ونتح النباتات والعديد من العمليات البيولوجية والجيولوجية الأخرى. في أي وقت معين يوجد حوالي 1.29 × 10 ¹⁶ لترًا (3.4 × 10 ¹⁵ جالونًا) من الماء في الغلاف الجوي. يحتوي الغلاف الجوي على جزء واحد من كل 2500 جزء من المياه العذبة، وجزء واحد من كل 100000 جزء من إجمالي المياه على الأرض. ^[39] إن متوسط ​​محتوى بخار الماء العالمي في الغلاف الجوي كافٍ تقريبًا لتغطية سطح الكوكب بطبقة من الماء السائل يبلغ عمقها حوالي 25 مم. ^{[40] [41] [42]} يبلغ متوسط ​​هطول الأمطار السنوي على الكوكب حوالي متر واحد، وهي المقارنة التي تعني دورانًا سريعًا للمياه في الهواء - في المتوسط، يبلغ وقت إقامة جزيء الماء في طبقة التروبوسفير حوالي 9 إلى 10 أيام. ^[42]

يبلغ متوسط ​​بخار الماء العالمي حوالي 0.25% من الغلاف الجوي من حيث الكتلة ويتغير أيضًا موسميًا من حيث المساهمة في الضغط الجوي بين 2.62 هكتوباسكال في يوليو و2.33 هكتوباسكال في ديسمبر. ^{[45] يعبر} تقرير التقييم السادس للجنة الدولية للتغيرات المناخية عن ثقة متوسطة في زيادة إجمالي بخار الماء بنحو 1-2% لكل عقد؛ ^[46] ومن المتوقع أن يزيد بنحو 7% لكل درجة مئوية من الاحترار. ^[40]

إن حلقات النشاط الحراري الأرضي السطحي، مثل الانفجارات البركانية والسخانات، تطلق كميات متفاوتة من بخار الماء في الغلاف الجوي. وقد تكون مثل هذه الانفجارات كبيرة من حيث الحجم البشري، وقد تضخ الانفجارات البركانية الكبرى كميات هائلة من الماء إلى الغلاف الجوي، ولكن كنسبة مئوية من إجمالي المياه في الغلاف الجوي، فإن دور مثل هذه العمليات تافه. وتختلف التركيزات النسبية للغازات المختلفة التي تنبعث من البراكين بشكل كبير وفقًا للموقع ووفقًا للحدث المحدد في أي موقع واحد. ومع ذلك، فإن بخار الماء هو باستمرار الغاز البركاني الأكثر شيوعًا ؛ وكقاعدة عامة، فإنه يشكل أكثر من 60٪ من إجمالي الانبعاثات أثناء الانفجار تحت الجوي . ^[47]

يتم التعبير عن محتوى بخار الماء في الغلاف الجوي باستخدام مقاييس مختلفة. وتشمل هذه ضغط البخار، والرطوبة النوعية ، ونسبة الخلط، ودرجة حرارة نقطة الندى، والرطوبة النسبية .

نظرًا لأن جزيئات الماء تمتص الموجات الدقيقة وترددات الموجات الراديوية الأخرى ، فإن الماء في الغلاف الجوي يضعف إشارات الرادار . ^[48] بالإضافة إلى ذلك، فإن الماء في الغلاف الجوي يعكس ويكسر الإشارات إلى حد يعتمد على ما إذا كان بخارًا أو سائلاً أو صلبًا.

وبشكل عام، تفقد إشارات الرادار قوتها تدريجيًا كلما ابتعدت عبر طبقة التروبوسفير. وتضعف الترددات المختلفة بمعدلات مختلفة، بحيث تصبح بعض مكونات الهواء معتمة لبعض الترددات وشفافة لترددات أخرى. وتتعرض الموجات الراديوية المستخدمة في البث وغيره من وسائل الاتصال لنفس التأثير.

يعكس بخار الماء الرادار بدرجة أقل من المرحلتين الأخريين من الماء. في شكل قطرات وبلورات جليدية، يعمل الماء كمنشور، وهو ما لا يفعله كجزيء فردي ؛ ومع ذلك، فإن وجود بخار الماء في الغلاف الجوي يجعل الغلاف الجوي يعمل كمنشور عملاق. ^[49]

تُظهر مقارنة بين صور القمر الصناعي GOES-12 توزيع بخار الماء في الغلاف الجوي نسبة إلى محيطات الأرض وسحبها وقاراتها. يحيط البخار بالكوكب ولكنه موزع بشكل غير متساوٍ. تُظهر حلقة الصورة الموجودة على اليمين متوسط ​​محتوى بخار الماء الشهري مع إعطاء الوحدات بالسنتيمتر، وهو الماء القابل للتساقط أو الكمية المكافئة من الماء التي يمكن إنتاجها إذا تكثف كل بخار الماء في العمود. تظهر أقل كميات بخار الماء (0 سنتيمتر) باللون الأصفر، وتظهر أعلى الكميات (6 سنتيمتر) باللون الأزرق الداكن. تظهر مناطق البيانات المفقودة بظلال من اللون الرمادي. تستند الخرائط إلى البيانات التي تم جمعها بواسطة مستشعر مطياف التصوير متوسط ​​الدقة (MODIS) على قمر ناسا الصناعي Aqua. النمط الأكثر وضوحًا في السلسلة الزمنية هو تأثير التغيرات الموسمية في درجات الحرارة وأشعة الشمس الواردة على بخار الماء. في المناطق الاستوائية، تتأرجح مجموعة من الهواء شديد الرطوبة شمال وجنوب خط الاستواء مع تغير الفصول. هذا النطاق من الرطوبة هو جزء من منطقة التقارب المدارية ، حيث تتقارب الرياح التجارية الشرقية من كل نصف كرة وتنتج عواصف رعدية وسحب شبه يومية. بعيدًا عن خط الاستواء، تكون تركيزات بخار الماء عالية في نصف الكرة الأرضية الذي يشهد الصيف ومنخفضة في نصف الكرة الأرضية الذي يشهد الشتاء. نمط آخر يظهر في السلسلة الزمنية هو أن كميات بخار الماء فوق مناطق اليابسة تنخفض أكثر في أشهر الشتاء مقارنة بمناطق المحيط المجاورة. ويرجع هذا إلى حد كبير إلى أن درجات حرارة الهواء فوق اليابسة تنخفض أكثر في الشتاء من درجات الحرارة فوق المحيط. يتكاثف بخار الماء بشكل أسرع في الهواء البارد. ^[50]

نظرًا لأن بخار الماء يمتص الضوء في النطاق الطيفي المرئي، فيمكن استخدام امتصاصه في التطبيقات الطيفية (مثل DOAS ) لتحديد كمية بخار الماء في الغلاف الجوي. يتم ذلك عمليًا، على سبيل المثال من مطياف تجربة مراقبة الأوزون العالمية (GOME) على ERS (GOME) و MetOp (GOME-2). ^[51] تعتمد خطوط امتصاص بخار الماء الأضعف في النطاق الطيفي الأزرق وأبعد في الأشعة فوق البنفسجية حتى حد تفككها عند حوالي 243 نانومتر في الغالب على حسابات ميكانيكية الكم ^[52] ولا يتم تأكيدها إلا جزئيًا من خلال التجارب. ^[53]

يلعب بخار الماء دورًا رئيسيًا في إنتاج البرق في الغلاف الجوي. وفقًا لفيزياء السحب ، عادةً ما تكون السحب هي المولدات الحقيقية للشحنات الساكنة الموجودة في الغلاف الجوي للأرض. ترتبط قدرة السحب على الاحتفاظ بكميات هائلة من الطاقة الكهربائية بشكل مباشر بكمية بخار الماء الموجودة في النظام المحلي.

تتحكم كمية بخار الماء بشكل مباشر في نفاذية الهواء. وخلال أوقات انخفاض الرطوبة، يكون التفريغ الساكن سريعًا وسهلاً. وخلال أوقات ارتفاع الرطوبة، يحدث عدد أقل من التفريغات الساكنة. تعمل النفاذية والسعة جنبًا إلى جنب لإنتاج مخرجات ميغاواط من البرق. ^[54]

على سبيل المثال، بعد أن تبدأ السحابة طريقها لتصبح مولدًا للبرق، يعمل بخار الماء الجوي كمادة (أو عازل ) تقلل من قدرة السحابة على تفريغ طاقتها الكهربائية. على مدى فترة زمنية معينة، إذا استمرت السحابة في توليد وتخزين المزيد من الكهرباء الساكنة ، فإن الحاجز الذي تم إنشاؤه بواسطة بخار الماء الجوي سوف ينهار في النهاية من طاقة الوضع الكهربائية المخزنة. ^[55] سيتم إطلاق هذه الطاقة إلى منطقة محلية مشحونة بشكل معاكس، في شكل برق. ترتبط قوة كل تفريغ بشكل مباشر بنفاذية الغلاف الجوي والسعة وقدرة المصدر على توليد الشحنة. ^[56]

بخار الماء شائع في النظام الشمسي ، وبالتالي في الأنظمة الكوكبية الأخرى . وقد تم الكشف عن بصمته في الغلاف الجوي للشمس، والذي يحدث في البقع الشمسية . وقد تم الكشف عن وجود بخار الماء في الغلاف الجوي لجميع الكواكب السبعة خارج الأرض في النظام الشمسي، وقمر الأرض، ^[57] وأقمار الكواكب الأخرى، ^{[ والتي؟ ]} على الرغم من وجوده بكميات ضئيلة فقط.

يُعتقد أن التكوينات الجيولوجية مثل السخانات المبردة موجودة على سطح العديد من الأقمار الجليدية التي تقذف بخار الماء بسبب التسخين المدّي وقد تشير إلى وجود كميات كبيرة من المياه تحت السطحية. تم اكتشاف أعمدة بخار الماء على قمر المشتري أوروبا وهي تشبه أعمدة بخار الماء التي تم اكتشافها على قمر زحل إنسيلادوس . ^[58] كما تم اكتشاف آثار بخار الماء في طبقة الستراتوسفير الخاصة بتيتانيوم . ^[60] وجد أن بخار الماء هو أحد المكونات الرئيسية للغلاف الجوي للكوكب القزم سيريس ، أكبر جسم في حزام الكويكبات ^[61] تم إجراء الاكتشاف باستخدام قدرات الأشعة تحت الحمراء البعيدة لمرصد هيرشل الفضائي . ^[62] هذا الاكتشاف غير متوقع لأن المذنبات ، وليس الكويكبات ، تعتبر عادةً "مصدرًا للنفاثات والأعمدة". وفقًا لأحد العلماء، "أصبحت الخطوط الفاصلة بين المذنبات والكويكبات غير واضحة بشكل متزايد". ^[62] يفترض العلماء الذين يدرسون المريخ أنه إذا تحرك الماء حول الكوكب، فإنه يفعل ذلك على شكل بخار. ^[63]

يأتي بريق ذيول المذنبات إلى حد كبير من بخار الماء. عند الاقتراب من الشمس ، يتحول الجليد الذي تحمله العديد من المذنبات إلى بخار. وبمعرفة مسافة المذنب عن الشمس، قد يستنتج علماء الفلك محتوى الماء في المذنب من بريقه. ^[64]

تم تأكيد وجود بخار الماء أيضًا خارج النظام الشمسي. يوفر التحليل الطيفي لكوكب HD 209458 b ، وهو كوكب خارج المجموعة الشمسية في كوكبة بيجاسوس، أول دليل على وجود بخار الماء في الغلاف الجوي خارج النظام الشمسي. تم العثور على نجم يسمى CW Leonis لديه حلقة من كميات هائلة من بخار الماء تدور حول النجم الضخم المسن . قام قمر صناعي تابع لوكالة ناسا مصمم لدراسة المواد الكيميائية في سحب الغاز بين النجوم، باكتشاف ذلك باستخدام مطياف على متنه. على الأرجح، "تبخر بخار الماء من أسطح المذنبات المدارية". ^[65] تشمل الكواكب الخارجية الأخرى التي بها دليل على وجود بخار الماء HAT-P-11b و K2-18b . ^{[66] [67]}

• المكتبة الرقمية الوطنية للعلوم – بخار الماء
• احسب تكاثف أنفاسك الزفيرية
• أساطير بخار الماء: دليل تعليمي موجز
• بخار الماء في النظام المناخي – 1995
• برنامج مجاني لنظام Windows، حاسبة تحويل وحدات ضغط بخار الماء – PhyMetrix