Гидравлика, гидрология и метеорология (стр. 46 )

В сроки измерений наблюдатель становится с северной стороны и последовательно снимает показания, начиная с термометра, который установлен на глубине 5 см.

В ы т я ж н ы е  р т у т н ы е  т е р м о м е т р ы  служат для измерения температуры почвы на глубинах 20, 40, 60, 80, 120, 160, 240 и 320 см. Они имеют цену деления 0,2°.

С целью уменьшения влияния внешней среды в момент отсчета термометр 1 вмонтирован в специальную оправу 2 с металлическим колпачком 3 (рис. 17.5). Для лучшего теплового контакта и увеличения инерции термометра пространство между резервуаром термометра и стенками колпачка заполнено медными опилками. Оправа с термометром крепится на деревянной штанге 4, длина которой зависит от глубины установки термометра. Штанга заканчивается колпачком 5 с кольцом 6, за которое термометр вынимают из почвы.

Вытяжные термометры опускают в пластмассовые или эбонитовые трубки 7, погруженные в почву на необходимую глубину и имеющие на нижнем конце металлические наконечники 8. Термометр воспринимает температуру только того слоя почвы, на котором находится металлический наконечник.

Вытяжные термометры размещают на открытом месте с естественным покровом. С помощью бура делают скважины нужной глубины и в них устанавливают трубы 7 в один ряд через каждые 50 см в направлении с востока на запад. Трубы должны выступать над поверхностью почвы на 40…50 см во избежание заноса их снегом в зимний период. После установки труб в них опускают термометры. Чтобы почва вокруг термометров не уплотнялась, отсчет по ним производят со специального помоста, расположенного с северной стороны термометров.

Рис. 17.5. Термометр вытяжной: 1 – термометр; 2 – оправа; 3 – колпачок; 4 – штанга; 5 – колпачок; 6 – кольцо; 7 – трубка; 8 – наконечники

В сроки наблюдений термометры по очереди, начиная с наименьшей глубины, достают из трубки 7 за кольцо 6 и снимают отсчеты температуры. После этого термометр опускается в трубку. Наблюдения по термометрам на глубинах 60, 80, 120, 160, 320 см проводят на протяжении года один раз в сутки, днем, а на глубинах 20 и 40 см – во все сроки наблюдений.

Измерение температуры воздуха. На метеорологических станциях для измерения температуры воздуха применяются термометры: психрометрический (срочный), максимальный и минимальный. Для непрерывной регистрации температуры воздуха служит термограф.

П с и х р о м е т р и ч е с к и й  т е р м о м е т р. Температуру воздуха измеряют при помощи сухого термометра, который является частью психрометра, и в свою очередь предназначен для измерения влажности воздуха. Наиболее широкое применение получили два типа психрометров – станционные и аспирационные.

Психрометрический термометр – ртутный, с шаровидным резервуаром и металлическим колпачком в верхней части с ценой деления 0,2°. Станционный психрометр устанавливают в психрометрической будке 1 (рис. 17.6).

Рис. 17.6. Психрометрическая будка:

1 – будка; 2 – подставка; 3 – лесенка

Стенки психрометрической будки состоят из двойных жалюзи, расположенных одна над другой под углом 45° к горизонту. Жалюзийные стенки защищают термометры от прямого попадания солнечных лучей и вместе с тем не препятствуют свободному доступу воздуха. Будка ориентируется дверцей на север, чтобы во время отсчетов на термометры не падали солнечные лучи, и укрепляется на подставке 2 высотой 175 см. Для удобства отсчетов около будки устанавливают лесенку 3.

Внутри будки имеется штатив 6 (рис. 17.7), на котором крепятся вертикально два психрометрических термометра: слева – сухой 1, по которому определяют температуру воздуха, справа – смоченный 2. Максимальный 4 и минимальный 5 термометры располагают резервуарами к востоку на особые дугообразные лапки, прикрепленные к нижней перекладине штатива, причем максимальный термометр устанавливают в верхней паре лапок, а минимальный – в нижней паре лапок горизонтально.

После отсчета температуры максимальный термометр встряхивают и повторно делают второй отсчет. Штифтик минимального термометра подводят к мениску спирта.

Рис. 17.7. Установка термометров в психрометрической

будке: 1 – сухой термометр; 2 – смоченный термометр;

3 – волосной гигрометр; 4 – максимальный термометр;

5 – минимальный термометр; 6 – штатив

Т е р м о г р а ф  служит для непрерывной записи изменений температуры воздуха на протяжении суток или недели. Поэтому термографы бывают суточные и недельные. Он состоит из трех основных частей: приемной, передающей и регистрирующей (рис. 17.8). Приемником термографа является биметаллическая пластинка 1, изготовленная из металлов с различным термическим коэффициентом линейного расширения. В результате этого биметаллическая пластинка изгибается пропорционально изменению температуры. Один конец биметаллической пластинки закреплен неподвижно к колодке 2, а второй – перемещается. К свободному концу биметаллической пластинки прикреплен рычаг 3, который соединен тягой 4 с рычагом 5 коленчатого вала. Вторым рычагом коленчатого вала является стрелка 6, заканчивающаяся пером, которое касается ленты барабана 7. Перо заполняется специальными чернилами с примесью глицерина.

Рис. 17.8. Термограф биметаллический: 1 – пластинка; 2 – колодка;

3, 5 – рычаг; 4 – тяга; 6 – стрелка; 7 – барабан

Барабан вращается при помощи часового механизма вокруг оси, а перо, касаясь бумажной ленты, вычерчивает на ней график, который соответствует изменениям температуры воздуха.

Регистрирующая часть термографа – барабан 7 с часовым механизмом внутри. Благодаря часовому механизму барабан вращается вокруг неподвижной оси, укрепленной на основании корпуса. В зависимости от скорости вращения барабана термографы делятся на суточные и недельные.

Часовые механизмы бывают двух типов: суточные (продолжительность одного оборота барабана – 26 ч) и недельные (продолжительность одного оборота барабана – 176 ч). Бумажная лента термографа расчерчена прямыми горизонтальными и вертикальными дугообразными линиями. Горизонтальные линии образуют шкалу температуры с ценой деления 1°С. Вертикальные дугообразные линии образуют шкалу времени с ценой деления 15 мин для суточного термографа, 2 часа – для недельного. Перед запуском термографа на ленте делается засечка с указанием времени и температуры воздуха.

18. ВОЗДУХ И ВОДА В АТМОСФЕРЕ

18.1. Атмосферное давление и его измерение

А т м о с ф е р н о е  д а в л е н и е – это давление, оказываемое атмсоферой на все находящиеся в ней предметы и на земную поверхность. В метеорологии для измерения атмосферного давления используют единицу гектопаскаль (гПа). 1 гПа = 100 Па. В ряде стран используют такую единицу измерения, как миллибар (мб), которая соответствует гектопаскалю, т. е. 1 мб =1 гПа. Кроме того, во многих странах по традиции применяют внесистемную единицу измерения давления – миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.).

Многие процессы в атмосфере происходят настолько быстро, что теплообмен между воздушными массами незначителен и протекание их можно представлять по адиабатическому закону:

рVк = const,                                (18.1)

где к = 1,4 – показатель степени (показатель адиабаты).

В связи с этим внутренняя энергия какой-либо воздушной массы изменяется не за счет притока или оттока тепла, а за счет работы сжатия или расширения. При сжатии давление и температура повышаются, а при расширении – наоборот. При подъеме воздушных масс, который часто встречается в тропосфере, воздух, расширяясь, охлаждается и давление его падает. Сжатие воздуха ппроисходитобычно при его опускании, при этом его температура и давление повышаются.

Так как газы подчиныются тем же законам, что и жидкости, то  о с н о в н о е  у р а в н е н и е  с т а т и к и  а т м о с ф е р ы  получим, продифференцировав основное уравнение гидростатики (2.3):

р + сgz = const;

dp + сgdz = 0,

откуда

dp = – сgdz.                         (18.2)

Из этого уравнения видно, что при положительном приротсе высоты атмосферное давление падает. Уменьшение давления, приходящееся на единицу высоты

dp / dz = – сg,                        (18.3)

называется вертикальным барическим градиентом.

Подставив в формулу (18.2) выражение плотности сухого воздуха из уравнения газового состояния (15.3), получим

,

откуда

.                        (18.4)

Проинтегрируем уравнение (18.4):

;

или

                       (18.5)

Полученное уравнение (18.5) в метеорологии называют  б а р о-  м е т р и ч е с к о й  ф о р м у л о й. Она дает приблизительное решение ввиду принятых некоторых условностей (постоянство температуры Т на разных уровнях и пр.).

Основные метеорологические задачи, которые решаются с помощью барометрической формулы, приведены ниже.