Нижче наводиться принципова схема будови атмосфери Землі з описом її основних фізико-хімічних властивостей.

Рис. 1. Вертикальна будова атмосфери Землі

1 — найбільша висота гір; 2 — найбільша глибина океану; З —хмари нижнього ярусу; 4 — хмари конвекції; 5 — перисті хмари; 6 — перламутро­ві хмари; 7 — сріблясті хмари; 8, 9 — стратостати; 10 — радіозонд; 11 — метеорологічна ракета; 12 — геофізична ракета; 13 — штучні супутники Землі; 14 — відбивання звукових хвиль; 15 — відбивання середніх радіохвиль; 16 — відбивання коротких радіохвиль; 17,18 — полярні сяйва; 19 — метео­ри; 20 — шар найбільшої концентрації озону

ТЕМАТИКА ТА ЗАВДАННЯ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Загальні положення

Основною метою виконання циклу лабораторних робіт з дисципліни «Метеорологія і кліматологія» є вивчення будови та використання основних метеорологічних приладів, більшість з яких використовуються також як прилади екологічного контролю стану параметрів атмосфери у системі моніторингових спостережень за станом повітряної оболонки нашої планети.

У навчальній лабораторії кафедри екології ЛНТУ представлені більшість з сучасних метеорологічних приладів, крім тих, що є занадто громіздкими або не несуть екологічного значення.

В більшості випадків студентам важко самостійно описати принципи роботи приладів та їх будову, опираючись лише на розповідь викладача на занятті, особливо якщо завдання до лабораторної роботи не виконується відразу, а залишається на домашнє опрацювання.

Саме з метою полегшення знайомства студентів з основними метеорологічними приладами розроблено дані методичні вказівки, які доповнюють опубліковані раніше посібники з даної дисципліни і призначені виключно для детального ознайомлення з конструктивними особливостями, будовою, властивостями та сферами застосування основних метеорологічних приладів та установок.

Метеорологічні прилади призначені як для безпосередніх термінових вимірів (термометр або барометр для виміру температури або тиску), так і для безперервної реєстрації тих же елементів у часі, як правило, у виді графіку або кривої (термограф, барограф). Майже всі метеоприлади існують також і у виді самописців. По суті, це те ж вимірювальні прилади, але мають перо, що малює лінію на рухомій паперовій стрічці.

Термометри. Рідинні скляні термометри. У метеорологічних термометрах найчастіше використовується здатність рідини, що заповнює скляну колбочку, до розширення і стиску. Звичайно скляна капілярна трубочка закінчується кулястим розширенням, що служить резервуаром для рідини. Чутливість такого термометра знаходиться в зворотній залежності від площі поперечного переріза капіляра й у прямій – від обсягу резервуара і від різниці коефіцієнтів розширення даної рідини і скла. Тому чутливі метеорологічні термометри мають великі резервуари і тонкі трубки, а використовувані в них рідини зі збільшенням температури розширюються значно швидше, ніж скло. Вибір рідини для термометра залежить в основному від діапазону вимірюваних температур. Ртуть використовується для виміру температур вище –39° С – точки її замерзання. Для більш низьких температур застосовуються рідкі органічні сполуки, наприклад етиловий спирт. Точність перевіреного стандартного метеорологічного скляного термометра ± 0,05° С. Головна причина погрішності ртутного термометра пов'язана з поступовими необоротними змінами пружних властивостей скла. Вони приводять до зменшення обсягу скла і підвищенню точки відліку. Крім того, помилки можуть виникати в результаті неправильного зчитування показань або через розміщення термометра в місці, де температура не відповідає справжній температурі повітря в околицях метеостанції. Погрішності спиртових і ртутних термометрів подібні. Додаткові помилки можуть виникати через сили зчеплення між спиртом і скляними стінками трубки, тому при швидкому зниженні температури частина рідини утримується на стінках. Крім того, спирт на світлі зменшує свій обсяг.

Мінімальний термометр призначений для визначення найнижчої температури за дану добу. Для цієї мети як правило використовується скляний спиртовий термометр. У спирт занурюється скляний штифт-покажчик із потовщеннями на кінцях. Термометр працює в горизонтальному положенні. При зниженні температури стовпчик спирту відступає, захоплюючи за собою штифт, а при підвищенні – спирт його обтікає, не зрушуючи з місця, і тому штифт фіксує мінімальну температуру. Повертають термометр у робочий стан, перекидаючи резервуаром нагору, щоб штифт знову прийшов у зіткнення зі спиртом.

Максимальний термометр використовується для визначення найвищої температури за дану добу. Як правило, це скляний ртутний термометр, схожий на медичний. У скляній трубці поблизу резервуара є звуження. Ртуть видавлюється через це звуження під час підвищення температури, а при зниженні звуження перешкоджає її відтокові в резервуар. Такий термометр знову підготовляють до роботи на спеціальній обертовій установці, або ж струшують.

Біметалічний термометр складається з двох тонких стрічок металу, наприклад мідному і залізної, котрі при нагріванні розширюються по-різному. Їхні плоскі поверхні щільно прилягають одна до іншої. Така біметалічна стрічка скручена в спіраль, один кінець якої жорстко закріплений. При нагріванні або охолодженні спіралі два метали розширюються або стискуються по-різному, а спіраль або розкручується, або тугіше скручується. За покажчиком, прикріпленим до вільного кінця спіралі, роблять висновок про величину цих змін. Прикладами біметалічних термометрів є кімнатні термометри з круглим циферблатом.

Електричні термометри. До таких термометрів відноситься пристрій з напівпровідниковим термоелементом – терморезистор, або термістор. Термоелемент характеризується великим негативним коефіцієнтом опору (тобто його опір швидко зменшується з підвищенням температури). Перевагами терморезистора є висока чутливість і швидкість реакції на зміну температури. Калібрування терморезистора згодом міняється. Терморезистори застосовуються на метеорологічних супутниках, кулях-зондах і в більшій частині кімнатних цифрових термометрів.

БАРОМЕТР - прилад для вимірювання тиску атмосферного повітря. Тиск - це сила, що діє на одиницю площі поверхні. Земна атмосфера, що простягається на сотні кілометрів нагору, тисне на поверхню Землі; барометр і створено для виміру цього тиску. Атмосферний, або барометричний, тиск вимірюється в міліметрах ртутного стовпа й у паскалях. Зміни атмосферного тиску, як правило, бувають зв'язані зі змінами погодних умов. Тиск, звичайно, падає перед негодою, а його підвищення передвіщає гарну погоду. Відзначаючи на карті зміни тиску, можна визначати напрямок вітрів і переміщення циклонів. Лінії рівного тиску називаються ізобарами від грец. isos (рівний) і baros (вага). Барометри були пристосовані для виміру висоти, тому що тиск атмосферного повітря зменшується зі збільшенням висоти над рівнем моря. Такими приладами (альтиметрами) обладнаються літаки, їх беруть із собою альпіністи. Існують два основних типи барометрів – ртутний і анероїд. Ртутний барометр більш точний і надійний, чим анероїд. Анероїд же більш компактний і зручний, його можна зробити кишеньковим.

Ртутний барометр показує атмосферний тиск як висоту ртутного стовпа, яку можна виміряти за прикріпленою поруч шкалою. Ртутний барометр – це скляна трубка довжиною біля 90 см, заповнена ртуттю, запаяна з одного кінця і перекинута в чашку з ртуттю. Під дією сили ваги частина ртуті виливається з трубки в чашку, а через тиск повітря на поверхню чашки ртуть піднімається по трубці. Коли між цими двома протидіючими силами встановлюється рівновага, висота ртуті в трубці над поверхнею рідини в резервуарі відповідає атмосферному тискові. Якщо тиск повітря зростає, рівень ртуті в трубці піднімається. Середня висота ртутного стовпа в барометрі на рівні моря складає біля 760 мм.

 

Барометр-анероїд складається з запаяної коробки, з якої частково відкачано повітря. Одна її поверхня являє собою еластичну мембрану. Якщо атмосферний тиск збільшується, мембрана прогинається усередину, якщо зменшується – вигинається назовні. Прикріплений до неї покажчик фіксує ці зміни. Барометры-анероїды компактні і порівняно недорогі і використовуються як у приміщенні, так і на стандартних метеорологічних радіозондах. В анероїді рідини немає (грец. «анероїд» – «безводний»). Він показує атмосферний тиск, що діє на гофровану тонкостінну металеву коробку, у якій створене розрідження повітря (вакуум). При зниженні атмосферного тиску коробки злегка розширюється, а при підвищенні – стискується і впливає на прикріплену до неї пружину.

На практиці часто використовується кілька (до десяти) анероїдних коробок, з'єднаних послідовно, і встановлюється підоймна передавальна система, що повертає стрілку, яка рухається по круговій шкалі, проградуйованій по ртутному барометру. Як і в сифонного ртутного барометра, на шкалі анероїда можуть бути зроблені написи («дощ», «змінно», «ясно», «дуже сухо»), що вказують на погодні умови. Анероїд менший за розмірами від ртутного барометра, і його показання легше знімати. Ним можна користуватися в експедиційних умовах, на морських суднах, літаках та ін. Якщо до його стрілки прикріпити перо, то він буде записувати покази безперервно. Такі барографи, тобто анероїди, що реєструють барометричний тиск, є на всіх метеостанціях.