3 Измерение температуры воздуха и почвы

Приборы для измерения температуры воздуха

Температура воздуха является одной из основных величин, характеризующих тепловое состояние атмосферы.

При измерении температуры воздуха применяется множество термометров, однако наибольшее распространение и применение получили следующие:

1. жидкостные термометры, действие которые основано на изменении объема жидкости при изменении температуры;

2. деформированные термометры, действие которых основано на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры;

3. термометры сопротивления, действие которых основано на изменении электропроводности тел с изменением температуры;

4. термоэлектрические термометры, действие которых основано на изменении электродвижущей силы термоэлементов при изменении разности температуры спаев.

На метеорологических станциях температуру воздуха измеряют по сухому термометру станционного психрометра, который предназначен также для определения характеристик влажности, а также температуру воздуха определяют по максимальному и минимальному термометрам. Устанавливают термометры в психрометрической будке на штативе (рис.10).

Рис. 9 Будка защитная психрометрическая жалюзийная

Рис. 10 Размещение приборов в защитной психрометрической будке

Сухой термометр устанавливается в вертикальном положении, минимальный – в горизонтальном, максимальный – в горизонтальном положении с небольшим наклоном в сторону резервуара.

Психрометрическая будка представляет собой небольшой деревянный шкаф размером 29х46х59 см (рис. 10). Предназначена психрометрическая будка для защиты термометров от влияния прямой солнечной радиации, а также для предохранения приборов от механических повреждений, атмосферных осадков и сильных порывов ветра. Боковые ее стенки сделаны из двойного ряда наклонных планок в виде жалюзи. Одна из стенок служит дверцей. Сверху будка имеет горизонтальный потолок, над которым располагается крыша. Размеры крыши больше размеров потолка, её скат сделан на юг. Дно будки состоит из трёх отдельных планок, причём средняя расположена немного выше крайних. Между планками образуются широкие просветы. Жалюзные стенки и пол обеспечивают свободный доступ воздуха к приборам. Но хорошая вентиляция в будке может наблюдаться только при ветре, в тихую погоду в будке может наблюдаться застой воздуха. Устанавливают психрометрическую будку на подставке так, чтобы резервуары термометров были на высоте 2 м от почвы. Будку ориентируют дверцей на север. Это делается для того, чтобы во время наблюдений солнечные лучи не могли попасть на термометры. Будка внутри и снаружи, подставка и лесенка окрашены белой масляной краской для уменьшения нагревания.

Рис 11 Психрометрический термометр

Психрометрический термометр ТМ–4 (рис. 11) используется для измерения температур и влажности воздуха в срок наблюдений и является наиболее точным и чувствительным метеорологическим термометром. Это ртутный термометр с шаровидным резервуаром и металлическим колпачком на верхнем конце (колпачок необходим для крепления термометра на штативе). Цена деления шкалы 0.2⁰С.

Максимальный термометр ТМ–1(рис.12) служит для измерения наивысшей температуры за время между срочными наблюдениями. Цена деления термометра 0.5⁰. Резервуар может быть или цилиндрическим, или шаровым. Пределы шкалы от –26 до +51⁰ или от –21 да +71⁰. В дно резервуара максимального термометра впаян стеклянный конический стержень 1, который верхним узким концом входит в капилляр. Поэтому в начале капилляра образуется сужение, препятствующее свободному передвижению ртути из капилляра в резервуар. Когда температура повышается, ртуть под действием теплового расширения проталкивается через сужение из резервуара в капилляр. При понижении температуры ртуть из капилляра обратно не проходит, так как силы сцепления между частицами ртути не в состоянии преодолеть силы трения в суженной части термометра, и в этом месте происходит разрыв ртути. Оставшийся в капилляре столбик ртути будет указывать максимальную температуру за определённый промежуток времени. Для того чтобы ртуть ушла обратно в резервуар, термометр встряхивают несколько раз сильными, но плавными движениями руки.

Максимальный термометр устанавливают в горизонтальном положении. Во время наблюдений термометр слегка поднимают за конец, удаленный от резервуара, чтобы ртуть в капилляре подошла к сужению, и делают отсчет. Сделав отсчет, термометр встряхивают, пока столбик ртути не займет положение, соответствующее температуре по срочному термометру. Этим самым подготавливают термометр к следующему наблюдению.

Рис.12 Максимальный термометр	Рис.13 Минимальный термометр

Минимальный термометр ТМ–2 (рис. 13) служит для измерения самой низкой температуры между сроками наблюдений. Этот термометр - спиртовой, имеет вставную шкалу из молочного стекла; цена деления шкалы 0.5⁰. Резервуар термометра цилиндрический. Капилляр на конце, противоположном резервуару, имеет расширение, в котором собирается спирт при повышении температуры выше последнего деления шкалы. Здесь же скапливаются пары спирта.

В капилляре минимального термометра внутри спирта помещён небольшой тонкий стеклянный штифтик с утолщёнными тупыми концами. При вертикальном положении (резервуаром вверх штифтик свободно перемещается внутри спирта до пленки поверхностного натяжения. В горизонтальном положении он двигается в обратную сторону, к резервуару, под давлением этой пленки. Это происходит только при понижении температуры. Если же температура начнет повышаться, то мениск отойдет от штифта в сторону более высоких температур, а штифтик останется на уровне минимальной температуры.

Устанавливают минимальный термометр всегда в горизонтальном положении. Во время наблюдений, не трогая руками термометр, отсчитывают минимальную температуру по концу штифта, удаленному от резервуара, и срочную температуру по положению мениска спирта. После отсчета термометр переворачивают резервуаром вверх и ждут пока штифтик дойдет до мениска спирта. Затем термометр вновь устанавливают в горизонтальном положении, после чего он подготовлен к следующему наблюдению.

Измерения температуры по термометрам трудности не представляют. Однако следует учесть, что: 1) при отсчете глаз располагают так, чтобы линия визирования была перпендикулярна капилляру и проходила через верхнюю (нижнюю) точку мениска столбика ртути (спирта); 2) перед отсчетом необходимо проверить, нет ли отката ртути у максимального термометра и находится ли штифт минимального термометра внутри спирта; 3) встряхивать максимальный термометр следует одним плавным и в конце резким движением, держа сам термометр ближе к концу, но так, чтобы верхняя часть выступала примерно на 6-8 см из ладони, при этом шкала термометра должна быть направлена вдоль плоскости встряхивания.

Все результаты измерений записываются в наблюдательную книжку. При обработке результатов наблюдений водятся поправки. В показания минимального термометра, кроме сертификатной (из поверочного свидетельства), вводится еще добавочная поправка, которая вычисляется в конце месяца как средняя разность между исправленными показаниями сухого термометра и спирта минимального термометра. В течение месяца используется поправка, вычисленная по данным предыдущего месяца.

Измерение температур поверхности почвы

Огромное влияние на различные процессы и явления, протекающие в почве и прилегающих к ней слоях воздуха, оказывает температура почвы. От температуры почвы зависят процессы гниения и разложения органических веществ, интенсивность растворения солей и всасывающая способность корней. Температура почвы обуславливает жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, которая нормально может протекать только при определенной температуре. Прорастание семян, появление всходов и начальный рост растений также в сильной степени зависят от температуры почвы. От степени нагревания почвы зависит физическое состояние слоев воздуха, прилегающих к земной поверхности.

Рис.14 Срочный напочвенный термометр

Наблюдения за температурой почвы и снежного покрова производится в течение всего года.

Для измерения температуры поверхности почвы на метеорологических станциях применяют срочный, максимальный и минимальный термометры. Эти термометры кладут вместе на открытой площадке размером 4х6 м так, чтобы их резервуары плотно прилегали к почве и наполовину были в неё погружены, но не покрывались землей. Травяной покров с площадке удаляется, а почва взрыхляется. Поверхность участка должна быть на одном уровне с метеорологической площадкой. При наличии снежного покрова все три термометра помещают на поверхности снега, наполовину погрузив их в снег. Термометры укладываются на поверхности в центре площадки резервуарами на восток на расстоянии 5–6 см друг от друга: первый с севера срочный, затем минимальный и за ним максимальный. Срочный и минимальный термометры – строго горизонтально, максимальный термометр – с небольшим наклоном в сторону резервуара.

Срочный напочвенный термометр ТМ–3 (рис. 14) применяется для измерения температур поверхности почвы в данный момент. Термометр ртутный с цилиндрическим резервуаром и ценой деления 0.5⁰С.

Максимальный и минимальный термометры используются те же, что и при измерении температур воздуха.

Приборы для измерения температуры почвы на разных глубинах

Для измерения температур почвы на разных глубинах используются термометры Савинова, термометр–щуп и вытяжные термометры.

Для измерения температуры почвы на глубинах 5, 10, 15 и 20 см служат коленчатые термометры Савинова ТМ–5 (рис. 15).

Рис. 15 Комплект термометров Савинова (а); термометр Савинова (б)	Рис. 16 Установка термометров Савинова

Термометры устанавливаются на участке без растительного покрова постоянно на определённых глубинах на одной площадке с термометрами для измерения температур поверхности почв.

Термометры Савинова – ртутные термометры со вставной шкалой из молочного стекла; цена деления шкалы 0.5⁰. Резервуар с остальной частью термометра составляет угол 135⁰. От резервуара до начала шкалы термометр имеет термоизоляцию, состоящую из золы и ваты. Термоизоляция необходима для того, чтобы температура вышележащих слоев почвы не влияла на показания термометра. Выпускаются в комплекте из 4–х штук. Термометры имеют разную длину в зависимости от глубины установки. Наблюдения за температурой обрабатываемой почвы термометрами Савинова производятся в теплую половину года.

Перед установкой на термометры необходимо нанести специальные метки, которые служат для контроля правильности установки термометров, а в дальнейшем – для контроля неизменности их установки. Днём для защиты ртути от окисления рекомендуется надевать на термометры картонные футляры или чехлы, изготовленные из плотной бумаги, покрашенной белой масляной краской.

Для установки термометров Савинова (рис. 16) в почве делается выемка длиной 40 см, шириной 25-30 см от линии восток–запад к северу примерно на угол 30⁰ (рис. 16)

Рис.17 Схема расположения выемки при установке коленчатых термометров

На рис. 17 отвесная стенка обозначена отрезком ОА^′. Термометры устанавливаются резервуарами к северу на расстоянии 10 см друг от друга начиная с наибольшей глубины. Для этого вдоль отвесной стенки выемки (по линии ОА^′) укладывают прямую рейку и от нижней её грани отмеряют глубину, на которую нужно установить термометр. На заданной глубине должна находиться ось резервуара термометра. В отвесной стенке выемки на отмеченной глубине делают углубление чистой деревянной палочкой.

Термометр вдвигается в почву до самого изгиба. При этом почва должна плотно прилегать к резервуару термометра. После этого выемку вокруг термометра засыпают землей, слегка её уплотняя. Таким же образом устанавливаются и все следующие термометры. После установки всех термометров выемку засыпают землей вровень с поверхностью всего участка.

При обходе площадки перед сроком наблюдения наблюдатель должен проверить глубину установки термометров по нанесенным меткам и своевременно подсыпать и подравнивать почву до уровня меток в случае сдувания, оседания, уплотнения её после сильных дождей, после рыхления участка и т.д.

Если глубина установки отличается от заданной больше чем на 0.5 см у крайних термометров (глубины 5 и 20 см), следует установить заново только эти термометры. Если глубина установки нарушена у средних термометров (глубины 10 и 15 см), необходимо заново установить все термометры.

Перед производством измерений по коленчатым термометрам Савинова непосредственно перед сроком наблюдений необходимо выполнить следующие работы:

– опустить реечный настил;

– снять с коленчатых термометров защитные чехлы;

– убедиться в целостности шкалы термометров;

– по меткам, нанесённым на оболочках термометров, проверить неизменность установки их на заданных глубинах.

В моменты времени, указанные в «Порядке производства наблюдений», производятся отсчёты по термометрам начиная с термометра, установленного на глубине 5см. Температура отсчитывается с точностью до 0.1⁰С. После окончания отсчётов на термометры следует надеть защитные чехлы и убрать реечный настил. Результаты измерений записываются в книжку КМ–3.

Рис.18 Термометр-щуп: 1-шкала термометра; 2-оправа; 3-наконечник; 4-эбонитовая прокладка; 5-прорезь; 6-ручка

Осенью при понижении температуры на глубине 5см ниже 0⁰С термометры осторожно выкапываются из почвы и убираются на зиму.

Походный почвенный термометр–щуп Иванова (рис. 18) служит для измерения температуры пахотного слоя почвы на глубине от 3 до 40см. Он состоит из жидкостного толуолового термометра с ценой деления шкалы 1⁰, металлической оправы и наконечника. Для улучшения теплоотдачи между наконечником и резервуаром термометра помещены медные или латунные опилки. Для отсчёта температуры в верхней части оправы сделан продольный вырез, защищённый органическим стеклом. На обратной стороне оправы нанесены шкалы в сантиметрах, по которой отсчитывают глубину погружения термометра. При измерениях температуры почвы сначала пробуривают вертикальную скважину, затем в неё опускают термометр так, чтобы наконечник с резервуаром слегка вдавился в почву. Термометр выдерживают в скважине в течение 20 мин. Наблюдения по термометру–щупу делают только в теплое время года.

Вытяжные почвенно–глубинные термометры применяются при производстве измерений температуры почвы и грунта под естественным покровом на глубинах 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,2; 1,6; 2,4; 3,2 м.

Рис. 19 Термометр вытяжной почвенно-глубинный: а - термометр в оправе, б- труба: 1-металлический наконечник; 2- пластмассовая оправа; 3-прорезь; 4-штанга; 5-колпачок; 6-труба; 7-латунный наконечник

Вытяжной почвенно–глубинный термометр (рис. 19) представляет собой стеклянный ртутный термометр с цилиндрическим резервуаром и стеклянной шкалой.

Для измерения температуры почвы на глубине установки термометр помещается в специальную пластмассовую оправу 2 с металлическим наконечником 1. Для лучшего теплового контакта и увеличения температурной инерции пространство между резервуаром термометра и стенками металлического наконечника заполняется медными или латунными опилками. Отверстие в металлическом наконечнике, через которое насыпаются опилки, заливается мастикой.

Оправа имеет специальную продольную прорезь 3 для штифта, с помощью которого она прикрепляется к концу деревянного стержня 4 так, что может перемещаться вдоль стержня на 0.5–0.8 см. При этом оправа не должна раскачиваться относительно оси стержня. Жесткое крепление оправы к стержню запрещается.

На другом конце стержня закреплен металлический колпачок 5 с кольцом. Внутри колпачка имеется фетровая (или войлочная) кольцевая прокладка. Для уменьшения обмена воздуха внутри трубы на стержне 4 также укрепляются плотные фетровые (войлочные) кольца.

Стержень с термометром вставляется в эбонитовую или винифлексовую трубу 6 с медным или латунным наконечником 7.

Через наконечник и металлические опилки осуществляется тепловой контакт между резервуаром термометра и почвой или грунтом. Большая масса наконечника и медных опилок обеспечивает постоянство температуры термометра при отсчете показаний.

В правильно собранном виде термометр должен касаться нижнего конца трубы, а верхний колпачок фетровой прокладкой должен плотно ложиться на верхний срез трубы, и стержень должен ходить в трубе с некоторым трением.

Для термометров, установленных на глубинах 1,60; 2,40; 3,20 м, применяются составные трубы и деревянные стержни; при установке трубы соединяются металлическими или пластмассовыми муфтами, которые ставятся на замазку из свинцового сурика; деревянные стержни соединяются глухим или шарнирным соединением.

Установка вытяжных почвенно-глубинных термометров производится с помощью бура, для чего делаются вертикальные скважины соответствующей глубины и такого диаметра, чтобы трубы легко входили в них. При этом зазор между почвой и трубой не допускается, чтобы исключить заток наружного воздуха к наконечнику трубы.

Чтобы трубы не расшатывались в почве и не подвергались поломке, выступающую часть каждой трубы следует укрепить тремя проволочными оттяжками, натянутыми от хомутиков к колышкам, прочно вбитым в землю.

Глубину установки термометров контролируют по нанесенным меткам. Метки наносятся на трубы масляной краской, ширина их примерно 0.5–0.7см; нижний край метки должен находиться на уровне поверхности почвы.

Не реже одного раза в месяц производится проверка установки термометров. Кроме того, после сильных дождей и снеготаяния необходимо проверять, не пропускают ли трубы вытяжных термометров воду. Для этого нужно конец длинной палки обернуть куском мягкой чистой ткани или фильтрованной бумаги, укрепить её, опустить палку на дно трубы и, повернув несколько раз, осторожно вытащить. Если в трубе обнаружится вода, необходимо выбрать её указанным способом, повторив процедуру несколько раз.

Задание

1 Ознакомиться с устройством психрометрической будки и установкой приборов на ней.

2 Ознакомиться с устройством термометров для измерения температуры воздуха.

3 Ознакомиться с устройством и установкой термометров для измерения температуры поверхности почвы.

4 Ознакомиться с устройством коленчатых почвенных термометров Савинова и способом их установки на различной глубине в поверхностном слое почвы.

5 Ознакомиться с устройством и способом установки глубинных вытяжных термометров.