AGMET 311 Lecture 09: AGMET 311 · Lecture 09: पृथ्वी का ऊर्जा संतुलन; वायुमंडलीय आर्द्रता, संतृप्ति एवं वाष्प दाब

AGRO PATH FINDER Digital Textbook

EDUCATION • RESEARCH • INNOVATION

विषय (Subject) Introduction to Agro-meteorology

विषय कोड (Subject Code) AGMET 311

सेमेस्टर एवं पाठ्यक्रम (Semester) B.Sc. (Hons.) Ag. | Sem V (SKNAU / ICAR 6th Dean)

व्याख्यान संख्या (Lecture No.) Lecture 09 of 16

व्याख्यान 09: पृथ्वी का ऊर्जा संतुलन; वायुमंडलीय आर्द्रता, संतृप्ति एवं वाष्प दाब

Lecture 09: Energy Balance of Earth; Atmospheric Humidity, Saturation and Vapour Pressure

SECTION 02

अध्ययन के उद्देश्य (Learning Objectives)

इस व्याख्यान के गहन अध्ययन के पश्चात् विद्यार्थी निम्नलिखित वैज्ञानिक अवधारणाओं और गणितीय गणनाओं में पूर्ण दक्षता प्राप्त करेंगे:

1. पृथ्वी एवं फसल का ऊर्जा संतुलन: पृथ्वी के ऊष्मा बजट (100 इकाइयों का लेखांकन) तथा फसल वितान के सतही ऊर्जा संतुलन समीकरण ($R_n = LE + H + G + P + M$) को समझना।

2. बोवेन अनुपात एवं अभिवहन प्रभाव: बोवेन अनुपात (Bowen Ratio: $\beta = H/LE$), मरुद्यान प्रभाव (Oasis Effect) तथा क्लोथ्सलाइन प्रभाव (Clothesline Effect) का विश्लेषण करना।

3. वाष्प दाब एवं संतृप्ति (Saturation): वास्तविक वाष्प दाब ($e$ या $e_a$), संतृप्त वाष्प दाब ($e_s$), तापमान के साथ $e_s$ का संबंध तथा वाष्प दाब न्यूनता ($\text{VPD} = e_s – e_a$) को स्पष्ट करना।

4. आर्द्रता के विभिन्न माप (Humidity Indices): निरपेक्ष आर्द्रता (AH), विशिष्ट आर्द्रता (SH), मिश्रण अनुपात ($r$), सापेक्ष आर्द्रता (RH) एवं ओस बिंदु तापमान ($T_d$) के सूत्र व इकाइयाँ जानना।

5. आर्द्रता का दैनिक चक्र एवं मापन: तापमान के विपरीत सापेक्ष आर्द्रता (RH) का दैनिक परिवर्तन तथा साइक्रोमीटर (Dry & Wet Bulb) व हेयर हाइग्रोमीटर/हाइग्रोग्राफ की कार्यविधि समझना।

6. कृषि एवं पादप संरक्षण में भूमिका: फसल वाष्पोत्सर्जन, कीट एवं रोग महामारी (मोयला, रोली, झुलसा), सुरक्षित अनाज भंडारण तथा संख्यात्मक प्रश्नों (RH व VPD) को हल करना।

SECTION 03

प्रस्तावना (Introduction)

यह व्याख्यान कृषि मौसम विज्ञान के दो सबसे महत्त्वपूर्ण और परस्पर जुड़े हुए स्तंभों—पृथ्वी का ऊर्जा संतुलन (Energy Balance of the Earth) तथा वायुमंडलीय आर्द्रता एवं वाष्प दाब (Atmospheric Humidity, Saturation and Vapour Pressure)—को समर्पित है। ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम (ऊर्जा संरक्षण का नियम — Law of Conservation of Energy) के अनुसार ऊर्जा को न तो उत्पन्न किया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है; केवल इसका रूप बदलता है। पृथ्वी और किसी कृषि प्रक्षेत्र पर आने वाली शुद्ध विकिरण ऊर्जा ($R_n$) मुख्य रूप से जल को भाप बनाने (Evapotranspiration — गुप्त ऊष्मा), वायु को गर्म करने (संवेदी ऊष्मा) और मृदा को गर्म करने में व्यय होती है।

जब यही सौर ऊर्जा महासागरों, जलाशयों, नम मृदा और फसलों की पत्तियों से जल को वाष्पित करती है, तो अदृश्य गैसीय रूप में जल वायुमंडल में प्रवेश करता है, जिसे वायुमंडलीय आर्द्रता (Atmospheric Humidity) कहते हैं। वायुमंडल में जलवाष्प की मात्रा भले ही आयतन का मात्र $0\%$ से $4\%$ हो, किंतु यह फसलों की जल मांग (Transpiration Demand), सिंचाई अंतराल, परागण, तथा फसलों में लगने वाले कीटों और रोगों के प्रकोप को नियंत्रित करने वाला सबसे शक्तिशाली कारक है।

SECTION 04

संपूर्ण अध्ययन सामग्री (Complete Study Material)

4.1 पृथ्वी का ऊष्मा बजट एवं सतही ऊर्जा संतुलन (Heat Budget of the Earth & Surface Energy Balance)

1. पृथ्वी का भूमंडलीय ऊष्मा बजट (Global Heat Budget — 100 इकाइयों का लेखांकन):

पृथ्वी का दीर्घकालिक औसत तापमान ($+15^\circ\text{C}$) इसलिए स्थिर रहता है क्योंकि वायुमंडल के शीर्ष पर सूर्य से जितनी लघु-तरंग ऊर्जा अंदर आती है (Insolation), उतनी ही ऊर्जा परावर्तन और दीर्घ-तरंग पार्थिव विकिरण द्वारा वापस अंतरिक्ष में लौट जाती है। यदि वायुमंडल की बाहरी सीमा पर आने वाले कुल सौर विकिरण को 100 इकाइयाँ (100 Units) माना जाए, तो उसका संतुलन इस प्रकार होता है:

(क) सीधा परावर्तन / पृथ्वी का एल्बेडो (31 से 35 इकाइयाँ):
- बादलों के ऊपरी शिखरों से परावर्तन: $\approx 21–27\text{ इकाइयाँ}$
- वायुमंडलीय धूल व गैस अणुओं से अंतरिक्ष में प्रकीर्णन: $\approx 6\text{ इकाइयाँ}$
- पृथ्वी की सतह (हिम, मरुस्थल, जल) से सीधा परावर्तन: $\approx 4\text{ इकाइयाँ}$
- अर्थात् लगभग $31–35\text{ इकाइयाँ}$ (औसत ग्रहीय एल्बेडो $\approx 31\%$) बिना पृथ्वी को गर्म किए सीधे अंतरिक्ष में लौट जाती हैं।
(ख) वायुमंडल द्वारा प्रत्यक्ष अवशोषण (17 से 19 इकाइयाँ): ओजोन, जलवाष्प, $\text{CO}_2$ और बादलों द्वारा सोख ली जाती हैं।
(ग) पृथ्वी की सतह द्वारा अवशोषण (48 से 51 इकाइयाँ): प्रत्यक्ष एवं विसरित सौर विकिरण के रूप में धरातल और महासागरों द्वारा अवशोषित होती हैं।
(घ) पृथ्वी से अंतरिक्ष में वापसी (65 से 69 इकाइयाँ): धरातल द्वारा अवशोषित $51$ इकाइयाँ पार्थिव दीर्घ-तरंग विकिरण (जिसमें कुछ भाग सीधे वायुमंडलीय खिड़की से जाता है), वाष्पन की गुप्त ऊष्मा ($LE \approx 23\text{ इकाइयाँ}$) और संवेदी संवहन ऊष्मा ($H \approx 7\text{ इकाइयाँ}$) के रूप में वायुमंडल को दी जाती हैं, जहाँ से वायुमंडल द्वारा अवशोषित $17–19$ इकाइयों के साथ मिलकर कुल $65–69$ इकाइयाँ दीर्घ-तरंग विकिरण के रूप में अंतरिक्ष में वापस चली जाती हैं। इस प्रकार आवक ऊर्जा ($100$) $=$ जावक ऊर्जा ($31 + 69 = 100$)।

2. कृषि प्रक्षेत्र / फसल वितान का सतही ऊर्जा संतुलन समीकरण (Surface Energy Balance of a Crop Field):

किसी खेत या फसल वितान पर उपलब्ध होने वाली शुद्ध विकिरण ऊर्जा (Net Radiation — $R_n$) का उपयोग निम्नलिखित भौतिक और जैविक घटकों में होता है:

फसल सतह का मानक ऊर्जा संतुलन समीकरण (Standard Surface Energy Balance Equation): $$\mathbf{R_n = LE + H + G + P + M}$$ (यदि छोटे जैविक घटकों $P$ और $M$ को नगण्य मान लिया जाए, तो मूल भौतिक समीकरण है: $\mathbf{R_n = LE + H + G}$)

इस समीकरण के प्रत्येक घटक का वैज्ञानिक अर्थ और कृषि में प्रतिशत अंश निम्नलिखित है:

$R_n$ = शुद्ध विकिरण फ्लक्स (Net Radiation Flux): सतह पर उपलब्ध कुल विकिरण ऊर्जा $[R_n = R_s(1-\alpha) – L_n]$।
$LE$ (या $\lambda E$) = गुप्त ऊष्मा फ्लक्स / वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन ऊर्जा (Latent Heat Flux of Evapotranspiration): यहाँ $L$ (या $\lambda$) जल के वाष्पन की गुप्त ऊष्मा ($\approx 585\text{ cal g}^{-1}$ या $2.45\text{ MJ kg}^{-1}$ $20^\circ\text{C}$ पर) है और $E$ वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन की दर है। एक अच्छी सिंचित हरी फसल (Well-watered Crop) में दिन के समय शुद्ध विकिरण ($R_n$) का सर्वाधिक $70\%\text{ से } 85\%$ भाग अकेले वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन ($LE$) में खर्च होता है।
$H$ (या $A$) = संवेदी ऊष्मा फ्लक्स (Sensible Heat Flux to/from Air): चालन और संवहन (Eddy Convection) द्वारा फसल सतह से ऊपर की वायु को गर्म करने में व्यय होने वाली ऊर्जा। सिंचित खेत में यह $R_n$ का $10\%\text{ से } 20\%$ होता है, किंतु सूखे खेत या थार मरुस्थल में (जहाँ नमी न होने से $LE \approx 0$ होता है) शुद्ध विकिरण का $80\%+$ भाग हवा को गर्म करने ($H$) में चला जाता है, जिससे भयंकर गर्मी और ‘लू’ पैदा होती है।
$G$ (या $S$) = मृदा ऊष्मा फ्लक्स (Soil / Ground Heat Flux): चालन (Conduction) द्वारा मृदा की निचली परतों को गर्म करने में जाने वाली ऊर्जा। यह दिन के $R_n$ का लगभग $5\%\text{ से } 10\%$ होती है (24 घंटे के पूर्ण चक्र में दिन का लाभ और रात का ह्रास लगभग बराबर होने से दैनिक औसत $G \approx 0$ होता है)।
$P$ = प्रकाश संश्लेषण में प्रयुक्त ऊर्जा (Photosynthetic Energy Flux): पौधों द्वारा $\text{CO}_2$ स्थिरीकरण व कार्बोहाइड्रेट निर्माण में प्रयुक्त ऊर्जा, जो कुल $R_n$ का मात्र $1\%\text{ से } 2\%$ (अधिकतम $3–5\%$) होती है।
$M$ = विविध तापीय भंडारण (Miscellaneous Canopy Storage & Respiration): पौधों के तने व पत्तियों के ऊतकों में संचित ऊष्मा ($<1\%$)।

बोवेन अनुपात (Bowen Ratio — $\beta$, आई. एस. बोवेन, 1926) तथा ओएसिस प्रभाव (प्रतियोगी परीक्षाओं हेतु अति महत्त्वपूर्ण):

बोवेन अनुपात ($\beta$): किसी सतह से जाने वाले संवेदी ऊष्मा फ्लक्स ($H$) और गुप्त ऊष्मा फ्लक्स ($LE$) के अनुपात को बोवेन अनुपात कहते हैं: $$\text{Bowen Ratio } (\beta) = \frac{\text{Sensible Heat Flux } (H)}{\text{Latent Heat Flux } (LE)}$$ • खुले महासागर के लिए: $\beta \approx 0.1$ | सिंचित हरी फसल के लिए: $\beta \approx 0.15\text{ से } 0.30$ ($\beta < 1$, क्योंकि $LE \gg H$) | शुष्क मरुस्थल के लिए: $\beta \approx 10\text{ से } 20$ ($\beta \gg 1$, क्योंकि $H \gg LE$)।
मरुद्यान प्रभाव (Oasis Effect): जब चारों ओर सूखे व गर्म मरुस्थलीय क्षेत्र के बीच में कोई हरा सिंचित खेत (जैसे इंदिरा गांधी नहर या ट्यूबवेल से सिंचित राजस्थान का खेत) स्थित होता है, तो बाहर से आने वाली गर्म व शुष्क हवा (Advection) फसल को अतिरिक्त संवेदी ऊष्मा ($-H$) देती है। इससे फसल का वाष्पोत्सर्जन ($LE$) वहाँ के शुद्ध विकिरण ($R_n$) से भी अधिक ($LE > R_n$) हो जाता है! इसे ओएसिस प्रभाव कहते हैं।
कपड़े सुखाने की रस्सी प्रभाव (Clothesline Effect): जब गर्म हवा किसी छोटे भूखंड या खेत के बाहरी किनारों (Border rows) की ऊँची फसल से होकर सीधे आर-पार गुजरती है, तो किनारों के पौधों से अत्यधिक क्षैतिज वाष्पोत्सर्जन होता है, जिसे क्लोथ्सलाइन प्रभाव कहते हैं।

4.2 वायुमंडलीय आर्द्रता, संतृप्ति एवं वाष्प दाब (Atmospheric Humidity, Saturation and Vapour Pressure)

1. आर्द्रता का अर्थ एवं प्रावस्था परिवर्तन की गुप्त ऊष्मा (Meaning of Humidity & Latent Heat):

वायुमंडल में उपस्थित अदृश्य गैसीय जल अर्थात् जलवाष्प (Water Vapour) की मात्रा को वायुमंडलीय आर्द्रता (Atmospheric Humidity) कहते हैं। जल प्रकृति में एकमात्र ऐसा पदार्थ है जो वायुमंडलीय तापमान पर तीनों अवस्थाओं—ठोस (बर्फ), द्रव (जल) और गैस (जलवाष्प)—में पाया जाता है:

वाष्पन एवं संघनन की गुप्त ऊष्मा (Latent Heat of Vaporization / Condensation): $0^\circ\text{C}$ पर $1\text{ ग्राम}$ जल को भाप में बदलने के लिए $597.3\text{ cal g}^{-1}$ (सामान्यतः $\approx 600\text{ cal g}^{-1}$ और $100^\circ\text{C}$ पर $540\text{ cal g}^{-1}$ या $2.45\text{ MJ kg}^{-1}$) गुप्त ऊष्मा अवशोषित होती है, और संघनन होने पर इतनी ही ऊष्मा वायुमंडल में मुक्त होती है। सूत्र: $L_v = 597.3 – 0.56 \cdot T(^\circ\text{C})\text{ cal g}^{-1}$।
गलन की गुप्त ऊष्मा (Latent Heat of Fusion / Melting): $0^\circ\text{C}$ पर $1\text{ g}$ बर्फ को पानी में बदलने के लिए $80\text{ cal g}^{-1}$ ($334\text{ J g}^{-1}$)।
ऊर्ध्वपातन/निक्षेपण की गुप्त ऊष्मा (Latent Heat of Sublimation): बर्फ का सीधे भाप में बदलना $= 600 + 80 \approx \mathbf{680\text{ cal g}^{-1}}$ ($677\text{ cal g}^{-1}$)।

2. वाष्प दाब, संतृप्ति एवं संतृप्त वाष्प दाब (Vapour Pressure, Saturation and Saturation Vapour Pressure):

डाल्टन के आंशिक दाब के नियम (Dalton’s Law of Partial Pressures) के अनुसार वायुमंडल का कुल वायुदाब ($P$) उसमें उपस्थित सभी गैसों ($\text{N}_2, \text{O}_2, \text{Ar}, \text{CO}_2$) और जलवाष्प के अलग-अलग आंशिक दाबों के योग के बराबर होता है।

1. वास्तविक वाष्प दाब ($e$ या $e_a$) किसी दिए गए समय और तापमान पर वायुमंडल में वास्तविक रूप से उपस्थित जलवाष्प द्वारा डाले जाने वाले आंशिक दाब (Partial Pressure) को वास्तविक वाष्प दाब ($e_a$) कहते हैं। इकाई: $\text{hPa (mb)}$, $\text{mm Hg}$ या $\text{kPa}$।

2. संतृप्त वायु (Saturated Air) किसी निश्चित तापमान पर वायु का एक निश्चित आयतन अधिकतम जितनी जलवाष्प धारण कर सकता है, जब उसमें उतनी पूरी जलवाष्प मौजूद हो (वाष्पन दर $=$ संघनन दर), तो उस वायु को संतृप्त वायु ($\text{RH} = 100\%$) कहते हैं।

3. संतृप्त वाष्प दाब (SVP — $e_s$) किसी दिए गए तापमान पर पूर्णतः संतृप्त वायु में उपस्थित जलवाष्प द्वारा डाले जाने वाले अधिकतम संभव आंशिक दाब को संतृप्त वाष्प दाब ($e_s$) कहते हैं। $e_s$ केवल वायु के तापमान पर निर्भर करता है!

4. वाष्प दाब न्यूनता (VPD) संतृप्त वाष्प दाब ($e_s$) और वास्तविक वाष्प दाब ($e_a$) के अंतर को वाष्प दाब न्यूनता ($\text{VPD} = e_s – e_a$) कहते हैं। यह वायु के ‘सूखेपन’ या ‘प्यास’ (Evaporative Demand) का सबसे सटीक माप है।

तापमान और संतृप्त वाष्प दाब ($e_s$) का संबंध (Clausius-Clapeyron / Tetens Formula): तापमान बढ़ने पर हवा की जलवाष्प धारण करने की क्षमता (अर्थात् संतृप्त वाष्प दाब $e_s$) घातांकीय रूप से (Exponentially) बढ़ती है—लगभग प्रत्येक $10^\circ\text{C}–11^\circ\text{C}$ तापमान बढ़ने पर हवा की जलवाष्प धारण क्षमता दोगुनी हो जाती है: $$e_s(T) = 6.11 \times \exp\left(\frac{17.27 \cdot T}{T + 237.3}\right) \text{ (in hPa or mb, where } T \text{ is in } ^\circ\text{C)}$$ (उदाहरण: $0^\circ\text{C}$ पर $e_s = 6.11\text{ hPa}$; $10^\circ\text{C}$ पर $e_s = 12.27\text{ hPa}$; $20^\circ\text{C}$ पर $e_s = 23.38\text{ hPa}$; $30^\circ\text{C}$ पर $e_s = 42.43\text{ hPa}$; तथा $40^\circ\text{C}$ पर $e_s = 73.8\text{ hPa}$)।

4.3 वायुमंडलीय आर्द्रता को व्यक्त करने के प्रमुख माप (Measures of Atmospheric Humidity)

1. निरपेक्ष आर्द्रता (Absolute Humidity — AH या $\rho_v$): “आर्द्र वायु के प्रति इकाई आयतन (Unit Volume — $1\text{ m}^3$ या $1\text{ cm}^3$) में उपस्थित जलवाष्प के वास्तविक द्रव्यमान (भार — ग्राम या किलोग्राम) को निरपेक्ष आर्द्रता (Absolute Humidity) कहते हैं।” $$\text{Absolute Humidity (AH)} = \frac{\text{Mass of Water Vapour (g)}}{\text{Volume of Moist Air (m}^3\text{)}} \quad \left[\text{Unit: }\mathbf{\text{g m}^{-3}} \text{ or } \text{g cm}^{-3}\right]$$ (कमजोरी: जब वायु ऊपर या नीचे जाती है तो दाब व ताप बदलने से वायु का आयतन बदल जाता है, इसलिए बिना जलवाष्प जुड़े या घटे भी निरपेक्ष आर्द्रता बदल जाती है; अतः मौसम विज्ञान में इसका उपयोग कम किया जाता है)।

2. विशिष्ट आर्द्रता (Specific Humidity — SH या $q$): “आर्द्र वायु (शुष्क वायु + जलवाष्प) के प्रति इकाई कुल द्रव्यमान ($1\text{ kg}$ Moist Air) में उपस्थित जलवाष्प के द्रव्यमान (ग्राम या किलोग्राम) को विशिष्ट आर्द्रता (Specific Humidity) कहते हैं।” $$\text{Specific Humidity (SH)} = \frac{\text{Mass of Water Vapour (g)}}{\text{Total Mass of Moist Air (kg)}} = \frac{0.622 \cdot e}{P – 0.378 \cdot e} \approx 0.622 \frac{e}{P} \quad \left[\text{Unit: }\mathbf{\text{g kg}^{-1}}\right]$$ (विशेषता: चूँकि द्रव्यमान वायु के फैलने या सिकुड़ने से नहीं बदलता, इसलिए विशिष्ट आर्द्रता एक अत्यंत संरक्षी गुणधर्म / Conservative Property है)।

3. मिश्रण अनुपात (Mixing Ratio — $r$ या $w$): “केवल शुष्क वायु (Dry Air) के प्रति इकाई द्रव्यमान ($1\text{ kg}$ Dry Air) में मिश्रित जलवाष्प के द्रव्यमान (ग्राम) को मिश्रण अनुपात (Mixing Ratio) कहते हैं।” $$\text{Mixing Ratio }(r) = \frac{\text{Mass of Water Vapour (g)}}{\text{Mass of Dry Air (kg)}} = \frac{0.622 \cdot e}{P – e} \quad \left[\text{Unit: }\mathbf{\text{g kg}^{-1}}\right]$$

4. सापेक्ष आर्द्रता (Relative Humidity — RH): “किसी दिए गए तापमान पर वायु में वास्तविक रूप से उपस्थित जलवाष्प की मात्रा (या वास्तविक वाष्प दाब $e_a$) तथा ठीक उसी तापमान पर वायु को संतृप्त करने के लिए आवश्यक अधिकतम जलवाष्प की मात्रा (या संतृप्त वाष्प दाब $e_s$) के अनुपात को प्रतिशत में व्यक्त करने पर सापेक्ष आर्द्रता (Relative Humidity — RH) कहते हैं।” $$\mathbf{\text{Relative Humidity (RH \%)} = \left(\frac{\text{Actual Vapour Pressure }(e_a)}{\text{Saturation Vapour Pressure at same Temp }(e_s)}\right) \times 100}$$ • इसकी इकाई प्रतिशत ($\%$) है। पूर्ण संतृप्त वायु के लिए $\text{RH} = 100\%$ (तब $e_a = e_s$ तथा $\text{VPD} = 0$) होती है।
• तापमान के साथ व्युत्क्रमानुपाती संबंध ($\text{RH} \propto \frac{1}{T}$): यदि हवा में जलवाष्प की मात्रा स्थिर रहे और तापमान बढ़ा दिया जाए, तो $e_s$ बढ़ने के कारण सापेक्ष आर्द्रता (RH) घट जाती है; और तापमान घटाने पर सापेक्ष आर्द्रता बढ़ जाती है। इसीलिए 24 घंटे के दैनिक चक्र में अधिकतम सापेक्ष आर्द्रता प्रातः सूर्योदय के समय (जब तापमान न्यूनतम होता है) तथा न्यूनतम सापेक्ष आर्द्रता दोपहर 2–4 बजे (जब तापमान अधिकतम होता है) दर्ज की जाती है!

5. ओस बिंदु तापमान (Dew Point Temperature — $T_d$): “वह तापमान जिस तक किसी असंतृप्त वायु को (वायुदाब और जलवाष्प की मात्रा को स्थिर रखते हुए) ठंडा किए जाने पर वह वायु जलवाष्प से पूर्णतः संतृप्त ($\text{RH} = 100\%, e_a = e_s$) हो जाए और उससे नीचे ठंडा करने पर जलवाष्प का बूंदों (ओस) में संघनन प्रारंभ हो जाए, ओस बिंदु तापमान (Dew Point Temperature — $T_d$) कहलाता है।”

6. आर्द्र बल्ब तापमान ($T_w$) एवं आर्द्र बल्ब अवनमन (Wet Bulb Depression): मलमल के गीले कपड़े से लिपटे तापमापी के बल्ब से जब जल का वाष्पन होता है, तो गुप्त ऊष्मा खर्च होने से जो न्यूनतम तापमान दर्ज होता है उसे आर्द्र बल्ब तापमान (Wet Bulb Temperature — $T_w$) कहते हैं। शुष्क बल्ब तापमान ($T_d$ या $T_a$) और आर्द्र बल्ब तापमान ($T_w$) के अंतर $(T_d – T_w)$ को ‘आर्द्र बल्ब अवनमन’ (Wet Bulb Depression) कहते हैं।
• सुनहरा नियम: असंतृप्त वायु में सदैव: $\mathbf{T_{\text{dry}} > T_{\text{wet}} > T_{\text{dew point}}}$।
• जब वायु पूर्णतः संतृप्त ($\text{RH} = 100\%$) हो जाती है, तो वाष्पन रुक जाता है और तीनों तापमान बराबर हो जाते हैं: $\mathbf{T_{\text{dry}} = T_{\text{wet}} = T_{\text{dew point}}}$ (तब आर्द्र बल्ब अवनमन $= 0$ होता है)।

4.4 वायुमंडलीय आर्द्रता मापक यंत्र (Instruments for Measuring Humidity)

शुष्क एवं आर्द्र बल्ब तापमापी / साइक्रोमीटर (Dry and Wet Bulb Psychrometer): यह स्टीवेंसन स्क्रीन में रखा जाने वाला मानक यंत्र है। इसमें दो एक समान पारद तापमापी होते हैं—एक का बल्ब खुला और सूखा होता है जिसे शुष्क बल्ब (Dry Bulb — यह वास्तविक वायु तापमान बताता है) कहते हैं; दूसरे के बल्ब पर महीन मलमल का कपड़ा (Muslin cloth) बँधा होता है जिसकी बत्ती आसुत जल (Distilled water) के पात्र में डूबी रहती है, इसे आर्द्र बल्ब (Wet Bulb) कहते हैं। दोनों के पाठ्यांक और उनके अंतर ($T_{\text{dry}} – T_{\text{wet}}$) से साइक्रोमीट्रिक सारणी (Psychrometric Table) की सहायता से सापेक्ष आर्द्रता (RH), वाष्प दाब और ओस बिंदु ज्ञात कर लिया जाता है।
व्हर्लिंग साइक्रोमीटर (Whirling / Sling Psychrometer) एवं असमान साइक्रोमीटर (Assmann Psychrometer): खुले खेत या फसल वितान में तुरंत आर्द्रता मापने के लिए व्हर्लिंग साइक्रोमीटर को हाथ से घुमाया जाता है, जबकि असमान साइक्रोमीटर में चाबी या मोटर से चलने वाला पंखा लगा होता है।
हेयर हाइग्रोमीटर एवं हेयर हाइग्रोग्राफ (Hair Hygrometer and Hair Hygrograph): वसा-मुक्त मानव बाल (विशेषकर सुनहरे यूरोपीय मानव बाल — Human Blonde Hair) में यह प्राकृतिक गुण होता है कि सापेक्ष आर्द्रता $0\%$ से $100\%$ तक बढ़ने पर उसकी लंबाई लगभग $2.5\%$ बढ़ जाती है और आर्द्रता घटने पर सिकुड़ जाती है। इसी सिद्धांत पर प्रत्यक्ष पठन हेतु ‘हेयर हाइग्रोमीटर’ और घड़ी-चालित ड्रम पर 24 घंटे का सतत ग्राफ बनाने हेतु ‘हेयर हाइग्रोग्राफ’ कार्य करता है।

SECTION 05

वैज्ञानिक आरेख एवं शैक्षिक चित्रण (Scientific Diagrams & Educational Images)

आरेख 5.1: फसल वितान का सतही ऊर्जा संतुलन ($R_n = LE + H + G + P$) एवं मरुद्यान प्रभाव (Oasis Effect)

शैक्षिक व्याख्या (Academic Explanation): यह वैज्ञानिक आरेख प्रदर्शित करता है कि एक सिंचित खेत में शुद्ध विकिरण ($R_n$) का सबसे बड़ा भाग ($70–85\%$) गुप्त ऊष्मा ($LE$ — वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन) में खर्च होता है, जिससे फसल ठंडी रहती है और बोवेन अनुपात ($\beta = H/LE$) 1 से कम रहता है।

आरेख 5.2: तापमान बनाम संतृप्त वाष्प दाब वक्र ($e_s$), वाष्प दाब न्यूनता (VPD) एवं ओस बिंदु ($T_d$)

शैक्षिक व्याख्या (Academic Explanation): बाईं ओर के ग्राफ में दिखाया गया है कि $30^\circ\text{C}$ पर स्थित असंतृप्त वायु पार्सल ($e_a = 23.4\text{ hPa}, e_s = 42.4\text{ hPa}$) को संतृप्त करने के लिए या तो उसमें $19.0\text{ hPa}$ (VPD) के बराबर और जलवाष्प मिलानी होगी, अथवा उसे ठंडा करके $20^\circ\text{C}$ (ओस बिंदु तापमान $T_d$) पर लाना होगा। दाईं ओर का ग्राफ दर्शाता है कि तापमान और सापेक्ष आर्द्रता (RH) का दैनिक चक्र एक-दूसरे के ठीक विपरीत (Mirror Image) चलता है।

आरेख 5.3: शुष्क एवं आर्द्र बल्ब तापमापी / साइक्रोमीटर (Dry & Wet Bulb Psychrometer) एवं हेयर हाइग्रोग्राफ

शैक्षिक व्याख्या (Academic Explanation): साइक्रोमीटर में आर्द्र बल्ब से जल वाष्पित होने के कारण उसका तापमान शुष्क बल्ब से कम रहता है। हवा जितनी अधिक शुष्क होगी, वाष्पन उतना ही तेज होगा और आर्द्र बल्ब अवनमन ($T_{\text{dry}} – T_{\text{wet}}$) उतना ही अधिक होगा। जब हवा $100\%$ संतृप्त होती है, तो वाष्पन रुक जाने से दोनों तापमापियों का पाठ्यांक बराबर हो जाता है।

SECTION 06

विजुअल माइंड मैप (Compulsory Visual Mind Map)

माइंड मैप 6.1: पृथ्वी का ऊर्जा संतुलन, वायुमंडलीय आर्द्रता, संतृप्ति एवं वाष्प दाब (Complete Lecture Mind Map)

माइंड मैप सारांश: यह माइंड मैप पृथ्वी व फसल के ऊर्जा संतुलन समीकरण, बोवेन अनुपात, वाष्प दाब व VPD, आर्द्रता के मापों (AH, SH, RH, Dew Point), मापक यंत्रों और कृषि महत्व को एक ही दृश्य में प्रस्तुत करता है।

SECTION 07

प्रवाह चार्ट एवं इन्फोग्राफिक्स (Flowcharts and Infographics)

वायु के तापमान में परिवर्तन होने पर संतृप्त वाष्प दाब ($e_s$), सापेक्ष आर्द्रता (RH), वाष्प दाब न्यूनता (VPD) और वाष्पोत्सर्जन/संघनन पर पड़ने वाले प्रभावों का कारण-परिणाम प्रवाह चार्ट (Cause-and-Effect Chain) नीचे दिया गया है:

स्थिति A (Daytime Warming)

दोपहर में तापमान बढ़ना ($T \uparrow$)

वायु की जल-धारण क्षमता ($e_s$) तेजी से बढ़ती है $\rightarrow$ सापेक्ष आर्द्रता ($\text{RH}\%$) घट जाती है $\rightarrow$ $\text{VPD } (e_s – e_a)$ बढ़ जाता है $\rightarrow$ फसल से वाष्पोत्सर्जन (ET) तेज हो जाता है।

स्थिति B (Nighttime Cooling)

रात्रि में तापमान गिरना ($T \downarrow$)

वायु की जल-धारण क्षमता ($e_s$) घटती है $\rightarrow$ सापेक्ष आर्द्रता ($\text{RH}\%$) बढ़ती जाती है $\rightarrow$ $\text{VPD}$ घटता जाता है $\rightarrow$ वाष्पोत्सर्जन रुक जाता है।

स्थिति C (Dew Point Reached)

तापमान ओस बिंदु पर ($T = T_d$)

$e_a = e_s$ हो जाता है $\rightarrow$ वायु पूर्णतः संतृप्त ($\text{RH} = 100\%, \text{VPD} = 0$) हो जाती है $\rightarrow$ $T_{\text{dry}} = T_{\text{wet}} = T_d$ हो जाता है।

स्थिति D (Condensation)

ओस बिंदु से नीचे शीतलन ($T < T_d$)

अतिरिक्त जलवाष्प को हवा रोक नहीं पाती $\rightarrow$ पत्तियों पर ओस (Dew), पाला (Frost) या हवा में कोहरा (Fog) बन जाता है।

SECTION 08

तुलनात्मक सारणियाँ (Scientific Comparison Tables)

8.1 निरपेक्ष आर्द्रता (Absolute Humidity), विशिष्ट आर्द्रता (Specific Humidity) एवं सापेक्ष आर्द्रता (Relative Humidity) की तुलना

क्र.सं.	तुलना का आधार (Basis)	निरपेक्ष आर्द्रता (Absolute Humidity — AH)	विशिष्ट आर्द्रता (Specific Humidity — SH)	सापेक्ष आर्द्रता (Relative Humidity — RH)
1.	परिभाषा (Definition)	आर्द्र वायु के प्रति इकाई आयतन ($1\text{ m}^3$) में उपस्थित जलवाष्प का भार (ग्राम)।	आर्द्र वायु के प्रति इकाई कुल द्रव्यमान ($1\text{ kg}$) में उपस्थित जलवाष्प का भार (ग्राम)।	दी गई वायु में उपस्थित जलवाष्प ($e_a$) और उसी ताप पर संतृप्ति हेतु आवश्यक जलवाष्प ($e_s$) का प्रतिशत अनुपात।
2.	सूत्र (Formula)	$\text{AH} = \frac{m_v}{V}$	$\text{SH} = \frac{m_v}{m_{\text{moist air}}} \approx 0.622\frac{e}{P}$	$\text{RH} = \left(\frac{e_a}{e_s}\right) \times 100$
3.	मानक इकाई (Standard Unit)	$\text{g m}^{-3}$ (या $\text{g cm}^{-3}$)	$\text{g kg}^{-1}$	प्रतिशत ($\%$) [विमाहीन अनुपात]
4.	तापमान एवं प्रसार का प्रभाव	वायु के गर्म होकर फैलने (आयतन बढ़ने) पर इसका मान बदल (घट) जाता है।	वायु के फैलने या सिकुड़ने से द्रव्यमान नहीं बदलता, अतः यह स्थिर (Conservative) रहती है।	तापमान बढ़ने पर $e_s$ बढ़ने के कारण RH तेजी से घटती है ($\text{RH} \propto 1/T$)।
5.	कृषि में उपयोगिता (Utility)	सैद्धांतिक गणनाओं में प्रयुक्त।	वायु राशियों (Air Masses) की नमी पहचानने में प्रयुक्त।	कृषि, सिंचाई, वाष्पोत्सर्जन और कीट-रोग पूर्वानुमान में सर्वाधिक प्रयुक्त।

8.2 शुष्क बल्ब तापमापी (Dry Bulb Thermometer) एवं आर्द्र बल्ब तापमापी (Wet Bulb Thermometer) में अंतर

क्र.सं.	विशेषता (Parameter)	शुष्क बल्ब तापमापी (Dry Bulb Thermometer)	आर्द्र बल्ब तापमापी (Wet Bulb Thermometer)
1.	बल्ब की स्थिति	इसका बल्ब नंगा एवं सूखा रहता है तथा सीधे हवा के संपर्क में होता है।	इसके बल्ब पर मलमल का कपड़ा लिपटा रहता है जो आसुत जल की बत्ती से निरंतर गीला रहता है।
2.	मापा जाने वाला तापमान	यह वायु का वास्तविक तापमान (Actual Air Temperature — $T_d$ या $T_a$) मापता है।	यह वाष्पशील शीतलन से प्राप्त आर्द्र बल्ब तापमान (Wet Bulb Temperature — $T_w$) मापता है।
3.	पाठ्यांक का मान	असंतृप्त वायु में इसका पाठ्यांक सदैव आर्द्र बल्ब से अधिक होता है ($T_d \ge T_w$)।	वाष्पन में गुप्त ऊष्मा खर्च होने से इसका पाठ्यांक सदैव कम या बराबर होता है ($T_w \le T_d$)।

SECTION 09

व्यावहारिक कृषि अनुप्रयोग एवं भारतीय/राजस्थान के उदाहरण (Practical Applications)

1. वाष्प दाब न्यूनता (VPD) और फसलों की जल मांग (Transpiration Pull): पत्तियों के रंध्रों के भीतर की अंतर-कोशिकीय हवा लगभग $100\%$ संतृप्त होती है, जबकि बाहरी वायुमंडल असंतृप्त होता है। पत्ती और बाहरी हवा के बीच वाष्प दाब न्यूनता ($\text{VPD} = e_s – e_a$) जितनी अधिक होती है, फसल से वाष्पोत्सर्जन (Transpiration) की दर उतनी ही तेज होती है। राजस्थान में मई-जून में जब तापमान $45^\circ\text{C}$ और $\text{RH}$ मात्र $10–15\%$ होती है, तब VPD अत्यधिक उच्च होने से सिंचित फसलों में भी दोपहर में अस्थायी मुरझान (Temporary Wilting) आ जाती है।
2. कीट एवं रोग महामारी में सापेक्ष आर्द्रता (RH) की निर्णायक भूमिका:
- सरसों का मोयला/चेपा (Mustard Aphid — Lipaphis erysimi): जनवरी-फरवरी में जब सापेक्ष आर्द्रता $70\%–80\%$ से अधिक और आकाश में बादल हों, तो मोयला विस्फोटक रूप से बढ़ता है।
- आलू व टमाटर का पछेती झुलसा (Late Blight) एवं गेहूँ की रोली (Rust): $\text{RH} > 85\%–90\%$ और पत्तियों पर नमी रहने पर कवक बीजाणु तेजी से संक्रमण करते हैं।
- छाछया / चूर्णिल आसिता रोग (Powdery Mildew — Erysiphe spp.): यह एक अपवाद कवक रोग है जो राजस्थान में जीरा (Cumin), सरसों, मटर और बेर में अपेक्षाकृत शुष्क मौसम और मध्यम आर्द्रता ($50\%–70\%\text{ RH}$) में अधिक फैलता है।
3. अनाज का सुरक्षित भंडारण (Equilibrium Moisture Content): यदि गोदाम में सापेक्ष आर्द्रता $70\%$ से अधिक हो, तो सूखा अनाज भी हवा से नमी सोख लेता है (आर्द्रताग्राही स्वभाव) जिससे अनाज की नमी $14\%$ से ऊपर चली जाती है और उसमें घुन (Weevil) तथा Aspergillus flavus कवक (Aflatoxin विष) लग जाता है। अतः सुरक्षित भंडारण हेतु गोदाम की $\text{RH} < 60–65\%$ और अनाज की नमी $10–12\%$ रखी जाती है।

SECTION 10

प्रमुख सूत्र एवं हल किए गए संख्यात्मक प्रश्न (Formulas & Solved Numericals)

10.1 प्रमुख सूत्र (Master Equations)

सतही ऊर्जा संतुलन समीकरण: $R_n = LE + H + G + P + M$
बोवेन अनुपात: $\beta = \frac{H}{LE}$
वाष्प दाब न्यूनता (VPD): $\text{VPD} = e_s – e_a$
सापेक्ष आर्द्रता (RH %): $\text{RH (\%)} = \left(\frac{e_a}{e_s}\right) \times 100 \implies e_a = \frac{\text{RH} \times e_s}{100}$
साइक्रोमीट्रिक समीकरण (Regnault / Ferrel Psychrometric Formula): $$e_a = e_s(T_w) – A \cdot P \cdot (T_d – T_w)$$ जहाँ $e_s(T_w)$ = आर्द्र बल्ब तापमान पर संतृप्त वाष्प दाब, $P$ = वायुदाब, $A \approx 0.00066\text{ }^\circ\text{C}^{-1}$ (साइक्रोमीट्रिक स्थिरांक), तथा $(T_d – T_w)$ = आर्द्र बल्ब अवनमन है।

10.2 हल किए गए संख्यात्मक प्रश्न (Solved Numerical Problems)

उदाहरण 1 (सापेक्ष आर्द्रता RH एवं वाष्प दाब न्यूनता VPD की गणना): प्रश्न: किसी कृषि मौसम वेधशाला में वायु का तापमान $30^\circ\text{C}$ है। इस तापमान पर संतृप्त वाष्प दाब ($e_s$) का मान $42.4\text{ hPa (mb)}$ है तथा उस समय वायु में वास्तविक वाष्प दाब ($e_a$) $21.2\text{ hPa}$ मापा गया। उस समय की (i) सापेक्ष आर्द्रता ($\text{RH}\%$) तथा (ii) वाष्प दाब न्यूनता ($\text{VPD}$) ज्ञात कीजिए।

हल (Solution):
दिया गया है: $e_s = 42.4\text{ hPa}$, $e_a = 21.2\text{ hPa}$
(i) सापेक्ष आर्द्रता (RH %): $$\text{RH (\%)} = \left(\frac{e_a}{e_s}\right) \times 100 = \left(\frac{21.2}{42.4}\right) \times 100 = 0.50 \times 100 = \mathbf{50\%}$$ (ii) वाष्प दाब न्यूनता (VPD): $$\text{VPD} = e_s – e_a = 42.4 – 21.2 = \mathbf{21.2\text{ hPa (या mb)}}$$

उदाहरण 2 (ऊर्जा संतुलन एवं बोवेन अनुपात की गणना): प्रश्न: दोपहर के समय एक सिंचित गेहूँ के खेत पर उपलब्ध शुद्ध विकिरण ($R_n$) $500\text{ W m}^{-2}$ है। यदि मृदा ऊष्मा फ्लक्स ($G$) $40\text{ W m}^{-2}$, संवेदी ऊष्मा फ्लक्स ($H$) $92\text{ W m}^{-2}$ हो (तथा $P$ व $M$ नगण्य हों), तो (i) वाष्पन-वाष्पोत्सर्जन में प्रयुक्त गुप्त ऊष्मा फ्लक्स ($LE$) तथा (ii) बोवेन अनुपात ($\beta$) की गणना कीजिए।

हल (Solution):
(i) ऊर्जा संतुलन समीकरण से: $R_n = LE + H + G$
$$500 = LE + 92 + 40 \implies LE = 500 – 132 = \mathbf{368\text{ W m}^{-2}}$$ (ii) बोवेन अनुपात ($\beta$): $$\beta = \frac{H}{LE} = \frac{92}{368} = \mathbf{0.25}$$

SECTION 11

त्वरित पुनरावलोकन (Quick Revision Points)

पृथ्वी एवं फसल ऊर्जा संतुलन:

ऊर्जा संतुलन सूत्र: $R_n = LE + H + G + P + M$।
सिंचित खेत में $LE$ का अंश: $70\%–85\%$ (सर्वाधिक)।
बोवेन अनुपात ($\beta$): $\beta = H / LE$।
ओएसिस प्रभाव (Oasis Effect): गर्म अभिवहन से $LE > R_n$ होना।

आर्द्रता के माप एवं इकाइयाँ:

निरपेक्ष आर्द्रता (AH): $\text{g m}^{-3}$ (आयतन आधारित)।
विशिष्ट आर्द्रता (SH): $\text{g kg}^{-1}$ (आर्द्र वायु द्रव्यमान आधारित, संरक्षी)।
मिश्रण अनुपात ($r$): $\text{g kg}^{-1}$ (शुष्क वायु आधारित)।
सापेक्ष आर्द्रता (RH): $(e_a / e_s) \times 100$ (इकाई: $\%$ )।

वाष्प दाब एवं संतृप्ति नियम:

संतृप्त वाष्प दाब ($e_s$): केवल तापमान का फलन है।
वाष्प दाब न्यूनता (VPD): $e_s – e_a$ (प्यास/सूखेपन की माप)।
$100\%\text{ RH}$ (संतृप्ति) पर: $e_a = e_s$, $\text{VPD} = 0$, तथा $T_d = T_w = T_{\text{dew}}$।
वाष्पन की गुप्त ऊष्मा: $\approx 597–600\text{ cal g}^{-1}$ ($0^\circ\text{C}$ पर)।

दैनिक चक्र एवं मापक यंत्र:

अधिकतम RH समय: प्रातः सूर्योदय के समय।
न्यूनतम RH समय: दोपहर $02:00–04:00\text{ PM}$।
साइक्रोमीटर: शुष्क एवं आर्द्र बल्ब तापमापी।
हेयर हाइग्रोग्राफ: मानव बाल द्वारा सतत RH रिकॉर्डिंग।

SECTION 12A

बहुविकल्पीय प्रश्न (Multiple Choice Questions — 20 MCQs)

प्रश्न 1. आर्द्र वायु के प्रति इकाई आयतन ($1\text{ m}^3$) में उपस्थित जलवाष्प के द्रव्यमान (ग्राम) को क्या कहते हैं?

(A) सापेक्ष आर्द्रता (Relative Humidity)

(B) विशिष्ट आर्द्रता (Specific Humidity)

(D) मिश्रण अनुपात (Mixing Ratio)