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

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.