Теоретическая часть к 1 практической работе

Рис. 1. Устройство максимального термометра.

1-резервуар, 2-штифт; 3-вакуум в капилляре над ртутью.

Минимальный термометр - спиртовой. Внутри капилляра находится маленький штифт из темного стекла с небольшими утолщениями на концах. Рабочее положение термометр — горизонтальное. Сохранение минимальных значений обеспечивается находящимся в капилляре (рис. 2) внутри спирта штифтом-указателем.

Рис. 2. Устройство минимального термометра.

1 - капилляр; 2 - штифт -указатель.

Утолщения штифта меньше внутреннего диаметра капилляра; поэтому при повышении температуры спирт, поступающий из резервуара в капилляр, обтекает штифт, не смещая его. При понижении температуры штифт после соприкосновения с мениском столбика спирта перемещается вместе с ним к резервуару (так как силы поверхностного натяжения плёнки спирта больше сил трения) и остаётся в ближайшем к резервуару положении. Положение конца штифта, ближайшего к мениску спирта, указывает минимальную температуру, а мениск — температуру в настоящий момент. До установки в рабочее положение минимальный термометр приподнимают резервуаром кверху и держат, пока штифт не опустится до мениска спирта.

Для измерения температуры почвы на глубинах 5, 10, 15, 20 см используются ртутные коленчатые термометры (Савинова) со шкалой от -10⁰ С до +50⁰ С. Для удобства установки они изогнуты под углом 135⁰ и имеют различную длину от 290 до 500 мм.

При измерении температуры почвы на глубинах от 20 см до 3,2 м применяются ртутные почвенно-глубинные термометры (пределы шкал от +31- +41⁰С до -10 - -20⁰С, цена деления 0,2⁰С).

Кроме жидкостных термометров, в метеорологии применяются термометры сопротивления, термоэлектрические, транзисторные, биметаллические, радиационные и др.:

• термометры сопротивления широко используются в дистанционных и автоматических метеорологических станциях (металлические резисторы — медные или платиновые) и в радиозондах (полупроводниковые резисторы);

• термоэлектрические термометры применяются для измерения градиентов температуры;

• транзисторные термометры (термотранзисторы) - в агрометеорологии, для измерения температуры пахотного слоя почвы;

• биметаллические термометры (термопреобразователи) применяются в термографах для регистрации температуры;

• радиационные термометры - в наземных, самолётных и спутниковых установках для измерения температуры различных участков поверхности Земли и облачных образований.

Для постоянной записи температуры используют термографы, датчиками в которых являются биметаллические пластинки. Непрерывная запись температуры ведется на ленте (рис.3). Изгиб пластинки под воздействием температуры передается на перо с помощью системы рычагов. Отклонение пера пропорционально изменению температуры. Запись производится специальными чернилами на ленте, установленной на барабане, вращаемым часовым механизмом с суточным или недельным оборотом. Прибор устанавливается в отдельной будке для самописцев.

Обработка записи термографа обязательно требует параллельного измерения ртутным (спиртовым) термометром значений температуры в нескольких точках записи, т.к. такая запись представляет собой только относительное изменение температуры во времени.

Рис.3.Термограф

1 — биметаллическая пластинка; 2 — передаточные рычаги; 3 — стрелка; 4 — барабан

Все метеорологические термометры имеют поверочные свидетельства, в которых указаны величины их инструментальных поправок.

Отсчет показаний термометров всегда производят с точностью до 0,1⁰ С, независимо от цены деления шкалы (0,2 или 0,5⁰ С). Линии визирования должны быть перпендикулярны шкале в месте отсчета. Это достигается таким положением глаза, при котором штрихи шкалы прямые.

Отсчеты делают быстро. В первую очередь отсчитывают десятые доли градуса, а затем целые. Этим стремятся исключить или уменьшить тепловое «влияние наблюдателя» на показания термометра.

Измерение влажности воздуха

На станциях используются два метода измерения влажности воздуха:

• психрометрический метод в теплый период года и

• гигрометрический — в холодный.

Психрометрический метод основан на зависимости интенсивности испарения с водной поверхности от дефицита насыщения водяного пара соприкасающегося с ней воздуха.

На испарение воды затрачивается тепло фазового перехода. Оно берется от испаряющей массы, т. е. батиста термометра. Температура термометра за счет этого понижается.

Психрометр представляет собой пару термометров, резервуар одного из которых обвернут батистом и смочен (смоченный термометр) — испаряющая поверхность; а другой – обыкновенный, т. е. сухой. Батист смоченного термометра испаряет и за счет этого температура термометра понижается. Испарение и понижение температуры будут тем больше, чем больше дефицит насыщения пара при прочих равных условиях. С помощью психрометрических таблиц определяют давление пара е, далее по формулам определяем другие характеристики влажности воздуха.

На метеостанциях используют психрометры двух типов: станционный психрометр без принудительного обдува и аспирационный психрометр, в котором применяется обдув резервуара смоченного термометра с постоянной скоростью.

Станционный психрометр представляет собой пару ртутных психрометрических термометров, резервуар правого термометра обвязан батистом, конец которого погружен в стаканчик с дистиллированной водой (смоченный термометр). Левый термометр — сухой (рис. 4).

Аспирационный психрометр устроен так, что позволяет производить измерения при самых различных погодных условиях без какой либо дополнительной защиты от Солнца и ветра, т.е. может использоваться в походных условиях (рис.5).

Общим недостатком всех психрометров является ограниченное их применение при температуре ниже -5+ -10⁰С. При более низких температурах влагонасыщенность воздуха становится очень малой, в результате чего даже незначительные неточности в отсчетах по термометрам приводят к значительным погрешностям при расчете самих значений влажности.

Рис.4. Аспирационный психрометр: 1— термометры; 2 — аспиратор; 3 — трубки, защищающие резервуары термометров.

Рис. 5 Устройство стационарного психрометра

Гигрометрический метод (гигро - влажный) основан на свойстве некоторых тел менять свои линейные размеры (деформироваться) при изменении содержания в воздухе водяных паров. Такими свойствами, например, обладает обезжиренный человеческий волос и различные органические пленки.

Рис. 6. Волосной гигрометр: 1 — волос; 2 — рамка; 3 — стрелка; 4 — шкала.

Так, при изменении влажности от 0 до 100% удлинение волоса составляет около 2,5% от его длины. Это и положено в основу работы гигрометров и гигрографов. В гигрометрах деформация волоса или пленки с помощью системы рычагов передается на стрелочный указатель, а в гигрографах — на перо, с помощью которого производится запись на ленте на вращающемся барабане. Все приборы этого типа относительные. Хотя их шкалы и отградуированы в значениях относительной влажности, в отсчеты по приборам надо вводить специальные поправки, полученные по результатам параллельных наблюдений по станционному психрометру.

Волосной гигрометр в зимнее время при температурах — 10⁰ С и ниже является основным прибором, т.к. более точный в иных условиях психрометр не может работать при низких температурах. Переводной график гигрометра строится заранее путем параллельных наблюдений в течение 1 — 1,5 месяца по психрометру и гигрометру до наступления устойчивых морозов. Отсчеты относительной влажности, снятые с гигрометра, переводятся в исправленные значения по переводному графику.

Оборот барабана гигрографа как и у термографа, суточный и недельный.

Измерение атмосферного давления

Определение значений атмосферного давления производится с помощью двух типов приборов ртутных барометров и барометров анероидов.

Наиболее точными стандартными приборами являются ртутные барометры: ртуть благодаря большой плотности позволяет получить сравнительно небольшой столб жидкости, удобный для измерения. Ртутные барометры представляют собой два сообщающихся сосуда, наполненных ртутью; одним из них служит запаянная сверху стеклянная трубка длиной около 90 см, не содержащая воздуха.

Для определения атмосферного давления в показания ртутного барометра вводят поправки: 1) инструментальную, исключающую погрешности изготовления; 2) поправку для приведения показания барометра к 0°С, т.к. показания прибора зависят от температуры (с изменением температуры меняется плотность ртути и линейные размеры деталей барометра); 3) поправку для приведения показаний барометра к нормальному ускорению свободного падения (g_n = 9,80665 м/ сек²), она обусловлена тем, что показания ртутных барометров зависят от географической широты и высоты над уровнем моря места наблюдений.

В зависимости от формы сообщающихся сосудов ртутные барометры подразделяют на 3 основных типа: чашечные, сифонные и сифонно-чашечные (рис. 7). На метеорологических станциях пользуются станционным чашечным барометром. Барометр помещается строго вертикально в специальном шкафчике с подсветом шкалы.

Отсчёт высоты ртутного столба производят по положению ртути в стеклянной трубке, а изменение положения уровня ртути в чашке учитывается применением компенсированной шкалы так, что отсчёт по шкале получается непосредственно в миллибарах. При каждом барометре имеется небольшой ртутный термометр для введения температурной поправки. точность отсчёта 0,1 мбар.

Все ртутные барометры - абсолютные приборы, т.к. по их показаниям непосредственно измеряют атмосферное давление.

Рис.7. Типы ртутных барометров: а - чашечный; б - сифонный; в - сифонно-чашечный

Барометр — анероид (рис. 8) на метеорологических станциях для измерения давления не используются, однако их применяют в экспедициях.

Принцип действия барометра-анероида основан на деформации металлических анероидных коробок (внутри которых воздух разряжен) под действием давления.

Линейные изменения толщины коробок преобразуются передаточным рычажным механизмом в угловые перемещения стрелки барометра-анероида относительно шкалы. Шкала градуирована в паскалях. Цена одного деления 100 Па или 1 гПа.

Рис.8. Внутреннее устройство барометра-анероида

Для непрерывной записи атмосферного давления используется суточный (реже недельный) барограф. Чувствительным элементом в нем служит блок мембранных барокоробок, смещение оси которых, вследствие колебания давления, передается системой рычагов на перо. Прибор является относительным, поэтому для обработки барограмм, как у термографа и гигрографа, необходимо параллельное измерение давления барометром. В основном на станциях по виду записи барографа определяется характеристика барометрической тенденции, т. е. повышение или понижение давления.

Барометр-анероид располагается горизонтально. Футляр, в котором находится анероид, предохраняет его от резких колебаний температуры и открывается только на время измерений.

Измерение ветра

Ветер характеризуется двумя параметрами – скоростью и направлением. Эти параметры измеряются двумя различными датчиками, которые обычно конструктивно оформлены в один ветроизмерительный прибор - анеморумбометр.

Измерению подлежат средняя за 2 или 10 минут скорость ветра (зависит от типа прибора) и мгновенная скорость с осреднением 2-5 с. Направление ветра также осредняется за интервал около 2 минут. Осреднение мгновенной скорости за интервал 2-5 с достигается автоматическим датчиком ветроизмерительных приборов, коэффициент инерции которых лежит в этих пределах. Максимальное значение мгновенной скорости за какой-либо промежуток времени называется порывом.

В основу работы большинства приборов, измеряющих скорость и направление ветра, положено действие динамического давления, оказываемого воздушным потоком на расположенную в нем твердую поверхность подвижной приемной части прибора.

Приемниками скорости ветра или первичными преобразователями являются чашечные вертушки или винты с лопастями.

Для измерения направления ветра используются флюгарки, которые представляют собой ассиметричную (относительно вертикальной оси) систему из пластин и противовесов, свободно вращающуюся относительно вертикальной оси. Под действием ветра флюгарка устанавливается в плоскости ветра противовесом навстречу ему. Формы флюгарки разнообразны, но большинство имеет две лопасти (пластины) под углом друг к другу, что создает им устойчивость в воздушном потоке и повышает чувствительность.

Анеморумбометр служит для измерения средних за 10 минут скоростей ветра, мгновенных значений скорости и направления, а также максимальной за любой промежуток скорости. Прибор является дистанционным электромеханическим устройством довольно сложной конструкции. В датчике, установленном на мачте высотой 10 м, сосредоточены чувствительные элементы и первичные преобразователи скорости и направления ветра.

Рис. 9 Анеморумбометр

Измерение осадков.

Атмосферные осадки в зависимости от их фазового состояния разделяются на следующие группы:

1) жидкие - дождь и роса;

2) т в е р д ы е - снег, град, крупа, иней и гололед;

3) с м е ш а н н ы е - одновременно из первой и второй группы.

Количество осадков измеряется с точностью до 0,1 мм высоты слоя воды (если осадки твердые, то их растаивают в теплом помещении). Вид осадков определяется визуально.

Осадкомер Третьякова применяется для измерения жидких и твердых осадков. Он состоит из двух специальных сменных ведер, с калиброванным сечением отверстия 200 см², высотой 40 см и планочной защиты от ветра. Осадкомер устанавливается на столбе так, чтобы верхний срез ведра был расположен на высоте 2 м.

Измерение количества осадков производится два раза в сутки независимо от того, выпадали осадки или нет. Затем вычисляется сумма осадков за сутки. Измерение состоит в том, что наблюдатель берет второе пустое ведро на станции и заменяет им стоящее на установке. Закрыв его крышкой, он приносит ведро осадкомера в помещение и измеряет количество осадков с помощью мерного стакана. Цена деления мерного стакана 2 см.

Поэтому одно деление стакана соответствует 0,1 мм осадков (2 см / 200 см = 0,01см) (рис.10).

Стакан имеет сто делений.

К результатам измерений вводят небольшие поправки на смачивание ведра и частичное испарение осадков:

- жидкие осадки до 0,5 деления — поправка+ 0,1 мм;

- жидкие осадки 0,5 деления и более — поправка+ 0,2 мм;

- твердые осадки до 0,5 деления — поправка 0,0 мм;

- твердые осадки 0,5 деления и более — поправка+ 0,1 мм.

На ряде станций производится регистрация количества и скорости выпадения (интенсивности) жидких осадков с помощью плювиографа.

Рис.10. Осадкомер Третьякова. 1-воронка, 2-диафрагма, 3-ведро, 4-колпачок, 5-носик, 6-планочная защита,7-подставка, 8-лесенка, 9-измерительный стакан

Краткая история развития метеорологии

Как и другие науки, в течение длительного периода начала своего развития, она была только описательной наукой. Существуют записи наблюдений за погодой, проводившиеся в древних цивилизациях, таких как Китай, Египет и Месопотамия.

Уже в глубокой древности зависимость земледельца и мореплавателя от погоды заставляла их постоянно следить за ее переменами, искать определенную связь между погодой и различными земными и небесными явлениями. Но это были лишь разрозненные наблюдения. В Древней Греции Геродот и Аристотель впервые пытались объяснить и систематизировать накопленные наблюдения над атмосферными явлениями.. В четвертом веке нашей эры, в книге под названием "Метеорология", Аристотель собрал информацию о многих явлениях в атмосфере и сделал попытки объяснить их. Первые приборы для измерения осадков — дождемеры — были изобретены в Китае и Корее уже за четыре века до нашей эры. В это же время начались первые, хотя и разрозненные, инструментальные наблюдения за погодой.

В Древней Руси записи о выдающихся явлениях природы — сильных засухах, градобитиях, высоких и низких стояниях вод мы находим в древних русских летописях и в записях русских «землепроходцев». В летописях давалась иногда общая характеристика погоды за целый сезон, например: «В лето 6901 (по нашему летоисчислению 1393 т.) тогда же бе зима студена, яко человецы и скоты умираху, измороша множество» (Софийская летопись).

Встречаются в летописях и характеристики отдельных явлений, например: «В лето 6809 (по нашему летоисчислению 1301 г.) буря сильна в Ростове, церкви 4 от основания выверже, а с иных верхи содрало июля 6».

С эпохи великих географических открытий (XV—XVI века) появились климатические описания открываемых стран. Проводились наблюдения над погодой, но без точных измерений метеорологических элементов; они не могли дать материала для научных обобщений.

Решающий импульс для преодоления чисто описательного характера наблюдений погоды принесло с собой изобретение Галилеем термометра (в 1597 г.). В 1643 году Торичелли изобрел барометр.

Позже появляются и другие приборы для измерения характеристик ветра, влажности и т.д. Это открыло возможность для количественного описания атмосферных явлений. Первые записи измерений метеорологических данных, таких как температура воздуха, атмосферное давление и количество осадков относятся к 1653 году. Фердинанд II в Тоскане организовал первую сеть службы погоды из расположенных в нескольких странах Европы 11 станций мониторинга (Флорентийская «академией опыта» в Италии).

Моментом начала совершенно однообразных и сравнимых между собой наблюдений было возникновение в 1780 г. Мангеймского метеорологического общества (Societas Meteorologica Palatina), объединявшее 40 метеостанций. Это общество поставило своей задачей организацию правильных метеорологических наблюдений; с этой целью оно привлекало сотрудников, рассылало проверенные инструменты, обязало своих корреспондентов производить отсчеты трижды в сутки в одни и те же сроки: 8 часов утра, 2 часа дня, 9 часов вечера (мангеймские часы), организовало наблюдения даже в отдаленных странах, например Лабрадоре, Сибири, Индии. Труды этого общества, известные под названием "Мангеймских или пфальцских эфемерид", несмотря на непродолжительное его существование (1780—92), легли в основание первых капитальных работ в области метеорологии.

Национальные сети метеорологических станций начали появляться в различных странах в начале 19 века и к середине века получили широкое распространение. Организация одновременных наблюдений в нескольких соседних странах сделала возможным составление необходимых для прогноза погоды синоптических карт. Первые такие карты Брандеса созданы в 1820 году в Германии.

В России с XVII века при московском царском дворе в «разрядные книги» регулярно записывались наблюденные явления природы. Так было положено начало наблюдениям за погодой в Москве. Научно организованные метеорологические наблюдения в России начались с первой половины XVIII века. Их ввел Петр I с 28 марта 1722 г., приказавший «иметь справедливую записку журналу, погоде и ветрам». Организация наблюдений по более широкой программе относится к 1725 г. — дате основания Академии наук, которой Петр I предложил «производить повсюду метеорологические наблюдения, а в наиболее важных местах поручить их продолжение надежным лицам». Ученые Академии наук проводили регулярные наблюдения над температурой воздуха с 1726 г. (до 1743 г. утрачены), над осадками с 1741 г. Метеорологические наблюдения над вскрытием и замерзанием Невы начались по приказу Петра Великого с 1706 г. и продолжались непрерывно 190 лет; это самый длинный ряд наблюдений, где-либо существующий.

Великая северная экспедиция (1733 г.) создала ряд метеорологических станций на Урале и в Сибири. Это была первая в мире метеорологическая сеть, проводившая наблюдения по единой программе. Сеть России входила также в Палатинское метеорологическое объединение, которое было организовано в Мангейме в 1781 г. и имело обширную сеть метеорологических станций. На территории России станции этого объединения находились в Петербурге, Москве и на Урале — Пишменский завод. В 1799 г. это общество распалось.

Большую роль в развитии метеорологии сыграла деятельность М. В. Ломоносова. Ломоносов в своих докладах в Академии наук доказывал необходимость организации сети метеорологических станций, объединенной общим руководством. Он же сформулировал основные положения, необходимые для правильного предсказания погоды. Ломоносов считал, что правильные прогнозы погоды «от истинной теории о движении жидких тел около земного шара, то есть воды и воздуха, ожидать должно». Этим он как бы указывал путь развития динамической метеорологии, на который встала сейчас синоптика. Ломоносов также дал схему образования гроз и объяснил их возникновение развитием вертикальных токов в атмосфере. Велик вклад М. В. Ломоносова и в инструментальную метеорологию. Он изобрел и построил ряд метеорологических приборов оригинальной конструкции: анемометр, морской воздушный барометр (нечувствительный к морской качке), «аэродромную» машину — геликоптер — для исследования верхних слоев атмосферы путем подъема метеорологических приборов (первый в мире предшественник метеорографа и вертолета).

Последователем Ломоносова в пропаганде и организации сети станций и Центральной обсерватории выступил В. Н. Каразин (1810 г.), основатель Харьковского университета. В 1810 г. В.Н. Каразин представил императору Александру I проект полной организации сети метеорологических наблюдений, указывая и на пользу их для науки и практической жизни. Функционировало еще несколько пунктов, где велись удовлетворительно наблюдения: Або, Астрахань, Варшава, Москва, Пышминск, Рига, Соликамск, Охотск.

В 20-х годах министерством народного просвещения сделано распоряжение о производстве при всех учебных заведениях России метеорологических наблюдений по примеру Виленского университета, где подобные наблюдения были организованы ранее. Однако распоряжение министерства осталось без действия, и только в 1832 г., после его повторения, началось устройство станций и производство наблюдений.

В 30ые годы по инициативе академика Купфера, при материальном содействии горного департамента основаны магнитно-метеорологические обсерватории в СПб., Екатеринбурге, Барнауле, Нерчинске, Богословске, Златоусте, Лугани; тогда же устроены подобные же обсерватории в Москве, Казани, Тифлисе, Пекине и на острове Ситхе.

В 1849 г. была организована Главная физическая (теперь геофизическая им. А. И. Воейкова) обсерватория в Петербурге. Главная физическая обсерватория организовала наблюдения на сети станций по единой методике. Наблюдения эти тщательно проверялись, обрабатывались и печатались. Летописи Главной физической обсерватории приобрели мировую славу и были приняты в качестве образца другими странами.

Вскоре после своего учреждения Главная физическая обсерватория фактически сосредоточила в своих руках руководство всеми наблюдениями и обработку доставляемых станциями материалов; но при ограниченности своего личного состава и отпускаемых на нее средств она не могла за первое время своего существования значительно расширить число станций. В 1856 году было введено новшество, существенно повлиявшее на точность и быстроту предсказаний погоды - данные о погоде с метеорологических станций стали поступать по телеграфу в единый центр.

13 января (1 января по старому стилю) 1872 года в Главной Геофизической Обсерватории Санкт - Петербурга начался регулярный выпуск ежедневных бюллетеней погоды. Этот день ныне принят в качестве официальной даты начала работы службы погоды в России. Для первой сводки погоды, получившей название "Ежедневный метеорологический бюллетень" были использованы и полученные по телеграфу данные о погоде не только из регионов России, но и с двух зарубежных метеорологических станций. Число метеостанций в России составляло: в 1820—1835 гг. число станций было около 30; в 1870 г. — 47; В 1880 г. — 114; в 1890 г. — 4 21; в 1894 г. — 624.

Большая часть станций русской метеорологической сети устроена и содержится на средства отдельных правительственных или частных учреждений, как-то: учебных заведений, земств, железнодорожных и фабричных администраций и т. п.; только сравнительно небольшое число станций снабжено инструментами, полученными бесплатно от Главной физической обсерватории. Контингент наблюдателей состоит из преподавателей учебных заведений, духовных лиц, мелких служащих при учреждениях и т. п., отдающих бесплатно свое время наблюдениям.

К началу 20 века Россия заняла первое место в мире по точности предсказания погоды, имея самую обширную сеть метеорологических станций.

На основании большого ряда проведенных наблюдений, полученных с сети метеорологических станций, были написаны классические работы: К. С. Веселовским «О климате России» (1857 г.), Г. И. Вильдом «Температура воздуха в Российской империи» (1881 —1882 гг.) и др. В середине XIX века вышла работа М. Ф. Спасского «О климате Москвы» (1847 г.), объясняющая особенности климата результатом борьбы различных масс воздуха и намного опередившая по методам изучения метеорологическую науку за рубежом. В конце XIX и начале XX века протекала деятельность основоположника отечественной климатологии крупнейшего метеоролога А. И. Воейкова (1842— 1916 гг.). Классическая работа А. И. Воейкова «Климаты земного шара, в особенности России» (1884 г.) впервые дала физическое объяснение климатов земного шара. Эта работа не потеряла своего значения и сейчас. А. И. Воейков посвятил ряд исследований сельскохозяйственной метеорологии, основоположником которой он является совместно с П. И. Броуновым (Л852—1927 гг.), а также микроклиматологии, курортной климатологии и т. п. П. И. Броунов был организатором специальной сети сельскохозяйственных метеорологических станций.