ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА "ПРИРОДА И ГЕОГРАФИЯ ТУРКМЕНИСТАНА"

Метеорологические приборы

Основное занятие большинства метеорологов - не предсказание погоды, как обычно думают, а наблюдения за погодой. Без наблюдений не может быть и прогнозов. Более того, чтобы грамотно составить прогноз погоды, нужно иметь результаты наблюдений в десятках и сотнях точек. Наблюдения ведут на метеорологических станциях.

Метеорологическая станция (метеостанция) - учреждение, в котором круглосуточно проводятся регулярные наблюдения  за состоянием атмосферы и атмосферными процессами, в том числе отслеживаются изменения отдельных метеорологических элементов (температуры, давления, влажности воздуха, скорости и направления ветра, облачности и осадков и т.д.). На станции имеются метеорологическая площадка, где расположены основные метеорологические приборы, и закрытое помещение для обработки наблюдений. Метеорологические станции страны, области, района составляют метеорологическую сеть.

Только немногие измерения могут проводиться "на глаз", нужны измерительные приборы, действие их основано на законах физики.

Нередко услышав по радио, что сейчас такая-то температура, мы смотрим на наружный термометр за окошком и обнаруживаем разницу до трех-четырех градусов. Это связано с тем, что, во-первых, метеостанция, по которой нам сообщили сведения, находится на некотором расстоянии от нашего дома; во-вторых, приборы на метеостанции установлены не так, как у нас; и в-третьих, бытовые приборы далеко не так точны, как метеорологические. Наблюдение за погодой на метеостанции считается рутинной работой, потому что она регламентирована строгими инструкциями, нарушать которые нельзя, иначе наблюдения, проведенные на разных метеостанциях (да и разными наблюдателями на одной и той же) нельзя будет сопоставить. Дело не только в том, что на разных станциях должны быть приборы одной и той же конструкции. Результаты наблюдений зависят и от того, как и где эти приборы установлены, как ими пользоваться, как записывать наблюдения и т.д. Но то богатство впечатлений, которое предоставляет нам объект наблюдения - погода, - с лихвой возмещает видимое однообразие методов.

Каждый прибор на метеостанции снабжен сертификатом, в котором указано, какие поправки нужно вносить в его показания. Например в сертификате термометра указано:

от  -5,7 до +2,1   +0,2

от +2,2 до +9,4   +0,1.

Это значит, что если термометр показывает -0,2°C, то истинная температура будет (-0,2°C) + (+0,2°C) = 0,0°C; если показывает +5,7°C, то температура +5,8°C. Для другого термометра, даже если он был выпущен на заводе в составе той же серии, поправки почти всегда будут другие. Такие поправки называются инструментальными. Они есть у любых приборов, что бы ими не измеряли.

Теперь рассмотрим приборы, предназначенные для измерения отдельных метеорологических элементов.

ДАВЛЕНИЕ ВОЗДУХА

Давление воздуха - важнейший метеорологический показатель, даже важнее температуры. Давление измеряют с помощью ртутного барометра, который не претерпел существенных изменений за три с половиной века, с тех пор, как его изобрел Эванджелиста Торричелли. Барометр позволяет определить высоту ртутного столба с точностью до 0,1 мм. Давление в помещении и снаружи одинаково, поэтому прибор вешают на стене в закрытом помещении - наблюдательской, где ведут обработку наблюдений. В шкалу барометра вмонтирован термометр, показывающий температуру в помещении, потому что при повышении температуры ртуть в барометре расширяется, и в показания приходится вводить температурную поправку по специальной таблице.

Кроме того, в величину давления вводят поправку на абсолютную высоту, т.е. вычисляют давление, которое было бы в данной точке, если бы барометр находился на уровне моря. Не будь этой поправки, любая горная страна, в пределах которой расположены на разных высотах многочисленные метеостанции, независимо от погодных условий оказалась бы изображенной на карте изобар как область низкого давления, причем весьма причудливой конфигурации.

В наблюдательской же находится и гораздо более привычный широкой публике барометр-анероид, он считается менее точным прибором, его держат на всякий случай. Основная деталь анероида - круглая жестяная коробочка с рифлеными крышками. Из нее выкачан воздух, и она запаяна. При увеличении атмосферного давления крышки прогибаются внутрь, при уменьшении - распрямляются. Движения крышек через систему рычажков передаются стрелке.

На том же принципе основано действие находящегося здесь же барографа, вычерчивающего кривую изменения давления воздуха. Стрелка с крохотной чернильницей на кончике отклоняется вверх или вниз в соответствии с изменением суммарного прогиба крышек стопки коробочек и вычерчивает кривую изменения давления на ленте, которой обернут барабан. Барабан вращается с помощью часового механизма. Если барабан делает оборот за сутки, кривая плавная; если за неделю, точность отсчетов меньше, но изменения давления видны более четко. Лучше иметь и суточный, и недельный барографы. У других самописцев недельные барабаны применяются редко.

ТЕМПЕРАТУРА И ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА

Температура - наиболее ощущаемый нами метеорологический показатель, погода для нас - это прежде всего "тепло" или "холодно". Температурой воздуха считается температура, которую показывает термометр, находящийся на высоте 2 м над землей и защищенный от прямых солнечных лучей. Термометры размещают в одной из будок на метеоплощадке. Метеоплощадка - это ровное место метрах в двадцати от помещения метеостанции, с сохраненным естественным покровом (травой мхом, словом, тем, что составляет естественную подстилающую поверхность для данного места). Будки выкрашены в белый цвет, их стенки набраны из дощечек так, что воздух в будку проходит свободно, а солнечные лучи не проникают никогда. Возле будки есть постоянная лесенка.

Два термометра срочные, т.е. показывают температуру в данный момент. Они расположены вертикально, шарик которого обернут полоской ткани, конец которой опущен в стаканчик с водой. Термометры соответственно и называются - сухой и смоченный. Возможно, читателю приходилось видеть такую пару термометров в помещениях, где важно следить за влажностью воздуха, например в музеях. Термометры ртутные. Но при очень низких температурах ртутный термометрах заменяют спиртовым (ртуть замерзает при -39°). Температура, которую показывает сухой термометр, и есть температура воздуха в данный момент.

Пара термометров - сухой и смоченный - составляют прибор, называемый психрометром - измерителем влажности. Поэтому и будка называется психрометрической. На испарение воды затрачивается тепло, и смоченный термометр, как правило, показывает более низкую температуру, чем сухой. Если воздух сух, испарение идет быстро, на него расходуется много тепла и разница в показаниях термометров большая. При влажном воздухе вода испаряется медленно, соответственно уменьшается разница показаний. Когда влажность достигает 100%, испарения нет, показания термометров одинаковы. По специальным таблицам (а это довольно солидный том) наблюдатель определяет абсолютную влажность, относительную влажность и дефицит влажности, т.е. количество пара, которое еще может вместить воздух. Понятно, что при относительной влажности 100% дефицит влажности равен нулю.

Абсолютную влажность воздуха человек не ощущает, относительную же замечает только тогда, когда она сильно отличается от оптимальной (60-70%) - либо воздух слишком сухой (40% и меньше), либо слишком сырой (90-100%). При сухом воздухе значительно легче переносятся мороз и жара. Мороз в 15-20° в Мурманской области при стопроцентной влажности да еще с ветерком (а ветерок иной раз и с ног валит) куда тяжелее, чем знаменитые сибирские морозы при низкой влажности и безветрии.

Влажность фиксируется также еще одним прибором - волосным гигрометром. Его действие основано на том, что в зависимости от влажности обезжиренный человеческий волос - обязательно женский (он тоньше) и светлый (пигмент ухудшает его восприимчивость к влаге) - несколько изменяет свою длину.

Гигрометр помещается в той же будке, что и психрометр. Его показания менее точны, их проверяют по психрометру, но зато он позволяет определить влажность сразу, без расчетов: его шкала отградуирована в процентах относительной влажности.

В той же будке находятся еще два горизонтальных термометра - максимальный и минимальный. Они нужны для того, чтобы знать, каких наибольших и наименьших величин достигала температура в период наблюдения. Максимальный термометр известен всем - это, например, медицинский. Он показывает температуру тела не только тогда, когда его держат под мышкой, но и потом, когда его вынут, до тех пор, пока не стряхнут. Только в максимальном термометре, применяемом в метеорологии, диапазон температур значительно больше, а горлышко меду трубкой и резервуаром пошире, поэтому и стряхивать его легче. Именно поэтому его кладут в будке горизонтально, чтобы ртуть сама случайно не соскользнула в резервуар. Но использовать его в качестве медицинского нельзя: сколько бы мы его под мышкой не держали, он будет показывать температуру ниже нормальной, потому что длинный, а значительная часть ртути принимает температуру окружающего воздуха. Но что это? Сухой термометр показывает 15°, максимальный 19°; к следующему сроку наблюдений температура неуклонно падает, на сухом термометре уже 7°, а на максимальном опять те же 19°! Оказывается, наблюдатель, сняв показания максимального термометра, забыл его встряхнуть. Так бывало. Чтобы этого не повторялось впредь, в записях наблюдений ввели специальную графу: "Показания максимального термометра после встряхивания".

Нетрудно догадаться, что минимальный термометр должен показывать наименьшую температуру за период наблюдений. Принцип действия этого термометра таков. В капилляре с бесцветным спиртом плавает штифтик. В каждый срок наблюдений, слегка наклоняя термометр, подгоняют штифт к поверхности спирта и кладут термометр горизонтально.

Метеорологические термометры позволяют брать отсчеты с точностью до 0,1°C.

В другой будке помещаются самописцы - термограф и гигрограф, непрерывно фиксирующие изменение температуры и относительной влажности; барабаны с часовым механизмом у них такие же, как у барографа, а стрелки соединены с датчиками температуры и влажности. Датчик влажности - человеческий волос, датчик температуры - биметаллическая пластина.

Для определения скорости ветра существует множество приборов самых разных конструкций. Суть большинства их сводится к одному: ветер крутит вертушку, а счетчик оборотов (механический или электрический) измеряет скорость вращения. Такие приборы называются анемометрами (в переводе с греческого - ветромер). Подобные устройства сейчас можно видеть во многих городах: на вертикальной оси закреплено что-то вроде большой полой дыни, разрезанной пополам; половинки смещены относительно друг друга, на каждой половинке - реклама какой-то фирмы. Втер довольно свободно обтекает половинку, которая обращена к нему выпуклой стороной, а на вогнутую сторону другой половинки оказывает заметное давление. И все устройство начинает вращаться - тем быстрее, чем сильнее ветер. нетрудно сообразить, что вращение всегда будет в одну сторону, куда бы ни дул ветер.

Но для метеостанций стандартным является не анемометр, а довольно простой прибор, сконструированный более ста лет назад директором Главной геофизической обсерватории в Петербурге Г.И. Вильдом. Флюгер Вильда состоит из флюгарки - металлического флажка, свободно вращающегося на оси, и свисающей металлической доски, поворачивающейся вместе с флюгаркой и всегда располагающейся поперек ветрового потока. Под флюгаркой закреплены штыри, указывающие стороны горизонта - основные (север, восток, юг, запад) - и промежуточные, - всего 8. Направление ветра - это сторона горизонта, откуда дует ветер, поэтому оно определятся не по флюгарке, повернутой куда дует ветер, а по противовесу к ней, обращенному всегда навстречу ветру. Металлическая доска отклоняется от вертикального положения тем больше, чем сильнее ветер. Рядом с доской приварена металлическая дуга со штифтами, по которым и определяют степень отклонения доски, а затем, уже по таблице, - скорость ветра. Впрочем, поработав неделю-другую, наблюдатель пишет скорость ветра уже не глядя в таблицу. Флюгер помещают на высоте около 10 м над землей, на отдельно стоящем столбе или над крышей метеостанции. Чаще флюгеров два - с легкой доской для слабого ветра (до 20 м/с) и с тяжелой для сильного (от 12-15 м/с). Здесь, правда, нужна оговорка. Под воздействием ровного, без завихрений, ветра доска никогда не примет горизонтального положения. Завихрения, турбулентность потока, могут расположить доску и горизонтально, и даже (на которое время) задрать ее вверх. Например, если направление между западом и юго-западом, а легкая доска - между вторым и третьим штифтами, а при порывах же достигает четвертого, запись, сделанная в момент наблюдения выглядит так: "ЗЮЗ, л.д. 2-3(4)". если лоска неподвижна, пишут: "Тихо".

Скорость ветра измеряют в м/с; исключение составляют авиационные и морские метеостанции: первые дают скорость в км/ч, вторые - в узлах (морских милях в час), чтобы легче было сравнивать скорость ветра со скоростью соответственно воздушных и морских судов.

Нетрудно подсчитать, что 1 м/с = 3,6 км/ч = 1,94 узла (1 морская миля = 1852 м). 15 м/с - это шторм; 30 м/с - ураган, при котором еле стоишь на ногах. Скорости более 40 м/с флюгер уже не берет, нужны специальные приборы. Один из них, ураганометр, рассчитанный на 60 м/с, в Хибинах при отдельных порывах тоже зашкаливал. А в Антарктиде зафиксировали однажды около 90 м/с. Судя по разрушениям, причиняемым тропическими циклонами (тайфунами), в них скорость ветра может превышать 100 м/с.

СОЛНЕЧНОЕ СИЯНИЕ

В каждый срок наблюдения нужно отметить солнечное сияние. Если Солнце ничем не закрыто и светит ярко, возле значка Солнца в записи ставится двойка - вторая степень. Если Солнце слегка затуманено (обычно это бывает при высоких облаках), но предметы отбрасывают тени, показатель степени не ставится, т.е. подразумевается первая степень. Когда теней нет, но положение Солнца на небе все же можно определить, пишут нулевую степень. Если Солнце закрыто плотными облаками или находится под горизонтом, значок вообще на ставят.

Постоянно же фиксирует солнечное сияние прибор гелиограф. Это уникальный измерительный прибор,отличающийся от всех других тем, что в нем нет ни одной движущейся части. Даже рулетку, даже портновский сантиметр мы должны подвинуть, расположить так, чтобы нуль шкалы совпал с началом измеряемого отрезка. У термометра подвижен  столбик ртути; у термографа, барографа есть часовой механизм, который поворачивает барабан, и стрелка, которая поднимается и опускается.

Основная деталь гелиографа - шар диаметром около 100 мм, сделанный из хорошего оптического стекла и хорошо отшлифованный. Такой шар представляет собой собирающую линзу, которая в отличие от привычных нам линз, применяемых в очках, микроскопах, биноклях и т.п., не имеет единственной главной оптической оси: любая прямая, проведенная через центра шара, - это его оптическая ось. Как всякая линза шар имеет свое фокусное расстояние, у него оно одинаково во всех направлениях. На этом расстоянии вдоль поверхности шара в специальной обойме помещают картонную ленту с делениями. Солнце, совершая видимое движение по небосводу, прожигает в ленте след. В какой-то момент Солнце скрывается за облаками и перестает прожигать ленту; оно продолжает свое движение за облаками, и, когда небо проясняется, появляется новый прожог. Каждое большое деление на ленте соответствует 1 ч. Ленты хватает на 8 ч; после этого, если день длится больше, ставят новую ленту и поворачивают обойму на 120° - именно такую дугу описывает Солнце за 8 ч. Зимой дни короткие, ставится одна лента - с 8 до 16 ч. Весной и осенью (а в тропиках - круглый год) - две, с 4 до 12 и с 12 до 20 ч. Детом даже на широте Москвы уже требуются три ленты, потому что день длится более 16 ч, а еще дальше к северу Солнце может и не заходить, ленты ставят в 0, 8, 16 ч. 

Гелиограф может работать как самописец потому, что движется сам вместе с вращающейся Землей, подставляя Солнцу для прожога то одну точку своей ленты, то другую. Сравнимы с ними только солнечные часы - практически тот же прибор, только не самопишущий.

ОБЛАКА

Облака - один из самых сложных для наблюдения метеорологических элементов, поэтому приборов нет. Нужно на глаз определить степень покрытия небосвода облаками (10% - 1 балл облачности, 30% - 3 балла, весь небосвод покрыт облаками - 10 баллов), род и вид облаков, хотя бы приблизительно - их высоту. Правда, есть метеостанции, запускающие в каждый срок наблюдений шар-пилот, скорость подъема которого известна; скрылся шар в облаках через столько-то секунд - и известна высота. Но во-первых, далеко не все станции запускают такие шары, во-вторых, шар может проскочить между кучевыми облаками, и в-третьих - и это самое главное - удачей считается именно последний случай, потому что шар-пилот нужен в первую очередь для определения не высоты облаков, а направления ветра на разных высотах.

Есть, правда, довольно примитивный прибор нефоскоп, якобы позволяющий определить направление и скорость движения облаков, но я что-то не припомню случая, чтобы им кто-то пользовался...

ОСАДКИ

Количество осадков - это толщина слоя воды, который образовался бы от выпадения дождя, снега и т.п., если бы вода не стекала и не испарялась. Измеряется в миллиметрах. Прибор (осадкомер) представляет собой просто цилиндрическое ведро, которое помещают на столбе. В каждый срок наблюдений накопившуюся в нем воду сливают в мерный цилиндр с делениями, позволяющий измерять объем с точностью до 0,1 мм. Если осадки твердые (снег, град, крупа), ведро вносят в наблюдательскую, а когда осадки растают, воду сливают в стакан. Летом, а особенно в жаркую погоду, измерять количество выпавших осадков  нужно сразу после дождя, иначе вода испарится.

Вокруг ведра осадкомера расположены металлические пластины, образующие что-то вроде цветка. Они препятствуют выдуванию осадков (в основном, конечно, снега) из ведра.

ТЕМПЕРАТУРА ПОЧВЫ. СНЕЖНЫЙ ПОКРОВ

Температуру почвы измеряют такими же термометрами, как и в психрометрической будке, только лежат все три на поверхности земли (зимой - на снегу) и не защищены от прямых солнечных лучей. Кроме того, на агрометеорологических станциях измеряют температуру почвы на разных глубинах, обычно 5, 10 и 15 см. Термометры по форме напоминают хоккейную клюшку: резервуар со ртутью помещается горизонтально на нужной глубине, а шкала выступает над поверхностью. Но в показания этих термометров нужно вносить поправки, т.к. выступающая часть корпуса, в частности столбик ртути, подвержены влиянию температуры воздуха и прямых солнечных лучей.

Со времени установления осенью постоянного снежного покрова и до его схода весной по ней высота снежного покрова регулярно фиксируется с помощью снегомерной рейки.

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

О них упомянем только вкратце, потому что наблюдения ведут в основном без приборов и носят качественный характер, измерения почти отсутствуют.

Метеоролог должен постоянно выглядывать в окно и почаще выходить из здания, иначе можно многое пропустить. Начался дождь - отметь время; слабый дождь перешел в умеренный - сновать отметь. Нужно зафиксировать время начала и окончания осадков, тумана, метели, радуги, полярного сияния и многого другого. Для каждого явления существует свой значок, поэтому запись напоминает китайские иероглифы вперемешку с цифрами.

За последние десятилетия все больше входят в научный и технический обиход электронные приборы. Но сохраняют свое место и традиционные измерительные приборы; они обычно служат эталонами, по которым все остальные приборы поверяют, по которым их настраивают.

      Газета "Физика", №23'99.