3. 2. 2. Измерение температуры воздуха

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 4

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

УДК 551.5(075.8)

ББК 26.23я73 КТК 165 М 79

Федеральная целевая программа «Культура России» (подпрограмма «Поддержка полиграфии и книгоиздания России»)

Рецензенты: доктор географических наук В.М. Савкин, кандидат географических наук В. М. Топоров

Моргунов В. К.

М 79 Основы метеорологии, климатологии. Метеорологические приборы и методы наблюдений: Учебник / В. К. Моргунов. — Ростов/Д. : Феникс. — Новосибирск: Сибирское соглашение, 2005. — 331 с. — с ил. (Высшее образование).

ISBN 5-222-06627-4 (Феникс)

ISBN 5-98029-020-6 (Сибирское соглашение)

Излагаются основы метеорологии и общей климатологии, физические процессы, происходящие в атмосфере, уделено вни­мание основным понятиям синоптической метеорологии, во­просам загрязнения атмосферы и экологическим последствиям.

Рассмотрены физические принципы действия и устройство метеорологических приборов и методов их применения, организа­ция метеорологических наблюдений и метеорологическое об­служивание народного хозяйства. Сетевые приборы в системе Рос­гидромета даны по состоянию на 2005 г. Кратко представлены перспективы развития технических средств для наблюдений за атмосферными процессами.

Для студентов вузов, обучающихся по специальностям: 280302 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов», 280103 «Защита в чрезвычайных ситуациях».

ISBN 5-222-06627-4 (Феникс)

ISBN 5-98029-020-6 (Сибирское соглашение)

УДК 551.5(075.8) ББК 26.23я73

© В.К. Моргунов, 2005 © «Феникс», 2005 © ООО «Издательство Сибирское соглашение, оригинал-макет, 2005

ВВЕДЕНИЕ

Метеорология - это наука об атмосфере: о ее строении, свойствах и протекающих в ней процессах. Метеорология входит в состав геофизических наук.

С момента своего зарождения человечество всегда под­вергалось благоприятным и неблагоприятным воздействи­ям атмосферы. И в настоящее время, несмотря на высокий уровень научно-технического прогресса и, как следствие, большую защищенность людей от природных катаклизмов, такие стихийные бедствия, как засуха, катастрофические наводнения, поражают хозяйственную деятельность целых государств. Значительный урон наносят различным отрас­лям народного хозяйства и более локальные, но зато более часто встречающиеся явления - пыльные бури, ливни, гра­добития, грозы, заморозки, метели, туманы, ураганы и др.

Ход метеорологических процессов оказывает влияние на все стороны жизни: определяет гидрологический режим водных объектов; без метеорологической информации не могут обойтись авиация, морской, железнодорожный и ав­томобильный транспорт; от погодных условий зависят коммунальные службы городов, сельскохозяйственное производство.

Погода влияет на самочувствие людей и их работоспо­собность. В последние десятилетия исключительное значе­ние приобрела проблема взаимодействия человека и при­родной среды. И прежде всего это относится к загрязнению атмосферы и вод промышленными выбросами.

В задачи современной метеорологии входят: повсемест­ные и непрерывные метеорологические наблюдения; обоб­щение и изучение материалов наблюдений с целью уста-

4___________________________________________________ ВВЕДЕНИЕ

новления причин изменений метеорологических элементов и явлений погоды, установление законов, управляющих их развитием; разработка методов предсказания погоды; обес­печение отраслей народного хозяйства информацией о текущем состоянии погодных условий, их прогнозирование на будущее.

В последние годы в метеорологии решается задача ак­тивного воздействия на атмосферу с целью улучшения климата и управления погодой. Сложную проблему пред­ставляют долгосрочные прогнозы погоды. На метеороло­гию возложена также задача контроля загрязнения природ­ной среды.

Совершенствование методов прогнозирования погоды приносит большой экономический эффект. По подсчетам Всемирной метеорологической организации (ВМО), один доллар США, вложенный в метеорологическую службу, приносит десять долларов в виде экономического эффекта, в результате учета метеорологической информации при планировании хозяйственной деятельности, прежде всего в результате предупреждения о таких опасных явлениях, как наводнения, засуха, ураганы и др.

Процессы, происходящие в атмосфере, развиваются в основном в результате превращения энергии, поступающей от Солнца. При изучении этих процессов широко исполь­зуются законы различных областей физики (гидромехани­ки, термодинамики, учения о лучистой энергии и т.д.).

На современном этапе развития метеорологии из нее выделилось несколько частных дисциплин, изучающих различные стороны атмосферных процессов. К таким дис­циплинам относятся прежде всего физика атмосферы, изу­чающая физические закономерности атмосферных явлений; синоптическая метеорология, изучающая формирование погоды и разрабатывающая методы ее предсказания; дина­мическая метеорология, изучающая теоретические вопросы физики атмосферы на основе решения математических уравнений гидродинамики, термодинамики и др.

Большой раздел метеорологии, посвященный климату, обособился в дисциплину «Климатология», в которой изу­чаются закономерности формирования климатов, их рас­пределения по земному шару и изменения в прошлом и бу­дущем. Климатология, являясь разделом метеорологии, од­новременно входит в состав географических наук.

В процессе использования метеорологических сведений выделились прикладные разделы метеорологии. Важней­шие из них: сельскохозяйственная метеорология (агромете­орология), авиационная метеорология, морская метео­рология, космическая метеорология, военная метеорология, медицинская и биометеорология и др.

В метеорологии находят применение такие основные методы исследований, как метод наблюдений, метод экспе­римента, теоретический метод. До настоящего времени преобладающим является метод наблюдений: на наземных метеорологических, аэрологических станциях осуществля­ются регулярные наблюдения. Для этих же целей приме­няются самолеты, ракеты, космические аппараты и другие средства. Полученные данные о фактическом состоянии атмосферы используются в научных целях и для обеспече­ния народного хозяйства информацией о текущем состоя­нии погоды и для ее предсказания на будущее.

Экспериментальные исследования проводятся как в ла­бораторных, так и в природных условиях. Опыты в лабора­торных условиях позволяют детально изучить взаимосвязи между отдельными факторами, наблюдаемыми в каком- либо метеорологическом процессе. Например, в специаль­ных камерах можно имитировать процессы облакообразо- вания при температурах и давлениях, соответствующих высотам 5-6 км. Также исследуются электрические, акусти­ческие и другие явления.

Экспериментальные исследования в натурных условиях по активному воздействию на метеорологические процессы выполняются с целью разработки практических методов создания и рассеяния облаков, туманов, стимулирования или предотвращения осадков, борьбы с градом и др.

Теоретические методы базируются на использовании математических моделей различных атмосферных процес­сов. Важнейшим направлением этого метода является со­вершенствование техники прогнозов погоды. Начало исто­рии развития метеорологии уходит в глубокую древность.

Упоминания о различных атмосферных явлениях встре­чаются у большинства народов древности. Из летописей

средневековья до нас дошли сведения о различных явлени­ях природы, в том числе: бурях, грозах, ранних снегопадах, сильных морозах, наводнениях и т.д. В эпоху великих гео­графических открытий (XV и XVI вв.) появились климати­ческие описания открываемых стран.

Научное изучение атмосферы началось с XVII в. и сов­падало с периодом бурного развития естественных наук. Были изобретены: термометр (Галилей, 1597 г.), барометр (Торичелли, 1643 г.), дождемер, флюгер. М.В.Ломоносов в середине XVIII в. изобрел анемометр для измерения скоро­сти ветра, разработал схему образования грозы.

Регулярные метеорологические наблюдения в России начали проводиться при Петре I. В 1849 г. в России было открыто первое в мире научное метеорологическое учреж­дение - Главная физическая (ныне Геофизическая) обсер­ватория им. А.И. Воейкова. В XIX в. начинает развиваться сеть метеорологических станций. В 50-е годы XIX в. полу­чила развитие синоптическая метеорология.

Основой для изучения атмосферных процессов и ис­пользования этих знаний для практических целей служат наблюдения за фактическим состоянием воздушной среды на сети метеорологических станций. В России во второй половине XIX в. стала создаваться сеть наземных станций, развитие которой связано с именами Г.И. Вильда и М.А. Рыкачева.

С появлением летательных аппаратов люди получили возможность изучения атмосферы в слоях, удаленных от земной поверхности. Позже такие наблюдения приобрели регулярный характер.

В 1930 г. советский ученый П.А. Молчанов изобрел ра­диозонд, что позволило дополнить наземные наблюдения на метеорологических станциях аэрологическими наблю­дениями.

С середины XX в. в практику метеорологических на­блюдений стали входить метеорологические радиолокато­ры, ракетное зондирование атмосферы. Современные про­гнозы погоды не обходятся без информации, получаемой с метеорологических искусственных спутников Земли.

Успехи изучения физических процессов в атмосфере тесно связаны с достижениями в таких разделах физики,

как: учение о газах, учение об излучении, гидростатика, гидродинамика, термодинамика, на базе которых были за­ложены основы динамической метеорологии.

В 50-е годы XIX в. зародилось новое направление в ме­теорологии - синоптическая метеорология.

В 20-е годы XX столетия норвежскими учеными В. Бьеркнесом и Я. Бьеркнесом было создано учение о воз­душных массах и атмосферных фронтах, что продвинуло вперед синоптические методы прогнозов погоды.

Важнейшее значение для развития долгосрочных прогнозов погоды имел метод советского ученого Мульта- новского.

Важный этап в развитии климатологии - внедрение кар­тографического метода: с его помощью оказалось возмож­ным выявлять основные закономерности распределения метеорологических элементов на больших пространствах, соизмеримых с материками. Первая карта изотерм земного шара была составлена А. Гумбольтом (1817 г.), а карты изотерм января и июля - французскими учеными. Первые карты изобар, отображающие распределение атмосферного давления, были построены Буханом в 1869 г.

Одна из первых классификаций климатов, получившая широкое практическое применение, была предложена В.П. Кеппеном.

Основоположником климатологии в России был А.И. Воейков (1842-1916 гг.). Его работы «Ветры земного шара», «Климаты земного шара» и др. определили уровень не только российской, но и мировой науки о климате и не потеряли научного значения до настоящего времени. Име­нем А.И. Воейкова названа Главная геофизическая обсерва­тория (ГГО) в Санкт-Петербурге - научное учреждение ми­рового уровня.

Современный уровень метеорологической науки и тех­нические средства позволяют оказывать влияние на неко­торые атмосферные процессы, направляя их в нужную для человека сторону. В частности, используя достижения в области физики облаков, стало возможным осуществлять активные воздействия на облакообразование, туманообра- зование, стимулировать выпадение осадков или предот­вращать выпадение опасных ливневых дождей и града.

Большой вклад в развитие современной климатологии внесли: Л.С. Берг, Б.П. Алисов, С.П. Хромов, М.И. Будыко, О.А. Дроздов и многие другие ученые.

Следующий этап развития метеорологической службы в нашей стране начался с принятия в 1921 г. декрета «Об ор­ганизации метеорологической службы в РСФСР». В 1929 г. Совет народных комиссаров принял решение об объедине­нии метеорологической и гидрологической служб и созда­нии Единой государственной гидрометеорологической службы.

В 1978 г. Главное управление гидрометеорологической службы было реорганизовано в Государственный комитет по гидрометеорологии и контролю природной среды.

В связи с нарастающими темпами загрязнения окру­жающей среды, особенно за последние 50-60 лет, в значи­тельной мере под воздействием хозяйственной деятельно­сти человека возникла необходимость контроля и управ­ления процессами антропогенного загрязнения. Для этого в нашей стране, как и в других развитых странах, была соз­дана специальная служба, занимающаяся контролем за­грязнения природной среды, включая атмосферный воздух.

В настоящее время на территории России органом госу­дарственного управления в области гидрометеорологии и контроля за загрязнением природной среды является Феде­ральная служба России по гидрометеорологии и монито­рингу окружающей среды.

Г лава 1

ОСНОВЫ МЕТЕОРОЛОГИИ

1.1. СОСТАВ И СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

Состав атмосферы. Атмосфера - это газообразная воздушная оболочка, окутывающая Землю. Воздух пред­ставляет собой механическую смесь газов, с содержанием водяного пара, капель воды, кристаллов льда и других твердых частиц.

Воздух, лишенный водяного пара, называется сухим. Состав сухого воздуха до высот 25-100 км на всем земном шаре одинаков. В нем содержится азот (78,09 %), кислород (20,95 %), аргон (0,93 %). На все остальные газы, среди ко­торых основную долю занимает углекислый газ, приходит­ся 0,03 %. В ничтожных количествах в воздухе присутст­вуют (в порядке убывания): неон, гелий, метан, водород, озон, аммиак, радон и др. Выше 100 км появляется атомар­ный кислород, а на высотах более 300 км он становится преобладающим. Выше 1000 км атмосфера состоит в ос­новном из гелия и водорода, с преобладанием атомарного водорода.

Исключительно важную роль имеет озон, поглощающий неблагоприятную для живых организмов и растений часть ультрафиолетового излучения Солнца. У земной поверхно­сти озон содержится в небольших количествах: образуется в результате грозовых разрядов. Наибольшее его количест­во в стратосфере (озоносфере) от 10 до 50 км с максимумом в слое на высотах 20-25 км. В этом слое под действием ультрафиолетового излучения Солнца двухатомные моле-

Г лава 3

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ

3.1. ТРЕБОВАНИЯ К МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИМ

ПРИБОРАМ И МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛОЩАДКЕ

Средства измерений, применяемые для определения значений метеорологических величин, называются метео­рологическими. Каждый измерительный прибор состоит из нескольких элементов, последовательно преобразующих измеряемую величину в сигнал, воспринимаемый зритель­но или регистрирующим устройством.

Среда, в которой проводятся метеорологические изме­рения, характеризуется многими физическими величинами, поэтому измерительный прибор находится под воздействи­ем не только измеряемой величины, но и других величин, что может повлиять на результат измерений. Устранение побочных влияний достигается введением дополнительных устройств, нейтрализующих эти влияния, или приведением показаний прибора к нормальным, единым для данного ви­да измерений, условиям.

Метеорологические приборы используются на всей тер­ритории нашей страны, включая удаленные, труднодоступ­ные пункты. Поэтому ко всем метеорологическим прибо­рам, предназначенным для работы в естественных условиях (за небольшим исключением), предъявляются требования безотказной работы во всех климатических зонах (тем­пература от -60 до +50 °С, высокая влажность воздуха, вы­падение жидких и твердых осадков, наличие тумана, запы­

ленность воздуха, большие ветровые нагрузки). Кроме то­го, требуется высокая надежность приборов при длитель­ной эксплуатации, возможность их перевозки всеми видами транспорта. Приборы должны сохранять в течение дли­тельного времени (не менее года) свои характеристики, по­треблять возможно меньше энергии, а в ряде случаев - иметь автономные источники питания.

Для обеспечения единства и достоверности измерений все метеорологические приборы с определенной периодич­ностью поверяются. Поверка состоит в определении попра­вок к отсчетам по шкале прибора или переводного коэффи­циента прибора путем сравнения его показаний с показа­ниями образцового измерительного средства. По результа­там поверки оформляется поверочное свидетельство, в ко­тором даются заключение о пригодности прибора для ис­пользования, поправки и переводные коэффициенты.

Поверка приборов входит в обязанности метрологиче­ских подразделений (служба средств измерений - ССИ) Г идрометслужбы.

Каждая метеорологическая станция имеет метеорологи­ческую площадку для размещения приборов и служебное помещение, расположенное не далее 300 м от площадки.

Площадка прямоугольная, размером 26 х 26 м, с ориен­тацией сторон север-юг, восток-запад. Площадки, на кото­рых проводятся также и актинометрические наблюдения, имеют размеры 26 х 36 м с ориентацией длинной стороны с севера на юг. Место для площадки по физико-географи­ческим характеристикам должно быть типичным для окру­жающей местности радиусом 20-30 км с тем, чтобы на­блюдения были репрезентативными. Расстояние от пло­щадки до невысоких строений, групп деревьев должно быть не менее 10-кратной их высоты, а от сплошного леса и сплошной городской застройки - не менее 20-кратной. Площадка должна находиться от оврагов, обрывов на рас­стоянии десятков метров, а от уреза воды - не менее 100 м. Во избежание нарушения естественного покрова на метео­площадке разрешается ходить к приборам только по до­рожкам. Для определения высотного положения приборов, в частности барометра, в районе площадки имеется репер.

Для обеспечения единства измерений приборы на пло­щадке размещаются строго по схеме согласно «Наставле­нию...». Приборы устанавливаются в определенном поряд­ке и ориентации по отношению к странам света и на опре­деленной высоте над поверхностью земли. Ограда площад­ки и все вспомогательное оборудование (подставки, будки, лестницы, столбы, мачты и т.п.) окрашиваются в белый цвет для предотвращения их чрезмерного нагревания солнечными лучами, что может повлиять на точность измерений.

3.2. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

3.2.1. ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ,

ВИДЫ ТЕРМОМЕТРОВ

На метеорологических станциях измеряют темпера­туру воздуха, почвы, снега, воды. Для получения сопоста­вимых численных значений температуры используются температурные шкалы, построение которых основано на реперных (опорных) точках. В большинстве практических шкал реперными точками являются точка таяния льда и точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

Первый термометр, изобретение которого приписывает­ся Галилею (1598 г.), шкалы не имел. Впоследствии в ме­теорологии получили распространение различные шкалы, которые предложили Фаренгейт (1715 г.), Реомюр (1736 г.), Цельсий (1748 г.), Кельвин (1848 г.).

Градус температурной шкалы Фаренгейта (F) составляет 1/180 интервала между точками таяния льда и кипения во­ды, которым присвоены значения 32 и 212° соответственно; градус температурной шкалы Реомюра (R) - 1/80 интервала между точками таяния льда и кипения воды, которым при­своены значения соответственно 0 и 80°; градус темпера­турной шкалы Цельсия (°С) составляет 1/100 интервала между точками таяния льда и кипения воды, которым при­своены значения соответственно 0 и 100°.

По шкале Кельвина точке плавления льда соответствует температура 273,15 °К. Связь между температурой по шка­ле Кельвина (Т) и температурой по шкале Цельсия (С) име­ет вид:

t°_c = Г- 273,15.

В практической метеорологии в нашей стране и боль­шинстве стран Европы пользуются шкалой Цельсия, а в США, Англии и ряде других стран - шкалой Фаренгейта. Переход от одной шкалы к другой делается по формулам:

/JU|(f®-32); #«|(# + 32).

Шкала Реомюра к настоящему времени вышла из упот­ребления.

Принцип действия любого термометра основан на зако­номерной зависимости некоторого выбранного физическо­го свойства чувствительного элемента от температуры. На метеорологической сети находят применение следующие виды термометров:

1) жидкостные - действие их основано на изменении объема жидкости при изменении температуры;

2) деформационные - действие основано на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры;

3) электрические:

а) термометры сопротивления - действие основано на изменении электропороводности тел с изменением темпе­ратуры;

б) термоэлектрические - действие основано на измене­нии электродвижущей силы при изменении разности тем­ператур спаев;

в) термотранзисторные термометры - действие основано на зависимости напряжения эмиттер-база транзистора от температуры.

Важными свойствами термометра являются его терми­ческая инерция и чувствительность. Любой термометр по­казывает температуру своего чувствительного элемента. Мри изменении температуры среды помещенный в нее тер­мометр должен принять температуру этой среды, но на это

ВПК Моргунов

требуется определенное время, поэтому происходит отста­вание показаний термометра от температуры среды, кото­рое характеризуется коэффициентом инерции термометра.

Коэффициент термической инерции термометра - это время, за которое первоначальная разность температур термометра и среды уменьшается в е раз (е - основание на­турального логарифма). То есть коэффициент инерции вы­ражает скорость, с которой показания термометра прибли­жаются к температуре среды.

Величина коэффициента инерции прямо пропорцио­нальна массе чувствительного элемента термометра, его удельной теплоемкости и обратно пропорциональна его поверхности и коэффициенту внешнего теплообмена, кото­рый зависит от теплоемкости, вязкости окружающей среды и ее движения относительно термоприемника. Так, психро­метрический термометр, имеющий температуру (-10 °С), принесенный в помещение с температурой (20 °С) при ско­рости вентиляции 1 м/с, будет показывать температуру воз­духа с необходимой точностью только через 25 мин.

Чувствительность термометра - это величина одного градуса на шкале термометра в миллиметрах. Чувствитель­ность жидкостных термометров (см. ниже) зависит от ко­эффициента объемного расширения жидкости и термомет­рического стекла, от объема резервуара и поперечного се­чения капилляра термометра.

Цена деления - это количество градусов, приходящееся на наименьшее деление шкалы термометра.

Длина градусного деления на шкале термометра тем больше, чем больше объем резервуара и меньше сечение капилляра. Однако при чрезмерно малом сечении капилля­ра на перемещение в нем жидкости может оказывать влия­ние сила трения о стенки капилляра, а резервуар большого объема ведет к увеличению термической инерции, и сам может оказывать влияние на температуру окружающей его среды. Поэтому при конструировании термометров исходят из компромиссного решения, стремясь получить требуемую чувствительность при допустимой инерции.

Жидкостные термометры. Это наиболее распростра­ненный тип термометров, применяемых в метеорологии.

Термометр состоит из резервуара, соединенного с ка­пилляром, противоположный конец которого запаян. Ре­зервуар с термической жидкостью может иметь форму ци­линдрическую, шарообразную и др. У большинства термо­метров шкала нанесена на пластинку из матового стекла, скрепленную с капилляром. Шкала и капилляр заключены в защитную стеклянную оболочку. Так устроен термометр со вставной шкалой. Шкала может быть нанесена и на на­ружной поверхности толстостенного капилляра (палочный термометр). Объем капилляра над жидкостью может иметь вакуум или заполняться инертным газом.

При изменении температуры изменяется объем жидко­сти, что сказывается на высоте столбика жидкости в капил­ляре. Это и позволяет по шкале определять температуру.

Основными свойствами термометрической жидкости, определяющими ее использование в термометрах, являются коэффициент расширения, удельная теплоемкость, тепло­проводность, способность смачивать стекло. Чем больше коэффициент расширения, тем большую чувствительность можно получить. Чем меньше удельная теплоемкость, тем меньше термическая инерция термометра при той же массе жидкости в резервуаре. Снижению инерции способствует также и больший коэффициент теплопроводности. Способ­ность жидкости смачивать стекло ведет к занижению пока­заний термометра, так как часть жидкости остается на стенках капилляра.

В метеорологических термометрах в качестве термомет­рической жидкости применяют ртуть, спирт, толуол. Ртуть как термометрическая жидкость имеет ряд достоинств: ма­лая теплоемкость, большая теплопроводность, отсутствие смачивания стекла. Все это позволяет изготавливать тер­мометры высокой точности. Единственным недостатком ргути является сравнительно небольшой коэффициент расширения, у спирта и толуола он значительно больше. Кроме того, ртуть обладает высокой температурой кипения (+356,9 °С), благодаря чему в интервале температур у зем­ной поверхности не происходит испарения, как у спирта и толуола. Но ртуть замерзает при температуре -38,9 °С. Поэтому при низких температурах приходится пользовать ся спиртовыми и толуоловыми термометрами. Но эти

жидкости, имея сравнительно низкие точки кипения (спирт +78,5 °С, толуол +110,5 °С), мало пригодны для измерения высоких положительных температур. Кроме того, спирт и толуол смачивают стекло, что влияет на точность показа­ний термометра.

В жидкостных термометрах мы наблюдаем не истинное расширение жидкости, а только кажущееся, которое явля­ется разностью между расширением жидкости и стекла ка­пилляра резервуара. Поэтому термометры изготавливают из специального термометрического стекла с небольшим и по возможности стабильным коэффициентом расширения.

К метеорологическим термометрам предъявляются вы­сокие требования по точности и сохранности градуировоч­ных характеристик. Однако с течением времени вследствие деформаций стекла эти характеристики меняются.

Различают медленные и временные их изменения. При­чиной первых является медленное (годами) уменьшение деформаций термометра, полученных им при высоких тем­пературах в процессе его изготовления. Временные измене­ния возникают от деформаций при кратковременных нагре­ваниях в процессе его эксплуатации. Эти деформации зату­хают до исчезновения в течение 15-20 дней.

Для учета этих изменений по определенному регламен­ту производится поверка термометров в ССИ (Служба средств измерений). Каждый поверенный термометр снаб­жается поверочным свидетельством, а на самом термометре наносится клеймо о поверке. В поверочном свидетельстве поправки к показаниям термометра даются «При» и «От и до». Поправки «При» даются через каждые 10 °С с точно­стью до 0,01 °С, а поправки «От и до» - по отдельным уча­сткам шкалы, для которых ее принимают постоянной с точностью до 0,1 °С.

При измерении температуры метеорологическими тер­мометрами отсчеты производят с точностью до 0,1 °С неза­висимо от цены деления шкалы. При отсчете глаз должен располагаться так, чтобы визирная линия была перпен­дикулярна капилляру и проходила через верхнюю (ниж­нюю) точку мениска ртути (спирта). Отсчеты следует де­лать быстро. В первую очередь отсчитывают десятые доли градуса, а затем целые градусы. Такая последовательность отсчетов уменьшает влияние наблюдателя на термометр.

Для измерения температуры выше -35 °С применяют ртутные термометры, а ниже этой температуры - спиртовые или толуоловые. Измерение температуры выше 25 °С спир­товыми и толуоловыми термометрами не рекомендуется, так как при более высокой температуре эти жидкости частично испаряются, что ведет к занижению показаний термометра.

Деформационные термометры. В метеорологии в ос­новном применяются биметаллические деформационные термометры, чувствительным элементом которых является пластинка из двух металлов с различными коэффициентами теплового расширения. Обычно это инвар и сталь. Инвар имеет меньший коэффициент расширения. При повышении температуры пластинка прогнется таким образом, что ин­вар окажется с вогнутой стороны, а при понижении темпе­ратуры пластинка прогнется в обратную сторону.

Если один конец биметаллической пластинки закрепить неподвижно, то при изменении температуры ее свободный конец будет перемещаться пропорционально изменению температуры. Поэтому биметаллические термометры име­ют равномерную шкалу.

Биметаллические чувствительные элементы использу­ются в термографах, радиозондах и некоторых других при­борах.

Электрические термометры. В эту группу включены термометры сопротивления, термоэлектрические и термо­транзисторные.

Термометры сопротивления. Принцип действия этого термометра основан на свойстве материалов менять элек­трическое сопротивление (проводимость) с изменением тем­пературы. В качестве первичных преобразователей исполь­зуют металлические проволочные и полупроводниковые терморезисторы. Для металлических терморезисторов темпе­ратурная зависимость может быть выражена формулой:

R, = Ло(1 + аО,

где R_t - сопротивление проводника при температуре t °С; R₀ - сопротивление при О °С; а - температурный коэффи­циент сопротивления металла.

Датчик термометра сопротивления представляет собой тонкую проволоку из чистого металла (медь, платина, ни-

кель), намотанную на каркас и помещенную в герметиче­ски защищенный кожух (длина 10-20 см, диаметр около 1 см).

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) из­готавливают из полупроводниковых материалов, обладаю­щих большим температурным коэффициентом. В отличие от металлов, у термисторов сопротивление с ростом темпе­ратуры убывает. Температурный коэффициент у термисто­ров в среднем в 10 раз больше, чем у металлов. Поэтому термометры с полупроводниковыми терморезисторами бо­лее чувствительными, чем с металлическими. Однако из-за нелинейной зависимости сопротивления от температуры полупроводниковый термометр имеет неравномерную шкалу. Кроме того, связь между сопротивлением и темпе­ратурой не стабильна. В настоящее время эти термометры применяют для массовых измерений, не требующих высо­кой точности (с точностью до 1 °С).

Измерение температуры с помощью термометров со­противления сводится к измерению сопротивления, для че­го используются уравновешенные или неуравновешенные мосты. В первом случае градуировка реохорда выполнена в градусах, во втором - оцифрована в градусах шкала гальва­нометра.

В метеорологии термометры сопротивления находят применение при дистанционных измерениях температуры воздуха, почвы. Длина кабеля до 120 м и более.

Термоэлектрические термометры. В этих термометрах используется термоэлектрический эффект, состоящий в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных металлов, по концам соединенных между собой (места соединений называются спаями), возникает электродвижущая сила, пропорциональная разности температур спаев. Сила тока измеряется чувствительным гальванометром.

В метеорологии термоэлектрические термометры ис­пользуются для измерения градиентов температуры, а так­же для измерения температуры воздуха, почвы и воды. В случае измерения температуры «холодный спай» поддер­живается при постоянной температуре или его температура должна измеряться вспомогательным термометром.

Термоэлектрический принцип находит применение и в ряде других приборов, например в актинометрических.

Термометры с термоэлементами в некоторых случаях имеют преимущества перед другими термометрами, осо­бенно при измерении разности температур. Они могут обеспечить измерение во всем диапазоне температур, встречающихся в метеорологии. Им не требуется источник питания. Их существенным недостатком является малая чувствительность.

Термотранзисторные термометры. Термотранзисто­рами называют транзисторы, применяемые в качестве пер­вичных преобразователей температуры. Температура опре­деляется по напряжению эмиттер-база. Могут применяться при температуре от-70 °С до +200 С. Термотранзисторы обладают стабильностью, линейностью, высокой чувстви­тельностью.

3.2.2. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА

Термометр психрометрический ртутный метео­рологический ТМ-4. Предназначен для измерения темпера­туры воздуха, а также используется в психрометре для оп­ределения влажности воздуха (отсюда и его название «пси­хрометрический»), Это ртутный термометр со вставной шкалой (рис. 3.1), длина термометра 410 мм, диаметр 17 мм, резервуар шарообразный диаметром 9-12 мм, капилляр круглый с наружным диаметром 2,5 мм. Про­странство над ртутью заполнено азотом. Для установки термометра в штативе на верхнем конце стеклянной обо­лочки имеется металлический колпачок. Числовые отметки шкалы нанесены через 5 °С. Пределы измерений: от -35 до +40 °С или от -25 до +50 °С, цена деления шкалы 0,2 °С. Погрешность измерения: при температуре от 0 до +50 °С не более ±0,2 °С, при температуре от 0 до -35 °С не более ±0,4°С. Коэффициент инерции в малоподвижном воздухе составляет около 300 с.

Термометр спиртовый метеороло­гический низкоградусный ТМ-9. Так как

ртуть замерзает при температуре -39 °С, то для определения температуры воздуха ниже -35 °С применяется специальный спирто­вый термометр, так называемый дополни­тельный (к ртутному психрометрическому). Этот термометр отличается от психромет­рического тем, что в нем используется спирт. Резервуар цилиндрический диамет­ром 6 мм. Пределы измерений: от -65 до +25 °С или от -75 до +25 °С. Цена деления шкалы 0,5 °С. Погрешность измерения при температуре от +20 до -20 °С не более ± 0,5 °С; при температуре -70 °С не более ±2,5 °С. Как только температура воздуха начнет опускаться ниже -20 °С, наблюде­ния по дополнительному спиртовому тер­мометру следует проводить параллельно с использованием психрометрического ртут­ного термометра. Это необходимо для оп­ределения так называемой добавочной по­правки для спиртового термометра.

Термометр ртутный мет еорол иг и ч е- ский максимальный ТМ-1 (рис. 3.2). Пред­назначен для определения максимального значения температуры за какой-либо про­межуток времени (на метеостанциях между сроками наблюдений).

Е>

Рис. 3.2. Термометр ртутный максимальный ТМ-1: 1 - штифт, 2 - резервуар, 3 - капилляр

Это термометр со вставной шкалой длиной 340 мм, диа­метром 18 мм. Резервуар цилиндрической формы диамет­ром около 8 мм. В капилляре над ртутью создан вакуум. Пределы измерений от -35 до +50 °С или от -20 до +70 °С. Цена деления 0,5 °С. Погрешность измерения: при темпе­ратуре от -10 до +50 °С не более ±0,4 °С; при температуре -30 °С не более ± 0,8 °С.

Показания максимальных значений температуры этим термометром сохраняются с помощью стеклянного штифта, прикрепленного ко дну резервуара, и вакуума в капилляре над ртутью. При повышении температуры избыток ртути вытесняется из резервуара в капилляр через узкое коль­цевое отверстие между штифтом и стенками капилляра и остается там при понижении температуры, поскольку мо­лекулярных сил сцепления ртути недостаточно для преодо­ления сопротивления в месте сужения. Таким образом, по­ложение верхнего конца столбика ртути в капилляре отно­сительно шкалы соответствует максимальной температуре.

Для подготовки максимального термометра к следую­щему измерению его берут за середину и, держа резервуа­ром вниз, делают несколько резких взмахов рукой, встря­хивая термометр так, чтобы перегнать часть ртути из ка­пилляра в резервуар. После этого показания термометра не должны отличаться от показаний психрометрического тер­мометра более чем на 0,2 °С. Затем термометр укладывают на место с небольшим наклоном в сторону резервуара (ре­зервуар на 1-2 см ниже противоположного конца).

Термометр спиртовый метеорологический мини­мальный ТМ-2 (рис. 3.3). Предназначен для определения минимальной температуры за какой-либо промежуток вре­мени (на метеостанциях за промежуток времени между сроками наблюдений). Это термометр со вставной шкалой, длиной 340 мм, диаметром 19 мм. Резервуар цилиндриче­ский диаметром 7-10 мм. Пределы измерений от -75 до +21 °С; от -61 до +31 °С; от -51 до +31 °С; от -41 до +41 °С. Цена деления шкалы 0,5 °С. Погрешность измере­ния: при температуре +40 до -20 °С не более ±0,5 °С; при температуре ниже —60 °С не более ± 2,0 °С.

Рис. 3.3. Термометр спиртовым минимальный ТМ-2:

1 - капилляр, 2 - штифт, 3 - мениск спирта

Термометрическая жидкость - спирт. Внутри спирта в капилляре находится небольшой штифт из темного стекла, имеющий на своих концах утолщение в форме булавочных головок. Штифт может свободно перемещаться в спирте.

Подготавливая минимальный термометр к измерениям, его наклоняют резервуаром кверху и ждут, пока штифт дойдет до мениска спирта в капилляре. Затем термометр кладут горизонтально. При понижении температуры по­верхностная пленка спирта будет увлекать штифт в сторону резервуара, так как сила трения головок штифта о стенки капилляра меньше силы поверхностного натяжения пленки. При повышении температуры спирт, расширяясь, будет обтекать штифт, не сдвигая его с места. Сила трения голо­вок о стенки капилляра удерживает его на месте. Таким образом, дальний от резервуара конец штифта укажет ми­нимальную температуру.

Термометр-пращ ртутный метеорологический ТМ-8 (рис. 3.4). Предназначен для измерения температуры воз­духа при метеорологических наблюдениях. Термометр па­лочного типа, представляющий собой толстостенный ка­пилляр с расширенным концом, переходящим в резервуар. Шкала нанесена на наружной поверхности капилляра. Дли­на термометра 190 мм, диаметр 8 мм. Интервал измерений: от -30 до +50 °С; от -35 до +40 °С. Цена деления шкалы 1 °С. Погрешность измерений: при температуре от -10 до +50 °С не болеет ± 0,5 °С; при температуре -30 °С не более ±0,8 °С.

1 термометр; 2 шнур

К шарику на конце термометра крепится шнур длиной около 0,5 м с петлей на конце. Надев петлю на указатель­ный палец, вращают термометр над головой в горизонталь­ной плоскости со скоростью не более одного-двух оборотов в секунду. После 100 оборотов берут отсчет, не касаясь термометра руками и повернувшись спиной к Солнцу, а затем продолжают вращение и заканчивают его после дос­тижения сходимости отсчетов в пределах 0,2-0,3 °С.

Термограф метеорологический М-16 (рис. 3.5). Пред­назначен для непрерывной регистрации изменений темпе­ратуры воздуха в пределах от -45 до +55 °С, погрешность измерения ±1 °С.

Прибор состоит из чувствительного элемента - биме­таллической пластинки, передаточного механизма, регист­рирующей части и корпуса.

Температурные деформации биметаллической пластин­ки через систему рычагов передаются на стрелку, на конце которой имеется перо в виде небольшой пирамидки, запол-

няемой специальными чернилами и вершиной обращенной к диаграммной ленте, закрепленной на барабане. Весь ме­ханизм смонтирован на металлической плате, на которой укреплена ось с неподвижной шестерней. Вращение бара­бана происходит в результате обкатывания маленькой шес­терни, приводимой в движение пружиной часового меха­низма, по шестерне, закрепленной неподвижно на плате. Диаграммная лента крепится на барабане с помощью за­жимной пружины (рис. 3.6, а).

а - внешний вид: 1 - заводной ключ; 2 - корпус барабана; 3 - зажимная пружина; б - разрез: 1 - заводной ключ; 2 - барабан; 3 - неподвижная шестерня; 4 - шестерня, вращаемая часовым механизмом (трибка);

5 - барабан с пружиной

Часовые механизмы выпускаются суточные с продол­жительностью одного оборота барабана 26 ч, и недельные с продолжительностью одного оборота 176 ч.

Диаграммная лента разделена по вертикали гори­зонтальными параллельными линиями с ценой деления 1 °С, а по горизонтали - вертикальными дугообразными линиями с ценой деления 15 мин для суточного термографа и 2 ч для недельного. Прибор имеет приспособление, с по­мощью которого на диаграммной ленте пером стрелки можно делать отметки (засечки) времени записи, не откры­вая корпуса прибора. Отметки наносятся нажатием кнопки. Начальная установка пера стрелки на требуемое деление диаграммной ленты осуществляется вращением установоч­ного винта (см. рис. 3.5, а).