Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Науки о Земле. Учебное пособие
.pdf
К каждому прибору прилагаются тарировочные графики
для получения истинной скорости движения воздуха.
Порядок замеров анемометром следующий: анемометр помещают в то место, где необходимо замерить скорость движения
воздуха, таким образом, чтобы ось вращения колеса или чашечек
была параллельна току воздуха. Если при этом стрелки прибора
движутся, то необходимо соединить их от движущийся части
прибора с помощью рычага, находящегося на боковой стороне
прибора. После этого записывают имеющиеся на приборе исходное показание стрелок (прибор на нуль не ставится), принимая во
внимание на маленьких циферблатах (где отмечаются тысячи и
сотни) только целые деления и начиная отсчет с тысячи и сотен.
Количество же десятков и единиц к ним берется по показаниям
стрелки большого циферблата.
Записав начальные показания прибора и убедившись, что
чашечки или крыльчатка преодолели сопротивление инерции
прибора и вращаются с установившейся скоростью, включают
обратным поворотом рычажка стрелки прибора и одновременно
секундомер. Обычно через 60 или 100 с одновременно включают
стрелки и останавливают секундомер, записывая полученные при
этом показания. Разница в отсчетах (из полученного вычитается
начальный), деленная на время замера (60 или 100 секунд), дает
число делений в секунду. Если оно не совпадает точно с метрами,
то полученный результат (число делений в секунду) умножают на
поправку, указанную в паспорте прибора или переводят по тарировочной кривой анемометра, прилагаемой к паспорту.
Для получения более точных измерений обычно не ограничиваются одним, а делят два-три замера, вычисляя сразу же полученную при этом разницу в отсчетах. При этом получают
среднее число делений в секунду и с помощью тарировочной
кривой определяют фактическую скорость (м/с).
В последнее время созданы тепловые и ультрозвуковые
анемометры. Принцип действия теплового анемометра основан
на измерении перепада температур на «вспомогательной стенке».
Величина температурного перепада пропорциональна плотности
теплового потока. Измерение температурного перепада осущест-
241
вляется с помощью ленточной термопары, расположенной внутри
пластинки зонда, выступающей в роли «вспомогательной стенки».
Принцип действия ультразвукового анемометра основан на
измерении скорости звука, которая изменяется в зависимости от
направления ветра.
В последнее десятилетие широкое распространение получили электронные анемометры, состоящие из приемной части
(крыльчатки и электронного блока) серии АПР.
Приборы для измерения атмосферного давления.
БароOметр - прибор для измерения атмосферного давления.
Разница между атмосферным давлением в помещении и под открытым небом (на том же уровне), как правило, совершенно незначителъна. Поэтому на метеорологических станциях нет нужды
помещать барометры под открытым небом, их устанавливают
внутри помещения.
В жидкостных барометрах давление измеряется высотой
столба жидкости (ртути) в трубке, запаянной сверху, а нижним
концом опущенной в сосуд с жидкостью (атмосферное давление
уравновешивается весом столба жидкости). Ртутные барометры наиболее точные, используются на метеостанциях.
Нашли применение также механические барометры (анероид). В анероиде жидкости нет (греч. «анероид» – «безводный»).
Он показывает атмосферное давление, действующее на гофрированную тонкостенную металлическую коробку, в которой создано разрежение. При понижении атмосферного давления коробка
слегка расширяется, а при повышении – сжимается и воздействует на прикрепленную к ней пружину. На практике часто используется несколько (до десяти) анероидных коробок, соединенных
последовательно, и имеется рычажная передаточная система, которая поворачивает стрелку, движущуюся по круговой шкале,
проградуированной по ртутному барометру.
Комбинированные приборы. В 90-х годах ХХ века получили широкое распространение цифровые полупроводниковые
комбинированные приборы контроля параметров воздушной среды, которые называются метеометры.
242
Метеометры предназначены для измерения атмосферного
давления, относительной влажности, температуры и скорости
воздушных потоков. Некоторые модели метеометров позволяют
измерять освещенность и оценивать тепловое излучение.
Наибольшее распространение в практике получили метеометры серии МЭС (МЭС-1, МЭС-2, МЭС-3, МЭС-4, МЭС-5,
МЭС-6, МЭС-7, в настоящее время выпускается метеометр МЭС200, который является дальнейшей модернизацией широко распространенного прибора "Метеометр МЭС-2").
Внешний вид прибора МЭС-2 показан на рисунке.
Рисунок. Прибор МЭС-2
МЭС-2 состоит из блока электроники и измерительного
щупа с датчиками скорости воздушного потока, температуры и
влажности. Датчик давления установлен непосредственно на
корпусе блока электроники.
243
В качестве датчика скорости движения воздуха используется дифференциальная термопара.
Датчиком температуры служит полупроводниковый термистор.
Датчиком влажности является конденсатор, емкость которого пропорциональна измеряемой влажности.
Датчик давления выполнен на основе тензомоста сопротивления.
Результаты измерений выводятся на индикатор.
Конструктивное исполнение на базе микропроцессора
обеспечивает высокие метрологические характеристики за счет
автоматической коррекции погрешностей от влияния изменений
температуры, давления, дрейфа нуля и наклона характеристики
преобразования. Кроме того, осуществляется запись и хранение
до 100 результатов измерений с привязкой к номеру включения
прибора и обеспечена возможность подключения внешних устройств (например, компьютера с соответствующим программным
обеспечением).
Методы аэрологических наблюдений. Наиболее простым
видом аэрологических наблюдений является ветровое зондирование, т. е. наблюдения над ветром в свободной атмосфере с помощью шаров-пилотов. Так называются небольшие резиновые шары, наполняемые водородом и выпускаемые в свободный полет.
Наблюдая в теодолиты за полетом шара-пилота, можно установить скорость и направление ветра на тех высотах, на которых
летит шар. В настоящее время при аэрологических наблюдениях над ветром все шире применяются методы радиообнаружения, т. е. радиопеленгация радиозондов и радиолокация (радиоветровое зондирование), обеспечивающие получение сведений
о ветре при наличии облачного покрова. Наблюдения над ветром
и температурное зондирование используются непосредственно
для обслуживания авиации.
Температурным зондированием называются регулярные
(обычно два раза в сутки) выпуски шаров-зондов с резиновыми
оболочками достаточно большого размера, к которым прикреплены автоматические приборы для регистрации температуры,
давления и влажности воздуха. Прикрепленный к шару прибор -
244
радиозонд, находясь еще в полете, посылает радиосигналы, по
которым можно определить значения метеорологических величин.
Радиозондирование вытеснило другие методы температурного зондирования - подъем метеорографов на змеях, привязных
аэростатах, самолетах и пр. Самолет остается, однако, важным
средством для специальных сложных наблюдений, требующих
участия наблюдателя, например, для изучения физического
строения облаков, для актинометрических и атмосферноэлектрических наблюдений.
В последние десятилетия начали практиковать выпуски
шаров не только с радиозондами, но и с более сложными автоматическими приборами для разного рода наблюдений. Такие шары
большого диаметра с оболочкой из полиэтилена (трансокеанские
зонды) со значительным грузом приборов достигают высот около
30 - 40 км. Они могут летать на определенной заданной высоте
(точнее, на заданной изобарической поверхности, т. е. в слое с
одним и тем же атмосферным давлением), находясь при этом в
воздухе много дней подряд и передавая радиосигналы. Определение траекторий полета таких шаров имеет значение для изучения переноса воздуха в различных слоях атмосферы, особенно
над океанами и в низких широтах, где сеть аэрологических станций недостаточна.
Метеорологические спутники - искусственные спутники
Земли, созданные для получения из космоса метеорологических
данных о Земле, которые используются для прогноза погоды.
Спутники этого типа несут на борту приборы, с помощью которых наблюдают, в частности, за температурой поверхности Земли
и облачным, снеговым и ледовым покровом. Методы получения
метеоинформации и способы её обработки с помощью метеоспутников изучает спутниковая метеорология.
Метеоспутники вместе со станциями приёма и обработки
данных образуют метеорологическую космическую систему.
Метеорологические спутники оснащены обзорной и измерительной аппаратурой. Обзорную аппаратуру составляют так
называемые телевизионные и инфракрасные системы спутника,
позволяющие в комплексе производить фотографирование обла-
245
ков и земной поверхности не только на дневной (освещенной
Солнцем), но и на ночной (теневой) стороне нашей планеты. Телевизионная съемка облачности производится в видимой части
солнечного спектра. При обычной высоте полета метеорологического спутника (около 900 км) разрешающая способность аппаратуры составляет примерно 1-2 км. Фотографирование в инфракрасной части спектра в диапазоне волн длиной 8-12 мкм выполнимо и в ночное время; разрешающая способность аппаратуры примерно 8 км. Оборудование метеорологических спутников позволяет вести работу в режимах как непосредственной передачи
информации, так и запоминания её, с последующим считыванием
по команде с Земли.
Применение микроволновой радиометрической аппаратуры
на искусственных спутниках Земли расширяет возможности
спутниковой метеорологии, позволяя изучать состояние земной
поверхности сквозь облачность, так как для распространения
волн сантиметрового диапазона она не является препятствием.
Кроме того, такая аппаратура даёт возможность более детально
исследовать процессы, протекающие в самих облаках.
В основе микроволнового исследования атмосферы с помощью искусственных спутников Земли лежит способность всех
тел в природе излучать и поглощать энергию. С изменением температуры земной поверхности, её влагосодержания, наличия на
ней воды, снега, осадков, количества растворенной в воде соли и
других показателей её состояния изменяются тепловые потоки,
исходящие от земной поверхности. Измеряя тепловые потоки высокочувствительной аппаратурой, работающей в диапазоне микроволн, можно судить о многих процессах, происходящих на поверхности океана, суши, в облаках и атмосфере.
Измерение теплового радиоизлучения над малоосвещенными участками земного шара, например над океанами, позволяет определить наличие и мощность облачного покрова, обнаружить зоны выпадения осадков и оценить интенсивность последних. Это связано со способностью капельно-жидкой воды, содержащейся в облаках и осадках, активно поглощать радиоизлучение с длиной волны меньше 1 см. Таким образом, по интенсивности фиксируемого спутником излучения можно судить о со-
246
стоянии погоды над поверхностью океана, лишенной других
средств метеорологических наблюдений требуемой полноты.
7.2. Изменения климата,
влияние метеорологических условий
на уровень загрязнения
7.2.1. Причины изменения климата
Изменение климата - колебания климата Земли в целом или
отдельных её регионов с течением времени. Его изучением занимается наука палеоклиматология. Причиной изменения климата
являются динамические процессы на Земле, внешние воздействия, такие, как колебания интенсивности солнечного излучения, и
с недавних пор деятельность человека. В последнее время термин
«изменение климата» используется, как правило (особенно в контексте экологической политики), для обозначения изменения в
современном климате.
Изменения климата обусловлены переменами в земной атмосфере, процессами, происходящими в других частях Земли,
таких, как океаны, ледники, а также эффектами, сопутствующими
деятельности человека. Внешние процессы, формирующие климат, - это изменения солнечной радиации и орбиты Земли.
К факторам, влияющим на изменения климата относятся:
• изменение размеров и взаимного расположения материков
и океанов;
• изменение светимости Солнца;
• изменения параметров орбиты Земли;
• изменение прозрачности атмосферы и ее состава в резуль-
тате изменений вулканической активности Земли;
• изменение концентрации парниковых газов (СО2 и CH4) в
атмосфере;
• изменение отражательной способности поверхности Земли
(альбедо);
• изменение количества тепла, имеющегося в глубинах океа-
на.
247
На Земле практически постоянно происходят и такие процессы, которые могут оказывать влияние на климат.
Самые значительные климатические процессы за последние
несколько миллионов лет - это гляциальные и интергляциальные
циклы текущего ледникового периода, обусловленные изменениями орбиты Земли. Изменение состояния континентальных
льдов и колебания уровня моря в пределах 130 метров являются в
большинстве регионов ключевыми следствиями изменения климата.
В масштабе десятилетий климатические изменения могут
быть результатом взаимодействия атмосферы и Мирового океана.
Многие флуктуации климата, включая наиболее известную южную осцилляцию Эль-Ниньо, а также североатлантическую и
арктическую осцилляции, происходят отчасти благодаря возможности Мирового океана аккумулировать тепловую энергию и перемещению этой энергии в различные части океана. В более длительном масштабе в океанах происходит термогалинная циркуляция, которая играет ключевую роль в перераспределении тепла
и может значительно влиять на климат.
В более общем аспекте изменчивость климатической системы является формой гистерезиса, т. е. это значит, что настоящее состояние климата является не только следствием влияния
определенных факторов, но также и всей историей его состояния.
Например, за десять лет засухи озера частично высыхают, растения погибают, и площадь пустынь увеличивается. Эти условия
вызывают, в свою очередь, менее обильные дожди в последующие за засухой годы. Таким образом, изменение климата является
саморегулирующимся процессом, поскольку окружающая среда
реагирует определенным образом на внешние воздействия, и, изменяясь, сама способна воздействовать на климат.
Парниковые газы. Принято считать, что парниковые газы
являются главной причиной глобального потепления. Парниковые газы имеют также значение для понимания климатической
истории Земли. Согласно исследованиям парниковый эффект,
возникающий в результате нагревания атмосферы тепловой энер-
248
гией, удерживаемой парниковыми газами, является ключевым
процессом, регулирующим температуру Земли.
В течение последних 600 млн лет концентрация диоксида
углерода в атмосфере варьировались из-за воздействия геологических и биологических процессов.
В настоящее время растущий уровень диоксида углерода
считается главной причиной глобального потепления. Чтобы
предотвратить резкое потепление в ближайшие годы, концентрация углекислоты должна быть снижена до уровня, существовавшего до индустриальной эпохи - до 350 частей на миллион (0,035 %)
(сейчас - 385 частей на миллион и увеличивается на 2 миллионные доли (0,0002 %) в год, в основном из-за сжигания ископаемого топлива и вырубки лесов).
Тектоника литосферных плит. На протяжении длительных
отрезков времени тектонические движения плит перемещают
континенты, формируют океаны, создают и разрушают горные
хребты, т. е. создают поверхность, на которой наблюдается климат. Недавние исследования показывают, что тектонические
движения усугубили условия последнего ледникового периода:
около 3 млн лет назад северо- и южноамериканская плиты столкнулись, образовав Панамский перешеек и закрыв пути для прямого смешивания вод Атлантического и Тихого океанов.
Солнечное излучение. Солнце - основной источник тепла в
климатической системе. Солнечная энергия, превращённая на
поверхности Земли в тепло, является неотъемлемой составляющей, формирующей земной климат. Если рассматривать длительный период времени, то в этих рамках Солнце становится ярче и
выделяет больше энергии, т. к. развивается согласно главной последовательности. Это медленное развитие влияет и на земную
атмосферу. Считается, что на ранних этапах истории Земли
Солнце было слишком холодным для того, чтобы вода на поверхности Земли была жидкой, что привело к так называемому
"парадоксу слабого молодого Солнца".
На более коротких временных отрезках также наблюдаются
изменения солнечной активности: 11-летний солнечный цикл и
более длительные модуляции. Однако 11-летний цикл возникно-
249
вения и исчезновения солнечных пятен не отслеживается явно в
климатологических данных. Изменение солнечной активности
считается важным фактором наступления малого ледникового
периода, а также некоторых потеплений, наблюдаемых между
1900 и 1950 годами. Циклическая природа солнечной активности
ещё не до конца изучена, она отличается от тех медленных изменений, которые сопутствуют развитию и старению Солнца.
Изменения орбиты. По своему влиянию на климат измене-
ния земной орбиты сходны с колебаниями солнечной активности,
поскольку небольшие отклонения в положении орбиты приводят
к перераспределению солнечного излучения на поверхности Земли. Такие изменения положения орбиты называются циклами
Миланковича, они предсказуемы с высокой точностью, поскольку являются результатом физического взаимодействия Земли, ее
спутника Луны и других планет. Изменения орбиты считаются
главными причинами чередования гляциальных и интергляциальных циклов последнего ледникового периода. Результатом
изменения земной орбиты являются и менее масштабные изменения, такие, как периодическое увеличение и уменьшение площади пустыни Сахара.
Вулканизм. Одно сильное извержение вулкана способно по-
влиять на климат, вызвав похолодание длительностью несколько
лет. Например, извержение вулкана Пинатубо в 1991 году существенно повлияло на климат. Гигантские извержения, формирующие крупнейшие магматические провинции, случаются всего
несколько раз в сто миллионов лет, но они влияют на климат в
течение миллионов лет и являются причиной вымирания видов. В
начале ученые полагали, что причиной похолодания является
эмитированная в атмосферу вулканическая пыль, поскольку она
препятствует достигнуть поверхности Земли солнечному излучению. Однако измерения показывают, что большая часть пыли
оседает на поверхности Земли в течение шести месяцев.
Вулканы являются также частью геохимического цикла углерода. На протяжении многих геологических периодов диоксид
углерода высвобождался из недр Земли в атмосферу, нейтрализуя
тем самым количество СО2, изъятого из атмосферы и связанного
250
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]