МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Метеорологические приборы предназначены как для непосредственных срочных измерений (термометр или барометр для измерения температуры или давления), так и для непрерывной регистрации тех же элементов во времени, - как правило, в виде графика или кривой (термограф, барограф). Ниже характеризуются только приборы для срочных измерений, но почти все они существуют также и в виде самописцев.

Жидкостные стеклянные термометры. В метеорологических термометрах чаще всего используется способность жидкости, находится в стеклянной колбе, до расширения и сжатия. Обычно стеклянная капиллярная трубка заканчивается шарообразным расширением, которое служит резервуаром для жидкости. Чувствительность такого термометра находится в обратной зависимости от площади поперечного сечения капилляра и в прямой - от объема резервуара и от разницы коэффициентов расширения данной жидкости и стекла. Поэтому чувствительные метеорологические термометры имеют большие резервуары и тонкие трубки, а жидкости, используются в них, с увеличением температуры расширяются значительно быстрее, чем стекло. Выбор жидкости для термометра зависит от диапазона температур, измеряются. Ртуть используется для измерения температур выше -39 °С, то есть точки ее замерзания.

Для более низких температур применяются жидкие органические соединения, например, этиловый спирт. Точность проверенного стандартного метеорологического стеклянного термометра = 0,05°. Главная причина погрешности ртутного термометра связана с постепенными изменениями упругих свойств стекла. Они приводят к уменьшению объема стекла и повышение точки отсчета. Кроме того, ошибки могут возникать вследствие неправильного прочтение показания или путем размещения термометра в месте, где температура не соответствует истинной температуре воздуха в окрестностях метеостанции. Погрешности спиртовых и ртутных термометров похожи. Дополнительные ошибки могут возникать из-за силы сцепления между спиртом и стеклянными стенками трубки, поэтому при быстром снижении температуры часть жидкости удерживается на стенках. Кроме того, спирт на свете уменьшает свой объем.

Минимальный термометр предназначен для определения самой низкой температуры за определенную сутки. Для этих целей используется стеклянный спиртовой термометр. В спирт погружается стеклянный штифт-указатель с утолщениями на концах. Термометр работает в горизонтальном положении. При снижении температуры столбик спирта отступает, увлекая штифт, а при повышении температуры спирт его обтекает, не сдвигая с места, и поэтому штифт фиксирует минимальную температуру.

Максимальный термометр используется для определения наивысшей температуры за данную сутки. Как правило, это стеклянный ртутный термометр, похожий на медицинский. В стеклянной трубке вблизи резервуара является сужение. Ртуть выдавливается через это сужение при повышении температуры, а при понижении сужение препятствует ее стока в резервуар.

Биметаллический термометр состоит из двух тонких полосок металла, например, медной и железной, которые при нагревании расширяются неодинаково. их плоские поверхности плотно прилегают друг к другу. Такая биметаллическая полоска скрученная в спираль, один конец которой жестко закреплен. При нагревании или охлаждении спирали два металлы расширяются или сжимаются по-разному, а спираль или раскручивается или скручивается. За указателем, который прикреплен к свободному конца спирали, можно судить о величине этих изменений. Примерами биметаллических термометров есть комнатные термометры с круглым циферблатом.

Электрические термометры. В таких термометров относится устройство с полупроводниковым термоэлементом - терморезистор или термистор. Термоэлемент характеризуется большим отрицательным коэффициентом сопротивления (то есть его сопротивление быстро уменьшается с повышением температуры). Преимуществами терморезистора является высокая чувствительность и скорость реакции на изменение температуры. Калибровка терморезистора со временем меняется. Терморезисторы применяются на метеорологических спутниках, шарах-зондах и в большей части комнатных цифровых термометров.

Ртутный барометр - это стеклянная трубка длиной ок. 90 см, заполненная ртутью, запаянная с одного конца и перевернута в чашку с ртутью. Под влиянием силы тяжести часть ртути выливается из трубки в чашку, а под действием давления воздуха ртуть поднимается по трубке на поверхность чашки. Когда между этими двумя противодействующими силами устанавливается равновесие, высота ртути в трубке над поверхностью жидкости в резервуаре соответствует атмосферному давлению. Если давление воздуха растет, уровень ртути в трубке поднимается. Средняя высота ртутного столбика в барометре на уровне моря составляет ок. 760 мм.

Барометр-анероид состоит из запаянной коробки, с которой частично выкачан воздух. Одна ее поверхность представляет собой эластичную мембрану. Если атмосферное давление увеличивается, мембрана прогибается внутрь, если уменьшается - выгибается наружу. Прикрепленный к ней указатель фиксирует эти изменения. Барометры-анероиды используются как в помещении, так и на стандартных метеорологических радіозондах.

Психрометр состоит из двух термометров: сухого, вимірюючого температуру воздуха, и смоченного, резервуар которого обернутый тканью (батистом), увлажненной дистиллированной водой. Воздух обтекает оба термометры. За испарения воды из ткани смоченный термометр показывает более низкую температуру, чем сухой. Чем ниже относительная влажность, тем большая разность показаний термометров. На основании этих показателей с помощью специальных таблиц и определяется относительная влажность.

Волосяной гигрометр измеряет относительную влажность на основе изменений длины человеческого волоса. Для удаления натуральных жиров волос сначала вымачивают в этиловом спирте, а затем промывают в дистиллированной воде. Длина подготовленного таким образом волоса имеет почти логарифмическую зависимость от относительной влажности в диапазоне от 20 до 100 %. Время, необходимое для реакции волоса на изменение влажности, зависит от температуры воздуха (чем ниже температура, тем он больше). В волосяном гігрометрі при увеличении или уменьшении длины волоса специальный механизм передвигает указатель на шкале. Такие гигрометры используют преимущественно для измерения относительной влажности в помещениях.

Электролитические гигрометры. Чувствительным элементом этих гигрометров служит стеклянная или пластмассовая пластинка, покрытая углеводом или хлоридом лития, сопротивление которых изменяется в зависимости от относительной влажности. Такие элементы используются в комплектах приборов для метеорологических шаров-зондов. При прохождении зонда сквозь облако прибор увлажняется, а его показатели в течение длительного времени (пока зонд не окажется за пределами облака и не высохнет чувствительный элемент) искривляются.

Чашечные анемометры. Скорость ветра, как правило, измеряют с помощью чашечного анемометра. Этот прибор состоит из трех или более конусообразных чашек, вертикально прикрепленных к концам металлических стержней, радиально-симметрично отходят от вертикальной оси. Ветер давит с наибольшей силой на вогнутой поверхности чашек и заставляет вращаться ось. В некоторых типах чашечных анемометров свободному вращению чашек препятствует система пружин, по величине деформации которых и определяется скорость ветра. В анемометрах с чашками, свободно вращаются, скорость вращения примерно пропорциональна скорости ветра и измеряется электрическим счетчиком, который сигнализирует, когда определенный объем воздух обтекает анемометр. Электрический сигнал включает световой сигнал и записывающее устройство на метеостанции.

Анемометр с вертушкой млиновою состоит из трех - или чотирьохлопатевого пластмассового винта, укрепленного на оси магнето. Винт с помощью флюгера, внутри которого размещено магнето, постоянно направляется против ветра. Информация о направлении ветра поступает по телеметрических каналах на наблюдательную станцию. Электрический ток, вырабатываемый магнето, изменяется в прямой зависимости от скорости ветра.

Приборы для измерения осадков. Атмосферные осадки состоят из частиц воды как в жидком, так и твердом состоянии, которые поступают из атмосферы на земную поверхность. В стандартных незаписуючих опадомірах приемная воронка вставлена в измерительный цилиндр. Соотношение площади верхней части лейки и поперечного сечения мерного цилиндра 10:1, то есть 25 мм осадков будут отвечать в цилиндре отметке 250 мм. Записывающие осадкомеры - плювіографи - автоматически взвешивают собранную воду или подсчитывают, сколько раз маленькая измерительная сосуд наполнится дождевой водой и автоматически опорожнится. Если ожидается выпадение осадков в виде снега, лейка и измерительный стакан забираются, а снег собирается в опадомірне ведро. Когда снег сопровождается умеренным или сильным ветром, количество снега, что попадает в сосуд, не соответствует действительной количества осадков.

Высота снежного покрова определяется измерением толщины слоя снега в пределах типичной для данного района территории, причем берется среднее значение не менее трех измерений. Для установления водного эквивалента в толщу снега погружают цилиндр и вырезают столбик снега, который растапливают или взвешивают. Количество осадков измеряется осадкомерами, зависит от его расположения. Турбулентность воздушного потока, вызванная самим прибором или препятствиями вокруг него, приводит к занижению количества попадаючих в измерительную стакан осадков. Поэтому осадкомер устанавливается на ровной поверхности на значительном расстоянии от деревьев и других препятствий.

Приборы для измерения высоты облаков. Наиболее простой способ определения высоты облака заключается в измерении времени, который нужен небольшой воздушном шаре для достижения основы облака. Высота ее равна производном от средней скорости подъема воздушного шара на время полета. Другой способ заключается в наблюдении пятна света, созданной на основе облака направленным вертикально вверх лучом прожектора. С расстояния ок. 300 м от прожектора измеряется угол между направлением на это пятно и лучом прожектора. Высота облака рассчитывается методом триангуляции (так же измеряются расстояния во время топографической съемки). Для наблюдения за пятном света на основах облаков применяется фотоэлемент. Высота облачности измеряется также по помощью радиоволн - импульсов, посылаемых радиолокатором, длиной 0,86 см.

Метеорологические шары-зонды. Самый простой тип метеорологической воздушного шара - т. н. шар-пилот - это небольшая резиновый шар, наполненный водородом или гелием. Путем оптических наблюдений за изменениями азимута и высоты полета шара можно рассчитать скорость и направление ветра. Для ночных наблюдений к шару прикрепляется небольшой фонарь, работает на батарейках. Метеорологический радіозонд - это резиновая пуля, что несет радиопередатчик, терморезисторный термометр, барометр-анероид и электролитический гигрометр. Радіозонд поднимается со скоростью ок. 300 м/мин до высоты ок. 30 км. По мере подъема данные измерений постоянно передаются на станцию запуска. Принимающая антенна на Земле прослеживает азимут и высоту радиозонда, по которым рассчитываются скорость и направление ветра на разной высоте. Радиозонды и шары-пилоты запускаются из сотен пунктов по всему миру дважды в сутки - в полдень и в полночь по Гринвіцьким средним временем.

Спутники. Для дневных съемок облачного покрова освещение обеспечивается солнечным светом, в то время как инфракрасное излучение, испускаемое всеми телами, позволяет вести съемки и днем и ночью специальной инфракрасной камерой. Используя фотографии в различных диапазонах инфракрасного излучения, можно даже рассчитать температуру отдельных слоев атмосферы. Некоторые спутники, как, например, американский TIROS, выведены на круговую полярную орбиту на высоте бл. 1000 км. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, то из такого спутника дважды в сутки можно увидеть любую точку земной поверхности. Еще большее значение имеют т. н. геостационарные спутники, которые вращаются над экватором на высоте ок. 36 тыс. км. Таком спутнике для полного оборота нужно 24 ч. Поскольку это время равно продолжительности суток, спутник остается над одной и той же точкой экватора, и из него открывается постоянный вид на земную поверхность. Таким образом, геостационарный спутник может повторно фотографировать одну и ту же территорию, фиксируя изменения погоды.

Метеорологические радиолокаторы. Сигнал, посылаемый радиолокатором, отражается дождем, снегом или температурной инверсией, и этот отраженный сигнал поступает на принимающее устройство. Облаков в основном не видно на экране радиолокатора. До середины 1990-х годов Национальная метеорологическая служба США была переоснащена радиолокаторам с эффектом Доплера. В установках такого типа для измерения скорости приближения отраженных частиц к радиолокатора или отдаления от него используется принцип т. н. доплеровского смещения. Поэтому эти радиолокаторы могут применяться для измерения скорости ветра. Они особенно полезны для обнаружения смерчей, поскольку ветер с одной стороны смерча быстро мчится навстречу радіолокатору, а с другой стороны - быстро от него отдаляется.