И продовольствия республики беларусь главное управление образования, науки и кадров

Волосной гигрометр устанавливают в психрометрической будке между сухим и смоченным термометрами (см. рис. 2.5). Перед подготовкой гигрометра к работе стрелку устанавливают соответственно показаниям психрометра. Отсчеты по гигрометру производят с точностью до 1%. Волосной гигрометр – относительный прибор, поэтому в его показания вводят поправку, которую получают путем сравнения показаний гигрометра с показаниями психрометра.

Приемной частью волосного гигрографа, которая реагирует на изменение относительной влажности, является пучок обезжиренных человеческих волос 1, расположенных в рамке, что располагается за пределами корпуса прибора. Изменения длины пучка волос передаются через систему рычагов 3, 4 на стрелку 5, на конце которой крепится перо 6. В средней части пучок волос оттянут крючком 2, соединенным с криволинейным рычагом 3, способным вращаться вокруг своей оси. Криволинейный рычаг 3 скользит по другому криволинейному рычагу 4, который имеет общую со стрелкой 5 ось. Для регулировки точности записи пера 6 служит установочный винт 7, при помощи которого регулируется необходимое натяжение пучка волос. При увеличении относительной влажности пучок волос удлиняется, а стрелка с пером перемещается вниз вдоль ленты барабана.

Для подготовки гигрографа к работе заводят часовой механизм, накладывают на барабан ленту, на которой отмечают время установки, и ставят перо на заданное время и соответствующую влажность с помощью установочного винта 7.

Так как гигрограф является относительным прибором, то результаты измерения гигрографа сравнивают с показаниями психрометра. Для этой цели в сроки наблюдений по психрометру легким подъемом пера делают засечки на ленте гигрографа.

Обработка ленты гигрографа производится графическим способом. Для этого строят график по отсчетам психрометра и отсчетам, снятым с ленты гигрографа: по оси абсцисс откладывают относительную влажность воздуха по гигрографу, по оси ординат – относительную влажность по психрометру [2]. Среди полученных точек на графике проводят линию, по которой определяют исправленные показания гигрографа. Дальнейшая обработка ленты заключается в том, что, пользуясь графиком, для каждого показания гигрографа, снятого с ленты, находят с точностью до 1% соответствующее ему значение по психрометру и заносят в таблицу.
Задачи лабораторной работы
1. Изучить устройство и принцип работы станционного и аспирационного психрометра.

2. Провести измерения по аспирационному психрометру и рассчитать парциальное давление (упругость) водяного пара, абсолютную влажность, относительную влажность воздуха, дефицит упругости водяного пара, точку росы по формулам и психрометрическим таблицам.

3. Изучить устройство и принцип работы гигрометра и гигрографа.
Порядок выполнения работы
Изучить устройство, установку и правила наблюдений по станционному и аспирационному психрометрам. Для этого необходимо использовать литературу [1, с. 78…81; 2, с. 50…54], методические указания, аспирационный психрометр.
Измерения по аспирационному психрометру
1. Аспирационный психрометр подвешивают на столб на необходимую высоту зимой за 20 мин, а летом за 15 мин до времени отсчета показаний.

2. Его ориентируют таким образом, чтобы прямые солнечные лучи падали на планки 4, а термометры 1 и 2 находились в тени (см. рис. 3.1).

3. Смачивают батист правого термометра при помощи резиновой груши 14 зимой за 30 мин, а летом за 4 мин до момента отсчета. Для этого пипетку 15 наполняют дистиллированной водой, после слегка надавливают на грушу и подводят воду на расстояние не ближе 1 см до края пипетки, фиксируя это положение при помощи зажима 16. После этого вводят пипетку в трубку 12, где расположен резервуар термометра, обернутый батистом. Затем открывают зажим (излишки воды при этом возвращаются назад в грушу) и вынимают пипетку с трубки психрометра.

4. После смачивания термометра ключом 8 заводят пружиный механизм аспиратора, который в момент снятия отсчета должен непрерывно работать.

5. Отсчеты производят быстро. Сначала отсчитывают десятые доли градуса по сухому и смоченному термометру, записывают результаты, а после отсчитывают и записывают целые градусы.
Вычисление влажности воздуха
Вычисление величин влажности воздуха производится по показаниям сухого и смоченного термометров аспирационного психрометра.

1. Парциальное давление (упругость) водяного пара е (гПа) определяют по психрометрической формуле (3.2) с учетом разности температур сухого и смоченного термометров, атмосферного давления, давления насыщенного водяного пара.

2. Вычисляют абсолютную влажность воздуха а (г/см³) по зависимости (3.1).

3. Относительную влажность воздуха f (в процентах) вычисляют по формуле (3.3).

4. Дефицит упругости водяного пара d (гПа) определяют по зависимости (3.4).

5. Точку росы t_d (С) определяют по таблицам упругости насыщенного водяного пара Е, зная величину парциального давления е (приложение 3).

На практике для ускорения процесса вычисления величин влажности воздуха пользуются психрометрическими таблицами (приложение 4).

Таблицы дают возможность определять относительную влажность воздуха f (в процентах) по показаниям сухого термометра t (С) и разности показаний сухого t и смоченного t´ термометров.

В психрометрических таблицах в первой графе даны значения давления (упругости) насыщенного водяного пара по показаниям сухого термометра Е (мм рт. ст.). Во второй графе даны температуры воздуха через 0,5 по показаниям сухого термометра t (С). В первой сверху горизонтальной строке нанесены разности показаний сухого и смоченного термометров (t – t´). Во всех остальных графах таблицы даны значения относительной влажности f (в процентах).

Психрометрические таблицы составлены по формулам (3.2), (3.3), (3.4) при постоянной величине психрометрического коэффициента А=0,0007947 С^–1 и атмосферном давлении Р = 1000 гПа. Если давление колеблется в небольших пределах (от 985 гПа до 1013 гПа), поправки к парциальному давлению (упругости) водяного пара не превышают  Δе = 0,1…0,2 гПа. При значительно большем колебании атмосферного давления к характеристикам влажности вводятся поправки. Поправки к парциальному давлению (упругости) водяного пара Δе определяют по измеренному атмосферному давлению в зависимости от значений (t – t´) и фазы воды на батисте. При атмосферном давлении Р < 1000 гПа поправка положительная, а при Р > 1000 гПа –отрицательная.

Последовательность определения величин влажности воздуха с использованием психрометрических таблиц рассмотрим на примере.

Дано: t = 22С; t´ = 16,5С; Р = 765 мм рт. ст. = 1020 гПа.

1. В таблице (приложение 4) выбирают графу, соответствующую значению температуры по сухому термометру t = 22С (горизонтальная строка).

2. Находят разность температур по сухому и смоченному термометрам Δt = t – t´ = 22 – 16,5 = 5,5С.

3. На пересечении горизонтальной и вертикальной строк отсчитывают относительную влажность воздуха f = 54,5%.

4. По значению температуры воздуха по сухому термометру t=22С определяют в первой графе таблицы давление (упругость) насыщенного водяного пара Е = 19,8 мм рт. ст. = 26,33 гПа.

5. По формуле (3.3) определяют парциальное давление (упругость) водяного пара е = f  Е/100 = 54,5  26,33/100 = 14,35 гПа.

6. Определяют поправку на давление Р = 1020 гПа. Поправка составляет Δе = – 0,12 гПа.

7. Определяют исправленное значение парциального давления (упругости) водяного пара е_испр = е – Δе = 14,35 – 0,12 = 14,23 гПа.

8. По зависимости (3.4) определяют дефицит упругости водяного пара d = Е – е_испр = 26,33 – 14,23 = 12,10 гПа.

9. По значению парциального давления водяного пара е_испр= =14,23гПа, используя таблицу упругости насыщенного водяного пара Е (приложение 3), определяют точку росы t_d = 12,2С.

Изучить устройство, принцип работы, правила наблюдений по волосному гигрометру и гигрографу. Ознакомиться с графическим способом обработки ленты гигрографа. Для этого необходимо использовать литературу [1, с. 87; 2, с. 58; 4, с. 124], гигрометр, гигрограф и методические указания.
Контрольные вопросы
1. Какие существуют характеристики влажности воздуха?

2. Что такое насыщенный водяной пар и как изменяется упругость насыщенного водяного пара с повышением температуры?

3. Что такое абсолютная влажность, парциальное давление (упругость) водяного пара, относительная влажность, дефицит упругости и точка росы, в каких единицах они измеряются?

4. Какие существуют методы для измерения влажности воздуха?

5. Устройство и принцип работы станционного и аспирационного психрометра.

6. Устройство и принцип работы гигрометра и гигрографа.

7. Что представляют собой психрометрические таблицы?

8. Обработка записи на ленте гигрографа.

Для измерения жидких и твердых осадков, которые выпадают из облаков на горизонтальную поверхность, наиболее широко применяются осадкомеры и дождемеры.

В комплект осадкомера входят два цилиндрических ведра, крышка, ветровая защита и измерительный стакан. Ведро 1 осадкомера (рис.4.1) имеет приемную площадь 200 см² и высоту 40,0 см. Внутри ведра впаяна диафрагма 2 в виде усеченного конуса. Для уменьшения испарения из ведра в летнее время отверстие диафрагмы закрывается воронкой 3 с маленьким отверстием для стока осадков. С внешней стороны ведра для слива собранных осадков припаян носик 4, который закрывается колпачком 5 с цепочкой. Крышка служит для того, чтобы закрывать ведро при переносе его с площадки и на время таяния снега в нем. Ведро осадкомера устанавливают в специальное приспособление, которое неподвижно крепится к металлической подставке.

Рис. 4.1. Схема осадкомера Третьякова.

Собранные осадки выливают в измерительный стакан, который представляет собой мензурку со 100 делениями. Одно деление по объему равно 2 см³, которое при площади сечения приемной части ведра 200 см², соответствует 0,1 мм слоя осадков.

Осадкомер устанавливают на металлической подставке с таким расчетом, чтобы приемная поверхность осадкомера находилась на высоте 2 м.

Измерение количества осадков проводят 4 раза в сутки. В срок наблюдений производят смену ведер. Ведро, закрытое крышкой, выносят из помещения и устанавливают в кольцевую оправу, а снятое ведро закрывают крышкой и переносят в помещение. Содержащиеся в ведре осадки переливают через носик в измерительный стакан. Если количество осадков превышает емкость измерительного стакана, то измерения проводят по частям, результаты которых складывают. Измерение твердых осадков проводят после того, когда они полностью растают. К каждому измеренному количеству осадков вводится поправка на смачивание осадкомерного ведра. Для твердых осадков с количеством выше 0,5 мм поправка составляет + 0,1 мм, для жидких осадков, которых выпало менее 0,5 мм – + 0,1 мм, а более 0,5 мм – + 0,2 мм.

Плювиограф (рис. 4.2) состоит из цилиндрического сосуда 1 с приемной площадью 500 см². В нижней части сосуд переходит в конус, заканчивающийся сливной трубкой, которая вставляется в воронку трубки 2, идущей от поплавковой камеры 3. Осадки через приемное ведро поступают в поплавковую камеру, внутри которой находится полый металлический поплавок 4 со стержнем 5 и стрелкой 6, заканчивающейся пером. Рядом с поплавковой камерой укреплен барабан 9

с часовым механизмом. На барабан надевается бумажная лента. Горизонтальные линии на ней соответствуют количеству осадков, а верти-

Рис. 4.2. Плювиограф.
кальные – времени. Одно горизонтальное деление равно 0,1 мм осадков, а одно вертикальное – 10 мин. В нижней части корпуса прибора помещается контрольный сосуд 10, в который сливаются осадки из поплавковой камеры.

При выпадении осадков вода из приемного сосуда 1 переливается в поплавковую камеру 3. При этом поплавок, находящийся в камере, поднимается и перо чертит на ленте кривую линию, причем, чем интенсивнее осадки, тем круче подъем кривой. Как только осадки заполнят поплавковую камеру (10 мм), начинает действовать сифон 8 и вода из камеры автоматически выливается в контрольный сосуд 10. При этом перо вычерчивает на ленте вертикальную прямую линию от верха до нулевого деления ленты. Если осадки продолжают выпадать, поплавковая камера снова наполняется водой и перо поднимается вверх. Если осадки прекращаются, перо чертит на ленте горизонтальную линию.

В холодное время при отрицательных температурах плювиограф не используют, так как вода в сосуде может замерзнуть и повредить прибор.

Прибор устанавливают горизонтально на открытой площадке на специальном столбе так, чтобы его верхняя часть была на высоте 2 м от поверхности почвы. Плювиограф укрепляется проволочными растяжками.

Обработка ленты плювиографа (плювиограммы) заключается в следующем. По записи на ленте отмечают время начала и конца дождя, записывают количество осадков, выпавших за каждый час, вычисляют общую сумму осадков за 24 ч и определяют интенсивность дождя в 1 мин. Интенсивность дождя рассчитывают по 10-минутным интервалам.

Весовой снегомер служит для определения плотности снежного покрова и запасов воды в снеге в полевых условиях. Весовой снегомер (рис. 4.3) состоит из металлического цилиндра 1 и весов. Высота цилиндра 60 см, площадь поперечного сечения 50 см². Один конец цилиндра плотно закрывается крышкой 3, а другой утолщен и заострен в виде пилы. На наружной стороне цилиндра нанесены сантиметровые деления. Нулевое деление совпадает с открытым пилообразным концом цилиндра 2. Вдоль цилиндра свободно перемещается кольцо 4, к которому прикреплена дужка 5 для подвешивания цилиндра к весам.

Рис. 4.3. Весовой снегомер.

Весы снегомера состоят из латунной линейки 6, разделенной призмой на два неравных плеча. Призма обращена острием вниз и расположена под указателем стрелкой 7. На эту призму надевается серьга 8, за кольцо которой наблюдатель держит весы. На конце меньшего плеча с помощью второй призмы крепится крючок 9 для подвешивания цилиндра. На большем плече нанесены деления и находится подвижной груз 10 для уравновешивания весов. Деления шкалы нанесены от 0 до 300, причем обозначены десятки делений от 1 до 30. Одно деление соответствует 5 г. Для отсчета делений в передвижном грузе сделан вырез, на скошенном крае которого есть риска. Положение равновесия определяется по совпадению указателя – стрелки 7 с риской на серьге 8.

Задачи лабораторной работы
1. Изучить устройство и установку осадкомера Третьякова, плювиографа, весового снегомера и правила наблюдений по ним.

2. Измерить высоту и определить плотность снежного покрова в полевых условиях с помощью весового снегомера.

3. Определить запасы воды в снеге.
Порядок выполнения работы
Подробно изучить устройство и принцип работы осадкомера Третьякова, плювиографа и весового снегомера по литературе [1, с.114…116; 2, с. 69…70; 5, с. 44…46], а также используя методические указания и сами приборы.
Определение плотности снега и запасов воды в снеге проводятся на открытой русловой площадке.

1. За 30 мин до наблюдений снегомер выносят из помещения, чтобы он принял температуру окружающего воздуха.

2. Проверяют равновесие весов с подвешенным к ним пустым цилиндром, т.е. определяют нулевое показание весов n₀ , когда снегомер пустой.

3. Цилиндр погружают в снег заостренным краем до тех пор, пока он не дойдет до почвы, и отсчитывают высоту снежного покрова h по шкале, нанесенной на цилиндре с точностью до 1 см.

4. Вычисляют объем снега в снегомере по формуле
V = s  h, (4.1)
где s – площадь поперечного сечения весового снегомера, см²;

h – высота снежного покрова, см.

Так как s = 50 см², то формула (4.1) примет вид V = 50 h.

5. Отгребают снег с одной стороны снегомера лопаткой и подсовывают ее под цилиндр, закрывая при этом нижнее отверстие.

6. В таком положении цилиндр вынимают из снега, поворачивают крышкой вниз и подвешивают на крючок весов за ручку скользящего кольца.

7. Перемещая груз по линейке весов, уравновешивают их и отсчитывают положение груза по линейке n₁. При этом необходимо помнить, что цена одного деления на линейке равна 5 г.

8. Определяют действительное показание весов снегомера n с учетом нулевого показания n₀:

n = n₁ – n₀. (4.2)

1. Весы и цилиндр подобраны так, что запасы воды взятой пробы снега соответствуют числу делений на весах n₁ с учетом n₀, т.е.

h_в = 10 d n, мм. (4.7)

2. Что понимают под интенсивностью осадков?

3. Какие приборы применяются для измерения осадков? Их устройство и принцип работы.

4. Последовательность проведения измерений плотности снега при помощи весового снегомера.

5. Каким образом можно определить запас воды в снежном покрове?
Р а б о т а 5. ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
Атмосферное давление – это сила, с которой давит на единицу земной поверхности (см², м²) столб воздуха, который расположен от поверхности земли до верхней границы атмосферы.

Атмосферное давление является одной из важнейших метеорологических величин. Изменение атмосферного давления во времени отражает прохождение атмосферных фронтов, циклонов, антициклонов и т.д., а изменение давления по горизонтали является непосредственной причиной движения воздуха. Давление уменьшается с увеличением высоты. На высоте 5000 м атмосферное давление примерно в 2 раза меньше, чем на уровне моря.

Единицей измерения атмосферного давления в системе СИ является гектопаскаль (гПа). 1 гПа = 100 Па. 1 Па – это давление, равное силе в 1 ньютон, которая действует на площадь 1 м². 1 Па = 1 Н/м². Кроме того, в метеорологии используются единицы давления – миллибар (мб) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). 1 мб – это давление, равное силе 1000 дин, которое действует на площадь в 1 см². Миллиметр ртутного столба – это изменение атмосферного давления, которое соответствует повышению или понижению ртутного столба в барометре на 1 мм. Соотношения между приведенными единицами следующие:

1 гПа = 1 мб = 0,75 мм рт. ст.; 1 мм рт. ст. = 1,33 гПа = 1,33 мб.

Давление воздуха при температуре 0С на уровне моря и широте 45 северного полушария равно 1013 гПа, или 760 мм рт. ст. Это давление называется нормальным, или стандартным (760 мм рт. ст = =1013гПа).

Для измерения атмосферного давления наибольшее распространение имеют ртутные барометры и барометры-анероиды, а для непрерывной регистрации изменения давления – барографы.

Рис. 5.1. Ртутный чашечный барометр.

Стеклянная трубка окружена латунной защитной оправой 6, на которой имеются приспособления для отсчетов. В нижней части оправы укреплен термометр 7 для отсчета температуры прибора. В верхней части оправы имеется сквозная прорезь, позволяющая видеть мениск ртутного столба в стеклянной трубке. С левой стороны нанесена шкала 8 с пределами измерений от 680 до 1110 гПа. Вдоль стеклянной трубки с помощью кремальеры 9 перемещается кольцо с укрепленным на нем нониусом 10, который служит индексом для наводки на мениск ртутного столба и для отсчета десятых долей. Десять делений нониуса равны 9 делениям основной шкалы. В верхней части оправы имеется кольцо 5 для подвешивания барометра.

При отсчетах давления нониус подводят сверху до момента, пока не произойдет касание его нижнего среза верхней части мениска ртути в трубке. Отсчеты показаний барометра и термометра делают с точностью до 0,1 гПа и 0,1С. Целые гПа отсчитывают по нижнему обрезу нониуса, а десятые – по нониусу. Деление нониуса, совпадающее с делением основной шкалы, показывает число десятых долей шкалы.

Давление столба ртути барометра высотой Н уравновешивается атмосферным давлением р, которое воздействует на поверхность ртути в чашке барометра и определяется по формуле

g – ускорение силы тяжести, м/с².

Величины  и g характеризуются изменчивостью. Они зависят от температуры, широты и высоты места. Поэтому их необходимо привести к нормальным (стандартным) условиям путем введения соответствующих поправок.

К отсчетам по барометру вводятся следующие поправки: инструментальная, температурная, на ускорение силы тяжести.