1
Laboratorium z Hydrauliki i Hydrologii – Kierunek Budownictwo inŜ – sem. V
Politechnika Gdańska
Katedra Hydrotechniki
WILIŚ
Ć
wiczenie 1
Pomiary i analiza wybranych elementów
meteorologicznych (ME)
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie pomiarów elementów meteorologicznych oraz
przygotowanie wyników pod kątem ich wykorzystania przy projektowaniu i budowie
konstrukcji inŜynierskich. Do najwaŜniejszych elementów meteorologicznych naleŜą
temperatura powietrza oraz opad atmosferyczny. Równie waŜne są pomiary ciśnienia,
wilgotności względnej oraz parametrów związanych z promieniowaniem słonecznym.
Znajomość elementów meteorologicznych czyli stanu pogody w długim okresie czasu
pozwala na uzyskanie danych wyjściowych do projektowania infrastruktury inŜynierii wodnej
i lądowej.
2. Zawartość sprawozdania
Sprawozdanie naleŜy przygotować w załączonym formularzu – proszę wypełnić ręcznie::
1.
Krótki opis ogródka meteorologicznego
2.
Zestawienie pomierzonych elementów meteorologicznych
3.
Przeliczenie pomierzonych wartości w róŜnych skalach
4.
Analiza danych dla wybranego dnia z automatycznych stacji meteorologicznych
Politechniki Gdańskiej z dnia ………………………………………..
5.
Obliczenia wielkości opisujących aktualną wilgotność powietrza na podstawie
wskazań temperatury termometru suchego – t
s
i temperatury termometru wilgotnego –
t
w
. Student oblicza wartości temperatur na podstawie wzorów, w których N oznacza
ś
rednią liczbę naturalną liter w nazwiskach studentów, zaś I średnią liczbę naturalną
liter w imieniu studenta..
t
s
=N,I
t
w
=t
s
-(I+N)/6
6.
Podsumowanie i wnioski
2
Opis ogródka meteorologicznego (proszę schematycznie narysować ogródek
meteorologiczny z uwzględnieniem kierunków geograficznych i ustawienia przyrządów oraz
przedstawić schematycznie rozmieszczenie przyrządów w klatce meteorologicznej wraz z
podstawową zasadą działania)
3
Zestawienie pomierzonych elementów meteorologicznych:
Data pomiaru: ……………. Godzina pomiaru: ……………… Zachmurzenie: ………….
poletko gruntowe:
warto
ść
pomierzona (jednostka)
termometr minimalny przy pow. gruntu:
..............................................................................
termometry gruntowe:
5 cm:
.............................................................................
10 cm:
.............................................................................
20 cm:
.............................................................................
50 cm:
.............................................................................
klatka meteorologiczna:
termometr maksymalny:
...............................................................................
termometr minimalny:
................................................................................
psychrometr Augusta:
termometr suchy:
................................................................................
termometr zwilŜony:
.........................................
termograf:
................................................................................
higrograf:
................................................................................
pomieszczenie wewn
ą
trz budynku:
ciśnienie atmosferyczne:
barometr rtęciowy (h = 19m. n.p.m.):..............................................................................
odczyty z automatycznej stacji meteorologicznej Politechniki Gdańskiej odpowiadające
czasowi pomiarów www.meteo.pg.gda.pl
temperatura powietrza: ……………………………………………………………………
temperatura minimalna (w ciągu doby):
............................. godzina: ...................................
temperatura maksymalna w ciągu doby): ............................. godzina: ...................................
Wilgotność względna..............................................................................
Ciśnienie atmosferyczne.........................................................................
temperatura punktu rosy
..............................................................................
opad atm. …………………………………………….
NatęŜenie opadu atm. (maks. dobowe) ……….…mm/h…………………mm/min godzina…...
odczyty z automatycznej stacji meteorologicznej PG- Jelitkowo odpowiadające czasowi
pomiarów www.meteo.pg.gda.pl/morze
temperatura powietrza: ……………………………………………………………………
temperatura minimalna (w ciągu doby):
............................. godzina: ...................................
temperatura maksymalna w ciągu doby): ............................. godzina: ...................................
Wilgotność względna: ..............................................................................
Ciśnienie atmosferyczne: .........................................................................
temperatura punktu rosy:
..............................................................................
indeks UV: ..............................................................................
promieniowanie słoneczne …………………………………………..
opad atm. …………………………………………….
NatęŜenie opadu atm. (maks.dobowe) ……….…mm/h………………mm/min godzina…...
4
Zestawienie aktualnej temperatury powietrza w skalach
0
C,
0
F, K
- termometr suchy
……………..
…………….
……………
- temperatura Gdańsk – PG
……………..
…………….
……………
- temperatura Gdańsk Jelitkowo
……………..
…………….
……………
Zestawienie aktualnego ciśnienia powietrza w skalach
mmHg, mmH
2
O, hPa, Pa, at, atm, bar
- barometr rtęciowy (ciśnienie zredukowane)
….... …....
….... ….... ……. ….... …....
- ciśnienie Gdańsk PG
….... …....
….... ….... ……. ….... …....
- ciśnienie Gdańsk Jelitkowo
….... …....
….... ….... ……. ….... …....
Przykładowe obliczenia (przeliczenia temperatury, redukcja ciśnienia barometru
rtęciowego do poziomu morza, wielkości wilgotności):
5
Analiza danych dla wybranego dnia (zadanego przez prowadzącego ćwiczenia) z
automatycznych stacji meteorologicznych Politechniki Gdańskiej (przedstawić porównanie
temperatury powietrza, wilgotności względnej dla dwóch stacji automatycznych (stacja PG i
stacja w Gdańsku Jelitkowie), dodatkowo opisać zaleŜność zmian indeksu UV i
promieniowania słonecznego dla stacji Gdańsk Jelitkowo.
6
Podsumowanie i wnioski
7
Gąsiorowski D., Szpakowski W., materiały pomocnicze: „Podstawy pomiarów
meteorologicznych”
InŜynier
wielokrotnie
wykorzystuje
wyniki
obserwacji
pomiarów
elementów
meteorologicznych. Niezwykle waŜne jest określenie wpływu wiatru i temperatury na
konstrukcje inŜynierskie. Od temperatury powietrza na przykład jest uzaleŜnione stosowanie
mieszanek betonowych. Temperatura powietrza wraz z promieniowaniem słonecznym
wpływa na odkształcenia budowli. W momencie pojawiania się przygruntowych
przymrozków zawieszane są prace przy formowaniu dywaników asfaltowych. W zaleŜności
od strefy klimatycznej przy projektowaniu przyjmuje się odpowiednią grubość pokrywy
ś
nieŜnej na dachach budowli oraz głębokość przemarzania gruntu.
Część danych meteorologicznych wynika z chwilowych stanów pogody (np. porywy wiatru)
występujących
w
momencie
zarejestrowania
wyników
pomiarów
i
obserwacji
meteorologicznych. Natomiast, przy wykorzystaniu analizy statystycznej, na podstawie
wieloletnich obserwacji pogody w danym obszarze określa się jej średnie warunki
meteorologiczne, czyli klimat. Zdefiniować go moŜna, jako układ, charakterystycznych dla
danego rejonu, stanów pogody w okresie wieloletnim. Klimat jest wynikiem współdziałania
promieniowania słonecznego, cyrkulacji atmosfery, obiegu wody i innych czynników
meteorologicznych i geograficznych. Przy charakterystyce klimatu wykorzystuje się wyniki
pomiarów i obserwacji meteorologicznych z co najmniej 10 lat obserwacji. Znajomość
klimatu pozwala na przykład na opracowanie harmonogramu prac i zarządzania budową.
1.1 Pomiary Temperatury
Temperatura, jest to miara średniej energii kinetycznej cząsteczek (ruchu i drgań). Określa
ona stopień nagrzania danego ciała, czyli przedstawia ocenę stanu cieplnego badanego
ośrodka. Precyzyjna definicja temperatury moŜliwa jest tylko dla stanu równowagi
termodynamicznej. Występuje ona przede wszystkim, kiedy temperatura ciała jest stabilna,
lub teŜ w momencie wyrównania temperatury pomiędzy dwoma ciałami (np. termometr i
medium mierzone). Istnieje wiele ubocznych czynników mogących naruszyć równowagę
termodynamiczną. Do najwaŜniejszych z nich naleŜy promieniowanie słoneczne,
promieniowanie cieplne innych obiektów. Pomiary temperatury naleŜą do pomiarów
8
pośrednich, gdyŜ polegają na pomiarze zmian fizycznych właściwości, znajdującego się w
termometrze, ciała termometrycznego.
Do celów pomiarów praktycznych, niezbędna jest znajomość uŜywanych obecnie skal
temperatur: Kelvina, Celsjusza oraz Fahrenheita (Tabela 1). W tabeli 2 porównano natomiast
charakterystyczne wartości temperatur w skalach opracowanych w historii pomiarów.
Pogrubieniem oznaczono punkty charakterystyczne opisane przez twórców skal. Czasami
wyznaczony punkt charakterystyczny ulegał zmianie w wyniku dokładniejszych badań. Na
przykład w przypadku skali Newtona pierwotnie przyjęta temperatura ludzkiego ciała
wynosiła 12
0
N ale ostatecznie została skorygowana. Warto wiedzieć, Ŝe pierwotnie Celsjusz
temperaturze topnienia lodu przyporządkował wartość 100°C, zaś temperaturze wrzenia wody
0°C. Obecna skala Celsjusza jest odwrócona.
Tabela 1. Przeliczenia pomiędzy obowiązującymi skalami temperatury
skala
jednostka symbol
Kelvina
Celsjusza
Fahrenheita
Kelvina
K
T
1
15
,
273
+
=
t
T
(
)
8
,
1
/
67
,
459
+
=
F
t
T
Celcjusza
0
C
t
15
,
273
−
=
T
t
1
(
)
8
,
1
/
32
−
=
F
t
t
Fahrenheita
0
F
t
F
67
,
459
8
,
1
−
⋅
=
T
t
F
32
8
,
1
+
⋅
=
t
t
F
1
Tabela 2. Porównanie charakterystycznych temperatur w róŜnych skalach (na podstawie: MaciąŜek
2005)
Kelvin Celsjusz Fahrenheit Rankine Newton Reaumur Roemer
Zero absolutne
0
-273,15
-459,67
0
-90,14
-218,52
-135,9
Zero Fahrenheita
255,37 -17,78
0
459,67
-5,87
-14,22
-1,83
Zamarzanie wody
273,15 0
32
491,67
0
0
7,5
Ś
rednia
temperatura
ciała
człowieka
310
36,8
98,2
557,9
12,21
29,6
20,925
Wrzenie wody
373,15 100
212
671,67
33
80
60
Topnienie tytanu
1941
1668
3034
3494
550
1334
883
Pomiary temperatury wykonuje się przy zastosowaniu rozmaitych przyrządów. MoŜna je
podzielić na dwie grupy: nieelektryczne przyrządy analogowe oraz elektryczne czujniki
pomiarowe.
9
1.1.1 Nieelektryczne przyrządy analogowe:
Przyrządy analogowe praktycznie do ostatniej dekady XX wieku były jedynymi
wykorzystywanymi w pomiarach meteorologicznych temperatury. Ze względu na sposób
pomiaru podzielić je moŜna na termometry cieczowe, oraz termometry deformacyjne.
Termometry cieczowe
W pomiarach temperatury nieelektrycznymi przyrządami analogowymi wykorzystywane są
głównie termometry cieczowe, w których określa się zmiany objętości cieczy
termometrycznej od zmian temperatury. Termometr cieczowy składa się ze zbiornika
wypełnionego cieczą termometryczną oraz połączonej z nim rurki kapilarnej (rys. 1).
Podstawowe ciecze termometryczne wykorzystywane w termometrach cieczowych to rtęć,
oraz ciecze organiczne (alkohol i toluen). Termometry rtęciowe w zakresie temperatur do
200
0
C mają w przestrzeni nad słupkiem rtęci próŜnie. Dla wyŜszych temperatur stosuje się
spręŜony gaz obojętny (argon, azot, wodór lub dwutlenek węgla). Podobnie, termometry
wypełnione cieczami organicznymi, są wypełnione gazem obojętnym, co ma za zadanie
zminimalizować przerywanie się słupka cieczy.
Rys. 1. Schemat termometru cieczowego
Na potrzeby budownictwa zastosowanie mają termometry stacyjne zwykłe, termometry
minimalne, termometry maksymalne, termometry maksymalno-minimalne oraz termometry
gruntowe.
W
termometrach stacyjnych zwykłych cieczą termometryczną jest rtęć (rys. 2). Termometr
taki ma długość 320-370 mm i średnicę 15 mm. Zakres pomiarowy obejmuje przedział
temperatur od -37
0
C do 60
0
C. Przy czym w zaleŜności od warunków klimatycznych
stosowane są termometry o mniejszym zakresie pomiarowym. Działka elementarna wynosi
0,2
0
C lub 0,5
0
C. Do pomiarów wilgotności powietrza, termometr stacyjny jest uŜywany jako
suchy lub jako zwilŜony w psychrometrze Augusta.
10
Rys. 2. Termometr stacyjny (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)
Termometr minimalny, stacyjny ma długość 290-360 mm i średnicę 17mm. Działka
elementarna wynosi 0,2
0
C lub 0,5
0
C (rys. 3). Zakresy temperatury w zaleŜności od strefy
klimatycznej zawierają się od – 50
0
C do +40
0
C. Termometr minimalny ma za zadanie
zarejestrować minimalną temperaturę powietrza w okresach pomiędzy kolejnymi
obserwacjami. Cieczą termometryczną jest alkohol lub toluen. Zbiornik cieczy w termometrze
posiada większą objętość, niŜ w termometrze zwykłym. Poprzez specjalny kształt zbiornika
przypominający literę U zwiększona jest powierzchnia wymiany ciepła, co wynika z faktu Ŝe
ciecze termometryczne w termometrach minimalnych cechują się mniejszą przewodnością i
wyŜszą pojemnością cieplną od rtęci. Kapilara termometru posiada większą średnicę, niŜ w
termometrze zwykłym. Wewnątrz umieszczony jest szklany wskaźnik o długości od 1 do
2 cm. W czasie spadku temperatury menisk słupka cieczy przesuwa wskaźnik w dół kapilary.
W czasie zwiększania się temperatury, ciecz termometryczna przeciska się opływając
wskaźnik i tym samym pozostawiając go w połoŜeniu równym najniŜszej zarejestrowanej
temperaturze. Termometr powinien być umieszczony w pozycji poziomej, co ma celu
wyeliminowanie wpływu sił grawitacji na wskaźnik w kapilarze.
Rys. 3. Termometr minimalny (autor fotografii: Wojciech Szpakowski). u góry: widok termometru;
poniŜej: odczyt temperatury minimalnej t
min
=7
O
C
11
Po odczycie wartości minimalnej temperatury powietrza (z prawej strony wskaźnika), naleŜy
termometr pochylić tak aby wskaźnik pokazywał temperaturę bieŜącą. Termometry
minimalne instalowane są w klatce meteorologicznej, przy gruncie oraz jako termometry
kolankowe mogą wskazywać temperaturę minimalną gruntu na określonej głębokości.
Termometr maksymalny stacyjny ma za zadanie zarejestrować maksymalną temperaturę w
okresie pomiędzy kolejnymi obserwacjami (Rys. 4). Cieczą termometryczną jest rtęć.
Długość termometru wynosi 290-360 mm, zaś średnica 17 mm. Działka elementarna wynosi
0,2
0
C lub 0,5
0
C. Zakresy temperatury w zaleŜności od strefy klimatycznej zawierają się od –
30
0
C do +60
0
C. Podczas zwiększania się temperatury otoczenia rtęć przepływa ze zbiornika
do rurki kapilarnej przez pierścieniowe zwęŜenie. Czasami efekt zwęŜenia uzyskuje się
poprzez zamontowanie szklanego pręcika w kapilarze. Podczas ochładzania się otoczenia rtęć
kurczy się i w miejscu przewęŜenia dochodzi do przerwania słupka rtęci, która potem nie
zmienia juŜ swojego połoŜenia dzięki czemu pozostaje w połoŜeniu odpowiadającym
temperaturze maksymalnej. W kapilarze znajduje się rozszerzenie ekspansyjne, które ma za
zadanie umoŜliwić połączenie się rtęci w zbiorniku oraz kapilarze w okresie ogrzewania się
otoczenia (wzrostu temperatury powyŜej zarejestrowaną temperaturę maksymalną).
Termometr maksymalny ustawiony jest w pozycji praktycznie poziomej (do 5
0
względem
powierzchni poziomej), co ma na celu pominięcie siły grawitacji działającej na rtęć w
kapilarze.
Rys. 4. Termometr maksymalny (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)
Termometr maksymalno-minimalny moŜe równocześnie rejestrować temperaturę
maksymalną i minimalną w okresie pomiędzy kolejnymi obserwacjami. Wykorzystywany jest
przede wszystkim w Stanach Zjednoczonych.
Termometry gruntowe są to najczęściej termometry rtęciowe o rurce kapilarnej wygiętej
pod kątem odpowiednim do przeprowadzania obserwacji (najczęściej pomiędzy 30 a 45
O
).
Zainstalowane są na poletku termometrów gruntowych (rys. 5). W ogródku
meteorologicznym PG zbiorniki termometru zamontowane są w gruncie na głębokościach: 5,
10, 20 i 50 cm, spotyka się równieŜ termometry o głębokościach 100 cm i większych.
Podziałka zamocowana jest na trwale nad powierzchnią terenu. Termometry gruntowe
12
naraŜone są na dodatkowe błędy przypadkowe spowodowane róŜnymi temperaturami
zbiornika termometru i podziałki. Istnieją równieŜ termometry gruntowe słuŜące do pomiaru
temperatur ekstremalnych (minimalna i maksymalna).
Rys. 5. Poletko termometrów gruntowych (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)
Termometry deformacyjne
Termometry
deformacyjne
wykorzystywane
są
w
urządzeniach
nieelektrycznych
umoŜliwiających ciągłą rejestrację wskazań temperatury. Czujnikiem jest bimetal zbudowany
z dwóch płytek róŜnych metali o odmiennych współczynnikach rozszerzalności cieplnej.
Płytki te są spojone wzdłuŜ wspólnej płaszczyzny. Jedna strona bimetalu jest unieruchomiona,
zaś druga swobodna (rys. 6). W wyniku zmiany temperatury bimetal odkształca się i
połączony z nim system dźwigni rejestruje zmiany temperatury.
Rys.6. Termometr deformacyjny (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)
Termometry deformacyjne znalazły szerokie zastosowanie w termografach. Są to przyrządy,
które zmiany temperatury rejestrują w sposób ciągły na bębnie obracającym się w cyklu
dobowym lub tygodniowym (rys. 7).
13
Rys. 7. Termograf (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)
1.1.2 Elektryczne czujniki pomiarowe
W chwili obecnej pomiary temperatury wykonywane przez urządzenia wyposaŜone w
elektryczne czujniki pomiarowe znalazły szerokie zastosowanie. Wynika to z moŜliwości
rejestracji takich pomiarów praktycznie z dowolnym krokiem czasowym. Do najbardziej
popularnych instrumentów naleŜą termometry rezystancyjne, termometry półprzewodnikowe
oraz termometry termoelektryczne, przy czym te ostatnie nie znajdują szerszego
zainteresowania w meteorologii.
Termometry rezystancyjne (oporowe). Wykorzystują one zjawisko zmiany
rezystancji metali wraz z temperaturą (w wyŜszych temperaturach wzrasta opór danego
metalu). W termometrach rezystancyjnych stosuje się najczęściej miedź, nikiel i platynę, przy
czym ta ostatnia uŜywana jest w najszerszym zakresie temperatur (od -250 do 1000
O
C).
Termometry półprzewodnikowe. Półprzewodnikiem określamy stałokrystaliczny
element o własnościach pośrednich pomiędzy przewodnikiem a opornikiem. Zmienia on swój
charakter w zaleŜności od czynnika zewnętrznego (np. temperatura, oświetlenie) W
termometrach półprzewodnikowych głównym elementem jest termistor, czyli półprzewodnik,
którego rezystywność jest funkcją temperatury. Termistory są wykonywane głównie z
proszków tlenków manganu, Ŝelaza, niklu, miedzi, tytanu, cynku i kobaltu. Nadają się one
bardzo dobrze do pomiaru temperatury w zakresie od -50
o
C do +300
o
C z błędem nie
przekraczającym 0,1 do 0,2
o
C.
Termometry termoelektryczne. Wykorzystują one, rozpoznane przez T. Seebecka,
zjawisko fizyczne przepływu prądu elektrycznego w zamkniętym obwodzie składającym się z
dwóch metali w sytuacji róŜnych temperatur w miejscach ich styku. W toku dalszych badań
wykazano, Ŝe zaleŜnie od kierunku przepływu prądu złącze takie dodatkowo oziębia się lub
nagrzewa (zjawisko Peltiera) oraz Ŝe podobnie reaguje pojedynczy metal (zjawisko
14
Thomsona), przy czym zjawiska te zachodzą niezaleŜnie od zachodzącego równolegle
zjawiska wydzielania się ciepła (zjawisko Joule’a).
PowyŜsze zjawiska wykorzystuje się w zestawach dwóch przewodników połączonych spoiną
w jednym końcu (tzw. termopara). Pomiar powstającej w takim układzie siły
elektromotorycznej przelicza się na róŜnicę temperatur na końcach termopary. Znajomość
temperatury na spoinie pozwala na określenie temperatury mierzonej na drugim końcu
termoelementu. Takie termometry najczęściej stosowane są w temperaturach powyŜej 400
O
C.
Do pomiaru temperatury w automatycznej stacji Politechniki Gdańskiej typu Davis Pro2
wykorzystywany jest termometr oporowy (rezystancyjny) zbudowany z drutu platynowego
(rys. 8). Zakres stosowania czujnika zawiera się w przedziale od -45
O
C do +60
O
C.
Dokładność pomiaru maleje wraz ze wzrostem temperatury i wynosi 0,1
O
C dla 0
O
C , 0,5
O
C
dla 25
O
C oraz 1
O
C dla 40
O
C.
Rys. 8. czujnik termometru oporowego oraz wilgotności względnej automatycznej stacji Davis Pro 2,
z lewej: widok czujnika, z prawej: montaŜ czujnika (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)
W warunkach inŜynierskich stosuje się często
pirometry. Są to przyrządy słuŜące do
bezstykowego określania temperatury ciała na podstawie emitowanego przez niego
promieniowania temperaturowego. W zaleŜności od temperatury ciała, jego promieniowanie
ma róŜną dominującą długość fali. Im temperatura ciała jest wyŜsza, tym maksimum energii
promieniowania przypada na krótszą długość fali. W pirometrii najczęściej dokonuje się
pomiarów ciał w zakresie temperatur od -40 do 1500
O
C. MoŜliwe są równieŜ pomiary w
temperaturach niŜszych i wyŜszych od podanego przedziału. Podstawowy zakres
promieniowania temperaturowego zawiera się w granicach od 0,4 do 20
µ
m. Jest to zakres
promieniowania
widzialnego
i
podczerwonego.
Więcej
informacji
dotyczących
15
promieniowania zawartych jest w punkcie 1.6). W pirometrze wyróŜnić moŜna podstawowe
elementy:
układ
optyczny
skupiający
promieniowanie
na
detektorze,
detektor
promieniowania, układ przetwarzania sygnału wraz ze wskaźnikiem wielkości mierzonej. Ze
względu na budowę pirometry moŜna podzielić na: radiacyjne, fotoelektryczne,
monochromatyczne z zanikającym włóknem, dwubarwne oraz polaryzacyjne.
W zakresie promieniowania widzialnego człowiek jest w stanie oceniać temperaturę obiektów
na podobnej zasadzie co pirometr. Bowiem podstawowym detektorem temperatury jest oko
ludzkie, które jest w stanie ocenić temperaturę ciała na podstawie jego barwy promieniowania
na przykład podczas spalania róŜnych materiałów ( w zakresie od około 500 do 1300
O
C).
Z racji bezstykowego pomiaru pirometry są wykorzystywane wszędzie tam, gdzie jest
utrudniony dostęp ze względu na wysoką temperaturę (poŜary) albo długi okres czasu dojścia
(konstrukcje inŜynierskie).
1.2. Opad atmosferyczny
Woda z chmur moŜe opadać na powierzchnię ziemi w postaci ciekłej (deszcz, mŜawka), lub
stałej
(śnieg,
krupy
ś
nieŜne,
ś
nieg
ziarnisty,
ziarna
lodowe,
grad).
Według
„Międzynarodowego atlasu chmur” granicą pomiędzy deszczem a mŜawką jest średnica
kropel 0,5 mm.
Najprostszym przyrządem do pomiaru wysokości opadu jest deszczomierz zwany
równieŜ ombrometrem lub pluwiometrem. W kaŜdym kraju stosuje się jeden standardowy typ
deszczomierza, co umoŜliwia porównywanie wyników obserwacji. W Europie aktualnie
uŜywa się kilku typów deszczomierzy.
W Polsce obowiązującym typem jest pluwiometr Hellmanna (rys. 9). Składa się on z
trzech zasadniczych części: walca
metalowego (1) o dokładnie wykończonej, ostrej, górnej
krawędzi (zwykle z mosiądzu) w dolnej swej części zakończonego lejkiem, zbiornika (3) oraz
podstawy w kształcie metalowego walca z płaskim dnem (2). Opad zbierany jest przez górną
krawędź walca, którego średnica wynosi 159,6 mm, co daje pole powierzchni chwytnej 200
cm
2
. Przechwycona woda spływa za pośrednictwem lejka do zbiornika (3) umieszczonego w
podstawie deszczomierza, w zimie zaś gromadzi się w postaci śniegu w górnej części walca
ponad lejkiem. Taka budowa deszczomierza w duŜym stopniu redukuje straty zgromadzonej
16
wody wywołane jej parowaniem, bowiem występuje tylko niewielka strata wody, związana ze
zwilŜaniem lejka.
1
3
2
1
0
0
0
m
m
159,6 mm
Rys. 9. Deszczomierz Hellmanna, z lewej: widok ogólny (autor fotografii: Wojciech Szpakowski), z
prawej: cechowana menzurka (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)
Deszczomierz umieszczony jest od strony północnej na drewnianym, metalowym lub
betonowym stojaku o wysokości 90 cm nad terenem. W ten sposób powierzchnia chwytna
deszczomierza umieszczona jest poziomo na wysokości 1 m nad powierzchnią terenu.
Pluwiometr naleŜy instalować tak, aby osłabić ewentualny wpływ wiatru. Jednocześnie jego
odległość od okolicznych przeszkód (budynki, drzewa, ogrodzenia) powinna być większa od
ich wysokości. Wodę opadową ze zbiornika deszczomierza przelewa się do szklanej,
odpowiednio wycechowanej menzurki, która umoŜliwia odczyt wysokości opadu w
milimetrach z dokładnością do 0,1 mm. Wysokość opadu 1 mm oznacza, Ŝe na powierzchnię
1 m
2
spadła objętość wody równa 1 dm
3
(1 litr). W okresie zimy, gdy występują opady
ś
niegu, do deszczomierza wkłada się blaszaną wkładkę zmniejszającą wywiewanie śniegu ze
zbiornika górnego. Przed pomiarem wysokości opadu śniegu, deszczomierz przenosi się do
ogrzanego pomieszczenia, gdzie śnieg wolno topnieje z dala od źródeł ciepła. Po stopnieniu
ś
niegu ilość uzyskanej wody mierzy się menzurką pomiarową. W terenach górskich wysokość
deszczomierza moŜe być podniesiona do 1,5 metra z uwagi na moŜliwość zasypania
przyrządu śniegiem.
17
Przyrządem, który pozwala na prowadzenie ciągłej rejestracji wysokości opadu, jest
pluwiograf pływakowy (rys. 10).
opad
1
6
5
4
7
3
2
8
.
.
.
.
.
.
. .
.
. . .
.
. .
.
. ..
..
. .
Rys. 10. Pluwiograf pływakowy, z lewej: widok ogólny (autor fotografii: Wojciech Szpakowski), z
prawej: widok mechanizmu rejestrującego (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)
Składa się on z odbiornika z otworem wlotowym (1) o powierzchni 200 cm
2
, umieszczonego
poziomo na wysokości 1 m nad terenem. Woda opadowa spływa rurką do cylindra (2), w
którym znajduje się pływak (3). Do pływaka przymocowany jest pionowy pręt (4), na którym
−
za pomocą uchwytu
−
osadzane jest ramię piszące, zakończone piórkiem z
niewysychającym tuszem (5). Ruchy pionowe pływaka rejestruje piórko na pasku papieru,
owiniętym dookoła bębna (6) napędzanego mechanizmem zegarowym. Cylinder (2) ma
powierzchnię 20 cm
2
(10 razy mniejsza od powierzchni chwytnej pluwiografu), i w związku z
tym opadowi o wysokości 1 mm odpowiada podniesienie pisaka o 1 cm. Jeśli deszcz nie pada,
piórko kreśli linię poziomą. Gdy wielkość opadu przekroczy 10 mm poziom wody w
cylindrze osiąga wysokość kolanka lewara (7) i woda wylewa się z cylindra do naczynia (8)
podstawionego w dolnej części pluwiografu. Piórko kreśli wówczas linię pionową w dół. W
przypadku, gdy opad trwa dalej, pływak podnosi się ku górze, a piórko kreśli linię wznoszącą
się. Pasek papieru z zarejestrowanym przebiegiem opadu nazywa się pluwiogramem (rys. 11).
18
1 0
1 0
9
9
8
8
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
0
0
1
1
1 4
15
16
1 7
1 8
19
2 0
2 1
22
23
24
∆
t
∆
H
Rys. 11. Pluwiogram
Z pluwiogramu odczytać moŜna średnie natęŜenie opadu I
ś
red
w przedziale czasowym
∆
t
dzieląc sumę opadu
∆
H przez długość przedziału czasu
∆
t. Najczęściej stosowanymi
jednostkami natęŜenia opadu są [mm/min] lub [mm/godz].
Automatyczna stacja Politechniki Gdańskiej posiada deszczomierz korytkowy (Rys. 12). Jest
on wyposaŜony w czujniki charakteryzujące się dokładnością mierzonej wysokości opadu
rzędu 0.2 mm (0,2 dm
3
/m
2
) oraz z częstotliwością rejestracji sygnału rzędu nawet kilku
sekund. W instrumencie woda jest zbierana przez otwór wlotowy do jednego z dwóch korytek
umieszczonych centralnie o pojemności około 0,2 mm. Korytka napełniane są naprzemiennie,
po wypełnieniu się jednego następuje przechylenie się korytek i wylanie wody poza
instrument. W momencie przechylenia się korytek powstaje impuls elektryczny rejestrowany
zdalnie lub specjalnym przewodem.
W pomiarach wykorzystuje się równieŜ i inne techniki pomiaru objętości opadu, na przykład
deszczomierz wagowy lub teŜ deszczomierz piezoelektryczny.
W deszczomierzu wagowym woda przelewając się przez otwór wlotowy wypełnia pojemnik
zbiorczy. CięŜar zawartej wody przenoszony jest na wagę i w sposób ciągły rejestrowane są
zmiany wypełnienia zbiornika. Instrumenty tego typu wymagają jednak ręcznego opróŜniania
zbiornika, bowiem po jego wypełnieniu nie zostanie juŜ zarejestrowana dodatkowa wielkość
opadu. Zaletą deszczomierza wagowego jest moŜliwość kontroli zebranej wody w przypadku
awarii urządzenia, co wykluczone jest przy deszczomierzu korytkowym.
Deszczomierz piezoelektryczny wykorzystuje sensor piezoelektryczny zamocowany pod
stalową pokrywą. Krople deszczu padając na stalową pokrywę generują sygnał
19
proporcjonalny do objętości i ilości kropli. Do eliminacji sygnałów niepoŜądanych (na
przykład od uderzeń owadów) stosuje się technologie filtrowania sygnału
Rys. 12. Automatyczny deszczomierz korytkowy, z lewej: widok ogólny (autor fotografii: Wojciech
Szpakowski), z prawej: korytko pomiarowe (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)
1.3. Pomiary ciśnienia atmosferycznego
Ciśnienie atmosferyczne na dowolnej powierzchni poziomej zdefiniować moŜna, jako
ciśnienie wywierane przez cięŜar słupa powietrza sięgający do zewnętrznych granic
atmosfery, przypadający na jednostkę powierzchni. Jednostką ciśnienia jest Pascal
(1Pa = 1N/1m
2
). W meteorologii wykorzystuje się jednostkę wielokrotną – hektopaskal
(1hPa = 100Pa). Wszystkie przyrządy do pomiaru ciśnienia powinny być wytarowane w
hektopaskalach.
Istnienie ciśnienia atmosferycznego udowodnił Torricelli w 1643 roku. Przez długie lata
jedynym przyrządem do pomiaru ciśnienia była barometr rtęciowy. Zmiana ciśnienia
atmosferycznego powodowała zmianę słupa rtęci. Niestety, słup rtęci zmienia się równieŜ pod
wpływem innych czynników takich jak temperatura i siła grawitacji. Do celów
porównawczych przyjęto warunki normalne, które charakteryzują się następującymi cechami:
- temperatura 0
0
C;
- gęstość rozkładu siły masowej - przyspieszenie ziemskie 9,80665 m/s
2
, co wynika z
poziomu morza, jako poziomu normalnego oraz szerokości geograficznej 45
O
.
W takich warunkach słup rtęci o wysokości 760mm odpowiada ciśnieniu 1013,25 hPa co jest
równe 1 atmosferze fizycznej (atm). W pomiarach inŜynierskich wykorzystuje się równieŜ
20
inne jednostki ciśnienia. Do najczęściej uŜywanych naleŜy wysokość słupa wody, atmosfera
techniczna oraz bar. Przeliczenia miedzy jednostkami zestawiono w tabeli 3.
Tabela 3. Jednostki ciśnienia
JEDNOSTKI
Pascal
atmosfera
atmosfera
mm
mm
bar
CI
Ś
NIENIA
techniczna
fizyczna
słupa rt
ę
ci
słupa wody
Pa
at
atm
mm Hg
mm H
2
O
bar
1 Pa
1
1,0197E-05
9,8692E-06
0,007501
0,101937 1,0000E-05
1 at
98066,500
1
0,967841 735,561273
9996,585117
0,980665
1 atm
101325,000
1,033227
1 760,002100 10328,746177
1,013250
1 mm Hg
133,322
0,001360
0,001316
1
13,590418
0,001333
1 mm H
2
O
9,810
0,000100
0,000097
0,073581
1
0,000098
1 bar
100000,000
1,019716
0,986923 750,063755 10193,679918
1
Ś
wiatowa organizacja meteorologiczna wymaga, aby ciśnienie atmosferyczne mierzone było
w zakresie 920-1080 hPa z dokładnością 0,5 hPa dla potrzeb meteorologii lotniczej. Na
potrzeby meteorologii synoptycznej i morskiej dokładność pomiarów powinna wynosić
0,1 hPa. Pomiary dla potrzeb klimatologii wymagają dokładności 0,3 hPa. Pomiar ciśnienia
atmosferycznego naleŜy uśrednić w czasie 1 minuty. Dopuszczalne są równieŜ wartości
ś
rednie z okresu 10 minut.
1.3.1 Przyrządy słuŜące do pomiaru ciśnienia atmosferycznego
Do pomiaru ciśnienia atmosferycznego w meteorologii stosuje się barometry cieczowe,
barometry deformacyjne oraz hipsometry.
W
barometrach cieczowych ciśnienie atmosferyczne jest równowaŜone cięŜarem kolumny
rtęci. MoŜe ona być waŜona za pomocą specjalnej wagi lub, co jest częściej spotykane, moŜe
być mierzona jako wysokość słupa rtęci. Zasadę działania barometru rtęciowego
przedstawiono na schemacie jednostronnie zamkniętej rurki próŜniowej, zanurzonej otwartym
końcem w zbiorniku z rtęcią (rys. 13).
Powierzchnią jednakowego ciśnienia jest powierzchnia swobodnego zwierciadła rtęci. W
warunkach równowagi ciśnienie atmosferyczne jest równowaŜone wysokością słupa rtęci
h i
zaleŜy równieŜ od przyspieszenia ziemskiego –
g oraz gęstości powietrza –
ρ
. co moŜna
zapisać w postaci:
21
gh
p
atm
ρ
=
(1)
ci
ś
nienie
atmosferyczne
760 mm
rt
ęć
pró
Ŝ
nia
Rys. 13. Zasada działania barometru rtęciowego
Dla warunków normalnych ciśnienia wysokość słupa rtęci wynosi 760mm. Ze względu na
rozwiązania konstrukcyjne najpopularniejsze barometry cieczowe to barometry naczyniowe,
barometry lewarowe (rys. 14) oraz barometry naczyniowo-lewarowe.
Rys14 . Schemat barometru a) naczyniowego, b) lewarowego (źródło:
http://www.encyklopedia.servis.pl/wiki/Barometr_hydrostatyczny
10/09/2010)
22
Barometr naczyniowy stanowi kontynuację pierwszego barometru cieczowego. W
konkretnych rozwiązaniach róŜne są rozwiązania konstrukcyjne. JuŜ na końcu XVIII wieku
powstał naczyniowy barometr Fortina, w którym istnieje moŜliwość regulacji poziomu
zwierciadła rtęci poprzez odkształcanie skórzanego dna. Dodatkowo barometr ten posiada
termometr, który umoŜliwia wprowadzenie poprawek na temperaturę.
W
barometrze lewarowym (rys. 14b, 15) rurka barymetryczna jest zagięta w kształcie litery
U. DłuŜsze ramię o długości około 90 cm jest zamknięte, ponad zwierciadłem rtęci występuje
próŜnia. Krótsze ramię długości około 20 cm zakończone jest cechowanym zbiorniczkiem w
którym na powierzchni rtęci panuje ciśnienie atmosferyczne. Układ rurki barometrycznej w
barometrze lewarowym nazywany jest manometrem cieczowym. Warunki równowagi moŜna
zapisać dla powierzchni jednakowego ciśnienia znajdującej się na poziomie swobodnego
zwierciadła rtęci w rurce krótszej. Ciśnienie atmosferyczne jest równe róŜnicy poziomów
rtęci pomiędzy ramionami barometru lewarowego.
Rys. 15. Barometr lewarowy, z lewej: wygląd ogólny, po środku: skala pomiarowa, z prawej: lewar,
(autor fotografii: Wojciech Szpakowski)
Barometr lewarowo – naczyniowy stanowi połączenie barometru naczyniowego i
lewarowego. Posiada moŜliwość regulacji poziomu rtęci w naczyniu dolnym. Odczyt
ciśnienia wykonuje się podobnie jak w barometrze lewarowym, na podstawie wskazań
poziomu rtęci w dwóch zbiornikach – górnym i dolnym.
23
Barometry cieczowe zapewniają dokładny pomiar ciśnienia. Niestety, nie da się wykluczyć
rozmaitych niedokładności odczytu. Najczęstsze błędy systematyczne wynikają ze
stratyfikacji termicznej w otoczeniu barometru, potencjalnego odchylenia barometru od
pionu, obecności gazów w rurce batymetrycznej powyŜej poziomu rtęci, zanieczyszczenia
rtęci. Błędy przypadkowe moŜe zaś wywołać dynamiczna zmiana ciśnienia wywołana przez
wiatr, dlatego teŜ pomiaru ciśnienia dokonuje się w pomieszczeniach zamkniętych. Muszą
one być dobrze wentylowane, bowiem w przypadku sprawnej wentylacji powstająca
stratyfikacja termiczna moŜe spowodować błąd w granicach 0,1hPa.
Odchylenie barometru od pozycji pionowej powoduje zawyŜenie wskazań ciśnienia
atmosferycznego spowodowane pozornym wydłuŜeniem rurki barymetrycznej względem
wysokości ciśnienia. Dopuszczalna wartość kąta odchylenia wynosi 15’. Wtedy błąd
spowodowany odchyleniem barometry nie przekracza 0,01hPa. Przy odchyleniu rzędu 1
0
błąd
odczytu przekracza 0,01hPa zaś przy odchyleniu 5
0
prawie 3hPa.
Podczas wzorcowania barometru rtęciowego zakłada się idealną próŜnię. W procesie
produkcyjnym uzyskuje się przyjęte załoŜenie. Po pewnym czasie w zamkniętym ramieniu
rurki, powyŜej zwierciadła rtęci pojawiają się pary rtęci oraz para wodna.
Do pomiaru ciśnienia słuŜy równieŜ
manometr puszkowy (barometr metalowy, barometr
aneroidalny rys. 16). Zasada pomiaru opiera się na odkształcaniu, pod wpływem zmian
ciśnienia atmosferycznego, zamkniętej metalowej puszki Vidiego zwanej
aneroidem, z
którego usunięto powietrze. Odkształcenia są przenoszone poprzez układ dźwigni na
wyskalowaną tarczę.
Rys. 16. Manometr puszkowy, z lewej: aneroid, z prawej: widok ogólny (autor fotografii: Andrzej
Ś
wierszcz),
W
barometrze spręŜynowym stosuje się układ puszek umieszczonych jedna nad drugą w
celu powiększenia odkształcenia i tym samym zwiększenia czułości urządzenia.
24
Do ciągłej rejestracji ciśnienia wykorzystuje się
barograf (rys. 17) Zasada działania jest
podobna do działania barometru aneroidalnego lub barometru spręŜynowego, z tym, Ŝe
wskazówka jest zastąpiona pisakiem który rejestruje aktualną wartość ciśnienia
atmosferycznego na obracającym się bębnie zaopatrzonym w barogram (wyskalowany
tygodniowy wykres).
Rys. 17. Barograf spręŜynowy, (autor fotografii: Wojciech Szpakowski),
Najbardziej popularne elektroniczne czujniki pomiaru ciśnienia mogą wykorzystywać efekt
pojemnościowy kondensatora ze specjalną membraną, której ugięcie powoduje zmianę
pojemności czujnika (czujniki pojemnościowe), lub teŜ zjawisko zmiany rezystancji materiału
pod wpływem zmieniającego się ciśnienia (czujniki piezorezystancyjne). Układ pomiarowy
mierzy równolegle temperaturę czujnika aby wyznaczyć poprawkę temperaturową.
Czujniki elektroniczne mierzą albo ciśnienie absolutne, albo róŜnicę ciśnienia. W ostatnim
wypadku naleŜy przed rozpoczęciem pomiarów określić referencyjną wartość początkową
ciśnienia.
1.3.2 Określenie ciśnienia zredukowanego do poziomu morza
Podawane ciśnienie atmosferyczne jest wielkością lokalną zaleŜną od poziomu umieszczenia
instrumentu pomiarowego. W analizach meteorologicznych podaje się równieŜ ciśnienie
zredukowane. Jest to ciśnienie jakie panowałoby na poziomie morza w analogicznych
warunkach meteorologicznych. Wartość ciśnienia zredukowanego jest wyŜsza od aktualnego
ciśnienia powietrza dla pomiarów wykonywanych na wysokościach wyŜszych od poziomu
25
morza. W przeliczaniu wartości ciśnienia do poziomu morza wykorzystać moŜna
barometryczny wzór wysokościowy:
(
)
−
−
⋅
=
1
2
1
2
exp
z
z
T
R
g
p
p
ś
r
s
(2)
Gdzie: T
ś
r
oznacza średnia temperaturę warstwy (w Kelwinach) o grubości (z
2
– z
1
), R
s
stałą
gazową powietrza suchego (R
s
= 287m
2
/s
2
K), zaś p
1
i p
2
odpowiednio ciśnienia na poziomach
z
1
i z
2
. W warstwach o grubości do 2000 metrów stosuje się często uproszczony wzór
Babineta w którym H
0
oznacza wysokość tzw. atmosfery jednorodnej o średniej wartości
8000 metrów:
)
1
(
2
1
2
1
)
(
2
0
ś
r
p
p
p
p
t
H
H
α
+
=
+
−
(3)
α
jest współczynnikiem rozszerzalności gazów (
α
=0,004 [-]), zaś t
ś
r
średnią temperaturą
warstwy (w stopniach Celsjusza).
1.4 Wilgotność powietrza
Powietrze wilgotne zawiera powietrze suche oraz parę wodną. Wilgotność (wilgoć) powietrza
wskazuje zawartość pary wodnej w powietrzu. Określa się ją za pomocą róŜnych
charakterystyk, z których najwaŜniejsze to: pręŜność (ciśnienie) pary wodnej – e, pręŜność
pary wodnej w stanie nasycenia – E, wilgotność względna – f, wilgotność bezwzględna – a,
wilgotność właściwa – s, stosunek zmieszania – r i niedosyt wilgotności – d.
PręŜność pary wodnej – e czyli ciśnienie pary wodnej w powietrzu określana jest jako
ciśnienie cząstkowe wywierane przez parę wodną. W warunkach nasycenia w powietrzu
wilgotnym znajduje się największa moŜliwa liczba molekuł pary wodnej.
PręŜność pary
wodnej w warunkach nasycenia – E [hPa] zmienia się wraz z temperaturą powietrza.
Wzrost temperatury powoduje, Ŝe maksymalne ciśnienie pary wodnej rośnie. Wartości
maksymalnego ciśnienia pary wodnej w tej samej temperaturze nad powierzchnią wody i lodu
nieco róŜnią się od siebie (rys. 18).
26
Rys. 18. PręŜność pary nasyconej nad płaską powierzchnią lodu i wody. [Wołoszyn 2009]
Z reguły para wodna w powietrzu wywiera niŜsze ciśnienie niŜ w warunkach nasycenia i
opisana jest jako
aktualna pręŜność pary wodnej – e [hPa].
Wilgotność względna – f [%] określa stosunek aktualnej pręŜności pary wodnej w powietrzu
- e do pary wodnej nasyconej w aktualnej temperaturze powietrza – E. Wartość f =100%
oznacza, Ŝe aktualna pręŜność pary wodnej jest równa pręŜności pary wodnej w warunkach
nasycenia, czyli powietrze jest nasycone parą wodną.
[ ]
%
100
⋅
=
E
e
f
(4)
Wilgotność bezwzględna – a [g/m
3
] zdefiniowana jest jako zawartość pary wodnej w
gramach zawartą w 1 m
3
powietrza wilgotnego. Jest to zatem gęstość pary wodnej w
powietrzu.
Wilgotność właściwa – s [g/kg] zdefiniowana jest jako stosunek masy pary wodnej zawartej
w danej objętości powietrza w gramach do całej masy powietrza wilgotnego w tej samej
objętości
Stosunek zmieszania – r [g/kg] określa masę pary wodnej w powietrzu w jednym kilogramie
powietrza suchego.
27
Niedosyt wilgotności powietrza – d [hPa] wyraŜa róŜnicę pomiędzy pręŜnością pary wodnej
nasyconej – E a aktualną pręŜnością powietrza wilgotnego – e. Niedosyt wilgotności
powietrza określany równieŜ bywa jako deficyt nasycenia, bowiem określa brakującą do
nasycenia powietrza w danej temperaturze, ilość pary wodnej.
e
E
d
−
=
(5)
Z charakterystykami wilgotności związana jest równieŜ
temperatura punktu rosy – t
r
.
Określa ona temperaturę przy której ochłodzenie masy powietrza o określonej wartości
pręŜności pary wodnej – e spowoduje nasycenie powietrza parą wodną E. Ochłodzenie
powietrza poniŜej temperatury punktu rosy spowoduje procesy kondensacji pary wodnej z
powietrza wilgotnego. Widoczną oznaką procesu kondensacji (skraplania)pary wodnej jest
powstawanie mgieł, chmur oraz szronu (w temperaturach ujemnych).
Tabela 4. Wielkości związane z wilgotnością powietrza zawarte w tablicach psychrometrycznych i
higrometrycznych IMGW (Kostyrko i in., 1986)
Dane do odczytu: temperatura termometru suchego t
s
=17,4
O
C, temperatura termometru wilgotnego t
w
=14,6
O
C
wielkość
jednostka
wartość
Ciśnienie pary wodnej (pręŜność pary wodnej) e
hPa
14,7
Wilgotność względna f z moŜliwym błędem wyznaczenia
%
74 ± 1,7
Deficyt nasycenia (niedosyt wilgotności powietrza) d
hPa
5,2
Temperatura punktu rosy t
r
O
C
12,7
Wszystkie te wielkości określić moŜna tzw.
metodą psychrometryczną wykorzystując
psychrometr Augusta (rys. 19). Jest on zbudowany z dwóch termometrów: termometru
suchego oraz termometru wilgotnego. Są to typowe przyrządy stacyjne mierzące temperaturę
powietrza. Termometr wilgotny posiada owinięty wilgotną szmatką (batystem) zbiornik z
cieczą termometryczną. Jego temperatura jest nie większa niŜ temperatura termometru
suchego, bowiem podczas procesu parowania batystu ciepło parowania obniŜa jego
temperaturę. RóŜnica między wskazaniami termometrów suchego i wilgotnego jest tym
większa, im mniej pary wodnej jest w powietrzu (tym samym proces parowania jest większy).
Dla danej róŜnicy temperatur wilgotność względną oraz inne parametry wilgotnościowe
moŜna odczytać z tablic psychrometrycznych. W tabeli 4 zestawiono wyniki odczytów
wielkości związanych z stanem pary wodnej w atmosferze dla wskazań psychrometru
Augusta.
Wielkości charakteryzujące wilgotność powietrza moŜna równieŜ obliczyć. Aktualną
pręŜność pary wodnej nad powierzchnią wody – e, przy ciśnieniu powietrza p, w zaleŜności
28
od stałej psychrometrycznej A, temperatury termometru suchego t, temperatury termometru
wilgotnego t
w
oraz pręŜności pary nasyconej w temperaturze termometru wilgotnego E
w
opisuje półempiryczny wzór Gaya-Lusaca:
(
)
p
t
t
A
E
e
w
w
−
−
=
(6)
Stałą psychrometryczną A obliczyć moŜna wykorzystując wzór empiryczny określony dla
najczęściej występujących prędkości wiatru w klatce meteorologicznej (od 2,5 do 4 m/s):
)
0015
,
0
1
(
000678
,
0
w
t
A
⋅
+
=
[1/
O
C]
(7)
PręŜność pary nasyconej w temperaturze termometru wilgotnego E
w
wyznaczyć moŜna ze
wzoru Magnusa:
(
)
−
−
⋅
⋅
=
36
273
27
,
17
exp
611
T
T
E
w
(8)
Dla danych z tabeli 4 uzyska się następujące wartości:
362
0,00068938
)
6
,
14
0015
,
0
1
(
000678
,
0
=
⋅
+
=
A
[1/
O
C]
( )
hPa]
[
64
,
16
]
Pa
[
45
,
1664
36
6
,
287
6
,
14
27
,
17
exp
611
=
=
−
⋅
⋅
=
w
E
Dla ciśnienia barometrycznego równego 1000 hPa aktualna pręŜność pary wodnej e obliczona
na podstawie wzoru (6) wyniesie:
(
)
[ ]
hPa
71
,
14
1000
14,6
-
17,4
362
0,00068938
64
,
16
=
⋅
⋅
−
=
e
Wyznaczając pręŜność pary wodnej w warunkach nasycenia dla termometru suchego – E
s
=
19,91 hPa (według wzoru (8)) moŜna ostatecznie obliczyć wilgotność względną za pomocą
równania (4)::
%
88
,
73
%
100
91
,
19
71
,
14
%
100
=
⋅
=
⋅
=
s
E
e
f
)
Deficyt nasycenia obliczony według wzoru (5) równy będzie:
[ ]
hPa
2
,
5
71
,
14
91
,
19
=
−
=
d
Temperatura punktu rosy, wyznaczona na podstawie relacji opisanej równaniem (8) dla
aktualnej pręŜności pary wodnej – e wynosi 12,7
O
C.
29
Rys. 19. Psychrometr Augusta, z lewej: widok ogólny, z prawej: przykładowe wskazania temperatury
– temperatura termometru suchego t
s
=17,4
O
C, temperatura termometru wilgotnego t
w
=14,6
O
C , (autor
fotografii: Wojciech Szpakowski),
Inną metodą słuŜącą do pomiaru wilgotności względnej jest metoda absorpcyjna
wykorzystywana w higrometrach włosowych (rys. 20) i w higrografach (rys. 21). Metoda
wykorzystuje zjawisko wydłuŜania się naturalnego włosa (np. ludzkiego) pod wpływem
zwiększania się wilgotności względnej powietrza. Jeden z końców pasma włosów jest
przytwierdzony na sztywno do instrumentu zaś drugi obciąŜony jest cięŜarkiem połączonym
ze wskazówką (higrometr włosowy), bądź teŜ ramieniem pisaka (higrograf).
Rys. 20. Higrometr włosowy (autor fotografii: Andrzej Świerszcz),
Do pomiaru temperatury punktu rosy czasami uŜywa się higrometrów kondensacyjnych,
wykorzystujących zjawisko kondensacji pary wodnej na oziębionej powierzchni. Natomiast
automatycznie mierzy się wilgotność względną wykorzystując zjawiska zmiany oporności lub
30
pojemności elektrycznej czujników elektrycznych. W automatycznej stacji pomiarowej PG
Davis Pro 2 w pomiarach wykorzystuje się specjalny kondensator którego pojemność zmienia
się wraz ze zmianą wilgotności względnej powietrza Zamontowany jest on wraz z czujnikiem
temperatury (rys. 8). Dokładność pomiarów wynosi 3%. PowyŜej wilgotności względnej
powietrza 90% dokładność pomiarów jest nieco mniejsza (4%).
Rys. 21. Higrograf, u góry: widok ogólny, u dołu: czujnik absorbcyjny , (autor fotografii: Wojciech
Szpakowski)
1.5 Wiatr
Wiatr nazywamy poziomy ruch powietrza. W pomiarach istotne są dwa parametry: kierunek i
wartość prędkości wiatru określana równieŜ jako siła wiatru. Kierunek wiatru określa, skąd
przemieszcza się strumień powietrza. Do określenia kierunku podaje się kierunki zgodne z
róŜą wiatrów. Najczęściej poza czterema kierunkami głównymi (północny – N, południowy –
S, Wschodni – E oraz zachodni – W) podaje się równieŜ kierunki pośrednie (np.
północnowschodni NE). Czasami kierunek wiatru moŜe być dokładniejszy w wyniku
zagęszczenia róŜy wiatrów (np. NEE). W pomiarach automatycznych kierunek wiatru podaje
się w jednostce kątowej (np. stopnie, grady) zgodnie z ruchem wskazówek zegara począwszy
od kierunku północnego.
Wartość prędkości wiatru w Polsce podawana jest najczęściej w m/s lub km/godz. lub w
węzłach. W nawigacji morskiej wykorzystuje się 13-sto stopniową skala Beauforta.
Prędkość wiatru podawana jest teŜ jako wartość średnia roczna, miesięczna i dobowa. W
warunkach stabilności konstrukcji inŜynierskich waŜnym parametrem jest prędkość chwilowa
31
porywów wiatru. Według IMGW jest to nagły wzrost prędkości wiatru przekraczający o 5
m/s średnią jego prędkość. Wielkość tę najczęściej określa się, jako średnią z 30 lub 60
sekund trwania zwiększonej prędkości wiatru. Automatyczna stacja PG rejestruje podmuchy
wiatru w czasie 2,5 sekundy (tym samym wartości ze stacji PG są większe od podawanych
przez IMGW).
Pomiary kierunku i prędkości wiatru realizowane są wiatromierzami (rys. 22)
zlokalizowanymi na masztach o wysokości od 8 do 12 metrów. W terenach miejskich
wiatromierze lokalizowane są w róŜnych miejscach i przez to często dokonują pomiarów
lokalnych prądów powietrznych.
Rys. 22. Przykładowe wiatromierze (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)
1.6 Promieniowanie słoneczne
Promieniowanie polega na przekazywaniu energii pomiędzy ciałami bez udziału ośrodka
materialnego w wyniku zjawiska wysyłania fal elektromagnetycznych. KaŜde ciało
posiadające temperaturę wyŜszą od 0K jest źródłem promieniowania cieplnego. W ogólnym
bilansie promieniowania najwaŜniejszymi źródłami są Słońce, Ziemia oraz atmosfera
ziemska.
Temperatura charakterystyczna Słońca wynosi 6000 K. 99% energii Słońca przypada na fale
o długości od 0,25 do 5
µ
m. Jest to zakres fal przypadających na promieniowanie widzialne
(od około 0,4
µ
m do około 0,75
µ
m) oraz najbliŜsze mu, ze względu na długość fali poniŜej
długości 0,4
µ
m - promieniowanie nadfioletowe (UV) oraz powyŜej 0,75
µ
m -
promieniowanie podczerwone (IR). Maksimum energii słonecznej przypada na barwę Ŝółto-
zieloną promieniowania widzialnego (długość fali około 0,47
µ
m). Ze względu na długość
fali z widma fal elektromagnetycznych wyróŜnić moŜna promieniowanie krótkofalowe
32
(długości fal od 0,1 do 4
µ
m) oraz promieniowanie długofalowe (długości fal od 4 do około
200
µ
m). Promieniowanie słoneczne jest promieniowaniem krótkofalowym.
Promieniowanie emitowane przez Słońce dochodzi do górnej granicy atmosfery ziemskiej.
Ilość energii dochodzącej w jednostce czas do jednostkowej prostopadłej powierzchni
nazywane jest
stałą słoneczną. Wartość stałej słonecznej zmienia się w czasie, dla średniej
odległości Ziemi od Słońca wynosi 1370 W/m
2
. Po przejściu promieniowania przez atmosferę
ziemską, do powierzchni Ziemi dociera najwięcej energii z zakresu długości fal >0,76
µ
m.
Promieniowanie przypadające na długości fal odpowiadającym promieniowaniu UV jest
osłabiane w atmosferze ziemskiej. Ze względu na działanie promieniowania UV na
organizmy Ŝywe wyróŜnia się zakresy promieniowania UVA i UVB.
Promieniowanie
UVA występuje w zakresie fal od 0,32
µ
m do 0,4
µ
m. W zakresie długości fal
odpowiadających promieniowaniu UVA wyróŜnić moŜna promienie UVA 1 (długość fali
powyŜej 0,34
µ
m) oraz promienie UVA2 (długość fali poniŜej 0,34
µ
m). Promieniowanie
UVA stanowi główną przyczynę starzenia się skóry. Organizmy Ŝywe otrzymują w ciągu
roku w miarę stałą dawkę promieniowania, które przechodzi przez powierzchnie szklane i
dochodzi do skóry właściwej.
Tabela 5. indeks UV a wpływ na skórę ludzką (opracowano na podstawie Lutgens, Tarbuck 2004)
Wartość
opis
Środki ostroŜności
Bezpieczny czas przebywania
na słońcu (w zaleŜności od
indywidualnych typów skóry)
0 -2
Minimalne
Okrycie głowy
30 – 60 minut
3 – 4
Niskie
Okrycie głowy, uŜywanie kremów z filtrem
przeciwsłonecznym
15 – 20 minut
5 – 6
Ś
rednie
Okrycie głowy, uŜywanie kremów z filtrem
przeciwsłonecznym,
wybieranie
miejsc
zacienionych
10 – 12 minut
7 – 9
Wysokie
Okrycie głowy, uŜywanie kremów z filtrem
przeciwsłonecznym,
wybieranie
miejsc
zacienionych,
pomiędzy
10.00
a
16.00
przebywanie w pomieszczeniach zamkniętych
7 – 8,5 minuty
10 – 15
Bardzo
wysokie
przebywanie w pomieszczeniach zamkniętych.
Przebywanie na zewnątrz wymaga zastosowania
wszelkich moŜliwych środków ostroŜności
4 – 6 minut
33
Za oparzenia słoneczne odpowiedzialne jest promieniowanie
UVB (zakres długości fali od
0,29 do 0,32
µ
m). Stanowi ono około 5% całego promieniowania UV, które dociera do
powierzchni Ziemi. Promieniowanie to nie przenika do skóry właściwej i głównie działa na
naskórek. Największe dawki promieniowania UVB związane są z bezpośrednim docieraniem
promieni słonecznych do organizmów Ŝywych.
W celu oszacowania wpływu występującego promieniowania UV amerykańska agencja
ochrony środowiska (U.S. EPA) utworzyła 16-to stopniową skalę (Tabela 5).
Do pomiarów elementów promieniowania słonecznego wykorzystuje się najczęściej:
Aktynometry – do pomiaru promieniowania bezpośredniego (część energii słonecznej
docierającej bezpośrednio do powierzchni Ziemi),
Piranometry – do pomiaru promieniowania całkowitego (rozproszonego i odbitego),
Heliografy – do pomiaru usłonecznienia (czasu bezpośredniej operacji słońca) (rys. 23),
Szklana kula skupia promienie słoneczne na pasku rejestracyjnym i w zaleŜności od pory roku
oraz doby zaznacza momenty bezpośredniego oddziaływania słońca.
Rys.23. Heliograf (źródło IMGW,
http://www.imgw.pl/wl/internet/zz/oddzialy/wroclaw/struktura/_ts/ts_meteo-galeria.html
zdjęcie z
czerwca 2001, 10/09/2010)
Czujniki pomiarowe wartości natęŜenia promieniowania słonecznego (piranometr) oraz
promieniowania UV Davis Pro2 obarczone są błędem pomiarowym 5% (rys. 24).
34
Rys.24. Czujniki promieniowania Davies Pro2, z lewej: piranometr, z prawej: czujnik promieniowania
UV (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)
1.7 Pomiary meteorologiczne
Stacje pomiarowe elementów meteorologicznych pospolicie nazywane są stacjami
meteorologicznymi lub ogródkami meteorologicznymi. Aby uzyskiwane wyniki wszystkich
elementów pogody były reprezentatywne stacje te powinny być zlokalizowane na terenie
otwartym (z dala od budynków, drzew, otwartej wody). W odległości 30 m od ogródka
meteorologicznego nie mogą znajdować się Ŝadne budowle, drzewa, krzewy oraz uprawy
sztucznie zraszane; w odległości ponad 30 m od ogródka mogą stać małe pojedyncze obiekty
np. drzewo, w odległości ponad 100 m od ogródka dopuszczalna jest luźna zabudowa i małe
grupy drzew, zaś w odległości ponad 300 m od ogródka mogą znajdować się zwarte zespoły
drzew (sady i parki). PowyŜej 500 m od ogródka dopuszczalne są juŜ wielorodzinne zespoły
mieszkalne.
Ogródek meteorologiczny naleŜy ogrodzić, powinien on mieć kształt kwadratu z bokami
skierowanymi wzdłuŜ linii północ-południe i wschód-zachód. Minimalne rozmiary ogródka to
15 x 15 m, wielkość docelowa zaleŜna jest od zakresu pomiarów. Teren ogródka powinien
być wyrównany i porośnięty trawą. Wyjątek stanowią naturalne powierzchnie piaszczyste np.
wydmy. NiŜsze przyrządy powinny być instalowane od strony południowej, zaś wyŜsze od
północnej. Obiekty, na których są zlokalizowane przyrządy, naleŜy pomalować białą farbą,
aby ograniczyć nagrzewanie się rejonu ogródka oraz samych przyrządów w wyniku
promieniowania słonecznego.
W skład ogródka meteorologicznego wchodzą następujące elementy podstawowe (rys. 25):
klatka meteorologiczna, deszczomierze, wiatromierze, poletko z termometrami gruntowymi.
35
Rys.25 . Podstawowe elementy ogródka meteorologicznego: klatka meteorologiczna, wiatromierz,
poletko termometrów gruntowych (źródło: IMGW
http://www.imgw.pl/internet/zz/wiedza/ogolna/pom_prog.html#ANCHOR
10/09/2010)
W zaleŜności od rodzaju badań Na stacjach meteorologicznych IMGW mogą być równieŜ
zamontowane widzialnościomierze, laserowe miernik podstawy chmur, urządzenia do
pomiaru całkowitego promieniowania słonecznego i bilansu radiacyjnego, urządzenie do
automatycznego pomiaru dobowej sumy usłonecznienia, heliografy, piranometry, urządzenia
do pomiaru widm promieniowania słonecznego oraz aktynometry. W chwili obecnej IMGW
posiada głównie automatyczne stacje meteorologiczne, na których pozostawiono równieŜ
dotychczasowe urządzenia pomiarowe (rys. 26, 27)
36
Rys. 26 . Automatyczne stacje meteorologiczne na stacjach synoptycznych IMGW (źródło: IMGW
http://www.imgw.pl/wl/internet/zz/dziala/projekty/_smok_zakonczenie/smok7.html
10/09/2010)
Rys. 27 . Ogródek meteorologiczny stacji meteorologicznej w Legnicy (źródło: IMGW
http://www.imgw.pl/wl/internet/zz/oddzialy/wroclaw/struktura/_ts/ts_meteo-galeria.html
zdjęcie z
czerwca 2001, 10/09/2010)
Literatura:
1.
Byczkowski A., „Hydrologia” Tom 1, Tom 2, SGGW Warszawa 1996.
2.
Kossowska-Cezak U., Bajkiewicz-Grabowska E.: Podstawy hydrometeorologii. Warszawa:
Wydawnictwo Naukowe PWN 2008
3.
Lutgens F.K., Tarbuck E.J. The Atmospere An Introduction to Meteorology, Prentice Hall
2004
4.
Michalski L., Eckersdorf K., Pomiary temperatury, WNT, Warszawa 1986
5.
Ozga-Zielińska M., Brzeziński J. „Hydrologia stosowana”, PWN Warszawa, 1994.
6.
Wołoszyn E., Meteorologia i klimatologia w zarysie, Wydawnictwo PG, Gdańsk 2009
7.
Woś A.: ABC meteorologii. Poznań: Wydawnictwo Uniwersytetu A. Mickiewicza w
Poznaniu 1995.
8.
Szymkiewicz R., Gąsiorowski D., Podstawy hydrologii dynamicznej, WNT, Warszawa 2010.