מה היא השיטה האובייקטיבית למדוד את השפעת הטמפרטורה והלחות שבאוויר על תחושת החום שלנו?

מה המשמעות של אחוזי הלחות? האם בלחות של 100% יש בכלל חמצן באוויר? והאם יכול להיות מצב שבירושלים הטמפרטורות יהיו יותר גבוהות מבתל-אביב אבל בכל זאת בתל אביב נרגיש שחם לנו יותר? ומה זה עומס חום? צפו בסרטון:

כמה מים יש באמת באוויר?

האוויר שמסביבנו הוא תערובת של גזים שונים, כולל אדי מים. אבל אם פותחים כל ספר נתונים, או אתר  בנושא – למשל ויקיפדיה, מקבלים את הנתונים המפתיעים הבאים על הרכב האוויר:

הרכב האוויר לפי ויקיפדיה, אין מים באוויר??? | יוצר : Jarry1250
הרכב האוויר לפי ויקיפדיה. אין מים באוויר??? | מקור: ויקיפדיה, Jarry1250

כלומר, לפי מה שאומרים מעל 99.9% מהאוויר מורכב משלושה גזים בלבד – חנקן (כ-78%), חמצן (כ-21%) וארגון (כ-0.9%). שימו לב שאדי מים לא מופעים ברשימה.

אבל מצד שני, כולם יודעים שיש לחות, כלומר אדי מים באוויר. בתחזית מזג האוויר בקיץ תמיד מציינים את אחוזי הלחות שנעים סביב 40, 60 ואפילו 80 אחוזי לחות – אז למה הם לא מופיעים בנתונים?

וכמה מים יש באמת באוויר? 0 אחוז או 80 אחוז? התשובה היא לא זה ולא זה. כמות הלחות שיש באוויר משתנה ממקום למקום – באופן כללי, באזורים קרובים לים יש יותר לחות באוויר מאזורים בעומק היבשה - ומיום ליום – ביום שרב, למשל, האוויר יבש, כלומר הלחות נמוכה יותר מרוב ימות השנה.

בגלל שזה המצב, כלומר שכמות המים שבאוויר לא קבועה, החליטו בכל המקומות לציין את הרכב האוויר היבש – ללא מים, שהוא קבוע.

וכמה מים האוויר באמת מכיל? זה תלוי בטמפרטורה:

בטמפרטורה של 5oC האוויר יכול להכיל לכל היותר 0.9 אחוז אדי מים,

בטמפרטורה של 15oC האוויר יכול להכיל לכל היותר 1.7 אחוז אדי מים,

בטמפרטורה של 25oC האוויר יכול להכיל לכל היותר 3.1 אחוז אדי מים,

ובטמפרטורה של 35oC האוויר יכול להכיל לכל היותר 5.4 אחוז אדי מים.
(כל הנתונים עבור אוויר בגובה פני הים)

כתבתי לכל היותר – כלומר ב-25 מעלות האוויר יכול להכיל גם פחות מים מ-3.1 אחוז, אבל לא יותר מהמספר הזה. כלומר אם תהייה לי מגבת רטובה שנמצאת בחדר ב-25 מעלות, שאחוז הלחות שבו הוא 3.1 אחוז - המגבת לא תתייבש, כי האוויר (כאילו) לא יכול להכיל יותר אדי מים, ולכן לא יהיה למים מהמגבת לאן להתאדות.

אז אם מדובר באחוזים בודדים, מאיפה מגיעים המספרים שעליהם מדברים בתחזית מזג האוויר, על עשרות אחוזי לחות: 50 אחוז לחות? 80 אחוז לחות?

ובכן, המספרים הללו הם של 'לחות יחסית' – נתון האומר כמה הלחות שבאוויר קרובה למקסימום שהוא יכול להכיל. אם האוויר ב-25 מעלות מכיל 1.55 אחוז אדי מים, אז אומרים בתחזית מזג האוויר שהלחות היחסית היא -50 אחוז, כי 1.55 מהווה 50 אחוז (חצי) מ-3.1 שזה אחוז הלחות המרבי.

האחוז היחסי באמת מוסר לנו יותר מידע מאשר אחוז הלחות המוחלט האמיתי  – משום שמה שחשוב לנו הוא כמה הלחות קרובה ל-100 אחוז, כלומר למקסימום שבו מים לא יוכלו להתאדות יותר. המספר 1.6 אחוז לא אומר כלום, כי השאלה אם הלחות גבוהה או נמוכה תלויה בטמפרטורה הספציפית, לכן לא מדווחים עליו. בכל מקרה, נתון של 100 אחוז לחות יחסית משמעותו אינה שכל האוויר הוא מים ושאין חמצן לנשימה, רחוק מכך, זה רק אומר שהאוויר כבר מכיל את כל כמות המים שהוא יכול להכיל.

מים שלא מתאדים (וזיעה שלא מקררת)

ככל שהלחות היחסית של האוויר גבוהה יותר, ככה מים יתאדו לאט יותר. כלומר, טיפת מים תתאדה לאט יותר באוויר עם 80 אחוזי לחות בהשוואה לאוויר עם 20 אחוזי לחות.

זה בגלל שתהליך ההתאדות של מים לאוויר הוא תהליך דינמי, ודו-כיווני: כלומר מים לא רק מתאדים אל האוויר, גם אדי מים שנמצאים באוויר מתעבים על טיפת המים. ככל שיש יותר לחות באוויר ככה יותר מים יתעבו חזרה, ב-100 אחוז לחות, קצב העיבוי משתווה לקצב האידוי, כך שבסך הכל האידוי הוא אפס:

אידוי מים לאוויר ועיבוי מים מהאוויר
אידוי (חץ למעלה) ועיבוי (חץ למטה) מים מהאוויר, בלחות יחסית שונה. ב-100 אחוז לחות הקצב משתווה ונטו אין אידוי

מבחינה פיזיקלית, ככל שהטמפרטורה של חומר עולה – כך קצב האידוי שלו גובר, כך שהתהליך הדינמי הזה נוטה יותר לכיוון אידוי עם עליית הטמפרטורה, ולכן ב-35 מעלות האוויר יכול להכיל יותר מים (5.4 אחוז) בהשוואה ל-25 מעלות (3.1 אחוז בלבד לכל היותר).

אבל לנו כבני אדם מה שחשוב זה לא כמה מים האוויר יכול להכיל, אלא בכלל קצב האידוי של מים לאוויר, שנקבע כאמור על ידי הלחות היחסית, וזאת משום שאידוי של מים (של זיעה) הוא המנגנון הראשי של הגוף לקרר את עצמו. כמו שהראינו בסרטון הקודם – רק השלב של אידוי הזיעה הוא המקרר את הגוף (כי אידוי צורך אנרגיה, לוקח אנרגיה מהגוף = קירור). ולכן – בלחות יחסית גבוהה, זיעה מתאדה לאט יותר ולכן פחות מקררת את הגוף, או מקררת בקצב איטי. כפי שאפשר היה לראות בניסוי שעשינו בסרטון, כאשר עטפנו מדחומים בבד לח, המדמה הזעה, ושמנו המדחומים בסביבה לחה ובסביבה יבשה – המדחום בסביבה היבשה התקרר הרבה הרבה פחות מהמדחום בסביבה היבשה.

צילום מסך מתוך הניסוי בסרטון – המדחום שעטוף בבד רטוב המדמה זיעה, שנמצא בסביבה הלחה כמעט ולא התקרר.
המדחום שעטוף בבד רטוב המדמה זיעה, שנמצא בסביבה הלחה כמעט ולא התקרר| צילום מסך מתוך הניסוי בסרטון 

ולכן – אחוז הלחות היחסית שבאוויר, שקובע את קצב ההזעה הוא פרמטר מאוד חשוב – בנוסף לטמפרטורה. באחוז לחות גבוה מאוד, הזיעה לא תוכל להתאדות אלא רק תישאר על הגוף, ולא תקרר את הגוף, ואנו נרגיש חום בלתי נסבל. זה המצב באיזור החוף בישראל בחודשי הקיץ.

השאלה איך אפשר לשקלל את שני הפרמטרים – חום ולחות, כך שנוכל לקבל מדד אובייקטיבי להשפעת הטמפרטורה והלחות על הרגשת החום?

מדד עומס החום

התשובה היא מדד עומס החום. מדד עומס החום הוא מדד שנוסח על ידי פרופ' עזרה זֹהר והוא נמצא בשימוש צה"ל וגם השירות המטאורולוגי מדווח עליו בתחזית מזג האוויר. המדד משקלל גם את הטמפרטורה, וגם את ההשפעה המקררת של הזיעה, שמושפעת ישירות מהלחות היחסית.

המדד הוא ממוצע של הטמפרטורה כפי שנמדדת במדחום יבש ובמדחום עטוף בבד לח. המדחום היבש אחראי לתרומת הטמפרטורה, והמדחום הלח המשקלל את לחות האוויר היחסית, ככל שהיא גבוהה יותר, קטן האפקט המקרר של ההתאדות והטמפרטורה במדחום גבוהה יותר, והממוצע עולה. במזג אוויר יבש – יש התאדות רבה, הטמפרטורה הנמדדת נמוכה והממוצע יורד. התוצאה מגדירה 1+5 דרגות של עומס חום, לפי התוצאה:

  • פחות מ-22, אין עומס חום כלל.
  • 22-23 : עומס חום קל
  • 24-25 : עומס חום מתון
  • 26-27 : עומס חום בינוני
  • 28-29 : עומס חום כבד
  • 30 ומעלה : עומס חום כבד מאוד עד קיצוני

צילום מסך מתוך הסרטון - מדידת טמפרטורה במדחום יבש ולח
מדד עומס חום הוא ממוצע הטמפרטורה במדחום יבש ובמדחום "מזיע" (עטוף בבד רטוב) | צילום מסך מתוך הניסוי בסרטון 

כך שיש לנו מדד כמותי אובייקטיבי למדידת עומס חום – ואפשר להכריע בכל יום ויום בשאלה איפה יותר גרוע בקיץ: בירושלים ובאר שבע ("איזה חום פה אצלכם!") או בתל אביב ("איך אתם סובלים את הלחות?").

8 תגובות

  • יונתן

    איכות האוויר

    שלום
    למה באיזורים מסוימים מרגישים אויר יותר צלול (נגיד בהרים) ובאיזור עירוני מרגישים אויר פחות צלול (יותר עכור)? מה ההסבר המדעי מאחורי זה?
    האם באיזור גבוה יותר האוויר יותר צלול?
    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    אוויר הרים צלול כיין?

    שלום יונתן
    זה פשוט זיהום אוויר - בערים יש יותר זיהום אוויר. בנוסף ישנה תופעה שנקראת ערפיח - שזה שילוב של ערפל ופיח. ערפל נוצר בעיקר באיזורים עם לחות גבוהה (אחרי שהאוויר מתקרר והלחות מגיעה ל-100% לחות יחסית אז האדים מתעבים). הערפיח גם גורם לאוויר להיות פחות צלול. בהרים בדר"כ לחות נמוכה יותר, רוח שמסלקת את הפיח ובכלל בדר"כ איזורים פחות עירוניים ומתועשים - ופחות פיח.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • דוד

    כמות הלחות באויר תלויה גם בגובה (לחץ אטמוספרי)

    הנתונים שהוצגו בכתבה לגבי כמות הלחות שיכול האויר להכיל בטמפרטורות שונות אינה נכונה היות ויש תלות לגובה (הלחץ הברומטרי) בו האויר נמצא. הנתונים שהוצגו אינם מתאימים לתנאי אויר בגובה הים

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    אכן – ולכן הנתונים כן הובאו עבור גובה פני הים

    שלום דוד
    אכן, הלחות (באחוזים מוחלטים) תלוייה גם בלחץ האטמוספירי, שהוא תלוי בגובה פני הים. למעשה – הלחות המקסימלית שיכולה להתאדות נקבעת על ידי גודל שנקרא 'לחץ אדים' – שנמדד ביחידות של לחץ, ולא של אחוזים – וזה הגודל הקבוע. לצורך פשטות ההסבר, המרתי את יחידות הלחץ – לאחוזים מוחלטים – בלחץ האוויר הנמצא בגובה פני הים. חישוב פשוט מראה לך שהנתונים שהבאתי בכתבה דווקא כן מתאימים לתנאי אוויר בגובה הים:
    בגובה פני הים, לחץ האוויר הממוצע הכולל הוא 760 מ"מ כספית.
    ולפיכך, הנתון הוא שב5 מעלות, לחץ אדי המים הוא 6.5 מ"מ כספית, ובחישוב אחוזים – 6.5/760*100= 0.9%
    ב25 מעלות, לחץ אדי המים הוא 23.8 מ"מ כספית, ובחישוב אחוזים - 23.8/760*100= 3.1%.
    (אתה מוזמן לעבור גם על שאר האחוזים המופיעים בכתבה - אתה יכול לראות את הנתונים על לחץ אדי המים בספרי נתונים ובאינטרנט באתרים אמינים, למשל בויקיפדיה האנגלית ישנה טבלת נתונים https://en.wikipedia.org/wiki/Vapour_pressure_of_water - אם אתה טוען שהנתונים שנמצאים בכל המקורות הללו שגויים - אשמח למקור).
    כמובן שאם אתה עולה לגובה – לחץ האוויר יורד. למשל בגובה של 6 קילומטר לחץ האוויר החיצוני כבר יורד לפחות ממחצית בגובה פני הים – רק 349 מ"מ כספית, והמתמטיקה מראה שהאחוזים - יוכפלו פחות או יותר (ב 25 מעלות האחוז יעלה ל 6.8%). אבל כיוון שרוב האנשים, בטח בארץ, חיים פחות או יותר בגובה פני הים ובלחץ אטמוספירי – העדפתי להישאר עם האחוזים וההסבר הברור שנכון ומדוייק עבורם. בנוסף, הוספתי עכשיו לכתבה הבהרה שהנתונים הינם לגובה פני הים.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • שמחה

    תודה רבה על כל ההסברים

    תודה רבה על כל ההסברים המובנים והברורים, איזה כיף שיש מישהו שיודע להסביר דברים מורכבים בכזאת פשטות ובהירות! ישר כח!

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תודה רבה!

    תודה על מה שכתבת, שמחתי לקרוא.

    אבי

  • נועם

    תודה

    הסבר נהדר. הרבה זמן תהיתי על העניין.
    אבל יש לי שאלה: נדמה לי שבמקרים נדירים יחסית מדברים על יותר מ100 אחוזי לחות. מה זה אומר?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    נקודת הטל

    היי נועם, תודה על המחמאות.
    בקשר לשאלתך: בוא נחשוב על המקרה הבא: תל אביב ביום קיץ חם, 35 מעלות, 4% לחות מוחלטת – שזה יוצא 74% לחות יחסית (4% מתוך 5.4% מקסימלי). מה קורה כשמגיע הלילה? – הטמפרטורה יורדת – אבל הלחות שבאוויר נשארת, נניח שבשעה 5 לפנות בוקר היא כבר ירדה ל-25 מעלות. אוויר ב-25 מעלות יכול להכיל לכל היותר 3.1% אדי מים – אז בוא נחשב מה הלחות היחסית – 4% מתוך 3.1% מקסימלי יוצא – 129% וזה כמובן לא מצב אפשרי. ולכן מה שיקרה זה טל: עודפי המים שבאוויר, כלומר כל מה שמעל 100%, יתעבו כטיפות טל על הצמחים והחפצים שבחוץ. הרבה צמחים וחרקים בישראל התאימו את חייהם למצב השחון בישראל וממש תלויים בטל לקיומם. הטמפרטורה שבה מתחיל טל להתעבות נקראת נקודת הטל.
    אבל כדי שטל יתעבה הוא צריך בדרך כלל משטח להתעבות עליו שנקרא 'גרעין התעבות': צמח, איזה משהו מחוספס, או אפילו גרגר אבק. אם במקרה (נדיר) האוויר מאוד נקי לא יהיה לאדי המים גרעיני התעבות ואז יכול להיות רגעית שהמים יכילו מעל 100% לחות. אתה יכול לראות את זה קורה בסרטון ניסוי אחר שעשינו – ענן בתוך בקבוק, בחצי הראשון של הניסוי, לפני שהכנסנו את העשן (ששימש כגרעין התעבות) לא מתעבים אדי מים אפילו כשהבקבוק מתפשט ומתקרר, במצב מיוחד זה יש לרגע בתוך הבקבוק מעל 100% לחות:
    https://davidson.weizmann.ac.il/online/scienceathome/physics/%D7%A2%D7%A...
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע