Hygrometrie

Jak se měří vlhkost vzduchu

Hygrometrie je měření vlhkosti plynů, tedy obsahu vodní páry v nich. V meteorologii se používá k měření vlhkosti vzduchu u země i ve vyšších vrstvách atmosféry. Vlhkoměr může vyjadřovat výsledek jako relativní vlhkost v procentech, rosný bod ve stupních Celsia nebo jinou vlhkostní veličinu. Každá popisuje přítomnost vodní páry jiným způsobem. (NPL, oddíl 2.1)

Podrobně zde vysvětlíme kapacitní vlhkoměr, který převádí změnu elektrické vlastnosti citlivé vrstvy na údaj o relativní vlhkosti. Takové čidlo pracuje například na automatické meteorologické stanici. Nejprve proto potřebujeme porozumět tomu, co procentní údaj o vlhkosti znamená.

Relativní vlhkost a teplota

Vzduch je směs plynů a vodní pára tvoří jednu z jejích složek. Každý plyn přispívá k celkovému tlaku svým dílem. Příspěvek vodní páry se nazývá její dílčí tlak a značíme jej e. Při stejné teplotě je větší dílčí tlak spojen s větším množstvím páry v daném objemu vzduchu. (NIST, oddíl 3)

Pro určení relativní vlhkosti tento tlak porovnáváme s tlakem páry při nasycení. Nasycení si můžeme představit jako rovnováhu nad vodní hladinou: do vzduchu se vypařuje stejné množství vody, jaké se z páry vrací do kapaliny. Tlak páry v tomto stavu označujeme $e_s$. Závisí především na teplotě, s jejím růstem se zvyšuje. Kalibrační metodika amerického Národního institutu pro standardy a technologie, NIST, oddíl 3, popisuje tento vztah i menší vliv celkového tlaku vzduchu.

Relativní vlhkost je podíl skutečného tlaku páry a tlaku při nasycení za téže teploty, vyjádřený v procentech. Značka RH pochází z anglického relative humidity:

Oba tlaky, e i $e_s$, dosazujeme ve stejných jednotkách, například v hektopascalech, značka hPa. Jejich podíl říká, jak velkou část hodnoty při nasycení skutečný tlak páry dosahuje. Násobení stem jej převede na procenta. Při nasycení se oba tlaky rovnají a RH je 100 %. (NIST, oddíl 3)

Relativní vlhkost se proto může měnit i bez přidání nebo odebrání vody. Když vzduch ohřejeme za stálého celkového tlaku a se stejným obsahem páry, její dílčí tlak zůstane stejný. Tlak při nasycení však vzroste. Ve zlomku tak dělíme stejnou hodnotu větším číslem a RH klesá. Právě tato vazba vysvětluje, proč se vlhkost měří společně s teplotou. Popisuje ji také příručka britské Národní fyzikální laboratoře, NPL, oddíl 3.2.

Čidlo, které přijímá vodu ze vzduchu

Kapacitní vlhkoměr využívá tenkou vrstvu polymeru, materiálu tvořeného dlouhými molekulárními řetězci. Tato vrstva přijímá vodu z okolního vzduchu a při vysychání ji zase uvolňuje. Po ustálení odpovídá obsah vody ve vrstvě vlhkosti jejího okolí. Abychom tuto změnu mohli měřit elektricky, je vrstva umístěna mezi dvěma vodivými elektrodami. (NPL, oddíl 3.1)

Elektrody oddělené izolační vrstvou tvoří kondenzátor, součástku schopnou uchovávat elektrický náboj. Kolik náboje se v ní uloží při daném napětí, vyjadřuje elektrická kapacita. Její jednotkou je farad, značka F. Kapacita závisí také na materiálu mezi elektrodami. Když polymer přijme vodu, změní se jeho chování v elektrickém poli, a tím i kapacita čidla. Elektronika měří právě tuto změnu. Princip shrnuje NPL v oddílu 3.1. (University Physics 2, oddíl 8.1)

K získání vlhkosti zbývá určit, jaká RH jednotlivým odečtům kapacity odpovídá. Tento vztah zjišťujeme měřením ve známých podmínkách, tedy kalibrací. Protože odezvu polymeru ovlivňuje také teplota, patří ke čidlu i její měření. Převod pak může zohlednit současně kapacitu a teplotu. (Ingleby a kol., oddíl 2d)

Kalibrace a převod na vlhkost

Při kalibraci vystavíme čidlo několika známým vlhkostem a zaznamenáme jeho odezvu. Počkáme vždy na ustálení, aby vrstva měla čas přijmout nebo uvolnit vodu. Měření podle zamýšleného použití opakujeme i při různých teplotách. Získáme tak vztah mezi odečtem přístroje a referenční vlhkostí včetně nejistoty tohoto vztahu. Pokud podle výsledku změníme nastavení přístroje, provádíme seřízení. Rozdíl mezi kalibrací a seřízením vymezuje mezinárodní metrologický slovník VIM, heslo 2.39. (NIST, kalibrační postup)

Známou vlhkost může připravit laboratorní generátor. NIST používá zařízení, v němž se vzduch nasytí vodní párou při měřené teplotě a tlaku. Tyto dvě veličiny určují referenční stav páry. Nižší vlhkosti zařízení vytváří změnou tlaku nebo smícháním známých průtoků vlhkého a suchého plynu. Teploměr v testovací komoře pak umožní vyjádřit výslednou relativní vlhkost při teplotě kalibrovaného čidla. Postup dokládá metodika Meyera, Hermana a Millera z roku 2021.

Převodní vztah může mít podobu tabulky nebo rovnice uložené v elektronice vlhkoměru. Při dalším měření elektronika přečte kapacitu a teplotu a podle tohoto vztahu určí RH. Zohlednění teplotní závislosti samotného čidla se nazývá teplotní kompenzace. Jejím účelem je, aby přístroj rozlišil změnu kapacity způsobenou vlhkostí od změny způsobené teplotou materiálu. Chování kapacitních čidel popisují Ingleby a spoluautoři v oddílu 2d.

Měření na meteorologické stanici

Pro soustavné venkovní měření se čidlo stává součástí sondy s ochranným filtrem. Převodník zpracovává jeho elektrický signál a záznamník ukládá vypočtenou vlhkost s časem měření. Tento způsob používá i americká síť klimatických referenčních stanic, anglicky U.S. Climate Reference Network, zkráceně USCRN. Její seznam přístrojů uvádí vlhkoměr Vaisala HMT337.

Vlhkostní sonda USCRN je umístěna vedle teploměru v krytu, jehož plášť omezuje sluneční ohřev. Ventilátor krytem protahuje okolní vzduch. Čidla tak měří vzduch, který soustavně přichází zvenčí. Teplotní sondy jsou zpravidla 1,5 metru nad zemí a vlhkoměr je v prvním ze tří teplotních krytů. Uspořádání popisuje dokumentace měření USCRN.

USCRN zveřejňuje pětiminutové průměry RH. Každá taková hodnota popisuje vlhkost vzduchu u sondy za jeden časový úsek. Z pětiminutových hodnot vzniká také hodinový údaj. U úplné hodiny se stejně dlouhými intervaly sečteme všech dvanáct hodnot a vydělíme součet dvanácti. Způsob ukládání a průměrování stanovují popis měření a dokumentace hodinových dat USCRN z 6. července 2017.

Co z měření zjistíme o atmosféře

Relativní vlhkost říká, jak blízko je vzduch nasycení při své současné teplotě. Se znalostí teploty ji můžeme přepočítat na tlak vodní páry: z úvodního vztahu plyne, že RH vydělíme stem a vynásobíme tlakem při nasycení. Pro získaný tlak páry pak hledáme teplotu, při níž by právě nastalo nasycení. Tato teplota jerosný bod. Vyjadřuje, na kolik by se vzduch musel ochladit při nezměněném tlaku a obsahu páry, aby dosáhl nasycení vůči kapalné vodě. (NPL, oddíl 2.1)

Pro sledování množství páry se používá také měrná vlhkost. Udává hmotnost vodní páry připadající na kilogram vlhkého vzduchu, obvykle v gramech na kilogram. K jejímu určení z RH potřebujeme vedle teploty i celkový tlak. Tyto převody popisuje metodika NIST. Umožňují sledovat změny obsahu vody i tehdy, když se současně mění teplota a s ní relativní vlhkost.

Dlouhodobé záznamy z mnoha stanic pak umožňují porovnávat vlhkost mezi oblastmi a obdobími. Willettová a spoluautoři v metodice souboru HadISDH z roku 2014 popsali zpracování jednotlivých hlášení teploty a rosného bodu na několik vlhkostních veličin. Nejprve provedli převody pro jednotlivá hlášení a potom počítali měsíční a prostorové průměry. Toto pořadí zachovává vazbu mezi vlhkostí a teplotou ve stejném okamžiku. Protože převod není lineární, převést průměrné vstupy by obecně dalo jiný výsledek než zprůměrovat jednotlivě převedená měření. Na jejich klimatické využití navazuje článek Vlhkost atmosféry.

Radiosondy nesou vlhkoměry do výšky a doplňují staniční měření o svislé rozložení vlhkosti. Referenční síť měření ve volné atmosféře GRUAN používá podrobně popsané zpracování, které u sondy RS92 zahrnuje opravy slunečního ohřevu a opožděné reakce čidla. Postup zveřejnili Dirksen a spoluautoři. Měření z různých výšek tak společně zachycují stav atmosféry nad stanicí.

Další metody sledují celkovou vodní páru ve sloupci atmosféry, tedy její součet přes jednotlivé výšky. Patří k nim pozemní měření signálů globálních navigačních družicových systémů, GNSS, a mikrovlnná radiometrie. Jejich výsledky doplňují místní údaje vlhkoměrů. Při společném vyhodnocení proto rozlišujeme údaj z jedné výšky a obsah páry v celém sloupci. (Mears a kol., metody)(Bevis a kol.: GPS meteorologie)

Vývoj elektrického měření

Mechanické vlhkoměry využívaly změnu délky vlasu nebo jiného materiálu při vlhnutí. Francis Dunmore v práci z roku 1938 popsal elektrický vlhkoměr s vrstvou obsahující sůl na skleněné trubici. Voda přijatá vrstvou měnila její elektrický odpor. Dva vodiče ji spojovaly s obvodem, který převáděl změnu odporu na frekvenci rádiově přenášeného signálu. Vlhkost tak bylo možné zaznamenávat během letu meteorologického balonu.

Při popsaném letu elektrický přístroj zachytil výrazné změny vlhkosti, na které vlasový vlhkoměr reagoval slabě a přibližně o dvě minuty později. Balon za tu dobu vystoupal asi o 670 metrů. Rychlejší odezva umožnila podrobněji rozlišit vlhkost v jednotlivých výškách. Dunmoreovo čidlo měřilo odpor, zatímco zde popsané polymerní čidlo měří kapacitu. Obě provedení poskytují elektrický signál vhodný pro automatický a vzdálený záznam. (Dunmore, letové porovnání)

Další způsoby měření vlhkosti

Psychrometr

Psychrometr zjišťuje vlhkost z ochlazování mokrého povrchu. Má dva teploměry, kolem kterých proudí vzduch. Jeden měří teplotu vzduchu, druhý je obalený navlhčeným knotem. Voda se z knotu odpařuje a odebírá teplo, takže mokrý teploměr se ochladí. Při stejné teplotě a proudění je v sušším vzduchu odpařování intenzivnější a rozdíl teplot větší. Za ustálených podmínek tento rozdíl umožňuje určit vlhkost. (NPL, oddíl 3.1)

Při odpařování je u mokrého povrchu pára nasycená, zatímco v okolním vzduchu je její tlak nižší. Výpočet vychází z tlaku nasycené páry při teplotě mokrého povrchu a odečítá tento rozdíl. Jeho velikost určuje z ochlazení teploměru, celkového tlaku vzduchu a vztahu pro dané provedení psychrometru. Výsledkem je tlak páry v okolním vzduchu: (Ingleby a kol., rovnice 3)

T je teplota suchého teploměru a $T_w$ teplota mokrého teploměru, obě ve °C. Jejich rozdíl vyjadřuje ochlazení odpařováním.

p je celkový tlak vzduchu v hPa a $e_s(T_w)$ tlak nasycené páry při teplotě mokrého povrchu, také v hPa. Výsledný dílčí tlak páry e proto také vychází v hPa.

Součinitel A odpovídá konstrukci, větrání a stavu povrchu. Má jednotku K⁻¹. Kelvin, značka K, je zde jednotkou teplotního rozdílu a rozdíl jednoho kelvinu je stejně velký jako rozdíl jednoho stupně Celsia. Při násobení se jednotky teplotního rozdílu vykrátí a celý odečítaný člen vychází v hPa.

Z vypočteného tlaku páry získáme RH úvodním vztahem: vydělíme jej tlakem při nasycení za teploty suchého teploměru a vynásobíme stem. Ingleby a spoluautoři, rovnice 3 a tabulka 3, dokládají použití vztahu a hodnoty součinitele pro různá provedení. Za mrazu volíme vztah podle toho, zda je knot mokrý, nebo pokrytý ledem.

Chlazené zrcátko

Vlhkoměr s chlazeným zrcátkem určuje přímo teplotu, při které se tvoří rosa. Přístroj zrcátko ochlazuje a pomocí světla sleduje vznik kapiček na jeho povrchu. Jejich objevení změní odraz světla. Regulace podle tohoto signálu nastavuje teplotu tak, aby se udržovala tenká rovnovážná vrstva rosy. Teploměr zrcátka pak udává rosný bod. Tento princip popisuje NPL v oddílu 3.1.

Rosnému bodu odpovídá určitý tlak nasycené páry. Tím získáme tlak páry v měřeném vzduchu a společně s teplotou vzduchu z něj vypočteme RH. Pod nulou se může na zrcátku vytvořit kapalná voda i led. Nad ledem nastává rovnováha při jiném tlaku páry než nad vodou stejné teploty. Teplotu rovnováhy s ledem označujeme jako bod ojíněnía při převodu používáme vztah pro nasycení nad ledem. (NIST, oddíl 3)

Vyhřívaná kapacitní sonda

Některé kapacitní sondy se mírně zahřívají, aby na čidle nekondenzovala voda. Takové provedení HMT337 popisuje příručka Vaisala HMT330, verze K, strany 25 a 46. Ohřev snižuje relativní vlhkost u čidla podle stejného vztahu, který jsme vysvětlili v úvodu. Přístroj proto nejprve určí tlak páry z RH a teploty zahřátého čidla. Potom jej porovná s tlakem při nasycení za teploty okolního vzduchu, měřené samostatným teploměrem. Výsledkem je RH okolí. Převod předpokládá, že ohřev změnil teplotu vzduchu u čidla bez přidání či odebrání vodní páry.

Nejistoty a ověření měření

Výsledek ovlivňují teplota u čidla, jeho čistota, rychlost odezvy a stálost kalibrace. Pomalá odezva tlumí krátké výkyvy, posun kalibrace ovlivní i dlouhodobý průměr. Terénní porovnání v Camborne ukázalo u zkoušeného psychrometru průměrně asi o jeden procentní bod nižší RH než u reference s chlazeným zrcátkem. U kapacitních čidel se projevily rozdíly mezi kusy i postupný posun k vyšším hodnotám. Výsledky Inglebyho a spoluautorů se vztahují k testovaným přístrojům a podmínkám.

Příklad měření a výpočtu

Hodinová vlhkost na Blue Hill

Na stanici MA Blue Hill 0 W se dne 1. ledna 2025 mezi půlnocí a jednou hodinou místního standardního času pohybovaly zveřejněné pětiminutové průměry relativní vlhkosti od 80 do 87 %. Z těchto dvanácti údajů vypočítáme vlhkost za celou hodinu. Jde o stejné místo a období jako v článku o odporové termometrii.

Vstupy pocházejí z veřejného pětiminutového souboru USCRN za rok 2025. Zveřejňuje jej americké Národní centrum pro informace o životním prostředí, NCEI, při Národním úřadu pro oceán a atmosféru, NOAA. Pracujeme s podobou dat převzatou 4. října 2026. Veřejné údaje už prošly kalibrací a průměrováním. Jednotlivé elektrické odečty a kalibrační koeficienty soubor neobsahuje, náš výpočet proto začíná u zveřejněných pětiminutových hodnot.

Čas na řádku označuje konec intervalu. Údaj 00:05 tedy popisuje období 00:00–00:05. Vedle RH je příznak kvality, který označuje výsledek automatické kontroly dat. Všech dvanáct vybraných hodnot má příznak 0, tedy údaj bez označené chyby, a žádná nechybí. Význam sloupců stanovuje popis formátu subhourly01.

Každá hodnota zastupuje stejně dlouhých pět minut, takže všechny dostanou v průměru stejnou váhu. Jejich součet je 1 016. Vydělením počtem intervalů získáme:

Po zaokrouhlení na celá procenta vychází 85 %. Hodinový soubor NOAA uvádí pro interval končící v 01:00 právě 85 %, rovněž s příznakem kvality 0. Z dvanácti kratších intervalů jsme tak získali stejný hodinový údaj, jaký zveřejňuje síť. Shoda ověřuje výběr a zprůměrování dat, oba soubory přitom pocházejí ze stejného vlhkoměru. Desetinná místa výpočtu vznikla dělením údajů zaokrouhlených na celá procenta.

Ilustrace vlivu teploty

Vliv ohřátí na relativní vlhkost ukazuje samostatný ilustrační příklad z příručky NPL, oddílu 3.2. Vzduch s RH 50 % při 20 °C má po ohřátí na 21 °C za stálého tlaku a bez změny obsahu páry RH přibližně 47 %. Obsah vody zůstal stejný, ale zvýšil se tlak při nasycení, s nímž skutečný tlak páry porovnáváme. Proto procentní údaj klesl. Při sledování změn množství vodní páry tedy potřebujeme vedle RH znát i teplotu.

Shrnutí

Rozdíl mezi množstvím páry a relativní vlhkostí využívá mechanismus vlhkostní zpětné vazby. Ukazuje, proč může při oteplování páry přibývat a procentní údaj přitom klesat.

Zdroje a podklady k ověření

Principy a převody dokládá příručka NPL, kalibrační postup metodika NIST a konstrukci i parametry sondy příručka Vaisala HMT330, verze K. Na kartách jsou přímé odkazy na úplná PDF. Čísla stran u příručky Vaisala označují tištěné stránky, například strana 169 je stranou 171 v PDF.

Plné texty, odkazy a oba roční soubory NOAA byly znovu ověřeny 5. listopadu 2026. Vstupy příkladu zůstávají v podobě převzaté 4. října 2026.