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
в нескольких местах укреплены войлочные кольца. На верхнюю часть
трубы надевается металлический хомутик с тремя ушками для оттяжек, которыми труба крепится к почве.
а б
Рис. 4.6. Термометр вытяжной почвенно-глубинный:
а – трубка к термометру; б – термометр в оправе
На метеостанциях и постах вытяжные термометры устанавливаются на площадке размером 6×8 м вблизи от площадки с термометрами Савинова.
В почве сначала подготавливаются буровые скважины, с расположением в один ряд с запада на восток, в порядке возрастания глубин, через 0,5 м. В скважины устанавливаются трубы и с помощью
проволочных
оттяжек крепятся к колышкам, прочно вбитым в почву.
В трубы опускаются штанги с термометрами, при этом нужно
следить, чтобы металлические наконечники термометров и трубы соприкасались между собой. Для подхода к термометрам с северной
стороны устраивается реечный помост, горизонтальный настил с него
после проведения наблюдений убирается (рис. 4.7).
41
Наблюдения проводятся круглогодично, по термометрам до глубины 60 см – 8 раз в сутки, а начиная с глубины 80 см и более – 1 раз
в сутки, так как с этой глубины суточные колебания температур становятся незначительными.
Рис. 4.7. Установка вытяжных термометров
Термометр – щуп АМ-6 служит для измерения температур
почвы в полевых условиях на глубинах от 3 до 40 см (рис. 4.8).
Он состоит из жидкостного толуолового термометра и пластмассовой или металлической оправы. Цена деления шкалы термометра 1,0 ºС. Нижний конец оправы заканчивается заостренным металлическим наконечником, в котором расположен резервуар термометра,
вверху оправы имеется рукоятка. Для обеспечения теплового контакта и увеличения термической инерции прибора пространство между
наконечником и резервуаром термометра заполнено медными опилками. Если оправа металлическая, то наконечник изолируется от нее
пластмассовой термоизоляционной прокладкой. На оправе нанесена
шкала глубин через 1 см, для снятия отсчетов в ней имеется продольное окно, закрытое пластинкой из органического стекла.
При проведении наблюдений термометр вертикально погружается на требуемую глубину. Если почва рыхлая, его просто вдавливают, в плотных почвах сначала подготавливается скважина нужной
глубины. Термометр выдерживается в почве не менее 5 минут, после
чего производится отсчет, по возможности не вынимая термометр.
Измерение температуры поверхностного слоя воды. В отли-
чие от почвы, где солнечная радиация поглощается тонким поверхностным слоем, в водных бассейнах лучистая энергия проникает
до сравнительно значительных глубин. Однако с увеличением глубины
42
воды интенсивность поглощения ею солнечной радиации, быстро убывает. Половина всей радиации, достигающей поверхности воды,
поглощается верхним её слоем толщиной 10 см.
Рис. 4.8. Термометр-щуп АМ-6:
1 – шкала термометра; 2 – оправа; 3 – ручка.
Распространение тепла в водоёмах происходит главным образом
не в силу теплопроводности, а благодаря перемешиванию воды.
Поэтому активный слой в водных бассейнах значительно больше, чем
на суше.
Вследствие постоянного перемешивания вод в водных бассейнах происходит сглаживание температур. Поэтому амплитуда суточных и годовых колебаний в водных бассейнах значительно меньше,
чем в почве.
Для измерения температуры верхнего слоя вод в озёрах и реках
пользуются водяными термометрами (рис. 4.9), которые имеют следующее устройство: ртутный термометр помещают в металлическую
трубку, имеющую прорезь для производства отсчётов по шкале.
Резервуар термометра заключен в металлический стаканчик,
в верхней части которого имеются отверстия. Когда термометр опускают в воду, то она поступает через эти отверстия в цилиндр. Термометр
43
воспринимает при этом температуру воды и, благодаря её теплоемкости, сохраняет эту температуру на время производства отсчёта после
изъятия термометра из воды.
Для удобства опускания термометра в воду к верхнему концу
цилиндра приделано кольцо для прикрепления шнура. Наблюдения
производятся с помоста или лодки, где вода достаточно глубока, и берег, поэтому не влияет на температуру вод.
Рис. 4.9. Водяной термометр
Теплоемкость почвы. Теплоемкостью называется количество тепла в калориях, необходимое для нагревания единицы вещества на 1 ºС.
Если за единицу вещества принимается 1 см3, то теплоемкость
называется объемной (кал/см3 · град); если за единицу берется 1 г вещества, то теплоемкость называется удельной (кал/г · град).
Зависимость между ними выражается формулой
C = c · d, (4.1)
где С – объемная теплоемкость; с – удельная теплоемкость; d –
плотность вещества.
В системе СИ объемная теплоемкость выражается в дж/м3 · град,
удельная – в дж/кг · град:
1 кал/см3 · град = 4,1868 · 106 дж/м3 · град;
1 кал/г · град = 4,1868 · 103 дж/кг · град.
В практических работах большей частью пользуются объемной
теплоемкостью.
Объемная теплоемкость влажной почвы определяется по объемному весу почвы, ее удельной теплоемкости и влажности:
44
С = cnq + cвqW кал/см3 · град, (4.2)
где сп – удельная теплоемкость сухой почвы; св – удельная теплоемкость почвенной влаги; q – объемный вес (плотность) сухой почвы,
W – влажность в долях единицы.
Пример. Объемный вес сухой почвы (легкий суглинок) 1,12 г/см3,
удельная теплоемкость почвы сп = 0,200 кал/г · град, а воды св =
= 1 кал/г · град, влажность почвы W = 10,2 % (или 0,102).
Решение. Объемная теплоемкость почвы:
С = cnq + cBqW = 0,200 · 1,12 + 1,0 · 1,12 · 0,102 =
= 0,338 кал/см3 · град.
Теплопроводность и температуропроводность. Мерой теплопроводности почвы служит коэффициент теплопроводности λ, численно равный количеству тепла, протекающему в 1 с через 1 см2 слоя данного вещества толщиной 1 см при разности температур на границах
слоя 1 ºС. Размерность коэффициента теплопроводности кал/см · с · град.
Для характеристики тепловых свойств почвы и воды пользуются
также коэффициентом температуропроводности K. Коэффициент
температуропроводности численно равен тому повышению температуры, которое наблюдается при сообщении 1 см3 почвы λ кал тепла.
Коэффициент температуропроводности выражается через теплоемкость и теплопроводность.
K = λ / C = λ / cd, см2/с, (4.3)
Коэффициент K можно вычислить по убыванию амплитуды
с глубиной по формуле
K = πz2 / θ · (lnA0 – lnAz)2, см2 / с, (4.4)
где A0 – амплитуда колебаний температуры на поверхности; Az – амплитуда колебаний температуры на глубине; θ – период колебания
температуры (сутки, год), выраженный в секундах; z – глубина слоя
в сантиметрах.
Пример. Годовые амплитуды колебаний температуры на поверхности и на глубинах равны: A0 = 19,2 °С, A15 = 18,2 °С, z = 15 см,
θ = 31 536 000 с (индекс у А обозначает глубину в см).
Решение
K = (3,14 · 225) / 31 536 000 · 0,0036 = 0,00617 см
45
2
/с.
В практике работы гидрометеорологических станций вычисление коэффициента K производится каждую пятидневку по формуле
K = М / N, (4.5)
K = 26,67(r0∆t0 + r1∆t5 + r2∆t10 + r3t
+ r4∆t20) / 6 ×
∆15
× (0,5D7 + D10 + D13 + D16 + 0,5D19), см2/ч,
где М и N – величины, рассчитываемые аналитическим путем по результатам наблюдений; ∆t0, ∆t5, ∆t10 и т. д. – разности между средними
температурами в 19 и 7 ч на поверхности почвы и глубинах 5, 10, 15
и 20 см; r0–r4 – коэффициенты, значение которых приведено в табл. 4.1.
4.2. Величины D, характеризующие распределение температуры почвы
по глубинам в данный срок, вычисляются по формуле
D = (t0 + t20) / 2 – t10, (4.6)
Таблица 4.1
Характеристики величин
Величина
t в 19 ч 20,8 23,8 23,6 22,9 22,1
t в 7 ч 18,4 18,2 18,9 18,7 19,0
∆t
2,4 5,6 4,5 4,2 3,1
19–7
Коэффициент r
0 5 10 15 20
0,06 1,0 1,62 1,0 0,06
0,14 5,60 7,29 4,20 0,19
Глубина, см
∑r · ∆t = 17,42; M = 26,67 · ∑r · ∆t = 464,59 град · см2.
Пример вычисления М, N дан в формуле (5).
Таблица 4.2
Характеристики величин
Величина
7 10 13 16 19
t0 18,4 34,0 38,4 34,4 20,8
t20 19,0 19,1 20,2 22,4 22,1
(t0 + t20) / 2 18,7 26,5 29,3 28,4 21,4
t10 18,9 21,4 24,8 25,2 23,6
D = (t0 + t20) / 2 – t10 –0,2 5,1 4,5 3,2 –2,2
Сроки наблюдений, ч
N = 6 (– 0,1 + 5,1 + 4,5 + 3,2 – 1,1) = 69,60 град/ч.
46
В результате:
K = М / N = 463,59 / 69,60 = 6,66 см2/ч.
Распространение тепла вглубь почвы. Величина потока тепла
вглубь деятельного слоя зависит от градиента температуры и теплопроводности почвы и может быть рассчитана по формуле
Q = λ – (t2 – t1 / z2 – z1) · θ = CK · (t2 – t1 / z2 – z1) · θ, кал/см2, (4.7)
где Q – поток тепла (в системе СИ поток тепла выражается в дж/см2,
1 кал/см2 = 4,18 дж/см2); t2 и t1 – температуры почвы (в град) на глубинах z2 и z1 (в см) соответственно; θ – интервал времени (в секундах); λ – коэффициент теплопроводности (в кал/см · град · с); K – коэффициент температуропроводности (в см2/с); С – объемная теплоемкость (в кал/см3 · град).
Пример. Температура на поверхности почвы 28,0 ºС, а на глубине 20 см 17,0 ºС. Определить величину потока тепла в глубь почвы
за 1 мин (коэффициент теплопроводности 0,0037 кал/см · с · град).
Решение
Q = – 0,0037 · ((17,0 – 28,0) · 60 / 20) = 0,12 кал/см2.
Задачи
1. Пользуясь табл. 4.3, постройте график зависимости коэффициента теплопроводности от влажности почвы. Объяснить физическую сущность зависимости.
Таблица 4.3
Характеристики величин
Влажность, % 0 5 15 20 25 30 35
λ, кал/см · с · град
0,0003 0,0010 0,0019 0,0026 0,0033 0,0042 0,0054
2. Объемная теплоемкость почвы 0,32 кал/см
3
· град, плотность
2,23 г/см3. Определите удельную теплоемкость.
3. Плотность супесчаного чернозема 0,94 г/см3, влажность 20 %.
Удельная теплоемкость 3 092 дж/кг · град. Определите объемную теплоемкость влажной почвы.
4. Объемный вес почвы 1,15 г/см3, влажность 30 %, коэффициент теплопроводности 0,002 кал/см · с · град, удельная теплоемкость
0,156 кал/г · град. Определите объемную теплоемкость почвы и коэффициент температуропроводности.
47
5. Суточные амплитуды колебания температуры почвы на
поверхности и глубинах равны: А0 = 24,3 ºС, А5 = 8,6 ºС, А10 = 6,4 ºС,
А20 = 3,0 ºС, А30 = 1,4 ºС. Определите величину коэффициента температуропроводности в слоях: 0–10, 5–10 и 10–30 см.
6. Годовые амплитуды колебания температуры почвы на глубинах равны: А40 = 54,5 ºС, А60 = 29,6 ºС, А80 = 26,2 ºС, А
А
= 17,1 ºС, А
160
= 8,4 ºС. Определите коэффициент температуро-
320
= 21,7 ºС,
120
проводности в слоях: 40–60, 60–80, 80–100, 120–160 и 160–320 см.
7. Суточные амплитуды колебания температуры почвы на глу-
бинах равны: А5 = 15,6 ºС, А10 = 9,6 ºС, А40 = 2,4 ºС, А60 = 1,4 ºС.
Определите коэффициент температуропроводности в слоях: 5–15,
5–40 и 5–60 см.
8. По данным табл. 4.4 построить кривые распределения температуры по высоте для трех дней: 16 марта, 25 апреля и 13 мая.
Таблица 4.4
Характеристики величин
Высота, км
16/III 25/IV 13/V
1 2 3 4
0 0,3 9,8 16,1
1 –3,0 4,0 6,6
2 –8,9 0,6 –2,7
3 –15,4 –3,8 –6,5
4 –20,4 –9,5 –11,4
5 –25,3 –15,8 –16,5
6 –31,0 –28,3 –22,6
7 –38,0 –30,5 –18,5
8 –45,0 –39,0 –28,8
9 –52,4 –52,9 –34,4
10 –55,0 –58,0 –41,0
11 –54,6 –53,8 –46,0
12 –52,9 –52,0 –50,4
13 –50,7 –51,1 –46,8
14 –49,5
15 –51,1
16 –51,6
17 –51,6
18 –51,6
Температура, град
Порядок выполнения работы. Студенты, изучив информацию по
измерению температуры почвы разных физических величин,
48
делают краткий конспект методик измерения, решают задачи, и отвечают на вопросы и задания, приведенные после лабораторной работы.
Контрольные вопросы и задания
1. Какие приборы размещены в психрометрической будке?
2. Какие приборы используются для измерения температуры
воздуха?
3. Что измеряют термометры Савинова?
4. Поясните, для чего служит термометр-щуп.
5. Каковы особенности вытяжных почвенных термометров?
6. Чем отличается распространение тепла в водоёмах и в почве?
7. Глубоко ли проникают прямые лучи света в глубь водоёмов?
8. Опишите особенности устройства водяного термометра.
9. Что такое теплоёмкость?
10. Что такое теплопроводность?
Лабораторная работа 5
ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА
(2 ч)
Цель работы: усвоить значения величин, характеризующих влажность воздуха. Запомнить их общепринятые обозначения. Изучить устройство приборов, их установку и методики измерения влажности воздуха в стационарных и полевых условиях.
Задачи работы: провести наблюдения по стационарному психрометру и волосному гигрометру. Вычислить показатели влажности
воздуха по формулам и психрометрическим таблицам.
Обеспечивающие средства: приборы по измерению влажности
воздуха, методики и формулы проведения измерений и расчетов.
Задание: изучить элементы влажности воздуха, рассчитать формулы по влажности воздуха.
Краткие теоретические сведения
Вода может находиться в атмосфере в трех состояниях:
1) твердом – град, снег, крупа, ледяные облака;
2) жидком – дождь, туман, морось, водяные облака;
3) газообразном – водяной пар.
Имеющийся водяной пар дает известную упругость, как всякий
газ (парциальное давление).
49
Упругость водяного пара (е), – находящегося в воздухе, выра-
жается, как и давление воздуха в миллиметрах ртутного столба или
в миллибарах, и показывает то парциональное давление, которое развивает водяной пар, находясь в смеси газов, составляющих атмосферу:
e = Е' – A × p × (t – t'), (5.1)
где e – упругость водяного пара в мб; Е' – упругость насыщенного
водяного пара при температуре испаряющей поверхности; А – психрометрический коэффициент, зависящий от скорости движения воздуха (для стационарного психрометра А = 0,0008); р – атмосферное
давление в мб или гПа; t – температура сухого термометра; t' – температура смоченного термометра;
Упругость насыщенного парa (Е), – называемая максимальной
упругостью водяного пара, показывает ту предельную величину
упругости, которую может иметь водяной пар при данной температуре (прил. 4).
Основные элементы водяного пара, составляющие объекты
наблюдений метеорологических станций, – это абсолютная и относительная влажность.
Абсолютная влажность (а) – это количество водяного пара
в граммах, содержащегося в 1 м3 воздуха. Между абсолютной влажностью (а) и упругостью водяного пара (е) существует определенное
соотношение:
0,8,e
a
1
мб или
t
1, 0 6
а
1
е
мм, (5.2)
,
t
где е – упругость водяного пара в мб; а – коэффициент расширения
газов ≈ 0,004; t – температура воздуха в оС.
Относительная влажность воздуха (r) – отношение упругости
водяного пара, содержащегося в воздухе, к упругости насыщения при
данной температуре, выраженное в процентах:
е
rЕ
100 %.
(5.3)
Дефицит упругости водяного пара (дефицит влажности – d) –
разность между упругостью насыщенного пара при данной температуре
и упругостью водяного пара, содержащегося в воздухе.
d = Е – е, (5.4)
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]