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

43
Деления шкалы неравномерны: при небольших значениях влажности они крупнее, а при больших – мельче. Применение неравномерной шкалы обусловлено тем, что изменение длины волоса идет быстрее при малых величинах влажности и медленнее при больших ее значениях.
Прибор устанавливается в психрометрической будке на специальном штативе. Перед работой показания гигрометра сравнивают с показаниями психрометра и регулировочным винтом устанавливают стрелку на нужном делении. Волос всегда должен быть чистым. Отсчеты производят с точностью до 1 %.
С понижением температуры ниже -10 °
С волосной гигрометр служит единственным прибором для измерения влажности воздуха. Осенью для вычисления поправок гигрометра производят сравнение его показаний с показаниями психрометра.
Гигрометр рассчитан на работу при температурах окружающего воздуха от -50 до + 55

C.
Гигрограф (рис. 23) применяется для непрерывной регистрации относительной влажности воздуха. Гигрографы изготавливаются двух видов:
волосные (чувствительный элемент – человеческий волос) и пленочные
(чувствительный элемент – органическая пленка). Гигрографы могут быть с суточным и недельным заводом.
Рис. 23. Гигрограф: 1 – барабан, 2 – зажимная пружина, 3 – пучок волос, 4 – криволинейный рычаг, 5 – грузик, 6 – стрелка с пером
Приемником волосного гигрографа является пучок обезжиренных волос 3 (30-40 штук), натянутых между стойками. Укорачивание или удлинение этого пучка передается стрелке 6 с пером на конце, которое

44 чертит на ленте, навернутой на барабан с часовым механизмом 1, кривую относительной влажности воздуха.
Гигрограф является относительным прибором, поэтому его показания необходимо сравнивать с показаниями психрометра. Для этого во время отсчета по психрометру делают засечки времени на ленте гигрографа легким подъемом пера. Обработка ленты производится графическим методом по отсчетам гигрографа и данным психрометра, аналогично тому, как это делается для определения поправок волосного гигрометра.
Вычисления
Основные показатели влажности воздуха вычисляются по формулам, приведенным в начале описания лабораторной работы, а парциальное давление (упругость пара "е") по психрометрической формуле е = Е
1
- АР (t - t
1
), (9) где Е
1
– максимальная упругость пара при температуре смоченного термометра;
А – коэффициент, зависящий от скорости ветра.
Для обыкновенного психрометра А = 0,0008, а для аспирационного –
А=0,00066.
Р – давление воздуха; t – температура по сухому термометру; t
1
– температура по смоченному термометру.
При этом максимальная упругость водяного пара (Е и Е
1
) находится по таблицам, приведенным в прил. А, Б, используя показания температуры смоченного и сухого термометров.
На практике относительная и абсолютная влажность воздуха определяется по специальным психрометрическим таблицам. Приведенная в прил. В таблица дает возможность определить "Е", "е" и "f" по температуре сухого термометра и разности температур сухого и смоченного термометров.
Допустим, t = 10°, t
1
= 7° . Разность температур составляет 10° - 7° = 3°.
Пользуясь табл. 3, (прилож. 3), находим 10° (горизонтальная строка) и разность температур 3° (вертикальный столбец), что е = 8 мб, а f = 65 %. При t = 10°, Е = 12, 28 мб (прил. А). Температуру точки росы (td) находят по

45 таблицам прил. А, Б (обратным ходом), используя величину фактической упругости пара "е". Для е = 8,02 мб, td = 3,8°.
Психрометрические таблицы содержат 7 таблиц. Основной является табл. 2, рассчитанная по психрометрической формуле. Она состоит из колонок для определения температур (t) через 0,1°. Колонка состоит из пяти столбцов чисел. Первый столбец – значения температур смоченного термометра (t
1
), остальные – вычисленные для «воды» или «льда» значения td, e, f, d. Таблица рассчитана для давления атмосферы Р=1000 гПа, поправки
(Δе) к значениям парциального давления (е) на истинное давление атмосферы приведены в табл. 3а, 3б, 3в (для станционного психрометра) и 4а,
4б, 4в (для аспирационного психрометра): если P < 1000, то +Δe, а если P >
1000, то -Δe.
Задание 1
Измерить температуру и определить влажность воздуха с помощью аспирационного психрометра. Порядок выполнения:
1. Подготовить таблицу для записи наблюдений следующего вида:
Приборы
Отсчеты
Показатели влажности воздуха
Расчеты
Сухой термометр
Смоченный термометр
2.
Пользуясь данным руководством, ознакомиться с принципом устройства аспирационного психрометра. О том, насколько исправно работает психрометр, можно судить по скорости оборотов вентилятора. Для этого завести вентилятор до отказа и следить, когда в смотровом окошке появится метка на барабане, в этот момент пустить секундомер, затем быстро завести вновь вентилятор до конца и следить, когда опять появится метка на барабане, сделать отсчет времени одного оборота барабана. Сравнить полученное время с поверочным свидетельством, если расхождение в показаниях не превышает 5 секунд, вентилятор исправен.
3.
Определить цену деления термометров. Перевязать батист на правом термометре и произвести смачивание его. Завести вентилятор

46 психрометра и через 4 минуты произвести отсчеты сначала по сухому термометру, затем по смоченному.
При работе с аспирационным психрометром необходимо соблюдать следующие правила:
1) Быстро отсчитывать сначала десятые доли по сухому и смоченному термометрам, а затем целые градусы.
2) Во время отсчета наблюдатель должен стоять с подветренной стороны.
3) Браться руками за предохранительные трубки, класть или наклонять прибор во время работы категорически запрещается.
Задание 2
Решить одну из задач.
1. Температура воздуха (t) = -1,4º; относительная влажность воздуха (f)
– 88 %. Найти упругость водяного пара (е), количество водяного пара (q) , дефицит влаги (d) и точку росы (td).
2. Сколько граммов водяного пара содержится в 1 м
3
воздуха, если температура его (t) 21,5º, а относительная влажность (r) 55 %?
3. Температура воздуха 18,4º, а дефицит влажности (d) составляет 5 мм. Сколько граммов водяного пара содержится в 1 м
3 воздуха?
4. Относительная влажность воздуха (f) = 60 %, точка росы (td) = 0º.
Определить значение е, Е и t.
Контрольные вопросы
1. Назовите величины, характеризующие влажность воздуха?
2. В чем заключается сущность психрометрического метода определения влажности?
3. В чем заключается основное отличие аспирационного психрометра от психрометрического?
4. Принцип устройства волосного гигрометра, гигрографа.
5. Как производятся наблюдения за влажностью воздуха при температуре ниже -10 ºС ?
6. Могут ли показания смоченного термометра быть одинаковыми с показаниями сухого термометра?
7. Как учитывается влияние ветра и атмосферное давление при измерении влажности воздуха?

47
ТЕМА № 6
ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ.
БАРОМЕТРИЧЕСКОЕ НИВЕЛИРОВАНИЕ
Цель работы:
1. Ознакомиться с приборами, которые служат для измерения атмосферного давления.
2. Научиться определять поправки к показаниям шкалы барометров и находить истинное атмосферное давление.
3. Научиться приводить давление в любой точке земной поверхности к давлению на уровне моря.
Оборудование: ртутный барометр, металлический барометр (анероид), барограф.
Общие понятия
Воздух, окружающий землю имеет вес, который оказывает давление на поверхность земли и все предметы, находящиеся на ней. Это давление равно общему весу атмосферы. Давление вертикального столба воздуха единичного сечения, простирающегося через всю толщу атмосферы, равно давлению ртутного столба, высотой 760 мм (на уровне моря, при температуре 0 0
С). Т.к.
1 см
3
ртути при 0 0
С весит 13,6 г, то вес ртутного столба высотой 760 мм и сечением 1 см
2
составляет 1033,3 г, т.е. около 1 кг. Этот вес ртутного столба и уравновешивает нормальное атмосферное давление.
Единицами измерения атмосферного давления служат мм ртутного столба, а в настоящее время гектопаскаль (гПа) или миллибар (мб).
1 мм рт. ст. = 1,333 мб = 1,333 гПа
1 мб = 1 гПа = 0,75 мм рт. ст.
Методы измерения давления воздуха
Давление воздуха измеряется приборами, которые называются барометрами. Барометры бывают ртутные и металлические.
Ртутный барометр (рис. 24) состоит из запаянной сверху стеклянной трубки, нижний, открытый конец которой опущен в железную чашку с ртутью (1). В этой трубке устанавливается ртутный столбик, который своим весом уравновешивает давление воздуха. Трубка вместе с чашкой заключена в металлическую оправу, в верхней части которой имеется прорезь для

48 отсчета высоты столба ртути по шкале, нанесенной на оправу. На корпусе барометра закреплен срочный термометр (2). Для удобства и точности измерений отсчеты производятся с помощью подвижного нониуса (3).
В показания ртутного барометра вводят поправки: инструментальную, температурную и поправку на силу тяжести. Инструментальная поправка зависит от качества изготовления барометра. Она определяется из поверочного свидетельства, которое прилагается к барометру изготовителем.
Рис. 24. Ртутный барометр: 1 – чашка с ртутью, 2 – термометр, 3 – подвижный нониус; размещение ртутного барометра в треугольном ящичке на метеостанции
Температурная поправка вносится в показания барометра для того, чтобы исключить влияние температуры на показания барометров и сделать

49 их сравнимыми между собой. Показания термометра снимаются одновременно с показаниями барометра. Принято показания барометров приводить к температуре 0 º
С. Эта поправка берется из специальной таблицы, которая прилагается к каждому барометру (прил. Д).
Третья поправка – на силу тяжести. Она делится на две категории: на поправку, зависящую от широты места, и поправку, зависящую от высоты места над уровнем моря.
Поправка на широту места вводится потому, что вес тела вообще и вес тела ртути в частности, изменяется с широтой в зависимости от изменения напряжения силы тяжести. С приближением к экватору сила тяжести (и вес тела) уменьшается, по мере продвижения к полюсам – увеличивается.
Принято приводить показания ртутного барометра к среднему напряжению силы тяжести для полушария: на широте 45º. Эта поправка берется из специальной таблицы, прилагаемой к барометру (прил. Г).
Сила тяжести с увеличением высоты над уровнем моря уменьшается.
Поэтому высота ртутного столба, уравновешивающего давление атмосферы, по мере поднятия вверх увеличивается, т.е. увеличивается поправка на силу тяжести. Однако это увеличение невелико, и поправка достигает 0,1 гПа только на высоте 400 м.
Показания ртутного чашечного барометра отличаются высокой точностью. Но в практической жизни наиболее распространен металлический барометр или барометр-анероид как более удобный в обращении (рис. 25).
Главной частью барометра-анероида является металлическая тонкостенная с волнистой поверхностью коробочка 1, внутри которой воздух разрежен. При увеличении давления воздуха стенки коробки несколько сближаются, при уменьшении расходятся. Эти изменения при помощи рычагов передаются стрелке 2, которая изменяет свое положение на круговой шкале с делениями, соответствующими миллиметрам высоты ртутного столба.
В показания анероида вводятся три поправки: на шкалу, на температуру и добавочная. Первая поправка зависит от точности изготовления прибора, берется из поверочного свидетельства, приложенного к анероиду. Вторая поправка (на температуру) вводится для того, чтобы сделать показания анероидов сравнимыми. Для определения величины этой поправки пользуются формулой а = Кt , (10)

50 где К – так называемый температурный коэффициент, показывающий величину изменения показаний анероида при изменении его температуры на
1 ºС; t – температура анероида, определяемая по термометру анероида.
Рис. 25. Барометр – анероид: 1 – анероидная коробка, 2 – стрелка; общий вид барометра анероида
Третья поправка – добавочная – вводится в связи с тем, что показания анероида со временем изменяются вследствие изменения упругих свойств металлических частей анероида – коробки, пружины и др. Поэтому добавочную поправку иногда называют поправкой «на время». Величина этой поправки не постоянна, и время от времени необходимо показания анероида сличать для контроля с показаниями ртутного барометра.
Для непрерывной записи изменений атмосферного давления служит прибор, называемый барографом (рис. 26).
Приемная часть этого прибора состоит из нескольких анероидных коробок, наложенных одна на другую в виде столбика 1. При изменении давления стенки этих коробок несколько смещаются. Эти движения передаются при помощи системы рычагов стрелке с пером 2, в которое заливаются чернила. Изменения давления в виде кривой линии записываются пером на ленте, навернутой на барабан 3, внутри которого помещается часовой механизм. Барабан делает полный оборот вокруг своей оси в течение суток или недели, поэтому и барографы называются суточные или недельные.

51
Рис. 26. Барограф: 1 –анероидные коробки. 2 – стрелка с пером, 3 – барабан с часовым механизмом
Барометрическое нивелирование
Давление воздуха с высотой уменьшается, т.к. на каждую более высоко расположенную поверхность давит меньшая масса атмосферы. В нижнем слое атмосферы уменьшение давления ΔРпри увеличении высоты на Δh выражается основным уравнением статики:
ΔР = -ρ g Δh. (11)
При барометрическом нивелировании для расчетов превышения между двумя уровнями (до 1000 м) используется приближенная формула Бабине:
P
P
)
2
)
(
(1
P)
-
(P
2 8000 0
0 0







t
t
H

, (12)
где P
0
иPдавление воздуха на нижнем и верхнем уровнях соответственно; H
– разность высот этих двух уровней; t
0 и t – измеренная температура воздуха на нижнем и верхнем уровнях соответственно (°С); α – коэффициент расширения газов, равный 0,00366.

52
Изменение температуры с высотой принимается условно постоянным и равным вертикальному градиенту температуры в тропосфере: γ=0,65 °С/100 м.
Изменение давления с высотой характеризует барическая
(барометрическая) ступень. Барическая ступень – это высота, на которую нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на одну единицу (гПа, мб, мм рт. ст.). Вычисляется барическая ступень h(м/ гПа) по упрощённой формуле Бабине:
Pcm
)
(1 8000
t
h



, (13)
где tи Pсm – соответственно – средние температура и давление воздуха между двумя уровнями (или берут значения tи Pсm в той точке, для которой вычисляется барическая ступень h);
α – коэффициент расширения газов, равный 0,00366.
При t = 0 ºС:
Pcm
8000

h
(14)
Приведение атмосферного давления к уровню моря
Давление на уровне моря P
M
вычисляется по формуле
P
M
= Pcm + ΔР, (15) где Pcm – давление на метеостанции, ΔР(гПа) – поправка на приведение давления к уровню моря (изменение давления с высотой). Величину ΔР можно определить по высоте станции над уровнем моря H и барической ступени h: h
H


P
(16)
Тогда атмосферное давление на уровне моря выразится формулой: h
H


Pcm
P
M
(17)