Эксперт
Сергей
Сергей
Задать вопрос
Мы готовы помочь Вам.

Тема № 1 УСТРОЙСТВО МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ, ОРГАНИЗАЦИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ Цель работы: ознакомиться с устройством метеорологической станции, расстановкой приборов и устройств на станции, методикой и сроками наблюдений. Оборудование: плакаты, приборы, справочники по климату. Понятие поясного времени, сроки наблюдений, регистрируемые метеорологические величины Время между двумя последовательными полднями называется истинными солнечными сутками. Их продолжительность меняется в течение года из-за неравномерного движения Земли вокруг Солнца. Приняты средние солнечные сутки, равные 24 часам. За 24 часа Земной шар совершает оборот на 360°, следовательно, за 1 час угол поворота составляет 15°, а 1° дуги по параллели соответствует 4 минутам. Среднее солнечное время одинаково для всех точек расположенных на одном меридиане и различно для двух соседних меридианов. Для удобства пользования временем введено поясное время. Земной шар разделен на 24 часовых пояса по 15° в каждом. Счет поясов идет на восток от нулевого (Гринвичского) меридиана, границей для которого служат 7°30´ з.д. и 7°30´ в.д. Время соседних поясов различается на 1 час. Москва находится во 2-м часовом поясе. На территории нашей страны с 1930 г. действует так называемое «декретное время» равное поясному времени плюс 1 час. Сроками наблюдений называют определенные, точно установленные моменты времени, с наступлением которых на всех станциях производятся метеорологические наблюдения. На наземных метеорологических станциях во всем мире производятся одновременные (синхронные) наблюдения через каждые три часа по единому — гринвичскому — времени (времени нулевого пояса). По московскому декретному времени наблюдения производятся синхронно в 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 час (синоптические сроки). Результаты наблюдений за эти сроки немедленно передаются по телефону, телеграфу или по радио в органы
5
службы погоды. Там по ним составляются синоптические карты и другие материалы, служащие для прогноза погоды. На метеорологических станциях основного типа регистрируются следующие метеорологические величины.  Температура воздуха на высоте 2 м над земной поверхностью.  Атмосферное давление.  Влажность воздуха — упругость водяного пара в воздухе и относительная влажность.  Ветер — горизонтальное движение воздуха на высоте 10-12 м над земной поверхностью. Измеряется его скорость и определяется направление, откуда он дует.  Облачность — степень покрытия неба облаками, типы облаков по международной классификации, высота нижней границы облаков, ближайших к земной поверхности, скорость и направление движения облаков.  Явления погоды – осадки различных видов (дождь, ливневой дождь, морось, снег, град, снежная крупа, снег с дождем и др.), гроза, шквал, смерч, метель, снежный поземок, пыльная, песчаная буря, гололед, дымка, туман, мгла, промышленные дымы и др.  Горизонтальная видимость — расстояние, на котором, вследствие мутности атмосферы, перестают различаться очертания предметов.  Количество осадков, выпавших из облаков, их типы (дождь, морось, снег и пр.).  Наличие и интенсивность различных осадков, образующихся на земной поверхности и на предметах (росы, инея, гололеда и пр.).  Продолжительность солнечного сияния.  Температура на поверхности почвы и на нескольких глубинах в почве.  Состояние поверхности почвы.  Высота и плотность снежного покрова. На некоторых станциях — испарение воды с водных поверхностей или с почвы. Регистрируются также полярные сияния и некоторые оптические явления в атмосфере (радуга, круги и венцы вокруг дисков светил, миражи). В синоптические сроки измеряется атмосферное давление (в помещении
6
здания метеорологической станции), характеристики ветра, дальность видимости, температура и влажность воздуха, характеристики облачности. Такие характеристики как количество выпавших осадков, наблюдения за состоянием почвы, определяют только в 8 ч. и 20 ч. по декретному времени данного пояса (пояса, в котором расположена метеостанция). При наличии снежного покрова производятся периодические снегомерные съемки, а в 8 ч. по декретному времени данного пояса ведутся наблюдения за снежным покровом. Устройство метеорологической станции, порядок наблюдений Метеорологическая станция имеет метеорологическую площадку для размещения на ней приборов и устройств на открытом воздухе и служебное помещение вблизи площадки (не далее 300 м). Наблюдения над метеорологическими элементами проводятся в специально оборудованном месте, называемом метеорологической площадкой.
Место, предназначенное для метеорологической площадки, должно удовлетворять следующим требованиям: оно должно быть открытым, ровным и примерно горизонтальным. Расстояние от площадки до невысоких строений, групп деревьев должно быть не менее 10-кратной их высоты, а от сплошного леса и сплошной городской застройки – не менее 20-кратной. Площадка должна находиться от оврагов, обрывов на расстоянии десятков метров, а от уреза воды – не менее 100 м. После выбора места производится разбивка метеорологической площадки так, чтобы она имела форму прямоугольника, стороны которого направлены с севера на юг и с востока на запад. Стандартные размеры площадки 26 на 26 м (рис. 1). При размещении основных метеорологических приборов и устройств на метеоплощадке руководствуются следующими требованиями: приборы на площадке должны располагаться так, чтобы они не оказывали взаимного влияния на свои показания (не затеняли друг друга, не нарушали свободного обмена воздуха). Это требование может быть обеспечено, если: а) расстояние между соседними установками – не менее 5 метров; б) все установки, исключая флюгер, окажутся не ближе 4-5 м к западной и восточной сторонам ограды;
7
в) почвенные термометры размещают так, чтобы их не достигала самая длинная тень, падающая от южной стороны ограды. Ограда вокруг метеорологической площадки выполняется из проволочной сетки, натянутой на металлические рамы, укрепленные на забетонированных в земле трубах. Категорически запрещается устраивать ограду в виде живой изгороди (из кустов), дощатого забора, плетня, частокола и т.д., так как такая ограда препятствует свободному обмену воздуха. С северной стороны ограды устраивается калитка. После расстановки метеорологических приборов и устройств, как показано на схеме (рис. 1), на площадке прокладываются специальные дорожки шириной 40-50 см с таким расчетом, чтобы наблюдатель имел возможность производить все наблюдения в установленном порядке с наименьшей затратой времени на переходы от одной установки к другой. Дорожкам придается несколько выпуклая форма, чтобы облегчить сток воды к краям дорожки. К каждой установке наблюдатель подходит с северной стороны, чтобы не затенять приборы при снятии отсчетов. Помимо правильного устройства метеорологическая площадка требует постоянного и тщательного ухода, иначе невозможно гарантировать высокое качество наблюдений. Уход за метеоплощадкой заключается в следующем: а) содержание ее в чистоте; б) скашивание до высоты 20 см разросшейся по площадке травы с немедленной уборкой её; в) сохранение в естественном состоянии снежного покрова на площадке и уборка за её пределы образующихся у приборов значительных сугробов; г) устранение неисправностей у приборов. Наблюдатель начинает обход площадки за 30 минут до срока измерений. Во время обхода он следит за состоянием почвы, облачностью и др. показателями. Точно в установленный срок производится измерение температуры воздуха по сухому термометру. Наблюдения за остальными метеорологическими элементами производятся в течение 30-40 минут.

screenshot 54 3

Рис. 1. Схематический план метеорологической площадки: 1 – флюгер с легкой доской; 2 – флюгер с тяжелой доской, или датчик анеморумбометра; 3 – гололедный станок; 4 – будка для самописцев; 5 – будка психрометрическая; 6 – будка запасная; 7 – плювиограф; 8 – осадкомер; 9 – датчик и приёмник измерителя нижней границы облаков; 10 – гелиограф; 11, 12, 13, 14 – столбы для установки актинометрических приборов; 15 – оголенный участок для установки напочвенных и коленчатых термометров; 16 – участок с естественным покровом для установки вытяжных термометров; 17 – снегомерная рейка; 18 – мерзлотомер; 19 – запасной столб для осадкомера.
В помещении станции находятся:  Ртутно-чашечный станционный барометр.  Барометр-анероид.  Барографы: недельный и суточный.  Пульт управления анеморумбометра для измерения направления и скорости ветра.  Пульты управления измерителя и регистратора высоты облаков.
9
 Пульты управления измерителя и регистратора дальности видимости.  Радиоприемники для приема метеоинформации.  Факсимильная аппаратура для приема карт погоды.  Телетайпы для приема и передачи метеоинформации в цифровом закодированном виде.  Персональные компьютеры для регистрации, обработки, передачи и приема метеоинформации.  Средства связи: телефоны, радиосвязь, интернет.  Пульты управления МРЛ и станции приема информации МИСЗ (на авиационных и других крупных метеостанциях). На большом числе дополнительных станций (постов) производятся наблюдения только над осадками и снежным покровом, так как для лучшего выяснения распределения этих элементов нужна более густая сеть наблюдений. В существующих автоматических метеорологических станциях, таких как, например, АРМС (автоматическая радиометеорологическая станция) весь процесс подготовки, производства измерений и выдачи информации продолжается не более 5 минут, а измерение всех величин занимает около 1 минуты, т.e. производится практически одновременно. Организация метеорологических наблюдений. Обработка метеорологических величин
Метеорологические наблюдения только тогда являются сравнимыми, точными, отвечающими задачам метеослужбы, когда при установках приборов выполняются требования, наставления и инструкции, а при производстве наблюдений и обработке материалов работники метеостанций строго придерживаются указаний руководств.
Метеорологические станции, проводящие регулярные наблюдения, образуют сеть метеорологических станций. Определённая часть станций каждой страны входит в международную сеть. Информация этих станций включается в международный обмен метеорологической информации и используется для составления карт погоды. Для удобства их составления вся поверхность земного шара разделена на шесть больших регионов.
10
Каждый из них, в свою очередь, разбит на районы, имеющие двузначные номера. Деление региона осуществляется на основе административного и территориального принципа. При административном делении номер района присваивается в соответствии с государственными границами. При территориальном делении номер района присваивается определённому участку территории. Станции, находящиеся внутри районов, имеют трёхзначные номера.
Таким образом, каждой метеорологической станции присвоен пятизначный индекс. Первые две цифры индекса обозначают номер района, а последующие три – порядковый номер станции внутри данного района. Так как в каждом районе находится лишь несколько десятков станций, а нумерация станций идёт от 000 до 999, переходя из одного квадрата в соседний и повторяясь только после окончания каждой тысячи, то в соседних районах одинаковые трёхзначные номера не встречаются. При присвоении индекса станции внутри района соблюдается принцип возрастания порядковых номеров станций с запада на восток и с севера на юг. Метеорологические станции и посты, распределенные по всей России, составляют гидрометеорологическую наблюдательную сеть. Государственный комитет России по гидрометеорологии и контролю природной среды управляет всеми системами сбора и первичной обработки информации. Далее полученная информация обрабатывается на ПЭВМ методами математической статистки. Статистический анализ нашел в метеорологии широкое применение для выявления закономерностей, существующих в атмосферных процессах, для определения средних метеорологических величин, особенно в климатологии. Обработка информации в виде метеорологических бюллетеней, прогнозов, сводок погоды, справочников, синоптических карт рассылается различным потребителям по почте или передается по радио и телевизионным каналам. Эта информация используется при проведении научных исследований, составлении разнообразных проектов, организации борьбы с пожарами, вредителями и болезнями леса и др. Сведения о фактической погоде и ее прогнозы позволяют принимать меры по предупреждению или устранению последствий от воздействия неблагоприятных условий погоды.
11
Тема № 2
ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ
Цель работы: ознакомиться с основными методами измерения количества выпадающих осадков и приборами, применяющимися при этом.
Оборудование: осадкомер Третьякова, плювиограф, гололедный станок.
Общие понятия
Атмосферными осадками называется вода в жидком или твердом состоянии, выпадающая на землю из облаков (вертикальные осадки) или осаждающаяся из тумана и воздуха непосредственно на поверхности земли и наземных предметах (горизонтальные осадки). К вертикальным осадкам относятся: дождь, снег, крупа, град; к горизонтальным – роса, иней, изморозь, гололед, твердый и жидкий налет. Атмосферные осадки являются основными источниками влаги в почве.
Количество осадков определяется толщиной слоя воды в миллиметрах, который образовался бы на ровной поверхности при условии, если бы вода не стекала с нее, не просачивалась и не испарялась.
На метеорологических станциях фиксируют время начала и конца выпадения осадков, их интенсивность и суммарное количество. Измерение выпадающих осадков производится при помощи осадкомеров и дождемеров. Осадкомер Третьякова (рис. 2) представляет собой ведро, высотой 40 см, верхнее отверстие которого равно 200 см2. Внутри ведра 3 имеется воронкообразная перегородка 2 с отверстием, через которое жидкие осадки стекают в нижнюю часть ведра. Эта перегородка защищает осадки, попавшие в ведро, от испарения. Летом в отверстие перегородки вставляется воронка 3, уменьшающая сливное отверстие и, соответственно, испарение осадков из ведра. В средней части ведра имеется носок 5 с колпачком 4, через который дождевая вода, получающаяся после растопления снега, выливается в измерительный стакан 9. Цена деления стакана 2 см3, что соответствует слою воды в дождемерном ведре в 0,1 мм.
Ведро осадкомера закреплено в кольцевой оправе на подставке 7 так, чтобы верхний край его находился на высоте 2 м от поверхности земли. Для уменьшения влияния ветра осадкомер имеет защиту в виде 16 планок (6). Верхний край защиты находится на одном уровнем с краями ведра. Планочная защита способствует раздроблению и ослаблению воздушного
12
потока около приемной части ведра и, соответственно, увеличению количества собираемых осадков. Для удобства смены ведра возле подставки осадкомера устанавливается лесенка 8.
Измерение количества выпавших осадков на метеорологических станциях производят два раза в сутки, во время чего производится смена ведер, если даже осадки не выпадали. Измерение осадков производят в помещении. Осадки из ведра переливают в измерительный стакан и производят отсчет в целых делениях стакана. К измеренному количеству осадков прибавляется поправка на смачивание осадкомерного ведра. Величина поправки при жидких осадках равна 0,2 мм, при твердых осадках – 0,1 мм. Если уровень воды стоит ниже середины первого деления измерительного стакана, то поправка при жидких осадках равна 0,1 мм, а при твердых – 0,0 мм.

screenshot 55 3

 

Плювиограф (рис. 3) – самопишущий дождемер. По его записям можно определить количество осадков, выпадавших в жидком виде, время их выпадения и их интенсивность.
Приемником служит цилиндрический сосуд площадью 500 см2, нижняя часть которого заканчивается трубкой. Осадки через воронку 1 и сливную трубку 2 попадают в цилиндрическую поплавковую камеру 3, в которой
13
помещен полый металлический поплавок 4 с выступающим вертикальным стержнем 5. На верхней части вертикального стержня укреплена стрелка 6 с насаженным на ее конце пером. Для регистрации осадков рядом с поплавковой камерой на стержне устанавливается барабан 7 с часовым механизмом суточного оборота. На барабан надевается лента, разграфленная таким образом, что промежутки между вертикальными линиями соответствуют 10 мин времени, а между горизонтальными – 0,1 мм осадков. Сбоку поплавковой камеры имеется отверстие с трубкой 8, в которую вставляется стеклянный сифон 9 с металлическим наконечником, плотно соединенным с трубкой специальной муфтой 10.

screenshot 56 3

 

При выпадении осадков в поплавковой камере накапливается вода, поплавок поднимается, а перо соответственно вычерчивает кривую линию на ленте вращающегося барабана. Кривая будет тем круче, чем обильнее были осадки в единицу времени. Когда вода доходит до верхнего предела в 10 мм, начинает работать сифон и уровень воды понижается до нулевой отметки, а
14
на ленте перо прочертит вертикальную линию также до нулевой отметки. Вода сливается в ведро. Если осадки продолжаются, то поплавок вновь поднимается. При отсутствии осадков перо записывает горизонтальную линию.
Плювиограф устанавливают с таким расчетом, чтобы приемная часть его была на высоте 2 м от поверхности земли. Горизонтальность приемной части устанавливают по уровню. Ленту на барабане меняют ежедневно в 19 часов, на ней делают надпись о времени снятия. Осадки из ведра 8 наливают в дождемерный стакан; деления стакана записывают на той же ленте.
При обработке плювиограммы отмечают начало дождя и его окончание. В ведомость записывается количество осадков, выпадающих за каждый час, и общее за сутки. Определяется интенсивность дождя делением количества осадков на число минут, в течение которых они выпадают. Гололедный станок применяется для наблюдений за гололедом, изморозью, отложениями мокрого снега и состоит из трех столбов 3 (рис. 4) со скобами 2, на которые свободно навешиваются загнутыми концами четыре провода 1 (длиной 104 см и диаметром 5 мм).

screenshot 57 2

Установка станка на метеоплощадке производится в вершинах прямоугольного треугольника, ориентированного катетами с севера на юг и
15
с востока на запад. Верхние провода подвешиваются на высоту 225 см от поверхности земли. К одному из столбов прикрепляется снегомерная рейка. Измерение роста образований гололеда, изморози и оседаний снега производится на участке нижнего провода длиной 20 см, который очищают каждый раз после наблюдений. Толщину отложений измеряют по двум сечениям – наибольшему и перпендикулярному к нему. Количественно отложения определяются по массе на участке 25 см одного из верхних проводов, на котором отложения оказались наибольшими. Для этой цели на провод надевают специальную ванну, закрывают её и вместе с проводом переносят в помещение. Массу растаявшей пробы определяют измерительным стаканом в см3.
Контрольные вопросы
1. Каковы устройство и назначение осадкомера Третьякова?
2. Каковы устройство и принцип действия плювиографа?
3. Какие сведения можно получить при обработке ленты плювиографа?
4. Что такое интенсивность осадков?
5. Какие факторы влияют на точность показания осадкомеров?
6. Как устроен гололедный станок?
Решить задачу:
Количество выпавших осадков 1 мм. Какое количество воды при этих осадках выпало на 1 га? Тема № 3
АКТИНОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Цель работы: Ознакомление с устройством и принципом действия основных актинометрических приборов, используемых для определения интенсивности солнечной радиации и продолжительности солнечного сияния.
Оборудование: термоэлектрический актинометр Савинова-Янишевского (АТ-50), пиранометр Янишевского (М-80), альбедометр, гальванометр ГСА-1, гелиограф, балансомер (М-10).
16
Общие понятия
Основным источником энергии, необходимой для осуществления физико-химических и биологических процессов на Земле, является лучистая энергия Солнца (солнечная радиация). Солнечная радиация поступает на земную поверхность в виде почти параллельных лучей, идущих от Солнца (прямая солнечная радиация – S), и лучей, отраженных небесным сводом (рассеянная радиация – D). Прямая и рассеянная радиация, вместе взятые, составляют суммарную радиацию – Q.
Интенсивность радиации измеряется количеством энергии в джоулях или ваттах, поступающей в 1 секунду на м2 поверхности, расположенной перпендикулярно лучам Солнца (Дж/м2×с или Вт/м2).
При прохождении сквозь атмосферу Земли происходит ослабление солнечной радиации за счет рассеивания и частичного поглощения составными частями атмосферы. Ослабление определяется по формуле Бугера:
S = S0 Pm , (1)
где S – интенсивность солнечной радиации у земной поверхности, перпендикулярной солнечным лучам;
S0 – интенсивность солнечной радиации у верхних пределов атмосферы, или солнечная постоянная, равная в среднем
1,38 × 103 Вт/м2 (1,98 кал/см2 × мин);
Р – коэффициент прозрачности атмосферы, численно равный той части лучистой энергии, которая достигает поверхности Земли при отвесном падении солнечных лучей;
m – величина оптической массы атмосферы, которую проходят лучи при различных высотах Солнца.
Значения оптической массы атмосферы в зависимости от высоты Солнца над горизонтом приводятся в таб. 1.
Значения коэффициента прозрачности атмосферы зависят от влажности и запыленности воздуха, от высоты места над уровнем моря.
Количество радиации, поступающей на горизонтальную поверхность (наклонную по отношению к солнечным лучам), зависит от угла падения лучей на эту поверхность и определяется по формуле
17
S1 = S × Sin hΘ, (2)
где S1 – интенсивность радиации в Вт/м2, поступающей на наклонную
(горизонтальную) поверхность (инсоляция);
S – интенсивность радиации (мощность потока радиации) в Вт/м2,
поступающей на перпендикулярную солнечным лучам поверхность;
hΘ – высота стояния Солнца над горизонтом (в градусах).
Солнечная радиация, поступающая к поверхности Земли, не только
поглощается ею, но и частично отражается.

Отношение отраженной радиации (R) к суммарной (Q), выраженное в
процентах, определяет альбедо (отражательную способность) данной
поверхности (А)
100%
Q
R
 
, (3)
где А – альбедо поверхности; R – отраженная радиация; Q – суммарная
радиация.
Дополнение альбедо до 100 % характеризует поглощательную
способность поверхности (Q – R) = Qp. В табл. 2 приводятся значения альбедо
и поглощательной способности некоторых поверхностей.
Методы измерения солнечной радиации
В системе единиц СИ, где единицей энергии является джоуль,
единицей длины – метр, а единицей времени – секунда, интенсивность
18
потока радиации выражается в Дж/м2 × с или в Вт/м2. Ватт (Вт)=Дж/с = 14,3 кал/мин.; 1 кал = 4,186 Дж; 1 Джоуль (Дж) = 0,24 кал; 1 кал/см2 × мин = 698 Вт/м2 = 698 Дж/м2 × с = 0,7 КВт/

Единицами измерения длины волн электромагнитного спектра являются микрометр (мкм) и нанометр (нм).
1 мкм=10-6м = 10-4см = 10-3мм;
1 нм = 10-9м = 10-7см = 10-6мм =10-3 мкм (мк).
Для измерения прямой солнечной радиации служит термоэлектрический актинометр Савинова-Янишевского АТ-50 (рис. 5).
Приемником этого прибора является тонкий диск из серебряной фольги, диаметр которого 11 мм. Одна сторона этого диска, обращенная к Солнцу, зачернена. С другой стороны диска помещается небольшая термобатарея. Термобатарея состоит из константановых и манганиновых полосок, сложенных в виде звездочки. Зачерненный диск вместе со звездочкой помещается в нижней расширенной части трубы прибора. Внутренние (нечетные) спаи приклеиваются к серебряному диску, а внешние (четные) спаи шеллаком подклеиваются к медному кольцу, зажатому в корпусе расширенной части трубы.
19
Измерения по актинометру начинают с нацеливания на Солнце. Для этого с прибора снимают крышку и трубу наводят на Солнце так, чтобы прямые солнечные лучи попали на диск.
Рис. 5. Актинометр Савинова-Янишевского: 1– крышка; 2, 3 – винты; 4 – ось склонений; 5 – экран; 6 – рукоятка (кремальера); 7 – трубка; 8 – ось широт; 9 – сектор широт; 10 – стойка; 11 – основание; 12 – провода; 13 – отверстие
Этого достигают так: прибор ориентируют по сторонам света в соответствии с направлением стрелки, изображенной на подставке; по градуированной шкале на подвижном штативе устанавливают географическую широту местности; приемное отверстие прибора направляют на Солнце так, чтобы солнечный луч, пройдя через отверстие в верхней
20
шайбе трубки актинометра, дал изображение («зайчик») на нижней шайбе. Проникающие при этом в трубу лучи Солнца нагревают диск, а, следовательно, и приклеенные к нему внутренние спаи термобатареи. Внешние спаи термобатареи остаются в тени и сохраняют температуру окружающего воздуха.
Разность температур внутренних и внешних спаев вызывает термоток, пропорциональный интенсивности радиации. Этот ток можно измерить гальванометром. Для этой цели используют стрелочный актинометрический гальванометр ГСА-1 (рис. 6).
Рис. 6. Стрелочный актинометрический гальванометр ГСА-1
Значение интенсивности прямой радиации, измеренной актинометром, определяют по шкале гальванометра, для чего число делений шкалы при помощи коэффициента переводят в калории на см2 в мин или в Вт/м2. Коэффициент берется из специальной таблицы, прилагаемой к прибору.
21
Для получения более правильного измерения по гальванометру делают от 3 до 5 отсчетов с интервалом между ними в 20-25 секунд (закрывая на это время трубу актинометра крышкой). Отсчеты проводятся с точностью до 0,1 деления.
Для измерения интенсивности суммарной и рассеянной солнечной радиации служит пиранометр Янишевского М-80 (рис. 7).
Приемником радиации в пиранометре служит термобатарея, составленная из манганиновых и константановых полосок, концы которых спаяны. Термобатарея пиранометра 1 прикреплена через изолирующий слой к корпусу прибора. От крайних термоэлементов термобатареи отходят выводы к клеммам на нижней стороне корпуса (на рисунке они не видны).
Рис. 7. Пиранометр Янишевского: a – головка: 1 – термобатарея, 2 – диск, 3 – винтовая нарезка; б – внешний вид
С внешней стороны термобатарея, раскрашенная в шахматном порядке (окисью магния в белый цвет, сажей – в черный), крепится в квадратном вырезе диска 2. Для защиты от ветра, осадков над приемником закреплен на винтовой нарезке 3 полусферический стеклянный колпак. Вся термобатарея с диском и стеклянной полусферой (головка) навинчивается на стойку 4 с
22
треногой 5, с помощью которой приемник прибора можно установить горизонтально. На этой же треноге крепится шаровой уровень для отслеживания горизонтальности установки прибора (на рисунке не показан).
Солнечные лучи, поступающие на приемник, поглощаются черными спаями сильней, чем белыми, поэтому между спаями устанавливается разность температур, обуславливающая появление термотоков. Этот ток определяется по актинометрическому гальванометру, показания которого прямо пропорциональны интенсивности радиации. При открытом приемнике измеряется суммарная радиация.
К стойке 4 присоединен короткий металлический стержень 6, на который с помощью винта 7 крепится легкая дюралевая трубка 8 с теневым экраном 9, позволяющим затенять приемную поверхность прибора от прямых солнечных лучей и измерять в это время только рассеянную радиацию. Длина стержня такова, что диск экрана из центра приемника виден под углом 10о.
Пиранометр может служить для измерения и отраженной от земли радиации. Для этого приемник пиранометра должен быть обращен вниз, к земле. В этом случае пиранометр называется альбедометром. На метеорологических станциях применяют станционные альбедометры, которые устанавливаются на деревянной или металлической рейке.
Походный альбедометр (рис. 8) устанавливают на кардановом подвесе с грузом, который автоматически располагает пиранометр горизонтально как в положении приемником вверх, для измерения суммарной радиации, так и в положении приемником вниз, для измерения отраженной радиации.
Рис. 8. Альбедометр походный: а – положение вверх; б – положение вниз
23
Карданный подвес состоит из двух металлических колец 1 и 2. Внутреннее кольцо 1 через полуоси 5 и 6 имеет свободу вращения внутри внешнего кольца 2. В свою очередь полая трубка 7, на которой закреплена головка пиранометра 8, имеет свободу вращения на полуоси 3 и 4,смещенных относительно полуосей 5 и 6 на 90 градусов. Таким образом, альбедометр имеет двойную степень свободы вращения, что приводит к его автоматическому горизонтированию под действием силы тяжести. Головка альбедометра 8 навинчивается на трубку 7, которая по пазам может скользить вверх-вниз внутри кольца 1.
Внутри самой трубки свободно перемещается цилиндрический грузик-противовес, который и обеспечивает надежное горизонтирование приемной поверхности. Наблюдения по походному альбедометру производятся так же, как и по пиранометру.
Для измерения радиационного баланса используется термоэлектрический балансомер (рис. 9). Приемником балансомера служат две медные тонкие пластинки 1, внешние поверхности которых зачернены специальным черным лаком, поглощающая способность которого близка к поглощающей способности абсолютно черного тела. Пластинки вмонтированы в круглую оправу 2 в форме диска с рукояткой так, что одна пластинка обращена вверх, а другая вниз. Между пластинками помещены 10 специальных термобатарей. Каждая батарея представляет собой медный брусок, покрытый изоляционным слоем, на который намотана константановая лента.
Рис. 9. Термоэлектрический балансомер: а – общий вид; б – схема
24
Одна половина каждого витка константановой ленты посеребрена, конец и начало серебряного слоя служат термоспаями, все батареи соединены между собой последовательно. Провода от первой и последней батарей выведены наружу и пропущены через рукоятку прибора 3.
На верхний диск поступает поток суммарной радиации и встречного излучения атмосферы, на нижний – поток земного излучения и отраженнной радиации. Разность температур верхнего и нижнего дисков вызывает ток в термоэлектрической батарее. Четные спаи батарей испытывают тепловое воздействие одной пластинки, нечетные – другой. Разность температур пластинок пропорциональна разности потоков приходящей и уходящей радиации.
На метеорологических станциях отсчеты по актинометрическим приборам производят через каждые 3 часа. Это не дает возможности учесть влияние облачности на приход прямой радиации. Поэтому для подсчета действительных сумм прихода и расхода лучистой энергии необходимо знать, кроме интенсивности солнечной радиации, также и продолжительность солнечного сияния.
Прибор, служащий для определения продолжительности солнечного сияния, называется гелиографом (рис. 10).
Приемником гелиографа служит стеклянный шар, который собирает в фокусе падающую на него солнечную радиацию. На расстоянии фокуса шара размещается металлическая чашка, в пазы которой закладывается картонная лента с разметкой на часы и получасы. Лента прокалывается иглой на штифте, который вставляется в специальное отверстие на чашке; этим фиксируется правильное положение ленты. Солнечные лучи, проходя через стеклянный шар, собираются в фокусе на картонной ленте и оставляют на ней прожог. Так как фокус перемещается вследствие движения Земли относительно Солнца, то прожог образует длинную прожженную линию. Если в течение дня Солнце некоторое время закрывалось облаками, то прожженная линия получается прерывистой. По суммарной длине прожога на ленте определяется время, свободное от облаков, т.е. продолжительность солнечного сияния в часах за сутки.
25
Рис. 10. Гелиограф
Недостатком этого прибора является то, что прожог на ленте начинается при интенсивности солнечной радиации больше 0,3 кал/см2 × мин, иными словами – прожог на ленте начинается позднее восхода Солнца и кончается, когда Солнце еще над горизонтом. Это укорачивает измеренную продолжительность солнечного сияния.
Устанавливают гелиограф на прочном столбе или на крыше здания. Чашке прибора придают наклон, соответствующий широте станции, которая отсчитывается на шкале по индексу указателя; затем чашка закрепляется винтом. После этого гелиограф ориентируют так, чтобы в истинный полдень фокус пучка солнечных лучей на ленте совпадал с центральной линией чашки прибора. В зависимости от возможной продолжительности солнечного сияния (от восхода до заката) ленты в течение суток меняются один или два раза. Зимой при коротком дне ленты меняются один раз в сутки после захода солнца. В остальное время, при продолжительности солнечного сияния более 9 часов, ленты меняются дважды: после захода солнца и в 12-часовой срок наблюдений по московскому времени.
Перед выходом на площадку наблюдатель должен определить тип ленты по дате производства наблюдений и на оборотной стороне ленты записать
26
название станции, номер прибора и дату установки. Часы и минуты записываются непосредственно при ее наложении. После замены отмечается время снятия ленты.
Для установки лент чашка имеет три пары пазов. В верхнюю пару пазов закладываются конические (зимние изогнутые) ленты с 16 октября до конца февраля. В среднюю – прямые ленты, которые используют с 1 марта по 15 апреля и 1 сентября по 15 октября. В нижнюю пару пазов конические (летние изогнутые) ленты закладываются с 16 апреля по 31 августа (рис. 11).
Рис. 11. Ленты гелиографа
При смене лент один раз в сутки чашку гелиографа устанавливают с северной стороны шара так, чтобы индекс совмещался с меткой «Б» на лимбе. Если ленты меняются дважды, то при вечерней смене чашку поворачивают так, чтобы индекс диска совместился с меткой «А» при смене в полдень – с меткой «В».
При наложении ленты необходимо затенять прибор, чтобы не получились лишние прожоги. Ежедневно наблюдатель обязан проверить, что гелиограф чист и не сдвинут с места.
Ленты необходимо менять ежедневно в установленные сроки, даже если была пасмурная погода и прожога на ленте не получилось.

Задачи
1. Какое количество солнечной энергии поглощается верхушками молодых дубков, произрастающих на горизонтальной поверхности лесного питомника, при интенсивности солнечной радиации на перпендикулярную поверхность 0,84 × 103 Вт/м2 и высоте Солнца 30º ?
2. Сколько энергии получает в 1 секунду 1 м2 поверхности, перпендикулярной и горизонтальной солнечным лучам, при высоте Солнца 30º, коэффициенте прозрачности атмосферы 0,82?
3. Суммарная радиация равна 0,63 × 103 Вт/м2. Сколько тепла поглощает поверхность, альбедо которой 40 %?
4. Выразить в единицах системы СИ средние полуденные значения интенсивности солнечной радиации:

Контрольные вопросы
1. Что такое солнечная радиация?
2. Что понимают под прямой солнечной радиацией? С помощью какого прибора она измеряется?
3. От каких факторов зависит интенсивность солнечной радиации?
4. Формула Бугера и ее значение.
5. Что такое альбедо поверхности? Формула для определения альбедо.
6. С помощью какого прибора измеряется суммарная солнечная радиация?
7. Альбедометр, его устройство и назначение.
8. Прибор, служащий для измерения освещенности, его устройство и принцип действия.
9. Что такое солнечная постоянная?
10. Почему при уменьшении высоты Солнца над горизонтом уменьшается количество солнечной радиации у поверхности Земли?
11. В какое время дня и по какой причине гелиограф не фиксирует солнечное сияние при безоблачном небе?
28
Тема № 4
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЧВЫ И ВОЗДУХА.
Часть 1. ТЕМПЕРАТУРА ПОЧВЫ
Цель работы: научиться работать с приборами, применяющимися для измерения температуры почвы, обрабатывать данные наблюдений и анализировать их.
Оборудование: почвенный термометр (ТМ-3), коленчатые термометры Савинова (ТМ-5), вытяжные почвенные термометры (ТМ-10), мерзлотомер Данилина.
1. Для измерения температуры поверхности почвы (снега) используют срочный (ТМ-3 – термометр почвенный метеорологический), максимальный (ТМ-1) и минимальный (ТМ-2) термометры, которые кладут горизонтально на оголенной поверхности почвы (по всей длине они должны находиться наполовину в почве) (рис. 12). При температуре поверхности ниже -35° ртутные термометры убирают в помещение. Летом минимальный термометр после 7-часового срока убирают в тень, во избежание выхода из строя из-за перегрева на солнце. Перед 19-часовым сроком его снова укладывают на почву.
Рис. 12. Напочвенные термометры
29
2. Для измерения температуры верхних слоев почвы применяют коленчатые почвенные термометры Савинова (рис. 13). Немного выше резервуара коленчатые термометры изогнуты под углом 135°. Для предотвращения влияния температур верхних слоев почвы нижняя часть оболочки от резервуара до шкалы засыпана золой, над которой помещается вата с сургучными прослойками.
Рис. 13. Коленчатый почвенный термометр Савинова
Устанавливаются термометры на глубине 5, 10, 15, 20 см на расстоянии 10 см друг от друга в направлении с востока на запад по нарастающим глубинам на участке без растительного покрова (с мая по сентябрь). Для установки коленчатых термометров вырывают канавку глубиной около 30 см. Северная стенка канавки делается отвесной, а южная пологой. На отвесной стенке отмеряется соответствующая глубина, на которую должен быть установлен термометр, и на этой глубине резервуар термометра до изгиба заглубляется в почву. После этого канавку засыпают землей вровень с поверхностью всего участка. Для большей устойчивости термометры часто подпирают рогатиной из деревянных палочек.
3. Вытяжные термометры (рис. 14) служат для измерения температуры почвы на глубине до 320 см. Комплект из 5 термометров устанавливается на глубине 20, 40, 80, 160, 320 см; комплект из 8 термометров – на глубине 20, 40, 60, 80, 120, 240, 320 см под естественным покровом в почвогрунтах. При установке вытяжного термометра в почве сначала делают скважину, в которую вставляют эбонитовую трубку, закрытую снизу медным колпаком. В эту трубку вставляют на деревянном
30
стержне термометр, заключенный в оправу с прорезью для шкалы. Нижняя часть оправы, где помещается резервуар термометра, засыпана медными опилками и залита парафином, смешанным с медными опилками. Это создает “температурную инерцию”, т.е. способность термометра при производстве отсчетов не менять показания. Вытяжные термометры устанавливаются в ряду на расстоянии 50 см один от другого, глубина установки возрастает в направлении с востока на запад.
Рис. 14. Вытяжной термометр
5. Для измерения глубины промерзания и оттаивания почвы применяют мерзлотомер Данилина (рис. 15). Он состоит из резиновой
31
трубки 1, заполненной водой. На трубке нанесены сантиметровые деления, нулевое деление устанавливается на уровне поверхности почвы.
Рис. 15. Мерзлотомер Данилина
Мерзлотомер опускают в заранее подготовленную скважину, в которую вставлена эбонитовая труба 2. Глубина скважины не менее 1,6 м. О глубине промерзания почвы судят по величине промерзания воды в резиновой трубке.
Контрольные вопросы
1. Какие термометры используются для измерения температуры поверхности почвы?
2. Какие термометры используются для измерения температуры почвы на различных глубинах?
3. Как устроен коленчатый термометр Савинова?
4. Принцип устройства мерзлотомера Данилина.
5. Поясните особенность работы инерционного термометра.
32
Часть 2. ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА
Цель работы: научиться работать с приборами, применяющимися при измерении температуры воздуха, обрабатывать данные наблюдений и анализировать их.
Оборудование: термометры: а) психрометрический (ТМ-4) (срочный); б) максимальный (ТМ-1); в) минимальный (ТМ-2); г) спиртовой низкоградусный (ТМ-9); термограф (М-16) (суточный).
Общие понятия
Земная атмосфера непосредственно лучами Солнца нагревается очень мало. Ее нагревание осуществляется за счет тепла поступающего от поверхности земли, которая поглощает лучистую энергию Солнца. Тепловое состояние почвы не остается постоянным, оно меняется в течение суток и года. Эти тепловые изменения передаются воздуху за счет молекулярной теплопроводности, длинноволнового излучения, тепловой конвекции, турбулентности. Температурный режим почвы и атмосферы характеризует климат конкретного района.
Для измерения теплового состояния среды используются жидкостные, деформационные и электрические термометры.
Принцип устройства жидкостных термометров (рис. 16) следующий. Они состоят из резервуара, переходящего в стеклянный капилляр с запаянным концом 1, шкалы с делениями 2 и защитной стеклянной трубки 3.
В качестве термометрической жидкости применяют ртуть (цвет серебра), спирт (бесцветная) и толуол (красный цвет). Точки замерзания и кипения их приведены в табл. 3.

В соответствии с температурами кипения и замерзания ртутные
термометры используются для измерения положительной температуры
(максимальной), а спиртовые – низкой (минимальной).
Единицей для измерения температуры является градус, величина
которого зависит от выбора термометрической шкалы.
У нас принята международная шкала Цельсия, реперными точками
которой приняты 0° – температура таяния льда и 100° – температура,
соответствующая кипению воды при нормальном давлении.
В США, Англии принята шкала Фаренгейта, по которой точка таяния
льда обозначена +32°, а точка кипения воды – +212°.
Рис. 16. Термометр ртутный, психрометрический
Для перехода от одной шкалы к другой пользуются следующими
формулами:
tс =
1,8
 32 f t
, tf = 1,8 tс + 32, (4)
где tс – температура по шкале Цельсия, tf – температура по шкале
Фаренгейта.
В теоретической метеорологии пользуются абсолютной шкалой (шкала
Кельвина), при которой точка таяния льда равна +273°, а точка кипения воды
+373°. Температура 0° по шкале Кельвина равна температуре -273° шкалы
Цельсия.
Для измерения температуры воздуха применяются следующие
термометры:
1. Термометр ртутный психрометрический (рис. 16). Длина
термометра около 40 см. На стеклянной шкале молочного цвета нанесены
деления через 0,2°, что позволяет делать отсчеты до 0,1°. Психрометрические
термометры являются основными приборами, принятыми в метеорологии
для измерения температуры и определения влажности воздуха.
34
2. Максимальный термометр (рис. 17) служит для определения наивысших температур. Он отличается от обыкновенного ртутного тем, что в дно резервуара 1 впаивается стеклянный штифт 2, конец которого входит в капиллярную трубку 3, сужая входное отверстие. При повышении температуры ртуть под действием силы расширения, несмотря на сужение капилляра, свободно проходит из резервуара в капилляр (в капилляре вакуум). При понижении температуры ртуть уменьшается в объеме и в этот момент происходит разрыв ртути в месте сужения капилляра. Действующими силами здесь являются силы молекулярного сцепления, которые не в состоянии преодолеть узкую часть капилляра и переместить ртуть в резервуар, т.е. термометр сохраняет свое максимальное показание. После отсчета термометр необходимо подготовить к следующему наблюдению. Для этого термометр встряхивают, чтобы столбик ртути в капилляре соединить с ртутью в резервуаре.
Рис. 17. Максимальный термометр
Максимальный термометр устанавливается горизонтально, с небольшим наклоном в сторону резервуара.
3. Минимальный термометр, служит для определения самой низкой температуры за данный промежуток времени (рис. 18). Этот термометр спиртовой. В капиллярной трубке термометра, внутри спиртового столбика 1, помещен легкий штифт 2 из черного стекла. При понижении температуры спиртовой столбик укорачивается, мениск его приходит в соприкосновение с краем штифта и увлекает последний в сторону резервуара термометра. Штифт настолько легок, что своим весом не может порвать пленку поверхностного натяжения спирта. При повышении температуры спиртовой столбик удлиняется и свободно обтекает штифт, который остается на месте, где он был при самой низкой температуре. Отсчет минимальной температуры производится по дальнему от резервуара концу штифта. После отсчета термометр переворачивают резервуаром вверх и в таком положении держат до тех пор, пока штифт дойдет до конца столбика спирта.
35
Рис. 18. Минимальный термометр
Минимальный термометр устанавливают горизонтально. При отсчетах сначала записывают показания по мениску спирта, затем показания по штифту.
4. Термометр низкоградусный спиртовой предназначен для измерения низких температур воздуха от -70 до +20 °С и устанавливается в психрометрической будке, если температура воздуха опускается ниже -15 °С.
Общие правила
ОТСЧЕТ ПОКАЗАНИЙ ТЕРМОМЕТРА. Отсчет производится с точностью до 0,10. В ртутных термометрах отсчитывается крайнее положение вершины мениска, а в спиртовых – низшее положение точки мениска. Глаз наблюдателя должен находиться на одном уровне с концом столбика в капилляре. В полученный отсчет вводится поправка, взятая из поверочного свидетельства (сертификата) данного термометра.
УСТАНОВКА ТЕРМОМЕТРА. Термометр должен быть защищен от воздействия на него прямых солнечных лучей. В то же время защита не должна затруднять вентиляцию воздуха, чтобы не искажать состояния среды.
Деформационные термометры. Главной их частью является изогнутая биметаллическая пластинка, спаянная из двух тонких пластинок металлов, имеющих разные коэффициенты расширения. Один конец пластинки прикреплен неподвижно, а другой соединен со стрелкой, показывающей на шкале температуру в данный момент времени.
Для автоматической записи измерений температуры воздуха служит термограф (рис. 19). Главной его частью также служит изогнутая биметаллическая пластинка 1. Один конец пластинки прикреплен неподвижно, а другой при помощи при помощи рычагов соединен со стрелкой 2, на конце которой имеется перо с чернилами. При повышении температуры пластинка разгибается. Эти движения передаются стрелке с
36
пером, вычерчивающим на ленте ход температуры воздуха. Лента навернута на барабан 3, внутри которого помещен часовой механизм, вращающий этот барабан. Полный оборот цилиндр может совершать за сутки или за неделю. В первом случае термограф называется суточным, во втором – недельным. Начальное положение пера термографа устанавливается с помощью винта 4.
Рис. 19. Термограф: 1 – биметаллическая пластина, 2 – стрелка с пером, 3 – барабан, 4 – винт, 5 – зажимная пружина, 6 – рычаг
Ленты суточных самописцев имеют цену деления по горизонтальной шкале времени 15 мин., а недельные 2 часа. Цена деления вертикальной шкалы ленты термографа равна 1.
Смену лент на суточном термографе производят каждые сутки, как правило, в 12-часовой срок наблюдений, а на недельном по понедельникам в тот же срок. Ленты с записью колебаний температуры воздуха (термограммы) сохраняют и обрабатывают.
Для обработки записей термографа необходимо иметь сравнение его показаний с показаниями термометров. Для этого наблюдатель 3-4 раза в течение суток отсчитывает показания термографа и термометра и делает отметку времени. Одновременные отсчеты по термометру и термографу дают возможность определить те поправки, которые надо ввести к записям термографа, чтобы получить правильную температуру воздуха. Обрабатывая полученный материал, находим среднюю суточную температуру, максимальную и минимальную.
Электрические термометры по принципу действия делятся на два типа: сопротивления и термоэлектрические. Принцип действия
37
термометров сопротивления заключается в том, что сопротивление проводника электрическому току изменяется с изменением температуры. При работе с металлическими термометрами сопротивления требуется источник постоянного тока. В качестве приемной части термометров сопротивления могут быть также использованы полупроводники (термисторы).
В устройстве термоэлектрических термометров используется явление термотока. Явление термотока заключается в том, что в замкнутой цепи, составленной из разнородных по химическим и физическим свойствам проводников, существует электродвижущая сила (ЭДС). При одинаковой температуре двух соседних спаев их ЭДС равны по величине и противоположны по направлению, поэтому термоток в этой цепи отсутствует. Если же температуры спаев различны, то в цепи возникает термоток, который фиксируется по шкале гальванометра. Величина ЭДС при этом пропорциональна разности температур спаев.
Для изготовления термопар и термобатарей применяются: медь-константан, манганин-константан, платина-константан, железо-константан.
Контрольные вопросы
1. Какие типы термометров по принципу работы применяются в настоящее время для измерения температуры воздуха и почвы?
2. Особенности устройства максимального и минимального термометров.
3. Принципы устройства электрических термометров.
4. Каковы общие правила отсчетов показаний термометров?
5. Какие термометрические шкалы вы знаете?
6. Какими из имеющихся термометров и каким образом можно измерить температуру в момент наблюдения?
7. Какой из термометров более точный?
Тема № 5
ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА И МЕТОДЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Цель работы: Ознакомиться с основными методами измерения влажности воздуха и приборами, применяемыми для этого, научиться определять основные показатели влажности воздуха по формулам и психрометрическим таблицам.
38
Оборудование: аспирационный психрометр, волосной гигрометр,
суточный гигрограф.
Общие понятия
Водяной пар является наиболее переменчивой и изменяющейся частью
атмосферы. Отсюда и степень насыщения воздуха водяным паром также
изменчива. Содержание водяного пара в атмосфере характеризуют
следующие величины:
1. Упругость (или парциальное давление) водяного пара, содержащегося
в воздухе (е, гПа, мб, мм рт. ст.).
2. Количество водяного пара, находящегося в воздухе (q, г/м3). Эту
величину также называют абсолютной влажностью воздуха (a). Между
“е” и “q” имеется соотношение, которое выражается формулой
q =
t
e
1
1,06
(для е в мм рт. ст.) (5)
или
q =
t
e
1
0,8
(для е в мб, гПа), (6)
где α – коэффициент расширения газов, равный 0,004 ;
t – температура воздуха
3. Максимальная упругость водяного пара (Е, гПа, мб, мм). Это
предельная величина упругости, которую сможет иметь пар при данной
температуре. Данную величину также называют упругостью
насыщения. В воздухе постоянно происходит два процесса – испарение
и конденсация. При одинаковом количестве отрывающихся и
возвращающихся к испаряющей поверхности молекул воздух и
водяной пар в нем являются насыщенными. Испарение обычно
происходит в том случае, когда воздух над испаряющей поверхностью
не достиг состояния насыщения. Если же содержание водяного пара в
воздухе больше необходимого насыщения, происходит конденсация.
4. Относительная влажность воздуха (f, %) – процентное отношение
фактической упругости пара к максимальной упругости пара. Данная
величина характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.
39
f = 100 %
E
e
. (7)
5. Дефицит влажности (d, гПа, мб, мм) – разность между максимальной и
фактической упругостями водяного пара.
d = Е – е . (8)
6. Точка росы (td) – это температура, при которой водяной пар,
находящийся в воздухе, становится насыщенным.
Методы измерения влажности воздуха
Психрометрический метод (психрос (греч.) – холодный) основан на
зависимости интенсивности испарения с водной поверхности от дефицита
насыщения водяного пара соприкасающегося с ней воздуха. На испарение
воды затрачивается тепло фазового перехода (L). Оно берется от испаряющей
массы, т.е. батиста термометра. Температура термометра за счет этого
понижается.
Для измерения влажности воздуха служат психрометры. Применяются
две его модели: станционный (обыкновенный) и аспирационный.
Станционный психрометр состоит из двух одинаковых
психрометрических термометров, закрепленных вертикально на особом
штативе (рис. 20). Резервуар одного из термометров (обычно правый)
обвязан батистом, конец которого опущен в стаканчик с дистиллированной
водой. С поверхности “смоченного” термометра происходит испарение, и тем
сильнее, чем меньше водяного пара в воздухе.
В результате «сухой» термометр показывает температуру воздуха, а
«смоченный» – собственную температуру, зависящую от интенсивности
испарения с поверхности его резервуара. По показаниям «сухого»
термометра и разности показаний «сухого» и «смоченного» термометров
можно определить значения Е, е, f.
При температуре воздуха ниже 0 °С стаканчик с дистиллированной
водой заносят в помещение станции и за 30 минут до срока наблюдатель
должен смочить батист. При снятии показаний необходимо каждый раз
отмечать состояние батиста смоченного термометра: была ли на нем
переохлажденная вода или лед. При температуре ниже -10 ° С показания
смоченного термометра не определяются, влажностные характеристики
40
находят по температуре сухого термометра и значениям гигрометра по специально составленной для холодного периода переводной таблице.
Рис. 20. Станционный психрометр; комплект приборов в психрометрической будке: станционный психрометр, волосной гигрометр, максимальный и минимальный термометры
Аспирационный психрометр (рис. 21) очень удобен для определения влажности воздуха в полевых условиях. Принцип действия прибора подобен станционному. Два психрометрических термометра 2 закреплены в металлической оправе, имеющей заводной механизм с вентилятором 1 (аспирационная головка). Резервуары термометров помещены в двойную трубчатую защиту, через которую вентилятор всасывает воздух с постоянной скоростью (2 м/с). Резервуар правого термометра плотно обернут слоем тонкого батиста.
К прибору прилагается щиток для защиты вентилятора от сильного ветра.
Прибор c помощью подвеса – крюка подвешивается на требуемую высоту. Для смачивания батиста пользуются резиновой грушей с пипеткой 3, которая находится в комплекте психрометра. Пипетку вводят в правую трубку на 3-5 секунд. Затем ключом заводят до отказа пружину вентилятора.
41
Отсчеты по термометрам летом берут через 4 минуты, зимой через 30 минут. Зимой за 4 мин. до отсчета нужно произвести вторичный завод механизма.
Рис. 21. Аспирационный психрометр: 1 – вентилятор, 2 – психрометрические термометры; 3 – груша с пипеткой для смачивания батиста; общий вид аспирационного психрометра в переносном футляре
Гигрометрический метод (гигро (греч.) – влажный) основан на свойстве некоторых тел менять свои линейные размеры (деформироваться) при изменении содержания в воздухе водяных паров. Такими свойствами обладает обезжиренный человеческий волос и различные органические пленки. Так, при изменении влажности от 0 до 100 % удлинение волоса составляет около 2,5 % его длины. Это и положено в основу работы гигрометров и гигрографов. В гигрометрах деформация волоса или пленки с
42
помощью системы рычагов передается на стрелочный указатель, а в гигрографах – на перо, с помощью которого производится запись на ленте вращающегося барабана. 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 (рис. 22) служит для определения относительной влажности воздуха. Он основан на свойстве человеческого волоса изменять свою длину при изменении влажности воздуха. Устройство прибора простое. Обезжиренный человеческий волос 1 длиной около 27 см закреплен регулировочным винтом 2 на верхней части металлической рамки, другой конец волоса прикреплен к блоку. На этом блоке находится укрепленный на конце рычажка небольшой грузик 4, который все время держит волос гигрометра в натянутом состоянии. Удлинение или укорочение волоса фиксируется стрелкой 5 по шкале 6.
Рис. 22. Гигрометр: 1 – обезжиренный волос, 2 – регулировочный винт, 3 – дужка, 4 – грузик, 5 – стрелка, 6 – шкала
43
Деления шкалы неравномерны: при небольших значениях влажности они крупнее, а при больших – мельче. Применение неравномерной шкалы обусловлено тем, что изменение длины волоса идет быстрее при малых величинах влажности и медленнее при больших ее значениях.
Прибор устанавливается в психрометрической будке на специальном штативе. Перед работой показания гигрометра сравнивают с показаниями психрометра и регулировочным винтом устанавливают стрелку на нужном делении. Волос всегда должен быть чистым. Отсчеты производят с точностью до 1 %.
С понижением температуры ниже -10 ° С волосной гигрометр служит единственным прибором для измерения влажности воздуха. Осенью для вычисления поправок гигрометра производят сравнение его показаний с показаниями психрометра.
Гигрометр рассчитан на работу при температурах окружающего воздуха от -50 до + 55 C.
Гигрограф (рис. 23) применяется для непрерывной регистрации относительной влажности воздуха. Гигрографы изготавливаются двух видов: волосные (чувствительный элемент – человеческий волос) и пленочные (чувствительный элемент – органическая пленка). Гигрографы могут быть с суточным и недельным заводом.
Рис. 23. Гигрограф: 1 – барабан, 2 – зажимная пружина, 3 – пучок волос, 4 – криволинейный рычаг, 5 – грузик, 6 – стрелка с пером
Приемником волосного гигрографа является пучок обезжиренных волос 3 (30-40 штук), натянутых между стойками. Укорачивание или удлинение этого пучка передается стрелке 6 с пером на конце, которое
44
чертит на ленте, навернутой на барабан с часовым механизмом 1, кривую относительной влажности воздуха.
Гигрограф является относительным прибором, поэтому его показания необходимо сравнивать с показаниями психрометра. Для этого во время отсчета по психрометру делают засечки времени на ленте гигрографа легким подъемом пера. Обработка ленты производится графическим методом по отсчетам гигрографа и данным психрометра, аналогично тому, как это делается для определения поправок волосного гигрометра.
Вычисления
Основные показатели влажности воздуха вычисляются по формулам, приведенным в начале описания лабораторной работы, а парциальное давление (упругость пара “е”) по психрометрической формуле
е = Е1 – АР (t – t1), (9)
где Е1 – максимальная упругость пара при температуре смоченного термометра;
А – коэффициент, зависящий от скорости ветра.
Для обыкновенного психрометра А = 0,0008, а для аспирационного – А=0,00066.
Р – давление воздуха;
t – температура по сухому термометру;
t1 – температура по смоченному термометру.
При этом максимальная упругость водяного пара (Е и Е1) находится по таблицам, приведенным в прил. А, Б, используя показания температуры смоченного и сухого термометров.
На практике относительная и абсолютная влажность воздуха определяется по специальным психрометрическим таблицам. Приведенная в прил. В таблица дает возможность определить “Е”, “е” и “f” по температуре сухого термометра и разности температур сухого и смоченного термометров.
Допустим, t = 10°, t1 = 7° . Разность температур составляет 10° – 7° = 3°. Пользуясь табл. 3, (прилож. 3), находим 10° (горизонтальная строка) и разность температур 3° (вертикальный столбец), что е = 8 мб, а f = 65 %. При t = 10°, Е = 12, 28 мб (прил. А). Температуру точки росы (td) находят по
45
таблицам прил. А, Б (обратным ходом), используя величину фактической упругости пара “е”. Для е = 8,02 мб, td = 3,8°.
Психрометрические таблицы содержат 7 таблиц. Основной является табл. 2, рассчитанная по психрометрической формуле. Она состоит из колонок для определения температур (t) через 0,1°. Колонка состоит из пяти столбцов чисел. Первый столбец – значения температур смоченного термометра (t1), остальные – вычисленные для «воды» или «льда» значения td, e, f, d. Таблица рассчитана для давления атмосферы Р=1000 гПа, поправки (Δе) к значениям парциального давления (е) на истинное давление атмосферы приведены в табл. 3а, 3б, 3в (для станционного психрометра) и 4а, 4б, 4в (для аспирационного психрометра): если P < 1000, то +Δe, а если P > 1000, то -Δe.
Задание 1
Измерить температуру и определить влажность воздуха с помощью аспирационного психрометра. Порядок выполнения:
1. Подготовить таблицу для записи наблюдений

2. Пользуясь данным руководством, ознакомиться с принципом устройства аспирационного психрометра. О том, насколько исправно работает психрометр, можно судить по скорости оборотов вентилятора. Для этого завести вентилятор до отказа и следить, когда в смотровом окошке появится метка на барабане, в этот момент пустить секундомер, затем быстро завести вновь вентилятор до конца и следить, когда опять появится метка на барабане, сделать отсчет времени одного оборота барабана. Сравнить полученное время с поверочным свидетельством, если расхождение в показаниях не превышает 5 секунд, вентилятор исправен.
3. Определить цену деления термометров. Перевязать батист на правом термометре и произвести смачивание его. Завести вентилятор
46
психрометра и через 4 минуты произвести отсчеты сначала по сухому термометру, затем по смоченному.
При работе с аспирационным психрометром необходимо соблюдать следующие правила:
1) Быстро отсчитывать сначала десятые доли по сухому и смоченному термометрам, а затем целые градусы.
2) Во время отсчета наблюдатель должен стоять с подветренной стороны.
3) Браться руками за предохранительные трубки, класть или наклонять прибор во время работы категорически запрещается.
Задание 2
Решить одну из задач.
1. Температура воздуха (t) = -1,4º; относительная влажность воздуха (f) – 88 %. Найти упругость водяного пара (е), количество водяного пара (q) , дефицит влаги (d) и точку росы (td).
2. Сколько граммов водяного пара содержится в 1 м3 воздуха, если температура его (t) 21,5º, а относительная влажность (r) 55 %?
3. Температура воздуха 18,4º, а дефицит влажности (d) составляет 5 мм. Сколько граммов водяного пара содержится в 1 м3 воздуха?
4. Относительная влажность воздуха (f) = 60 %, точка росы (td) = 0º. Определить значение е, Е и t.
Контрольные вопросы
1. Назовите величины, характеризующие влажность воздуха?
2. В чем заключается сущность психрометрического метода определения влажности?
3. В чем заключается основное отличие аспирационного психрометра от психрометрического?
4. Принцип устройства волосного гигрометра, гигрографа.
5. Как производятся наблюдения за влажностью воздуха при температуре ниже -10 ºС ?
6. Могут ли показания смоченного термометра быть одинаковыми с показаниями сухого термометра?
7. Как учитывается влияние ветра и атмосферное давление при измерении влажности воздуха?

Была ли полезна данная статья?
Да
65%
Нет
35%
Проголосовало: 120

или напишите нам прямо сейчас:

Написать в WhatsApp Написать в Telegram