2. Атмосферное давление

2.1. Единица измерения атмосферного давления

Атмосферное давление выражается в гектопаскалях /1гПа=10 Па=10 H/м /. Для измерения давления используются барометры со шкалами, градуированными в ранее применявшихся единицах — миллибарах /мб/ или миллиметрах ртутного столба /мм рт. ст./. Соотношения между этими единицами следующие:

1мб = 1гПа = 0,750062 мм рт. ст.;

1мм рт. ст. = 1,333224 мб = 1,333224 гПа.

Измерения и расчеты атмосферного давления производятся с точностью до десятых долей принятых единиц. Среднее давление на уровне моря составляет 760 мм рт. ст. или 1013,2 мб. Эта величина принимается в качестве нормальной или стандартной. Для простоты за нормальное давление часто принимают 1000 мб.

Для измерения атмосферного давления применяются три типа барометров: ртутные барометры, анероиды и гипсотермометры

/термобарометры/.

2.2 Ртутные барометры

Ртутные барометры являются наиболее точными и используются в основном на станциях. По устройству сосудов ртутные барометры делятся на чашечные, сифонные и сифонно-чашечные (рис.1). Для измерения атмосферного давления в стационарных условиях применяется стационарный чашечный барометр.

Чашечный барометр состоит из запаянной стеклянной трубки, наполненной дистиллированной ртутью и погруженной открытым концом в пластмассовую или металлическую чашку. Чашка сообщается с воздухом через отверстие, закрываемое винтом. Стеклянная трубка помещена в металлическую оправу, прикрепленную к чашке. В верхней части оправы имеется прорезь для наблюдений с нанесенными на ней делениями Для отсчета десятых долей имеется подвижное кольцо с нониусом. В среднюю часть оправы вмонтирован термометр для определения температуры ртути перед отсчетом высоты ртутного столба.

Для исключения ошибок из-за несовпадения нуля шкалы с уровнем ртути в чашке чашечного барометра применяется компенсационная шкала.

При повышении давления ртуть в трубке поднимается на некоторую величину X, а уровень ртути в чашке понизится на величину Y (рис.2).

Составим пропорцию

, (2)

где r - радиус трубки,

R - радиус чашки.

В чашечных барометрах принято отношение площади сечения трубки к площади сечения чашки, равное 0.02, т.е. =0.02 . Если считать, что давление возросло на единицу, то

X + Y = 1, Y = 1 - X, 0.02, X = 0.98

Таким образом, одно деление шкалы чашечного барометра должно быть равно 0.98 мм для шкалы в мм рт. ст. и 0.98 мб = 0.375 мм для шкалы в миллибарах.

В показания ртутного барометра вводятся постоянная и температурная поправки. Первая является алгебраической суммой инструментальной поправки, указываемой в паспорте прибора, и поправок на приведение к ускорению свободного падения на широте 45 и на уровне моря :

= -2.64x10 h (3)

= -3.14x10 hz , (4)

где h - показание барометра,

z - высота /м/ чашки барометра над уровнем моря,

- широта места измерения давления.

Температурная поправка приводит показания к температуре 0.0 C:

, (5)

где t - температура / C/ барометра.

Истинное давление на станции определяется по формуле

(6)

Для составления синоптических карт исправленная величина давления приводится к уровню моря

(7)

Поправки , , и могут быть определены по таблицам 3.1 - 3.4 (Приложение 3).

3. Анероиды

Анероид основан на использовании упругой деформации приемника под влиянием атмосферного давления. Приемником является металлическая коробка с гофрированным дном и крышкой. Воздух из коробки выкачивается, а для того, чтобы коробка не смялась, ее крышка оттягивается вверх пружиной. При помощи системы рычагов колебания крышки усиливаются в 200-800 раз и передаются на стрелку. В верхней части анероида вмонтирован дугообразный термометр. В современных анероидах роль пружины выполняют крышки коробки, которых в приемнике устанавливается 5-6 штук.

В показания анероида вводится три поправки: шкаловая, температурная и добавочная. Шкаловая поправка определяется при изготовлении прибора и вносится в его паспорт. Добавочная поправка связана с изменением упругих свойств коробки со временем, она определяется при тарировке прибора и вносится в его паспорт. Температурная поправка также приводится в паспорте прибора, причем она соответствует изменению температуры на 1 , т.е. имеет вид

X = kt , (8)

где t - температура прибора,

k - поправка на 1 .

При барометрическом нивелировании превышение определяется по формуле Бабине

, (9)

где - давление в нижнем пункте,

- давление в верхнем пункте,

- средняя температура воздуха, измеренная в верхнем и нижнем пунктах,

- коэффициент расширения воздуха.

4. Гипсотермометр

Гипсотермометр позволяет определить величину атмосферного давления в зависимости от температуры кипения воды. Он состоит из специального термометра и кипятильника. Термометр градуируется либо в градусах Цельсия, либо в мм рт. ст., либо в миллибарах.

Кипятильник представляет собой металлический сосуд, заполненный дистиллированной водой, на который ставится металлическая трубка с двойными стенками, внутри которой находится термометр. Вода нагревается до кипения при помощи спиртовки.

Гипсотермометр применяется для барометрического нивелирования на высотах 1000 м и выше и при больших превышениях.

5. Барограф

Барографом называется прибор, служащий для непрерывной регистрации атмосферного давления. По своему устройству барограф состоит из трех частей: приемной, передающей и регистрирующей.

Приемной частью служит система анероидных коробок, свинченных между собой. Верхняя коробка соединена с рычагами передающего механизма. При передаче на перо величина деформации коробки увеличивается в 80-100 раз.

Для уменьшения влияния температуры на показания барографа в его нижней части вмонтирован биметаллический компенсатор из стальной и медной пластинок. При повышении температуры прогиб коробок возрастает, но компенсатор при этом поднимает весь столбик коробок, и их подъем компенсирует увеличенную деформацию.

Регистрирующая часть барографа представляет собой барабан с часовым механизмом внутри. На барабан надевается бумажная лента, на которой нанесены горизонтальные и вертикальные дугообразные линии. Горизонтальные линии соответствуют давлению, а дугообразные - времени.

Если самописец недельный, то один оборот барабана совершается за неделю, если суточный, то за сутки.

На конец стрелки, соединенной с анероидными коробками, насаживается перо, заполненное специальными чернилами. Нажим пера на ленту регулируется поворотом рамки, укрепленной у основания стрелки. В дне футляра имеется отверстие, в котором находится четырехгранный винт. Вращая этот винт специальным ключом, можно перемещать столбик анероидных коробок по высоте и устанавливать перо на нужное деление ленты.

В срочные часы показания барографа сравниваются с показаниями ртутного барометра. После введения поправок обрабатывается лента барографа.

В сроки наблюдений по ленте барографа определяют барическую тенденцию, т.е. величину, знак и характер изменения давления за последние 3 часа.