Атмосферное давление

Размещено на http://www.allbest.ru/

Атмосферное давление

1. Общая характеристика

Атмосферное давление -- это сила, действующая на единицу поверхности, то есть атмосферное давление в каждой точке атмосферы равно массе вышележащего столба воздуха с основанием, равным единице. Единицей давления является Паскаль (Па), равный силе в 1 Ньютон (Н), действующей на площадь в 1 м2 (1 Па = 1 Н/м2). В метеорологии давление выражают в гектопаскалях (гПа) с точностью до 0,1 гПа. 1 гПа = 100 Па.

До недавнего времени в качестве единицы давления использовали миллибар (мбар) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). Существующие приборы для измерения давления имеют шкалы также в разных единицах. Соотношение между этими единицами следующее: 1 гПа = 1 мбар = 0,75 мм рт. ст.; 1 мм рт ст = 1,33 мбар =1,33 гПа.

Атмосферное давление измеряется на всех метеорологических станциях. Для составления приземных синоптических карт, отражающих состояние погоды в данный момент времени, давление на уровне станции приводят к величине давления на уровне моря, что позволяет выделить области высокого (антициклоны) и области низкого давления (циклоны), а также нанести атмосферные фронты.

Среднее давление на уровне моря, определяемое на широте 45? при температуре воздуха 0 ?С составляет 1013,2 гПа. Эта величина принимается за стандартную и ее называют «нормальным давлением».

Для измерения атмосферного давления применяются следующие приборы:

-- барометр станционный чашечный ртутный СР-А (для диапазона 810--1070 гПа, характерных равнинам) или СР-Б (для диапазона 680--1070 гПа, наблюдаемых на высокогорных станциях);

-- барометр-анероид БАММ-1;

-- барограф метеорологический М-22А.

Ртутные барометры являются наиболее точными и используются, как правило, для измерения атмосферного давления на метеорологических станциях. Они должны находиться в помещении в специально оборудованных шкафах. В целях техники безопасности доступ к ним ограничен: ими могут работать только специально подготовленные наблюдатели.

Барометры-анероиды являются наиболее распространенным прибором для измерения атмосферного давления как на метеорологических станциях, так и на географических стационарах и в маршрутных исследованиях, в частности, используются при барометрическом нивелировании.

Барограф М-22А применяется для непрерывной регистрации изменений атмосферного давления. Они изготавливаются двух типов: 1) М-22АС - для регистрации суточного изменения давления и 2) М-22АН - для регистрации изменения давления в течение недели.

2. Устройство и принцип действия приборов

Чашечный ртутный барометр. Прибор состоит из стеклянной заполненной ртутью калиброванной трубки. Верхний конец трубки 1 запаян, а нижний открытый конец погружен в чашку 2 со ртутью (рис. 2.1). Чашка прибора состоит из трех частей, соединяемых резьбой, средняя из которых имеет внутри диафрагму с отверстиями. Диафрагма затрудняет колебания ртути в чашке и тем самым предохраняет трубку от попадания в нее воздуха.

В верхней части чашки имеется отверстие, через которое чашка сообщается с наружным воздухом. Отверстие в необходимых случаях закрывается винтом 3. Воздух в верхней части стеклянной трубки отсутствует, поэтому под действием атмосферного давления на поверхность ртути в чашке столбик

Рис. 2.1. ртути поднимается в трубке до определенной высоты.

Масса столба ртути равна величине атмосферного давления.

Барометр

Стеклянная трубка защищена металлической оправой, на которой нанесена шкала в паскалях (или в миллибарах). В верхней части оправы имеется продольный прорез для наблюдений за положением столбика ртути в трубке. Для точного отчета положения мениска ртути (десятых долей внутри оправы) находится кольцо с нониусом, перемещаемым вдоль шкалы с помощью винта 4. Шкала для определения десятых долей называется компенсированной шкалой. Вся шкала предохраняется от загрязнений стеклянным кожухом. Для учета влияния температуры окружающей среды на показания барометра в средней части оправы вмонтирован термометр, по показанию которого вводится температурная поправка.

Для исключения искажения в показаниях ртутного барометра к отсчету вводится ряд поправок: инструментальная, температурная и поправки на ускорение силы тяжести в зависимости от широты места и высоты над уровнем моря.

Инструментальная поправка вводится для учета неточностей в показаниях барометра из-за изменения физических свойств кожуха, неточной пригонки шкалы, изменения радиуса трубки и т.д. Инструментальную поправку определяют путем поверки данного прибора с эталоном в барокамере и вписывают в паспорт (сертификат) прибора.

Температурная поправка приводится либо к температуре воздуха 0?С, либо к 20?С, в зависимости от климатических условий. Известно, что при повышении температуры ртуть расширяется, плотность ее уменьшается, и высота ртутного столба оказывается завышенной по сравнению с наблюдениями при заданных температурах. В итоге, температурная поправка при температуре, к примеру, выше нуля будет иметь знак минус, а при температурах ниже нуля - плюс.

Поправки на ускорение силы тяжести. Ускорение силы тяжести, определяемое расстоянием от центра Земли, имеет наибольшее значение на полюсах, наименьшее - на экваторе. Кроме того, оно уменьшается с удалением вверх от уровня моря. Для сравнения величин атмосферного давления, полученных на разных широтах и на различных высотах над уровнем моря, их приводят к стандартной силе тяжести. За стандартное значение принято ускорение силы тяжести на широте 45? и на уровне моря.

Следовательно, в низких широтах (от 0 до 45?), показания ртутного барометра оказываются завышенными, а в высоких - (от 45? до 90?) заниженными по сравнению с широтой 45?. По мере поднятия выше над уровнем моря показания также будут несколько завышены. Таким образом, поправка на ускорение силы тяжести в низких широтах будет отрицательной, а в высоких широтах - положительной. На всех высотах выше уровня моря поправка на ускорение силы тяжести будет отрицательной.

Барометр-анероид БАММ-1. Барометр-анероид БАММ-1 предназначен для измерения атмосферного давления в наземных условиях (рис 2.2).

Рис.2.2. Общий вид барометра- анероида

Чувствительным элементом барометра служит блок, состоящий из трех последовательно соединенных анероидных коробок. Принцип действия его основан на деформации мембранных анероидных коробок под действием давления и преобразования линейных перемещений мембран посредством передаточного механизма в угловые перемещения стрелки относительно шкалы.

Приемником служит металлическая анероидная коробка А (рис. 2.3) с гофрированным дном и крышкой, из которой воздух полностью выкачивается. Пружина Б оттягивает крышку коробки и тем самым предохраняет ее от сплющивания давлением воздуха.

Рис. 2.3 Схема барометра-анероида

При повышении давления атмосферы крышка будет вдавливаться внутрь коробки, а при уменьшении - она будет выгибаться вверх. При помощи системы рычагов эти незначительные колебания крышки коробки увеличиваются от 200 до 800 раз и передаются на стрелку В, перемещающуюся вдоль шкалы с делениями.

Для создания постоянного натяжения цепочки на оси стрелка соединена спиральной пружиной (волоском) С. В некоторых типах современных анероидов роль пружины выполняют упругие крышки коробки. Приемник давления в таких анероидах состоит из 5-6 мембранных коробок.

Для измерения температуры прибора в прорези шкальной пластины прикреплен дугообразный ртутный термометр, цена деления шкалы которого 1°С. Шкала барометра имеет круглую форму с делениями в паскалях. Цена одного деления 100 Па или 1 гПа. На некоторых анероидах шкала градуирована в миллиметрах ртутного столба с ценой деления 0,5 мм.

Барометр-анероид устанавливают горизонтально на специальной подставке или на столе. Футляр, в котором находится анероид, открывают только на время измерений. При измерениях вначале отсчитывают температуру по термометру при анероиде с точностью до 0,1?С. После этого, слегка постучав по стеклу анероида для преодоления трения в передающей части, отсчитывают положение стрелки относительно шкалы с точностью до 0,1 гПа или 0,1 мм рт. ст.

Поправки к барометру-анероиду. В показания анероида вводят три поправки: шкаловую, температурную и добавочную.

Шкаловая поправка учитывает инструментальную неточность анероида, возникающую в результате технологических допусков при изготовлении прибора. В различных участках шкалы она может быть разной. В поверочном свидетельстве шкаловые поправки приводятся для всей шкалы через каждые 10 гПа или 10 мм рт. ст. Для промежуточных показаний поправку определяют путем интерполяции двух соседних поправок.

Температурная поправка учитывает влияние температуры прибора. При одном и том же атмосферном давлении, но разной температуре прибора показания анероида могут быть разными, так как с изменением температуры упругость мембранных коробок не остается постоянной. Чтобы исключить влияние температуры, показания анероида приводятся к 0 °С. Для этой цели определен температурный коэффициент К, представляющий собой изменение показания анероида при изменении температуры на 1 °С. Он указан в поверочном свидетельстве. Для получения температурной поправки Х его надо умножить на температуру прибора, то есть

Х = КТ,

где Т - температура прибора в °С.

Добавочная поправка учитывает остаточную деформацию коробок по истечении некоторого времени. Поэтому в поверочном свидетельстве указывают дату ее определения. Добавочную поправку рекомендуется определять не реже одного раза в 6 месяцев, а при барометрическом нивелировании - до начала и после работы. Для определения добавочной поправки необходимо провести одновременные отсчеты по станционному чашечному барометру и анероиду (3--5 отсчетов). Разница между показаниями ртутного барометра с учетом всех поправок и анероида с двумя поправками (температурной и шкаловой) будет добавочной поправкой к анероиду. Вычислив все поправки и сложив их с учетом знаков, вносят общую поправку в отсчет анероида и определяют давление воздуха.

Барометры-анероиды имеют широкое распространение, так как габариты их небольшие, они просты в обращении и удобны при транспортировке. При барометрическом нивелировании или при расчете превышения одного пункта над другим пользуются барометрической формулой Бабине:

Н = 1600(1+?tср.) (p1 - p2/ p1 + p2 ),

где ? - коэффициент расширения воздуха, равный 0,00366;

tср - среднее значение температуры воздуха, измеренной в нижней и верхней пунктах; p1 - давление в нижнем пункте; p2 - давление в верхнем пункте. Барограф М-22А. Барограф метеорологический предназначен для непрерывной регистрации во времени изменения атмосферного давления в наземных условиях.

Принцип работы барографа основан на свойстве анероидных коробок реагировать на изменение атмосферного давления изменением своих геометрических размеров по высоте за счет деформации мембран.

Барограф состоит из следующих основных узлов: приемника давления, представляющего собой комплект анероидных коробок, температурного компенсатора, передаточного механизма, содержащего систему рычагов с осями и тягами, регистрирующей части, включающей стрелку с пером и барабан с часовым механизмом, корпуса (рис. 2.4).

Суммарная деформация мембран комплекта анероидных коробок, вызываемая изменением атмосферного давления, преобразуется при помощи передаточного механизма в перемещение стрелки с пером по диаграммному бланку (ленте), закрепленному на барабане с часовым механизмом.

Барографы изготавливают двух типов: суточные - М-22АС и недельные - М-22АН.

синоптический погода барометр давление

Рис. 2.4. Общий вид барографа М-22А

Регистрирующей частью барографа является барабан (с часовым механизмом внутри), на который надевается бумажная лента. На ленте барографа горизонтальные линии соответствуют атмосферному давлению в гектопаскалях (цена наименьшего деления 2 гПа), а вертикальные дуги -- времени. В зависимости от скорости вращения барабана барографы бывают суточные и недельные. На суточных цена деления равна 15 мин, на недельных -- 2 ч.

Барограф устанавливают горизонтально на специальной полке или на столе недалеко от ртутного барометра. Во избежание резких колебаний температуры он должен быть удален от отопительных приборов и защищен от воздействия солнечных лучей. Перед установкой барографа арретиром ( рамкой) отводят стрелку с пером, снимают барабан, заводят часовой механизм и на барабан накладывают бумажную ленту, на которой записывают дату и время установки. Перо наполняется специальными чернилами. После этого барабан надевают на неподвижный стержень, укрепленный на основании прибора. Поворотом рамки перо подводят к барабану так, чтобы положение его соответствовало времени и величине атмосферного давления (по барометру) в данный момент. При вращении барабана перо, касаясь ленты, оставляет на ней запись соответственно колебаниям атмосферного давления. Нажим пера регулируется поворотом рамки, укрепленной у основания стрелки. Во время работы прибора в сроки наблюдений на ленте нажатием на кнопку, расположенной в тыловой части, делают засечки для сравнения его показаний с показаниями барометра. В сроки наблюдений по записи барографа определяют барическую тенденцию за последние три часа и указывают в книжке наблюдателя.

3. Задания

Задание 1. Определение атмосферного давления по ртутному чашечному барометру. Прежде чем приступить к измерению давления воздуха с помощью чашечного барометра необходимо познакомиться с порядком выполнения задания.

Порядок выполнения задания.

Ознакомиться с правилами техники безопасности при работе с приборами, в которых содержится ртуть (ртутный чашечный барометр, термометры метеорологические: максимальный, срочный, почвенный, коленчатые (Савинова) и др.)

Ознакомиться с устройством и принципом действия чашечного барометра.

Произвести отсчеты по чашечному барометру;

а) слегка постучать по верхней части защитного цилиндра для того, чтобы мениск ртути принял нормальное положение;

б) сделать отчет по основной шкале барометра;

в) произвести отсчет десятых долей по совпадению одного из делений но- ниуса с каким либо делением шкалы;

г) сделать отсчет по термометру при барометре с точностью до 0,1?С.

4. Обработать полученный отсчет давления путем введения поправок: инструментальной, температурной, на силу тяжести (в зависимости от широты и высоты над уровнем моря).

Как указывалось в пункте 2.2., инструментальная поправка дается в паспорте каждого барометра; остальные поправки необходимо найти в приложениях 2 и 3. При нахождении поправок в приложениях 2 (приведение показаний барометра к температуре 0°С) и 3(на силу тяжести) необходимо интерполировать с точностью до сотых долей гПа (табл.2.1).

Таблица 2.1. Пример определения поправки на силу тяжести

В таблице показан пример определения поправки на силу тяжести, если широта равна 50°30' с.ш., Р=944,8 гПа с помощью приложений 2 и 3.

Истинное значение давления, измеренного ртутным барометром, представляет собой алгебраическую сумму отсчета по барометру и всех поправок.

На метеорологических станциях к отсчетам по чашечному барометру для удобства вводят только две поправки: температурную и «постоянную», определяемую в Региональном центре по гидрометеорологии и контролю окружающей среды (РЦГКС). Постоянная поправка включает в себя инструментальную и поправку для приведения к нормальной силе тяжести, вычисленную для среднего давления данного пункта. Привести исправленное давление на станции к давлению над уровнем моря, пользуясь приложением 4. Все записи нанести в таблицу 2.2. по следующей форме:

Таблица 2.2. Результаты измерения атмосферного давления по чашечному барометру. широта станции 50° 28' с.ш.; высота барометра над ур. моря 223 м.

Контрольные вопросы и задания.

Начертите схему чашечного барометра.

Почему барометры наполняются обычно ртутью, а не другой жидкостью?

Что такое компенсированная шкала, в каких видах барометров она применяется?

Определите с помощью таблиц приложения 3 и 4 поправки на силу тяжести на широте тропиков северного полушария и южного полярного круга.

Для чего показания барометра на станции приводятся к давлению на уровне моря?

Отчет по заданию 1 должен содержать

Схему чашечного барометра.

Обработку отсчета атмосферного давления по чашечному барометру

Ответы на контрольные вопросы.

На защите лабораторной работы знать устройство и принцип действия прибора.

Задание 2. Определение превышения одного уровня над другим с помощью барометра анероида.

Порядок выполнения задания

Изучить устройство и принцип действия прибора.

Приготовить для работы барометр-анероид и срочный термометр.

Спуститься на первый этаж 12-ти этажного здания, установить в горизонтальном положении на ровной полочке приборы и через 5 минут произвести отчеты по барометру и термометру. Перед отсчетом по барометру слегка постучать пальцем по стеклу анероида для преодоления трения в передаточном механизме.

Результаты нанести в таблицу 2.3.

На лифте подняться на 12-й этаж и установить приборы так же , как это делали на 1 этаже. Снова через 5 минут произвести отчеты и занести в ту же таблицу 2.3.

Таблица 2.3. Результаты измерения атмосферного давления по барометру-анероиду. Время и место измерений _________________

Вернуться на первый этаж и повторить измерения.

Далее произвести обработку полученных результатов: а) ввести к показаниям барометра-анероида все поправки, взятые из паспорта прибора; ввести поправку к показаниям термометра, вычисленную по измерениям температуры воздуха;

б) вычислить средние величины давления воздуха на первом и 12-м этажах и определить среднюю температуру воздуха между данными уровнями.

Определить по формуле Бабине разность высоты между первым и 12 этажами.

Контрольные вопросы и задания.

Начертите схему барометра - анероида.

Какие поправки вносятся к показаниям прибора?

Как рассчитывается температурная поправка?

Почему со временем величина добавочной поправки меняется?

Как она рассчитывается?

5. С какой целью вводится шкаловая поправка? Как она получается?

Отчет по заданию 2 должен содержать

Схему чашечного барометра.

Таблицу с вычисленными результатами.

Ответы на контрольные вопросы.

На защите лабораторной работы знать устройство и принцип действия барометра-анероида.

Задание 3. Знакомство с работой барографа М-22АН

Порядок выполнения задания

Изучить устройство и принцип действия прибора.

Приготовить ленту барографа, специальные чернила.

Заправить перо самописца чернилами.

Снять с центральной оси барабан часового механизма и завести его.

Наложить на барабан ленту, предварительно записав на обратной стороне дату, время и место установки.

При установке ленты наложить ее на барабан с таким расчетом, чтобы линии на левом краю и на правом совпадали. Лента должна плотно прилегать к барабану при помощи зажима.

Отрегулировать нажим пера с помощью рамки, закрепленной у основания стрелки.

Специальным винтом на передаточном механизме перо самописца устанавливают на деление ленты, соответствующей исправленной величине ртутного барометра, а при его отсутствии - по исправленной величине барометра-анероида.

Для исключения «холостого» хода барабана его поворачивают до линии времени (с точностью до 1 минуты).

Через один час по суточному барографу можно определить барометрическую тенденцию. По недельному барографу эту величину можно увидеть только через 3 часа.

Ленту барографа обрабатывают после снятия ленты. Для этого сначала на ленту записывают исправленные значения давления в сроки наблюдений по барометру. Затем определяют поправки между показаниями на ленте барографа и показаниями барометра. Полученную разность в поправках между двумя соседними сроками равномерно разбрасывают на промежуточные часы. На заключительном этапе к значениям на ленте барографа в целые часы прибавляют с учетом знака поправки и получают исправленные величины.

Контрольные вопросы и задания

Начертите схему барографа.

Почему показания на ленте барографа надо привести к показаниям барометра?

Почему надо совмещать линии на ленте левого и правого концов?

Как рассчитывается поправка на лентах между сроками?

Через какие интервалы времени нанесены линии интервалы времени на суточных и недельных барографах?

Для чего выполняются «засечки» на барографах в сроки наблюдений по барометру?

Отчет по заданию 3 должен содержать

Схему барографа.

Ответы на контрольные вопросы.

Обработанную ленту барографа.

На защите лабораторной работы знать устройство и принцип действия барографа и методику обработки ленты.

Размещено на Allbest.ru