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

33
В соответствии с температурами кипения и замерзания ртутные термометры используются для измерения положительной температуры
(максимальной), а спиртовые – низкой (минимальной).
Единицей для измерения температуры является градус, величина которого зависит от выбора термометрической шкалы.
У нас принята международная шкала Цельсия, реперными точками которой приняты 0° – температура таяния льда и 100° – температура, соответствующая кипению воды при нормальном давлении.
В США, Англии принята шкала Фаренгейта, по которой точка таяния льда обозначена +32°, а точка кипения воды – +212°.
Рис. 16. Термометр ртутный, психрометрический
Для перехода от одной шкалы к другой пользуются следующими формулами: t
с
=
8
,
1 32

f
t
, t f
= 1,8 t с
+ 32, (4) где t с
- температура по шкале Цельсия, t f
- температура по шкале
Фаренгейта.
В теоретической метеорологии пользуются абсолютной шкалой (шкала
Кельвина), при которой точка таяния льда равна +273°, а точка кипения воды
+373°. Температура 0° по шкале Кельвина равна температуре -273° шкалы
Цельсия.
Для измерения температуры воздуха применяются следующие термометры:
1.
Термометр ртутный психрометрический (рис. 16). Длина термометра около 40 см. На стеклянной шкале молочного цвета нанесены деления через 0,2°, что позволяет делать отсчеты до 0,1°. Психрометрические термометры являются основными приборами, принятыми в метеорологии для измерения температуры и определения влажности воздуха.

34 2.
Максимальный термометр (рис. 17) служит для определения наивысших температур. Он отличается от обыкновенного ртутного тем, что в дно резервуара 1 впаивается стеклянный штифт 2, конец которого входит в капиллярную трубку 3, сужая входное отверстие. При повышении температуры ртуть под действием силы расширения, несмотря на сужение капилляра, свободно проходит из резервуара в капилляр (в капилляре вакуум). При понижении температуры ртуть уменьшается в объеме и в этот момент происходит разрыв ртути в месте сужения капилляра.
Действующими силами здесь являются силы молекулярного сцепления, которые не в состоянии преодолеть узкую часть капилляра и переместить ртуть в резервуар, т.е. термометр сохраняет свое максимальное показание.
После отсчета термометр необходимо подготовить к следующему наблюдению. Для этого термометр встряхивают, чтобы столбик ртути в капилляре соединить с ртутью в резервуаре.
Рис. 17. Максимальный термометр
Максимальный термометр устанавливается горизонтально, с небольшим наклоном в сторону резервуара.
3. Минимальный термометр, служит для определения самой низкой температуры за данный промежуток времени (рис. 18). Этот термометр спиртовой. В капиллярной трубке термометра, внутри спиртового столбика
1, помещен легкий штифт 2 из черного стекла. При понижении температуры спиртовой столбик укорачивается, мениск его приходит в соприкосновение с краем штифта и увлекает последний в сторону резервуара термометра.
Штифт настолько легок, что своим весом не может порвать пленку поверхностного натяжения спирта. При повышении температуры спиртовой столбик удлиняется и свободно обтекает штифт, который остается на месте, где он был при самой низкой температуре. Отсчет минимальной температуры производится по дальнему от резервуара концу штифта. После отсчета термометр переворачивают резервуаром вверх и в таком положении держат до тех пор, пока штифт дойдет до конца столбика спирта.

35
Рис. 18. Минимальный термометр
Минимальный термометр устанавливают горизонтально. При отсчетах сначала записывают показания по мениску спирта, затем показания по штифту.
4. Термометр низкоградусный спиртовой предназначен для измерения низких температур воздуха от -70 до +20 °С и устанавливается в психрометрической будке, если температура воздуха опускается ниже -15 °С.
Общие правила
ОТСЧЕТ ПОКАЗАНИЙ ТЕРМОМЕТРА. Отсчет производится с точностью до 0,1 0
. В ртутных термометрах отсчитывается крайнее положение вершины мениска, а в спиртовых – низшее положение точки мениска. Глаз наблюдателя должен находиться на одном уровне с концом столбика в капилляре. В полученный отсчет вводится поправка, взятая из поверочного свидетельства (сертификата) данного термометра.
УСТАНОВКА ТЕРМОМЕТРА. Термометр должен быть защищен от воздействия на него прямых солнечных лучей. В то же время защита не должна затруднять вентиляцию воздуха, чтобы не искажать состояния среды.
Деформационные термометры. Главной их частью является изогнутая биметаллическая пластинка, спаянная из двух тонких пластинок металлов, имеющих разные коэффициенты расширения. Один конец пластинки прикреплен неподвижно, а другой соединен со стрелкой, показывающей на шкале температуру в данный момент времени.
Для автоматической записи измерений температуры воздуха служит
термограф (рис. 19). Главной его частью также служит изогнутая биметаллическая пластинка 1. Один конец пластинки прикреплен неподвижно, а другой при помощи при помощи рычагов соединен со стрелкой 2, на конце которой имеется перо с чернилами. При повышении температуры пластинка разгибается. Эти движения передаются стрелке с

36 пером, вычерчивающим на ленте ход температуры воздуха. Лента навернута на барабан 3, внутри которого помещен часовой механизм, вращающий этот барабан. Полный оборот цилиндр может совершать за сутки или за неделю. В первом случае термограф называется суточным, во втором – недельным.
Начальное положение пера термографа устанавливается с помощью винта 4.
Рис. 19. Термограф: 1 – биметаллическая пластина, 2 – стрелка с пером, 3 – барабан, 4 – винт, 5 – зажимная пружина, 6 – рычаг
Ленты суточных самописцев имеют цену деления по горизонтальной шкале времени 15 мин., а недельные 2 часа. Цена деления вертикальной шкалы ленты термографа равна 1

Смену лент на суточном термографе производят каждые сутки, как правило, в 12-часовой срок наблюдений, а на недельном по понедельникам в тот же срок. Ленты с записью колебаний температуры воздуха
(термограммы) сохраняют и обрабатывают.
Для обработки записей термографа необходимо иметь сравнение его показаний с показаниями термометров. Для этого наблюдатель 3-4 раза в течение суток отсчитывает показания термографа и термометра и делает отметку времени. Одновременные отсчеты по термометру и термографу дают возможность определить те поправки, которые надо ввести к записям термографа, чтобы получить правильную температуру воздуха. Обрабатывая полученный материал, находим среднюю суточную температуру, максимальную и минимальную.
Электрические термометры по принципу действия делятся на два типа: сопротивления и термоэлектрические. Принцип действия

37 термометров сопротивления заключается в том, что сопротивление проводника электрическому току изменяется с изменением температуры.
При работе с металлическими термометрами сопротивления требуется источник постоянного тока. В качестве приемной части термометров сопротивления могут быть также использованы полупроводники
(термисторы).
В устройстве термоэлектрических термометров используется явление термотока. Явление термотока заключается в том, что в замкнутой цепи, составленной из разнородных по химическим и физическим свойствам проводников, существует электродвижущая сила (ЭДС). При одинаковой температуре двух соседних спаев их ЭДС равны по величине и противоположны по направлению, поэтому термоток в этой цепи отсутствует. Если же температуры спаев различны, то в цепи возникает термоток, который фиксируется по шкале гальванометра. Величина ЭДС при этом пропорциональна разности температур спаев.
Для изготовления термопар и термобатарей применяются: медь- константан, манганин-константан, платина-константан, железо-константан.
Контрольные вопросы
1. Какие типы термометров по принципу работы применяются в настоящее время для измерения температуры воздуха и почвы?
2. Особенности устройства максимального и минимального термометров.
3. Принципы устройства электрических термометров.
4. Каковы общие правила отсчетов показаний термометров?
5. Какие термометрические шкалы вы знаете?
6. Какими из имеющихся термометров и каким образом можно измерить температуру в момент наблюдения?
7. Какой из термометров более точный?
Тема № 5
ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА И МЕТОДЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Цель работы: Ознакомиться с основными методами измерения влажности воздуха и приборами, применяемыми для этого, научиться определять основные показатели влажности воздуха по формулам и психрометрическим таблицам.

38
Оборудование: аспирационный психрометр, волосной гигрометр, суточный гигрограф.
Общие понятия
Водяной пар является наиболее переменчивой и изменяющейся частью атмосферы. Отсюда и степень насыщения воздуха водяным паром также изменчива. Содержание водяного пара в атмосфере характеризуют следующие величины:
1. Упругость (или парциальное давление) водяного пара, содержащегося в воздухе (е, гПа, мб, мм рт. ст.).
2. Количество водяного пара, находящегося в воздухе (q, г/м
3
). Эту величину также называют абсолютной влажностью воздуха (a). Между "е" и "q" имеется соотношение, которое выражается формулой q =
t
e


1 06
,
1
(для е в мм рт. ст.) (5) или q =
t
e


1 8
,
0
(для е в мб, гПа), (6) где α – коэффициент расширения газов, равный 0,004 ; t – температура воздуха
3. Максимальная упругость водяного пара (Е, гПа, мб, мм). Это предельная величина упругости, которую сможет иметь пар при данной температуре. Данную величину также называют упругостью насыщения. В воздухе постоянно происходит два процесса – испарение и конденсация. При одинаковом количестве отрывающихся и возвращающихся к испаряющей поверхности молекул воздух и водяной пар в нем являются насыщенными. Испарение обычно происходит в том случае, когда воздух над испаряющей поверхностью не достиг состояния насыщения. Если же содержание водяного пара в воздухе больше необходимого насыщения, происходит конденсация.
4. Относительная влажность воздуха (f, %) – процентное отношение фактической упругости пара к максимальной упругости пара. Данная величина характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.

39 f =
%
100

E
e
. (7)
5. Дефицит влажности (d, гПа, мб, мм) – разность между максимальной и фактической упругостями водяного пара. d = Е – е . (8)
6. Точка росы (td) – это температура, при которой водяной пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным.
Методы измерения влажности воздуха
Психрометрический метод (психрос (греч.) – холодный) основан на зависимости интенсивности испарения с водной поверхности от дефицита насыщения водяного пара соприкасающегося с ней воздуха. На испарение воды затрачивается тепло фазового перехода (L). Оно берется от испаряющей массы, т.е. батиста термометра. Температура термометра за счет этого понижается.
Для измерения влажности воздуха служат психрометры. Применяются две его модели: станционный (обыкновенный) и аспирационный.
Станционный
психрометр состоит из двух одинаковых психрометрических термометров, закрепленных вертикально на особом штативе (рис. 20). Резервуар одного из термометров (обычно правый) обвязан батистом, конец которого опущен в стаканчик с дистиллированной водой. С поверхности "смоченного" термометра происходит испарение, и тем сильнее, чем меньше водяного пара в воздухе.
В результате «сухой» термометр показывает температуру воздуха, а
«смоченный» – собственную температуру, зависящую от интенсивности испарения с поверхности его резервуара. По показаниям «сухого» термометра и разности показаний «сухого» и «смоченного» термометров можно определить значения Е, е, f.
При температуре воздуха ниже 0 °С стаканчик с дистиллированной водой заносят в помещение станции и за 30 минут до срока наблюдатель должен смочить батист. При снятии показаний необходимо каждый раз отмечать состояние батиста смоченного термометра: была ли на нем переохлажденная вода или лед. При температуре ниже -10 ° С показания смоченного термометра не определяются, влажностные характеристики

40 находят по температуре сухого термометра и значениям гигрометра по специально составленной для холодного периода переводной таблице.
Рис. 20. Станционный психрометр; комплект приборов в психрометрической будке: станционный психрометр, волосной гигрометр, максимальный и минимальный термометры

41
Отсчеты по термометрам летом берут через 4 минуты, зимой через 30 минут.
Зимой за 4 мин. до отсчета нужно произвести вторичный завод механизма.
Рис. 21. Аспирационный психрометр: 1 – вентилятор, 2 – психрометрические термометры; 3 – груша с пипеткой для смачивания батиста; общий вид аспирационного психрометра в переносном футляре
Гигрометрический метод (гигро (греч.) – влажный) основан на свойстве некоторых тел менять свои линейные размеры (деформироваться) при изменении содержания в воздухе водяных паров. Такими свойствами обладает обезжиренный человеческий волос и различные органические пленки. Так, при изменении влажности от 0 до 100 % удлинение волоса составляет около 2,5 % его длины. Это и положено в основу работы гигрометров и гигрографов. В гигрометрах деформация волоса или пленки с

42 помощью системы рычагов передается на стрелочный указатель, а в гигрографах – на перо, с помощью которого производится запись на ленте вращающегося барабана. Все приборы этого типа относительные. Хотя их шкалы и отградуированы в значениях относительной влажности, в отсчеты по приборам надо вводить специальные поправки, полученные по результатам параллельных наблюдений по станционному психрометру.
Волосной гигрометр (рис. 22) служит для определения относительной влажности воздуха. Он основан на свойстве человеческого волоса изменять свою длину при изменении влажности воздуха. Устройство прибора простое.
Обезжиренный человеческий волос 1 длиной около 27 см закреплен регулировочным винтом 2 на верхней части металлической рамки, другой конец волоса прикреплен к блоку. На этом блоке находится укрепленный на конце рычажка небольшой грузик 4, который все время держит волос гигрометра в натянутом состоянии. Удлинение или укорочение волоса фиксируется стрелкой 5 по шкале 6.
Рис. 22. Гигрометр: 1 – обезжиренный волос, 2 – регулировочный винт, 3 – дужка, 4 – грузик, 5 – стрелка, 6 – шкала