3. Тематика та завдання до лабораторних робіт Загальні положення

Основною метою виконання циклу лабораторних робіт з дисципліни «Метеорологія і кліматологія» є вивчення будови та використання основних метеорологічних приладів, більшість з яких використовуються також як прилади екологічного контролю стану параметрів атмосфери у системі моніторингових спостережень за станом повітряної оболонки нашої планети.

У навчальній лабораторії кафедри екології ЛНТУ представлені більшість з сучасних метеорологічних приладів, крім тих, що є занадто громіздкими або не несуть екологічного значення.

В більшості випадків студентам важко самостійно описати принципи роботи приладів та їх будову, опираючись лише на розповідь викладача на занятті, особливо якщо завдання до лабораторної роботи не виконується відразу, а залишається на домашнє опрацювання.

Саме з метою полегшення знайомства студентів з основними метеорологічними приладами розроблено дані методичні вказівки, які доповнюють опубліковані раніше посібники з даної дисципліни і призначені виключно для детального ознайомлення з конструктивними особливостями, будовою, властивостями та сферами застосування основних метеорологічних приладів та установок.

Метеорологічні прилади призначені як для безпосередніх термінових вимірів (термометр або барометр для виміру температури або тиску), так і для безперервної реєстрації тих же елементів у часі, як правило, у виді графіку або кривої (термограф, барограф). Майже всі метеоприлади існують також і у виді самописців. По суті, це те ж вимірювальні прилади, але мають перо, що малює лінію на рухомій паперовій стрічці.

Термометри. Рідинні скляні термометри. У метеорологічних термометрах найчастіше використовується здатність рідини, що заповнює скляну колбочку, до розширення і стиску. Звичайно скляна капілярна трубочка закінчується кулястим розширенням, що служить резервуаром для рідини. Чутливість такого термометра знаходиться в зворотній залежності від площі поперечного переріза капіляра й у прямій – від обсягу резервуара і від різниці коефіцієнтів розширення даної рідини і скла. Тому чутливі метеорологічні термометри мають великі резервуари і тонкі трубки, а використовувані в них рідини зі збільшенням температури розширюються значно швидше, ніж скло. Вибір рідини для термометра залежить в основному від діапазону вимірюваних температур. Ртуть використовується для виміру температур вище –39° С – точки її замерзання. Для більш низьких температур застосовуються рідкі органічні сполуки, наприклад етиловий спирт. Точність перевіреного стандартного метеорологічного скляного термометра ± 0,05° С. Головна причина погрішності ртутного термометра пов'язана з поступовими необоротними змінами пружних властивостей скла. Вони приводять до зменшення обсягу скла і підвищенню точки відліку. Крім того, помилки можуть виникати в результаті неправильного зчитування показань або через розміщення термометра в місці, де температура не відповідає справжній температурі повітря в околицях метеостанції. Погрішності спиртових і ртутних термометрів подібні. Додаткові помилки можуть виникати через сили зчеплення між спиртом і скляними стінками трубки, тому при швидкому зниженні температури частина рідини утримується на стінках. Крім того, спирт на світлі зменшує свій обсяг.

Мінімальний термометр призначений для визначення найнижчої температури за дану добу. Для цієї мети як правило використовується скляний спиртовий термометр. У спирт занурюється скляний штифт-покажчик із потовщеннями на кінцях. Термометр працює в горизонтальному положенні. При зниженні температури стовпчик спирту відступає, захоплюючи за собою штифт, а при підвищенні – спирт його обтікає, не зрушуючи з місця, і тому штифт фіксує мінімальну температуру. Повертають термометр у робочий стан, перекидаючи резервуаром нагору, щоб штифт знову прийшов у зіткнення зі спиртом.

Максимальний термометр використовується для визначення найвищої температури за дану добу. Як правило, це скляний ртутний термометр, схожий на медичний. У скляній трубці поблизу резервуара є звуження. Ртуть видавлюється через це звуження під час підвищення температури, а при зниженні звуження перешкоджає її відтокові в резервуар. Такий термометр знову підготовляють до роботи на спеціальній обертовій установці, або ж струшують.

Біметалічний термометр складається з двох тонких стрічок металу, наприклад мідному і залізної, котрі при нагріванні розширюються по-різному. Їхні плоскі поверхні щільно прилягають одна до іншої. Така біметалічна стрічка скручена в спіраль, один кінець якої жорстко закріплений. При нагріванні або охолодженні спіралі два метали розширюються або стискуються по-різному, а спіраль або розкручується, або тугіше скручується. За покажчиком, прикріпленим до вільного кінця спіралі, роблять висновок про величину цих змін. Прикладами біметалічних термометрів є кімнатні термометри з круглим циферблатом.

Електричні термометри. До таких термометрів відноситься пристрій з напівпровідниковим термоелементом – терморезистор, або термістор. Термоелемент характеризується великим негативним коефіцієнтом опору (тобто його опір швидко зменшується з підвищенням температури). Перевагами терморезистора є висока чутливість і швидкість реакції на зміну температури. Калібрування терморезистора згодом міняється. Терморезистори застосовуються на метеорологічних супутниках, кулях-зондах і в більшій частині кімнатних цифрових термометрів.

БАРОМЕТР - прилад для вимірювання тиску атмосферного повітря. Тиск - це сила, що діє на одиницю площі поверхні. Земна атмосфера, що простягається на сотні кілометрів нагору, тисне на поверхню Землі; барометр і створено для виміру цього тиску. Атмосферний, або барометричний, тиск вимірюється в міліметрах ртутного стовпа й у паскалях. Зміни атмосферного тиску, як правило, бувають зв'язані зі змінами погодних умов. Тиск, звичайно, падає перед негодою, а його підвищення передвіщає гарну погоду. Відзначаючи на карті зміни тиску, можна визначати напрямок вітрів і переміщення циклонів. Лінії рівного тиску називаються ізобарами від грец. isos (рівний) і baros (вага). Барометри були пристосовані для виміру висоти, тому що тиск атмосферного повітря зменшується зі збільшенням висоти над рівнем моря. Такими приладами (альтиметрами) обладнаються літаки, їх беруть із собою альпіністи. Існують два основних типи барометрів – ртутний і анероїд. Ртутний барометр більш точний і надійний, чим анероїд. Анероїд же більш компактний і зручний, його можна зробити кишеньковим.

Ртутний барометр показує атмосферний тиск як висоту ртутного стовпа, яку можна виміряти за прикріпленою поруч шкалою. Ртутний барометр – це скляна трубка довжиною біля 90 см, заповнена ртуттю, запаяна з одного кінця і перекинута в чашку з ртуттю. Під дією сили ваги частина ртуті виливається з трубки в чашку, а через тиск повітря на поверхню чашки ртуть піднімається по трубці. Коли між цими двома протидіючими силами встановлюється рівновага, висота ртуті в трубці над поверхнею рідини в резервуарі відповідає атмосферному тискові. Якщо тиск повітря зростає, рівень ртуті в трубці піднімається. Середня висота ртутного стовпа в барометрі на рівні моря складає біля 760 мм.

Барометр-анероїд складається з запаяної коробки, з якої частково відкачано повітря. Одна її поверхня являє собою еластичну мембрану. Якщо атмосферний тиск збільшується, мембрана прогинається усередину, якщо зменшується – вигинається назовні. Прикріплений до неї покажчик фіксує ці зміни. Барометры-анероїды компактні і порівняно недорогі і використовуються як у приміщенні, так і на стандартних метеорологічних радіозондах. В анероїді рідини немає (грец. «анероїд» – «безводний»). Він показує атмосферний тиск, що діє на гофровану тонкостінну металеву коробку, у якій створене розрідження повітря (вакуум). При зниженні атмосферного тиску коробки злегка розширюється, а при підвищенні – стискується і впливає на прикріплену до неї пружину.

На практиці часто використовується кілька (до десяти) анероїдних коробок, з'єднаних послідовно, і встановлюється підоймна передавальна система, що повертає стрілку, яка рухається по круговій шкалі, проградуйованій по ртутному барометру. Як і в сифонного ртутного барометра, на шкалі анероїда можуть бути зроблені написи («дощ», «змінно», «ясно», «дуже сухо»), що вказують на погодні умови. Анероїд менший за розмірами від ртутного барометра, і його показання легше знімати. Ним можна користуватися в експедиційних умовах, на морських суднах, літаках та ін. Якщо до його стрілки прикріпити перо, то він буде записувати покази безперервно. Такі барографи, тобто анероїди, що реєструють барометричний тиск, є на всіх метеостанціях.

Прилади для вимірювання вологості.

Психрометр складається з двох розташованих поруч термометрів: сухого, що вимірює температуру повітря, і змоченого, резервуар якого обгорнуто тканиною (батистом), зволоженою дистильованою водою. Повітря обтікає обидва термометри. Через випаровування води з тканини змочений термометр звичайно показує більш низьку температуру, ніж сухий. Чим нижче відносна вологість, тим більша різниця показань термометрів. На основі цих показань за допомогою спеціальних таблиць і визначається відносна вологість.

Волосяний гігрометр вимірює відносну вологість на підставі змін довжини людського волоса. Для видалення натуральних жирів волосся спочатку вимочують в етиловому спирті, а потім промивають у дистильованій воді. Довжина підготовленого в такий спосіб волоса має майже логарифмічну залежність від відносної вологості в діапазоні від 20 до 100%. Час, необхідний для реакції волосся на зміну вологості, залежить від температури повітря (чим нижче температура, тим він більший). У волосяном гігрометрі при збільшенні або зменшенні довжини волосся спеціальний механізм пересуває покажчик по шкалі. Такі гігрометри звичайно використовують для виміру відносної вологості в приміщеннях.

Електролітичні гігрометри. Чутливим елементом цих гігрометрів служить скляна або пластмасова пластинка, покрита вуглецем або хлоридом літію, опір яких міняється в залежності від відносної вологості. Такі елементи звичайно використовуються в комплектах приладів для метеорологічних куль-зондів. При проходженні зонда крізь хмару прилад зволожується, а його покази протягом досить тривалого часу (поки зонд не виявиться за межами хмари і не висохне чутливий елемент), спотворюються.

Прилади для вимірювання швидкості вітру.

Чашкові анемометри. Швидкість вітру, як правило, вимірюють за допомогою чашкового анемометра. Цей прилад складається з трьох або більшої кількості конусоподібних чашок, вертикально прикріплених до кінців металевих стержнів, що симетрично відходять від вертикальної осі. Вітер діє з найбільшою силою на увігнуті поверхні чашок і змушує вісь повертатися. У деяких типах чашкових анемометрів вільному обертанню чашок перешкоджає система пружин, по величині деформації яких і визначається швидкість вітру. В анемометрах з вільно обертовими чашками швидкість обертання приблизно пропорційна швидкості вітру, вона вимірюється електричним лічильником, що сигналізує, коли визначений обсяг повітря обтікає анемометр. Електричний сигнал включає світловий сигнал і записуючий пристрій на метеостанції. Часто чашковий анемометр механічно з'єднують з магнето, і напругу або частоту генерованого струму співвідносять зі швидкістю вітру.

Анемометр із млинковою вертушкою (або крильчатий анемометр) складається з три-, чотирилопастного пластмасового гвинта, укріпленого на осі магнето. Гвинт за допомогою флюгера, усередині якого розміщено магнето, постійно направляється проти вітру. Дані про напрямок вітру надходять по телеметричних каналах на спостережливу станцію. Електричний струм, вироблюваний магнето, змінюється в прямій залежності від швидкості вітру.

Шкала Бофорта. Швидкість вітру оцінюється візуально за його впливом на предмети навколо спостерігача. У 1805 Френсіс Бофорт, моряк британського флоту, для характеристики сили вітру на морі розробив 12-бальну шкалу. У 1926 до неї були додані оцінки швидкості вітру на суші. У 1955, щоб розрізняти ураганні вітри різної сили, шкала була розширена до 17 балів. Сучасний варіант шкали Бофорта дозволяє оцінювати швидкість вітру без використання яких-небудь приладів.

Прилади для вимірювання опадів. Атмосферні опади складаються з часток води як у рідкому, так і твердому вигляді, що надходять з атмосфери на земну поверхню. У стандартних незаписуючих опадомірах приймальня лійка вставлена у вимірювальний циліндр. Співвідношення площі верхньої частини лійки і поперечного переріза мірного циліндра 10:1, тобто 25 мм опадів, що випали, будуть відповідати в циліндрі оцінці 250 мм. Записуючі опадоміри – плювіографи – автоматично зважують зібрану воду або підраховують, скільки разів маленька вимірювальна посудина наповниться дощовою водою й автоматично спорожниться. Якщо очікується випадання опадів у виді снігу, лійка і вимірювальна склянка забираються, а сніг збирається в опадомірне цебро. Коли сніг супроводжується помірним або сильним вітром, кількість снігу, що потрапляє в посудину, не відповідає дійсній кількості опадів. Висота сніжного покриву визначається виміром потужності шару снігу в межах типової для даного району території, причому береться середнє значення щонайменше трьох вимірів. Для установлення водного еквівалента на ділянках, де вплив метелевого переносу мінімальний, у товщу снігу занурюють циліндр і вирізують стовпчик снігу, що розтоплюють або зважують. Кількість опадів, вимірювана осадкомером, залежить від його розташування. Турбулентність повітряного потоку, викликана самим приладом або навколишніми його перешкодами, приводить до заниження кількості опадів, що потрапляють у вимірювальну склянку. Тому опадомір установлюється на рівній поверхні якнайдалі від дерев та інших перешкод. Для зниження впливу вихрів, створюваних самим приладом, використовується захисний екран.

АЕРОЛОГІЧНІ СПОСТЕРЕЖЕННЯ. Найпростіший спосіб визначення висоти хмари складається у вимірі часу, що потрібно невеликій повітряній кулі, відпущеній з поверхні землі, для досягнення основи хмари. Висота його дорівнює добуткові середньої швидкості підйому повітряної кулі на час польоту. Інший спосіб полягає в спостереженні плями світла, утвореного на основі хмари, спрямованим вертикально нагору променем прожектора. З відстані біля 300 м від прожектора виміряється кут між напрямком на цю пляму і променем прожектора. Висота хмари розраховується методом тріангуляції подібно тому, як виміряються відстані при топографічній зйомці. Висота хмарності вимірюється також за допомогою радіохвиль – імпульсів, що посилаються радіолокатором, довжиною 0,86 см. Висота хмари визначається за часом, що потрібний радіоімпульсу для досягнення хмари і повернення назад. Оскільки хмари частково проникні для радіохвиль, цей метод застосовується для визначення висоти шарів при багатошаровій хмарності.

Метеорологічні кулі-зонди. Найпростіший тип метеорологічної повітряної кулі – куля-пілот – це невелика гумова куля, наповнена воднем або гелієм. Шляхом оптичних спостережень за змінами азимута і висотою польоту кулі і припускаючи, що швидкість його підйому постійна, можна розрахувати швидкість і напрямок вітру як функцію висоти над земною поверхнею. Для нічних спостережень до кулі прикріплюється невеликий ліхтар, що працює на батарейках. Метеорологічний радіозонд – це гумова куля, що несе радіопередавач, терморезисторний термометр, барометр-анероїд і електролітичний гігрометр. Радіозонд піднімається зі швидкістю близько 300 м/хв до висоти біля 30 км. У міру підйому дані вимірів постійно передаються на станцію запуску. Спрямована приймаюча антена на Землі простежує азимут і висоту радіозонда, по яких розраховуються швидкість і напрямок вітру на різних висотах.

Супутники. Для денних зйомок хмарного покриву освітлення забезпечується сонячним світлом, у той час як інфрачервоне випромінювання, що випускається всіма тілами, дозволяє вести знімання і вдень і вночі спеціальною інфрачервоною камерою. Використовуючи фотографії в різних діапазонах інфрачервоного випромінювання, можна навіть розрахувати температуру окремих шарів атмосфери. Супутникові спостереження мають високу поверхневу роздільну здатність, однак їхнє вертикальне розділення набагато нижче того, що забезпечується радіозондами. Деякі супутники, як, наприклад, американський TIROS, виведені на кругову полярну орбіту на висоті біля 1000 км. Оскільки Земля обертається навколо своєї осі, з такого супутника кожна точка земної поверхні видна звичайно двічі в добу. Ще більше значення мають геостаціонарні супутники, що обертаються над екватором на висоті біля 36 тис. км. Такому супутникові потрібно 24 год для повного обороту. Оскільки цей час дорівнює тривалості доби, супутник залишається над одною і тією же точкою екватора. Таким чином, геостаціонарний супутник може повторно фотографувати ту саму територію, фіксуючи зміни погоди. Крім того, за рухом хмар можуть бути розраховані швидкості вітру.

Метеорологічні радіолокатори. Сигнал, що посилається радіолокатором, відбивається дощем, снігом або температурною інверсією, і цей відбитий сигнал надходить на приймаючий пристрій. Хмари звичайно не видні на екрані радіолокатора, тому що утворюючі їхні крапельки занадто малі, щоб ефективно відбивати радіосигнал. До середини 1990-х років Національна метеорологічна служба США була переоснащена радіолокаторами з ефектом Доплера. В установках такого типу для виміру швидкості наближення часток, що відбивають, до радіолокатора або віддалення від нього використовується принцип доплеровского зсуву. Тому ці радіолокатори можуть застосовуватися для виміру швидкості вітру. Особливо вони корисні для виявлення смерчів, оскільки вітер по одну сторону смерчу швидко несеться назустріч радіолокатору, а по іншу – стрімко від нього віддаляється. Сучасні радіолокатори можуть виявляти метеорологічні об'єкти на відстані до 225 км.

М О Д У Л Ь 1