Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метеорология и климатология. Лабораторный практикум для студентов бакалавриата по направлениям подготовки 35.03.01 «Лесное дело» и 20.03.02 «Природооб
.pdf
2. Температурная поправка. Обусловлена изменением упругих
свойств коробки от температуры.
3. Добавочная поправка. Обусловлена изменением упругих
свойств анероидной коробки со временем.
Все три поправки берутся из поверочного свидетельства барометра-анероида.
Барограф-анероидный (рис. 3.3) служит для непрерывной
регистрации атмосферного давления.
Состоит из трех основных частей: приемной, передающей
и регистрирующей.
Рис. 3.3. Барограф-анероидный
Приемной частью является анероидная коробка, число их может
достигать 10. Столбик коробок нижним концом прикреплён к плате
и укреплен. С повышением атмосферного давления вследствие сжатия коробок упругий столбик коробочек укорачивается, с понижением – удлиняется. Верхний конец столбика коробок соединен тягой
с передающей частью. Благодаря большой длине передающих рычагов, величина смещения пера примерно в 80–100 раз больше смещения столбика анероидных коробок, что позволяет небольшие движения их фиксировать перу.
Регистрирующей честью барографа является цилиндрический
барабан с часовым механизмом внутри, благодаря которому барабан
вращается, и перо, наполненное медленно сохнущими глицериновыми чернилами, оставляет запись колебаний давления во времени
на специальной бумажной ленте, наложенной на барабан. В зависимости от скорости движения барабана, барографы могут быть суточными и недельными, соответственно этому разные и ленты барографа. Параллельные линии на ленте соответствуют изменению давления
в миллибарах.
31
Установка. Барограф на метеостанциях устанавливают на полке –
кронштейне или на столе вдали от нагревательных приборов. В момент
установки ленты заводится часовой механизм. На обратной стороне
ленты указывается время и дата установки.
В сроки наблюдений делаются отметки времени легким подъемом пера (засечки) для сравнения его показаний с чашечным барометром.
Поправки барографа: Поправки барографа-анероида аналогич-
ны поправкам барометра-анероида: инструментальная (шкаловая)
поправка, температурная поправка, добавочная поправка.
Задачи
Пример. У поверхности земли температура воздуха равнялась
12,0 ºС при атмосферном давлении 980,0 мб, а на некоторой высоте
в точке А температура составляла 8,0 ºС при давлении 920,0 мб.
Каково превышение точки А над земной поверхностью?
Решение
tср = 12,0 + 8,0 / 2 = 10,0 ºС,
h = 8 000 · 2 · ((980 – 920) / (980 + 920) · (1 + 0,004 · 10) = 525 м.
Барической ступенью называется высота, на которую нужно
подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 мб.
Для определения барической ступени пользуются формулой
h = (8 000 / p) · (1 + αt),
где h – величина барической ступени, выраженная в метрах.
Пример. На метеорологической станции, высота которой 200 м,
давление равно 1 000,0 мб, а температура 10,0 ºС. Вычислить давление на уровне моря.
Решение
1. Определяем величину барической ступени:
h΄ = (8 000 / 1 000) · (1 + 0,004 · 10,6) = 8,3 м/мб.
2. Находим приближенно давление на уровне моря:
3. Определяем среднее значение давления между верхним и ниж-
ним уровнями:
р = 1 000 + (200 / 8,3) = 1 024,0 мб.
р = (1 000,0 + 1 024,0) / 2 = 1 012,0 мб.
32
4. Среднюю температуру столба воздуха определяем, предполо-
жив, что вертикальный температурный градиент равен 0,6º / 100 м.
Очевидно, на высоте 100 м (середина слоя) температура будет равняться 10,6 ºС.
h' = (8 000 / 1 012) · (1 + 0,004 · 10,6) = 8,2 м/мб,
р = 1 000 + (200 / 8,2) = 1 024,4 мб.
Величина, характеризующая падение давления на 100 м высоты,
называется вертикальным барическим градиентом
GB = – Δp · 100 / Δz
где GB – вертикальный градиент давления; Δp – изменение давления
при изменении высоты на Δz м.
Пример. У земной поверхности атмосферное давление равно
1 000,0 мб при температуре 10,0 ºС, а на некоторой высоте давление
на 50,0 мб ниже. Каково значение вертикального градиента давления
при условии изотермического распределения температуры?
Решение. Находим толщину слоя:
h = 18 400 · lg1 000 / 950 · (1 + 0,004 · 10) =
= 18 400 · 1,04 (lg100 – lg95) = 426,7 м,
GB = – (–50) · 100 / 426,7 = 11,7 мб / 100 м.
1. Определите вертикальный барический градиент при стан-
дартном атмосферном давлении и температуре 273,0 ºК на уровне
моря на широте 45º.
2. На сколько изменяется атмосферное давление с высотой
в слое воздуха мощностью 100 м над полюсом, если у земли давление
9·104 н/м2 и температура 230,0 ºК?
3. Для двух пунктов, расположенных на разных высотах, опре-
делены давление и температура: р = 756 мм рт. ст.; t0 = 26 ºС;
р = 723 мм рт. ст.; t1 = 24 ºС. Найдите разность высот этих пунктов.
4. Определите давление на уровне моря, если на высоте 420 м
измерены давление и температура: р = 728 мм рт. ст.; t1 = 10 ºС.
5. Определите давление на высоте 350 м, если на уровне моря
измерено давление и температура: р = 757 мм рт. ст.; t1 = 20 ºС.
Порядок выполнения работы. Студенты, изучив информацию по
атмосферному давлению, и устройство приборов для его измерения,
33
делают краткий конспект, решают задачи и отвечают на вопросы и
задания, приведенные после лабораторной работы.
Контрольные вопросы и задания
1. Зачем нужны сведения об атмосферном давлении?
2. Где выше давление, в подвале помещения или на чердаке?
3. Зачем в оправе барометров присутствует термометр?
4. Расскажите, какие единицы измерения давления атмосферы
используют в метеорологии.
5. В чем заключается принцип работы барометра-анероида?
6. Чем вызвана необходимость введения поправок к показаниям
барометров
?
7. Что такое нормальное давление?
8. Опишите, где размещают приборы для измерения атмосфер-
ного давления на метеостанциях.
9. В каких условиях проводят измерения барометром-анероидом?
10. Сколько раз проводят измерения атмосферного давления
на метеорологических станциях?
Лабораторная работа 4
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА И ПОЧВЫ.
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ВОДНЫХ БАССЕЙНОВ
(2 ч)
Цель работы: изучить устройство приборов, их установку и мето-
дику измерений: а) температур воздуха в стационарных условиях
и в лесу; б) температур поверхности почвы и температур почвы на различных глубинах. Изучить отличительные особенности распространения тепла в водных бассейнах.
Задачи работы: провести наблюдения за температурами воздуха
по психрометрическому, максимальному
и минимальному термомет-
рам. Изучить устройство водяного термометра, и методику измерений.
Обеспечивающие средства: приборы для измерения температур,
и методики проведения измерений по ним.
Задание: сделать краткий конспект по методикам проведения
наблюдений за температурой разных объектов, провести измерения
и сделать расчеты по предложенным задачам.
34
Краткие теоретические сведения
Изучение микроклиматической среды леса требует измерений
температуры воздуха и почв.
Единицами измерения температур являются Кельвин (К) и градус Цельсия (ºС). Связь данных температур определяется соотношением
t = Т – 273,15 ºС, (4.1)
где t – температура в градусах по Цельсию; Т – температура по Кельвину.
Для измерения температур воздуха и почв наиболее часто используются жидкостные термометры. Они состоят из стеклянного резервуара с термометрической жидкостью, соединенного с капиллярной трубкой, свободный конец которой запаян; температурной шкалы, надежно
скрепленной с резервуаром и капилляром, и цилиндрической стеклянной оболочки, припаянной к резервуару. В зависимости от назначения
метеорологические термометры могут иметь те или иные конструктивные особенности. В качестве термометрических жидкостей используются ртуть, этиловый спирт и толуол. Для измерения температур выше
минус 35 ºС используются ртутные термометры, при более низких температурах – спиртовые, измерение температур ими выше 25 ºС не рекомендуется.
Измерение температур воздуха. Для измерения температур воз-
духа в стационарных условиях используются 3 термометра; психрометрический (сухой), максимальный и минимальный. Все они устанавливаются в психрометрической будке (рис. 4.1) в специальном штативе;
психрометрические термометры (сухой и смоченный) – в вертикальном
положении, минимальный – в горизонтальном, максимальный в горизонтальном положении
с небольшим наклоном в сторону резервуара.
Резервуары термометров располагаются на высоте 2 м от поверхности
почвы.
Психрометрическая будка предназначена для защиты термометров от влияния радиации, осадков и сильных порывов ветра. Стенки
и дверцы ее устроены из деревянных планок в виде двойного жалюзи.
Будка монтируется на специальной подставке дверцей на север,
для
удобства отсчетов рядом с ней устанавливается лесенка. Будка, подставка и лесенка для уменьшения нагревания окрашиваются в белый
цвет.
Психрометрический термометр ТМ-4 используется для измере-
ния температур и влажности воздуха в срок наблюдений и является
35
наиболее точным и чувствительным метеорологическим термометром
(рис. 1.15).
Рис. 4.1. Психрометрическая будка
Это ртутный термометр с шаровидным резервуаром и металлическим колпачком на верхнем конце (для крепления термометра
в штативе). Цена деления шкалы 0,2 ºС.
Рис. 4.2. Психрометрический термометр (сухой и смоченный)
36
Минимальный термометр ТМ-2 предназначен для измерения
минимальных температур ниже минус 35 ºС за некоторый промежуток времени.
Это спиртовой термометр с ценой деления шкалы 0,5 ºС, цилиндрическим резервуаром или резервуаром в виде вилки. Для определения минимальных температур в столбике спирта находится легкий
штифт из темного стекла с утолщениями на концах (рис. 4.3, а).
При наклонах термометра штифт легко перемешается в столбике спирта, но не выходит из него, так как вследствие малого веса он
не может преодолеть силы поверхностного натяжения мениска спирта
и прорвать его. Перед установкой термометра его поворачивают
резервуаром вверх и подводят штифт до касания с мениском спирта.
При повышении температуры штифт остается на месте, так как
перемещению препятствуют силы трения штифта о стенки капилляра,
спирт обтекает его, и мениск спирта удаляется от резервуара и штифта.
При понижении температуры мениск спирта приближается
к штифту, в определенный момент касается его, и при дальнейшем
понижении температур штифт передвигается в сторону резервуара
вместе с мениском спирта.
Таким образом, штифт всегда будет находиться в положении,
соответствующем самой низкой температуре за период с момента установки термометра. Отсчет температуры производится по удаленному от резервуара концу штифта.
Максимальный термометр ТМ-1 служит для измерения макси-
мальных температур за некоторый промежуток времени, обычно между
двумя сроками наблюдений. Это ртутный термометр с цилиндрическим
резервуаром и ценой деления шкалы 0,5 ºC. Возможность измерения
максимальных температур обеспечивается штифтом (рис. 1.16, б), кото-
рый одним концом входит в капилляр, сужая его входную часть.
При повышении температуры ртуть в резервуаре расширяется,
возникают значительные силы, продавливающие ее через сужение
в капилляр.
При понижении температура объем ртути в резервуаре уменьшается, однако ртуть из капилляра не может вернуться и резервуар,
так как силы трения в суженной части капилляра, значительно превышают силы сцепления в столбике ртути. Поэтому в сужении происходит разрыв ртути и столбик ее, соответствующий максимальной
температуре, остается в капилляре.
Для подготовки к следующему наблюдению термометр несколько
раз встряхивают до тех пор, пока показания его не станут постоянными.
37
Эти показания соответствуют температуре воздуха в данный момент,
и они должны быть близкими к показаниям сухого психрометрического
термометра.
а б
Рис. 4.3. Устройства, обеспечивающие сохранность
минимальных а и максимальных б значений температур:
1 – капилляр; 2 – штифт; 3 – мениск спирта
Измерение температур поверхности почвы. Для измерения
температур поверхности почвы, а также снежного покрова, используются срочный, максимальный и минимальный термометры.
На метеорологических станциях и постах для установки почвенных термометров подготавливается площадка размером 4×6 м, растительный покров с площадки убирается, поверхность почвы взрыхляется (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Площадка почвенных термометров
38
Термометры устанавливают в середине оголенной площадки
на расстоянии 5…6 см один от другого резервуарами на восток в приведенной ниже последовательности: первый с севера – срочный для
измерения температуры поверхности почвы и снежного покрова, второй – минимальный, третий – максимальный.
Срочный и минимальный термометры необходимо положить
на поверхность строго горизонтально, а максимальный с небольшим
наклоном в сторону резервуара. Термометры должны лежать на почве
таким образом, чтобы их резервуары и наружная оболочка были наполовину заглублены в почву. Почву следует оберегать от уплотнения.
Срочный термометр применяется для измерения температуры
поверхности почвы и снежного покрова в данный момент (сроки наблюдений). Это ртутный термометр с цилиндрическим резервуаром.
Он имеет вставную шкалу с ценой деления 0,5º.
Минимальный термометр применяют для измерения самой низкой
температуры за период между сроками наблюдений. Это термометр
спиртовой, с ценой деления 0,5º со вставной шкалой и цилиндрическим
резервуаром.
Измерение температур почвы на разных глубинах. Для измерения температур почвы на различных глубинах используются ртутные
коленчатые термометры Савинова, вытяжные термометры, и термометр-щуп.
Термометры Савинова применяются для измерения температур почвы на глубинах 5, 10, 15 и 20 см.
Термометры ртутные с цилиндрическим резервуаром и ценой
деления шкалы 0,5 ºС. Выпускаются в комплекте из 4-х штук. Термометры имеют разную длину в зависимости от глубины установки,
вблизи резервуара они изогнуты под углом 135º. Нижняя часть стеклянной защитной оболочки, от резервуара до шкалы, для предотвращения конвективного обмена воздуха заполнена термоизоляцией
из ваты с сургучными прослойками.
Для установки термометров Савинова (рис. 4.5) выкапывается
траншея длиной 40 см и шириной 30 см в направлении с запада
на восток. Северная стенка траншеи делается отвесной. Термометры
вставляются в эту стенку, начиная с самого длинного.
Резервуары термометров при установке должны располагаться
строго горизонтально и плотно прилегать к почве. Сначала подготавливается отверстие, соответствующее размерам резервуара. После
установки первого термометра траншея засыпается до глубины
установки следующего, почва при этом тщательно уплотняется.
39
Так же устанавливаются и все остальные термометры. При засыпке
траншеи нужно строго соблюдать последовательность почвенных горизонтов, а почва должна утрамбовываться до плотности, близкой
к плотности ненарушенной почвы. Если наблюдения проводятся в условиях леса, необходимо тщательно восстановить лесную подстилку
и травяно-моховой покров.
Рис. 4.5. Установка термометров Савинова
Наблюдения по термометрам Савинова проводятся только в теплый период года, при понижении температуры почвы до отрицательных значений их снимают, так как при промерзании почвы
термометры ломаются.
Вытяжные термометры предназначены для измерения температур почвы на глубинах 20, 40, 60, 80; 120, 160, 240 и 320 см под
естественной растительностью.
Термометры ртутные с ценой деления шкалы 0,2 ºС. Они вставляются в пластмассовую оправу, оканчивающуюся внизу металлическим наконечником (рис. 4.6).
В пространство между наконечником и резервуаром термометра
засыпаются медные или латунные опилки с той же целью, что у термометра-щупа. Оправы с термометрами крепятся на деревянных
штангах разной длины в зависимости от глубины установки. Штанги
с укрепленными на них термометрами вставляются в пластмассовые
трубы. Снизу трубы герметически закрываются металлическими
наконечниками. Для уменьшения воздухообмена в трубе на штангах
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]