Географія - Великий довідник школяра і студента - 2008

Загальна географія
Атмосфера і клімат Землі
МЕТЕОРОЛОГІЧНІ ПРИЛАДИ

Метеорологічні прилади призначені як для безпосередніх термінових вимірювань (термометр чи барометр для вимірювання температури або тиску), так і для безперервної реєстрації тих же елементів у часі, — як правило, у вигляді графіка або кривої (термограф, барограф). Нижче характеризуються тільки прилади для термінових вимірювань, але майже всі вони існують також і у вигляді самописців.

Рідинні скляні термометри. У метеорологічних термометрах найчастіше використовується здатність рідини, що знаходиться у скляній колбі, до розширення і стиснення. Зазвичай скляна капілярна трубка закінчується кулястим розширенням, яке служить резервуаром для рідини. Чутливість такого термометра знаходиться у зворотній залежності від площі поперечного перетину капіляра і в прямій — від об’єму резервуара і від різниці коефіцієнтів розширення даної рідини і скла. Тому чутливі метеорологічні термометри мають великі резервуари і тонкі трубки, а рідини, що використовуються в них, із збільшенням температури розширюються значно швидше, ніж скло. Вибір рідини для термометра залежить від діапазону температур, що вимірюються. Ртуть використовується для вимірювання температур вище за -39 °С, тобто точки її замерзання.

Для більш низьких температур застосовуються рідкі органічні сполуки, наприклад, етиловий спирт. Точність перевіреного стандартного метеорологічного скляного термометра = 0,05°. Головна причина погрішності ртутного термометра пов’язана з поступовими змінами пружних властивостей скла. Вони призводять до зменшення об’єму скла і підвищення точки відліку. Крім того, помилки можуть виникати внаслідок неправильного прочитання свідчення або через розміщення термометра у місці, де температура не відповідає істинній температурі повітря в околицях метеостанції. Погрішності спиртових і ртутних термометрів схожі. 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 об’єм.

Мінімальний термометр призначений для визначення найнижчої температури за певну добу. Для цих цілей використовується скляний спиртовий термометр. У спирт занурюється скляний штифт-покажчик з потовщеннями на кінцях. Термометр працює в горизонтальному положенні. При зниженні температури стовпчик спирту відступає, захоплюючи штифт, а при підвищенні температури спирт його обтікає, не зсуваючи з місця, і тому штифт фіксує мінімальну температуру.

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 при підвищенні температури, а при пониженні звуження перешкоджає її стоку в резервуар.

Біметалічний термометр складається з двох тонких смужок металу, наприклад, мідної і залізної, які при нагріванні розширюються неоднаково. їхні плоскі поверхні щільно прилягають одна до одної. Така біметалічна смужка скручена в спіраль, один кінець якої жорстко закріплений. При нагріванні або охолоджуванні спіралі два метали розширюються або стискуються по-різному, а спіраль або розкручується, або скручується. За покажчиком, що прикріплений до вільного кінця спіралі, можна судити 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 змінюється. Терморезистори застосовуються на метеорологічних супутниках, кулях-зондах і в більшій частині кімнатних цифрових термометрів.

Ртутний барометр — це скляна трубка довжиною бл. 90 см, заповнена ртуттю, запаяна з одного кінця і перевернута у чашку з ртуттю. Під впливом сили тяжіння частина ртуті виливається з трубки в чашку, а під дією тиску повітря ртуть підіймається по трубці на поверхню чашки. Коли між цими двома протидіючими силами встановлюється рівновага, висота ртуті в трубці над поверхнею рідини в резервуарі відповідає атмосферному тиску. Якщо тиск повітря зростає, рівень ртуті в трубці підіймається. Середня висота ртутного стовпчика у барометрі на рівні моря складає бл. 760 мм.

Барометр-анероїд складається із запаяної коробки, з якої частково викачане повітря. Одна її поверхня являє собою еластичну мембрану. Якщо атмосферний тиск збільшується, мембрана прогинається всередину, якщо зменшується — вигинається назовні. Прикріплений до неї покажчик фіксує ці зміни. Барометри-анероїди використовуються як в приміщенні, так і на стандартних метеорологічних радіозондах.

Психрометр складається з двох термометрів: сухого, вимірюючого температуру повітря, і змоченого, резервуар якого обгорнутий тканиною (батистом), зволоженою дистильованою водою. Повітря обтікає обидва термометри. Через випаровування води з тканини змочений термометр показує більш низьку температуру, ніж сухий. Чим нижча відносна вологість, тим більша різниця показників термометрів. На підставі цих показників за допомогою спеціальних таблиць і визначається відносна вологість.

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

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

Чашкові анемометри. Швидкість вітру, як правило, вимірюють за допомогою чашкового анемометра. Цей прилад складається з трьох або більше конусоподібних чашок, вертикально прикріплених до кінців металевих стержнів, які радіально-симетрично відходять від вертикальної осі. Вітер тисне з найбільшою силою на угнуті поверхні чашок і примушує вісь обертатися. У деяких типах чашкових анемометрів вільному обертанню чашок перешкоджає система пружин, за величиною деформації яких і визначається швидкість вітру. В анемометрах з чашками, що вільно обертаються, швидкість обертання приблизно пропорційна швидкості вітру і вимірюється електричним лічильником, який сигналізує, коли певний об’єм повітря обтікає анемометр. Електричний сигнал включає світловий сигнал і записуючий пристрій на метеостанції.

Анемометр з млиновою вертушкою складається з трьох- або чотирьохлопатевого пластмасового гвинта, укріпленого на осі магнето. Гвинт за допомогою флюгера, усередині якого розміщене магнето, постійно прямує проти вітру. Інформація про напрям вітру поступає по телеметричних каналах на спостережну станцію. Електричний струм, що виробляється магнето, змінюється у прямій залежності від швидкості вітру.

Прилади для вимірювання опадів. Атмосферні опади складаються з часток води як у рідкому, так і твердому стані, які поступають з атмосфери на земну поверхню. У стандартних незаписуючих опадомірах приймальна лійка вставлена у вимірювальний циліндр. Співвідношення площі верхньої частини лійки і поперечного перетину мірного циліндра 10:1, тобто 25 мм опадів будуть відповідати в циліндрі відмітці 250 мм. Записуючі опадоміри — плювіографи — автоматично зважують зібрану воду або підраховують, скільки разів маленька вимірювальна посудина наповниться дощовою водою і автоматично випорожниться. Якщо очікується випадання опадів у вигляді снігу, лійка і вимірювальна склянка забираються, а сніг збирається в опадомірне відро. Коли сніг супроводжується помірним або сильним вітром, кількість снігу, що попадає в посудину, не відповідає дійсній кількості опадів.

Висота сніжного покриву визначається вимірюванням товщини шару снігу в межах типової для даного району території, причому береться середнє значення щонайменше трьох вимірювань. Для встановлення водного еквівалента в товщу снігу занурюють циліндр і вирізують стовпчик снігу, який розтоплюють або зважують. Кількість опадів, що вимірюється опадоміром, залежить від його розташування. Турбулентність повітряного потоку, викликана самим приладом або перешкодами навколо нього, призводить до заниження кількості попадаючих у вимірювальну склянку опадів. Тому опадомір встановлюється на рівній поверхні на значній відстані від дерев та інших перешкод.

Прилади для вимірювання висоти хмар. Найбільш простий спосіб визначення висоти хмари полягає у вимірюванні часу, який потрібний невеликій повітряній кулі для досягнення основи хмари. Висота її дорівнює похідному від середньої швидкості підйому повітряної кулі на час польоту. Інший спосіб полягає у спостереженні плями світла, утвореної на основі хмари направленим вертикально вгору променем прожектора. З відстані бл. 300 м від прожектора вимірюється кут між напрямом на цю пляму і променем прожектора. Висота хмари розраховується методом тріангуляції (так само вимірюються відстані під час топографічної зйомки). Для спостереження за плямою світла на основах хмар застосовується фотоелемент. Висота хмарності вимірюється також за допомогою радіохвиль — імпульсів, що посилаються радіолокатором, довжиною 0,86 см.

Метеорологічні кулі-зонди. Найпростіший тип метеорологічної повітряної кулі — т. зв. куля-пілот — це невелика гумова куля, наповнена воднем або гелієм. Шляхом оптичних спостережень за змінами азимута і висоти польоту кулі можна розрахувати швидкість і напрям вітру. 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 підіймається зі швидкістю бл. 300 м/хв до висоти бл. 30 км. В міру підйому дані вимірювань постійно передаються на станцію запуску. Приймаюча антена на Землі простежує азимут і висоту радіозонда, за якими розраховуються швидкість і напрям вітру на різній висоті. Радіозонди і кулі-пілоти запускаються з сотень пунктів по всьому світу двічі на добу — опівдні і опівночі за Гринвіцьким середнім часом.

Супутники. Для денних зйомок хмарного покриву освітлення забезпечується сонячним світлом, у той час як інфрачервоне випромінювання, що випускається всіма тілами, дозволяє вести зйомки і вдень і вночі спеціальною інфрачервоною камерою. Використовуючи фотографії в різних діапазонах інфрачервоного випромінювання, можна навіть розрахувати температуру окремих шарів атмосфери. Деякі супутники, як, наприклад, американський TIROS, виведені на кругову полярну орбіту на висоті бл. 1000 км. Оскільки Земля обертається навколо своєї осі, то з такого супутника двічі на добу можна побачити будь-яку точку земної поверхні. Ще більше значення мають т. зв. геостаціонарні супутники, які обертаються над екватором на висоті бл. 36 тис. км. Такому супутнику для повного обороту потрібно 24 год. Оскільки цей час дорівнює тривалості доби, супутник залишається над однією і тією ж точкою екватора, і з нього відкривається постійний вид на земну поверхню. Таким чином, геостаціонарний супутник може повторно фотографувати одну і ту ж територію, фіксуючи зміни погоди.

Метеорологічні радіолокатори. Сигнал, що посилається радіолокатором, відбивається дощем, снігом або температурною інверсією, і цей відбитий сигнал поступає на приймаючий пристрій. Хмар здебільшого не видно на екрані радіолокатора. До середини 1990-х років Національна метеорологічна служба США була переоснащена радіолокаторами з ефектом Доплера. В установках такого типу для вимірювання швидкості наближення відбитих часток до радіолокатора або віддалення від нього використовується принцип т. зв. доплерівського зміщення. Тому ці радіолокатори можуть застосовуватися для вимірювання швидкості вітру. Вони особливо корисні для виявлення смерчів, оскільки вітер з одного боку смерча швидко мчить назустріч радіолокатору, а з іншу боку — швидко від нього віддаляється.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити