Метеорологічні величини та атмосферні явища 1 Рівняння стану

Метеорологічні величини та атмосферні явища 1 Рівняння стану газу 2 3 4 5 Атмосферний тиск Температура повітря Вологість повітря Вітер і турбулентність 6 Атмосферні явища та прилади для їх вимірювання

Стан атмосфери у визначений момент часу характеризується фізичними параметрами – метеорологічними величинами і видимим проявом фізико хімічних процесів, що відбуваються в атмосфері – атмосферними явищами (явищами погоди). ПРИКЛАДИ Метеовеличини: тиск, температура, вологість, густина, напрям і швидкість вітру та ін. Атмосферні явища: хмари, опади, туман, гроза, град, ожеледь та ін.

1. Рівняння стану газу

Дані про газовий склад атмосферного повітря свідчать про його відносно постійний відсотковий вміст. Тому, питома газова стала сухого повітря становить R=287 м 2/(с2 К)=287 Дж/(с2 К) Фізичні властивості водяної пари практично близькі до властивостей ідеального газу. Тому, питома газова стала водяної пари становить R= 461 м 2/(с2 К)=461 Дж/(с2 К)

Внаслідок не постійного відсоткового вмісту водяної пари у повітрі в метеорологічній практиці обчислюють питому газову сталу Rв, що залежить від вмісту вологи у повітрі: Rв=Rс(1+0, 608 s) s – масова частка водяної пари в одиниці маси вологого повітря (г/кг, г/г, кг/кг). Таким чином, рівняння стану вологого повітря запишеться так: PV=Rс(1+0, 608 s)T

В метеопрактиці множник (1+0, 608 s) відносять до температури, вводячи поняття віртуальної температури (Тv): Тv=Т(1+0, 608 s) Віртуальна температура – це температура сухого повітря, яке має ту ж густину, що й дане вологе повітря при тому ж тиску.

2. Атмосферний тиск і прилади для його вимірювання Зв’язок між тиском, температурою і густиною зумовлений молекулярною природою газів, згідно з якою темпе ратура газу пропорційна середній кінетичній енергії руху молекул. А тиск газу це сума імпульсів сил, що діють при ударі молекул газу по поверхні стінок посудини, яка обмежує об'єм газу. Тобто, Р=nk. T n=N/V – кількість молекул повітря в одиниці об’єму; k – стала Больцмана, т. б. відношення універсальної газової сталої до числа Авогадро.

З рівняння: Тиск залежить від концентрації молекул, тобто: чим > n тим ____ Р температури, тобто чим > Т тим ____ Р

Тиск – це дія сили на одиницю площі, з якою стовп атмосфери притягується до Землі. У 1644 році Торічеллі довів його існування та визначив величину тиску з допомогою ртутного барометра. На честь Паскаля (відкрив закон, згідно якого тиск зовнішніми силами на поверхню рідини передається нею на всі боки однаково) одиницю виміру тиску в Міжнародній системі одиниць називають Паскалями (Па). 1 Па – це сила в 1 Ньютон, що діє на пощу в 1 м 2. В метеорології використовують величину у сто разів більшу: гектопаскалі (г. Па).

Розрахунки показують: qна кожний 1 см 2 поверхні Землі атмосфера 10 ньютон, 1 кілограм, а на тисне з силою приблизно тобто, як гиря масою кожний 1 м 2 10 тонн. людського тіла в середньому становить 1, 6 м 2, то на кожного з нас постійно діє "тягар" 16 тонн. qплоща поверхні

Прилади для вимірювання тиску Принцип дії ртутного барометра ґрунтується на зрівноважуванні атмосферного тиску масою ртутного стовпчика. Якщо скляну трубку, запаяну з одного кінця, погрузити відкритим кінцем в ртуть, то її частина виллється в чашку. Стовпчик висотою Н своєю вагою зрівноважить атмосферний тиск Ра: Ра =с. Нg. (с – густина ртуті, g – прискорення вільного падіння).

Барометр анероїд – деформаційний вид пристроїв без використання рідин, де чутливим елементом є анероїдна коробка (барокоробка). Барокоробка: а)розріз; б)вигляд зверху; 1 – мембрана; 2 центр мембрани; 3 ножка кріплення.

3. Температура повітря і прилади для її вимірювання

Температура повітря – це температура, яку показує термометр в умовах його повного теплового контакту й рівноваги з атмосферним повітрям і захисту від дії прямих сонячних променів. Вимірюється рідинними термометрами (ртутними, спиртовими) або електричними зі шкалами, у яких реперними точками є: Ø температура танення льоду і Ø температура кипіння води.

Прилади для вимірювання температури На метеостанціях вимірюють температуру Повітря Ґрунту Снігу Води. Принцип дії будь якого термометра базується на закономірній залежності фізичної властивості чутливого елементу від тмператури.

На метеорологічних станціях застосовують такі види термометрів: Ø рідинні – базуються на зміні об’єму рідини в залежності від температури; Ø деформаційні базуються на зміні лінійних розмірів твердих тіл із зміною температури; Ø електричні: Ø термометри спротиву – базуються на зміні електропровідності тіл у зв’язку із зміною температури; Ø термоелектричні термометри – базуються на зміні електрорушійної сили при зміні температури; Ø термотранзисторні термометри – базуються на залежності напруги транзистора від температури.

ВЛАСТИВОСТІ ТЕРМОМЕТРІВ: Ø коефіцієнт термічної інерції – час, за який початкова різниця температур термометра і середовища зменшується у рази, тобто К. І. виражає швидкість з якою покази термомера наближаються до температури середовища; Ø чутливість термометра величина одного градуса на шкалі термометра в мм.

1. Рідинні термометри : чутливий елемент ртуть, спирт, толуол Для вимірювання температури вище 35 ОС використовують ртутні термометри; а нижче цієї температури – ртутні і спиртові. Ø переваги ртуті: мала теплоємність, значна електропровідність, незмочуваність скла, висока температура кипіння. Недоліки ртуті: незначний коефіцієнт розширення, замерзає при температурі 38, 9 ОС. Ø недоліки спирту і толуолу: низькі температури кипіння (внаслідок чого вони випаровуються); змочують скло (впливає на точність показників);

1. 1 Термометр психрометричний ртутний метеорологічний ТМ 4 Застосовується для вимірювання температури і вологості повітря

1. 2 Термометр спиртовий метеорологічний максимальний ТМ 2 Максимальний термометр: 1 – шрифт; 2 – резервуар; 3 – капіляр (вище рідини заповнений вакуумом чи інертним газом)

1. 3 Термометр спиртовий метеорологічний мінімальний ТМ 2 Мінімальний термометр (а) і пристрій для збереження мінімальних значень (б): 1 – капіляр; 2 – штифт; 3 – меніск спирту Принцип дії: штифт легко рухається у спирті. Віддалений від резервуару його кінець вказує на мін температуру.

1. 4 Термометр – пращ ртутний метеорологічний ТМ 8 1 – термометр; 2 – шнур. Використовується для вимірювання температури в польових умовах. До шарика в кінці термометра кріпиться шнур з петлею. Одягнувши її на вказівний палець термометр крутять над головою горизонтально із швидкістю 1 2 обертів на секунду. Після 100 оборотів беруть відлік не торкаючись термомера руками і повернувшись спиною до Сонця. Повторюють до точності 0, 2 0, 3 ОС.

1. 5 Термометри ртутний метеорологічний грунтово глибинний ТМ 10 1 і 7 – металічні ковпачки; 2 – термометр; 3 – вінілпластовий футляр; 4 – дерев’яний стержень; 5 – ковпачок з кільцем; 6 – ебонітова труба.

Вимірювання температури ґрунту Загальний вигляд установки для вимірювання температури ґрунту. Ділянка розміром 6 х8 м з природним рослинним покривом в пд сх частині метеомайданчику. Витяжні термометри встановлюються по лінії схід захід на відстані 50 см один від одного на глибинах 0, 20; 0, 40; 0, 80; 1, 20; 1, 60; 2, 40; 3, 20 м.

2. Деформаційні термометри : чутливий елемент – пластина з двох металів різними коефіцієнтами теплового розширення (інвар і сталь) Інвар (сплав заліза з нікелем) має менший коефіцієнт розширення. При підвищенні температури пластина прогинається таким чином, що інвар ввігнеться, а при зниженні – навпаки. Такі чутливі елементи використовуються в термографах, радіозондах та інших приладах.

q Термограф метеорологічний М 16 Призначений для безперервної фіксації температури на основі деформації біметалічної пластини.

Психрометрична будка 1 – штатив; 2 – сухий термометр; 3 – змочений термометр; 4 – стаканчик з дистильованою водою; 5 – гігрометр волосяний; 6 – максимальний термометр; 7 – мінімальний термометр.

4. Вологість повітря і прилади для її вимірювання Вміст водяної пари в атмосфері оцінюється з допомогою характеристик вологості повітря або гігрометричних величин: v Парціальний тиск водяної пари (е) це тиск водяної пари, пропорційний її густині (масі в одиниці об'єму) та її абсолютній температурі: е=аn. Rn. T (г. Па) аn густина водяної пари; Rn – питома газова стала водяної пари; T – абсолютна температура. При стані насичення е = Е.

Прилади для вимірювання вологості: психрометр, гігрометр Психрометричний метод базується на вимірюванні вологості повітря за пониженням температури тіла при випаровуванні з його поверхні, за рахунок витрат тепла. В психрометрі використовуються два термометри. Резервуар одного з них обгорнутий змочуваним батистом. При випаровуванні з поверхні батисту, температура змоченого термометра буде нижча за температуру сухого.

Гігрометричний метод базується на властивості тіл адсорбувати водяну пару з повітря і в результаті цього змінювати фізичні властивості. Види гігрометрів: деформаційні (волосяний і плівковий), вагові, дифузивні, конденсаційні, електролітичні. Гігрометр волосяний 1 – рамка; 2 – стрілка; 3 – хвостовик; 4 – скоба; 5 – гайка; 7 – гвинт; 9 – шкала; 10 – волос

Гігрометр плівковий – базується на властивості гігроскопічної органічної плівки змінювати свої лінійні розміри в залежності від вологості повітря. Гігрограф пристрій для безперервної реєстрації відносної вологості повітря. Чутливим елементом є пучок волосся.

5. Вітер і турбулентність. Прилади для вимірювання напряму і швидкості вітру Вітер – рух повітря відносно земної поверхні (по горизонталі). Вертикальну складову цього руху називають vвертикальним потоком vвертикальною швид кістю vвисхідним та низхідним рухами повітря.

Рух повітря породжується дією кількох сил. Головною є горизонтальна складова градієнта тиску, зумовлена нерівномірним розподілом тиску в горизонтальній площині. Відмінність атмосферних рухів полягає в тому, що рух окремих частинок повітря неупорядкований, хаотичний і називається турбу лентним Ці . елементи турбулентності не молекули, а досить великі об'єми повітря, лінійні розміри яких вимірюються сантиметрами, десятками метрів. Турбулентність виникає внаслідок різниці швидкості вітру в суміжних шарах повітря. Вона особливо велика в низьких шарах атмосфери, де швидкість вітру різко збільшується з висотою.

Вітер характеризується 1. швидкістю (м/с, км/год, вузли, умовні одиниці (бали)) 2. напрямком v в румбах (за 16 румбовою шкалою): північ; північ - північний схід; схід - південний схід; південь — південний захід; захід північний захід; північ - північний захід), v в градусах кута, що утворюється меридіаном та горизонтальною складовою вектора швидкості вітру. Відлік здійснюється за годинниковою стрілкою (0° або 360° з півночі, 90° зі сходу, 180° з півдня, 270° з заходу).

Прилади для вимірювання вітру: анемометри, анеморумбометри. Флюгер вимірює середню швидкість, максимальні пориви, напрямок вітру. 1 – дошка приймач швидкості вітру; 2 – датчик швидкості вітру; 3 – флюгарка; 4 – роза вітрів; 5 – стовпчик.

Анеморумбометр вимірює середню за 10 хв швидкість вітру, миттєву і максимальну швидкість вітру і усереднене значення напряму вітру. а) датчик швидкості і напрямку вітру; б) вимірювальний пульт. 1 – повітряний гвинт; 2 – флюгер; 3 – поворотна частина; 4 – нерухома частина; 5 – стержень орієнтований на північ.

Анемометри ручні а) механічний; б) індукційний

6. Атмосферні явища розділяють на такі групи: 1. Гідрометеори – є скупченням рідких і твердих або тих та інших разом часток води, завислих у повітрі (хмари, тумани), що випадають в атмосфері (опади), що осідають на предметах біля земної поверхні або в атмосфері (роса, іній, ожеледь, паморозь), або піднятих вітром з поверхні землі (хуртовини). 2. Літометеори – скупчення твердих (не водних) частинок, які піднімаються вітром із земної поверхні та переносяться на деяку відстань або зависають у повітрі (курний поземок, пилова буря та ін. ).

3. Електричні явища, до яких належать прояви дії атмосферної електрики, які ми бачимо або чуємо (блискавка, грім). 4. Оптичні явища в атмосфері, що виникають у результаті відбиття, заломлення, розсіювання та дифракції сонячного або місячного світла (гало, міраж та ін. ). 5. Некласифіковані (різні) явища в атмосфері, які важко віднести до будь якого виду, вказаного вище (шквал, вихор, смерч).

Запитання для самоперевірки 1. У чому відмінність лиж поняттями "метеорологічна величина " та "атмосферне явище "? 2. Дайте визначення атмосферного тиску та густини повітря. Назвіть одиниці вимірювання тиску. 3. У чому полягає фізичний зміст основного рівняння статики атмосфери? 4. Дайте визначення температури повітря. У яких одиницях вона вимірюється? 5. Як відбувається процес пароутворення? У якому випадку він припиниться? 6. Як температура впливає на сумарну масу молекул води в повітрі? 7. Дайте визначення масової частки водяної пари. 8. Дайте визначення парціального тиску, тиску насичення та дефіциту вологості. Який зв'язок між цими величинами? 9. Якщо відомі ті величини, що названі в попередньому запитанні, то як обчислити відносну вологість? 10. Дайте визначення вітру. 11. Як оцінюють напрямок та швидкість вітру?