Лекція 8. Методи вимірювання фізичних параметрів атмосфери (2 год)

1. Екологічне значення кліматичних факторів

Складні взаємовідносини біологічних об'єктів і навколишнього середовища характеризується екологічними факторами, які мають різну природу і специфіку впливу. Серед екологічних факторів, а саме випадково змінних, особливе місце займають абіотичні. Серед них значне місце займає група кліматичних факторів основні з яких: сонячна енергія, температура, вологість, рух повітря (вітер), атмосферний тиск.

Екологічне значення сонячної радіації Потоки сонячного випромінювання є основними джерелами енергії, які забезпечують: фотосинтез зелених рослин (створення органічних речовин), теплові процеси в атмосфері, грунті та гідросфері.

Сонячне випромінювання, проходячи крізь атмосферу, зумовлює чимало яви. Так, розсіюючись, воно надає небу голубого кольору, а сонцю червоного. Сонячна радіація нерівномірно нагріває поверхню суші і світового океану, спричиняючи переміщення повітряних мас, висхідні потоки та їх перемішування, а також випаровування великої кількості води з поверхні водойм, грунту, рослин.

Енергія Сонця - найпотужніше джерело екологічно чистої енергії. Сонячну енергію можна застосовувати для добування електроенергії, побутового тепла, високотемпературного тепла в промисловості, на транспорті.

У Криму проводять експерименти щодо вдосконалення сонячних батарей різних конструкцій, енергія яких використовується для освітлення будинків, роботи побутової техніки, опріснення морської води, підігрівання та перекачування прісної води тощо.

Екологічне значення температури Температура складових довкілля суттєво впливає на умови життя людини, життєві функції рослин і тварин.

За час еволюції реформувалися види і форми рослин у відповідності з температурним режимом оточуючого середовища.

Висока температура повітря викликає опік рослин. Зниження температури повітря нижче за критичну, викликає коагуляцію колоїдів протоплазми клітин і загибель рослин. Підвищення температури до 36°С у водоймах призводить до загибелі риб.

Сучасні зміни глобальної температури характеризуються відносно невеликим діапазоном, але з небаченою швидкістю змін, тобто надзвичайно високим градієнтом. Якщо після періоду останнього обледеніння потепління характеризувалось градієнтом ∆7=1,5-2°С за мільйон років, то в теперішній час 17 = 0,5°С за 30 років.

Глобальне потепління вже призвело до значних регіональних змін. "Біла шапка" Кіліманджаро в Африці за останні 10 років зменшилась на 80%. Збільшення температури на 1,5-2°С викличе підняття рівня Світового океану на 35-55 см, внаслідок чого постраждають узбережні райони багатьох країн, і перш за все це Японії, Уругваю, Бангладеш, Сенегалу та ін. Кількість опадів збільшиться, але нерівномірно, внаслідок чого площа пустель зросте. Всі кліматичні зони перемістяться на 500 км у бік полюсів.

Схожа картина прогнозується для Південної Америки - легке потепління в Арктиці потягне за собою різке похолодання у Канаді і США.

Екологічне значення вітру Функції вітру дуже різноманітні. Завдяки вітру відбувається перемішування повітряних мас, підтримується стала концентрація газів в атмосфері. Повітряні маси несуть з собою тепло і вологу Тому циркуляція атмосферного повітря є одним з важливих екологічних (кліматичних) факторів.

При русі сухих і теплих повітряних мас виникають суховії, які шкідливо впливаючи на ріст і розвиток рослин, підсилюючи випаровування вологи з поверхні грунту, рослин та води. Потужні повітряні потоки, які виникають в області циклонів, здатні до руйнування будівель, поваленню лісів та вилягання угідь, потужного переносу снігу, викликають порушують роботу авіаційного і водного транспорту повітряну ерозію.

За оцінками вчених, загальний вітроенергетичний потенціал Землі в 30 разів перевищує річне споживання енергії людством. Однак використовується лише мізерна частка цієї енергії. Так було не завжди. За даними статистики до революції у кожному другому селі України працював вітряк. Але парова машина, а потім двигун внутрішнього згоряння витіснили цих скромних "трудівників".

Можливості використання енергії вітру в різних місцях земної кулі неоднакові. Для нормальної роботи вітроелектростанцій швидкість вітру в середньому за рік має бути не меншою ніж 4-6 м/c.

В Україні до таких зон належать Приазов'я, узбережжя Чорного моря і Карпати. Піонером будівництва вітроелектростанцій (ВЕС) був видатний український вчений Ю. Кондратюк. Побудована ним у 1931 р. поблизу Севастополя ВЕС потужністю 100 кВт, більш як 10 років забезпечувало місто електроенергією. Вітроелектростанції не забруднюють довкілля. Єдиний негативний фактор це низькочастотний шум та вібрація під час роботи ВЕС та одиничні випадки загибелі птахів, які потрапляють у лопоті вітродвигунів.

Екологічне значення вологості повітря та грунту Вологість повітря безпосередньо впливає на ріст, розвиток і стан рослин. У сухі жаркі літні дні, коли температура повітря висока, а вологість низька, з поверхні грунту випаровується багато води. При цьому інтенсивно відбувається транспірація рослин, що призводить до зниження і припинення нарощування органічної маси. Під час сильних посух, коли відносна вологість повітря нижче 30%, рослини в'януть і можуть загинути. Занадто висока вологість повітря негативно впливає на цвітіння рослин, дозрівання плодів. Дефіцит вологості повітря та надлишок в ньому негативно також впливають на стан здоров'я людини.

Температура і кількість опадів (дощу або снігу) визначають розміщення на земній поверхні основних природних зон. Різноманітність природних комплексів часто визначається особливостями грунтів, від яких залежить надходження вологи. Вміст вологи в грунтах також є показником росту і дозрівання сільськогосподарських культур.

2. Методи вимірювання параметрів атмосфери

Сонце - це зірка спектрального класу G2, яка повільно рухається і не належить до жодного зоряного скупчення або асоціації. Вона є звичайною поодинокою зіркою 2-го покоління, що обертається приблизно в центральній площині Галактики на відстані 2/3 її радіусу. Вік Сонця не перевищує 5 млрд. років.

Енергія, випромінювана Сонцем, називається сонячною радіацією. Взагалі електромагнітна радіація, або просто електромагнітне випромінювання - це особлива форма матерії, що відрізняється від речовини. До неї належать гамма-промені, рентгенівські, ультрафіолетові та інфрачервоні промені, видиме світло та радіохвилі. Практично сонячна радіація - єдине джерело енергії для Землі та її атмосфери.

Велике значення має проблема з'ясування зв'язку сонячної активності з процесами, що протікають у земній атмосфері - проблема сонячно-земних зв'язків. Основний канал, по якому Сонце діє на Землю, - це перетворення інтегрального по всіх довжинах хвиль потоку променистої енергії в тепло.

Увесь спектр хвильового випромінювання Сонця поділяють на ряд областей: 1. Гамма-промені (λ<10-5мкм); 2. Рентгенівське випромінювання (10-5 < λ < 10-2 мкм); 3. Ультрафіолетова радіація (0,01 <λ< 0,39 мкм); 4. Видиме світло (0,39 <λ< 0,75 мкм); 5. Інфрачервона радіація (0,76 < λ < 3000 мкм); 6. Радіохвильове випромінювання (λ > 0,3 см).

Практично вся енергія, яку Сонце випромінює у вигляді електромагнітних хвиль, надходить із шару фотосфери та поширюється в усіх напрямках із швидкістю близько 300000 км/с. Більша частина випромінювання Сонця припадає на довжини хвиль від 0,29 до 2,4 мікрометра (мкм). Ця область носить назву оптичного вікна з тієї причини, що саме тут земна атмосфера найбільш прозора для сонячного випромінювання, тоді як випромінювання в дальніх короткохвильових та інфрачервоній областях майже повністю поглинається атмосферою.

Методи вимірювання потоків сонячної енергії поділяються на теплові, термоелектричні та квантові.

Тепловий метод вимірювання потоків сонячної радіації грунтується на поглинанні випромінювання та його перетворення на теплову енергію, такої форми, яку можна виміряти.

Квантовий метод вимірювання потоків сонячної енергії базується на поглинанні енергії фотона, звільненні електронів та утворенні енергетичного параметру. Кінцевим параметром, що вимірюється може бути напруга, струм.

Термоелектричний метод вимірювання ґрунтується на перетворенні термочутливих елементів теплової енергії сонячної радіації в електрорушійну силу (ЕРС).

Атмосферний тиск. Атмосфера - це газова оболонка землі, що оточує Землю. Наявність атмосфери одне з найголовніших умов життя на планеті.

Атмосферний тиск - це вага повітряного стовпа, довжина якого дорівнює відстані від поверхні землі до верхньої межі атмосфери.

Стандартний атмосферний тиск - це тиск, який дорівнює тиску ртутного стовпа висотою 760 мм і площею поперечного перерізу 1 см² за температури 0°С на широті 45°(Сімферополь, Київ- 51⁰) на рівні моря. Стандартний атмосферний тиск дорівнює 760 мм.рт.ст. (1013 гПа).

Атмосферний тиск залежить від висоти над рівнем моря, простору й часу. Горизонтальний розподіл атмосферного тиску визначається рухом поверхневих мас повітря. Густина атмосферного повітря також залежить від висоти над рівнем моря.

Методи вимірювання атмосферного тиску поділяються на неелектричні та електричні. Хоча вони виконують подібні функції, але електричні методи вимірювання атмосферного тиску мають ряд переваг, головна з них вимірювання атмосферного тиску на значній відстані від спостерігача (на значній висоті від поверхні Землі). Прилади вимірювання атмосферного тиску поділяються на рідинні, газові, деформаційні та ін.

Переміщення (рух) повітряних потоків відносно земної поверхні називають вітром. Променева енергія Сонця -основне джерело руху повітряних потоків. Розподіляється вона на земній кулі нерівномірно. Між теплими та холодними масами повітря виникає різниця температури і атмосферного тиску. Це й породжує вітер. Простий приклад утворення вітру-бриз. Він виникає через різницю температур повітря над сушею і морем.

Методи вимірювання швидкості вітру поділяються на: механічні, індукційні (електромеханічні), фотоелектричні, теплові, акустичні та ін.

Механічний метод вимірювання швидкості вітру передбачає перетворення неелектричної величини швидкості повітря в електричний сигнал або в який не будь параметричний.

При швидкості 5-8 м/с – вітер помірний, при швидкості вище 14 м/с – сильний, 20-30 м/с – шторм, вище 30 м/с – ураган. Сильний вітер у вигляді горловини з вертикальною віссю, що має велику швидкість обертання – смерч. Поривчастість вітру – стрибкоподібні підсилення і послаблення швидкості вітру.

Напрямок вітру позначають початковими буквами найменування тієї сторони обрію, відкіля рухаються повітряні потоки (Пн – північний, якщо вітер дме з півночі на південь, ПдЗ – південно-західний і т.д.). Швидкість вітру – це відстань, яку проходить маса повітря в одиницю часу; вимірюють швидкість вітру в м/с чи км/год.; 1 м/с відповідає 3,6 км/год.

Графічне зображення повторюваності вітру певного напрямку за якийсь проміжок часу називають розою вітрів. Кліматична характеристика місцевості по режиму вітру може бути складена тільки по середній розі вітрів, побудованій на підставі даних безупинних спостережень за вітром протягом 5-10 років. Розу вітрів будують за частотою напрямків вітру за 8 румбами (напрямкам). Повторюваність напрямків вітру обчислюють у відсотках від загального числа спостережень за певний відрізок часу (рік, сезон, місяць) без обліку штилів.

Під вологістю повітря розуміють вміст у ньому водяної пари, хоч відомо, що вода в атмосфері може перебувати не тільки в пароподібному, а й у рідкому та твердому стані. Безумовно, що визначення кількості самої тільки водяної пари в повітрі не дає повного уявлення про запаси вологи в атмосфері.

Повітря не може утримувати всю масу водяної пари, яка надходить у процесі випаровування. Воно здатне, залежно від його температури, вміщувати тільки певну кількість пари, причому залежність тут пряма: чим вищою буде температура повітря, тим більше в ньому може бути пари. Але при будь-якій температурі може настати такий момент, коли повітря не може вміщувати більше водяної пари, тобто воно стає повністю насиченим нею.

Так, при температурі 10°С 1м³ повітря може вміщувати не більше 9,5, а при 20° — не більше 17 г пари. З наведеного прикладу не важко зpoзyмiти, що при низьких температурах для насичення повітря потрібно менше водяної пари, ніж при високих температурах. У міру охолодження повітря  спочатку наближається до  насичення водяною парою, а коли цього буде досягнуто і охолодження триватиме, може настати деяке перенасичення. Лишок водяної пари, який не може більше утри­муватися повітрям при даній температурі, конденсується, тобто переходить у рідкий або твердий стан. Вміст водяної пари в повітрі весь час змінюється. Це зумовлено тим, що процес випаровування води дуже складний і на його інтенсивність впливає багато факторів. Шари атмосфери одержують тим менше водяної пари, чим далі вони розташовані від поверхні землі. До того ж загальне зниження температури повітря з висотою теж обмежує вміст водяної пари в повітрі. Отже, з підняттям у гору кількість водяної пари в атмосфері дуже швидко зменшується і вище 10-15 км залишаються тільки її сліди.

Водяна пара має вагу, і тому вона створює певний тиск, який називається пружністю водяної пари (е)_. Пружність пари, як і тиск повітря, вимірюють у міліметрах ртутного стовпа (мм), або в мілібарах (мб).

Пружність водяної пари в стані насичення нею повітря називають максимальною пружністю водяної пари (Е).

Для характеристики вологості повітря (вмісту водяної пари) в атмосфері користуються такими величинами:

1. Пружність водяної пари (е) у вологому повітрі (парціальний тиск) вимірюють у міліметрах ртутного стовпа  або мілібарах.

2. Абсолютна вологість (а) – кількість водяної пари в грамах, яка міститься в 1 м³ вологого повітря (г/м³)

3. Відносна вологість (r) це відношення пружності водяної пари, яка є в повітрі (е), до максимальної пружності водяної пари при даній температурі (Е), виражене у відсотках, тобто:

r = е/Е * 100%.

Відносна вологість показує ступінь насичення повітря водяною парою. Якщо повітря насичене водяною парою (е=Е), відносна вологість дорівнює 100%; якщо відносна вологість становить 50%, це означає, що водяна пара насичує повітря наполовину. Аналіз формули  показує, що при сталому значенні е відносна вологість може збільшуватись або зменшуватись залежно від підвищення або зниження температури повітря, оскільки, як про це зазначалося вище, максимальна пружність водяної пари (Е) залежить від температури. При цьому і із зниженням температури відносна вологість буде збільшуватись, а з підвищенням — зменшуватись.

4. Дефіцит вологості, або недостача насичення (d) — різниця між максимальною пружністю водяної пари і тією пружністю водяної пари, яка є в повітрі при даній температурі:

d = E – e,    мм(мб).

Виходячи з формули, дефіцит вологості є така кількість водяних парів, яку слід додати до існуючої, щоб мати повне насичення повітря водяною парою.

5. Питома вологість (q) – кількість водяної пари в грамах, яка міститься в 1 г чи 1 кг вологого повітря, її обчислюють за такою формулою:

Q = 0,622 * е/р,                  г/г

де е — пружність водяної пари, мб, р – атмосферний тиск, мб.

Питому вологість використовують у зоометеорологічних розрахунках, наприклад при визначенні величини випаровування з поверхні органів дихання тварин та відповідних витрат енергії при цьому.

6. Точка роси (т) – температура, при якій водяна пара, що є в повітрі, досягає насичення. Визначають її у градусах за таблицями максимальної пружності водяної пари.

3. Прилади для вимірювання метеорологічних параметрів

Для вимірювання характеристик вітру (напряму і швидкості) використовують такі прилади: 1) флюгер — для визначення напряму і швидкості; 2) анемометр ручний — для вимірювання швидкості.

За допомогою флюгера спостереження за характеристиками вітру ведуть на метеорологічних станціях. Ручні анемометри використовують в експедиціях та під час польових досліджень.

Швидкість та напрямок вітру визначають також за допомогою анеморумбометрів, анеморумбографів.

Оцінка сили вітру за видимими проявами

Вологість повітря – вміст у ньому водяної пари – є важливою характеристикою погоди і клімату. Характеристики вологості повітря на практиці вимірюють переважно психрометричним і гігрометричним методами. Суть першого полягає в тому, що вологість визначається на основі показів двох однакових термометрів, але поверхня резервуара одного з них щільно обгорнута білим батистом і протягом усього часу або на період спостережень змочується дистильованою водою. Другий термометр відміну від «змоченого» зветься «сухим». З поверхні батисту, яким обгорнуто резервуар змоченого термометра, вода випаровується в навколишній простір, на що витрачається певна кількість тепла. Завдяки цьому змочений термометр завжди буде показувати нижчу температуру, ніж сухий. Чим сухіше повітря, тим інтенсивніше випаровується вода, тим більша різниця показів сухого і змоченого термометрів. Отже, різниця показів сухого і змоченого термометрів буде характеризувати вологість повітря.

Гігрометричний метод вимірювання вологості повітря ґрунтується па здатності деяких гігроскопічних тіл (людська волосина, плівка кишечника тварин тощо) змінювати свою довжину залежно під зміни вологості повітря. Визначаючи тим чи іншим способом, наприклад, зміну довжини волосини, можна визначити пологість повітря, знаючи попередньо залежність між довжиною волосини і вологістю повітря.

Для вимірювання вологості повітря психрометричним методом використовують станційний і аспіраційний психрометри, а гігрометричним — гігрометри і гігрографи.

Для визначення кількості опадів можна використати прозору пляшку з лійкою, верхній діаметр якої має відповідати діаметру пляшки. Пляшку слід проградуювати у кубічних міліметрах або в кінці досліду переливати зібрану дощову воду у мірний циліндр. Визначивши об'єм зібраної води, розраховують кількість опадів на одиницю площі.

Для вимірювання атмосферного тиску використовують ртутні барометри і барометри-анероїди.

Ртутні барометри – це точні прилади, встановлюють їх у приміщеннях. Виміряти тиск ними може тільки підготовлений спеціаліст-метеоролог. Тому для практичних потреб сільського господарства найчастіше використовують менш точні прилади – барометри-анероїди.

Для вимірювання сонячної радіації використовується широкий набір приладів: піранометри, альбедометри, геліографи, актинометри і т.п.