7
2
Como se ve por la tabla, un error de unas pocas décimas de grado origina un error mucho mayor de humedad relativa a temperaturas bajas, mientras que a temperaturas moderadas el error será relativamente pequeño.
5.2.6 Requisitos especiales en las regiones polares y tropicales
Como se deduce de lo expuesto en 5.2.5, el psicrómetro es un instrumento poco satisfactorio para medir la humedad en las regiones polares. Esto se debe principalmente a las dificultades que existen para determinar la temperatura correcta del termómetro húmedo con suficiente precisión, a temperaturas muy bajas. Por ello, es imprescindible que los termómetros estén ventilados: si no lo están, el termómetro húmedo resultará extremamente difícil de manejar.
En condiciones tropicales, puede ser conveniente humedecer la muselina con agua procedente de un recipiente poroso en el que dicha agua se haya enfriado previamente por la evaporación procedente de la superficie porosa. Dicho recipiente debe conservarse a la sombra, pero no demasiado cerca del psicrómetro.
5.2.7 Fórmulas y tablas psicrométricas
La Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación acordó en 1957 que la fórmula psicrométrica universal debería basarse en el concepto de temperatura termodinámica del termómetro húmedo, y que esta cuestión debería ser objeto de un estudio completo. La elaboración de tablas psicrométricas fundamentales, que podrían ser recomendadas para incluirlas en las Tablas meteorológicas internacionales publicadas por la OMM, dependería pues de la adopción de una fórmula básica por parte de la OMM. En los siguientes párrafos se resumen las normas habituales que se siguen para elaborar las tablas psicrométricas.
El procedimiento habitual es deducir la presión de vapor e' en las condiciones de observación a partir de la siguiente fórmula semiempírica:
donde ew es la presión del vapor de saturación a la temperatura Tw , del termómetro húmedo (con respecto al agua cuando el termómetro húmedo está cubierto de agua y con respecto al hielo cuando el termómetro está cubierto de hielo); p es la presión del aire; T es la temperatura del termómetro seco; Tw es la temperatura del termómetro húmedo y A es el coeficiente psicrométrico. (Se prefiere esta denominación a la de «constante psicrométrica», que está mal aplicada).
En general, el coeficiente A depende del diseño del psicrómetro, de la intensidad de ventilación, de la temperatura y de la humedad. Con poca ventilación, depende notablemente de la intensidad de ventilación. Sin embargo, a la velocidad de ventilación de 3 a 5 m s-1 (para termómetros de tamaño convencional) o más, el valor de A pasa a ser prácticamente independiente de la velocidad de ventilación, y es prácticamente el mismo para todos los psicrómetros bien construidos. El valor de A no depende mayormente de la temperatura o humedad y su dependencia de estas variables se considera habitualmente despreciable.
Determinadas consideraciones teóricas sugieren que el factor A debe ser menor cuando el termómetro húmedo está recubierto de hielo que cuando está cubierto de agua. En la práctica, este razonamiento difícilmente parece cierto cuando se trata de psicrómetros ventilados (Birkeland, 1942).
Las distintas tablas psicrométricas utilizadas por los servicios meteorológicos se fundan en diferentes hipótesis con respecto a los valores del coeficiente psicrométrico en las fórmulas sencillas, y algunos servicios están utilizando también tablas basadas en fórmulas teóricas más elaboradas. En el psicrómetro Assmann, por ejemplo, se supone que la corriente de aire pasa sobre los termómetros a la velocidad de 2,4 m s-1 , y se utiliza el mismo valor de A cuando la temperatura del termómetro húmedo está por encima y por debajo de cero (Deutscher Wetterdienst, 1963). Otras tablas también muy utilizadas para psicrómetros ventilados son las compiladas por la Institución Smithsoniana (1951), calculadas originalmente para el psicrómetro honda.
En el caso de un psicrómetro simple, expuesto en una garita termométrica, se supone corrientemente que la velocidad media verdadera del aire que pasa sobre los termómetros será, en general, del orden de 1 a l.5 m s-1 y se suele adoptar el correspondiente valor de A (Oficina Meteorológica Británica, 1961). Este procedimiento no se considera satisfactorio para todos los fines meteorológicos porque la verdadera velocidad del viento que pasa sobre los termómetros en el interior de la garita será con frecuencia muy distinta del valor adoptado, y el factor A muestra considerable variación sobre la gama de velocidades del viento que frecuentemente se producen dentro de la garita. (Los errores resultantes se exponen en 5.2.5.2.).
En las fórmulas psicrométricas interviene la presión atmosférica p. Sin embargo, si la altura de la estación es inferior a 1000 metros sobre el nivel del mar, se pueden lograr precisiones dentro de los límites de observación adoptando un valor fijo de p. Un cambio de presión de 30hPa produce aproximadamente un uno por ciento de diferencia de humedad relativa cuando ésta tiene un valor del 50 por ciento aproximadamente.
Cuando la temperatura del termómetro húmedo está por debajo del punto de congelación se deben usar otras tablas alternativas, según que el depósito húmedo esté cubierto de hielo o de agua subenfriada. Si se toma la precaución de conservar el depósito del termómetro húmedo siempre cubierto de hielo, las tablas citadas en primer lugar serán suficientes.
No se pretende reproducir aquí en detalle las fórmulas psicrométricas utilizadas por las distintas autoridades, ya que se espera que la normalización internacional en esta materia no se retrase mucho.
El Comité Ejecutivo de la OMM adoptó en 1978 un psicrómetro patrón de referencia, diseñado anteriormente. Este instrumento puede utilizarse sobre el terreno para calibrar psicrómetros operativos. Es más, fundándose en las pruebas realizadas con psicrómetros de referencia, cabe considerar que el coeficiente psicrométrico es de 6,2x 10-4 K-1 , cuando se trata de psicrómetros bien ventilados.
Se deben tomar precauciones especiales para tener la seguridad de que se utiliza la tabla psicrométrica adecuada, cualquiera que sea el tipo de psicrómetro que se utilice, asegurándose asimismo que el instrumento responde a las condiciones especiales para las que la tabla ha sido calculada. Por otra parte, cabe recordar que la temperatura del termómetro húmedo, utilizada en las actuales tablas psicrométricas, no es idéntica a la temperatura termodinámica del termómetro húmedo definida en el Anexo 5.A.
5.3 Higrógrafos de cabello
5.3.1 Requisitos generales
Se considera que el higrógrafo o higrómetro de cabello es un instrumento satisfactorio para utilizarlo en situaciones o durantes períodos en los que rara vez, o nunca, se producen temperaturas muy extremas y humedades muy bajas. El mecanismo del instrumento debe ser lo más sencillo posible, incluso si esto hace necesario que la escala no sea lineal; este hecho reviste particular importancia en las regiones industriales.
La velocidad de respuesta del higrógrafo depende mucho de la temperatura del aire. A -10ºC, la inercia del instrumento es aproximadamente tres veces mayor que la inercia a 100C por encima de cero. Para temperaturas del aire comprendidas entre 0ºC y 30ºC y con humedades relativas entre el 20 por ciento y el 80 por ciento, un buen higrógrafo, cuando se halla sometido a un brusco cambio de humedad relativa, debe indicar el 90 por ciento del cambio en un plazo de tres minutos aproximadamente.
5.3.2 Exposición y manejo
El higrógrafo o higrómetro debe estar instalado en una garita termométrica. Como el amoníaco es muy destructivo para el cabello, se deben evitar las instalaciones en las proximidades inmediatas de establos o plantas industriales que utilicen amoníaco. El cabello debe lavarse a intervalos frecuentes con agua destilada, utilizando un cepillo suave para eliminar el polvo acumulado. Cuando se está limpiando el instrumento, los cabellos no deben tocarse jamás con los dedos.
La humedad del aire puede cambiar rápidamente y por consiguiente, es de gran importancia el preciso trazado de las marcas de tiempo. Al hacer estas marcas se debe mover el brazo de la plumilla sólo en la dirección de humedad relativa decreciente en la banda.
5.3.3 Métodos de observación
El higrómetro de cabello debe golpearse siempre ligeramente con un dedo antes de la lectura. Sin embargo, se debe procurar no tocar jamás el higrógrafo entre los cambios de bandas, excepto cuando se hacen las marcas de las horas.
Conviene insistir en el hecho de que el higrómetro de cabello indica la humedad relativa con respecto a la saturación sobre el agua, incluso a temperaturas por debajo de 0º'C. El higrógrafo y el higrómetro tienen que ser legibles con una precisión del uno por ciento de humedad relativa.
5.3.4 Fuentes de error, precisión, etc.
5.3.4.1 Cambios del cero
Por razones diversas conocidas o desconocidas, el higrógrafo está sujeto a un cambio del cero de su escala. Quizá la causa más común es que de alguna manera se aplica una tensión excesiva a los cabellos. Por ejemplo, los cabellos pueden contraerse si las marcas de tiempo se hacen en la dirección de la humedad relativa creciente sobre la banda, o bien por la adherencia de todo el mecanismo del higrógrafo cuando decrece la humedad relativa. El cero puede también cambiar si el higrógrafo se mantiene largo tiempo en aire muy seco. Este error puede remediarse manteniendo el instrumento durante algún tiempo en aire saturado.
5.3.4.2 Errores debidos al polvo, etc. sobre los cabellos
La mayoría de los distintos tipos de polvo que se depositen causarán errores apreciables en las observaciones (algunas veces de hasta el 15 por ciento de humedad relativa). En la mayoría de los casos, se pueden eliminar o reducir los errores limpiando y lavando los cabellos, aunque el polvo también puede destruir los cabellos (véase 5.3.2). Se debe instar a los observadores a que limpien los cabellos a intervalos periódicos y frecuentemente.
5.3.4.3 Comparación con los instrumentos patrón
La lectura de un higrógrafo tiene que verificarse frecuentemente por comparación con una serie de lecturas de un psicrómetro patrón de referencia.
Para apreciar su estabilidad a largo plazo, se recomienda que se establezcan comparaciones con el psicrómetro de referencia en forma de gráficos de correlación. Habitualmente resulta difícil realizar comparaciones satisfactorias al aire libre (dentro de la garita), de modo que la verificación de un higrógrafo debe efectuarse preferentemente en una cámara de humedad o en una habitación donde exista una temperatura casi constante. Si los cabellos han de sustituirse, será necesario realizar ajustes en el instrumento y después llevar a cabo una recalibración completa.
Un buen higrógrafo en perfectas condiciones debe ser capaz de registrar humedad relativa a temperaturas moderadas con una precisión de ±3 por ciento. A bajas temperaturas, la precisión será menor.
Como los valores de humedad deducidos de los psicrómetros a muy bajas temperaturas son de dudosa utilidad, es conveniente que en las regiones de clima frío se utilicen instrumentos fundados en el principio del punto de rocío (véase la sección 5.5).
También es posible obtener alguna información útil de los higrómetros o higrógrafos de cabello a esas bajas temperaturas. Para ello, el cabello debe ser tratado previamente enrollándolo entre dos ruedas de bordes finamente resaltados. Este higrómetro funciona bien con humedades relativas por encima del 45 por ciento aproximadamente; su exposición a humedades más bajas puede ser que haga derivar la calibración. Un higrómetro de cabello ya seco puede ser reactivado mejorando los cabellos con agua destilada (durante esta operación, la lectura debe indicar aproximadamente el 96 por ciento de humedad relativa) y dejándolo luego secar naturalmente.
Cuando el higrógrafo se utilice en regiones polares, debe exponerse preferentemente en garitas termométricas especiales que dan al instrumento suficiente protección contra la precipitación y las ventiscas de nieve. Por ejemplo, se puede hacer una cubierta para la garita termométrica con una red de malla fina (Mullergas) como medida de precaución para impedir la acumulación de cristales de nieve en los cabellos y engranajes del instrumento. Este método sólo puede utilizarse durante los períodos en que la temperatura está por debajo de cero y únicamente si no hay riesgo de que se humedezca la red por fusión de cristales de nieve.
5.4 Psicrómetros registradores
Casi cualquier tipo de termógrafo se puede adaptar para registrar temperaturas del termómetro seco y termómetro húmedo, pero en la práctica se utilizan mayormente para este fin las lecturas de los termómetros eléctricos. Las notas relativas a estos termómetros que figuran en el párrafo 4.7 se aplican igualmente cuando los instrumentos se utilizan como psicrógrafos, para lo cual deben desde luego estar dotados de dos elementos termométricos y de un depósito de agua para el termómetro húmedo. Para fines de investigación, resulta a veces ventajoso poder registrar la depresión del termómetro húmedo directamente y para este fin resulta muy adecuado el sistema de termopar.
Cabe observar que la velocidad de ventilación mínima que se requiere para un termómetro húmedo que utilice un termómetro de mercurio cuyo depósito sea de tamaño normal (utilizando para ello una serie especial de tablas), resultaría insuficiente para un termómetro húmedo de diámetro mucho mayor, empleando esas mismas tablas. Como norma aproximada diremos que se obtienen resultados equivalentes cuando las velocidades de ventilación son proporcionales al diámetro del depósito del termómetro húmedo.
5.5 Higrómetros de punto de rocío
Cuando se enfría el aire húmedo a una temperatura T, presión p y razón de mezcla rw, (o ri), alcanza eventualmente su punto de saturación con respecto a la superficie libre del agua (o con respecto a la superficie libre del hielo a temperaturas más frías) y se puede detectar sobre una superficie sólida un depósito de rocío (o de helada). La temperatura de este punto de saturación se denomina temperatura termodinámica del punto de rocío, Td (o temperatura termodinámica del punto de helada, Ti). La correspondiente presión de vapor saturado con respecto al agua, e, (o al hielo, ei) es función de Td (o Ti), como se indica en las siguientes ecuaciones:
El higrómetro de punto de rocío (o de punto de helada) se utiliza para medir Td (o Ti). A pesar de la muy dinámica gama de humedad que existe en la troposfera, este instrumento es capaz de detectar tanto las concentraciones muy altas como muy bajas del vapor de agua mediante un sensor térmico únicamente.
5.5.1 Equipo sensor
El sensor consiste en un delgado espejo metálico de pequeño diámetro (l-2mm) que está térmicamente regulado mediante el uso de un conjunto de enfriamiento (y eventualmente un calefactor) y un sensor de temperatura (termómetro de termopares o de resistencia) incluido por debajo del espejo. Con el fin de garantizar una respuesta adecuada, el espejo debe tener una elevada conductividad térmica. Entre los metales más adecuados podemos citar la plata, el cobre, el oro, el acero inoxidable y sus aleaciones. El espejo debe estar exento de cualquier contaminante atmosférico; los contaminantes solubles en agua tienden a hacer descender el aparente punto de rocío (efecto Raoult), mientras que los contaminantes hidrofóbicos tienden a hacer aumentar dicho punto (efecto Kelvin). Por consiguiente, este equipo debe estar dotado de un dispositivo (preferentemente automático) para detectar los contaminantes para así eliminarlos.
A fin de determinar con precisión el punto de rocío del aire húmedo, se utiliza un sistema electro óptico, en lugar de hacer observaciones visuales. De este modo la lectura de Td (o Tf) se hace en el momento exacto de depósito.
5.5.2 Equipo de detección óptica
Un estrecho rayo de luz (habitualmente incandescente) se dirige al espejo con un ángulo de incidencia de unos 55'. En los sistemas sencillos, la intensidad de la luz directamente reflejada se detecta mediante una célula fotoeléctrica que regula el equipo de enfriamiento y calentamiento a través de un servocontrol. Como la reflectividad se reduce en los depósitos de mayor espesor, y en vista de que el enfriamiento debe ser detenido mientras el depósito es de poco espesor, la reducción habitual de reflectancia que desconecta el sistema de enfriamiento varía entre 5 y 40 por ciento. Se asegura que puede alcanzarse una precisión de 0,05'C con un espejo limpio. En sistemas más complejos se utilizan un fotodetector auxiliar que detecta la luz difundida por el depósito; los dos detectores son capaces de un control muy preciso.
5.5.3 Equipo de control térmico
Este equipo consiste habitualmente en un dispositivo de enfriamiento y un calentador eléctrico para disipar el depósito. Aunque se han venido utilizando fluidos de bajo punto de ebullición para enfriar el espejo, los termopares enfriados por el efecto Peltier se utilizan cada vez más debido a su gran sencillez. Por lo general, el calentador es una resistencia eléctrica. A fin de garantizar la debida precisión y también la posibilidad de mantener una lectura continua, el tiempo de respuesta del espejo ante el calentamiento o el enfriamiento debe ser del orden de uno o dos segundos. Para un instrumento complejo se especifica una precisión de 0,30C sobre una amplia gama ( 60 a +50ºC).
Debe observarse que los higrómetros de punto de rocío son bastante caros para su uso en el campo, excepto como patrón de referencia para las determinaciones del punto de rocío o del punto de helada.
Referencia
Guía de instrumentos y métodos de observación meteorológicos . 1996. ISBN: 92-63-36008-1
BIRKELAND, B. J.
1942 Ein Fehler in der Psychromotertheorie. Met. Zeit., Braunschweig, 8.
DEUTSCHER WETTERDIENST
1963 Aspirations Psychrometer Tafeln (4ª edición). Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig.
METEOROLOGICAL OFFICE
1961 Hygrometric tables (5ª edición, Partes 1, 11 y III). Londres.
SMITHSONIAN INSTITUTION
1951 Smithsonian Meteorological Tables (6ª edición). Washington, pág. 350 362.
OMM
1958 Measurement of evaporation, humidity in the biosphere and soil moisture. Nota técnica N.º 21 (OMM N.º 72), pág. 18 35.
OMM
1973 International meteorological tables. OMM N.º 188.
Los Anexos referidos en el texto no se reproducirán en la RAM, ya que están referidos a definiciones, formulaciones y especificaciones del vapor de agua en la atmósfera. Todo ello se puede encontrar en los libros básicos de meteorología.