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.

Измерение влажности воздуха

Влажность воздуха измеряют различными методами. Такие величины, как удельная влажность, относительная влажность и точка росы, измеряются неодинаково. Простейшее измерение точки росы можно выполнить с помощью обыкновенной чашки, наполненной льдом. Как все мы знаем, в очень влажный день на стакане с холодной водой конденсируется пар из воздуха и мы видим, что стакан „запотевает". Температуру, при которой начинается конденсация пара, можно определить очень просто, без выполнения сложных расчетов.

Смесь льда с водой помещают в блестящую металлическую чашечку. Содержимое чашечки тщательно размешивают и замечают ту температуру, при которой на наружных стенках чашечки начинается конденсация водяного пара. Несколько таких измерений позволяют получить довольно точное значение точки росы в данный момент и в данном месте.Влажность измеряют несколькими приборами. Один из самых обычных способов определения относительной влажности состоит в том, что находят ее по измеренному значению точки росы. Для измерения относительной влажности применяется также пращевой психрометр. Он состоит из двух термометров — сухого и смоченного. Сухой термометр показывает температуру воздуха. Смоченный термометр, резервуар которого обернут влажным батистом, дает показание, которое, в зависимости от влажности воздуха, может быть меньше показания сухого термометра или равняться ему. Если быстро вращать весь прибор в воздухе, испарение с поверхности батиста на смоченном термометре будет определяться влажностью воздуха. Сравнение показаний двух термометров позволит найти их разность. С помощью заранее подготовленных таблиц по этой разности находят относительную влажность воздуха.Влажность можно измерять и другими специальными приборами.

Принцип действия гигрометров, позволяющих непосредственно получать значения относительной влажности, основан на свойстве некоторых предметов реагировать на изменение влажности воздуха. В некоторых гигрометрах используется пучок волос, например, человеческих. Если влажность воздуха увеличивается, пучок волос  удлиняется.  Волосы очень чувствительны к изменению влажности, что, к своему огорчению, знает большинство женщин. Пучок волос прикрепляется к стрелке, которая перемещается вдоль отградуированной шкалы. В других гигрометрах электрический ток течет по проводнику, который поглощает водяной пар из воздуха. При этом меняется сопротивление проводника. Поэтому сила тока в проводнике изменяется, когда изменяется влажность воздуха.

Измерение осадков

Количество выпадающих осадков измеряют различными дождемерами. В одном из таких приборов используется открытый металлический држдемерный сосуд диаметром 20—25 см. Сосуд градуируется с помощью находящегося в нем стержня. Выпадающие осадки улавливаются сосудом, а выооту выпавшего слоя их легко определить по делениям измерительного стержня. Для различных специальных целей применяют дождемеры слегка измененной конструкции. Весовые дождемеры снабжены взвешивающим устройством, улавливающим выпадающие осадки и позволяющим получить сумму осадков для заданного района. Другой вариант дождемера имеет два поочередно действующих сосуда диаметром по 0,25 м каждый. Когда один сосуд наполняется, он наклоняется и собранные им осадки выливаются. Автоматически начинает действовать второй сосуд. Число сливов каждого сосуда прибор автоматически записывает. Запись количества выпавших осадков производится с помощью плювиографа. В некоторых плювиографах используется лишь один опрокидывающийся сосуд.

Количество выпавшего снега измеряется аналогичным способом, с той лишь разяицей, что выпавшему снегу сначала дают растаять. В качестве обычного эмпирического правила можно считать, что 25 см снега соответствует 2,5 см дождя.

Метеорологические измерения в высоких слоях атмосферы

Изучая физические свойства атмосферы, метеорологи исследуют явления, происходящие на всех высотах. Исходные данные, используемые в этих исследованиях, были бы недостаточными, если бы они ограничивались только нижним слоем атмосферы высотой несколько сотен метров. Кроме того, долгосрочные прогнозы погоды, а также теории, относящиеся к формированию воздушных масс и к их изменениям, опираются на данные, охватывающие не только отдельные местности, но и весь земной шар, а также длительные отрезки времени.

В настоящее время для многих районов имеются ряды надежных метеорологических наблюдений за периоды около 100 лет. Для некоторых же местностей результаты наблюдений накоплены лишь за последние 25 лет. В сбор метеорологических данных внесло свой вклад много людей. Специализированные метеорологические станции иногда пополняют собираемые ими данные путем использования сведений, полученных другими организациями. Кроме того, большой объем данных ежедневно поступает в национальную службу погоды США от добровольных метеонаблюдетелей. Все же основную часть наблюдений выполняют метеорологи-профессионалы, и именно от их творческой инициативы и опыта зависит расширение путей и способов дальнейшего накопления метеорологической информации.

Самой трудной задачей для метеорологов все еще остается получение данных о высоких слоях атмосферы. Разработано много способов сбора этих данных. В прошлом метеорологические приборы поднимали на специальных воздушных змеях. Позднее начали использовать воздушные шары, затем метеорологические и геофизические ракеты, а теперь и спутники. Огромный вклад в расширение знаний об атмосфере внесла авиация, и, по-видимому, этот вклад еще увеличится в будущем, когда методы управления погодой усовершенствуются.

Шары-пилоты и шары-зонды

На протяжении многих десятилетий самым распространенным методом получения данных о высоких слоях атмосферы был метод шаров-пилотов, использовавшийся  с большим успехом. Большие эластичные оболочки, наполненные газом, поднимались за счет силы плавучести, действующей на газ, и переносились воздушными течениями. Движение шара-пилота тщательно прослеживается метеорологами. В дальнейшем к шару стали подвешивать металлический отражатель, позволявший наблюдать за полетом шара с помощью радиолокатора. Эти наблюдения дополнялись визуальным прослеживанием. Шары-пилоты обычно наполняли гелием и использовали для наблюдений на разных высотах. Для этого к ним подвешивали комплекты разных метеорологических приборов, дававших непрерывную запись значений многих физических характеристик воздуха на высотах. Другие шары-пилоты имели специальный регулировочный клапан, позволявший шару удерживаться на заранее заданной высоте, что давало метеорологам непрерывный ряд наблюдений за изменениями метеорологических величин на данной высоте. Некоторые шары-зонды оставались в воздухе по нескольку месяцев. Однако в большинстве случаев они применялись лишь для непродолжительных наблюдений. Наблюдения по приборам, поднимавшимся шарами-зондами, обычно проводились до высоты 8—9 км, хотя иногда эти приборы могли работать до высоты около 20 км.

С помощью шаров-зондов получали значения нескольких важных характеристик атмосферы. Скорость подъема шаров-зондов зависела от интенсивности восходящих движений в атмосфере. Скорость же горизонтального их полета и его высота могли быть использованы для определения других величин — например, высоты облаков.

Радиозонды

Аппаратура, поднимаемая шаром-зондом, состоит из миниатюрных электронных метеорологических приборов. Чаще всего эти приборы атмосферного давления" href="http://obatmosfere.ru/page/izmereniya-atmosfernogo-davleniya">измеряют атмосферное давление, температуру и влажность воздуха. Полученные данные передаются по радио на наземную радиоприемную станцию. Пока приборы поднимаются, идет непрерывная передача данных на Землю. Затем, обычно на заранее заданной высоте, шар лопается и контейнер с приборами на парашюте опускается на Землю, после чего приборы можно использовать вновь. Такие радиозонды обычно дают точные показания до высоты около 30 км.

Используются и некоторые варианты этих устройств. Так, если к радиозонду прикрепить радиолокационный отражатель, кроме указанных выше величин, можно получить данные о направлении и скорости ветра на высотах, т. е. произвести не только обычное радиозондирование атмосферы, но и радиоветровое ее зондирование. Используются также сбрасываемые с самолета радиозонды, которые производят измерения во время падения на Землю.

Ракеты

Во время второй мировой войны с помощью метеорологических ракет начали получать данные с гораздо более значительных высот, чем раньше. Приборы, поднятые ракетами, дают точные данные для высот от 30 до 96 км. Ракета несет также источники питания, необходимые для работы приборов. Электронная аппаратура метеорологической ракеты может измерять и передавать на Землю сведения о давлении, температуре, ветре И других свойствах воздуха, например о его плотности, воздушных течениях и приходе солнечной радиации.

Использование ракет позволило уже к 1960 г. получить большое число различных данных о высоких слоях атмосферы. Распределение воздушных течений и ветра анализировалось с помощью облаков газообразного натрия, искусственно создававшихся ракетами. Пока такое облако опускалось циркуляцией воздуха на земную поверхность, наблюдатели анализировали его перемещение и по нему судили о соответствующих воздушных течениях.

Однако в дальнейшем предстоит провести ряд исследований, в которых ракеты будут играть еще более значительную роль. Необходимо изучить географическое и межсезонное изменение строения атмосферы и воздушных течений. Еще нет полных карт общей циркуляции атмосферы, приливо-отливных движений в ней и даже изменений ее температуры на высотах.

Задачи службы погоды

В настоящее время служба погоды выполняет много видов метеорологического обслуживания, а также исследовательских работ, Помимо метеорологических наблюдений, сбора и анализа данных, решаются также и следующие задачи:

  1. составляются и публикуются ежедневные, недельные и долгосрочные прогнозы погоды;
  2. из научных учреждений и с метеорологических станций собираются различные виды метеорологических данных, публикуются и распространяются среди заинтересованных организаций всего мира;
  3. подготавливаются и распространяются предупреждения о торнадо, тропических циклонах и других опасных метеорологических явлениях;
  4. служба участвует во многих международных мероприятиях, проводимых в целях дальнейшего изучения мировой погоды;
  5. служба проводит основные научные исследования по метеорологии. Под ее руководством осуществляется разработка новых и усовершенствование прежних метеорологических приборов. Она несет ответственность за публикацию всех видов данных, которые являются неотъемлемой частью обслуживания техническими средствами и оповещениями;
  6. разрабатываются и совершенствуются спутниковые наблюдения, численные методы прогнозов, синоптическая метеорология, анализ процессов в высоких слоях атмосферы.

Самой интересной задачей, которую решает национальная служба погоды для широких кругов населения, являются штормовые предупреждения об опасных явлениях погоды. В США имеются 4 центра предупреждений о тропических циклонах. Они связаны между собой телетайпными линиями. В этой работе участвуют как профессиональные метеорологи, так и добровольцы. Предупреждения о приближении тропического циклона выдаются не менее чем за 24 часа, и с этого момента начинается прослеживание его траектории со спутников. Эффективность этой работы видна хотя бы в том, что за последние годы резко уменьшилось число жертв тропических циклонов. Гибель людей теперь вызывают лишь немногие очень сильные тропические циклоны, хотя общее число таких циклонов, проходивших за это время, теперь исчисляется тысячами. Некоторые виды штормовых предупреждений относятся также к грозам и торнадо.

Программа «Неистовая буря», посвященная разработке методов искусственного воздействия на тропические циклоны, выполняется в сотрудничестве с военно-морскими оилами США. Осуществление этой программы началось 27 июля 1943 г., когда Дж. Дукворт совершил два полета непосредственно в глаз тропического циклона. Успех эксперимента положил начало авиационной разведке тропических циклонов. Сбор самолетных данных о тропических циклонах координируется национальным центром по их исследованию, входящим в систему службы погоды. Авиаразведка проводится в целях обнаружения тропических циклонов и прослеживания за их развитием, а также для проведения экспериментов по засеву облаков. Самолетные наблюдения дополняются работой радиолокационных станций, которые ведут слежение за приближающимися тропическими циклонами.

Предполагается, что кристаллы йодистого   серебра  могут   вызывать замерзание капель в облаках тропического циклона и что это иногда будет его ослаблять. Первый такой опыт был проведен в августе 1969 г. Йодистое серебро вводилось в облака, находившиеся на периферии тропического циклона Дебби—одного из самых разрушительных за последние годы. Засев производили в то время, когда этот тропический циклон еще находился в стадии усиления и располагался над Карибским морем. Хотя успех этого эксперимента и оказался ограниченным —сила циклона уменьшилась лишь на 10— 15%,— все же это был первый шаг на пути к управлению этими губительными атмосферными возмущениями.