Метеорологические наблюдения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Метеорологические приборы

Набор измерительных средств, использующихся для наблюдения за состоянием атмосферы  и для ее исследования, необычайно широк: от простейших термометров и  до зондирующих лазерных установок и специальных метеорологических спутников. Метеорологическими приборами обычно называют такие приборы, которые используются для проведения измерений на метеорологических станциях. Эти приборы сравнительно просты, они удовлетворяют требованию однотипности, позволяющему сравнивать наблюдения разных станций. 

Метеорологические приборы устанавливаются  на площадке станции под открытым небом. Только приборы для измерения  давления (барометры) устанавливаются  в помещении станции, поскольку разница между давлением воздуха под открытым небом и внутри помещения практически отсутствует.

Приборы для измерения температуры  и влажности воздуха должны быть защищены от действия солнечной радиации, осадков и порывов ветра. Поэтому их помещают в будках особой конструкции, так называемых метеорологических будках. На станциях устанавливаются самопишущие приборы, дающие непрерывную регистрацию важнейших метеорологических величин (температуры и влажности воздуха, атмосферного давления и ветра). Самопишущие приборы нередко сконструированы так, что их датчики находятся на площадке или крыше здания на открытом воздухе, а регистрирующие части, связанные, с датчиками электрической передачей, внутри здания. [3, с.26-27]

Теперь рассмотрим приборы, предназначенные  для измерения отдельных метеорологических элементов.

2.2.1. Для измерения  давления воздуха используются:

Барометр (рис. 1) - (от греч. baros — тяжесть, вес и metreo — измеряю), прибор для измерения атмосферного давления. Наиболее распространены: жидкостные барометры, основанные на уравновешивании атмосферного давления весом столба жидкости; деформационные барометры, принцип действия которых основан на упругих деформациях мембранной коробки; гипсотермометры, основанные на использовании зависимости точки кипения некоторых жидкостей, например воды, от внешнего давления. 

Наиболее точными стандартными приборами являются ртутные барометры: ртуть благодаря большой плотности позволяет получить в барометры 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. За меру атмосферного давления принимается давление столба ртути, выраженное в мм рт. ст. или в мб.  

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 барометра 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 (gn = 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. Практически применяют чашечные и сифонно-чашечные барометры. На метеорологических станциях пользуются станционным чашечным барометром. Он состоит из барометрической стеклянной трубки, опущенной свободным концом в чашу С. Вся барометрическая трубка заключена в латунную оправу, в верхней части которой сделана вертикальная прорезь; на краю прорези нанесена шкала для отсчёта положения мениска ртутного столба. Для точной наводки на вершину мениска и отсчёта десятых долей применяется особый визир n, снабженный нониусом и перемещаемый винтом b. 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 T для введения температурной поправки. Чашечные барометры выпускаются с пределами измерения 810—1070 мб и 680—1070 мб; точность отсчёта 0,1 мб.

В качестве контрольного применяется  сифонно-чашечный барометр. Он состоит  из двух трубок, опущенных в барометрическую  чашу. Одна из трубок закрыта, а другая сообщается с атмосферой. При измерении давления винтом поднимают дно чашки, подводя мениск в открытом колене к нулю шкалы, а затем отсчитывают положение мениска в закрытом колене. Давление определяют по разности уровней ртути в обоих коленах. Предел измерения этого барометра 880—1090 мб, точность отсчёта 0,05 мб.

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

Анероид (рис. 2) - (от греч. а — отрицательная частица, nerys — вода, т. е. действующий без помощи жидкости), барометр-анероид, прибор для измерения атмосферного давления. Приёмной частью анероида служит круглая металлическая коробка А с гофрированными основаниями, внутри которой создано сильное разрежение. При повышении атмосферного давления коробка сжимается и тянет прикрепленную к ней пружину; при понижении давления пружина разгибается и верхнее основание коробки поднимается. Перемещение конца пружины передаётся стрелке В, перемещающейся по шкале С. (В последних конструкциях вместо пружины применяют более упругие коробки.) К шкале анероида прикреплен дугообразный термометр, который служит для внесения поправки в показания анероида на температуру. Для получения истинного значения давления, показания анероида нуждаются в поправках, которые определяются сравнением с ртутным барометром. Поправок к анероиду три: на шкалу — зависит от того, что анероид неодинаково реагирует на изменение давления в различных участках шкалы; на температуру — обусловлена зависимостью упругих свойств анероидной коробки и пружины от температуры; добавочная, обусловленная изменением упругих свойств коробки и пружины со временем. Погрешность измерений анероида составляет 1-2 мб. Вследствие своей портативности анероиды широко применяются в экспедициях, а также как высотомеры. В последнем случае шкалу анероида градуируют в метрах.

2.2.2. Для измерения  температуры воздуха используют:

Термометры метеорологические  – группа термометров жидкостных специальной конструкции, предназначенных для метеорологических измерений главным образом на метеорологических станциях. Различные термометры в зависимости от назначения отличаются размерами, устройством, пределами измерений и ценой деления шкалы. 

Для определения температуры и  влажности воздуха пользуются ртутными психрометрическими термометрами в стационарном и аспирационном психрометре. Цена их деления 0,2°С; нижний предел измерения -35°С, верхний 40°С (или соответственно -25°С и 50°С). При температурах ниже -35°С (вблизи точки замерзания ртути) показания ртутного термометра становятся ненадёжными; поэтому для измерения более низких температур пользуются низкоградусным спиртовым термометром, устройство которого аналогично психрометрическому, цена деления его шкалы 0,5°С, а пределы измерений варьируют: нижний -75, -65, -60°С, а верхний 20, 25°С. 

Для измерения максимальной температуры  за некоторый промежуток времени применяется ртутный максимальный термометр (рис. 3). Цена деления его шкалы 0,5°С; пределы измерения от -35 до 50°С (или от -20 до 70°С), рабочее положение почти горизонтальное (резервуар слегка опущен). Показания максимальных значений температуры сохраняются благодаря наличию в резервуаре 1 штифта 2 и вакуума в капилляре 3 над ртутью. При повышении температуры избыток ртути из резервуара вытесняется в капилляр через узкое кольцеобразное отверстие между штифтом и стенками капилляра и остается там и при понижении температуры (так как в капилляре вакуум). Таким образом, положение конца столбика ртути относительно шкалы соответствует значению максимальной температуры. Приведение показаний термометра в соответствие с температурой в данный момент производят его встряхиванием. Для измерения минимальной температуры за некоторый промежуток времени используются спиртовые минимальные термометры. Цена деления шкалы 0,5°С; нижний предел измерений варьирует от -75 до -41°С, верхний от 21 до 41°С. Рабочее положение термометра — горизонтальное. Сохранение минимальных значений обеспечивается находящимся в капилляре 1 внутри спирта штифтом — указателем 2. 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 определения температуры поверхности почвы пользуются ртутным термометром. Деления его шкалы 0,5°С; пределы измерения варьируются: нижний от -35 до -10°С, верхний от 60 до 85°С. Измерения температуры почвы на глубинах 5, 10, 15 и 20 см производят ртутным коленчатым термометром (Савинова). Цена деления его шкалы 0,5°С; пределы измерения от -10 до 50°С. Вблизи резервуара термометр изогнут под углом 135°, а капилляр от резервуара до начала шкалы теплоизолирован, что уменьшает влияние на показания Т. слоя почвы, лежащего над его резервуаром. Измерения температуры почвы на глубинах до нескольких м осуществляются ртутными почвенно-глубинными термометрами, помещенными в специальных установках. Цена деления его шкалы 0,2 °С; пределы измерения варьируют: нижний -20, -10°С, а верхний 30, 40°С. Менее распространены ртутно-талиевые психрометрические термометры с пределами от -50 до 35°С и некоторые др.

Кроме термометра метеорологического, 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 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.[7]

2.2.3. Для определения  влажности используют:

Психрометр (рис. 4) - (от греч. psychros — холодный и... метр), прибор для измерения влажности воздуха и его температуры. Состоит из двух термометров — сухого и смоченного. Сухой термометр показывает температуру воздуха, а смоченный, теплоприёмник которого обвязан влажным батистом, — его собственную температуру, зависящую от интенсивности испарения, происходящего с поверхности его резервуара. Вследствие расхода теплоты на испарение показания смоченного термометра тем ниже, чем суше воздух, влажность которого измеряется.

По показаниям сухого и смоченного термометров с помощью психрометрической таблицы, номограмм или счётных линеек, рассчитанных по психрометрической формуле, определяется упругость водяного пара или относительная влажность. При отрицательных температурах ниже —    5°С, когда содержание в воздухе водяных паров очень мало, психрометр даёт ненадёжные результаты, поэтому в этом случае пользуются волосным гигрометром.

Существует несколько типов психрометров: станционные, аспирационные и дистанционные. В станционных психрометрах термометры укрепляются на специальном штативе  в метеорологической будке. Основной недостаток станционных психрометров — зависимость показаний смоченного термометра от скорости воздушного потока в будке. В аспирационном психрометре термометры укреплены в специальной оправе, защищающей их от повреждений и теплового воздействия прямых солнечных лучей, и обдуваются с помощью аспиратора (вентилятора) потоком исследуемого воздуха с постоянной скоростью около 2 м/сек. При положительной температуре воздуха аспирационный психрометр — наиболее надёжный прибор для измерения влажности и температуры воздуха. В дистанционных психрометрах используются термометры сопротивления, термисторы, термопары. [2]

Гигрометр (рис. 5) - (от гигро... и ...метр), прибор для измерения влажности воздуха. Существует несколько типов гигрометров, действие которых основано на различных принципах: весовой, волосной, плёночный и др. Весовой (абсолютный) гигрометр состоит из системы U-образных трубок, наполненных гигроскопическим веществом, способным поглощать влагу из воздуха. Через эту систему насосом протягивают некоторое количество воздуха, влажность которого определяют. Зная массу системы до и после измерения, а также объём пропущенного воздуха, находят абсолютную влажность.

Действие волосного гигрометра основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса изменять свою длину при изменении влажности воздуха, что позволяет измерять относительную влажность от 30 до 100%. Волос 1  натянут на металлическую рамку 2. Изменение длины волоса передаётся стрелке 3, перемещающейся вдоль шкалы. Плёночный гигрометр имеет чувствительный элемент из органической плёнки, которая растягивается при повышении влажности и сжимается при понижении. Изменение положения центра плёночной мембраны 1  передаётся стрелке 2. Волосной и плёночный гигрометры в зимнее время являются основными приборами для измерения влажности воздуха. Показания волосного и плёночного гигрометра периодически сравниваются с показаниями более точного прибора — психрометра, который также применяется для измерения влажности воздуха.

В электролитическом гигрометре пластинку  из электроизоляционного материала (стекло, полистирол) покрывают гигроскопическим слоем электролита — хлористого лития — со связующим материалом. При изменении влажности воздуха меняется концентрация электролита, а следовательно, и его сопротивление; недостаток этого гигрометра — зависимость показаний от температуры.

Действие керамического гигрометра основано на зависимости электрического сопротивления твёрдой и пористой керамической массы (смесь глины, кремния, каолина и некоторых окислов металла) от влажности воздуха. Конденсационный гигрометр определяет точку росы по температуре охлаждаемого металлического зеркальца в момент появления на нём следов воды (или льда), конденсирующейся из окружающего воздуха. Конденсационный гигрометр состоит из устройства для охлаждения зеркальца, оптического или электрического устройства, фиксирующего момент конденсации, и термометра, измеряющего температуру зеркальца. В современных конденсационных гигрометрах для охлаждения зеркальца пользуются полупроводниковым элементом, принцип действия которого основан на Плетье эффекте, а температура зеркальца измеряется вмонтированным в него проволочным сопротивлением или полупроводниковым микротермометром. Всё большее распространение находят электролитические гигрометры с подогревом, действие которых основано на принципе измерения точки росы над насыщенным соляным раствором (обычно хлористым литием), которая для данной соли находится в известной зависимости от влажности. Чувствительный элемент состоит из термометра сопротивления, на корпус которого надет чулок из стекловолокна, пропитанный раствором хлористого лития, и двух электродов из платиновой проволоки, намотанных поверх чулка, на которые подаётся переменное напряжение.