Методи дослідження атмосфери

Метеорологічні прилади призначені як для безпосередніх термінових вимірів (термометр або барометр для виміру температури або тиску), так і для безперервної реєстрації тих же елементів у часі, як правило, у виді графіку або кривої (термограф, барограф). Нижче характеризуються тільки прилади для термінових вимірів, але майже усі вони існують також і у виді самописців. По суті, це те ж вимірювальні прилади, але мають перо, що малює лінію на рухомій паперовій стрічці

Термометри. Рідинні скляні термометри. У метеорологічних термометрах найчастіше використовується здатність рідини, укладеної в скляну колбочку, до розширення і стиску. Звичайно скляна капілярна трубочка закінчується кулястим розширенням, що служить резервуаром для рідини. Чутливість такого термометра знаходиться в зворотній залежності від площі поперечного переріза капіляра й у прямій – від обсягу резервуара і від різниці коефіцієнтів розширення даної рідини і скла. Тому чуттєві метеорологічні термометри мають великі резервуари і тонкі трубки, а використовувані в них рідини зі збільшенням температури розширюються значно швидше, ніж скло. Вибір рідини для термометра залежить в основному від діапазону вимірюваних температур. Ртуть використовується для виміру температур вище –39° С – точки її замерзання. Для більш низьких температур застосовуються рідкі органічні сполуки, наприклад етиловий спирт. Точність перевіреного стандартного метеорологічного скляного термометра ± 0,05° С. Головна причина погрішності ртутного термометра зв'язана з поступовими необоротними змінами пружних властивостей скла. Вони приводять до зменшення обсягу скла і підвищенню точки відліку. Крім того, помилки можуть виникати в результаті неправильного зчитування показань або через розміщення термометра в місці, де температура не відповідає щирій температурі повітря в околицях метеостанції. Погрішності спиртових і ртутних термометрів подібні. Додаткові помилки можуть виникати через сили зчеплення між спиртом і скляними стінками трубки, тому при швидкому зниженні температури частина рідини утримується на стінках. Крім того, спирт на світлі зменшує свій обсяг.

БАРОМЕТР, прилад для вимірювання тиску атмосферного повітря. Тиск є сила, що діє на одиницю площі поверхні. Земна атмосфера, що простирається на сотні кілометрів нагору, натискає на поверхню Землі; барометр і служить для виміру цього тиску. Атмосферний, або барометричний, тиск вимірюється в міліметрах ртутного стовпа й у паскалях. Зміни атмосферного тиску, як правило, бувають зв'язані зі змінами погодних умов. Тиск звичайно падає перед негодою, а його підвищення передвіщає гарну погоду. Відзначаючи на карті зміни тиску, можна визначати напрямок вітрів і переміщення циклонів. Лінії рівного тиску називаються ізобарами від греч. isos (рівний) і baros (вага). Барометри були пристосовані для виміру висоти, тому що тиск атмосферного повітря зменшується зі збільшенням висоти над рівнем моря. Такими приладами (альтиметрами) обладнаються літаки, їх беруть із собою альпіністи. Існують два основних типи барометрів – ртутний і анероїд. Ртутний барометр більш точний і надійний, чим анероїд. Анероїд же більш компактний і зручний, його можна зробити кишеньковим.Чашкові анемометри. Швидкість вітру звичайно вимірюють за допомогою чашкового анемометра. Цей прилад складається з трьох або більш конусоподібних чашок, вертикально прикріплених до кінців металевих стержнів, що симетрично відходять від вертикальної осі. Вітер діє з найбільшою силою на увігнуті поверхні чашок і змушує вісь повертатися. У деяких типах чашкових анемометрів вільному обертанню чашок перешкоджає система пружин, по величині деформації яких і визначається швидкість вітру. В анемометрах з вільно обертовими чашками швидкість обертання, приблизно пропорційна швидкості вітру, виміряється електричним лічильником, що сигналізує, коли визначений обсяг повітря обтікає анемометр. Електричний сигнал включає світловий сигнал і записуючий пристрій на метеостанції. Часто чашковий анемометр механічно з'єднують з магнето, і напругу або частоту генерованого електричного струму співвідносять зі швидкістю вітру.

АЕРОЛОГІЧНІ СПОСТЕРЕЖЕННЯ.Найпростіший спосіб визначення висоти хмари складається у вимірі часу, що потрібно невеликій повітряній кулі, відпущеній з поверхні землі, для досягнення основи хмари. Висота його дорівнює добуткові середньої швидкості підйому повітряної кулі на час польоту. Інший спосіб полягає в спостереженні плями світла, утвореного на основі хмари, спрямованим вертикально нагору променем прожектора. З відстані біля 300 м від прожектора виміряється кут між напрямком на цю пляму і променем прожектора. Висота хмари розраховується методом тріангуляції подібно тому, як виміряються відстані при топографічній зйомці. Запропонована система може працювати автоматично вдень і вночі. Для спостереження за плямою світла на основах хмар застосовується фотоелемент. Висота хмарності вимірюється також за допомогою радіохвиль – імпульсів, що посилаються радіолокатором, довжиною 0,86 см. Висота хмари визначається за часом, що потрібно радіоімпульсові для досягнення хмари і повернення назад. Оскільки хмари частково проникні для радіохвиль, цей метод застосовується для визначення висоти шарів при багатошаровій хмарност 75. Методика проведення спостережень за допомогою станційного ртутного барометра. Основні поправки.

Станційний чашковий барометр складається з прямої запаяної зверху скляної трубки, наповненої ртуттю і зануреної своїм нижнім (відкритим) кінцем в чашку зі ртуттю. Чашка виготовляється із заліза та пластмаси. Вона складається з трьох частин, що згвинчуються: нижньої, середньої та верхньої. В верхній частині (кришці) окрім отвору для скляної трубки є ще маленький отвір для взаємодії ртуті, яка знаходиться в чашці з атмосферним повітрям. В іншому випадку барометр не буде реагувати на зміну атмосферного тиску. Для попередження ртуті від забруднення цей отвір закривається гвинтом зі шкіряною шайбою. При робочому стані барометра гвинт має бути відвернутим на 2-3 оберти.В середній частині чашки міститься діафрагма з круглими отворами. Призначення діафрагми полягає у тому, щоб оберегти ртуть від різких коливань і тим самим утруднити попадання повітря в барометричну трубку при перенесенні приладу. Крім того, діафрагма, займаючи деякий об’єм, дає можливість наливати в чашку менше ртуті. Рівень ртуті в чашці знаходиться дещо вище діафрагми. Нижня частина чашки слугує її дном. Скляна барометрична трубка має довжину близько 80 см і внутрішній діаметр 7,2 мм. Над розміщеною в барометричній трубці ртуттю знаходиться розріджений простір. Завдяки цьому під дією тиску повітря на поверхню ртуті в чашці ртуть в трубці піднімається до певної висоти, за якої вага ртутного стовпчика дорівнює атмосферному тиску. Важливе значення для точності вимірювання величин тиску має дотримання правил спостереження. Спостереження за барометром потрібно починати з відліку по термометру, що закріплений на оправі барометра. Це робиться для того, щоб термометр не нагрівався від присутності спостерігача біля приладу і не дав невірних уявлень про температуру ртутного стовпчика, який, маючи велику масу, повільно сприймає температуру навколишнього середовища. Відлік по термометру робиться з точністю до 0,1°. Потім легким постукуванням пальцем по металевій оправі барометра приводять меніск ртуті в нормальний стан. Так як чиста ртуть не змочує скло і діаметр барометричних трубок порівняно малий, то поверхня ртуті в трубках має бути опуклою. Іноді ж, при зниженні тиску, меніск може прийняти плоску форму внаслідок тертя ртуті об стінки трубки. Це явище, що називається капілярною депресією (пониженням), виявляє великий вплив на точність показань барометра.Після цього за допомогою кремальєрного гвинта встановлюють ноніус на верхню частину меніска (при правильному встановленні ноніуса зліва і справа повинні бути видні невеликі куточки просвіт) і відраховують показання барометра з точністю до 0,1 мм (чи мбар). Цілі одиниці тиску беруть на око за ближньою до зрізу ноніуса поділкою шкали. При спостереженнях потрібно око встановити так, щоб нижній передній зріз ноніуса і задній зріз кільця були в горизонтальній площині.Після запису в книжку результатів спостережень за барометром необхідно, не збиваючи встановлення ноніуса, перевірити правильність проведеного відліку. Ртутний стовпчик барометра схильний коливанням температури; на нього діють зміни сили тяжіння з висотою і широтою. Очевидно, що для порівнянь показань барометрів, що знаходяться в різних умовах, і для отримання величини істинного тиску повітря необхідно ввести ряд поправок: інструментальну, на температури та на силу тяжіння.Інструментальна поправка залежить від якості виготовлення приладу. Навіть при найретельнішому виготовленні приладу барометр має ряд неточностей, які не можуть бути враховані якими-небудь теоретичними розрахунками. Щоб врахувати ці недоліки, порівнюють показання барометра і барометра-еталона, встановлених в абсолютно однакових умовах. Різниця показань приладів і буде інструментальною поправкою. Вона вказується в перевірочному свідоцтві кожного барометра і не змінюється до наступного його порівняння.Найбільш значною буде поправка на температуру. При одному і тому ж тиску висота ртутного стовпчика, що вираховується, знаходиться в залежності від температури самого приладу. Це обумовлено зміною густини ртуті залежно від її температури. Тому є необхідність приведення показань барометрів, встановлених на всіх станціях, до однієї якої-небудь температури. За таку температуру прийнято.Третя поправка – на силу тяжіння – витікає із тих розмірковувань, що вага тіла змінюється з широтою і висотою в залежності від сили тяжіння. Довжина стовпа рідини в барометричній трубці залежить не тільки від величини атмосферного тиску, а й від ваги самої рідини: чим легша рідина, тим більшою повинна бути довжина стовпця, що врівноважує тиск повітря. Однак оскільки вага ртуті не всюди однакова, то, очевидно, що безпосередні показання барометрів, встановлених на різних пунктах земної кулі, виявляються незрівнянними між собою. В зв’язку з цим виникає необхідність в приведенні показань ртутних барометрів до однієї якої-небудь величини сили тяжіння.

Відповідно до установленого порядку показання всіх ртутних барометрів у всіх країнах світу приводяться до так званої нормальної сили тяжіння, тобто такої силі тяжіння, яка має місце над рівнем моря на широті 45°. Значення поправок на силу тяжіння для різноманітних висот і широт дають в спеціальних таблицях.

Так як сила тяжіння для даної географічної широти і висоти над рівнем моря з плином часу не змінюється, то поправка на приведення до нормальної сили тяжіння для кожної окремої станції завжди залишається незмінною. Протягом тривалого часу залишається незмінною також й інструментальна поправка. В зв’язку з цим можливо об’єднати для зручності ці дві поправки в одну спільну – постійну.

Таким чином, на метеорологічних станціях у підрахунки по барометру практично вводиться не три, а дві поправки – постійна поправка і поправка на температуру.

77.Для спостереження за темпер. Повітря використовують психометричний термометр (ртутний), його встановлюють вертикально.

Також використовують макс. і мін. термометри.ґвсі термометри розміщують у псих. будці. Резервуари термометрів повинні знаходитись на висоті 2 м. Термометри встановлюють на металевому штативі. При температурі вище – 36 С виміри по ртутним термометрам не ведуться. Для вимірювання темпер. В польових умовах використовують сухий термометр, психрометр і термометр – плащ.

81. Організація та проведення метеорологічних спостережень. Метеорологічний майданчик.

Метеорологічні спостереження – це вимірювання і якісні оцінки метеорологічних елементів. До метеорологічних елементів відносяться в першу чергу температура та вологість повітря, атмосферний тиск, хмарність, опади, тумани, заметілі, грози, видимість. Сюди ж приєднуються і деякі величини, що безпосередньо не відображають властивостей атмосфери чи атмосферних процесів, але тісно пов’язані з ними. Це температура грунту чи поверхневого шару вади, випаровуваність, висота і стан снігового покриву, тривалість сонячного сяяння тощо. В меншій кількості місць також проводяться спостереження за сонячним та земним випромінюванням і за атмосферною електрикою.

Метеорологічні спостереження за станом атмосфери поза приземного шару, до висот близько 40 км, мають назву аерологічних спостережень. Від них відрізняються за методикою спостереження за станом вищих шарів атмосфери, яким можна дати назву аерономічних спостережень.

Найбільш повні та точні спостереження відбуваються в метеорологічних і аерологічних обсерваторіях, які є в кожній країні. Однак кількість таких обсерваторій невелика. Крім того, навіть найточніші спостереження не можуть дати вичерпної інформації про все життя атмосфери, оскільки атмосферні процеси протікають в різній географічній обстановці по різному. Тому, крім метеорологічних обсерваторій, спостереження за основними метеорологічними елементами проводяться ще на багатьох тисячах метеорологічних станцій і багатьох сотнях аерологічних станцій по всій Земній кулі.

Для вивчення географічного розподілу метеорологічних елементів і порівнянні стану атмосфери (погоди і клімату) в різних місцях Землі необхідно, щоб метеорологічні станції у кожній країні і в усіх країнах світу проводили спостереження по можливості однотипними приладами, за єдиною методикою, в певні години доби. Іншими словами, станції в кожній країні і в світових масштабах повинні складати єдине ціле – мережу метеорологічних станцій, метеорологічну мережу.

Метеорологічні станції складаються з метеомайданчика, на якому розташована більшість приладів, що фіксують метеоелементи, і замкненого приміщення, в якому встановлюється барометр і барограф і ведеться обробка спостережень. Метеорологічний майданчик має огорожу, розмірами 26x26м.

На наземних метеорологічних станціях у всьому світі проводяться одночасні спостереження через кожні 3 години за єдиним – гринвіцьким – часом.

Основні види термометрів

Термометри. Рідинні скляні термометри. У метеорологічних термометрах найчастіше використовується здатність рідини, укладеної в скляну колбочку, до розширення і стиску. Звичайно скляна капілярна трубочка закінчується кулястим розширенням, що служить резервуаром для рідини. Чутливість такого термометра знаходиться в зворотній залежності від площі поперечного переріза капіляра й у прямій – від обсягу резервуара і від різниці коефіцієнтів розширення даної рідини і скла. Тому чуттєві метеорологічні термометри мають великі резервуари і тонкі трубки, а використовувані в них рідини зі збільшенням температури розширюються значно швидше, ніж скло. Вибір рідини для термометра залежить в основному від діапазону вимірюваних температур. Ртуть використовується для виміру температур вище –39° С – точки її замерзання. Для більш низьких температур застосовуються рідкі органічні сполуки, наприклад етиловий спирт. Точність перевіреного стандартного метеорологічного скляного термометра ± 0,05° С. Головна причина погрішності ртутного термометра зв'язана з поступовими необоротними змінами пружних властивостей скла. Вони приводять до зменшення обсягу скла і підвищенню точки відліку. Крім того, помилки можуть виникати в результаті неправильного зчитування показань або через розміщення термометра в місці, де температура не відповідає щирій температурі повітря в околицях метеостанції. Погрішності спиртових і ртутних термометрів подібні. Додаткові помилки можуть виникати через сили зчеплення між спиртом і скляними стінками трубки, тому при швидкому зниженні температури частина рідини утримується на стінках. Крім того, спирт на світлі зменшує свій обсяг.Мінімальний термометр призначений для визначення найнижчої температури за дану добу. Для цих цілей звичайно використовується скляний спиртовий термометр. У спирт занурюється скляний штифт-покажчик зі стовщеннями на кінцях. Термометр працює в горизонтальному положенні. При зниженні температури стовпчик спирту відступає, захоплюючи за собою штифт, а при підвищенні – спирт його обтікає, не зрушуючи з місця, і тому штифт фіксує мінімальну температуру. Повертають термометр у робочий стан, перекидаючи резервуаром нагору, щоб штифт знову прийшов у зіткнення зі спиртом.Максимальний термометр використовується для визначення найвищої температури за дану добу. Звичайно це скляний ртутний термометр, схожий на медичний. У скляній трубці поблизу резервуара є звуження. Ртуть видавлюється через це звуження під час підвищення температури, а при зниженні звуження перешкоджає її відтокові в резервуар. Такий термометр знову підготовляють до роботи на спеціальній обертовій установці.Біметалічний термометр складається з двох тонких стрічок металу, наприклад мідному і залізної, котрі при нагріванні розширюються в різному ступені. Їхні плоскі поверхні щільно прилягають одна до іншої. Така біметалічна стрічка скручена в спіраль, один кінець якої жорстко закріплений. При нагріванні або охолодженні спіралі два метали розширюються або стискуються по-різному, а спіраль або розкручується, або тугіше скручується. По покажчику, прикріпленому до вільного кінця спирали, судять про величину цих змін. Прикладами біметалічних термометрів є кімнатні термометри з круглим циферблатом.Електричні термометри. До таких термометрів відноситься пристрій з напівпровідниковим термоелементом – терморезистор, або термістор. Термоелемент характеризується великим негативним коефіцієнтом опору (тобто його опір швидкий зменшується з підвищенням температури). Перевагами терморезистора є висока чутливість і швидкість реакції на зміну температури. Калібрування терморезистора згодом міняється. Терморезистори застосовуються на метеорологічних супутниках, кулях-зондах і в більшій частині кімнатних цифрових термометрів.

83. Основні прилади для визначення шв. і напряму вітру:

Флюгер, ручні анемометри, вітромір Третьякова

Флюгер склад. з флюгарки, рози вітрів і показника шв. вітру. Напрям вітру визначають по положенню флюгарки. Під дією вітру показник шв. вітру показує шв. вітру. Встановлюють флюгер строго вертикально, на дерев’яному стовпі на висоті 10-12 см. Для визначення напряму вітру треба стояти біля стовпа і слідкувати за флюсаркою протягом 2 хв. Для визначення шв. вітру відійти від флюгера і стати так, щоб дошка і дуга з шрифтами були добре видні.

Ручні анемометри використовують для визначення середньої шв. вітру за деякий проміжок часу. Встановлюють вертикально на висоті 2м або в деяких випадках можна тримати на витягнутій руці.

Вітромір Третьякова використовують для визначення шв. і напряму вітру в польових умовах. Він склад. З флюгарки і лож подібної металевої пластини. Шв. визначають по куту нахилу цієї пластини. Встановлюють його на спец. Підставці. Принцип дії такий,як і у флюгера.