空气湿度,即空气中水蒸气的含量,用来表征大气的干燥程度。在一定的温度下,在一定体积的空气里含有的水汽越少,空气越干燥;水汽越多,则空气越潮湿。在天气预报中,更常用到相对湿度这个概念,它反映了降雨或有雾的可能性。在医学上,空气的湿度与呼吸之间的关系非常紧密:在一定的湿度下,氧气比较容易通过肺泡进入血液。
人体感觉舒适的相对湿度在70%以下;在相对湿度达到45%~55%时,感觉最舒适。湿度过高,影响人调节体温的排汗功能,人会感到闷热。那么,湿度又是如何测量出来的呢?
最早的测湿仪器出现于西汉时期,名为天平式湿度计,它比国外的测湿仪器早出现1600多年。这种湿度计的构造很简单:用一根粗细均匀的木杆悬挂在立柱的中点处,两端分别挂上吸湿能力不同的物品,它的样子好像一架天平。
西汉淮南王刘安主持撰写的《淮南子》一书曾对天平式湿度计有过记载,描述了当时人们用羽毛、木炭测湿,以预测降雨。书中还指出了其中的测湿原理:因炭吸湿性强,也易变干燥,极易随空气湿度改变而产生质量变化,“燥,故炭轻;湿,故炭重”。这里用科学语言可以描述为,羽毛或炭的质量受温度影响较小,基本保持不变。
把羽毛或炭悬挂在天平的两端,使之处于平衡状态,当湿度发生变化时,炭随湿度改变而产生质量变化,而羽毛不发生明显变化,天平因此失去平衡。经过多次测量,由天平倾斜角度的大小可以大体知道湿度情况。
三国时期的孟康曾详细记载过天平式湿度计的结构:把铁和炭分别挂在天平的两端,让天平平衡。冬天时,空气比较干燥,炭端上翘,铁端低垂;夏天时,空气比较潮湿,炭端低垂,铁端上翘。这两处关于天平式湿度计的记载并非孤例,历代古书中类似的记载有不少,天平式湿度计另一端挂的东西也不尽相同,有用铁和炭的,也有用羽毛和炭的,还有用土和炭的,等等,反正都离不开炭。
由于这种天平式湿度计具有简便、易制作的优点,且灵敏度尚可,故而如今在一些农村地区仍有人使用。不过,这种湿度计也存在体积太大、精确度不高等缺陷。到了明清时期,出现了一种鹿筋式测湿计:以2尺长的鹿肠线夹在架子顶端,下面设有指针圆盘,空气的湿度变化会导致圆盘转动,可以精确得出湿度。西方学者认为,这种鹿筋式湿度计就是现代湿度计的雏形。
在欧洲,到了16世纪中叶,才有人用鸟兽的肠子制成弦线,或用野雀麦芒的长度变化来测知大气的湿度。万物中以鸟兽的筋皮对燥湿气的效应最为明显,所以人们用筋弦来制作仪器,如前面所提到的鹿筋式湿度计。
古人测湿有妙招,归根结底,湿度计的发明源于古人对晴雨规律的观察。民间流传下来许多有关预知晴雨的谚语和土办法,其中有不少都是科学经验的结晶。唐代有“壁上自然生水者,天将大雨”和“石上津润出液,将雨数日”等记载。东北地区有“水缸穿裙,大雨倾盆”“食盐化水,天将大水”之类的谚语。
明代科学家徐光启在《农政全书》里引用了一条农谚:“檐头插柳青,农人休望晴;檐头插柳焦,农人好作娇。”其中的“作娇”是指酿酒。这句农谚翻译为白话文是说:折下来插在檐头的柳枝如果保持常青,说明空气潮湿,柳叶中的水分不易蒸发,所以天气不得放晴;若柳叶枯黄,那是因为空气干燥,柳叶中的水分蒸发得快,天气必将放晴,气温回升,正好可以酿酒了。
元代以来,民间还有一种“称水”的方法,可以用来预知晴雨。这种方法是在每天晚上盛满一瓶水,翌日早晨称一下,如果分量还是很重,说明水分蒸发较慢,天气容易下雨;反之表明空气非常干燥,天气不容易下雨。人们发现,影响晴雨的最重要因素是大气湿度,这一点在西汉时期的《淮南子》一书中有明确记载,即“湿易雨”。所以,古人很注意寻求受大气湿度影响的现象,战国古琴便是湿度计的雏形。
古琴琴弦的长度会随外界湿度变化而发生改变,从而引起古琴音调的明显变化。古琴也因此成为湿度计的雏形。早在战国时期,人们就知道“风雨之变可以音律知之”。后来的《淮南子》中也这么说。对此,东汉科学家王充在其所著的《论衡》中指出:“琴弦缓”是天雨的征兆。这是一条很正确的经验。因为将要下雨时,空气湿度显著增大,拉紧的琴弦吸收了水分,就会变得长而松弛,所以其音调也就变低了。
琴弦的长度随大气湿度的变化是很微小的,不易觉察,但因此引起的音调的变化十分明显。故而,通过音调的变化去预报天气的晴雨是相当灵敏的,也是十分巧妙的,其中已孕育着悬弦式湿度计的原理。
所谓悬弦式湿度计,即根据某种“悬弦”的长度随湿度而变化的原理制成的湿度计。如此说来,战国时代的那张古琴就起到了这种湿度计的作用。
干湿球测湿法与“阿斯曼”在辽宁省营口百年气象陈列馆中,有一支1939年日本产的通风干湿表。这种通风干湿表最早是由德国人R阿斯.曼于1887年制造的,因而统称为“阿斯曼”。通风干湿表适合于野外观测时测量空气的温度和湿度。它内装两支一样的温度表,温度表球部处于双层防辐射套管的中心,套管外表面有反射率良好的电镀铬层。套管内壁一面涂黑,以便吸收罩内层的辐射,使其不致反射至传感器上。
仪器上部是一个通风器,它以发条或微型电动机为动力,通风器扇叶旋转时会将空气从温度表球部所处的套管口吸入,经叉管和主管流至扇叶,然后排出仪器之外。
其实,“阿斯曼”与百叶箱里的干湿球温度表的测湿原理是一样的。我们了解了干湿球温度表的测湿原理,也就明白了“阿斯曼”的测湿原理。如果有机会去气象观测场,往往能看到气象百叶箱。百叶箱里垂直挂着两支构造完全相同的温度表:东边的一支球部暴露在空气中,用来测定气温,叫“干球温度表”;西边的一支,球部缠上用蒸馏水湿润的纱布,被称为“湿球温度表”。这两支温度表合起来可以测定空气相对湿度。
其工作原理是:湿球纱布中的水分不断向周围空气中蒸发并带走热量,使该温度表附近的温度下降;且水分蒸发速率与周围空气的含水量有关—空气相对湿度越低,水分蒸发越快,导致湿球温度越低。可见,空气湿度与干湿球温差之间存在某种函数关系。干湿球温度表就是利用这一关系,来测定空气的相对湿度。
测定空气湿度的准确度与湿球温度示度是否准确有很大关系。要使湿球温度示度准确,湿球表面就要有良好的蒸发和热量的交换。通常选用吸水性良好的纱布包住湿球温度计,并注意保持纱布的清洁,而且要用纯净的蒸馏水湿润纱布。在气象部门,湿球温度表的球部统一使用配发的纱布按照规定的方式包扎。纱布一般每周更换一次,遇有风沙天气纱布易脏时可以随时更换。
天气转冷后,有的湿球纱布会结冰。
这时候,要把水杯从百叶箱中拿回室内,以防冻裂。同时,将湿球上的纱布在球部以下两三厘米处剪断,直到天气变暖、湿球不再结冰时再恢复纱布原本的长度。湿球结冰期间,不能用水杯供水,每次观测前必须润湿湿球纱布,这一步骤叫“融冰”。融冰的目的是使湿球上的纱布能有足够的水分或冰衣,保持湿球表面蒸发状况良好,以获得正确的湿球示度。
需要注意的是,当气温(干球温度表的示度)在-10℃以下时,要停止观测湿球温度,改用毛发湿度表或毛发湿度计测定湿度。
百叶箱里的干湿球温度表测出的温湿度固然准确,可如果我们想要到野外农田或者在大棚里观测气象要素,百叶箱是带不走的。在这种情况下,“阿斯曼”可就大显身手了。相对百叶箱,“阿斯曼”小巧玲珑,携带方便,直到今天,人们依然在使用。