Прилади для вимірювання швидкості вітру.

Чашкові анемометри. Швидкість вітру, як правило, вимірюють за допомогою чашкового анемометра. Цей прилад складається з трьох або більшої кількості конусоподібних чашок, вертикально прикріплених до кінців металевих стержнів, що симетрично відходять від вертикальної осі. Вітер діє з найбільшою силою на увігнуті поверхні чашок і змушує вісь повертатися. У деяких типах чашкових анемометрів вільному обертанню чашок перешкоджає система пружин, по величині деформації яких і визначається швидкість вітру. В анемометрах з вільно обертовими чашками швидкість обертання приблизно пропорційна швидкості вітру, вона вимірюється електричним лічильником, що сигналізує, коли визначений обсяг повітря обтікає анемометр. Електричний сигнал включає світловий сигнал і записуючий пристрій на метеостанції. Часто чашковий анемометр механічно з'єднують з магнето, і напругу або частоту генерованого струму співвідносять зі швидкістю вітру.

Анемометр із млинковою вертушкою (або крильчатий анемометр) складається з три-, чотирилопастного пластмасового гвинта, укріпленого на осі магнето. Гвинт за допомогою флюгера, усередині якого розміщено магнето, постійно направляється проти вітру. Дані про напрямок вітру надходять по телеметричних каналах на спостережливу станцію. Електричний струм, вироблюваний магнето, змінюється в прямій залежності від швидкості вітру.

Шкала Бофорта. Швидкість вітру оцінюється візуально за його впливом на предмети навколо спостерігача. У 1805 Френсіс Бофорт, моряк британського флоту, для характеристики сили вітру на морі розробив 12-бальну шкалу. У 1926 до неї були додані оцінки швидкості вітру на суші. У 1955, щоб розрізняти ураганні вітри різної сили, шкала була розширена до 17 балів. Сучасний варіант шкали Бофорта дозволяє оцінювати швидкість вітру без використання яких-небудь приладів.

Прилади для вимірювання опадів. Атмосферні опади складаються з часток води як у рідкому, так і твердому вигляді, що надходять з атмосфери на земну поверхню. У стандартних незаписуючих опадомірах приймальня лійка вставлена у вимірювальний циліндр. Співвідношення площі верхньої частини лійки і поперечного переріза мірного циліндра 10:1, тобто 25 мм опадів, що випали, будуть відповідати в циліндрі оцінці 250 мм. Записуючі опадоміри – плювіографи – автоматично зважують зібрану воду або підраховують, скільки разів маленька вимірювальна посудина наповниться дощовою водою й автоматично спорожниться. Якщо очікується випадання опадів у виді снігу, лійка і вимірювальна склянка забираються, а сніг збирається в опадомірне цебро. Коли сніг супроводжується помірним або сильним вітром, кількість снігу, що потрапляє в посудину, не відповідає дійсній кількості опадів. Висота сніжного покриву визначається виміром потужності шару снігу в межах типової для даного району території, причому береться середнє значення щонайменше трьох вимірів. Для установлення водного еквівалента на ділянках, де вплив метелевого переносу мінімальний, у товщу снігу занурюють циліндр і вирізують стовпчик снігу, що розтоплюють або зважують. Кількість опадів, вимірювана осадкомером, залежить від його розташування. Турбулентність повітряного потоку, викликана самим приладом або навколишніми його перешкодами, приводить до заниження кількості опадів, що потрапляють у вимірювальну склянку. Тому опадомір установлюється на рівній поверхні якнайдалі від дерев та інших перешкод. Для зниження впливу вихрів, створюваних самим приладом, використовується захисний екран.

АЕРОЛОГІЧНІ СПОСТЕРЕЖЕННЯ. Найпростіший спосіб визначення висоти хмари складається у вимірі часу, що потрібно невеликій повітряній кулі, відпущеній з поверхні землі, для досягнення основи хмари. Висота його дорівнює добуткові середньої швидкості підйому повітряної кулі на час польоту. Інший спосіб полягає в спостереженні плями світла, утвореного на основі хмари, спрямованим вертикально нагору променем прожектора. З відстані біля 300 м від прожектора виміряється кут між напрямком на цю пляму і променем прожектора. Висота хмари розраховується методом тріангуляції подібно тому, як виміряються відстані при топографічній зйомці. Висота хмарності вимірюється також за допомогою радіохвиль – імпульсів, що посилаються радіолокатором, довжиною 0,86 см. Висота хмари визначається за часом, що потрібний радіоімпульсу для досягнення хмари і повернення назад. Оскільки хмари частково проникні для радіохвиль, цей метод застосовується для визначення висоти шарів при багатошаровій хмарності.

Метеорологічні кулі-зонди. Найпростіший тип метеорологічної повітряної кулі – куля-пілот – це невелика гумова куля, наповнена воднем або гелієм. Шляхом оптичних спостережень за змінами азимута і висотою польоту кулі і припускаючи, що швидкість його підйому постійна, можна розрахувати швидкість і напрямок вітру як функцію висоти над земною поверхнею. Для нічних спостережень до кулі прикріплюється невеликий ліхтар, що працює на батарейках. Метеорологічний радіозонд – це гумова куля, що несе радіопередавач, терморезисторний термометр, барометр-анероїд і електролітичний гігрометр. Радіозонд піднімається зі швидкістю близько 300 м/хв до висоти біля 30 км. У міру підйому дані вимірів постійно передаються на станцію запуску. Спрямована приймаюча антена на Землі простежує азимут і висоту радіозонда, по яких розраховуються швидкість і напрямок вітру на різних висотах.

Супутники. Для денних зйомок хмарного покриву освітлення забезпечується сонячним світлом, у той час як інфрачервоне випромінювання, що випускається всіма тілами, дозволяє вести знімання і вдень і вночі спеціальною інфрачервоною камерою. Використовуючи фотографії в різних діапазонах інфрачервоного випромінювання, можна навіть розрахувати температуру окремих шарів атмосфери. Супутникові спостереження мають високу поверхневу роздільну здатність, однак їхнє вертикальне розділення набагато нижче того, що забезпечується радіозондами. Деякі супутники, як, наприклад, американський TIROS, виведені на кругову полярну орбіту на висоті біля 1000 км. Оскільки Земля обертається навколо своєї осі, з такого супутника кожна точка земної поверхні видна звичайно двічі в добу. Ще більше значення мають геостаціонарні супутники, що обертаються над екватором на висоті біля 36 тис. км. Такому супутникові потрібно 24 год для повного обороту. Оскільки цей час дорівнює тривалості доби, супутник залишається над одною і тією же точкою екватора. Таким чином, геостаціонарний супутник може повторно фотографувати ту саму територію, фіксуючи зміни погоди. Крім того, за рухом хмар можуть бути розраховані швидкості вітру.

Метеорологічні радіолокатори. Сигнал, що посилається радіолокатором, відбивається дощем, снігом або температурною інверсією, і цей відбитий сигнал надходить на приймаючий пристрій. Хмари звичайно не видні на екрані радіолокатора, тому що утворюючі їхні крапельки занадто малі, щоб ефективно відбивати радіосигнал. До середини 1990-х років Національна метеорологічна служба США була переоснащена радіолокаторами з ефектом Доплера. В установках такого типу для виміру швидкості наближення часток, що відбивають, до радіолокатора або віддалення від нього використовується принцип доплеровского зсуву. Тому ці радіолокатори можуть застосовуватися для виміру швидкості вітру. Особливо вони корисні для виявлення смерчів, оскільки вітер по одну сторону смерчу швидко несеться назустріч радіолокатору, а по іншу – стрімко від нього віддаляється. Сучасні радіолокатори можуть виявляти метеорологічні об'єкти на відстані до 225 км.

М О Д У Л Ь 1

Лабораторна робота № 1. Методи визначення температури атмосферного повітря та їх практичне застосування

Обладнання: комплект метеорологічних термометрів: строковий ртутний термометр, максимальний термометр, мінімальний термометр, термограф-самописець.

Завдання.

Завдання 1. Дати загальну характеристику приладів та обладнання, що використовуються для виміру температури повітря:

а) одиниці, температурні шкали;

б) прилади та обладнання.

Завдання 2. Вивчити роботу приладів, представлених у лабораторії. Для кожного з них визначити:

а) сферу застосування, призначення;

б) тип термометра;

в) ціну поділок, діапазон виміру температури.

Завдання 3. Замалювати у зошиті принципову схему та описати принципи роботи:

а) термометрів (строковий, мінімальний, максимальний);

б) термографа-самописця.

Завдання 4. (Висновок). У висновку дати порівняльний аналіз типів приладів та обладнання для визначення температури повітря.