3. Температура воздуха, воды и почвы

В метеорологии используются жидкостные, деформационные и электрические термометры.

3.1 Жидкостные термометры

3.1.1 Устройство жидкостных термометров

Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объема жидкости при изменении ее температуры. В качестве термометрической жидкости применяется ртуть или спирт.

Ртуть замерзает при -38.9 С, кипит при 356.9 С, коэффициент расширения при 18 С равен 0.000181, теплоемкость 0.58 кал/г.град.

Основные части жидкостного термометра:

- стеклянный резервуар, наполненный термометрической жидкостью и переходящий в верхней своей части в капилляр;

- стеклянная шкала с делениями;

- защитная стеклянная трубка.

В зависимости от устройства шкалы термометры делятся на два вида: со вставной шкалой и палочные. Вставная шкала изготовляется из молочного стекла и неподвижно укрепляется в корпусе термометра. Нижним концом шкала упирается в специальное седло, а верхним - в пружину, помещенную в пробке. К шкале плотно прикрепляется стеклянный капилляр.

В палочных термометрах шкала наносится на внешней стороне толстостенного капилляра.

3.1.2 Температурные шкалы

В метеорологии применяются температурные шкалы:

- термодинамическая температурная шкала Кельвина /К/;

- международная практическая температурная шкала 1968 г., или шкала Цельсия / С/;

- шкала Фаренгейта / F/;

шкала Реомюра / R/.

Соотношение между этими шкалами определяется реперными точками, приведенными в таблице 1.

Таблица 1

Реперные точки различных температурных шкал

Реперная точка	K	C	R	F
Температура плавления льда при нормальном давлении	273,15	0,0	0,0	32,0
Температура кипения воды при нормальном давлении	373,15	100,0	80,0	212,0

В России и большинстве других стран принята шкала Цельсия, а в США, Англии и ряде стран Британского содружества принята шкала Фаренгейта. Температура, выраженная в градусах Реомюра, может встретиться при обработке старых материалов, в том числе и по России.

Каждый термометр после изготовления сравнивается с эталоном. По результатам этой проверки определяется поправка, помещаемая в проверочном свидетельстве.

Погрешности в показаниях термометров вызываются следующими причинами:

- неточностью разбивки шкалы;

- изменением диаметра капилляра по его длине;

- неравномерным изменением объема термометрической жидкости при различных температурах;

- старением стекла.

3. Термометры для измерения температуры почвы и воды

Для измерения температуры поверхности почвы на метеорологических станциях применяют срочный, максимальный и минимальный термометры. Эти термометры укладываются вместе на открытой площадке размером 4x6 м таким образом, чтобы их резервуары наполовину были погружены в почву. Травяной покров с площадки удаляется, а почва взрыхляется. При наличии снегового покрова термометры укладываются на поверхность снега.

Отсчеты по всем метеорологическим термометрам выполняются с точностью до 0,1 C.

Срочный надпочвенный термометр - ртутный, со вставной шкалой, цена деления шкалы 0,5 C. Резервуар термометра имеет обычно цилиндрическую форму.

Максимальный термометр служит для измерения наивысшей температуры между сроками наблюдений. Термометр ртутный, со вставной шкалой из молочного стекла. Цена деления шкалы 0,5 . Резервуар может быть цилиндрическим или шаровым. Пределы шкалы от -36 до +51 или от -21 до +70 . На шкале имеется надпись “максимальный”.

В дно резервуара максимального термометра впаян стеклянный стержень, который верхним концом плотно входит в капилляр. В результате в начале капилляра образуется сужение, препятствующее перемещению ртути из капилляра в резервуар. При повышении температуры ртуть расширяется и проталкивается из резервуара в капилляр. При понижении температуры ртуть обратно не проходит, и в сужении образуется разрыв. Оставшийся в капилляре столбик ртути будет указывать максимальную температуру за срок между наблюдениями. Для того, чтобы ртуть ушла обратно в резервуар, термометр встряхивают несколько раз сильным, но плавным движением руки.

Максимальный термометр устанавливают в горизонтальном положении. Во время наблюдений термометр слегка приподнимают за конец, удаленный от резервуара для того, чтобы ртуть в капилляре подошла к сужению, и делают отсчет. После выполнения отсчета термометр встряхивают так, чтобы его показания совпали с показаниями срочного термометра. После этого термометр подготовлен к следующему наблюдению. Отсчеты записывают в наблюдательную книжку или на специальные бланки. Инструментальная поправка в отсчет “после встряхивания” не вводится.

Минимальный термометр служит для измерения самой низкой температуры между сроками наблюдений. Термометр спиртовой, имеет вставную шкалу из молочного стекла, цена деления шкалы 0,5 . Резервуар термометра цилиндрический. Капилляр на конце, противоположном резервуару, имеет расширение, в котором собирается спирт при возрастании температуры выше последнего деления шкалы. На шкале имеется надпись “минимальный”.

В капилляре термометра внутри спирта помещен небольшой тонкий стеклянный штифтик с тупыми концами. При вертикальном положении термометра, резервуаром вверх, штифтик свободно перемещается внутри спирта до пленки поверхностного натяжения. В горизонтальном положении он двигается к резервуару под давлением этой пленки при понижении температуры. При повышении температуры мениск отходит от штифтика в сторону более высоких температур, а сам штифтик остается на месте и будет указывать наименьшую температуру.

Минимальный термометр устанавливают в горизонтальном положении. Во время наблюдений, не трогая руками термометр, отсчитывают минимальную температуру по концу штифтика, удаленному от резервуара и срочную температуру по положению мениска спирта. После отсчета термометр переворачивают резервуаром вверх и удерживают, пока штифтик не дойдет до мениска. После этого термометр готов к следующему наблюдению и его снова устанавливают в горизонтальном положении. Инструментальные поправки вводят в оба отсчета.

В отсчет по штифтику вводится добавочная поправка. Она связана с тем, что спирт частично испаряется и скапливается в верхней части капилляра. В результате объем спирта в резервуаре уменьшается и показания термометра оказываются заниженными. Поэтому летом в дневные часы минимальный термометр убирают с земной поверхности.

Добавочную поправку определяют в конце каждого месяца. Ежедневно в 7 и 19 час. находят разность показаний срочного надпочвенного термометра и “спирта” минимального термометра. Средняя месячная величина этих разностей является добавочной поправкой.

Почвенные термометры Савинова служат для измерения температуры почвы на глубинах 5, 10,15 и 20 см. Эти термометры ртутные, со вставной шкалой из молочного стекла. Цена деления шкалы 0,5 . Резервуар с остальной частью термометра составляет угол 135 . От резервуара до начала шкалы термометр имеет термоизоляцию, состоящую из золы и ваты. Термоизоляция исключает влияние вышележащих слоев почвы на показания термометра.

Почвенные термометры Савинова устанавливаются на той же площадке, что и надпочвенные. Для них выкапывают узкую неглубокую траншею в направлении с востока на запад. Северную стенку траншеи делают отвесной. После этого в отвесную стенку траншеи на нужной глубине горизонтально вдавливают резервуары термометров. Траншея засыпается землей с сохранением последовательности вынутых слоев и послойной трамбовкой.

Наблюдения по термометрам Савинова производятся только в теплое время года, т.к. при замерзании почвы они часто ломаются. Отсчеты по термометрам производятся последовательно, начиная с глубины 5 см.

Термометр для измерения температуры воды в поверхностном слое заключен в специальную оправу. Оправа состоит из металлической трубки и стаканчика, свинченных между собой. Трубка имеет прорезь для шкалы. Поверх трубки идет защитный металлический чехол, с помощью которого закрывают прорезь в трубке оправы и предохраняют термометр от механических повреждений. Металлический стаканчик имеет отверстия в верхней части, служащие для заполнения их водой. Цена деления шкалы термометра равна 0,2 .

При измерении температуры термометр погружают в воду на шнуре и выдерживают около 5 мин. Затем его вынимают и, не выливая воды из стакана, делают отсчет.

3.1.4 Термометры для измерения температуры воздуха

На метеорологических станциях температуру воздуха измеряют по сухому термометру станционного психрометра, установленного в психрометрической будке.

Психрометрический термометр - ртутный, со вставной шкалой из молочного стекла. Пределы шкалы от +41 до -31 ...-35 . Цена деления шкалы 0,2 . Термометр очень чувствительный и малоинерционный. Резервуар имеет форму шара. На верхнем конце защитной трубки термометра имеется металлический колпачок с закраиной, служащей для установки термометра.

В экспедиционных условиях используется сухой термометр аспирационного психрометра или термометр-пращ.

Термометр аспирационного психрометра - ртутный, со вставной шкалой из молочного стекла. Цена деления шкалы 0,2 . От станционного психрометрического термометра он отличается меньшими размерами и цилиндрическим резервуаром.

Термометр-пращ - ртутный палочный термометр с узким капилляром и резервуаром, выдутым на конце этой трубки. Шкала нанесена на передней стороне, а противоположная сторона покрыта молочным стеклом. Цена деления шкалы 0,5 . На верхнем конце термометра имеется шарик, к которому привязывается шнур.

При измерении температуры воздуха термометр вращают за шнур в горизонтальной плоскости на высоте вытянутой руки. Время вращения 2-3 мин. В конце срока шнур наматывают на указательный палец и быстро делают отсчет.

Для измерения максимальной и минимальной температуры между сроками наблюдений используются такие же термометры, как и для измерения этих величин на поверхности почвы.

Записи в журнале наблюдений по жидкостным срочному, максимальному и минимальному термометрам ведутся по форме, представленной в табл. 2.

Таблица 2

Образец записи измерения температуры в журнале

Наименование термометра		Отсчет	Поправка	Исправл. отсчет
Срочный N		20,0	+0,2	20,2
Максимальный N	Отсчет до встряхивания Отсчет после встряхивания	35,7 20,3	-0,2 -	35,5 20,3
Минимальный N	штифт спирт	12,5 20,0	+0,3 +0,1	12,8 20,1

3.2 Деформационные и электрические термометры

Кроме жидкостных термометров на метеорологических станциях используются термографы. Они основаны на принципе изменения линейных размеров тел при изменении температуры и применяются для непрерывной записи колебаний температуры воздуха во времени.

Приемной частью термографа является изогнутая биметаллическая пластинка, состоящая из железной и медной пластинок. Один конец пластинки закреплен неподвижно, а другой через систему рычагов связан со стрелкой, на конце которой насажено перо. При изменении температуры воздуха пластинка меняет свой изгиб, что фиксируется пером на ленте барабана. Барабан приводится во вращение часовым механизмом.

Ленты суточных термографов имеют цену деления во времени 15 мин., а недельных - 2 час. Цена деления температурной шкалы равна 1 .

Электрические термометры применяются, как правило, при выполнении различного рода специальных наблюдений.