Lecture-9 Energy balance of earth; Atmospheric humidity, concept of saturation, vapor pressure

Energy balance of earth; Atmospheric humidity, concept of saturation, vapor pressure (पृथ्वी का ऊर्जा संतुलन; वायुमंडलीय आर्द्रता, संतृप्ति की अवधारणा, वाष्प दबाव):-

Energy Balance of Earth (पृथ्वी का ऊर्जा संतुलन):- The Earth's energy balance refers to the equilibrium between incoming solar radiation (insolation) and outgoing terrestrial radiation. It determines Earth's climate and weather patterns.

[पृथ्वी का ऊर्जा संतुलन उस संतुलन को दर्शाता है जो आने वाली सौर ऊर्जा (सौर विकिरण) और पृथ्वी से निकलने वाली ऊर्जा (पृथ्वी विकिरण) के बीच होता है। यह पृथ्वी की जलवायु और मौसम को निर्धारित करता है।]

i. Incoming Solar Radiation (Shortwave Radiation) (आने वाला सौर विकिरण):-

> The Sun emits energy in the form of shortwave radiation (mainly visible and ultraviolet light).

(सूर्य से ऊर्जा मुख्य रूप से कम तरंग दैर्ध्य विकिरण के रूप में आती है, जिसमें मुख्य रूप से दृश्य प्रकाश और पराबैंगनी प्रकाश शामिल होते हैं।)

> About 49% of solar radiation is absorbed by the Earth's surface.

(लगभग 49% सौर विकिरण पृथ्वी की सतह द्वारा अवशोषित कर लिया जाता है।)

> Around 31% is reflected back into space by clouds, aerosols, and the surface (albedo effect).

[लगभग 31% विकिरण परावर्तित हो जाता है (बादल, धूलकण और पृथ्वी की सतह द्वारा), जिसे प्रतिच्छाया प्रभाव (Albedo Effect) कहते हैं।]

> The remaining 20% is absorbed by the atmosphere (mainly by clouds and gases like water vapor, CO₂, and ozone).

[शेष 20% विकिरण वायुमंडल द्वारा अवशोषित किया जाता है (मुख्य रूप से जलवाष्प, CO₂ और ओजोन द्वारा)।]

ii. Outgoing Terrestrial Radiation (Longwave Radiation) (निकलने वाला पृथ्वी विकिरण):-

> The Earth radiates energy back in the form of longwave infrared radiation.

(पृथ्वी द्वारा अवशोषित ऊर्जा लंबी तरंग दैर्ध्य अवरक्त विकिरण के रूप में वापस छोड़ दी जाती है।)

> Some of this radiation escapes into space, while some is absorbed and re-emitted by greenhouse gases, leading to the greenhouse effect.

(इस विकिरण का कुछ भाग अंतरिक्ष में चला जाता है, जबकि कुछ भाग ग्रीनहाउस गैसों द्वारा अवशोषित और पुनः उत्सर्जित किया जाता है, जिससे ग्रीनहाउस प्रभाव उत्पन्न होता है।)

iii. Components of the Energy Balance (ऊर्जा संतुलन के घटक):-

Radiative equilibrium (विकिरण संतुलन):- When incoming and outgoing radiation are equal, Earth's temperature remains stable.

(जब आने वाला और जाने वाला विकिरण बराबर होता है, तब पृथ्वी का तापमान स्थिर रहता है।)

Latent heat transfer (गुप्त ऊष्मा अंतरण):- Energy is transported via phase changes of water (evaporation, condensation).

[जल के अवस्था परिवर्तन (वाष्पीकरण, संघनन) के माध्यम से ऊर्जा का स्थानांतरण।]

Sensible heat transfer (संवेदी ऊष्मा अंतरण):- Movement of warm air masses (convection).

(गर्म हवा के संचलन के माध्यम से तापमान परिवर्तन।)

Oceanic and atmospheric circulation (महासागरीय एवं वायुमंडलीय परिसंचरण):- Redistributes heat across the planet (e.g., Gulf Stream, trade winds).

[पृथ्वी पर ऊष्मा के वितरण में मदद करता है (जैसे कि गल्फ स्ट्रीम, व्यापारिक पवनें)।]

Atmospheric Humidity (वायुमंडलीय आर्द्रता):- Humidity refers to the amount of water vapor present in the air. It plays a crucial role in weather and climate.

(आर्द्रता वायुमंडल में मौजूद जलवाष्प की मात्रा को दर्शाती है। यह मौसम और जलवायु पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालती है।)

i. Absolute Humidity (निरपेक्ष आर्द्रता):-

> The total mass of water vapor per unit volume of air (g/m³).

[किसी निश्चित मात्रा की हवा में उपस्थित कुल जलवाष्प का भार (g/m³ में मापा जाता है)।]

> The moisture content of the atmosphere by volume is approximately 0.25% to 4%, depending on location and weather conditions. It varies with temperature and pressure.

(स्थान और मौसम की स्थिति के आधार पर, वायुमंडल में नमी की मात्रा लगभग 0.25% से 4% तक होती है। यह तापमान और दबाव के साथ बदलती रहती है।)

- Higher moisture content is found in tropical regions and coastal areas where humidity levels are generally higher.

(उच्च नमी की मात्रा उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों और तटीय क्षेत्रों में पाई जाती है जहाँ नमी का स्तर आम तौर पर अधिक होता है।)

ii. Relative Humidity (RH) (सापेक्ष आर्द्रता):- The ratio of actual water vapor content to the maximum possible at a given temperature.

(यह वास्तविक जलवाष्प मात्रा और उसी तापमान पर अधिकतम संभावित जलवाष्प मात्रा के अनुपात को दर्शाता है।)

Formula (सूत्र):-

High RH → Air is close to saturation (feels humid).

[उच्च RH → हवा संतृप्ति के करीब होती है (अधिक नमी महसूस होती है)।]

Low RH → Air is dry.

(कम RH → हवा शुष्क होती है।)

iii. Specific Humidity (विशिष्ट आर्द्रता):-

> The mass of water vapor per unit mass of air (including dry air and water vapor).

[यह जलवाष्प के भार और कुल वायु (शुष्क वायु + जलवाष्प) के भार का अनुपात होता है।]

> Expressed in g/kg.

(इसे g/kg में व्यक्त किया जाता है।)

iv. Dew Point Temperature (ओसांक तापमान):-

> The temperature at which air becomes saturated and condensation begins.

(वह तापमान जिस पर हवा संतृप्त हो जाती है और संघनन शुरू होता है।)

> When air cools to the dew point, fog, dew, or clouds form.

(जब हवा ओसांक तापमान तक ठंडी होती है, तो कोहरा, ओस, या बादल बनते हैं।)

Hair hygrometer:- It is an instrument used to measure humidity in the air. It operates based on the principle that human or animal hair changes length depending on the relative humidity. As humidity increases, the hair absorbs moisture and lengthens; as humidity decreases, the hair dries out and shortens. This length change is translated into a humidity reading using a mechanical system, such as levers and dials.

[हेयर हाइग्रोमीटर एक उपकरण है जो हवा में नमी (आर्द्रता) को मापने के लिए उपयोग किया जाता है। यह इस सिद्धांत पर कार्य करता है कि मानव या जानवरों के बाल सापेक्ष आर्द्रता के अनुसार अपनी लंबाई बदलते हैं। जैसे-जैसे आर्द्रता बढ़ती है, बाल नमी अवशोषित करके लंबे हो जाते हैं; और जब आर्द्रता कम होती है, तो बाल सूखकर छोटे हो जाते हैं। इस लंबाई के परिवर्तन को एक यांत्रिक प्रणाली (जैसे लीवर और डायल) के माध्यम से आर्द्रता माप में परिवर्तित किया जाता है।]

Key Features (मुख्य विशेषताएँ):-

> Uses human or animal hair (often treated or degreased for accuracy).

[इसमें मानव या जानवरों के बाल (अक्सर सटीकता के लिए उपचारित या डिग्रीस किए गए) उपयोग किए जाते हैं।]

> Measures relative humidity based on hair length variations.

(बालों की लंबाई में परिवर्तन के आधार पर सापेक्ष आर्द्रता को मापा जाता है।)

> Typically used in meteorology, museums, and laboratories.

(इसका उपयोग मौसम विज्ञान, संग्रहालयों और प्रयोगशालाओं में किया जाता है।)

> Requires regular calibration to maintain accuracy.

(सटीकता बनाए रखने के लिए इसे नियमित रूप से कैलिब्रेट करने की आवश्यकता होती है।)

Saturation and Vapor Pressure (संतृप्ति और वाष्प दाब):-

i. Concept of Saturation (संतृप्ति की अवधारणा):-

> Saturation occurs when air cannot hold any more water vapor at a given temperature.

(संतृप्ति तब होती है जब किसी निश्चित तापमान पर हवा अधिक जलवाष्प धारण नहीं कर सकती।)

> At this point, the rate of evaporation = rate of condensation.

(इस स्थिति में, वाष्पीकरण की दर = संघनन की दर होती है।)

ii. Vapor Pressure (वाष्प दाब):- Vapor pressure is the partial pressure exerted by water vapor in the atmosphere.

(वाष्प दाब वह आंशिक दाब होता है, जो वायुमंडल में जलवाष्प द्वारा उत्पन्न किया जाता है।)

Actual Vapor Pressure (AVP) (वास्तविक वाष्प दाब):- The pressure exerted by the existing water vapor in the air.

(वायुमंडल में वर्तमान जलवाष्प द्वारा लगाया गया दाब।)

Saturation Vapor Pressure (SVP) (संतृप्ति वाष्प दाब):- The maximum pressure water vapor can exert at a given temperature. SVP increases with temperature (warm air holds more moisture).

[किसी निश्चित तापमान पर वायुमंडल द्वारा धारण किए जा सकने वाले अधिकतम जलवाष्प द्वारा उत्पन्न दाब। SVP तापमान बढ़ने के साथ बढ़ता है (गर्म हवा अधिक नमी धारण कर सकती है)।]

iii. Clausius-Clapeyron Equation (Saturation Vapor Pressure Formula) (क्लॉसियस-क्लैपेरॉन समीकरण):-

Note (नोट):- This equation shows that higher temperatures result in higher saturation vapor pressure, meaning warmer air can hold more moisture before reaching saturation.

(यह समीकरण दर्शाता है कि जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, संतृप्ति वाष्प दाब भी बढ़ता है, जिससे गर्म हवा अधिक जलवाष्प धारण कर सकती है।)