4.7. Добовий і річний хід температури повітря
Добовий хід температури повітря обумовлений добовим ходом температури діяльного шару. Мінімальна температура повітря на висоті 2 м спостерігається перед сходом Сонця. Максимальна температура відзначається через 2—3 ч після полудню. Добовий хід температури повітря нерідко порушується вторгненнями теплих і холодних повітряних мас.
Амплітуда добового ходу температури повітря менше амплітуди добового ходу температури поверхні ґрунту. Зі збільшенням висоти над рівнем моря амплітуда добового ходу температури зменшується.
Річний хід температури повітря в основному визначається річним ходом температури підстилюючої поверхні. Амплітудою річного ходу називається різниця між середніми місячними температурами самого теплого і самого холодного місяців. Абсолютною річною амплітудою температури називається різниця між абсолютним максимумом і абсолютним мінімумом температури повітря за рік, тобто між найвищою і найнижчою температурою, що спостерігалася протягом року. Амплітуда річного ходу температури повітря в певному місці залежить від географічної широти, відстані від моря, висоти місця і від річного ходу хмарності.
4.8. Поняття про заморозки
Під заморозком розуміють зниження мінімальної температури нижче 0 ºС на на фоні позитивних середніх добових температур повітря.
На більшій частині території в межах помірної зони існують два чітко обмежені періоди із заморозками – весняний і осінній. Осінні заморозки наступають до закінчення вегетаційного періоду. Вони представляють меншу загрозу для сільського господарства, тому що до тієї пори врожай найчастіше вже зібрано.
Чим далі на північ, тим більше скорочується тривалість періоду між останнім весняним і першим осіннім заморозком. В північних областях беззаморозковий період майже відсутній і заморозки спостерігаються навіть протягом літа. На півдні тривалість беззаморозкового періоду збільшується: весною заморозки закінчуються раніше, а восени наступають пізніше.
За характером виникнення розрізняють три типи заморозків:
адвективні, що виникають внаслідок наступу хвилі холоду і тривають від однієї до декількох діб (найбільш тривалі);
радіаційні заморозки виникають у тихі ясні ночі внаслідок добового ходу температури на фоні помірно низьких середніх за добу температур;
адвективно-радіаційні виникають внаслідок вторгнення хвилі холоду і наступного нічного вихолодження за рахунок нічного випромінювання. Вони короткочасні і виникають перед сходом Сонця.
За інтенсивністю заморозки бувають слабкі, коли температура діючої поверхні не буває нижче – 2 ºС; середні – температура опускається до 3...-4 ºС і заморозок охоплює нижні шари повітря; сильні заморозки – -5 ºС і нижче.
За тривалістю заморозки можуть бути тривалі – більше 12 год., середньої тривалості – 5...12 год. і короткочасні – не більше 5 год.
Найбільш небезпечні для рослин радіаційні заморозки через те, що навесні вони закінчуються за середніх добових температур 5...6 ºС, а в більш континентальному кліматі – за середньої температури 10...13 ºС, коли більшість культур вже досить активно почали розвиватись.
Слід зазначити, що заморозки на поверхні ґрунту навесні закінчуються пізніше, а восени наступають раніше, ніж у повітрі.
Дати закінчення приморозків навесні і наступу восени щороку дуже мінливі. Період між останнім заморозком навесні і першим восени називається беззаморозковим періодом.
На інтенсивність та строки припинення заморозків впливає багато факторів: рельєф місцевості, стан ґрунту, рослинність, віддаленість від водоймищ і та ін.
Горбиста місцевість обумовлює стік і надходження холодного повітря у більш низькі місця рельєфу. Тому біля підніжжя горбів і схилів повітря значно холодніше. Особливо холодно у замкнутих улоговинах. Різниця між температурою повітря біля поверхні ґрунту і на висоті 2 м іноді сягає 10 ºС. Тривалість беззаморозкового періоду в увігнутих формах рельєфу значно зменшується, а інтенсивність заморозків збільшується. Теж саме спостерігається на лісових галявинах. Навпаки, на верхів’ях горбів та верхніх частинах схилів заморозки, в порівнянні з відкритим рівним місцем, слабкі й тривалість беззаморозкового періоду збільшується.
Види термометрів
Температура виміряється в градусах Цельсію (оС).
Для вимірювання температури повітря і ґрунту найбільше застосування мають рідинні, термоелектричні, деформаційні термометри.
Рідинні термометри засновані на принципі зміни об’єму рідини зі зміною температури. У якості рідини в них найчастіше використовують ртуть або спирт.
Ртутні термометри завдяки порівняно високій точності і простоті конструкції широко застосовуються на гідрометеорологічних станціях при вимірюванні температури повітря, ґрунту і води. Для вимірювання низьких негативних і мінімальних температур використовуються також спиртові термометри. У залежності від призначення термометри розрізняються по конструкції, розмірам і технічним характеристикам. Прийомною частиною цих термометрів служить скляний резервуар з капілярною трубкою, прикріпленої до шкальної пластини. Резервуар і частина капілярної трубки заповнені ртуттю (або спиртом) і разом зі шкальною пластиною поміщені в скляну оболонку. У ртутних термометрів простір над ртуттю заповнено інертним газом (азотом), у максимального термометра над ртуттю вакуум. У спиртових термометрах простір у капілярі над спиртом заповнено повітрям під тиском, що перешкоджає випару і дистиляції спирту у верхню частину капіляра. На лицьовій стороні шкальної пластини нанесена шкала в градусах міжнародної шкали температур.
Максимальні і мінімальні термометри мають наступні особливості. У дно резервуара максимальних термометрів упаюється скляний штифт, що входить верхнім кінцем у капілярну трубку (мал.1). Штифт перешкоджає спаданню ртутного стовпчика при зниженні температури і зберігає максимальне показання термометра внаслідок того, що в місці звуження між штифтом і капіляром сили тертя об стінки перевищують сили молекулярного зчеплення ртуті і ртутний стовпчик виявляється відірваним від маси ртуті, що знаходиться в резервуарі. При струшуванні термометра ртутному стовпчику повідомляється прискорення, при якому ртуть проштовхується в резервуар.
Мал.1. Термометр максимальний |
|
Мал.2. Термометр мінімальний |
1 – резервуар; 2 – штифт; 3 - капіляр |
|
1 – меніск спирту; 2 – штифт |
У капілярній трубці мінімальних термометрів (мал.2) знаходиться скляний штифт, що вільно переміщається усередині спирту вниз під дією прискорення вільного падіння. У горизонтальному положенні термометра штифт залишається нерухомим при збільшенні температури й утримується силами тертя об стінки. При зниженні температури штифт переміщається убік резервуара, що захоплюється поверхневою плівкою спирту, і по його положення на шкалі фіксуює мінімальну температуру.
Термоелектричні термометри засновані на зміні електрорушійної сили термоелементів, що виникає внаслідок різниці температур спаїв. Термоелементи часто виготовляють з міді і константану. Перевага цих термометрів перед рідинними полягає в тому, що ними можна робити виміру у всьому діапазоні температур, що враховуються в метеорології.
Електротермометри опори засновані на принципі зміни електричного опору матеріалів. Ці термометри широко застосовуються для дистанційних вимірів.
Деформаційні термометри засновані на принципі зміни лінійних розмірів твердих тіл зі зміною температури. Приймачем таких термометрів є біметалічна пластинка або пружина з інвару і стали.
Вимірювання температури ґрунту
Для вимірювання температури поверхні ґрунту використовуються:
1) терміновий термометр, яким вимірюють температуру у певний термін спостережень;
2) максимальний термометр, що показує найбільшу температуру поверхні грунту між термінами спостережень;
3) мінімальний термометр, по якому визначають найменшу температуру поверхні грунту між термінами спостережень.
Температура орного шару ґрунту виміряється колінчатими термометрами Савинова ТМ-5 (мал. 3). Це ртутні термометри. Вигнуті під кутом 135°.
Комплект складається з чотирьох термометрів, призначених для установки на глибинах 5, 10, 15 і 20 см. Довжина термометрів різна і відповідає глибині їхнього встановлення.
Колінчаті термометри встановлюються тільки в теплий час року на тій же площадці, де виміряється температура поверхні ґрунту. Розташування термометрів — зі сходу на захід починаючи з глибини 5 см.
Рис.3. Термометр колінчатий.
На великих глибинах температура ґрунту виміряється грунтово-витяжними термометрами ТПВ-50. Кожен термометр укладений у пластмасову оправу, що має мідний наконечник. Резервуар термометра з ртуттю оточений мідними обпилюваннями, що дозволяють термометру в момент витягування і відліку зберігати значення температури ґрунту на глибині його встановлення. Оправа з термометром прикріплюється до дерев'яної тичини з ковпачком на кінці. Тичина з термометром вставляється в трубу з мідним наконечником, що, стикаючись з наконечником оправи, забезпечує тепловий контакт із ґрунтом. Труба встановлюється на відповідну глибину і закріплюється відтягненнями. Для відліку термометр витягається з труби.
У повний комплект входить вісім витяжних термометрів, установлюваних на глибини 20, 40, 60, 80, 120, 160, 240 і 320 см стаціонарно на багато років. На цій ділянці зберігається природний рослинний (або сніжний) покрив.
Вимірювання температури повітря
Температура повітря виміряється різними термометрами. На метеорологічних станціях використовуються наступні термометри:
психрометричні — для визначення температури повітря в термін спостережень;
максимальний, за яким визначають найбільшу температуру повітря між термінами спостережень;
3) мінімальний, за яким визначають найменшу температуру повітря між термінами спостережень.
Устрій максимального і мінімального термометрів викладено вище.
Психрометричний термометр — ртутний, з кулястим резервуаром. Усі термометри містяться в психрометричній (метеорологічної) будці, що захищає їх від сонячної радіації, теплового випромінювання Землі і навколишніх предметів, а також від опадів, сильних поривів вітру та ін. Конструкція будки забезпечує вільний повітрообмін, тому що стінки будки складаються з подвійних жалюзі, планки яких розташовані під кутом 45° до обрію. Будка ставиться на металеву підставку висотою 175 см, що дозволяє поміщати резервуари психрометричних термометрів на висоті 200 см.
Термометри встановлюються в будці на металевому штативі. Психрометричний термометр закріплюється вертикально, максимальний термометр укладається майже горизонтально з невеликим нахилом убік резервуара, мінімальний термометр — строго горизонтально. Узимку при температурах нижче —20 °С поруч із сухим психрометричним термометром встановлюють спиртовий термометр. Ртуть замерзає при температурі —38,9°С, тому при температурі нижче —36 °С визначення по ртутних термометрах не роблять. По термометрах, що встановлені у будці, визначаються температура повітря в терміни спостережень, а також максимальна і мінімальна його температура в інтервалі між термінами.
Для безупинного запису температури повітря використовується термограф. Його приймачем служить біметалічна пластинка, кривизна якої змінюється в залежності від температури. Зміни кривизни пластинки передаються на стрілку з пером, що креслить лінію на паперовій стрічці, яка прикріплена до барабану, що обертається годинним механізмом. Термограф, барабан якого робить один оборот у добу, називається добовим. Існують також тижневі термографи. Термограф знаходиться в жалюзійній будці для самописів.
Температурні градієнти
Градієнт – величина зміни якої-небудь характеристики (простору, полю) на одиницю довжини.
Зміна температури на 100 м висоти називається вертикальним градієнтом температури (ВГТ). ВГТ змінюється в залежності від часу року, часу доби (у приземному шарі атмосфери) і від висоти. Для тропосфери ВГТ у середньому складає 0,6° на 100 м. Він вважається позитивним, якщо температура з висотою падає, і негативним, якщо вона підвищується. У нижньому, приземному шарі повітря (1,5—2 м) вертикальні градієнти можуть бути дуже великими. У жаркий день температура на висоті 2 м буває на 5—10° нижче, ніж у поверхні, а вночі температура приземного шару нижче, ніж температура розташованих вище шарів.
Підвищення температури з висотою називається інверсією. Якщо температура з висотою не змінюється (ізотермія), то ВГТ дорівнює 0 оС/100 м.
У приземному шарі повітря удень ВГТ майже завжди позитивний, особливо влітку над сушею, але при ясній погоді він у десятки разів більше, ніж при похмурій. Вологий ґрунт різко знижує ВГТ у приземному шарі атмосфери.
Вночі в результаті великого ефективного випромінювання, особливо при ясному небі, поверхня ґрунту сильно прохолоджується і прохолоджує прилягаючий до неї повітря. Створюється радіаційна інверсія, що іноді досягає висоти декількох десятків метрів. Інверсія може спостерігатися також при надходженні теплої повітряної маси на холодну (фронтальна інверсія).
Дані про ВГТ у різних шарах атмосфери використовують при складанні прогнозів погоди, метеорологічному обслуговуванні реактивних літаків і при виведенні супутників на орбіту, а також для визначення умов викиду промислових відходів. Негативне значення ВГТ при інверсії вказує на можливість заморозку.