Метеорологічні прилади

Метеорологічні прилади призначені як для безпосередніх термінових вимірювань (термометр чи барометр для вимірювання температури або тиску), так і для безперервної реєстрації тих же елементів у часі, — як правило, у вигляді графіка або кривої (термограф, барограф). Нижче характеризуються тільки прилади для термінових вимірювань, але май­же всі вони існують також і у вигляді самописців.

Рідинні скляні термометри. У метеорологічних термометрах найчастіше використовується здатність рідини, що знаходиться у скляній колбі, до розширення і стиснення. Зазвичай скляна капілярна трубка закінчується кулястим розширенням, яке служить резервуаром для рідини. Чутливість такого термометра знаходиться у зворотній залежності від площі попереч­ного перетину капіляра і в прямій — від об'єму резервуара і від різниці коефіцієнтів розширення даної рідини і скла. Тому чутливі метеорологічні термометри мають великі резервуари і тонкі трубки, а рідини, що викори­стовуються в них, із збільшенням температури розширюються значно шви­дше, ніж скло. Вибір рідини для термометра залежить від діапазону темпе­ратур, що вимірюються. Ртуть використовується для вимірювання темпе­ратур вище за -39 °С, тобто точки її замерзання.

Для більш низьких температур застосовуються рідкі органічні сполу­ки, наприклад, етиловий спирт. Точність перевіреного стандартного ме­теорологічного скляного термометра = 0,05°. Головна причина погрішно­сті ртутного термометра пов'язана з поступовими змінами пружних вла­стивостей скла. Вони призводять до зменшення об'єму скла і підвищен­ня точки відліку. Крім того, помилки можуть виникати внаслідок непра­вильного прочитання свідчення або через розміщення термометра у міс­ці, де температура не відповідає істинній температурі повітря в околицях метеостанції. Погрішності спиртових і ртутних термометрів схожі. 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 об'єм.

Мінімальний термометр призначений для визначення найнижчої тем­ператури за певну добу. Для цих цілей використовується скляний спир­товий термометр. У спирт занурюється скляний штифт-покажчик з по­товщеннями на кінцях. Термометр працює в горизонтальному положен­ні. При зниженні температури стовпчик спирту відступає, захоплюючи штифт, а при підвищенні температури спирт його обтікає, не зсуваючи з місця, і тому штифт фіксує мінімальну температуру.

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 при підвищенні темпера­тури, а при пониженні звуження перешкоджає її стоку в резервуар.

Біметалічний термометр складається з двох тонких смужок металу, наприклад, мідної і залізної, які при нагріванні розширюються неодна­ково. їхні плоскі поверхні щільно прилягають одна до одної. Така бімета­лічна смужка скручена в спіраль, один кінець якої жорстко закріпле­ний. При нагріванні або охолоджуванні спіралі два метали розширюють­ся або стискуються по-різному, а спіраль або розкручується, або скручується. За покажчиком, що прикріплений до вільного кінця спіралі, мож­на судити 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 змінюється. Терморезистори застосовуються на метеорологічних супутниках, кулях-зо­ндах і в більшій частині кімнатних цифрових термометрів.

Ртутний барометр — це скляна трубка довжиною бл. 90 см, заповне­на ртуттю, запаяна з одного кінця і перевернута у чашку з ртуттю. Під впливом сили тяжіння частина ртуті виливається з трубки в чашку, а під дією тиску повітря ртуть підіймається по трубці на поверхню чашки. Коли між цими двома протидіючими силами встановлюється рівновага, висо­та ртуті в трубці над поверхнею рідини в резервуарі відповідає атмосфер­ному тиску. Якщо тиск повітря зростає, рівень ртуті в трубці підіймаєть­ся. Середня висота ртутного стовпчика у барометрі на рівні моря складає бл. 760 мм.

Барометр-анероїд складається із запаяної коробки, з якої частково викачане повітря. Одна її поверхня являє собою еластичну мембрану. Якщо атмосферний тиск збільшується, мембрана прогинається всере­дину, якщо зменшується — вигинається назовні. Прикріплений до неї покажчик фіксує ці зміни. Барометри-анероїди використовуються як в приміщенні, так і на стандартних метеорологічних радіозондах.

Психрометр складається з двох термометрів: сухого, вимірюючого температуру повітря, і змоченого, резервуар якого обгорнутий тканиною (батистом), зволоженою дистильованою водою. Повітря обтікає обидва термометри. Через випаровування води з тканини змочений термометр показує більш низьку температуру, ніж сухий. Чим нижча відносна во­логість, тим більша різниця показників термометрів. На підставі цих по­казників за допомогою спеціальних таблиць і визначається відносна во­логість.

Волосяний гігрометр вимірює відносну вологість на основі змін дов­жини людського волоса. Для видалення натуральних жирів волос спо­чатку вимочують в етиловому спирті, а потім промивають у дистильо­ваній воді. Довжина підготовленого таким чином волоса має майже логарифмічну залежність від відносної вологості в діапазоні від 20 до 100 %. Час, необхідний для реакції волоса на зміну вологості, залежить від температури повітря (чим нижча температура, тим він більший). У волосяному гігрометрі при збільшенні або зменшенні довжини волоса спеціальний механізм пересуває покажчик на шкалі. Такі гігрометри використовують переважно для вимірювання відносної вологості в при­міщеннях.

Електролітичні гігрометри. Чутливим елементом цих гігрометрів слу­жить скляна або пластмасова пластинка, покрита вуглеводом або хлори­дом літію, опір яких змінюється в залежності від відносної вологості. Такі елементи використовуються в комплектах приладів для метеорологічних куль-зондів. При проходженні зонда крізь хмару прилад зволожується, а його показники протягом тривалого часу (поки зонд не опиниться за межами хмари і не висохне чутливий елемент) викривляються.

Чашкові анемометри. Швидкість вітру, як правило, вимірюють за до­помогою чашкового анемометра. Цей прилад складається з трьох або більше конусоподібних чашок, вертикально прикріплених до кінців ме­талевих стержнів, які радіально-симетрично відходять від вертикальної осі. Вітер тисне з найбільшою силою на угнуті поверхні чашок і приму­шує вісь обертатися. У деяких типах чашкових анемометрів вільному обертанню чашок перешкоджає система пружин, за величиною дефор­мації яких і визначається швидкість вітру. В анемометрах з чашками, що вільно обертаються, швидкість обертання приблизно пропорційна швид­кості вітру і вимірюється електричним лічильником, який сигналізує, коли певний об'єм повітря обтікає анемометр. Електричний сигнал вклю­чає світловий сигнал і записуючий пристрій на метеостанції.

Анемометр з млиновою вертушкою складається з трьох- або чотирьохлопатевого пластмасового гвинта, укріпленого на осі магнето. Гвинт за допомогою флюгера, усередині якого розміщене магнето, постійно пря­мує проти вітру. Інформація про напрям вітру поступає по телеметрич­них каналах на спостережну станцію. Електричний струм, що виробля­ється магнето, змінюється у прямій залежності від швидкості вітру.

Прилади для вимірювання опадів. Атмосферні опади складаються з часток води як у рідкому, так і твердому стані, які поступають з атмосфе­ри на земну поверхню. У стандартних незаписуючих опадомірах при­ймальна лійка вставлена у вимірювальний циліндр. Співвідношення пло­щі верхньої частини лійки і поперечного перетину мірного циліндра 10:1, тобто 25 мм опадів будуть відповідати в циліндрі відмітці 250 мм. Запису­ючі опадоміри — плювіографи — автоматично зважують зібрану воду або підраховують, скільки разів маленька вимірювальна посудина напов­ниться дощовою водою і автоматично випорожниться. Якщо очікується випадання опадів у вигляді снігу, лійка і вимірювальна склянка забира­ються, а сніг збирається в опадомірне відро. Коли сніг супроводжується помірним або сильним вітром, кількість снігу, що попадає в посудину, не відповідає дійсній кількості опадів.

Висота сніжного покриву визначається вимірюванням товщини шару снігу в межах типової для даного району території, причому береться середнє значення щонайменше трьох вимірювань. Для встановлення водного еквівалента в товщу снігу занурюють циліндр і вирізують стовп­чик снігу, який розтоплюють або зважують. Кількість опадів, що вимірю­ється опадоміром, залежить від його розташування. Турбулентність пові­тряного потоку, викликана самим приладом або перешкодами навколо нього, призводить до заниження кількості попадаючих у вимірювальну склянку опадів. Тому опадомір встановлюється на рівній поверхні на значній відстані від дерев та інших перешкод.

Прилади для вимірювання висоти хмар. Найбільш простий спосіб визначення висоти хмари полягає у вимірюванні часу, який потріб­ний невеликій повітряній кулі для досягнення основи хмари. Висота її дорівнює похідному від середньої швидкості підйому повітряної кулі на час польоту. Інший спосіб полягає у спостереженні плями світла, утвореної на основі хмари направленим вертикально вгору променем прожектора. З відстані бл. 300 м від прожектора вимірюється кут між напрямом на цю пляму і променем прожектора. Висота хмари розра­ховується методом тріангуляції (так само вимірюються відстані під час топографічної зйомки). Для спостереження за плямою світла на основах хмар застосовується фотоелемент. Висота хмарності вимірю­ється також за допомогою радіохвиль — імпульсів, що посилаються радіолокатором, довжиною 0,86 см.

Метеорологічні кулі-зонди. Найпростіший тип метеорологічної по­вітряної кулі — т. зв. куля-пілот — це невелика гумова куля, наповне­на воднем або гелієм. Шляхом оптичних спостережень за змінами азимута і висоти польоту кулі можна розрахувати швидкість і напрям вітру. 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 підіймаєть­ся зі швидкістю бл. 300 м/хв до висоти бл. 30 км. В міру підйому дані вимірювань постійно передаються на станцію запуску. Приймаюча антена на Землі простежує азимут і висоту радіозонда, за якими роз­раховуються швидкість і напрям вітру на різній висоті. Радіозонди і кулі-пілоти запускаються з сотень пунктів по всьому світу двічі на добу — опівдні і опівночі за Гринвіцьким середнім часом.

Супутники. Для денних зйомок хмарного покриву освітлення забез­печується сонячним світлом, у той час як інфрачервоне випромінюван­ня, що випускається всіма тілами, дозволяє вести зйомки і вдень і вночі спеціальною інфрачервоною камерою. Використовуючи фотографії в рі­зних діапазонах інфрачервоного випромінювання, можна навіть розра­хувати температуру окремих шарів атмосфери. Деякі супутники, як, наприклад, американський TIROS, виведені на кругову полярну орбіту на висоті бл. 1000 км. Оскільки Земля обертається навколо своєї осі, то з такого супутника двічі на добу можна побачити будь-яку точку земної поверхні. Ще більше значення мають т. зв. геостаціонарні супутники, які обертаються над екватором на висоті бл. 36 тис. км. Такому супутни­ку для повного обороту потрібно 24 год. Оскільки цей час дорівнює три­валості доби, супутник залишається над однією і тією ж точкою еквато­ра, і з нього відкривається постійний вид на земну поверхню. Таким чином, геостаціонарний супутник може повторно фотографувати одну і ту ж територію, фіксуючи зміни погоди.

Метеорологічні радіолокатори. Сигнал, що посилається радіолокато­ром, відбивається дощем, снігом або температурною інверсією, і цей відбитий сигнал поступає на приймаючий пристрій. Хмар здебільшого не видно на екрані радіолокатора. До середини 1990-х років Національ­на метеорологічна служба США була переоснащена радіолокаторами з ефектом Доплера. В установках такого типу для вимірювання швидкості наближення відбитих часток до радіолокатора або віддалення від нього використовується принцип т. зв. доплерівського зміщення. Тому ці ра­діолокатори можуть застосовуватися для вимірювання швидкості вітру. Вони особливо корисні для виявлення смерчів, оскільки вітер з одного боку смерча швидко мчить назустріч радіолокатору, а з іншу боку — швид­ко від нього віддаляється.