Эпоха великих открытий и изобретений, отметившая начало нового периода истории человечества, произвела революцию и в естественных науках. Открытие новых стран принесло сведения об огромном количестве физических фактов, неизвестных ранее, начиная с опытного доказательства шарообразности земли и понятия о разнообразии ее климатов. Мореплавание этой эпохи нуждалось в большом развитии астрономии, оптики, знаний правил навигации, свойств магнитной стрелки, знания ветров и морских течений всех океанов. В то время как развитие торгового капитализма служило импульсом ко все более далеким путешествиям и поиском новых морских путей, переход от старого ремесленного производства к мануфактуре требовал создания новой техники.
Этот период был назван веком Ренессанса, но его достижения вышли далеко за рамки возрождения античных наук - он ознаменовался настоящей научной революцией. В XVII в. были заложены основы нового математического метода анализа бесконечно малых, открыты многие основные законы механики и физики, изобретены зрительная труба, микроскоп, барометр, термометр и другие физические приборы. Используя их, быстро начала развиваться экспериментальная наука. Возвещая ее возникновение, Леонардо да Винчи, один из самых блестящих представителей новой эпохи, сказал, что «…мне кажется, что те науки пусты и полны ошибок, которые не кончаются в очевидном опыте, т.е. если их начало или середина, или конец не проходят через одно из пяти чувств». Вмешательство Бога в явления природы было признано невозможным и несуществующим. Наука вышла из-под гнета церкви. Вместе с церковными авторитетами был предан забвению и Аристотель - с середины XVII в. Его творения почти не переиздавались и не упоминались естествоиспытателями.
В XVII в. наука как бы начала создаваться заново. То, что новая наука
должна была завоевать право на существование, вызывало у ученых того времени огромный энтузиазм. Так, Леонардо да Винчи был не только великим художником, механиком и инженером, он был конструктором ряда физических приборов, одним из основателей атмосферной оптики, и то, что он написал о дальности видимости окрашенных объектов сохраняет свой интерес до сих пор. Паскаль - философ, провозгласивший, что мысль человека позволит ему покорить могучие силы природы, выдающийся математик и создатель гидростатики - первый доказал экспериментально убывание атмосферного давления с высотой. Декарт и Локк, Ньютон и Лейбниц - великие умы XVII в., прославившиеся своими философскими и математическими исследованиями - внесли большие вклады в физику, в частности, в науку об атмосфере, которая тогда почти не отделялась от физики.
Во главе этого переворота стояла Италия, где жил и творил Галилей и его ученики Торричелли, Маджиотти и Нарди, Вивиани и Кастелли. Другие страны тоже внесли большой вклад в метеорологию того времени; достаточно вспомнить Ф. Бэкона, Э. Мариотта, Р. Бойля, Хр. Гюйгенса, О. Герике - целый ряд выдающихся мыслителей.
Глашатаем нового научного метода был Ф. Бэкон (1561 - 1626 гг.) -«родоначальник английского материализма и всей опытной науки нашего времени», по выражению Карла Маркса. Бэкон отверг домыслы схоластической «науки», которая, как он справедливо говорил, пренебрегала естествознанием, чуждалась опыта, была скована суеверием и преклонялась перед авторитетами и догматами веры, неустанно говорившей о непознаваемости Бога и его творений. Бэкон провозгласил, что науку поведет вперед союз опыта и рассудка, очищающего опыт и извлекающего из него законы природы, истолкованные последней.
В «Новом Органоне» Бэкона мы находи описание термометра, что дало некоторым даже повод считать Бэкона изобретателем этого прибора. Перу Бэкона принадлежали и соображения об общей системе ветров земного шара, но они не нашли отзыва в творениях авторов XVII - XVIII вв., писавших на ту же тему. Собственные опытные работы Бэкона по сравнению с его философскими исследованиями имеют, тем не менее, второстепенное значение.
Для экспериментальной науки первой половины XVII в., в том числе и для метеорологии, более всего сделал Галилей. То, что он дал метеорологии, прежде казалось второстепенным по сравнению, например, с вкладом Торричелли в эту науку. Теперь мы знаем, однако, что кроме высказанного им впервые представления о весе и давлении воздуха, Галилею принадлежит идея первых метеорологических приборов - термометра, барометра, дождемера. Создание их заложило фундамент всей современной метеорологии.
Рис. 1. Типы ртутных барометров: а -- чашечный, б -- сифонный, в -- сифонно-чашечный.
Рис. 2. Станционный чашечный барометр; К -- кольцо, на котором подвешивается барометр.
Метеорологическая будка
Назначение. Будка служит для предохранения метеорологических приборов (термометров, гигрометра) от дождя, ветра и солнечных лучей.
Материалы:
- - деревянные бруски 50 x 50 мм длиной до 2,5 м,6 шт.;
- - фанерные пластины шириной 50--80 мм, длиной до 450 мм, 50 шт.;
- - петли для форточек, 2 шт.;
- - доски не толще 20 мм для изготовления дна и крыши будки;
- - белая краска, масляная или эмалевая;
- - материал для лесенки.
Изготовление. Из брусков сбивается корпус. Угловые бруски должны образовывать высокие ноги будки. В брусках делаются неглубокие пропилы под углом 45°, в них вставляются фанерные пластины так, чтобы они образовали боковые стенки и через противоположные стенки будки не были видны просветы. Рама передней стенки (дверки) делается из реек и навешивается на петлях. Задняя стенка будки и дверка монтируются из фанерных пластин так же, как боковые стенки. Из досок сбиваются дно и крыша. Крыша должна свешиваться с каждой стороны будки не менее чем на 50 мм, она устанавливается наклонно. Будка красится в белый цвет.
Установка. Будка устанавливается так, чтобы ее дно было на высоте 2 м от поверхности земли. Возле нее из любого материала сооружается постоянная лесенка такой высоты, чтобы лицо наблюдателя, стоящего на ней, было на высоте середины будки.
Эклиметр
Назначение. Измерение вертикальных углов, в том числе высоты небесных светил.
Материалы:
- - металлическийтранспортир;
- - нитка с грузиком.
Изготовление. Края основания транспортира изгибаются под прямым углом, на отогнутых частях пробиваются небольшие визирные отверстия на одинаковом расстоянии от горизонтального диаметра транспортира. Изменяется оцифровка шкалы транспортира: 0° ставится там, где обычно стоит 90°, а на местах 0° и 180° пишется 90°. Конец нити закрепляется в центре транспортира, другой конец нити с грузиком свободно свешивается.
Работа с прибором. Сквозь два визирных отверстия наводим прибор на нужный объект (небесное светило или предмет на Земле) и читаем вертикальный угол по нити. Нельзя смотреть на Солнце даже сквозь маленькие отверстия; чтобы определить высоту Солнца, нужно найти такое положение, чтобы солнечный луч проходил через оба визирных отверстия.
Гигрометр
Назначение. Определение относительной влажности воздуха без помощи таблиц.
Материалы:
- - дощечка 200 x 160 мм;
- - рейки 20 x 20 мм длиной до 400 мм, 3--4 шт.;
- - 5--7 светлых человеческих волос длиной 300--350 мм;
- - гирька или иной грузик весом 5--7 г;
- - легкая металлическая стрелка длиной 200--250 мм;
- - проволока, мелкие гвозди.
Волосы нужны женские, они тоньше. Прежде чем срезать 5--7 волосков, нужно тщательно вымыть голову шампунем для жирных волос (даже если волосы нежирные). На стрелке должен быть противовес, чтобы стрелка, будучи посажена на горизонтальную ось, была в безразличном равновесии.
Изготовление. Дощечка служит основанием прибора. На ней монтируется П-образная рамка высотой 250--300, шириной 150--200 мм. На высоте около 50 мм от основания горизонтально крепится перекладина. На ней посередине устанавливается ось стрелки, это может быть гвоздик. Стрелка должна быть надета на него втулкой. Втулка должна вращаться на оси свободно. Внешняя поверхность втулки не должна быть скользкой (на нее можно надеть короткий отрезок тонкой резиновой трубки). К середине верхней перекладины рамки крепятся волосы, к другому концу пучка волос подвешивается грузик. Волосы должны касаться боковой поверхности втулки, нужно сделать ими один полный оборот. Из картона или любого другого материала выкраивается дугообразная шкала и прикрепляется к рамке. Нулевое деление шкалы (полная сухость воздуха) можно с известной долей условности нанести там, где остановится стрелка прибора, на 3--4 минуты положенного в духовку. Максимальную влажность (100%) отметьте по показанию стрелки прибора, помещенного в закрытое полиэтиленовой пленкой ведро, на дно которого налит кипяток. Промежуток между 0% и 100% разделите на 10 равных частей и подпишите десятки процентов. Хорошо, если удастся проконтролировать показания гигрометра, сверив его с психрометром на метеостанции.
Установка. Прибор удобно держать в метеорологической будке; если хотите знать влажность воздуха в помещении, поставьте его в комнате.
Экваториальные солнечные часы
Назначение. Определение истинного солнечного времени.
Материалы:
- - квадратная доска со стороной от 200 до 400мм;
- - деревянная или металлическая палочка, можно взять гвоздь 120мм;
- - циркуль;
- - транспортир;
- - масляные краски двух цветов.
Изготовление. Доска -- основание часов окрашивается одним цветом. По основанию краской другого цвета вычерчивается циферблат -- круг, разделенный на 24 части (по 15°). Сверху пишется 0, внизу 12, слева 18, справа 6. В центре часов укрепляется гномон -- деревянный или металлический штырь; нужно, чтобы он был строго перпендикулярен циферблату. Установка. Часы ставятся на любой высоте в месте как можно более открытом, не защищенном от солнечных лучей строениями, деревьями. Основание часов (низ циферблата) располагается в направлении восток--запад. Верхняя часть циферблата поднимается так, чтобы угол между плоскостью циферблата и горизонтальной плоскостью составил 90° минус угол, соответствующий географической широте места. Работа с прибором. Время читается по циферблату по тени, отбрасываемой гномоном. Часы будут работать с конца марта по 20--23 сентября.
Часы показывают истинное солнечное время, не забывайте, что оно отличается от того, по которому мы живем, в некоторых местах довольно значительно. Если хотите, чтобы часы работали и зимой, сделайте так, чтобы гномон прошел насквозь дощечки-основания, он будет служить опорой в ее наклонном положении, а на нижней стороне основания начертите второй циферблат; только на нем цифра 6 будет слева, а 18 -- справа. -- Прим. ред.
Назначение. Определение направления и силы ветра.
Материалы:
- - деревянный брусок;
- - жесть или тонкая фанера;
- - толстая проволока, 5--7 мм;
- - пластилин или оконная замазка;
- - масляная краска;
- - мелкие гвозди.
Изготовление. Корпус флюгера делается из деревянного бруска длиной 110--120 мм, которому придается форма усеченной пирамиды с основаниями 50 x 50 мм и 70 x 70 мм. К противоположным боковым граням пирамиды прибиваются два жестяных или фанерных крыла в виде трапеций высотой около 400мм, с основаниями 50 мм и 200мм; жестяные крылья лучше, они не коробятся от сырости.
В центре бруска просверливается (не насквозь!) отверстие диаметром немного больше диаметра того штыря, на котором будет вращаться флюгер. Внутрь отверстия, в самом его конце, хорошо бы вставить что-то твердое, чтобы при вращении флюгера отверстие не рассверливалось. В торцевую часть флюгера, со стороны противоположной крыльям, вгоняется проволока так, чтобы она выступала на 150--250 мм, а на ее конец надевается шарик из пластилина или оконной замазки. Вес шарика подбирается так, чтобы он уравновешивал крылья, чтобы флюгер не перевешивался назад или вперед. Хорошо, если удастся вместо пластилина или замазки подобрать и хорошо закрепить на проволоке другой, более надежный противовес. Выгибается из проволоки и вставляется вертикально в верхнюю поверхность бруска флюгера, над осью его вращения, прямоугольная рамка высотой 350мм. и шириной 200мм. Рамка должна быть расположена перпендикулярно продольной оси флюгера. На рамку навешивается на петельках (проволочных колечках) жестяная или фанерная дощечка весом 200г и размером 150 x 300 мм. Дощечка должна свободно качаться, но не должна смещаться из стороны в сторону. К одной из боковых стоек рамки прикрепляется фанерная или жестяная шкала силы ветра в баллах. Все деревянные и фанерные детали (а по желанию и остальные) красятся масляной краской.
Установка. Согласно стандарту, флюгер устанавливается на вкопанном в землю столбе или на вышке над крышей здания на высоте 10 м над уровнем земли. Соблюсти это требование довольно сложно, придется исходить из возможностей, учитывая при этом и видимость прибора с высоты человеческого роста. Ось флюгера нужно установить вертикально на столбе, по сторонам которого должны быть штыри, указывающие восемь направлений: С, СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, З, СЗ. Из них только на одном, направленном на север, должна быть закреплена хорошо видная буква С.
Работа с прибором. Направление ветра -- это направление, откуда дует ветер, поэтому оно читается по положению противовеса, а не крыльев флюгера. Сила ветра в баллах читается по степени отклонения доски флюгера. Если доска колеблется -- принимается во внимание ее среднее положение; когда наблюдаются отдельные сильные порывы ветра, указывают и максимальную силу ветра. Так, запись «ЮЗ 3 (5)» означает: ветер юго-западный, 3 балла, порывами до 5 баллов.
Метеорологические станции
Волосной гигрометр: 1 -- волос; 2 -- рамка; 3 -- стрелка; 4 -- шкала.
Плёночный гигрометр: 1 -- мембрана; 2 -- стрелка; 3 -- шкала.
Метеорологические приборы, которые использовал Р.Гук в середине XVII века: барометр (а ), анемометр (б ) и компас (в ) определяли давление, скорость и направление ветра как функции времени, разумеется если были часы. Для того чтобы разобраться в причинах и свойствах движения атмосферного воздуха, были нужны многочисленные и достаточно точные измерения, а следовательно, достаточно дешевые и точные приборы. Изображение: «Квант»
Внутреннее устройство анероида.
Расположение метеорологических станций на Земле
Снимки с космических метеорологических станций
Метеорологические приборы
5 (100%) 2 vote[s]Основное занятие большинства метеорологов – не предсказание погоды, как обычно думают, а наблюдения за погодой. Без наблюдений не может быть и прогнозов. Более того, чтобы грамотно составить прогноз погоды, нужно иметь результаты наблюдений в десятках и сотнях точек. Наблюдения ведут на метеорологических станциях.
Метеорологическая станция (метеостанция) – учреждение, в котором круглосуточно проводятся регулярные наблюдения за состоянием атмосферы и атмосферными процессами, в том числе отслеживаются изменения отдельных метеорологических элементов (температуры, давления, влажности воздуха, скорости и направления ветра, облачности и осадков и т.д.). На станции имеются метеорологическая площадка, где расположены основные метеорологические приборы, и закрытое помещение для обработки наблюдений. Метеорологические станции страны, области, района составляют метеорологическую сеть.
Только немногие измерения могут проводиться “на глаз”, нужны измерительные приборы, действие их основано на законах физики.
Нередко услышав по радио, что сейчас такая-то температура, мы смотрим на наружный термометр за окошком и обнаруживаем разницу до трех-четырех градусов. Это связано с тем, что, во-первых, метеостанция, по которой нам сообщили сведения, находится на некотором расстоянии от нашего дома; во-вторых, приборы на метеостанции установлены не так, как у нас; и в-третьих, бытовые приборы далеко не так точны, как метеорологические. Наблюдение за погодой на метеостанции считается рутинной работой, потому что она регламентирована строгими инструкциями, нарушать которые нельзя, иначе наблюдения, проведенные на разных метеостанциях (да и разными наблюдателями на одной и той же) нельзя будет сопоставить. Дело не только в том, что на разных станциях должны быть приборы одной и той же конструкции. Результаты наблюдений зависят и от того, как и где эти приборы установлены, как ими пользоваться, как записывать наблюдения и т.д. Но то богатство впечатлений, которое предоставляет нам объект наблюдения – погода, – с лихвой возмещает видимое однообразие методов.
Каждый прибор на метеостанции снабжен сертификатом, в котором указано, какие поправки нужно вносить в его показания. Например в сертификате термометра указано:
от -5,7 до +2,1 +0,2
от +2,2 до +9,4 +0,1.
Это значит, что если термометр показывает -0,2°C, то истинная температура будет (-0,2°C) + (+0,2°C) = 0,0°C; если показывает +5,7°C, то температура +5,8°C. Для другого термометра, даже если он был выпущен на заводе в составе той же серии, поправки почти всегда будут другие. Такие поправки называются инструментальными . Они есть у любых приборов, что бы ими не измеряли.>
Теперь рассмотрим приборы, предназначенные для измерения отдельных метеорологических элементов.
ДАВЛЕНИЕ ВОЗДУХА
Давление воздуха – важнейший метеорологический показатель, даже важнее температуры. Давление измеряют с помощью ртутного барометра, который не претерпел существенных изменений за три с половиной века, с тех пор, как его изобрел Эванджелиста Торричелли. Барометр позволяет определить высоту ртутного столба с точностью до 0,1 мм. Давление в помещении и снаружи одинаково, поэтому прибор вешают на стене в закрытом помещении – наблюдательской, где ведут обработку наблюдений. В шкалу барометра вмонтирован термометр, показывающий температуру в помещении, потому что при повышении температуры ртуть в барометре расширяется, и в показания приходится вводить температурную поправку по специальной таблице.
Кроме того, в величину давления вводят поправку на абсолютную высоту, т.е. вычисляют давление, которое было бы в данной точке, если бы барометр находился на уровне моря. Не будь этой поправки, любая горная страна, в пределах которой расположены на разных высотах многочисленные метеостанции, независимо от погодных условий оказалась бы изображенной на карте изобар как область низкого давления, причем весьма причудливой конфигурации.
В наблюдательской же находится и гораздо более привычный широкой публике барометр-анероид, он считается менее точным прибором, его держат на всякий случай. Основная деталь анероида – круглая жестяная коробочка с рифлеными крышками. Из нее выкачан воздух, и она запаяна. При увеличении атмосферного давления крышки прогибаются внутрь, при уменьшении – распрямляются. Движения крышек через систему рычажков передаются стрелке.
На том же принципе основано действие находящегося здесь же барографа, вычерчивающего кривую изменения давления воздуха. Стрелка с крохотной чернильницей на кончике отклоняется вверх или вниз в соответствии с изменением суммарного прогиба крышек стопки коробочек и вычерчивает кривую изменения давления на ленте, которой обернут барабан. Барабан вращается с помощью часового механизма. Если барабан делает оборот за сутки, кривая плавная; если за неделю, точность отсчетов меньше, но изменения давления видны более четко. Лучше иметь и суточный, и недельный барографы. У других самописцев недельные барабаны применяются редко.
ТЕМПЕРАТУРА И ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА
Температура – наиболее ощущаемый нами метеорологический показатель, погода для нас – это прежде всего “тепло” или “холодно”. Температурой воздуха считается температура, которую показывает термометр, находящийся на высоте 2 м над землей и защищенный от прямых солнечных лучей. Термометры размещают в одной из будок на метеоплощадке. Метеоплощадка – это ровное место метрах в двадцати от помещения метеостанции, с сохраненным естественным покровом (травой мхом, словом, тем, что составляет естественную подстилающую поверхность для данного места). Будки выкрашены в белый цвет, их стенки набраны из дощечек так, что воздух в будку проходит свободно, а солнечные лучи не проникают никогда. Возле будки есть постоянная лесенка.
Два термометра срочные, т.е. показывают температуру в данный момент. Они расположены вертикально, шарик которого обернут полоской ткани, конец которой опущен в стаканчик с водой. Термометры соответственно и называются – сухой и смоченный. Возможно, читателю приходилось видеть такую пару термометров в помещениях, где важно следить за влажностью воздуха, например в музеях. Термометры ртутные. Но при очень низких температурах ртутный термометрах заменяют спиртовым (ртуть замерзает при -39°). Температура, которую показывает сухой термометр, и есть температура воздуха в данный момент.
Пара термометров – сухой и смоченный – составляют прибор, называемый психрометром – измерителем влажности. Поэтому и будка называется психрометрической. На испарение воды затрачивается тепло, и смоченный термометр, как правило, показывает более низкую температуру, чем сухой. Если воздух сух, испарение идет быстро, на него расходуется много тепла и разница в показаниях термометров большая. При влажном воздухе вода испаряется медленно, соответственно уменьшается разница показаний. Когда влажность достигает 100%, испарения нет, показания термометров одинаковы. По специальным таблицам (а это довольно солидный том) наблюдатель определяет абсолютную влажность, относительную влажность и дефицит влажности, т.е. количество пара, которое еще может вместить воздух. Понятно, что при относительной влажности 100% дефицит влажности равен нулю.
Абсолютную влажность воздуха человек не ощущает, относительную же замечает только тогда, когда она сильно отличается от оптимальной (60-70%) – либо воздух слишком сухой (40% и меньше), либо слишком сырой (90-100%). При сухом воздухе значительно легче переносятся мороз и жара. Мороз в 15-20° в Мурманской области при стопроцентной влажности да еще с ветерком (а ветерок иной раз и с ног валит) куда тяжелее, чем знаменитые сибирские морозы при низкой влажности и безветрии.
Влажность фиксируется также еще одним прибором – волосным гигрометром. Его действие основано на том, что в зависимости от влажности обезжиренный человеческий волос – обязательно женский (он тоньше) и светлый (пигмент ухудшает его восприимчивость к влаге) – несколько изменяет свою длину.
Гигрометр помещается в той же будке, что и психрометр. Его показания менее точны, их проверяют по психрометру, но зато он позволяет определить влажность сразу, без расчетов: его шкала отградуирована в процентах относительной влажности.
В той же будке находятся еще два горизонтальных термометра – максимальный и минимальный. Они нужны для того, чтобы знать, каких наибольших и наименьших величин достигала температура в период наблюдения. Максимальный термометр известен всем – это, например, медицинский. Он показывает температуру тела не только тогда, когда его держат под мышкой, но и потом, когда его вынут, до тех пор, пока не стряхнут. Только в максимальном термометре, применяемом в метеорологии, диапазон температур значительно больше, а горлышко меду трубкой и резервуаром пошире, поэтому и стряхивать его легче. Именно поэтому его кладут в будке горизонтально, чтобы ртуть сама случайно не соскользнула в резервуар. Но использовать его в качестве медицинского нельзя: сколько бы мы его под мышкой не держали, он будет показывать температуру ниже нормальной, потому что длинный, а значительная часть ртути принимает температуру окружающего воздуха. Но что это? Сухой термометр показывает 15°, максимальный 19°; к следующему сроку наблюдений температура неуклонно падает, на сухом термометре уже 7°, а на максимальном опять те же 19°! Оказывается, наблюдатель, сняв показания максимального термометра, забыл его встряхнуть. Так бывало. Чтобы этого не повторялось впредь, в записях наблюдений ввели специальную графу: “Показания максимального термометра после встряхивания”.
Нетрудно догадаться, что минимальный термометр должен показывать наименьшую температуру за период наблюдений. Принцип действия этого термометра таков. В капилляре с бесцветным спиртом плавает штифтик. В каждый срок наблюдений, слегка наклоняя термометр, подгоняют штифт к поверхности спирта и кладут термометр горизонтально.
Метеорологические термометры позволяют брать отсчеты с точностью до 0,1°C.
В другой будке помещаются самописцы – термограф и гигрограф, непрерывно фиксирующие изменение температуры и относительной влажности; барабаны с часовым механизмом у них такие же, как у барографа, а стрелки соединены с датчиками температуры и влажности. Датчик влажности – человеческий волос, датчик температуры – биметаллическая пластина.
Для определения скорости ветра существует множество приборов самых разных конструкций. Суть большинства их сводится к одному: ветер крутит вертушку, а счетчик оборотов (механический или электрический) измеряет скорость вращения. Такие приборы называются анемометрами (в переводе с греческого – ветромер). Подобные устройства сейчас можно видеть во многих городах: на вертикальной оси закреплено что-то вроде большой полой дыни, разрезанной пополам; половинки смещены относительно друг друга, на каждой половинке – реклама какой-то фирмы. Втер довольно свободно обтекает половинку, которая обращена к нему выпуклой стороной, а на вогнутую сторону другой половинки оказывает заметное давление. И все устройство начинает вращаться – тем быстрее, чем сильнее ветер. нетрудно сообразить, что вращение всегда будет в одну сторону, куда бы ни дул ветер.
Но для метеостанций стандартным является не анемометр, а довольно простой прибор, сконструированный более ста лет назад директором Главной геофизической обсерватории в Петербурге Г.И. Вильдом. Флюгер Вильда состоит из флюгарки – металлического флажка, свободно вращающегося на оси, и свисающей металлической доски, поворачивающейся вместе с флюгаркой и всегда располагающейся поперек ветрового потока. Под флюгаркой закреплены штыри, указывающие стороны горизонта – основные (север, восток, юг, запад) – и промежуточные, – всего 8. Направление ветра – это сторона горизонта, откуда дует ветер, поэтому оно определятся не по флюгарке, повернутой куда дует ветер, а по противовесу к ней, обращенному всегда навстречу ветру. Металлическая доска отклоняется от вертикального положения тем больше, чем сильнее ветер. Рядом с доской приварена металлическая дуга со штифтами, по которым и определяют степень отклонения доски, а затем, уже по таблице, – скорость ветра. Впрочем, поработав неделю-другую, наблюдатель пишет скорость ветра уже не глядя в таблицу. Флюгер помещают на высоте около 10 м над землей, на отдельно стоящем столбе или над крышей метеостанции. Чаще флюгеров два – с легкой доской для слабого ветра (до 20 м/с) и с тяжелой для сильного (от 12-15 м/с). Здесь, правда, нужна оговорка. Под воздействием ровного, без завихрений, ветра доска никогда не примет горизонтального положения. Завихрения, турбулентность потока, могут расположить доску и горизонтально, и даже (на которое время) задрать ее вверх. Например, если направление между западом и юго-западом, а легкая доска – между вторым и третьим штифтами, а при порывах же достигает четвертого, запись, сделанная в момент наблюдения выглядит так: “ЗЮЗ, л.д. 2-3(4)”. если лоска неподвижна, пишут: “Тихо”.
Скорость ветра измеряют в м/с; исключение составляют авиационные и морские метеостанции: первые дают скорость в км/ч, вторые – в узлах (морских милях в час), чтобы легче было сравнивать скорость ветра со скоростью соответственно воздушных и морских судов.
Нетрудно подсчитать, что 1 м/с = 3,6 км/ч = 1,94 узла (1 морская миля = 1852 м). 15 м/с – это шторм; 30 м/с – ураган, при котором еле стоишь на ногах. Скорости более 40 м/с флюгер уже не берет, нужны специальные приборы. Один из них, ураганометр, рассчитанный на 60 м/с, в Хибинах при отдельных порывах тоже зашкаливал. А в Антарктиде зафиксировали однажды около 90 м/с. Судя по разрушениям, причиняемым тропическими циклонами (тайфунами), в них скорость ветра может превышать 100 м/с.
СОЛНЕЧНОЕ СИЯНИЕ
В каждый срок наблюдения нужно отметить солнечное сияние. Если Солнце ничем не закрыто и светит ярко, возле значка Солнца в записи ставится двойка – вторая степень. Если Солнце слегка затуманено (обычно это бывает при высоких облаках), но предметы отбрасывают тени, показатель степени не ставится, т.е. подразумевается первая степень. Когда теней нет, но положение Солнца на небе все же можно определить, пишут нулевую степень. Если Солнце закрыто плотными облаками или находится под горизонтом, значок вообще на ставят.
Постоянно же фиксирует солнечное сияние прибор гелиограф. Это уникальный измерительный прибор,отличающийся от всех других тем, что в нем нет ни одной движущейся части. Даже рулетку, даже портновский сантиметр мы должны подвинуть, расположить так, чтобы нуль шкалы совпал с началом измеряемого отрезка. У термометра подвижен столбик ртути; у термографа, барографа есть часовой механизм, который поворачивает барабан, и стрелка, которая поднимается и опускается.
Основная деталь гелиографа – шар диаметром около 100 мм, сделанный из хорошего оптического стекла и хорошо отшлифованный. Такой шар представляет собой собирающую линзу, которая в отличие от привычных нам линз, применяемых в очках, микроскопах, биноклях и т.п., не имеет единственной главной оптической оси: любая прямая, проведенная через центра шара, – это его оптическая ось. Как всякая линза шар имеет свое фокусное расстояние, у него оно одинаково во всех направлениях. На этом расстоянии вдоль поверхности шара в специальной обойме помещают картонную ленту с делениями. Солнце, совершая видимое движение по небосводу, прожигает в ленте след. В какой-то момент Солнце скрывается за облаками и перестает прожигать ленту; оно продолжает свое движение за облаками, и, когда небо проясняется, появляется новый прожог. Каждое большое деление на ленте соответствует 1 ч. Ленты хватает на 8 ч; после этого, если день длится больше, ставят новую ленту и поворачивают обойму на 120° – именно такую дугу описывает Солнце за 8 ч. Зимой дни короткие, ставится одна лента – с 8 до 16 ч. Весной и осенью (а в тропиках – круглый год) – две, с 4 до 12 и с 12 до 20 ч. Детом даже на широте Москвы уже требуются три ленты, потому что день длится более 16 ч, а еще дальше к северу Солнце может и не заходить, ленты ставят в 0, 8, 16 ч.
Гелиограф может работать как самописец потому, что движется сам вместе с вращающейся Землей, подставляя Солнцу для прожога то одну точку своей ленты, то другую. Сравнимы с ними только солнечные часы – практически тот же прибор, только не самопишущий.
Облака – один из самых сложных для наблюдения метеорологических элементов, поэтому приборов нет. Нужно на глаз определить степень покрытия небосвода облаками (10% – 1 балл облачности, 30% – 3 балла, весь небосвод покрыт облаками – 10 баллов), род и вид облаков, хотя бы приблизительно – их высоту. Правда, есть метеостанции, запускающие в каждый срок наблюдений шар-пилот, скорость подъема которого известна; скрылся шар в облаках через столько-то секунд – и известна высота. Но во-первых, далеко не все станции запускают такие шары, во-вторых, шар может проскочить между кучевыми облаками, и в-третьих – и это самое главное – удачей считается именно последний случай, потому что шар-пилот нужен в первую очередь для определения не высоты облаков, а направления ветра на разных высотах.
Есть, правда, довольно примитивный прибор нефоскоп, якобы позволяющий определить направление и скорость движения облаков, но я что-то не припомню случая, чтобы им кто-то пользовался…
Количество осадков – это толщина слоя воды, который образовался бы от выпадения дождя, снега и т.п., если бы вода не стекала и не испарялась. Измеряется в миллиметрах. Прибор (осадкомер) представляет собой просто цилиндрическое ведро, которое помещают на столбе. В каждый срок наблюдений накопившуюся в нем воду сливают в мерный цилиндр с делениями, позволяющий измерять объем с точностью до 0,1 мм. Если осадки твердые (снег, град, крупа), ведро вносят в наблюдательскую, а когда осадки растают, воду сливают в стакан. Летом, а особенно в жаркую погоду, измерять количество выпавших осадков нужно сразу после дождя, иначе вода испарится.
Вокруг ведра осадкомера расположены металлические пластины, образующие что-то вроде цветка. Они препятствуют выдуванию осадков (в основном, конечно, снега) из ведра.
ТЕМПЕРАТУРА ПОЧВЫ. СНЕЖНЫЙ ПОКРОВ
Температуру почвы измеряют такими же термометрами, как и в психрометрической будке, только лежат все три на поверхности земли (зимой – на снегу) и не защищены от прямых солнечных лучей. Кроме того, на агрометеорологических станциях измеряют температуру почвы на разных глубинах, обычно 5, 10 и 15 см. Термометры по форме напоминают хоккейную клюшку: резервуар со ртутью помещается горизонтально на нужной глубине, а шкала выступает над поверхностью. Но в показания этих термометров нужно вносить поправки, т.к. выступающая часть корпуса, в частности столбик ртути, подвержены влиянию температуры воздуха и прямых солнечных лучей.
Со времени установления осенью постоянного снежного покрова и до его схода весной по ней высота снежного покрова регулярно фиксируется с помощью снегомерной рейки.
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
О них упомянем только вкратце, потому что наблюдения ведут в основном без приборов и носят качественный характер, измерения почти отсутствуют.
Метеоролог должен постоянно выглядывать в окно и почаще выходить из здания, иначе можно многое пропустить. Начался дождь – отметь время; слабый дождь перешел в умеренный – сновать отметь. Нужно зафиксировать время начала и окончания осадков, тумана, метели, радуги, полярного сияния и многого другого. Для каждого явления существует свой значок, поэтому запись напоминает китайские иероглифы вперемешку с цифрами.
За последние десятилетия все больше входят в научный и технический обиход электронные приборы. Но сохраняют свое место и традиционные измерительные приборы; они обычно служат эталонами, по которым все остальные приборы поверяют, по которым их настраивают.
Газета "Физика", №23’99.
Подготовьте сообщение о современных метеорологических приборах, используемых в быту (барометр-анероид, электронный термометр, цифровые метеостанции).
Ответ
Барометр-анероид — прибор, принцип действия которого основан на изменении размеров металлической коробки наполненной разреженным воздухом, под действием атмосферного давления. Такие барометры надежны и имеют небольшие размеры.
Барометр-анероид — это прибор, который предназначается для измерения атмосферного давления механическим способом. Конструктивно анероид состоит из круглой металлической (никель-серебряной или из закаленной стали) коробки с гофрированными (ребристыми) основаниями, в которой, путем откачивания воздуха, создано сильное разрежение, возвратной пружины, передаточного механизма и стрелки указателя. Под действием атмосферного давления: его повышения или понижения, коробка, соответственно, либо сжимается, либо разгибается. При этом, при сжатии сильфонной коробки верхняя прогибающаяся поверхность начинает тянуть прикрепленную к ней пружину вниз, а при понижении атмосферного давления, верхняя часть, наоборот, выгибается и толкает пружину вверх. К возвратной пружине, при помощи передаточного механизма, прикреплена стрелка указателя, которая двигается по шкале, проградуированной в соответствии с показаниями ртутного барометра. Стоит отметить, что обычно, на практике, применяется несколько (до 10 шт.) последовательно соединенных тонкостенных гофрированных коробок с разряжением, что увеличивает амплитуду хождения стрелки по шкале.
Барометры-анероиды, благодаря малым размерам и отсутствию жидкости в конструкции, наиболее удобны и портативны; они широко применяются на практике.
К сожалению, барометры подвержены влиянию температуры окружающей среды и изменению упругости пружин с течением времени. Поэтому, современные барометры-анероиды оборудованы дугообразным термометром, или, так называемым компенсатором, который предназначается для внесения поправки показаний прибора на температуру.
Барометра-анероида М-67 – наиболее точный и неприхотливый барометр. Благодаря своим конструкционным особенностям способен работать при температурах от -10 до +50 °С.
Термометр – прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и так далее. Существует несколько видов термометров:
1) жидкостные;
2) механические;
3) электронные;
4) оптические;
5) газовые;
6) инфракрасные.
Принцип работы электронных термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды.
Электронные термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создает контактную разность потенциалов, зависящую от температуры).
Наиболее точными и стабильными во времени являются термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику. Наибольшее распространение получили PT100 (сопротивление при 0 °C — 100Ω) PT1000 (сопротивление при 0 °C — 1000Ω) (IEC751). Зависимость от температуры почти линейна и подчиняется квадратичному закону при положительной температуре и уравнению 4 степени при отрицательных (соответствующие константы весьма малы, и в первом приближении эту зависимость можно считать линейной). Температурный диапазон −200 — +850 °C.
Цифровая метеостанция — это портативный прибор, который получает сводки погоды по специальному радиоканалу. Устройство оборудовано большим электронным дисплеем; на экране отображается температура за окном в режиме «здесь и сейчас», а также прогноз на ближайшие сутки. Кроме того, устройство показывает уровень влажности и атмосферного давления, в некоторых случаях — состояние дорог и прогноз магнитных бурь. Современные метеостанции — это цифровые беспроводные приборы, которые также определяют степень радиационного загрязнения на местности, а также фазы луны, уровень солнечной активности и благоприятность условий для проведения сельскохозяйственных работ. Фактически, всю информацию, которую дает цифровая метеостанция, можно получить из других источников — радио- и телевизионных передач, новостных сайтов и приложений для мобильных телефонов.
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ - приборы и установки для измерения и регистрации физических характеристик земной атмосферы (температуры, давления и влажности воздуха, скорости и направления ветра, облачности, осадков, прозрачности атмосферы), а также температуры воды и почвы, интенсивности солнечной радиации и т. д. С помощью М. п. обнаруживают и оценивают физ. процессы, к-рые не могут быть восприняты непосредственно, а также проводят научные исследования. М. п. применяются в различных областях науки и техники, во многих отраслях народного хозяйства.
В мед.-биол, практике М. п. используются для исследования и оценки климата отдельных районов, а также микроклимата жилых и производственных зданий.
Первый М. п. был создан в Индии более 2 тыс. лет назад для измерения количества выпадающих осадков, однако регулярно М. п. стали применять только в 17 в. после изобретения термометра и барометра. В России систематические климатол. инструментальные наблюдения проводятся с 1724 г.
В зависимости от способа регистрации данных М. п. разделяются на показывающие и самопишущие. С помощью показывающих М. п. получают визуальные данные, к-рые через имеющиеся в этих приборах отсчетные устройства позволяют определять значения измеряемых величин. К показывающим М. п. относятся термометры, барометры, анемометры, гигрометры, психрометры и др. Самопишущие М. п. (термографы, барографы, гигрографы и др.) автоматически записывают показания на движущейся бумажной ленте.
Температура воздуха, воды, почвы измеряется термометрами: жидкостными - ртутными и спиртовыми, биметаллическими, а также электротермометрами, в к-рых первичное восприятие температуры осуществляется посредством датчиков (см.) - термоэлектрических, терморезистивных, транзисторных и других преобразователей (см. Термометрия). Регистрация температуры производится при помощи термографов, а также посредством термоэлектрических преобразователей, соединенных (в т. ч. и дистанционно) с регистрирующими приборами. Влажность воздуха измеряется психрометрами (см.) и гигрометрами (см.) различного типа, а для регистрации изменения влажности во времени используют гигрографы.
Измерение и регистрацию скорости и направления ветра проводят с помощью анемометров, анемографов, анеморумбометров, флюгеров и т. д. (см. Анемометр). Количество выпадающих осадков измеряют осадкомерами и дождемерами (см. Дождемер), а регистрируют плювиографами. Атмосферное давление измеряют ртутными барометрами, анероидами, гипсотермометрами, а регистрируют барографами (см. Барометр). Интенсивность солнечной радиации, излучение земной поверхности и атмосферы измеряют пиргелиометрами, пир-геометрами, актинометрами, альбедо-метрами, а регистрируют пиранографами (см. Актинометрия).
Все большее значение приобретают дистанционные и автоматические М. п.
Библиография: Метеорологические приборы и автоматизация метеорологических измерений, под ред. Л. П. Афиногенова и М. С. Стернзата, Л., 1966; Рейфер А. Б. и др. Справочник по гидрометеорологическим приборам и установкам, Л., 1976.
В. П. Падалкин.
Вопросы перед параграфом.
1. Что называют атмосферой?
Атмосферой называют воздушную оболочку Земли.
2. Из каких газов состоит воздух?
Воздух Земли преимущественно состоит из молекул азота (78%). Второй его компонент - это кислород, который составляет около 21% воздуха. Оставшийся 1% приходится на другие газы - это углекислый газ, озон, инертные газы.
3. Каким прибором измеряют атмосферное давление?
Прибор для измерения атмосферного давления называется Барометром.
4. Какие признаки изменения погоды вам известны?
Изменение атмосферного давления, когда погода меняется с ясной на ненастную давление понижается несколько дней. Усиление ветра, повышенная облачность.
5. Какие специалисты изучают атмосферу?
Метеоролог изучает атмосферу.
Школа географа-следопыта
Задание является проектной деятельностью, требует самостоятельной работы.
Вопросы и задания после параграфа.
1. Своими словами сформулируйте определение погоды.
Состояние атмосферы в определенном месте, в определенное время.
2. Можно ли говорить о погоде в течение суток или недели?
О погоде в течение суток или недели можно говорить почти со 100% точностью, однако чем более дальний прогноз погоды, тем вероятнее неточность прогноза, потому что погода постоянно меняется, в связи с чем прогноз погоды постоянно корректируют.
3. Для чего организуются метеорологические станции?
метеорологические станции организуются для сбора сведений о температуре и влажности воздуха, атмосферном давлении, направлении и скорости ветра, количестве и видах облаков и осадков, об атмосферных явлениях, которые могут быть опасны для человека.
4. Совершите экскурсию на ближайшую метеостанцию.
Предполагается проведение экскурсии с классом или родителями.
5. Дополните предложения названиями свойств воздуха.
С помощью барометра измеряют давления воздуха.
Гигрометр показывает температуру и влажность воздуха.
Термометром можно измерить температуру воздуха.
Флюгер указывает, откуда дует ветер и с какой скоростью.
6. Составьте краткий рассказ о метеорологических приборах. Узнайте дополнительную информацию о них из энциклопедий или Интернета.
Основным прибором для измерения направления и скорости ветра служит анеморумбометр М-63М-1. В случае нарушения электроснабжения, или выхода прибора из строя, запасным прибором для визуальной оценки ветровых характеристик служит флюгер Вильда с легкой доской. Для измерения количества осадков (мм) применяется «Осадкомер Третьякова». Интенсивность жидких осадков регистрируется с помощью прибора-самописца, который называется «Плювиограф». Форму и количество облаков в баллах определяют визуально и сверяют с фото по международному «Атласу облаков». Высоту нижней границы облачности определяют с помощью измерителя высоты облаков (ИВО). За метеорологической дальностью видимости наблюдают по ориентирам при помощи поляризационного измерителя видимости М-53А. Продолжительность солнечного сияния определяют по гелиографу, стеклянный шар которого собирает солнечные лучи в фокус, и при перемещении луча на ленте появляется линия прожога. По длине линии в часах и считают продолжительность солнечного сияния. По мерзлотомеру проводят измерения глубины промерзания почвы.
7. Сравните показания метеорологического и ртутного медицинского термометров. Проанализируйте полученный в ходе наблюдения результат.
Показания термометров различаются. Медицинский ртутный термометр показывает меньшую температуру.
8. Подготовьте сообщение о современных метеорологических приборах, используемых в быту (барометр-анероид, электронный термометр, цифровые метеостанции).
Барометр-анероид – прибор, принцип действия которого основан на изменении размеров металлической коробки наполненной разреженным воздухом, под действием атмосферного давления. Такие барометры надежны и имеют небольшие размеры.
Барометр-анероид – это прибор, который предназначается для измерения атмосферного давления механическим способом. Конструктивно анероид состоит из круглой металлической (никель-серебряной или из закаленной стали) коробки с гофрированными (ребристыми) основаниями, в которой, путем откачивания воздуха, создано сильное разрежение, возвратной пружины, передаточного механизма и стрелки указателя. Под действием атмосферного давления: его повышения или понижения, коробка, соответственно, либо сжимается, либо разгибается. При этом, при сжатии сильфонной коробки верхняя прогибающаяся поверхность начинает тянуть прикрепленную к ней пружину вниз, а при понижении атмосферного давления, верхняя часть, наоборот, выгибается и толкает пружину вверх. К возвратной пружине, при помощи передаточного механизма, прикреплена стрелка указателя, которая двигается по шкале, проградуированной в соответствии с показаниями ртутного барометра (Рисунок 2). Стоит отметить, что обычно, на практике, применяется несколько (до 10 шт.) последовательно соединенных тонкостенных гофрированных коробок с разряжением, что увеличивает амплитуду хождения стрелки по шкале.
Рисунок 2. Устройство Барометра-анероида
Барометры-анероиды, благодаря малым размерам и отсутствию жидкости в конструкции, наиболее удобны и портативны; они широко применяются на практике.
К сожалению, барометры подвержены влиянию температуры окружающей среды и изменению упругости пружин с течением времени. Поэтому, современные барометры-анероиды оборудованы дугообразным термометром, или, так называемым компенсатором, который предназначается для внесения поправки показаний прибора на температуру.
Барометра-анероида М-67 – наиболее точный и неприхотливый барометр. Благодаря своим конструкционным особенностям способен работать при температурах от -10 до +50 оС (рисунок 3).
Термометр – прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и так далее. Существует несколько видов термометров:
Жидкостные;
Механические;
Электронные;
Оптические;
Газовые;
Инфракрасные.
Принцип работы электронных термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды.
Электронные термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры).
Наиболее точными и стабильными во времени являются термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику. Наибольшее распространение получили PT100 (сопротивление при 0 °C - 100Ω) PT1000 (сопротивление при 0 °C - 1000Ω) (IEC751). Зависимость от температуры почти линейна и подчиняется квадратичному закону при положительной температуре и уравнению 4 степени при отрицательных (соответствующие константы весьма малы, и в первом приближении эту зависимость можно считать линейной). Температурный диапазон −200 - +850 °C.
Цифровая метеостанция – это портативный прибор, который получает сводки погоды по специальному радиоканалу. Устройство оборудовано большим электронным дисплеем; на экране отображается температура за окном в режиме «здесь и сейчас», а также прогноз на ближайшие сутки. Кроме того, устройство показывает уровень влажности и атмосферного давления, в некоторых случаях – состояние дорог и прогноз магнитных бурь. Современные метеостанции – это цифровые беспроводные приборы, которые также определяют степень радиационного загрязнения на местности, а также фазы луны, уровень солнечной активности и благоприятность условий для проведения сельскохозяйственных работ. Фактически, всю информацию, которую даёт цифровая метеостанция, можно получить из других источников – радио- и телевизионных передач, новостных сайтов и приложений для мобильных телефонов.
