Fizyczne podstawy badań Fizyczne podstawy badań
środowiska środowiska
Wykład VI Wykład VI
Krzysztof M. Markowicz
Cyrkulacja Powietrza
Składowa pozioma ruchu mas powietrza nosi nazwę wiatru. Związany on jest z ruchem powietrza pod wpływem gradientu ciśnienia. Po wyżej warstwy granicznej (po wyżej około 1.5 km) siłami które decydują
jeszcze o ruchu powietrza są siła Coriolisa oraz siła odśrodkowa. Wiatr taki nosi nazwę geostroficznego. W warstwie powietrza najbliższej
powierzchni ziemi znaczącym staje się siła tarcia powietrza o podłoże.
Prędkość wiatru w warstwie granicznej zwykle rośnie z wysokością i zmienia skręcając w prawi na półkuli północnej.
Prędkość i kierunek wiatru przy powierzchni ziemi wykazuje cykl dobowy związany z rozwojem konwekcji i wymianą pędu w warstwie granicznej. W dzień na skutek silnych ruchów pionowych prędkość wiatru przy ziemi rośnie i kierunek zbliża się do kierunku wiatru
geostroficznego. W nocy ruchy pionowe są słabe i prędkość wiatru przy ziemi zmniejsza się znacząco.
Prędkość wiatru przy powierzchni ziemi jest wielkością silnie zmienna w czasie. Definiuje się współczynnik porywistości:
GF=vmax/<v>
v=<v>3
gdzie dyspersja prędkości =(<(v-<v>)2>)1/2
Analiza Fourierowska pokazuje charakterystyczne fluktuacje w widmie częstości dla okresu czasu
kilku sekund Kilku minut
kilkunastu minut
Standardowo na stacja meteorologicznych prędkość wiatru uśrednia się na przedziale 10 minut.
Pomiary prędkości wiatru Anemometry rotacyjne]
Dla czasz: v=a+bn
gdzie: v - wiatr, n - obroty czasz.
Cechą charakterystyczną jest uśrednianie fluktuacji prędkości wiatru, ponieważ:
v / w = (~ 3)
w - liniowa szybkość czasz, - stała anemometru czaszowego.
Dla śmigieł: v=ω /(b tg)
ω - prędkość obrotowa - kąt natarcia łopat, b - stała bliska 1 .
Anemometry ciśnieniowe Wykorzystują efekt ciśnienia dynamicznego wywieranego na przeszkodę przez ośrodek.
v=A(p)2
A - stała, p - różnica ciśnienia dynamicznego i statycznego.
Z charakteru tej zależności wynika , że czułość takich anemometrów dla niewielkich prędkości jest mała
jednak umożliwia pomiar największych prędkości (huraganomierze)!.
Cecha charakterystyczna jest brak ruchomych elementów
Anemometr/ termometr akustyczny
Różnica czasu w dotarciu fali akustycznej do oby detektorów wynosi:
=L/(c-v)-L/(c+v)=2Lv/c2 Suma zaś 1+ 2=2L/c
Tak wiec nie musimy znać prędkości dźwięku aby wyznaczyć prędkość wiatru. Z drugiego równania możemy wyznaczyć temperaturę powietrza gdyż c=20.05Tw 1/2 [m/s]
Tw temperatura wirtualna (Tw=T[1+0.61q])
Nadajnik
OD1 OD2
L L
1 2
v
Ciśnienie atmosferyczne
Rozkład ciśnienia powietrza determinuje cyrkulację więc jego pomiary są szalenie istotne.
Pionowy rozkład ciśnienia w stanie równowagi hydrostatycznej dany jest wzorem
dp = g dh
Uwzględniając równanie stanu p= RT można wyznaczyć rozkład ciśnienia z wysokością w postaci wzoru barometrycznego
p=poexp(-gh/RT)
Uwaga: prawdziwy tylko dla T=const z wysokością.
Standartowa wartość: p = 1013 hPa.
p = 1 hPa na wysokości h = 9 m (stopień barometryczny)
Stopień barometryczny rośnie ze wzrostem temperatury powietrza.
Pomiary ciśnienia
Barometr jest to przyrząd do pomiaru ciśnienia atmosferycznego. W zależności od zasady działania rozróżnia się barometry cieczowe, barometry ze sprężystym elementem pomiarowym (np. aneroidem), które stanowią podstawę barografu, i termobarometry.
Barometr cieczowy
Ze względu na dużą dokładność najpowszechniej stosowane są cieczowe
barometry rtęciowe (zasadę ich działania opracował 1643 B. Torricelli). Składają się z otwartego zbiornika z rtęcią i wstawionej doń pionowo, zaślepionej w
górnym końcu i pozbawionej powietrza rurki szklanej o dł. 80-90 cm.
Porównywanie wskazań z różnych miejsc wymaga sprowadzenia odczytów do poziomu morza oraz temperatury 0°C (redukcja barometru).
Aneroid
Puszka z elastycznej profilowanej blachy, odkształcana przy zmianach ciśnienia.
Używany jako czujnik w barografach (dobowych / tygodniowych).
Barometry elektroniczne barocup – czujnik pojemnościowy
Aerologia
Pomiary w swobodnej atmosferze
Dział meteorologii badający zjawiska fizyczne oraz procesy zachodzące w atmosferze swobodnej czyli w tych warstwach, gdzie brak bezpośredniego oddziaływania powierzchni ziemi. Przyjmujemy, że w atmosferze na wysokościach ponad 200 ÷ 3000 m warunki takie już istnieją
Wykonywane są zwykle podstawowe pomiary wiatru, temperatury, wilgotności, ciśnienia powietrza.
Wyniki takich pomiarów, zwykle w funkcji ciśnienia, to profile pionowe wymienionych wielkości, np T = T(p)
Sonda meteorologiczna
Sonda meteorologiczna, meteorograf, zestaw przyrządów do pomiaru elementów
meteorologicznych (najczęściej ciśnienia, temperatury wilgotności), przymocowany do balonu napełnionego wodorem.
Najprostszą sondą meteorologiczną służącą do sondowania wiatrowego, był
niewielki, gumowy balon, za pomocą którego można było określić prędkość kierunek
wiatru.
Radiosondy
Radiosonda miniaturowa stacja meteorologiczna z czujnikiem temperatury, wilgotności i ciśnienia oraz radiostacją, służy do badań wyższych warstw atmosfery Ziemi (nawet do 35 km).
Radiosonda może być umieszczona w balonie na uwięzi lub w balonie wolnym. Zestaw przyrządów meteorologicznych (barometr- aneroid, termometr , higrometr), nadawcza stacja, która przekazuje na powierzchnię Ziemi wyniki pomiarów w formie sygnałów radiowych.
Dostarczone przez radiosondy informacje o aktualnie panujących warunkach pogodowych na różnych wysokościach są szczególnie
ważne dla celów prognozy pogody i komunikacji lotniczej.
Poza radiosondami meteorologicznymi używane są też radiosondy specjalizowane: ozonowe, lub promieniowania słonecznego (np. w zakresie UV), czy pola elektrycznego.
AUTOMATYCZNE STACJE POMIAROWE
Automatyczne urządzenie wykonujące pomiary elementów
meteorologicznych, przekazujące wyniki do bazy lub rejestrujące je w pewnym określonym standardzie.
Dzielą się na: synoptyczne, klimatologiczne i specjalne.
Te ostatnie mogą być: lotniskowe, agrometeorologiczne, morskie (platformy, statki, boje).
Stacje takie stanowią nowoczesny element systemu zbierania przetwarzania danych.
Stacje automatyczne połączone w sieć razem innymi źródłami informacji (satelita, radar) pozwalają na kompleksowy opis stan
atmosfery oraz przeprowadzenie analizy (czasowej, przestrzennej) co ułatwia wykrycie zmian (tendencji, gradientów) czyli prognozę zjawisk.
Oddzielne zagadnienie to standardy; mimo pracy różnorodnych czujników dane winne być zgodne wymaganiami WMO (Światowa Organizacja Meteorologiczna), i porównywalne ze zwykłymi stacjami pomiarowymi.
Automatyczne stacje pomiarowe
