Ogródek meteorologiczny
To wycinek otwartego terenu w kształcie kwadratu o boku co najmniej 15 m. , wyrównany porośnięty trawą o wysokości 15cm, z dala od wysokich przedmiotów (tak aby nie byłą utrudniona wymiana powietrza, jego przepływ nie było zasłaniane Słońce. Ważne jest też reprezentatywne położenie ogródka w danej okolicy.
Rozmieszczenie przyrządów – tak aby nie wywierał na siebie wpływu. Przyrządy umieszczone najniżej powinny znajdować się w południowej części ogródka, a wymagające montowania wyżej, w północnej. Teren ogrodzony płotem z wejściem od strony południowej.
Klatka meteorologiczna
Służy do zabezpieczenia przyrządów niezbędnych do pomiaru temperatury i wilgotności powietrza przed bezpośrednim działaniem promieni słonecznych, opadów atmosferycznych , osadów oraz silnych wiatrów. Jest to budka drewniana o szerokości ok. 75 cm oraz głębokości i wysokości ok. 50 cm., ścianki z podwójnych żaluzji, dno trzy deski, dach podwójny opada do tyłu, przód stanowię dwuskrzydłowe, żaluzjowe drzwiczki skierowane na północ, co zabezpiecza przyrządy przed dostępem bezpośredniego promieniowania słonecznego podczas dokonywania odczytów. Specyficzna konstrukcja klatki ma na celu zapewnienie przewiewności jej wnętrza, a tym samym eliminację różnic pomiędzy temperaturą i wilgotnością powietrza notowaną w klatce i na zewnątrz klatki. Jest umieszczona na specjalnym statywie na takiej wysokości , aby zbiorniczki umieszczonych w nie j termometrów znajdowały się na wysokości 2m nad powierzchnią gruntu.
Pomiar ciśnienia
Ciśnieniem atmosferycznym nazywa się ciśnienie wywierane przez ciężar atmosfery. Liczbowo jest ono równe ciężarowi pionowego słupa powietrza rozciągającego się do powierzchni jednostkowej do zewnętrznej granicy atmosfery. W meteorologii mówi się o tzw. ciśnieniu normalnym. Jest to ciśnienie, które równoważy słup rtęci o wysokości 760mm, w temperaturze 0 C, na poziomie morza, na 45 szerokości geograficznej. Jednostki milimetry słupa rtęci, i przelicznik na paskale
Przelicznik jednostek ciśnienia
1hPa = 1mb =0,750062 (w przybliżeniu ¾) mm Hg = 1000dyn.
1mm Hg = 1,333224 (w przybliżeniu 4/3) hPa lub mb
Mierzymy: barometrami rtęciowymi lub niekiedy barometrami metalowymi (aneroidami).
Barometry naczyniowe „stacyjne” – budowa: szklana rurka , długości ok. 900 mm i średnicy 10 mm, wypełniona rtęcią. Górny koniec rurki jest zamknięty, a dolny zanurzony w metalowym zbiorniczku wypełnionym rtęcią. W rurce ponad rtęcią jest próżnia. Z boku słupka rtęci znajdującego się w rurce jest skala barometru w hektopaskalach lub milimetrach. Gdy ciśnienie powietrza wzrasta, słupek rtęci się wydłuża. Część rtęci z naczynia przechodzi do rurki. Gdy ciśnienie atmosferyczne się zmniejsza, przemieszcza się w odwrotnym kierunku. Wartości pomiaru należy skorygować o poprawki wynikające z niedoskonałości budowy przyrządu.
Aneroidy – konstrukcja:
Wykorzystano tu właściwości sprężyste metali. Zasadniczą częścią tego przyrządu jest zamknięte metalowe pudełko wykonane ze sprężystej blachy, z którego usunięto powietrze. Zmiany ciśnienia atmosferycznego powodują większe lub mniejsze ugięcie ścianek puszki, które są przenoszone przez układ dźwigni na wskazówkę poruszającą się na okrągłej tarczy wyskalowanej w jednostkach ciśnienia.
Rys. Po lewej aneroid, po prawej barometr naczyniowy
Barografy – do ciągłej rejestracji ciśnienia, oparty na zasadzie działania aneroidu z przyłączonym mechanizmem zegarowym
.
Pomiar temperatury
Temperatura powietrza jest jednym z bardzo ważnych elementów pogody, którego pomiary rozpoczęto stosunkowo wcześnie, bowiem już w XVIII w. – jest wielkością fizyczną określającą stopień nagrzania ciała.
Temperaturę określa się w stopniach skali termometrycznej:
– Skala Celsjusza – (0º) temperatura powodująca chemicznie topnienie czystego lodu, a temperaturę wrzenia wody chemicznie czystej przy ciśnieniu 760 mm Hg jako 100º. Jednostka podstawowa setna część odległości między punktami 0º i 100º.
– Skala fahrenheita (Stany Zjednoczone, Wspólnota Brytyjska) – temperaturze topnienia lodu odpowiada punkt 32ºF, a temperaturze wrzenia wody punkt 212ºF. Odległość między tymi punktami podzielono na 180 części. Przelicznik na ºC
– Skala Kelwina (bezwzględna skala temperatury) -0 K temperatura w której ustaje ruch cieplny cząsteczek (-273,16ºC). Kelwin jest częścią temperatury punktu potrójnego wody (ppt odpowiada temp. 0,01ºC). Jeden stopień tej skali jest równy jednemu stopniowi skali Celsjusza. W praktyce przyjmuje się, że 0K = -273,16ºC a 0ºC=273 K.
Podział termometrów:
– Cieczowe – wykorzystano zjawisko objętościowej rozszerzalności cieplnej cieczy, najczęściej rtęci lub alkoholu. Należą do najczęściej używanych na stacjach meteorologicznych.
– Deformacyjne – liniowe odkształcanie ciał pod wpływem zmian temperatury
– Oporowe – związek oporu elektrycznego przewodników i półprzewodników ze zmianami temp.
– Termoelektryczne – zdolność powstania siły termoelektrycznej w obwodzie złożonym z tych materiałów, których spojenia mają różną temperaturę.
Posługując się termometrami cieczowymi w praktyce mierzymy długość znajdującego się w szklanej rurce słupa cieczy. Jeśli wielkość współczynnika rozszerzalności objętościowej cieczy znajdującej się w termometrze są proporcjonalne do zmian temperatury. Ciecz wznosi się w kapilarze na taką wysokość, jaka wynika z aktualnej temperatury cieczy. Proces wyrównywania temperatur wymaga pewnego czasu, zależ y od zespołu właściwości cieplnych przyrządu (jest to tzw. bezwładność cieplna termometru).
Najczęściej cieczą termometryczną jest rtęć. Do pomiaru temperatury poniżej -38ºC używa się termometrów alkoholowych.
– Termometr stacyjny – służy do pomiaru aktualnej temperatury powietrza, ustawiony pionowo w klatce meteorologicznej jest jednocześnie elementem składowym psychrometru Augusta. Zakres mierzonych temperatur wynosi od -38ºC do +50ºC, a najmniejsze działki na skali termometru wynoszą 0,2ºC (umożliwia praktycznie odczyt z dokładnością do 0,1ºC.
– Termometry ekstremalne:
– Maksymalny – połączenie kapilary ze zbiorniczkiem jest wyraźnie zwężone. Zwężenie to jest spowodowane umieszczeniem w kapilarze cienkiego pręcika szklanego. Podczas wzrostu temperatury ciecz termometryczna rozszerza się, wytwarzając dostatecznie wysokie ciśnienie umożliwiające przemieszczenie się cieczy przez przewężenie i wędrówkę do kapilary. Podczas obniżania się temperatury następuje przerwanie słupka cieczy w miejscu przewężenia, w kapilarze pozostaje tyle cieczy termometrycznej, ile jej wydostało się ze zbiorniczka w czasie wystąpienia najwyższej temperatury. (w klatce umieszcza się w pozycji niemal poziomej, 5º względem poziomu).
– Minimalny – cieczą term. jest alkohol (toluol). Płyn ten wolno reaguje na zmiany temperatury, stąd zbiorniczek tego termometru ma specyficzny kształt, widełkowaty i wydłużony, zapewniający większą powierzchnię. W zbiorniczku jest zanurzony oznakowany kontrastową barwą pręcik.
Termometr na stanowisku pomiarowym jest umieszczony w pozycji poziomej. Wzrost temperatury i związane z nim przemieszczanie się cieczy w górę skali nie wywiera wpływu na położenie pręcika. Spadek temperatury natomiast powoduje , że pręcik przesuwa się wraz z meniskiem cieczy w dół kapilary. Pręcik zatrzymuje się w miejscu wskazanym przez najniższą temperaturę.
Termometr jest umieszczony w pozycji poziomej w miejscu pomiaru.
– Termograf – częścią reagującą na zmiany temperatury jest tu płytka bimetaliczna (dwa spojone płytki metalowe o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej. Zapis odbywa się na pasku papierowym zwanym termogramem
Pomiar wilgotności
Jest to zawartość pary wodnej w powietrzu. Tak jak wszystkie inne składniki gazowe atmosfery, również i para wodna wywiera ciśnienie. Ciśnienie wywierane przez parę wodną zawartą w powietrzu atmosferycznym, zgodnie z prawem J. Daltona (1766-1844), jest niezależne od obecności pozostałych gazów. Można więc to ciśnienie zmierzyć. W meteorologii nazywamy je prężnością pary wodnej.
Prężność aktualną, oznacza się zazwyczaj symbolem e, jest to ciśnienie wywierane przez parę wodną zawartą aktualnie w powietrzu.
Prężność maksymalna pary wodnej , oznaczana jako E jest to największe ciśnienie wywierane przez parę wodną względem płaskiej powierzchni wody w danej temperaturze
Określa się je w hPa lub w mm Hg.
Wilgotność względna powietrza – jest to stosunek prężności pary wodnej znajdującej się aktualnie w powietrzu w danej temperaturze do prężności pary wodnej nasyconej w tej samej temperaturze.
Niedosyt wilgotności powietrza – różnica między prężnością pary wodnej nasyconej i prężnością pary znajdującej się aktualnie w powietrzu.
Wilgotność bezwzględna to gęstość pary wodnej zawartej w powietrzu atmosferycznym. Wyrażona jest liczbą gramów pary wodnej zawartej w 1 m3 powietrza lub w g · m3 .
d = 216,7 e · T -1
Wilgotność właściwa to ilość gramów pary wodnej zawarta w 1 kg powietrza wilgotnego.
q = 622 · e · (p – 0,378 · e) -1 ,
p – ciśnienie atmosferyczne, T temperatura w kelwinach.
Temperatura punktu rosy oznacza temperaturę do jakiej należy ochłodzić powietrze przy stałej prężności pary wodnej, aby prężność aktualna pary wodnej stała się równa prężności maksymalnej (e = E).
Najpowszechniej stosowane w praktyce meteorologicznej przyrządy służące do pomiaru wilgotności powietrza skonstruowano opierając się na zjawisku pochłaniania paru wodnej przez niektóre ciała lub przy ich konstrukcji wykorzystano zależność intensywności parowania od niedosytu wilgotności.
Higrometr włosowy – pozwala bezpośrednio zmierzyć wilgotność względną powietrza (patrz także higrograf). W przyrządach tych wykorzystano właściwości wydłużania się odtłuszczonego włosa ludzkiego w miarę wzrostu wilgotności i kurczenia się w przypadki zmniejszania się wilgotności powietrza.
Na stacjach meteorologicznych z reguły jest używany jako przyrząd pomocniczy, służący do pomiaru wilgotności powietrza, zwłaszcza przy bardzo niskich temperaturach, kiedy są utrudnione odczyty wskazań psychrometru Augusta, z powodu stałego zamarzania wody na batyście termometru wilgotnego.
Zależność intensywności parowania od niedosytu wilgotności powietrza wykorzystują konstrukcje psychrometrów Augusta i Assmanna. Intensywność parowania wywiera wpływ na mierzoną tymi psychrometrami różnicę temperatury powietrza na tzw. termometrze suchym i wilgotnym.
Psychrometr Augusta składa się z dwóch jednakowych termometrów stacyjnych, z których jeden ma zbiorniczek rtęci owinięty batystem. Koniec tkaniny jest stale zanurzony w pojemniku z wodą paruje, powodując obniżenie temperatury. W rezultacie termometr wilgotny wskazuje temperaturę niższą niż termometr suchy.
Różnica będzie tym większa, im więcej wydobędzie parować z termometru wilgotnego. Z kolei dużo wody będzie mogło wyparować, duża ilość paru wodnej będzie mogła zmieścić się w otaczającym termometr powietrzu atmosferyczny wtedy, gdy to powietrze będzie suche, będzie zawierać małą ilość pary wodnej.
Na podstawie wskazań obu termometrów, stosując wzory psychrometryczne, można obliczyć ciśnienie wywierane przez parę wodną zwartą aktualnie w powietrzu:
e = E – A · ( ts – tw ) · p ,
gdzie: e – aktualna prężność pary wodnej (hPa), E – prężność maksymalna pary wodnej w temperaturze termometru wilgotnego, A – współczynnik psychrometryczny = 0,0007946 dla wody i 0,0007060 dla lodu,
ts temperatura termometru suchego (ºC), tw – temperatura termometru wilgotnego (ºC), p – ciśnienie powietrza atmosferycznego (hPa).
Psychrometr Assmanna w przeciwieństwie do Augusta służy do pomiaru temperatury i wilgotności powietrza poza klatką meteorologiczną, bowiem zbiorniczki z rtęcią w termometrach mają specjalne osłony chroniące przed wpływem bezpośredniego promieniowania słonecznego i opadem atmosferycznym, jest on ponadto wyposażony w wentylator zapewniający stały przepływ powietrza z jednakową prędkością, ok. 2 m/s. Charakterystyki wilgotności powietrza odczytujemy ze wzoru
e = E – 0,5 · ( ts – tw ) · p · 755 -1,
Pomiar nasłonecznienia
Usłonecznienie to czas dopływu bezpośredniego promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi. Zależna od wielkości dnia i wielkości zachmurzenia ogólnego nieba.
Wyróżnia się:
– Usłonecznienie możliwe – czas od wschodu do zachodu Słońca, określane w godzinach
– Usłonecznienie rzeczywiste, określane w godzinach oraz procentach usłoneczniena możliwego.
Heliograf Campbela-Stokesa
– Szklana kula o średnicy ok.10 cm. Spełniająca rolę soczewki skupiającej promienie słoneczne.
– Na metalowym półpierścieniu umieszczonym w odległości ogniskowej znajduje się tekturowy pasek, na którym w miarę przemieszczania się Słońca jest wypalany przez promienia słoneczne ślad.
– Sumowanie długości śladów wypalonych na pasku informują o łącznej długości czasu, kiedy promienie słoneczne bezpośrednio docierały do powierzchni Ziemi, a więc o liczbie godzin usłonecznienia rzeczywistego.
– Ustawia siew miejscu nie osłoniętym. Poziomo orientując go na kierunek północ- południe oraz na szerokość geograficzną miejsca pomiaru. Pasek na przyrządzie zmienia się raz na dobę, wcześnie rano lub późno wieczorem (po zachodzie lub przed zachodem Słońca).
