Отчет по заданию 2 должен содержать

1. Схему чашечного барометра.

2. Таблицу с вычисленными результатами.

3. Ответы на контрольные вопросы.

4. На защите лабораторной работы знать устройство и принцип действия барометра-анероида.

Задание 3. Знакомство с работой барографа М-22АН

Порядок выполнения задания

1. Изучить устройство и принцип действия прибора.

2. Приготовить ленту барографа, специальные чернила.

3. Заправить перо самописца чернилами.

4. Снять с центральной оси барабан часового механизма и завести его.

5. Наложить на барабан ленту, предварительно записав на обратной стороне дату, время и место установки.

6. При установке ленты наложить ее на барабан с таким расчетом, чтобы линии на левом краю и на правом совпадали. Лента должна плотно прилегать к барабану при помощи зажима.

7. Отрегулировать нажим пера с помощью рамки, закрепленной у основания стрелки.

8. Специальным винтом на передаточном механизме перо самописца устанавливают на деление ленты, соответствующей исправленной величине ртутного барометра, а при его отсутствии – по исправленной величине барометра-анероида.

9. Для исключения «холостого» хода барабана его поворачивают до линии времени (с точностью до 1 минуты).

10. Через один час по суточному барографу можно определить барометрическую тенденцию. По недельному барографу эту величину можно увидеть только через 3 часа.

11. Ленту барографа обрабатывают после снятия ленты. Для этого сначала на ленту записывают исправленные значения давления в сроки наблюдений по барометру. Затем определяют поправки между показаниями на ленте барографа и показаниями барометра. Полученную разность в поправках между двумя соседними сроками равномерно разбрасывают на промежуточные часы. На заключительном этапе к значениям на ленте барографа в целые часы прибавляют с учетом знака поправки и получают исправленные величины.

Контрольные вопросы и задания

1. Начертите схему барографа.

2. Почему показания на ленте барографа надо привести к показаниям барометра?

3. Почему надо совмещать линии на ленте левого и правого концов?

4. Как рассчитывается поправка на лентах между сроками?

5. Через какие интервалы времени нанесены линии интервалы времени на суточных и недельных барографах?

6. Для чего выполняются «засечки» на барографах в сроки наблюдений по барометру?

Отчет по заданию 3 должен содержать

1. Схему барографа.

2. Ответы на контрольные вопросы.

3. Обработанную ленту барографа.

4. На защите лабораторной работы знать устройство и принцип действия барографа и методику обработки ленты.

Тема 3. Радиационный режим

3.1. Общая характеристика

Лучистая энергия Солнца, являясь основным источником тепла, обусловливает жизнь на Земле во всем многообразии. Особенно важную роль играет она в биологических процессах. Лучистую энергию Солнца, в состав которой входят длины электромагнитных волн от 0,1 до 4 мкм, в метеорологии называют коротковолновой солнечной радиацией. Раздел метеорологии, в котором изучаются закономерности изменения солнечной радиации, называют актинометрией. В солнечном спектре коротковолновой радиации выделяют три части: ультрафиолетовую ( УФР, длина волны λ < 0,38 мкм), видимую (λ= 0,38 – 0,76 мкм), и инфракрасную (ИКР, λ > 0,76 мкм ).

В коротковолновой части солнечной радиации различают несколько

потоков лучистой энергии: прямая радиация, рассеянная радиация, суммарная радиация, отраженная радиация, альбедо, баланс коротковолновой радиации, фотосинтетически активная радиация, эффективное излучение, радиационный баланс деятельной поверхности.

Прямая радиация (S) – это часть солнечной радиации, приходя­щей на деятельную поверхность непосредственно от диска солнца в виде пучка прямых параллельных лучей. Количество прямой радиации, поступающей в единицу времени на единицу поверхности на верхней границе атмосферы, называется солнечной постоянной (S_о). В 1981 году Всемирной метеорологической организацией (ВМО) принято значение (S_о = 1,367 кВт/м²). Но следует помнить, что в конкретный момент времени полная энергетическая освещен­ность на верхней границе атмосферы колеблется в пределах ±3,5% в зависимости от положения Земли на ее орбите. Прямая радиация, поступающая на горизонтальную поверх­ность (S') вычисляется по формуле:

S' = Sinh_о

где h_о— высота солнца над горизонтом, в градусах.

Высоту солнца над горизонтом h_о и sinh_о можно определить по формуле:

sin h = sin φ sinδ+ cos φ cosδ cos τ,

где φ – географическая широта места; δ – склонение солнца (дано в приложении 5) на каждый день года); τ – часовой угол солнца, представляющий собой истинное солнечное время, считаемое от полудня, выражается в градусах: τ = 15° ( t_ист –12 ч).

Истинное солнечное время по косинусу часового угла дано в приложении 6.

Данные тригонометрических величин синусов и косинусов приведены в приложении 7.

Единицей измерения интенсивности прямой радиации в международной системе СИ является Вт/ м² ( или милливатт на 1 см² (мВт/ см²). Ранее в практической актинометрии применялась единица кал/ см²мин. 1 кал/ см²мин = 698 Вт/ м² или 1 мВт/ см² = 0,01433 кал/ см²мин. Радиационный баланс и его составляющие вычисляют с точностью до 0,01 Вт/м².

Рассеянная радиация (D) – часть солнечного излучения, рас­сеянного атмосферой и поступающего от всего небосвода, исклю­чая диск солнца и околосолнечной зоны радиусом в 5º. Измеряется она количеством энергии, приходя­щей в единицу времени на единицу горизонтальной поверхности – (Вт/ м² ).

Суммарной радиацией ( Q) называется сумма рассеянной D и прямой S' радиации, поступающей на горизонталь­ную поверхность и рассчитывается по формуле:

Q = S' + D.

Отраженная радиация (R_k). Поступая на земную поверхность, суммарная радиация не полностью поглощается ею, а частично отражается. Часть суммарной радиации, отражающаяся от земной поверхности, называется отраженной радиацией. Ее интенсивность измеряют ко­личеством энергии, поступающей в единицу времени на единицу горизонтальной поверхности, обращенной к земле (Вт/ м² ). На практике чаще определяют отражательную способность деятельной поверхности, или альбедо.

Альбедо (А_к) – это отношение отраженной солнечной радиации к суммарной радиации, выраженное либо в процентах, либо в долях единицы:

А_к = R_k / Q.

Разность между суммарной и отраженной радиацией называется поглощенной радиацией (B_к) или балансом коротковолновой радиации.

B_к = Q - R_k = Q(1 - А_к).

Поверхность земли и атмосфера, как и все тела, имеющие температуру, также излучают радиацию, которую называют длинноволновой. Она охватывает спектр излучения в пределах от 4 до 100 мкм. Собственное излучение деятельной поверхности (E_з) пропорционально четвертой степени ее абсолютной температуры (Т):

E_з = δσТ⁴,

где σ = 5,67 ˣ10^-8 Вт/ м²ˣК⁴ – постоянная Стефана-Больцмана,

δ – относительная излучательная способность деятельной поверхности, называемой «коэффициентом серости». Для большей части естественных поверхностей δ ≈ 0,95. Часть длинноволнового излучения атмосферы, направленной к земной поверхности называется встречным излучением атмосферы и обозначается (E_a).

Разность между собственным излучением деятельной поверхности E_з и

встречным излучением атмосферы E_a называют эффективным излучением (E_эф).

E_эф = E_з - E_a ; или E_эф = – В_д .

Радиационным балансом деятельной поверхности (B) называют разность между потоками приходящей и уходящей радиации.

B = S'+ D + E_a – R_k – E_з ; или B = B_к + В_д .

Чаще формулу для расчета величины радиационного баланса представляют в виде

B = Q(1 - А_к) – E_эф.

Ночью радиационный баланс выражается балансом только длинноволновой радиации, который равен эффективному излуче­нию, взятому с обратным знаком.

Фотосинтетически активная радиация (ФАР). Часть лучистой энергии солнца, которую растения усваивают в процессе фотосин­теза, называется фотосинтетически активной радиацией. Наиболее интенсивно растения поглощают сине-фиолетовые и оранжево-красные лучи с длинами волн λ = 0,38–0,48 и λ = 0,65–0,68 мкм. На практике ФАР измеряют фитопиранометром или рассчитывают по данным измерений актинометра и пиранометра. Х.Г. Тооминг (1977) предложил следующую формулу для расчета ФАР:

ФАР = 0,43Σ S' + 0,57ΣD.

Сумму радиации, поступающую на единицу площади за тот или иной промежуток времени вычисляют в джоулях на 1 м² (Дж/м²) или в мегаджоулях на 1 м² (МДж/м²). Соотношение со старыми единицами следующее:

(1 кал/см² = 4,19ˣ10⁴ Дж/м²) или 1 ккал/см² = 41,9 (МДж/м²).

К характеристикам солнечной радиации следует отнести также продолжительность солнечного сияния, которая имеет большое значение для фотосинтеза и других физиологических процессов.

Продолжительность солнечного сияния – это время, в течение которого на земную поверхность поступает прямая солнечная радиа­ция. Выражается она в часах и минутах за день, декаду и за месяц. Определяют также сумму продолжительности солнечного сияния в часах за год.

3.2. Устройство и принцип действия актинометрических приборов

Для производства актинометрических измерений в качестве приемников радиации применяются относительные термоэлектрические приборы. Термоэлектрические приборы благодаря простоте устройства, большой точности и малой инерции (15—40 с) получили широкое распространение для наблюдений на метеорологических станциях и в экспедиционных условиях.

Основными актинометрическими приборами являются:

- актинометр – для измерения интенсивности прямой радиации, поступаю- щей на перпендикулярную поверхность;

- пиранометр универсальный и альбедометр походный – для измерения рассеянной, суммарной и отраженной радиации;

- балансомер – для измерения радиационного баланса;

- гальванометр стрелочный актинометрический – применяется в качестве электроизмерительного прибора, к которому присоединяются все вышеназванные приборы;

Данная группа приборов в паре с гальванометром являются относительными приборами из-за того, что требуют ежегодной поверки с помощью пары «контрольный актинометр – гальванометр», которая в свою очередь поверяется с контрольным прибором, находящимся в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова в г. Санкт-Петербурге. Такой контроль за рабочими приборами необходим для того, чтобы измеренные данные в разных пунктах можно было сравнивать между собой, что позволяет оценивать распределение компонентов солнечной радиации по всему земному шару.

- интегратор электролитический – для определения сумм радиации за определенный промежуток времени ( сутки, пентаду, декаду и т.д.);

- гелиограф – для определения продолжительности солнечного сияния.

Актинометр состоит из корпуса с приемником, трубки и

штатива (Рис.3.1).

Приемником прямой радиации служит диск из серебряной фольги, зачерненной со стороны, обращенной к солнцу. В центре диска вырезано круглое отверстие. К другой стороне диска приклеены внутренние (активные) спаи термобатареи, расположенные в виде звездочки в утолщенном конце трубки актинометра (чашке 6). Внешние (пассивные) спаи термобатареи приклеены к медному кольцу, зажатому в массивном корпусе прибора. Термобатарея изолирована от серебряного диска и медного кольца папиросной бумагой, пропитанной шеллаком.

Рис. 3.1. Внешний вид термоэлектрического актино­метра АТ-50

Принцип работы актинометра термоэлектрического заключается в том, что во время измерения при наведении трубки 8 на солнце серебряный диск поглощает солнечную радиацию. В результате этого температура диска и внутренних спаев термобатареи повышается. Внешние спаи имеют температуру корпуса, которая близка к температуре окружающего воздуха. Из-за разности температур внутренних и внешних спаев в цепи термобатареи возникает термоэлектрический ток, измеряемый гальванометром.

После завершения наблюдений по актинометру для защиты приемника от загрязнения трубка закрывается крышкой 1. Внутри трубки укреплены пять дифрагм для защиты от проникновения рассеянной и отраженной радиации, а также для исключения влияния ветра.

Корпус актинометра установлен на специальном штативе, опирающемся на столбик 15, укрепленный на основании. На столбике имеется риск 2, по которому производится отсчет угла между осью широт и горизонтом. Для установки актинометра по меридиану на основании нанесена стрелка. На штативе имеется ось широт 11, наклон которой регулируется с помощью винта 3. Для этого на секторе 14 в нижней части штатива нанесена шкала. На ось 11 надет держатель, в котором винтом 4 закреплена ось склонений 5, несущая трубку 8. Вращение ее вокруг оси 11 производится головкой винта 7, соединенной с фрикционными шайбами 12. Между шайбами пружиной зажат край диска 13, неподвижно соединенного с осью 11.

Трубка актинометра ориентировочно наводится на солнце с помощью винтов 7 и 4. Для более точной наводки на солнце в переднем кольце 10 имеется отверстие 9, против которого на ободке чашки 6 нанесена точка. При строго перпендикулярном наведении трубки на солнце на эту точку попадает луч солнца через отверстие 9 и освещается светлым пятном – «зайчиком».

Пиранометр универсальный М-80 предназначен для измерения рассеянной, суммарной и отраженной радиации (Рис. 3.2).

Пиранометр состоит из головки с термобатареей и полусферическим стеклянным колпаком, штатива, сушилки и теневого экрана.

Приемной частью пиранометра служит термобатарея квадрат­ной формы 1 размером 3х3 см, состоящая из четырех коротких полосок: двух манганиновых и двух константановых (рис.5а). Все четные спаи термобатареи окрашены в белый цвет (магнезией), а нечетные – в черный цвет (сажей). На корпус накладывается сверху диафрагма 2 с квадратным вырезом по размерам С

помощью специального приспособления приемником вниз. При измерении рассеянной радиации пользуются теневым экраном 8, который закрепляется на стержне 9. Размеры экрана и стержня рассчитаны так, чтобы экран закрывал участок неба вокруг солнца радиусом в 5º. Необходимой частью пиранометра является сушилка 10, установленная во внутренней полости стойки 7. Она заполняется поглощающим водяной пар веществом (силикагелем), который предотвращает запотевание стеклянного колпака.

Рис. 3.2. Универсальный пиранометр М-80

а) приемная поверхность (вид сверху); б) корпус пиранометра в разрезе

Принцип работы пиранометра заключается в том, что под действием солнечной радиации спаи термобатареи, окрашенные в черный цвет, нагреваются сильнее, чем белые спаи, а разность температур спаев вызывает в цепи «пиранометр – гальванометр» термоэлектрический ток, сила которого пропорциональна измеряемой интенсивности радиации.

Суммарная радиация измеряется при незатененном пиранометре. При солнечной малооблачной погоде параллельно с пиранометром измеряют прямую радиацию по актинометру, вычисляют S' и прибавляют значение рассеянной радиации. Результаты, полученные двумя способами, сравниваются и анализируются. В пасмурную погоду суммарная радиация равна рассеянной радиации, так как отсутствует прямая радиация.

Альбедометр походный служит для измерения в походных (экспедиционных) условиях рассеянную, суммарную и отраженную радиацию. Как правило, альбедометр используется при микроклиматических съемках в условиях леса, для измерения альбедо сельскохозяйственных культур, водной поверхности и др. специальных исследованиях.

Альбедометр походный состоит из головки пиранометра 1, карданного подвеса 2 и рукоятки 3 (Рис. 3.3). Такое устройство обеспечивает горизонтальность приемной поверхности при повороте альбедометра с положения «вверх» в положение «вниз». Во время наблюдений на рукоятку насаживается шест, который устанавливается в специальную опору в горизонтальном положении или находится в руках у наблюдателя.

Рис. 3.3 Альбедометр походный

а) приемной поверхностью вверх, б) приемной поверхностью вниз

Зная величины потоков суммарной и отраженной радиации по формуле

А_к = R_k / Q рассчитывают величину альбедо.

Принцип работы альбедометра походного аналогичен принципу действия пиранометра универсального.

Балансомер термоэлектрический предназначен для определения радиационного баланса деятельной поверхности (B). Балансомер состоит из корпуса с термобатареей 1, двух приемных пластинок и рукоятки 2. В комплект балансомера входят также теневой экран 3 и футляр 4 (Рис. 3.4). С помощью колодки с двумя шарнирами 5 он устанавливается на актинометрической стойке. К большому шарниру привинчивается рукоятка прибора. Малый шарнир предназначен для установки теневого экрана, используемого для затенения прибора от прямой солнечной радиации. Балансомер устанавливают строго горизонтально, затем подключают к гальванометру ГСА-1.

Рис. 3.4 Общий вид балансомера