Температура воздуха и почвы

На метеорологических станциях измеряют температуру воздуха, почвы, воздуха и воды. Для этого используются различные типы термометров:

- жидкостные;

- деформационные;

- термометры сопротивления;

- термоэлектрические.

Жидкостные термометры

Принцип действия жидкостных термометров: изменение объема жидкости в зависимости от повышения или понижения температуры (жидкость, содержащаяся в капилляре, имеет больший по сравнению со стеклом температурный коэффициент объемного расширения).

Назначение метеорологических термометров определяется физическими свойствами термометрических жидкостей.

Таблица – Физические свойства термометрических жидкостей

Жидкость	Температура замерзания, ºС	Температура кипения, ºС	Коэффициент объемного расширения
Ртуть	-38,9	356,9	181·10-6 ºС-1
Этиловый спирт	-117,3	78,5	110·10-5 ºС-1
Толуол	-95,0	110,6	109·10-5 ºС-1

Для измерения низких температур целесообразно использовать спиртовые, а для измерения высоких температур – ртутные термометры.

Строение жидкостных термометров.

Стеклянный резервуар, заполненный термометрической жидкостью, соединен с капиллярной трубкой, свободный конец которой запаян. Капилляр и шкала закреплены обычно в стеклянной оболочке, которая спаяна с верхней частью резервуара.

Жидкостные термометры по строению делятся на два типа:

- со вставной шкалой;

- палочные (шкала нанесена непосредственно на внешней стороне капиллярной трубки).

Отсчеты по всем термометрам производятся с точностью до 0,1 ºС и сразу записываются в книжку наблюдений.

Отсчеты по термометрам исправляются поправками, которые размещаются в поверочных свидетельствах (сертификатах), которые прилагаются к каждому термометру.

При измерении температуры используются различные температурные шкалы. Главными реперными точками служат при разбиении шкалы температура таяния льда и кипения воды.

Градус температурной шкалы Фаренгейта (ºF) составляет 1/180 интервала между данными точками.

Градус температурной шкалы Реомюра (ºR) составляет 1/80 интервала между точками таяния льда и кипения воды.

Градус шкалы Цельсия (ºС) представляет 1/100 этого интервала.

Градус температурной шкалы Кельвина (К) соответствует величине градуса шкалы Цельсия. Шкала Кельвина – абсолютная шкала.

Термометры для измерения температуры почвы

На метеостанциях температуры измеряются как на поверхности почвы, так и на разных глубинах на площадке размером 4×6 м, которую очищают от травяного покрова, а почву взрыхляют.

Для измерения температуры на поверхности почвы и снежного покрова используют срочный, минимальный и максимальный термометры. Термометры устанавливаются в середине оголенной площадки на расстоянии 5 – 6 см друг от друга резервуарами на восток в следующем порядке: первый с севера – срочный, второй – минимальный, третий – максимальный.

Срочный и минимальный кладут на поверхность строго горизонтально, а максимальный – с небольшим уклоном в сторону резервуара. Термометры должны лежать так, чтобы их резервуары и внешняя оболочка заглубляются наполовину в почву.

Срочный ртутный напочвенный термометр служит для измерения температуры поверхности почвы и снегового покрова в сроки наблюдения. Он имеет вставную шкалу, цена деления которой 0,5 ºС, и цилиндрический резервуар.

Минимальный спиртовой термометр (ТМ-2) используется для измерения самой низкой температуры между сроками наблюдений. Имеет вставную шкалу с ценой деления 0,5 º и цилиндрический резервуар.

Внутри спирта в капилляре находится небольшой штифтик из темного стекла, имеющий на своих концах утолщение в виде булавочных головок (зарисовать).

Подготавливая минимальный термометр для производства измерения, его поднимают резервуаром кверху и ждут, пока штифтик дойдет до поверхности спирта в капилляре. У поверхности спирта штифтик останавливается, так как он настолько легок, что не может прорвать поверхностную пленку спирта, термометр кладут горизонтально. Если после этого температура окружающей среды начинает повышаться, то спирт, расширяясь, будет обтекать штифтик, не сдвигая его с места. Сила трения головок штифтика о стенки капилляра вполне достаточна для удержания его при этом на месте.

При понижении температуры воздуха объем спирта начнет уменьшаться и он переходит из капилляра в резервуар. При этом поверхностная пленка спирта будет перемещать штифтик к резервуару, так как сила трения головок о стенки капилляра значительно меньше силы сопротивления поверхностной пленки на разрыв (штифтик не сможет прорвать пленку и потому будет ею перемещаться к резервуару). В случае дальнейшего повышения температуры штифтик останется на месте и укажет, таким образом, ту наинизшую температуру, которой достигал термометр в окружающей среде.

При измерениях записывают показания термометра по концу штифтика, противоположного от резервуара (минимум), и по концу столбика спирта (контрольный отсчет). Затем снова следует довести штифтик до поверхности спирта и установить термометр в горизонтальном положении. Контрольный отсчет необходим, так как спирт может частично испариться и конденсироваться в верхней части капилляра. Столбик спирта в капилляре станет короче, и показания, снятые по положению штифтика, будут заниженными (минимум будет занижен). Сравнения показаний психрометрического и минимального термометров дают возможность определить дополнительную поправку к минимальному термометру.

Максимальный ртутный термометр (ТМ-1) служит для измерения самой высокой (максимальной) температуры между сроками наблюдений. Он имеет вставную шкалу с ценой деления 0,5 ºС, а резервуар – цилиндрический или шаровой.

Сохранение максимальных показаний в термометре достигается специальным приспособлением (зарисовать). Оно состоит из стеклянного штифта, впаянного внутрь резервуара термометра (к его дну). Верхний конец штифта входит в капилляр, оставляя в нем очень узкое кольцеобразное отверстие.

Когда температура начинает повышаться, ртуть, находящаяся в резервуаре термометра, будет расширяться и, несмотря на большое трение в месте сужения, будет протекать между стенками капилляра и стеклянным штифтом.

Таким образом, показания максимального термометра достигнут наивысшей температуры за данный промежуток времени. При понижении температуры и уменьшении вследствие этого объема ртути, ртуть не пройдет назад в резервуар, так как из-за горизонтального рабочего положения термометра и вакуума в капилляре над ртутью единственной силой, стремящейся вернуть ртуть в резервуар, является сила сцепления ртути, но она недостаточна для преодоления силы трения, возникающей при прохождении ртутью места сужения. Следовательно, столбик ртути, находящийся в капилляре до начала падения температуры останется в нем (на той же высоте); максимальное показание термометра сохранится.

Максимальный термометр устанавливается слегка наклонно, так как капилляр его сравнительно широк и ртуть в термометре легко может отходить от резервуара. При отсчете рекомендуется слегка приподнимать конец термометра, противоположный резервуару.

После отсчета показаний по максимальному термометру его несколько раз встряхивают, держа за среднюю часть во избежание его повреждения (разлома). После встряхивания показания максимального термометра не должны отличаться от показаний срочного термометра. Тем самым готовят термометр к последующим наблюдениям.

Почвенные ртутные термометры Савинова

Эти термометры служат для измерения температуры почвы на глубинах 5, 10, 15 и 20 см. Это комплект из четырех термометров, которые имеют вставную шкалу с ценой деления 0,5 ºС. Чуть выше резервуара термометры согнуты под углом 135º. Капилляр от резервуара до начала шкалы изолирован термонепроницаемым материалом, чтобы уменьшить влияние на показания термометра слоев почвы, которые находятся выше резервуара.

Почвенные термометры Савинова устанавливаются совместно с почвенными термометрами. Для их установки выкапывают узкую канавку в направлении восток – запад. Землю достают пластами, сохраняя порядок ее залегания. Северную стенку канавки делают вертикальной. В нее вставляют резервуары термометров в горизонтальном положении по мере возрастания глубин в последовательности в востока на запад. Потом канавку засыпают землей в последовательности доставания пластов. Шкалы термометров должны быть повернуты на север, а они сами наклонены к поверхности почвы под углом 45 º.

В сроки отсчета наблюдатель становится с северной стороны и последовательно снимает показания, начина с термометра, установленного на глубине 5 см. Наблюдения по термометрам Савинова проводят только в теплый период года. В холодный период термометры достаются из почвы, чтобы избежать повреждений.

Почвенные вытяжные ртутные термометры

Эти термометры предназначены для измерения температуры почвы на глубинах: 20, 40, 60, 80, 120, 160, 240 и 320 см. Термометр имеет длину 360 мм, цена деления 0,2 ºС. Комплект термометров состоит из восьми одинаковых термометров, вставленных в пластмассовую оправу с прорезью для шкалы. В нижнюю часть оправы, где находится резервуар, засыпаны медные опилки, чтобы увеличить термическую инерцию термометра и обеспечить сохранение показаний прибора во время проведения отсчетов. Оправа крепится к деревянному шесту (длина его определяется глубиной, на которой измеряется температура). На противоположный конец шеста одет металлический колпак с кольцом.

Шест с прикрепленным к нему термометром в оправе, опускается в эбонитовую трубку, нижний конец которой закрыт металлическим колпаком. В средней части трубки находится кольцо с тремя ушками для закрепления трубки при помощи растяжек в жестком положении.

Для установки вытяжных термометров в почве бурят щель, в которую вставляют на нужную глубину эбонитовую трубку.

Вытяжные термометры устанавливают по линии восток – запад на расстоянии 50 см друг от друга на открытой площадке, которая имеет естественное травяное покрытие. Та часть трубки, которая опущена в землю, окрашивается в зеленый цвет, остальная – над земной поверхностью – в белый.

Надземная часть имеет длину 40 см, а для местностей с высоким снежным покровом – 100 см.

Чтобы не повредить травяной покров рядом с вытяжными термометрами, с севера от них на расстоянии примерно 30 см и на одном уровне или чуть ниже верхних концов труб устанавливается специальная деревянная скамья (откидной помост). После отсчетов доска помоста откидывается и устанавливается вертикально.

Отсчеты производят в сроки наблюдений, начиная с наименьшей глубины. При этом достают за кольцо шест с прикрепленным к нему термометром из эбонитовой трубки, производят отсчет, а затем шест с термометром снова опускают в трубку.

Наблюдения по вытяжным термометрам производят на глубинах 20 и 40 см во все сроки наблюдений, а на остальных глубинах – только один раз в сутки.

Походный почвенный термометр-щуп (толуоловый)

Данный термометр предназначен для измерения температуры в пахотном слое почвы на глубинах от 3 до 40 см. Он состоит из термометра и металлической или пластмассовой оправы. Цена деления 1 ºС. Резервуар термометра находится в наконечнике, который заполнен медными или латунными опилками с целью обеспечения хорошего теплового контакта резервуара термометра с наконечником.

Сверху имеется ручка, с помощью которой заглубляют термометр в почву. Для отсчета температур в верхней части оправы сделана прорезь, напротив которой находится шкала термометра. На противоположной стороне оправы нанесены сантиметровые деления для определения глубины опускания резервуара термометра в почву.

Во время измерений температуры почвы сначала бурят щель, в которую затем опускают термометр на нужную глубину. После опускания термометр выдерживают в щели 5 – 6 мин, потом снимают с него показания.

Термометры для измерения температуры воздуха

Измерение температуры воздуха производится на высоте 2 метров от подстилающей поверхности. Для этого на метеостанциях используется сухой термометр, который является частью психрометра.

Психрометры:

- станционный:

- аспирационный.

Станционный устанавливается в психрометрической будке.

Длина термометров 400 мм. Имеют вставную шкалу с ценой деления 0,2 ºС. Резервуар – шарообразный.

Сухой термометр аспирационного психрометра Ассмана используется в походных условиях. Этот термометр имеет несколько меньшие размеры.

Кроме срочной температуры определяют экстремальные (минимальные и максимальные) температуры воздуха. Для этого используют минимальный и максимальный термометры, установленные в психрометрической будке в горизонтальном положении совместно со станционным психрометром.

Правила проведения отсчетов

Отсчеты показаний термометров, применяемых в метеорологии, как бы ни были разделены их шкалы, производят с точностью до 0,1ºС.

Прежде всего, нужно определить положение конца столбика жидкости в капилляре относительно шкалы. В ртутных термометрах (мениск выпуклый) по шкале отсчитывается положение воображаемой касательной к выпуклой части мениска. В спиртовых термометрах (мениск вогнутый) отсчитывается положение воображаемой касательной к вогнутой части мениска. Следует также найти правильное положение глаза относительно шкалы термометра, так чтобы черточки на вставной шкале в том месте, где производится отсчет, имели вид прямых линий.

При отсчетах по термометрам следует в первую очередь определить десятые доли градуса и только после этого отсчитывать целые градусы. Такое правило производства отсчетов введено потому, что за время отсчета присутствие наблюдателя может повлиять на термометр (нагреть его) и изменить его показания на десятые доли градуса.

Поправки приводятся в поверочном свидетельстве прибора. В книжку метеонаблюдений записывают отсчеты по термометру, поправку термометра и исправленный отсчет.

Психрометрическая будка предназначена для защиты термометров от солнца, ветра и осадков. Она имеет стенки из двух рядов наклонных деревянных планок (жалюзи). Такое строение обеспечивает воздухообмен с окружающей средой. Над потолком будки для уменьшения ее нагревания закреплена крыша с небольшим уклоном. Размеры будки: 525мм×460мм×290мм. Чтобы уменьшить нагревание будки ее окрашивают в белый цвет.

Внутри будки к нижней поверхности прикреплен металлический штатив, на котором устанавливаются два психрометрических термометра (слева – сухой, справа – смоченный). Между термометрами помещается волосной гигрометр. В нижней части на специальном приспособлении крепятся максимальный и минимальный термометры.

Будку закрепляют на металлической стойке таким образом, чтобы резервуары термометров находились на высоте 2м от поверхности земли, а дверца ориентировалась на север. Возле будки устанавливается лестница, с которой наблюдатель производит отсчеты.

Во второй психрометрической будке устанавливают термограф и гигрограф. Конструкция этой будки такая же. Внутри находятся две полки. На нижнюю устанавливается термограф, чувствительный элемент которого должен находится на высоте 2 м. На верхнюю полку устанавливают гигрограф.

Термографы служат для непрерывной регистрации хода температур.