Fizyczne podstawy badań Fizyczne podstawy badań środowiska środowiska Wykład V Wykład V

(1)

Fizyczne podstawy badań Fizyczne podstawy badań

środowiska środowiska

Wykład V Wykład V

Krzysztof M. Markowicz

(2)

Cykl hydrologiczny

(3)

11/29/21 Krzysztof Markowicz kmark@igf.f uw.edu.pl

Cykl hydrologiczny

średni czas trwania 4.2 dnia

Parowanie

Kondensacja (chmury) Opad

Retencja

(4)

Chmury

W każdej chwili czasu około połowy naszej planety jest pokryte chmurami Bardzo szerokie spektrum kształtów, rozmiarów i własności mikrofizycznych Rozkład chmur na powierzchni Ziemi zależy bardzo silnie od dynamiki

Chmury są bardzo dobrze widoczne na zdjęciach satelitarnych, gdyż odbijają dużą część padającego na nich promieniowania słonecznego (w zakresie fal widzialnych). Chmury mają zatem duże znaczenie w ustalaniu bilansu

radiacyjnego Ziemi

Chmury odgrywają również istotną rolę w bilansie radiacyjnym w zakresie promieniowania długofalowego

Chmury odgrywają istotną rolę w procesach chemicznych. Kondensacja oraz opad są podstawowymi mechanizmami usuwania różnych składników

chemicznych z atmosfery

(5)

Wilgotność

absolutna: (gęstość pary wodnej) a 216 e / T [g / m³]

właściwa: q  622 e / p [g / kg]

względna: f = e / E (x 100) [%]

E = E(t)

e, E - aktualne i maksymalne ciśnienie pary wodnej czyli prężność, T - (K), p - ciśnienie atmosferyczne, t - (^oC).

(6)

Pomiary wilgotności- Psychrometr

Psychrometr pozwala na wyznaczenie prężności pary wodnej w atmosferze z pomiaru temperatur w układzie dwóch termometrów: suchego (zwykłego) oraz zwilżonego.

E=E’-pAt , t=t-t’

A - współczynnik psychrometru;

 t - różnica temperatur termometru "suchego"

(otoczenie) i "mokrego" (zwilżonego wodą);

p- ciśnienie atmosferyczne;

E'- ciśnienie pary wodnej nasyconej przy temperaturze t';

(7)

Psychrometr Augusta - zwykły - z "naturalną" wentylacją

A=7.9x10^-4 przy v=0.6 m/s

(8)

Psychrometr aspiracyjny

(Assmanna) – z wymuszoną wentylacją

A=6.3x10^-4przy v=2 m/s

(9)

Higrometr deformacyjny

Przyrząd ten działa na zasadzie zmiany rozmiarów włosów lub błon organicznych, reagujących na zmiany wilgotności względnej. Jest to cenna i dość niezwykła własność tych

prostych czujników. Dla ujemnych temperatur wzrasta znacznie

bezwładność. Pomiar jest możliwy do -40°C^.

(10)

Metoda punktu rosy

Temperatura punktu rosy t_dzdefiniowana jest przez równania e=E(t_d). Jest więc temperaturą do jakiej

trzeba ochłodzić izobarycznie powietrze aby nasyciło się parą wodną.

Optyczne metody obserwacji kondensatu w połączeniu z elektrycznym termometrem oraz półprzewodnikową chłodziarką

(11)

Czujnik pojemnościowy - humicap

Absorpcja pary wodnej zmienia stałą dielektryczną specjalnie wykonanych

kondensatorów, w których jedna z okładek jest porowata. Związane z tym niewielkie

zmiany pojemności, rzędu kilku pF wymagają zwykle włączenia do generatora drgań

elektrycznych,

mała stała czasowa

< 1s (wentylacja 6m/s).

(12)

Optyczne pomiary wilgotności

Para wodna posiada w ultrafiolecie (linia Lymana  = 0.1215 µm) silne pasmo absorpcyjne.

Zmniejszenie natężenia promieniowania o 1/e ma miejsce na około ułamkach centymetra drogi

optycznej.

I=I_oexp(-akl)

gdzie I_o - natężenie źródła promieniowania, I – natężenie zarejestrowane przez fotodetektor, a - gęstość pary wodnej ( wilgotność absolutna), l - droga optyczna. k współczynnik absorpcji.

Zaletą tej metody jest mała stała czasowa rzędu 10^-3s.

(13)

Opady atmosferyczne

Do pomiarów wysokości opadów używa się deszczomierza typu Hellmanna o powierzchni otworu 200cm².

Ustawia się go w takim miejscu, by opad - nawet w razie silnego wiatru i najbardziej

ukośnego kierunku padania - miał wolny dostęp do przyrządu ze wszystkich stron.

Deszczomierz zawiesza się na trzymadle na wysokości 100cm nad powierzchnią gruntu.

Pluwiograf umożliwia ciągła rejestrację natężenia opadu. Jest u urządzeniem mechanicznym chodź obecnie pojawia się coraz więcej odmian

całkowicie elektronicznych (np. używające wagi elektronicznej)

Główne problemy deszczomierzy:

Błędy pomiarowe wiążą się głównie z wpływem wiatru, małe krople opływają deszczomierz podobnie jak powietrze.

z wywiewaniem kropel oraz ich rozpryskiwanie z parowanie zgromadzonego opadu

(14)

Metody optyczne

Obecnie coraz szerzej stosowane są metody optyczne.

Analiza widmowa promieniowania rozproszonego na kroplach pozwala na szacowanie ich wielkości oraz koncentracji.

Wielkości produktów kondensacji

1 m – jądra kondensacji

10 m - typowa kropla chmurowa 50 m - duża kropla chmurowa 100 m - mżawka

1 nm - typowa kropla deszczu

(15)

Metody zdalne-Radary

Radary pozwalają na obserwacje opadów , jednak ze względu na trudności interpretacyjne sygnału

odbitego (tzw odbiciowości) nie istnieją „dobre metody” na obliczanie wysokości opadów na podstawie pomiarów radarowych.

Odbiciowość Z r⁶

(16)

Pomiary parowania

Ewaporometr Pisha (30 cm rurka z wodą zakończona bibułą filtracyjną

Ewaporometr Wilda (przyrząd w kształcie lejka zamocowanego na wadze)

Baseny Ewaporometryczne

Lizymetr glebowy ( pomiary masy gruntu o grubości 1m)

(17)

Pomiary hydrologiczne

Podstawowa wielkość hydrologiczna to stan wody- jest to wysokość położenia zwierciadła wody liczona od umownego poziomu. Mierzy się go na posterunkach wodowskazowych

przy pomocy łat z podziałką centymetrową lub pływaka, który po wyposażeniu w

urządzenie samopiszące staje się

limnigrafem. Po przystosowaniu do pomiarów stanu mórz stają się mareografem.

(18)

Pomiary wielkości przepływu

Pomiary prędkości cieku wodnego Pomiary wilgotności gleby