И продовольствия республики беларусь главное управление образования, науки и кадров

Измерение температуры почвы. На метеорологических станциях наблюдения за температурой почвы осуществляются как на поверхности почвы, так и на различных глубинах. Для этого выбирают площадку размером 46 м, которую очищают от травяного покрова, а почву взрыхляют.

Рис. 2.1. Приспособление для

отсчета минимальной температуры.
Штифтик подобран таким образом, что силы трения его о стенки капилляра больше силы расширения спирта и меньше силы поверхностного натяжения спирта. Поэтому при повышении температуры спирт, расширяясь, свободно обтекает штифт, а при понижении температуры, как только поверхностная пленка дойдет до штифтика, последний перемещается этой пленкой в сторону резервуара. Движется он до тех пор, пока температура понижается. При повышении температуры движение его прекращается. Положение конца штифта, который наиболее удален от резервуара, показывает по шкале минимальную температуру, а мениск спирта – температуру в данный срок измерения. Для приведения минимального термометра в рабочее положение резервуар термометра приподнимают вверх и держат до тех пор, пока штифт не соприкоснется с мениском спирта.

Максимальный термометр служит для измерения самой высокой (максимальной) температуры за период между сроками наблюдений. Это ртутный термометр с цилиндрическим резервуаром и вставной шкалой. Цена деления шкалы 0,5°. Показания максимальных значений температуры этим термометром сохраняются благодаря стеклянному штифту 2, который впаивается в дно резервуара 1 (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Приспособление для сохранения

максимальных показаний термометра.

Для измерения температуры почвы на различных глубинах применяют ртутные коленчатые термометры Савинова и вытяжные термометры.

Термометры Савинова устанавливают на одной площадке с термометрами для измерения температуры поверхности почвы в направлении с востока на запад. Их устанавливают весной после оттаивания почвы и убирают осенью. Для установки каждого коленчатого термометра выкапывают траншею в виде трапеции АВСD (рис.2.3).

Северная сторона АВ траншеи отвесная. В ней в углубления, параллельно поверхности почвы, вставляют резервуары термометров по мере возрастания глубины. После установки необходимо проверить угол наклона выступающей части термометра к поверхности почвы. Этот угол должен быть равен 45°. Затем траншею засыпают землей, сохраняя последовательность вынутых пластов.

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

термометров Савинова.

С целью уменьшения влияния внешней среды в момент отсчета термометр 1 вмонтирован в специальную оправу 2 с металлическим колпачком 3 (рис. 2.4). 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.

Рис. 2.4. Термометр вытяжной.

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.

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.

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. 2.5).

Рис. 2.5. Психрометрическая будка.

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. 2.6), 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 папок горизонтально.

Рис. 2.6. Установка термометров в

психрометрической будке.

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

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.
Задачи лабораторной работы
1. Произвести обработку ленты термографа (суточного хода изменения температуры воздуха).

2. Построить графики годового хода температуры почвы на различных глубинах по данным одной из метеостанций.

3. Построить графики годового хода среднемесячной температуры воздуха, абсолютного максимума и абсолютного минимума температуры воздуха по данным одной из метеостанций.
Порядок выполнения работы
Подготовка термографа к работе.
1. На барабан термографа накладывают ленту и закрепляют ее специальной пружиной.

2. В таком виде барабан надевают на неподвижную ось корпуса и к нему подводят стрелку с пером.

3. В месте установки пера на ленте засечками отмечают время и температуру воздуха в данный момент.

4. Заводят часовой механизм на сутки и закрывают крышку термографа.

5. На открытой площадке термограф устанавливают в жалюзийной будке.

6. По истечении суток на ленте самописца отмечают время окончания записи и температуру воздуха. После этого производится обработка ленты термографа.

2. Снимают и записывают в таблицу ежечасовые показания температуры термографа с точностью до 0,1°С.

3. Заносят в таблицу действительные значения температуры воздуха, полученные в сроки наблюдений по сухому термометру психрометра.

4. Вычисляют разность между действительными значениями температуры, полученными в «сроки» наблюдений, и показаниями термографа. Эта разность температур представляет собой поправку к показаниям записи термографа в сроки наблюдений.

5. Определяют поправки для всех остальных часов в промежутке между сроками наблюдений. Для этого необходимо найти разность поправок двух соседних сроков наблюдений и разделить эту разность на количество часов между ними с точностью до 0,01. Полученная величина будет средним значением поправки термографа за каждый час.

Например, поправка в 12 ч была –0,4°, в 18 ч стала + 0,2°. За 6 ч работы поправка изменилась на 0,6° (от – 0,4 до 0,2°) а за 1час – на 0,1°. Зная изменение поправки за 1 ч, можно рассчитать значение поправок для каждого часа. В нашем примере получаются следующие величины.

6. Алгебраически суммируя поправку с показаниями термографа в соответствующие часы, получают исправленные значения температуры по термографу. Аналогичная работа проводится и для других участков ленты термографа.

7. Определяют по графику на ленте самое высокое (абсолютный максимум) и самое низкое (абсолютный минимум) значения температуры воздуха с учетом поправок, отмечают время наступления экстремальных температур, определяют амплитуду суточных температур воздуха.

По данным одной из метеостанций (приложение 1) построить графики годового хода температуры почвы на различных глубинах. Определить величину годовой амплитуды, месяц начала и время (в сутках) опоздания максимума и минимума для каждой глубины.

Используя данные одной из метеостанций (приложение 2), построить графики годового хода среднемесячной температуры воздуха, абсолютного максимума и абсолютного минимума температуры воздуха.

Контрольные вопросы
1. Какие типы термометров используются в метеорологии?

2. Устройство и принцип работы жидкостных термометров.

3. Температурные шкалы. Переход от температуры одной шкалы к другой.

4. Устройство и принцип работы термометров для измерения температуры поверхности почвы (срочный, максимальный и минимальный).

5. Почвенные термометры и их устройство.

6. Термометры для измерения температуры воздуха.

7. Назначение и устройство термометра.

8. Последовательность обработки ленты термографа.

Содержание водяного пара в воздухе характеризуется следующими величинами: абсолютной влажностью, парциальным давлением (упругостью) водяного пара, относительной влажностью, дефицитом упругости водяного пара, точкой росы.

Парциальное давление в Международной системе единиц СИ измеряется в гПа. 1гПа = 100 Па, парциальное давление может также измеряться в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.), 1 мм рт. ст. = =1,33гПа.

Между абсолютной влажностью и парциальным давлением существует зависимость

, (3.1)
где а – абсолютная влажность, г/м³;

е – парциальное давление водяного пара, гПа;

t – температура воздуха, °С,

α – объемный коэффициент теплового расширения воздуха,С^–1. α = 0,00366 С^–1.

Парциальное давление (упругость) водяного пара, находящегося в воздухе, может возрастать до определенного предела, который называется давлением (упругостью) насыщенного водяного пара Е. Вычисленные значения давления насыщенного водяного пара над плоской поверхностью чистой воды представлены в приложении 3.

Парциальное давление (упругость) водяного пара вычисляется по психрометрической формуле
е = Е´ – А Р (t – t´), (3.2)
где е – парциальное давление (упругость) водяного пара, гПа;

Е´– давление (упругость) насыщенного водяного пара, взятое по показаниям смоченного термометра, гПа (прилож.3);

Р – атмосферное давление, гПа;

t – температура сухого термометра, С;

t´ – температура смоченного термометра, С;

А – психрометрический коэффициент, зависящий от скорости движения воздуха около резервуара смоченного термометра, С^–1.

Для станционного психрометра А = 0,0007947 С ^–1 , для аспирационного А = 0,000662 С ^–1 .

При f = 100 % фактическая температура воздуха совпадает с точкой росы. Зная парциальное давление водяного столба е, можно определить точку росы t_d по таблицам упругости насыщенного водяного пара Е (приложение 3).

Влажность воздуха может быть измерена несколькими методами. Наибольшее распространение получили психрометрический и гигрометрический методы. Приборы, которые используются при измерении влажности воздуха психрометрическим методом, называются психрометрами.

Психрометрический метод. Влажность воздуха определяется по разности показаний двух одинаковых психрометрических термометров– сухого и смоченного. С поверхности резервуара смоченного термометра происходит испарение, которое зависит от влажности окружающего воздуха. Чем суше воздух, тем интенсивнее испарение с резервуара смоченного термометра и тем ниже его показания по сравнению с сухим термометром. Следовательно, по разности показаний сухого и смоченного термометров можно определить влажность воздуха.

Гигрометрический метод измерения влажности воздуха основан на использовании свойства обезжиренного человеческого волоса менять свою длину при изменении влажности окружающего воздуха. Удлинение волоса с изменением относительной влажности воздуха происходит неравномерно.

Станционный психрометр состоит из двух одинаковых психрометров с ценой деления 0,2°, помещенных рядом на особом штативе в психрометрической будке и стаканчика для дистиллированной воды (см. рис. 2.5). Левый термометр – «сухой», предназначен для измерения температуры воздуха, а правый – «смоченный», служит для измерения температуры собственного резервуара. Резервуар смоченного термометра плотно обернут батистом, нижний конец которого погружен в стаканчик с дистиллированной водой 2. При помощи батиста обеспечивается капиллярное поступление воды к поверхности резервуара и беспрерывное поддержание его во влажном состоянии.

Отсчеты по психрометрическим термометрам производят быстро, причем сначала отсчитывают десятые доли, а потом целые градусы. Для определения влажности воздуха психрометры используются при температурах не ниже – 10°С.

При температуре ниже 0°С батист обрезают на 2 – 3 мм ниже термометра и стаканчик с водой убирают. Смачивают батист за 30 мин до отсчета водой комнатной температуры, погружая резервуар смоченного термометра в стаканчик. Стаканчик убирают после того, как температура смоченного термометра повысится на 2 – 3° выше 0°; это значит, что лед на батисте растаял.

Аспирационный психрометр очень удобен для измерения влажности воздуха в полевых условиях. По принципу действия он аналогичен станционному.

Аспирационный психрометр (рис. 3.1) состоит из двух одинаковых психрометрических термометров 1 и 2 с резервуарами цилиндрической формы.

Термометры закреплены в оправе, состоящей из трубки 3, раздваивающейся книзу на две трубочки 5, 6, планок 4 и аспиратора 7. В трубочках 5, 6 имеются еще внутренние трубки 11, 12, в которых помещаются резервуары термометров. Двойные трубки защищают резервуары от нагревания солнечными лучами. Чтобы тепло от корпуса не передавалось к резервуарам, трубки изолируются от него пластмассовыми кольцами 9, 10. Важной частью аспиратора является пружина, которую заводят ключом 8. В результате работы аспиратора вокруг резервуаров термометров создается постоянный ток воздуха со скоростью 2 м/с. Поэтому показания прибора не зависят от скорости ветра.

Рис. 3.1. Аспирационный психрометр.

Психрометр подвешивают за железный крюк-подвес 13, который может быть ввинчен в деревянный столб на требуемую высоту.

Для смачивания батиста пользуются резиновой грушей 14 со стеклянной пипеткой 15 и зажимом 16.