Учение об атмосфере / метеор / Часть3

друг от друга на глубинах 0,20; 0,40; 0,80; 1,20; 1,60; 2,40; 3,20 м в порядке возрастания глубин.

При снежном покрове до 50 см выступающая над по­ верхностью земли часть трубы составляет 40 см, при боль­ шей высоте снежного покрова - 100 см. Установку наруж­ ных (эбонитовых) труб производят с помощью бура с тем, чтобы меньше нарушать естественное состояние почвы.

С северной стороны на расстоянии 30 см от линии тер­ мометров устанавливается помост, который опускается на время производства наблюдений, затем откидывается в вертикальное положение.

Рис. 3.9. Установка вытяжных почвенных термометров на метеорологической площадке

Наблюдения по вытяжным термо­ метрам производят круглый год, еже­ дневно на глубинах 0,20 и 0,40 м - все восемь сроков (кроме периода, когда высота снега превышает 15 см), на остальных глубинах - один раз в сут­ ки. Кроме измерений температуры в зимнее время производятся отсчеты высоты снежного покрова по снего­ мерной рейке, установленной вблизи этих термометров.

Измерение температуры воды у

поверхности. Для измерения исполь­ зуется ртутный термометр с ценой деления 0,2° С, с пределами шкалы от -5 до +35 "С. Термометр помещен в оправу, которая предназначена для сохранения показаний термометра

против имеющихся в трубках прорезей, а резервуар термо­ метра - в средней части стакана. Оправа имеет дужку для крепления к тросу. При погружении термометра поворотом наружного чехла прорезь закрывают, а после подъема и для взятия отсчета - открывают. Время выдержки термометра в точке 5-8 мин, заглубление в воду - не более 0,5 м.

3.3. ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Наиболее распространенными методами измерения влажности воздуха являются психрометрический и гигрометрический, а приборами соответственно являются пси­ хрометр и гигрометр.

3.3.1. ПСИХРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Психрометрический метод основан на измерении влажности воздуха по понижению температуры тела при испарении с его поверхности, за счет затраты тепла на ис­ парение воды. Приборы, основанные на психрометриче­ ском методе, называются психрометрами.

В психрометре используются два термометра, у одного из которых (смоченный термометр) резервуар обернут сма­ чиваемым батистом. Вследствие испарения с поверхности батиста температура смоченного термометра будет ниже температуры сухого термометра, показывающего темпера­ туру воздуха, и тем ниже, чем меньше влажность воздуха.

Парциальное давление водяного пара в воздухе опреде­ ляется по психрометрической формуле, на основании кото­ рой составлены психрометрические таблицы:

e = P-Ap(t-f)- (i+0,00115- 0,гПа,

где Е - парциальное давление водяного пара, насыщающе­ го пространство, при температуре смоченного термометра; А - психрометрический коэффициент, учитывающий ско­ рость движения воздуха; р - атмосферное давление, гПа; ( и t - соответственно температура сухого и смоченного термометров,°С; (1 + 0,00115 • ?) - учитывает зависимость теплоты испарения от температуры.

Станционный психрометр. Психрометр состоит из двух психрометрических термометров ТМ-4 с возможно близкими характеристиками. Один из них является сухим, второй - смоченным. Оба термометра закрепляются в шта­ тиве в вертикальном положении. Резервуар смоченного термометра обертывается батистом, конец которого погру­ жен в стаканчик с дистиллированной водой. Стаканчик за­ крыт крышкой с прорезью, через которую пропущен батист (рис 3 11)

Рис. 3. И. Установка смоченного термометра в штативе станционного психрометра:

Нижняя поверхность резервуара должна возвышаться над уровнем воды на 2-3 см, а над крышкой стаканчика - на 2 см. При этом обеспечивается поступление воды по ба­ тисту к.поверхности резервуара и в то же время свободный обмен воздуха у резервуара. Для психрометров применяет­ ся специальный сорт батиста, обладающий необходимыми гигроскопическими свойствами.

Для станционного психрометра, установленного в жалюзийной будке, психрометрический коэффициент принят: А = 7,947-Ш"4, что соответствует скорости вентиляции в будке 0,8 м/с. При соблюдении определенных правил влажность воздуха психрометром можно измерять при от­ рицательных температурах воздуха до -10 "С.

Психрометр аспирационный МВ-4М (рис. 3.12). Пред­ назначен для измерения температуры и влажности воздуха в стационарных, экспедиционных условиях, а также в про­ мышленных и бытовых помещениях. Физический принцип действия аспирационного психрометра такой же, как и станционного, но он содержит аспирационное устройство (вентилятор), создающее протяжку воздуха у резервуаров термометров с постоянной скоростью 2 м/с.

Прибор имеет два одинаковых ртутных термометра, ук­ репленных в металлической оправе, состоящей из трубки с тройником и планочных защит. К тройнику с помощью пластмассовых втулок прикреплены по две трубки (для ра­ диационной защиты и вентиляции резервуаров термомет­ ров). Верхний конец трубки соединен с головкой аспирато­ ра. Головка состоит из пружинного механизма и вентиля­ тора, создающего ток воздуха через трубки и около резер­ вуаров термометров. Пружина заводного механизма заво­ дится ключом.

Наряду с аспирационным психрометром с пружинным механизмом применяется аспирационный психрометр М-34 с электродвигателем. Питание этого прибора от сети.

Резервуар правого термометра, являющегося «смочен­ ным», обернут батистом, коротко срезанным под резервуа­ ром. Все металлические поверхности никелированы, что обеспечивает отражение падающих на них солнечных лу­ чей, исключая нагрев корпуса.

Пределы шкал термометров от -31°до +51° С, цена де­ ления шкап 0,2 "С.

Для измерений психрометр устанавливают на столбе с помощью специального крюка так, чтобы резервуары тер­ мометров находились на высоте двух метров над поверхно­ стью земли. Зимой психрометр устанавливают за 30 мин, а летом - за 15 мин до начала измерений. При некоторых специальных наблюдениях психрометр может располагаться

3.3. Измерение влажности воздуха

Рис. 3.12. Аспирационный психрометр

и в горизонтальном положении, и на другой высоте. Затем производят смачивание батиста смоченного термометра с помощью прилагаемой к прибору груши с пипеткой. После этого заводят пружинный механизм аспиратора и устанав­ ливают психрометр на место. По истечении 4~-5 мин берут отсчеты по сухому и смоченному термометрам, сначала десятые доли, а затем целые градусы. Для исключения влияния ветра (более 4 м/с) на аспиратор надевают с навет­ ренной стороны ветровую защиту.

Парциальное давление водяного пара определяется по психрометрической формуле с аспирационным коэффици­ ентом А - 6,620-10"* или по психрометрическим таблицам.

При вычислении влажности воздуха по аспирационному психрометру скорость обтекания резервуаров термометров воздухом принята равной 2 м/с. Для контроля соответствия фактической скорости воздуха требуемому значению пси­ хрометр устанавливают в вертикальное положение и при полностью заведенной пружине определяют время одного оборота барабана пружинного механизма. По секундомеру отмечают два следующих друг за другом момента времени, когда вертикальная риска на барабане совпадает с риской на окошечке в корпусе аспиратора. Время одного оборота барабана не должно отличаться от указанного в повероч­ ном свидетельстве более чем на 5 с.

3.3.2. ГИГРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Гигрометрический метод измерения влажности воз­ духа основан на способности тел адсорбировать (погло­ щать) водяной пар из воздуха и в результате этого дефор­ мироваться или менять физические свойства. Приборы, ос­ нованные на гигрометрическом методе, называются гигро­ метрами.

Различают гигрометры: деформационные, весовые (аб­ солютные), диффузионные, конденсационные, электроли­ тические и др. Наиболее давно известными и применяемы­ ми, в том числе и в метеорологии, являются волосной и пленочный гигрометры.

Гигрометр волосной метеорологический М-19 (МВ-1),

Предназначен для измерения относительной влажности

воздуха и наиболее распространен на сети метеоро­ логических станций. Действие прибора основано на свой­ стве обезжиренного человеческого волоса изменять свою длину в зависимости от относительной влажности воздуха. Еще в 1783 г. Соссюр впервые изготовил гигрометр, при­ менив обезжиренный волос.

Гигрометр М-19 (рис. 3-13) состоит из рамки со шкаль­ ной пластиной и волоса, верхний конец которого закреплен в отверстии хвостовика регулировочного винта, а нижний конец - на кулачке, связанном со стрелкой. Вращением ре­ гулировочного винта стрелку можно установить на требуе­ мое деление шкалы. Натяжение волоса создается грузиком. При изменении относительной влажности воздуха и соот­ ветствующего изменения длины волоса стрелка под дейст­ вием грузика перемещается относительно шкалы.

Рис 3 И Гшрометр волосной:

а - общий вид; б — узел крепления волоса к рамке;

Так как связь между удлинением волоса и относитель­ ной влажностью воздуха не линейная, то шкала гигрометра неравномерная. Гигрометр рассчитан на работу при темпе­ ратуре от -50 до +55 "С. Пределы измерения влажности от 30 до 100 %, погрешность измерения ±10 %. Цена деления шкалы 1 %. Отсчеты делаются до целого деления шкалы.

При температуре воздуха ниже -10 °С гигрометр служит основным прибором для измерения влажности воздуха. Прибор является относительным, и поэтому для получения действительных значений относительной влажности возду­ ха в зимнее время (при температурах ниже -10 °С) в пока­ зания гигрометра вводят поправки, которые определяются на основании параллельных и одновременных измерений по станционному психрометру и гигрометру в течение 1-1,5 месяца до наступления устойчивых температур ниже -10 °С По этим измерениям строится график связи между показаниями nuixpoMi фа и гигрометра, по которому и он- редО!яеи-я поправка

Гигрометр пленочный метео­ рологический М~39 (рис. 3.14). Предназначен для измерения отно­

аПринцип действия прибора осно­ ван на свойстве гигроскопической

ясвои линейные размеры в зависи-сительной влажности воздуха.opi анической пленки изменя гь

±10%, цена деления шкалы 1 %. Шкала, в отличие от во­ лосного гигрометра, равномерная.

Гигрограф метеорологический М-21 (рис, 3.15). Пред­ назначен для непрерывной регистрации относительной влажности воздуха. Чувствительным элементом прибора является пучок волос, который с двух концов закреплен в цапфах кронштейна. Середина пучка волос надета на крю­ чок, который с помощью специального устройства связан со стрелкой. Натяжение пучка волос создается грузиком. Изменение длины волос при изменении относительной влажности воздуха передается на стрелку с закрепленным на ее конце пером, заполняемым чернилами.

стрелка с пером, 3 - грузик, 4 - пучок "Ян, б • крючок, 7 - установочный at

"•™ времени

Часовой механизм у гигрографа такой же, как и у термо­ графа. Так же как и у термографа, часовые механизмы бы­ вают суточные и недельные. Для нанесения отметок време­ ни на диаграммной ленте имеется кнопка, а для установки пера на требуемое деление диаграммной ленты служит ус­ тановочный винт.

Гигрограф не является абсолютным прибором, и для оп­ ределения по нему относительной влажности воздуха вво­ дят поправки, которые определяют по графику, составлен­ ному на основании сравнения значений относительной влажности воздуха в срочные часы, полученные по пси­ хрометру, и значений, снятых с ленты гигрографа с точно­ стью до 1 %.

Гигрограф метеорологический М-39. В качестве чувст­ вительного элемента используется круглая мембрана из гигроскопической органической пленки, как и в пленочном гигрометре. В остальном конструкция аналогична волос­ ному гигрографу.

Будки жалюзийные для метеорологических приборов

(рис. 3.16). Для защиты от действия атмосферных осадков, порывов ветра, солнечной радиации приборы для измере­ ния температуры и влажности воздуха размещаются в за­ щитных жалюзийных будках типа БП (будка психрометри­ ческая) и БС (будка для самописцев). Они отличаются размерами.

Стенки будок представляют собой двойной ряд тонких деревянных планок - жалюзи, наклоненных внутрь и паружу под углом 45° к горизонту. Передняя стенка служит дверцей. Жалюзи обеспечивают достаточную вентиляцию внутри будок. В будках имеется электрическое освещение. Будки устанавливаются на подставках. Для наблюдателя имеется стремянка, по которой он поднимается для обслу­ живания приборов и взятия отсчетов. Стремянка и дверца будки располагаются с северной стороны.

Внутри психрометрической будки к средней доске пола прикреплен железный штатив, на котором установлены два психрометрических термометра (слева сухой, справа смо­ ченный). Резервуары обоих термометров должны быть на одном уровне - на высоте 2 м над поверхностью земли. На нижней перекладине штатива имеется кольцо, в которое вставляется психрометрический стаканчик с водой.

Рис. 3.16. Приборы в жалюзийной психро­ метрической будке:

3 - смоченный термометр, 4 - штатив, 5 • макси­ мальный термометр, 6 - минимальный термометр, 7 - стаканчик с дистиллированной водой

Внижней части штатива на железных лапках лежат максимальный и минимальный термометры. Причем лапки должны быть отогнуты так, чтобы максимальный термо­ метр был слегка наклонен в сторону резервуара. Между психрометрическими термометрами на штативе укреплен волосной гигрометр.

Вбудке для самописцев находятся термограф и гигро­ граф. Термограф устанавливается на полу будки, при этом его чувствительный элемент должен находиться на высоте 2 м над поверхностью земли. Гшрограф ставится на полоч­ ку, расположенную над термографом.

столб высотой Н (от уровня ртути в чашке до вершины ме­ ниска ртути в трубке) своим весом уравновесит атмосфер­ ное давление Ра, оказываемое на поверхность ртути в чаш­ ке, т.е.

Л-р-г-я,

где р - плотность ртути; g - ускорение силы тяжести. При изменении атмосферного давления равновесие будет нару­ шаться, соответственно будет меняться и высота ртутного столба.

Барометры станционные чашечные ртутные СР-А и СР-Б (рис. 3.18). На сети метеорологических станций ис­ пользуются барометры чашечные ртутные с компенсиро­ ванной шкалой СР-А и СР-Б. Пределы измерений для первой модели от 810 до 1070 гПа, для второйот 680 до 1070 гПа. Максимальная погрешность измерения после введения всех поправок не более ± 0,5 гПа.

Эти барометры имеют калиброванную стеклянную трубку диаметром 7,2 мм, длиной 800 мм, запаянную с верхнего конца и заполненную под вакуумом очищенной ртутью. Нижний конец трубки подсоединен к чашке, со­ стоящей из трех частей. Средняя часть чашки имеет диа­ фрагму с отверстиями, которая служит для гашения коле­ баний ртути, что исключает попадание воздуха в баромет­ рическую трубку. С атмосферным воздухом барометр со­ общается через отверстие в крышке чашки, закрывающееся винтом. Трубка защищена металлической оправой, на ко­ торой нанесена шкала.

Впрорези оправы имеется подвижный нониус, который перемещается вращением кремальеры. Нониус позволяет брать отсчеты с точностью до 0,1 деления основной шкалы. На оправе укреплен термометр (термометр-атташе) для оп­ ределения температуры ртути барометра, а сверху на опра­ ве имеется кольцо для подвешивания барометра на месте установки.

Впомещении метеостанции барометр находится внутри трехгранного остекленного шкафчика, укрепленного на стене в месте, где нет резких колебаний температуры и прямого попадания солнечных лучей. Барометр должен за­ нимать строго вертикальное положение.

Рис. 3.18. Ртутный барометр чашечный станционный:

Измерения производят в следующем порядке. Открыва­ ют дверцу шкафчика, отсчитывают температуру по термо­ метру-атташе с точностью до ОД °С, вращением кремалье­ ры подводят нониус сверху до кажущегося касания его сре­ зов вершины мениска ртути в барометрической трубке. При ^п ом глаз должен находиться на визирной линии, проходя­ щей через нуль нониуса и заднего среза кольца нониуса. Отсчет берут с точностью до ОД деления шкалы.

При измерении давления с помощью чашечного баро­ метра достаточно определить по его шкале положение ме­ ниска ртути в трубке, не определяя уровень ртути в чашке, хотя при изменении давления он также меняется за счет вытеснения ртути из трубки при понижении давления и по­ ступления ртути из чашки в трубку при росте давления. Изменение уровня ртути в чашке учитывается компенсиро­ ванной шкалой барометра.

Вотсчеты по шкале барометра вводят три поправки:

1)инструментальную поправку, учитывающую индиви­ дуальные особенности конкретного прибора; она длитель­ ное время остается неизменной, определяется сличением с инспекторским барометром и указывается в поверочном свидетельстве;

2)поправку на приведение веса ртути к нормальному ускорению свободного падения на широте 45° на уровне моря;

3)поправку на приведение показаний барометра к тем­ пературе О "С, так как удельный вес ртути зависит от тем­ пературы.

Обычно первая и вторая поправки для метеостанции яв­ ляются постоянными, поэтому их объединяют в одну об­ щую поправку.

Введением указанных поправок получают давление на уровне станции, которое затем приводят к уровню моря. Для этого используют таблицы, рассчитанные по баромет­ рической формуле.

3.4.2. БАРОМЕТР-АНЕРОИД

Барометр-анероид относится к деформационному ви­ ду приборов для измерения атмосферного давления. Чувст­ вительным элементом в таких барометрах является аиероидная коробка (барокоробка), преобразующая изменения атмосферного давления в линейные перемещения (дефор­ мации),

Анероидная коробка (рис. 3.19) состоит из двух спаян­ ных или сваренных по периметру круглых мембран (диа­ метром 30-80 мм), имеющих жесткие центры с крепежны­ ми ножками. Из отдельных коробок, скрепленных между собой, могут собираться блоки. Чувствительность блока равна суммарной чувствительности составляющих ее коробок.

рис. 3-19- Барокоробка:

a - разрез (/ - мембрана; 2 - центр; 3 - крепежная ножка); 6 -вид сверху

Упругая деформация коробки может обеспечиваться за счет упругости материала самой коробки или с помощью дополнительной пружины, находящейся внутри коробки и распирающей ее, или наружной пружины, растягивающей коробку. Внутри коробки создается вакуум. Гофр придает коробке большую эластичность. На рис. 3.20 показан баро­ метр-анероид БАММ.

Рис. 3.20. Барометр-анероид БАММ:

a - внешний вид {1 шкала. 2 - стрелка, 1 термометр); б - механизм (1 -блоканероидных коробок, 2 -элементы передаточного механизма, 3 - шкала, 4 - стрелка)

Деформации коробки при изменении атмосферного дав­ ления через передаточный механизм вызывают перемеще­ ние стрелки относительно делений шкалы. Передаточное отношение может достигать 1:1000, т.е. небольшие дефор­ мации коробки увеличиваются в 1000 раз.

Вдуговой прорези шкальной пластины находится тер­ мометр. Барометр-анероид хранится в футляре. При изме­ рении футляр открывают, снимают показания термометра с точностью до ОД °С. Затем, постучав пальцем по стеклу (для уменьшения трения в механизме), берут отсчет по стрелке с точностью до 0,1 деления шкалы. При отсчею луч зрения должен быть направлен перпендикулярно к плоскости шкалы. При измерении давления прибор должен занимать устойчивое положение, а плоскость шкальной пластины должна быть горизонтальной. Для установки стрелки барометра на требуемое значение давления имеет­ ся специальный винт.

Вотсчеты по шкале барометра-анероида вводят темпе­ ратурную, шкаловую, добавочную поправки, которые при­ водятся в поверочном свидетельстве.

Температура оказывает влияние на показания баромет­ ра. Так как с изменением температуры меняются упругие свойства коробки, происходят деформации узлов переда­ точного механизма. Для учета влияния температуры на по­ казания барометра-анероида принято их приводить к тем­ пературе 0 °С. Для этого определяют температурный коэф­ фициент, равный изменению показаний барометра при из­ менении температуры на 1 °С.

Шкаловая поправка исключает систематическую инст­ рументальную погрешность, являющуюся следствием тех­ нологических допусков при изготовлении передаточного механизма анероидной коробки, т.е. учитывает индивиду­ альные особенности прибора, не соответствующие делени­ ям шкалы, одинаковой для всех приборов данного типа. В поверочном свидетельстве шкаловые поправки даются для всей шкалы через каждые десять делений.

После введения поправок получают давление на уровне станций. Затем, если это требуется, давление приводят к уровню моря.

Барометры-анероиды имеют некоторые преимущества перед ртутными барометрами (малые габариты и масса, отсутствие ртути, удобства транспортировки), но они усту­ пают в точности и не применяются на метеорологических станциях в качестве основного прибора для измерения ат­ мосферного давления. Их применяют в тех случаях, когда измерение давления допустимо с погрешностью более 1 гПа (на некоторых постах и в отдельных экспедициях).

В настоящее время промышленностью выпускаются ба­ рометры-анероиды БАММ с погрешностью измерения

± 2,5 гПа. который может применяться при температуре от -10° до ",40°С; барометр МД-49-2 с погрешностью измере­ ния ± 0,8 гПа, может применяться при температуре от -40° до +40° С

Барограф метеорологический М-22 (рис. 3.21). Пред­ назначен для непрерывной регистрации атмосферного давления Пределы измерения от 780 до 1060 гПа, погреш­ ность измерения ± 1-2 гПа. Может работать при температу­ ре воадуха от -10 до +45 °С. Чувствительным элементом ба­ рографа является блок из анероидных коробок (рис. 3.21, б).

Воздух из коробок откачен и атмосферное давление, на­ правленное на сжатие коробок, уравновешивается силой упругости коробок. Нижнее основание блока укреплено на биметаллической пластинке температурного компенсатора, смонтированного на нижней стороне платы. Центр верхней коробки через передаточную систему связан со стрелкой, на конце которой находится перо. Термокомпенсатор представпяет собой биметаллическую пластинку и служит для исключения влияния температуры на показания прибора. При изменении температуры при неизменном давлении температурные деформации блока коробок и биметалличе­ ской пластинки будут равными по величине и противопо­ ложными по направлению, стрелка с пером перемещаться не будет.

Механизм вращения барабана такой же, как у рассмот­ ренных выше термографа и гигрографа. На метеостанциях в барографах обычно применяется недельный часовой ме­ ханизм (один оборот барабана за 176 ч).