Атмосфера и климат

Сайт об атмосфере, климате и метеорологии

Метеонаблюдения

Подписаться на эту рубрику по RSS

Метеорологические наблюдения

Цель метеорологических наблюдений, а также и самой метеорологии состоит в познании явлений погоды и их изменений, а затем в прогнозе будущей погоды по данным о предшествовавших явлениях. Первый шаг к пониманию огромной массы явлений и процессов, определяющих погоду, состоит в обнаружении и последующем картировании различных атмосферных возмущений. Для того чтобы следить за тем, как изменяется погода, метеорологи используют в настоящее время ряд различных приборов, а также численных моделей.

Кратковременные явления можно обнаружить на картах, которые указывают на крупномасштабные процессы, действующие в данный момент на той или иной территории. На синоптическую карту, называемую также картой погоды, наносят множество отдельных данных, получаемых из многих источников.

В современных методах прогноза погоды не уделяется внимания ежедневным мелким ее изменениям. Получаемые исходные данные используются для статистического анализа тех многочисленных причин, которые совместно вызывают изменение погоды. Задачей метеорологии не является открытие каких-либо новых фундаментальных законов, как это обстоит, например, в физике. Развитие метеорологии скорее зависит от глубины познания физиками основных законов окружающей природы, используемых затем метеорологами для понимания последующего развития атмосферных процессов. Это в свою очередь поможет лучше представить, каким образом погода влияет на различные виды человеческой деятельности.

Метеорологические измерения

Метеорологические данные получают из всех доступных районов и всеми возможными способами. Для того чтобы изучить атмосферу, создано множество измерительных приборов, а чтобы выяснить, как часто повторяются различные явления погоды, составляют различные метеорологические таблицы и карты. В настоящее время большинство задач решается с помощью таких таблиц и карт, составленных и проанализированных счетно-решающими устройствами за считанные минуты, в то время как раньше на это потребовались бы тысячи часов.

Для того чтобы метеорологические приборы и установки дали необходимую информацию, привлекаются ракеты, спутники, воздушные шары, а также наземные станции, данные которых дополняются результатами самолетного зондирования и специальными морскими наблюдениями.

Простейшие метеорологические станции ведут наблюдения по приборам, помещенным в метеорологических будках, установленных вблизи земной поверхности. Это деревянные будки с продуваемыми стенками, обеспечивающими свободную циркуляцию воздуха. Такие будки позволяют точно измерить температуру воздуха, так как они надежно защищают приборы от прямых солнечных лучей, искажающих их показания. Кроме того, специальные подставки, на которых устанавливаются будки, исключают непосредственный контакт приборов с подстилающей поверхностью и устраняют влияние прямой   теплопроводности.     Будки с приборами устанавливаются в открытых местах, как можно дальше от строений, чтобы высокие здания не затрудняли свободный доступ воздуха к будкам.

Некоторые приборы на станциях устанавливают не в будках, а на открытых метеорологических площадках. Разнообразные данные, полученные по приборам, затем передают в специальные центры, где их обобщают и анализируют.

Термометры

Тепло представляет собой энергию молекулярных движений. Количество тепла, выражаемое температурой тела, поддается измерению и является важной характеристикой свойств воздуха. Однако следует помнить, что температура не является полной мерой теплосодержания тела: такой мерой служат калории.

В настоящее время температуру измеряют термометрами нескольких типов.

Самые распространенные термометры — жидкостно-стеклянные. В таких термометрах жидкость — ртуть или спирт — заключена в тонкую стеклянную трубку (капилляр). Когда изменение температуры заставляет жидкость расширяться или сжиматься, уровень ее в капилляре повышается или понижается пропорционально изменению температуры, что и можно заметить с помощью шкалы, прикрепленной к капилляру.

Биметаллический термометр состоит из двух различных металлов, скрепленных вместе в виде одной тонкой пластинки. Реагируя на изменение температуры, пластинка изгибается в ту сторону, на которой находится металл, расширяющийся слабее. Степень искривления пластинки, вызванного изменением температуры, отмечается с помощью стрелки, положение которой прослеживается по заранее отградуированной шкале.

В электрических термометрах для измерения температуры используется электрический ток. При изменении температуры того или иного проводника меняется его электрическое сопротивление. Так и фиксируется температура воздуха, в частности, в высоких слоях атмосферы.

Шкалы современных термометров должны быть „привязаны" к той или иной „реперной точке". Наиболее широко используются точка плавления льда и точка кипения воды. Эти две точки фиксируются раз и навсегда, а расположенный между ними интервал делится на то или иное число градусов, которыми затем и отмечают изменение температуры.

Измерения атмосферного давления

Изменения погоды тесно связаны с небольшими и не ощутимыми человеком изменениями атмосферного давления. Атмосферное давление является следствием веса воздуха, находящегося над земной поверхностью и подвергающегося действию силы тяжести. Различные процессы обмена энергией, происходящие на земной поверхности и возле нее, изменяют давление, что свидетельствует о предстоящем изменении погоды. Поэтому точная регистрация изменений давления служит важным условием успешности метеорологических прогнозов.

Барометры

Простейший барометр состоит из стеклянной трубки с одним запаянным концом, из которой откачан воздух. Другим концом трубка погружена в сосуд с ртутью. Ртуть в трубке поднимается до тех пор, пока ее вес не станет точно равным весу столба воздуха, находящегося над сосудом со ртутью.

Соотношение между атмосферным давлением и весом столба ртути в трубке нашел в 1643 г. итальянский физик Э. Торричелли. Позднее было установлено, что при подъеме барометра над земной поверхностью столбик ртути укорачивается в связи с уменьшением атмосферного давления с высотой.

Современные ртутные барометры являются усложненным усовершенствованием простейшего прибора Торричелли. Но принцип их действия не изменился.

Единицы для измерения давления

Каждый, кто когда-либо слышал сводку погоды, знаком с тем, что атмосферное давление может быть выражено, например, в миллиметрах ртутного столба. По существу, при этом в миллиметрах выражается высота ртутного столба в барометре. При этом давление сравнивается с нормальным его значением на уровне моря и на широте 45°, равным 760 мм.

Однако выражение атмосферного давления в миллиметрах не совсем удобно. Измеряемое давление сопоставляется с силой тяжести, прижимающей воздух к земной поверхности, так что отсчет показаний барометра, выраженный в единицах длины, а не силы, может ввести в заблуждение. Поэтому в практической работе метеорологи используют для выражения давления единицу, называемую бар. Один бар соответствует давлению 750,1 мм ртутного столба. Доля этой единицы, используемая метеорологами, называется миллибаром и представляет собой тысячную часть бара. Поэтому нормальное давление 760 мм рт. ст. соответствует 1013,2 мбар. Нормальное давление относится к широте 45° и уровню моря и является „опорным'' для отсчетов давления. Давление 1013,2 мбар обычно именуют «одной атмосферой». Часто используют также значения, кратные этой единице давления.

Специальные барометры.

Ртутные барометры в некоторых отношениях неудобны для практического применения. Во-первых, они громоздки, так как трубка с ртутью должна иметь длину не менее 90 см. Во-вторых, их легко разбить. Кроме того, они не могут фиксировать изменение давления непрерывно. Для этой последней цели разработан барометр другого типа.

Барометр-анероид в значительной степени вытеснил ртутные барометры. Основной частью этого прибора является небольшая плоская круглая тонкостенная металлическая коробочка,   из которой   почти   полностью откачан воздух. Упругость коробочки несколько усилена тем, что нижняя и верхняя поверхности сделаны гофрированными. Благодаря почти полному вакууму внутри коробочки она быстро реагирует на изменения внешнего давления и сама несколько растягивается или сплющивается, когда последнее уменьшается или возрастает. Коробка соединена с системой рычагов и приводов, передающих ее деформацию на стрелку-указатель. Перемещаясь по шкале, градуированной в соответствующих единицах — миллиметрах ртутного столба или миллибарах — стрелка позволяет непосредственно отсчитывать значения атмосферного давления.

Анероидная коробка является также основной деталью в самописцах давления — барографах. Эти приборы снабжаются указателем в виде перышка, заполненного чернилами и делающего запись на вращающейся бумажной ленте. Запись барографа дает представление о малейших изменениях атмосферного давления в течение суток.

Хотя барометры-анероиды и удобнее в обращении, чем ртутные, но показания их содержат ряд инструментальных погрешностей. В частности, на эти показания влияет температура воздуха, хотя сила тяжести для них значения не имеет.

При увеличении высоты места наблюдений атмосферное давление непрерывно и закономерно уменьшается. Поэтому барометр-анероид используется также и для определения высоты полета самолета. Для этого шкала анероида градуируется не в единицах давления, а непосредственно в  значениях высоты. Такие альтиметры, имеющиеся на каждом самолете, представляют собой барометры-анероиды, приспособленные для непосредственного отсчета высоты. Правда, они еще определенным образом отрегулированы, т. е. подведены к значению давления на уровне моря в точке взлета. Кроме того, в отсчеты нужно вносить поправку на температуру воздуха, которая также влияет на показания альтиметра. Поэтому во время полета показания их необходимо часто контролировать.

Направление и скорость ветра

Сведения о перемещении воздуха лежат в основе любых метеорологических прогнозов. Когда воздух перемещается из одной местности в другую, он несет с собой и целый комплекс свойств, приобретенных им    в    очаге    формирования.    Со своей стороны, эти его свойства влияют на погоду того района, куда поступает этот воздух. Поэтому первостепенное значение имеет измерение направления и скорости ветра.

Направление ветра

Простейший прибор для определения направления ветра — флюгер. Он обычно состоит из легкой металлической флюгарки, которая под действием ветра поворачивается и указывает то направление, откуда дует ветер. Название ветра также указывает на его направление, так что оно до некоторой степени характеризует свойства воздуха, поступающего в данный район. Некоторые флюгеры устроены таким образом, что при вращении флюгарки они вырабатывают слабый электрический ток, который поступает на указатели, установленные в помещении метеорологической станции и позволяющие непосредственно отсчитывать направление ветра.

Направление ветра характеризуют 16-ю точками горизонта, так что запись направления может быть одной из следующих:

N, NNE, NE, ENE, Е, ESE, SE, SSE, S, SSW, SW, WSW, W, WNW, NW, NNW

Скорость ветра

Скорость ветра измеряют анемометром. В этом приборе несколько чашечек надето на вертикальную ось. Под действием ветра чашечки поворачиваются и заставляют вращаться эту ось, а ее движение в свою очередь передается на стрелки, с помощью которых производят отсчеты по шкалам прибора. В некоторых анемометрах чашечки при вращении вырабатывают слабый электрический ток. Этот ток затем тоже передается на стрелки указателей скорости ветра, находящихся в помещении станции.

В тех случаях, когда флюгарка и анемометр объединены в один прибор, он называется анеморумбометром. Он имеет флюгарку в виде воздушного руля, указывающую направление ветра и снабженную пропеллером, который позволяет измерить скорость ветра.

Существуют также приборы для непрерывной записи скорости ветра. В таких приборах соответствующим образом откалиброванный указатель перемещается по ленте, надетой на вращающийся барабан. Одновременно записывается также и направление ветра.

Самые надежные отсчеты направления и скорости ветра получаются в случае, когда измерительный прибор установлен на достаточном расстоянии от строений и других высоких препятствий, т. е. когда исключено их влияние на воздушный поток, выражающееся в создании турбулентных завихрений. Высота установки прибора должна составлять около 2 м.

Остается добавить, что скорость ветра изменяется с высотой: с увеличением высоты над земной поверхностью уменьшается влияние силы трения на воздушный поток и скорость ветра возрастает. Уже на высоте 10 м скорость ветра примерно вдвое больше, чем на высоте 1/3 м над земной поверхностью. На высоте же 30 м скорость в 1,2 раза больше, чем на высоте 10 м. Кроме того, с высотой обычно несколько уменьшается завихренность воздушного потока.

Для измерения ветра на различных высотах используются анемометры с барометрической трубкой, поднимаемые в атмосферу с помощью тех или иных устройств). Барометрическая трубка заполняется жидкостью, в которой плавает небольшая пробка. Когда в трубку попадает ветер, пробка меняет свое положение в жидкости, что и позволяет определить скорость ветра. Этот же прибор можно приспособить и для непрерывной записи изменений скорости ветра.