5.3. Плотность воздуха
Наряду с давлением, важной характеристикой является плотность воздуха - отношение массы воздуха к его объему.
Плотность воздуха непосредственно не измеряется, а рассчитывается по уравнению состояния
ρ=
г/м3
(5.9)
где P- атмосферное давление,
R- газовая постоянная,
T-
абсолютная температура воздуха,
.
При P= 760 мм рт. ст. и t=0 ρ=1293 г/м3.
Из формулы видно, что плотность воздуха растет с увеличением давления и при понижении температуры. Нижние слои атмосферы, находящиеся под давлением всей толщи атмосферы, имеют наибольшую плотность.
В атмосферном воздухе всегда находится водяной пар, плотность которого меньше, чем плотность сухого воздуха. Следовательно, при наличии водяного пара в атмосфере плотность влажного воздуха будет ниже, чем сухого.
Для расчета плотности влажного воздуха используют расчетную виртуального температуру.
tv=t + 0,608 St (5.10)
Подставив расчетную виртуальную температуру в уравнение состояния (5.9), получим плотность влажного воздуха.
В практической деятельности плотность влажного воздуха используется редко, все расчеты делаются для сухого воздуха.
5.4 Измерение атмосферного давления
Для измерения атмосферного давления в метеорологии используют ртутные барометры и анероиды, или металлические барометры, изредка используются термобарометры, использующие зависимость точки кипения жидкости от внешнего давления.
Ртутные барометры могут быть трех систем: чашечные, сифонные и сифонно-чашечные. В них измерение давления сводится к определению высоты столба жидкости с точностью до десятых, а в некоторых барометрах- до сотых долей миллиметра (шкала барометра чаще градуируется в миллибарах).
На показания ртутных барометров, кроме атмосферного давления, оказывает влияние ряд факторов: температура барометра, сила тяжести в точке установки барометра и некоторые другие. Учет этих факторов при измерении давления производится путем введения соответствующих поправок, значения которых обычно сводятся в специальные таблицы, рассчитанные для каждого барометра, используемого на метеостанции.
Барометры-анероиды на метеостанциях для измерения давления не используется, но их применяют в экспедициях, на постах наблюдений, при посадках самолетов на полевых аэродромах и т.д. Приемником давления у анероида является мембрана анероидная коробка. При увеличении давления анероидная коробка сжимается, а при уменьшении- растягивается пружиной. Эти изменения передаются стрелке, которая перемещается по шкале, имеющей цену деления 0,5 мм. К шкале анероида против специальной прорези с обратной стороны прикреплен термометр. Чтобы анероид не подвергался резким колебаниям температуры, его помещают в особый закрытый футляр, открываемый только во время измерений.
Для непрерывной регистрации изменений атмосферного давления применяются барографы. Широкое распространение имеют только барографы, у которых в качестве чувствительного элемента применяются мембранные коробки. При повышении атмосферного давления барокоробки сжимаются и через рычажную систему поворачивают стрелку, перемещая её кверху (перо перемещается вверх). При понижении давления коробки под действием упругих сил мембран расширяются и стрелка перемещается вниз.
Ленты барографа разграфлены через равные промежутки горизонтальными линиями и по вертикали через равные промежутки дугами.
Горизонтальными линиями нанесены шкала давления в миллибарах, вертикальными дугами - шкала времени. Шкала давления на ленте имеет пределы от 960 до 1050 мб, деление нанесены через 2 мб. По шкале времени цена делений между соседними дугами 15 мин. для суточного барографа и 2 часа для недельного.
При отсутствии барометра и барографа (например, на полевых аэродромах) об изменении давления можно судить по показаниям барометрического высотомера, установленного на каждом самолете. Принцип действия прибора основан на измерении атмосферного давления, для чего служит анероидная коробка, заключенная в корпусе прибора. Изменение положения стрелки высомера (при стоянии самолета на земле) говорит об изменении давления воздуха. Установив стрелку высотомера на нуль на шкале давления на высотомере можно отсчитать давление воздуха на высоте прибора.