Л а б о р а т о р н а р о б о т а № 2

„Визначення температури повітря та грунту.”

”

Виконав:

Прийняв:

КИЇВ

Тема: „Визначення температури повітря та грунту”.

Мета роботи: вивчитибудову та принцип дії приладів, які використовуються в метеорології для вимірювання температури повітря та грунту. Здобути практичні навички вимірювання температури атмосферного повітря з використанням мінімального, максимального та термінового термометрів. За допомогою представленого обладнання визначити відповідні значення температури повітря в аудиторії, провести спостереження за зміною цих елементів на протязі тижневого терміну.

Прилади та обладнання: схеми будови мінімального, максимального та термінового термометрів, а також витяжного термометра та термометра Савінова; мінімальний, максимальний та терміновий термометр та психрометр для вимірювання температури повітря.

Хід роботи:

1. Теоретичні відомості.

1.1 Вимірювання температури ґрунту.

Спостереження за температурою ґрунту складаються з вимірів температури поверхні ґрунту та температури на різних глибинах ґрунту. Для вимірювання температури поверхні ґрунту використовують терміновий, максимальний та мінімальний термометри.

Терміновий термометр використовується для вимірювання температури поверхні ґрунту за час спостереження. Він являє собою ртутний термометр зі вставною шкалою. Поділки нанесені з інтервалом 0, 5 градуса. Резервуар термометра циліндричний.

Максимальний термометр служить для визначення максимальної температури за певний проміжок часу. Це ртутний термометр зі вставною шкалою молочного скла. Поділки нанесені з інтервалом 0, 5 градуса. Резервуар має циліндричну форму. Збереження максимальних значень термометра досягається за допомогою спеціального пристрою (рис. 1). В дно резервуара при виготовленні термометра впаяний скляний штифт, інший кінець якого входить в капіляр, завдяки чому в капілярі виникає звуження в вигляді дуже малого зазору між стінками капіляра та стержнем. При підвищенні температури ртуть в резервуарі розширюється і протікає в капіляр. Стовпчик ртуті досягає тієї висоти, яка характеризує максимальну температуру за даний проміжок часу. При зниженні температури відбувається розрив стовпчика ртуті. Стовпчик ртуті, що відірвався, залишається в капілярі, вказуючи своїм кінцем максимальну температуру, до якої піднялася ртуть в термометрі.

Після зняття максимальної температури термометр треба підготувати до наступного спостереження, тобто загнати ртуть з капіляра знову в резервуар. Для цього буруть термометр за кінець, протилежний резервуару, і, тримаючи резервуаром донизу, декілька разів сильно отряхують. Після такої процедури термометр повинен показувати температуру близьку до показів терінового термометра.

Мінімальний термометр слугує для вимірювання мінімальної температури за певний проміжок часу. Це спиртовий термометр зі вставною шкалою молочного скла, поділеною на 0, 5 градуса. Резервуар термометра має циліндричну форму. В середині капіляра в спирті знаходиться скляний штифтик (довжиною 12-13 мм) з потовщеннями на кінцях у вигляді булавочних головок (рис. 2). Вільно пересуваючись в капілярі, штифтик не виходить за межі спирту, тому що не може розірвати плівку його поверхневого натягу.

Готують мінімальний термометр до роботи наступним чином. Підводять штифтик до поверхні спирту в капілярі, для чого термометр підіймають резервуаром доверху. Головка штифтика, протилежна резервуару, буде в подальшому показувати мінімальну температуру, яку прийняв термометр в проміжок часу між установкою та відліком. Якщо температура стане менше тієї, яка була відмічена при установці термометра, поверхнева плівка спирту почне тягнути штифтик до резервуару, тому що сила тертя головок о стінки капіляра значно менше сили опору поверхневої плівки. В випадку подальшого підвищення температури спирт буде обтікати штифтик, який буде знаходитись в тому ж положенні; таким чином штифтик вкаже найменшу температуру. При спостереженні відмічають не лише мінімальну температуру але й кінець спиртового стовпчика, тобто температуру навколишнього середовища. Робиться це для того, щоб порівняти покази мінімального термометра з показами ртутного термометра. Таке порівняння необхідне тому, що спирт може частково випаровуватися і переходити в верхню частину капіляра, залишаючись там у вигляді маленьких крапель. Від цього об’єм спирту зменшується, стовпчик його в капілярі вкорочується, тобто покази штифтика знижуються та стають не достовірними. Паралельні відліки дають можливість визначити додаткову поправку мінімального термометра.

Всі три вище згадані термометри кладуться горизонтально на поверхні ґрунту так, що резервуари і зовнішні оболонки їх наполовину занурені в ґрунт. Взимку термометри кладуть на поверхню снігу. Розташовують термометри резервуарами на схід, на відстані 5-6 см один від одного. Площадка, на якій встановлюють термометри, повина мати розмір 4х6 м², яку щорічно ранньою весною перекопують та вирівнюють граблями. В теплий період часу її слід систематично звільняти від рослинності та рихлити. Площадку зазвичай вибирають до півдня від всіх установок і не повинна затінятися на протязі доби.

1.2 Вимірювання температури ґрунту на глибинах.

Для вимірювання температури ґрунту на невеликих глибинах використовуються колінчасті термометри Савінова. Це ртутні термометри зі вставною шкалою молочного скла, з поділками 0, 5 градуса та циліндричним резервуаром. Трохи вище резервуара термометр зігнутий під кутом 135 градусів. В нижню частину резервуара насипається зола і кладеться вата. Це необхідно для знищення усередині скляної оболонки конвекційних струмів повітря.

Термометр встановлюється в ґрунті так, щоб резервуар знаходився на певній глибині в горизонтальному положенні, а верхня частина була на поверхні ґрунту.

Термометри Савінова встановлюють в ряд на глибинах 5, 10, 15 та 20 см в напрямку зі сходу на захід, щоб резервуари були направлені на південь. Відстань між термометрами повинна бути приблизно 10 см. Правильно встановлений термометр повинен бути нахилений до поверхні ґрунту на кут 45 градусів. Колінчасті термометри встановлюються на тій же площадці, де вимірюється температура поверхні ґрунту, після того як зійде сніг та через тиждень після підготовки площадки. Восени, з появою заморозків, термометри виймають з ґрунту.

Для визначення температури ґрунту на значно більших глибинах використовують витяжні термометри. Для цього використовують ртутні термометри зі вставною шкалою з поділками 0, 2 градуса та з циліндричним резервуаром. Кожен термометр щільно вставлений в металеву оправу 1 з прорізом для шкали. Резервуар термометра, вставлений в оправу, (рис. 4) оточений мідними ошурками, котрі засипані через отвір 2, після чого він замазується стеарином. Мідні ошурки необхідні для збільшення інерції термометра, покази якого повинні залишатися незмінними на протязі того проміжку часу, протягом якого його витягують та проводять відлік, а також для утворення гарного провідного середовища між термометром та ґрунтом. Оправа разом з термометром пригвинчується до дерев’яної палиці 3, котра на протилежному кінці має ковпачок 4 з кільцем. На палиці в декількох місцях закріплені суконні кільця 7.

Встановлення витяжних термометрів відбувається наступним чином. В ґрунт до потрібної глибини вставляються ебонітові трубки 5 з мідними наконечниками 6. Трубки повинні виступати над поверхнею ґрунту не менше ніж на 30 см, інколи до 1 м в залежності від середньої висоти снігу в даному місці. Верхній кінець трубки повинен виступати зі снігу. Палка з термометром в оправі занурюється в трубку. Оправа торкається мідного наконечника. Вся маса термометра повинна припадати на верхній ковпачок з кільцем, котрий, закриваючи трубку, захищає її від потрапляння в неї опадів. Щоб трубка не розхиталася, частина її, що знаходиться над поверхнею ґрунту, закріплюється трьома чи чотирма обтяжками.

Встановлюються витяжні термометри в північній частині площадки в ряд, на відстані 50 см один від одног, зі сходу на захід, в порядку глибин 40, 80, 160 та 320 см.

Застосування ебонітових трубок при встановленні витяжних термометрів пояснюється тим, що завдяки поганій теплопровідності, вони захищають термометри від впливу температури інших шарів ґрунту. Теж призначення мають суконні кільця на дерев’яній палиці, заважаючи розвитку конвективних струмів повітря в трубках.

1.3 Вимірювання температури повітря.

Для вимірювання температури повітря використовуються ртутні та спиртові термометри. Основний ртутний термометр, який застосовується для вимірювання температури в момент спостереження, називається психометричним. Він є частиною психометра – приладу, який вимірює одночасно й вологість повітря. Термометр має вставну шкалу молочного скла з поділками 0, 2 градуса та шаровий резервуар. На тих станціях, де взимку температура знижується до -35 градусів і нижче, для визначення температури повітря застосовується додатковий спиртовий термометр, улаштування котрого подібне улаштуванню мінімального термометра але без штифтика в капілярі.

Дуже велике значення при вимірюванні температури має установка термометра. Оскільки термометр встановлений без захисту, на відкритому повітрі буде показувати не температуру навколишнього середовища, а лише свою власну температуру. Ця температура залежить від поглинаючої та випромінювальної здатності резервуара термометра і може на декілька градусів відрізнятися від температури повітря. Крім того, температура термометра буде залежати від обміну теплом з поверхнею землі і з оточуючими предметами. Тому при установці термометрів необхідно, захищати термометри від впливу прямої розсіяної та відбитої сонячної радіації, а також від радіації випроміненої оточуючими нагрітими предметами, забезпечити вільне обтікання термометра якомога більшою масою повітря.

Щоб забезпечити перелічені вимоги, термометр розміщують в спеціальному захисту. Таким захистом слугує психометрична жалюзійна будка. Всі чотири стінки будки зроблені з подвійних жалюзі, тобто не суцільні, а складаються з 2 рядів тонких дерев’яних планок-жалюзі, нахилених усередину та назовні під кутом 45 градусів до горизонту. Одна зі стінок є дверцятою і при установці орієнтується на південь.

Жалюзійні стінки захищають термометри від дії сонячної радіації і разом з тим забезпечують вільний доступ зовнішнього повітря. Для зменшення нагрівання сонячними променями будка ззовні та усередині пофарбована білою фарбою. Усередині будки закріплений спеціальний штатив, на якому встановлюються наступні прилади: 2 психометричних термометра вертикально (зліва „сухий”, а з права „змочений”), в горизонтальному положенні максимальний та мінімальний термометри та між психометричними термометрами висить волосяний гідрометр (рис. 5). Для знищення прямого впливу підстилаючої поверхні на термометри будку встановлюють так, щоб резервуари термометрів були на висоті 2 м від поверхні ґрунту.

Метод вимірювання температури повітря в психометричній будці є основним в метеорології, хоча він і має недоліки, оскільки гарна вентиляція в будці можлива лише за наявності вітру. В іншому випадку в будці може з’явитися застій повітря і покази приладів не будуть відповідати навколишнім умовам. Психометрична будка дуже велика і тому застосовується лише на метеорологічних станціях.

Термометр-пращ виготовляється з товстостінного скляного капіляра з нанесеною шкалою через 0, 5 чи 1 градус. Кінець термометра, протилежний резервуару, має вушко, в яке протягується нитка довжиною 80 см. При вимірюванні температури повітря нитку одягають на палець і витягнув руку над головою, починають обертати термометр в горизонтальній площині зі швидкістю 1 – 2 оберти за секунду. Через хвилину обертання припиняють і швидко роблять відлік. Потім знову обертають термометр. Наступні відліки роблять через 10 – 15 секунд обертання доки покази термометра не будуть постійними.

Більш точним приладом є аспіраційний психометр, який використовується одночасно для вимірювання температури та вологості повітря. Зупинимось на основних відмінностях та перевагами приладу в порівнянні з психометром в психометричній будці:

1) в аспіраційному психометрі термометри (сухий та вологий) розміщені в спеціальній оправі, захищаючою їх від дії радіації, що дозволяє користуватися приладом без спеціального захисту та встановлювати його на сонці.

2) Вагомою перевагою психометра є також те, що швидкість обтікання повітрям резервуарів термометрів у нього постійна і має значення 2 м/с. Це досягається штучній вентиляції.

Для неперервної реєстрації показів температури повітря використовуються само пишучі прилади – термографи. Термограф складається з 3-х частин: приймаючої, передаючої та пишучої (рис. 6). Приймальна частина представлена у вигляді біметалічної пластини, один кінець якої закріплений на кронштейні, а інший через механізм передачі з’єднаний із стрілкою, на якій насаджене перо з невисихаючими чорнилами. Перо торкається паперової смуги, що надіта на циліндр (барабан), який обертається навкруги вертикальної вісі за допомогою часового механізму. За допомогою аретира перо може бути віддалене від паперової смуги для припинення записів. Так як коефіцієнти розширення металів, з яких складається біметалічна пластинка різний, то вона деформується. Деформація приймальної частини передається через важільну передачу у збільшеному масштабі стрільці з пером. При цьому перо на паперовій смузі викреслює криву змін температури.

Термограф є не абсолютним приладом, а відносним, оскільки він не показує абсолютного значення температури, а лише записує її зміни. Для отримання абсолютних значень температури необхідно порівнювати запис термографа з одночасними відліками по абсолютним приладам.

Рис. 1 Максимальний термометр Рис. 2 Мінімальний термометр

а – загальний вид максимального термометра;

б – засіб для максимальності.

Рис.4 Витяжний термометр Рис. 3 Встановлення термометра Савінова

Рис. 5 Встановлення приладів в психометричній будці

Рис. 6 Біметалічний термограф