Файл: С. М. Матвеев Л. М. Акимов Учение об атмосфере Метеорология и климатология.pdf

12 потока около приемной части ведра и, соответственно, увеличению количества собираемых осадков. Для удобства смены ведра возле подставки осадкомера устанавливается лесенка 8.
Измерение количества выпавших осадков на метеорологических станциях производят два раза в сутки, во время чего производится смена ведер, если даже осадки не выпадали. Измерение осадков производят в помещении. Осадки из ведра переливают в измерительный стакан и производят отсчет в целых делениях стакана. К измеренному количеству осадков прибавляется поправка на смачивание осадкомерного ведра.
Величина поправки при жидких осадках равна 0,2 мм, при твердых осадках –
0,1 мм. Если уровень воды стоит ниже середины первого деления измерительного стакана, то поправка при жидких осадках равна 0,1 мм, а при твердых – 0,0 мм.
Рис. 2. Осадкомер Третьякова
Плювиограф (рис. 3) – самопишущий дождемер. По его записям можно определить количество осадков, выпадавших в жидком виде, время их выпадения и их интенсивность.
Приемником служит цилиндрический сосуд площадью 500 см
2
, нижняя часть которого заканчивается трубкой. Осадки через воронку 1 и сливную трубку 2 попадают в цилиндрическую поплавковую камеру 3, в которой

13 помещен полый металлический поплавок 4 с выступающим вертикальным стержнем 5. На верхней части вертикального стержня укреплена стрелка 6 с насаженным на ее конце пером. Для регистрации осадков рядом с поплавковой камерой на стержне устанавливается барабан 7 с часовым механизмом суточного оборота. На барабан надевается лента, разграфленная таким образом, что промежутки между вертикальными линиями соответствуют 10 мин времени, а между горизонтальными – 0,1 мм осадков.
Сбоку поплавковой камеры имеется отверстие с трубкой 8, в которую вставляется стеклянный сифон 9 с металлическим наконечником, плотно соединенным с трубкой специальной муфтой 10.
Рис. 3. Плювиограф
При выпадении осадков в поплавковой камере накапливается вода, поплавок поднимается, а перо соответственно вычерчивает кривую линию на ленте вращающегося барабана. Кривая будет тем круче, чем обильнее были осадки в единицу времени. Когда вода доходит до верхнего предела в 10 мм, начинает работать сифон и уровень воды понижается до нулевой отметки, а

14 на ленте перо прочертит вертикальную линию также до нулевой отметки.
Вода сливается в ведро. Если осадки продолжаются, то поплавок вновь поднимается. При отсутствии осадков перо записывает горизонтальную линию.
Плювиограф устанавливают с таким расчетом, чтобы приемная часть его была на высоте 2 м от поверхности земли. Горизонтальность приемной части устанавливают по уровню. Ленту на барабане меняют ежедневно в 19 часов, на ней делают надпись о времени снятия. Осадки из ведра 8 наливают в дождемерный стакан; деления стакана записывают на той же ленте.
При обработке плювиограммы отмечают начало дождя и его окончание. В ведомость записывается количество осадков, выпадающих за каждый час, и общее за сутки. Определяется интенсивность дождя делением количества осадков на число минут, в течение которых они выпадают.
Гололедный станок применяется для наблюдений загололедом, изморозью, отложениями мокрого снега и состоит из трех столбов 3 (рис. 4) со скобами 2, на которые свободно навешиваются загнутыми концами четыре провода 1 (длиной 104 см и диаметром 5 мм).
Рис. 4. Гололедный станок: 1 – провода; 2 – скобы; 3 – столбы
Установкастанка на метеоплощадке производится в вершинах прямоугольного треугольника, ориентированного катетами с севера на юг и

15 с востока на запад. Верхние провода подвешиваются на высоту 225 см от поверхности земли. К одному из столбов прикрепляется снегомерная рейка.
Измерениероста образований гололеда, изморози и оседаний снега производится на участке нижнего провода длиной 20 см, который очищают каждый раз после наблюдений. Толщину отложений измеряют по двум сечениям – наибольшему и перпендикулярному к нему.
Количественно отложения определяются по массе на участке 25 см одного из верхних проводов, на котором отложения оказались наибольшими. Для этой цели на провод надевают специальную ванну, закрывают её и вместе с проводом переносят в помещение. Массу растаявшей пробы определяют измерительным стаканом в с м
3
Контрольные вопросы
1. Каковы устройство и назначение осадкомера Третьякова?
2. Каковы устройство и принцип действия плювиографа?
3. Какие сведения можно получить при обработке ленты плювиографа?
4. Что такое интенсивность осадков?
5. Какие факторы влияют на точность показания осадкомеров?
6. Как устроен гололедный станок?
Решить задачу:
Количество выпавших осадков 1 мм. Какое количество воды при этих осадках выпало на 1 га?
Тема № 3
АКТИНОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Цель работы: Ознакомление с устройством и принципом действия основных актинометрических приборов, используемых для определения интенсивности солнечной радиации и продолжительности солнечного сияния.
Оборудование: термоэлектрический актинометр
Савинова-
Янишевского (АТ-50), пиранометр Янишевского (М-80), альбедометр, гальванометр ГСА-1, гелиограф, балансомер (М-10).

16
Общие понятия
Основным источником энергии, необходимой для осуществления физико-химических и биологических процессов на Земле, является лучистая энергия Солнца (солнечная радиация). Солнечная радиация поступает на земную поверхность в виде почти параллельных лучей, идущих от Солнца
(прямая солнечная радиация – S), и лучей, отраженных небесным сводом
(рассеянная радиация – D). Прямая и рассеянная радиация, вместе взятые, составляют суммарную радиацию - Q.
Интенсивность радиации измеряется количеством энергии в джоулях или ваттах, поступающей в 1 секунду на м
2
поверхности, расположенной перпендикулярно лучам Солнца (Дж/м
2
×с или Вт/м
2
).
При прохождении сквозь атмосферу Земли происходит ослабление солнечной радиации за счет рассеивания и частичного поглощения составными частями атмосферы. Ослабление определяется по формуле
Бугера:
S = S
0
P
m
,
(1) где S – интенсивность солнечной радиации у земной поверхности, перпендикулярной солнечным лучам;
S
0
– интенсивность солнечной радиации у верхних пределов атмосферы, или солнечная постоянная, равная в среднем
1,38 × 10 3
Вт/м
2
(1,98 кал/см
2
× мин);
Р – коэффициент прозрачности атмосферы, численно равный той части лучистой энергии, которая достигает поверхности Земли при отвесном падении солнечных лучей; m – величина оптической массы атмосферы, которую проходят лучи при различных высотах Солнца.
Значения оптической массы атмосферы в зависимости от высоты
Солнца над горизонтом приводятся в таб. 1.
Значения коэффициента прозрачности атмосферы зависят от влажности и запыленности воздуха, от высоты места над уровнем моря.
Количество радиации, поступающей на горизонтальную поверхность
(наклонную по отношению к солнечным лучам), зависит от угла падения лучей на эту поверхность и определяется по формуле

17
S
1
= S × Sin h
Θ
, (2)
где S
1
– интенсивность радиации в Вт/м
2
, поступающей на наклонную
(горизонтальную) поверхность (инсоляция);
S – интенсивность радиации (мощность потока радиации) в Вт/м
2
, поступающей на перпендикулярную солнечным лучам поверхность; h
Θ
– высота стояния Солнца над горизонтом (в градусах).
Солнечная радиация, поступающая к поверхности Земли, не только поглощается ею, но и частично отражается.
Таблица 1
Величина оптической массы атмосферы в зависимости от высоты Солнца над горизонтом
Высота Солнца (в градусах)
Оптическая масса атмосферы
90 1,0 60 1,2 30 2,0 10 5,6 5
10,4 1
27,0 0
35,4
Отношение отраженной радиации (R) к суммарной (Q), выраженное в процентах, определяет альбедо (отражательную способность) данной поверхности (А)
%
100
Q
R


,
(3)
где А – альбедо поверхности; R – отраженная радиация; Q – суммарная радиация.
Дополнение альбедо до 100 % характеризует поглощательную способность поверхности (Q
– R) = Q
p
. В табл. 2 приводятся значения альбедо и поглощательной способности некоторых поверхностей.
Методы измерения солнечной радиации
В системе единиц СИ, где единицей энергии является джоуль, единицей длины – метр, а единицей времени – секунда, интенсивность

18 потока радиации выражается в Дж/м
2
× с или в Вт/м
2
. Ватт (Вт)=Дж/с = 14,3 кал/мин.; 1 кал = 4,186 Дж; 1 Джоуль (Дж) = 0,24 кал; 1 кал/см
2
× мин = 698
Вт/м
2
= 698 Дж/м
2
× с = 0,7 КВт/
Таблица 2
Значения альбедо и поглощательной способности различных поверхностей
Поверхность
Альбедо в %
Поглощательная способность поверхности в %
Зеленая трава
26 74
Чернозем сухой
14 86
Чернозем влажный
8 92
Вершины молодых дубков
18 82
Вершины сосен
14 86
Вершины елей
10 90
Старый снег
30-50 70-50
Свежевыпавший снег
75-90 25-10
Облака
80 20
Единицами измерения длины волн электромагнитного спектра являются микрометр (мкм) и нанометр (нм).
1 мкм=10
-6
м = 10
-4
см = 10
-3
мм;
1 нм = 10
-9
м = 10
-7
см = 10
-6
мм =10
-3
мкм (мк).
Для измерения прямой солнечной радиации служит
термоэлектрический актинометр Савинова-Янишевского АТ-50 (рис. 5).
Приемником этого прибора является тонкий диск из серебряной фольги, диаметр которого 11 мм. Одна сторона этого диска, обращенная к
Солнцу, зачернена. С другой стороны диска помещается небольшая термобатарея. Термобатарея состоит из константановых и манганиновых полосок, сложенных в виде звездочки. Зачерненный диск вместе со звездочкой помещается в нижней расширенной части трубы прибора.
Внутренние (нечетные) спаи приклеиваются к серебряному диску, а внешние
(четные) спаи шеллаком подклеиваются к медному кольцу, зажатому в корпусе расширенной части трубы.

19
Измерения по актинометру начинают с нацеливания на Солнце. Для этого с прибора снимают крышку и трубу наводят на Солнце так, чтобы прямые солнечные лучи попали на диск.
Рис. 5. Актинометр Савинова-Янишевского: 1– крышка; 2, 3 – винты; 4
– ось склонений; 5 – экран; 6 – рукоятка (кремальера); 7 – трубка; 8 – ось широт; 9 – сектор широт; 10 – стойка; 11 – основание; 12 – провода; 13 – отверстие
Этого достигают так: прибор ориентируют по сторонам света в соответствии с направлением стрелки, изображенной на подставке; по градуированной шкале на подвижном штативе устанавливают географическую широту местности; приемное отверстие прибора направляют на Солнце так, чтобы солнечный луч, пройдя через отверстие в верхней

20 шайбе трубки актинометра, дал изображение («зайчик») на нижней шайбе.
Проникающие при этом в трубу лучи Солнца нагревают диск, а, следовательно, и приклеенные к нему внутренние спаи термобатареи.
Внешние спаи термобатареи остаются в тени и сохраняют температуру окружающего воздуха.
Разность температур внутренних и внешних спаев вызывает термоток, пропорциональный интенсивности радиации. Этот ток можно измерить гальванометром.
Для этой цели используют
стрелочный
актинометрический гальванометр ГСА-1 (рис. 6).
Рис. 6. Стрелочный актинометрический гальванометр ГСА-1
Значение интенсивности прямой радиации, измеренной актинометром, определяют по шкале гальванометра, для чего число делений шкалы при помощи коэффициента переводят в калории на см
2
в мин или в Вт/м
2
Коэффициент берется из специальной таблицы, прилагаемой к прибору.

21
Для получения более правильного измерения по гальванометру делают от 3 до 5 отсчетов с интервалом между ними в 20-25 секунд (закрывая на это время трубу актинометра крышкой). Отсчеты проводятся с точностью до 0,1 деления.
Для измерения интенсивности суммарной и рассеянной солнечной радиации служит пиранометр Янишевского М-80 (рис. 7).
Приемником радиации в пиранометре служит термобатарея, составленная из манганиновых и константановых полосок, концы которых спаяны. Термобатарея пиранометра 1 прикреплена через изолирующий слой к корпусу прибора. От крайних термоэлементов термобатареи отходят выводы к клеммам на нижней стороне корпуса (на рисунке они не видны).
Рис. 7. Пиранометр Янишевского: a – головка: 1 – термобатарея, 2 – диск, 3 – винтовая нарезка; б – внешний вид
С внешней стороны термобатарея, раскрашенная в шахматном порядке
(окисью магния в белый цвет, сажей – в черный), крепится в квадратном вырезе диска 2. Для защиты от ветра, осадков над приемником закреплен на винтовой нарезке 3 полусферический стеклянный колпак. Вся термобатарея с диском и стеклянной полусферой (головка) навинчивается на стойку 4 с

22 треногой 5, с помощью которой приемник прибора можно установить горизонтально. На этой же треноге крепится шаровой уровень для отслеживания горизонтальности установки прибора (на рисунке не показан).
Солнечные лучи, поступающие на приемник, поглощаются черными спаями сильней, чем белыми, поэтому между спаями устанавливается разность температур, обуславливающая появление термотоков. Этот ток определяется по актинометрическому гальванометру, показания которого прямо пропорциональны интенсивности радиации. При открытом приемнике измеряется суммарная радиация.
К стойке 4 присоединен короткий металлический стержень 6, на который с помощью винта 7 крепится легкая дюралевая трубка 8 с теневым экраном 9, позволяющим затенять приемную поверхность прибора от прямых солнечных лучей и измерять в это время только рассеянную радиацию. Длина стержня такова, что диск экрана из центра приемника виден под углом 10
о
Пиранометр может служить для измерения и отраженной от земли радиации. Для этого приемник пиранометра должен быть обращен вниз, к земле. В этом случае пиранометр называется альбедометром. На метеорологических станциях применяют станционные альбедометры, которые устанавливаются на деревянной или металлической рейке.
Походный альбедометр (рис. 8) устанавливают на кардановом подвесе с грузом, который автоматически располагает пиранометр горизонтально как в положении приемником вверх, для измерения суммарной радиации, так и в положении приемником вниз, для измерения отраженной радиации.
Рис. 8. Альбедометр походный: а – положение вверх; б – положение вниз

23
Карданный подвес состоит из двух металлических колец 1 и 2.
Внутреннее кольцо 1 через полуоси 5 и 6 имеет свободу вращения внутри внешнего кольца 2. В свою очередь полая трубка 7, на которой закреплена головка пиранометра 8, имеет свободу вращения на полуоси 3 и 4,смещенных относительно полуосей 5 и 6 на 90 градусов. Таким образом, альбедометр имеет двойную степень свободы вращения, что приводит к его автоматическому горизонтированию под действием силы тяжести. Головка альбедометра 8 навинчивается на трубку 7, которая по пазам может скользить вверх-вниз внутри кольца 1.
Внутри самой трубки свободно перемещается цилиндрический грузик- противовес, который и обеспечивает надежное горизонтирование приемной поверхности. Наблюдения по походному альбедометру производятся так же, как и по пиранометру.
Для измерения радиационного баланса используется
термоэлектрический балансомер (рис. 9).
Приемником балансомера служат две медные тонкие пластинки 1, внешние поверхности которых зачернены специальным черным лаком, поглощающая способность которого близка к поглощающей способности абсолютно черного тела. Пластинки вмонтированы в круглую оправу 2 в форме диска с рукояткой так, что одна пластинка обращена вверх, а другая вниз. Между пластинками помещены 10 специальных термобатарей. Каждая батарея представляет собой медный брусок, покрытый изоляционным слоем, на который намотана константановая лента.
Рис. 9. Термоэлектрический балансомер: а – общий вид; б – схема