Измерение атмосферного давления

Ртутный чашечный барометр. Прибор состоит из стеклянной трубки, наполненной ртутью и опущенной открытым концом в металлическую чашку со ртутью. Стеклянная трубка находится в металлической оправе, имеющей прорези для отсчета высоты ртутного столба. В оправу барометра вделан термометр "атташе", отсчет которого служит для вычисления температурной поправки.

Анероид. В приборе приемник давления состоит из пустотелой гофрированной металлической коробочки, из которой почти полностью выкачан воздух. При увеличении атмосферного давления коробочка сжимается, и ее деформация передается стрелке прибора, которая показывает давление. В прибор вделан изогнутый термометр "атташе".

Перед отсчетом слегка стучат по стеклу прибора и производят отсчет давления с точностью до 0,1 мб или 0,1 мм и температуры с точностью до 0,1°.

В показания прибора вводят следующие три поправки:

1) шкаловую - выбирают из паспорта прибора;

2) температурную - вычисляют по формуле;

3) добавочную - из паспорта прибора.

Измеренное атмосферное давление (независимо от того, велись ли наблюдения по анероиду, или же по ртутному барометру) приводят к уровню моря, исходя из того, что в нижних слоях воздуха на каждые 10 м высоты давление изменяется на 1 мм; например, если высота мостика, где расположен барометр, составляет 5 м, то к отсчитанному и исправленному всеми поправками давлению надо еще прибавить 0,5 мм.

Барограф. Прибор служит для непрерывной записи атмосферного давления. Воспринимающая часть представляет собой столбик из нескольких анероидных коробочек, расположенных одна над другой. Внутри коробочек помещены пружинки рессорного вида. При увеличении давления столбик коробочек понижается, при понижении давления коробочки распираются пружинками и высота столбика становится большей. Изменения в высоте столбика передаются стрелке прибора с пером, которое на ленте барабана записывает кривую изменения давления – «барограмму».

При смене лент на барографе на оборотной стороне ленты должны быть надписаны дата, время начала записи с точностью до минуты, наименование и место (координаты) судна. Лента и перо приводятся в точное соответствие с моментом начала записи.

Барограмма необходима для определения величины и характеристики барической тенденции (т.е. изменчивость давления во времени, обычно за три часа) – чрезвычайно важный элемент для прогноза погоды. Капитан Лухманов Д.А. выразил так:

Рис. 4.6.

Коль давленье уменьшается. Если ж выпуклостью книзу

а) За кривою наблюдай: б) На барографе пошло,

Если кверху выгибается, То погоды лишь капризы,

Свежих ветров ожидай И не будет ничего

Ну, а вот, когда давленье

Начинает возрастать,

То обратное явленье

Можно часто наблюдать:

в) Вверх кривая выгибается – г) Вниз дугою обращается -

к маловетрию, к штилям; Большей частию к ветрам.

Выразить, как меняется атмосферное давление в горизонтальном направлении, можно с помощью горизонтального барического градиента – который есть вектор Р_г, направленный по нормали к изобаре, т.е. линии равного давления, в сторону уменьшения давления, а величина вектора равна производной от давления по этому направлению.

В разных точках барического поля направление и величина барического градиента разные. Там, где изобары сгущены, изменение давления на единицу расстояния будет больше; там, где изобары расположены реже - меньше. Иначе говоря, величина горизонтального барического градиента обратно пропорциональна расстоянию между изобарами.

Вертикальный Р_в и горизонтальный Р_г барические градиенты – это составляющее полного пространственного вектора барического градиента , где N – направление нормали к изобарической поверхности.

Наличие в атмосфере горизонтального барического градиента означает, что изобарические поверхности наклонены к поверхности уровня и, пересекаясь с ней, образуют изобары. Изобарические поверхности наклонены всегда в направлении градиента, т.е. в сторону уменьшения давления, поэтому в антициклонах они имеют форму куполов, а в циклонах прогнуты от периферии к центру (рис. 4.7.).

Давление с высотой изменяется значительно быстрее, чем в горизонтальном направлении, и вертикальный барический градиент оказывается в несколько тысяч раз больше горизонтального. Но сила вертикального градиента уравновешивается противоположно направленной ему силой тяжести и поэтому не вызывает вертикальных перемещений воздуха. Сила горизонтального градиента при отсутствии движения воздуха никакими силами не уравновешивается и поэтому является основной причиной ветра.

Рис. 4.7. Вертикальный разрез через области давления:

а – высокого; б – низкого

При расчете горизонтального барического градиента по синоптическим картам, где изобары проводятся через 5 мбар, его величина рассчитывается по формуле:

,

где Dn – расстояние в градусах широты между двумя соседними изобарами в данном участке по прямой, которая возможно более близка к нормалям обеих изобар; у земной поверхности горизонтальные барические градиенты имеют порядок величины от нескольких десятков до целых миллибар на градус широты.

Давление имеет ярко выраженный годовой ход. Годовые колебания давления зависят от годового хода температуры, от широты места, характера рельефа местности и характера атмосферных движений. В отличие от суточного хода годовой ход давления наиболее резко выражен во внетропических широтах.

Различают два типа годового хода давления воздуха: морской и континентальный. В теплое время года материки нагреваются значительно быстрее, чем океаны, и над материками располагаются более теплые и менее плотные массы воздуха. В результате этого на материках летом создается давление воздуха ниже, чем над океанами. Зимой материки выхолаживаются сильнее, чем океаны, и тогда над ними располагаются более холодные и более плотные массы воздуха. Поэтому зимой над материками давление выше, чем над океанами.

Амплитуды годовых периодических колебаний давления выражаются десятками миллибар.

Ветер

Ветром называется движение воздуха в горизонтальном направлении. Ветер возникает вследствие неравномерного распределения атмосферного давления.

Чем больше барический градиент, тем больше должна быть и скорость вызванного им ветра.

Имея карту с изобарами, можно определить величину и направление барического градиента. Направление барического градиента берется перпендикулярно к изобарам от большего давления к меньшему, а величина его равна разности давления, взятой в этом направлении (т.е. в направлении, перпендикулярном изобарам) на расстоянии в 60 морских миль.

При отсутствии вращения Земли ветер дул бы по направлению барического градиента, т.е. от большего давления к меньшему, перпендикулярно к изобарам. Вследствие вращения Земли ветровые потоки дуют не по направлению градиента, а отклоняются от этого направления в северном полушарии вправо, а в южном – влево.

Направление ветра обозначается наименованием той части горизонта (румба), откуда он дует (ветер дует в компас). Так, например, ветер, дующий из северной точки горизонта в южную, называется северным, из восточной в западную – восточным и т.д. Иногда направление ветра обозначают в градусах (от 0 до 360°).

Величина скорости ветра измеряется числом метров, которые воздушная масса проходит в одну секунду. Иногда скорость ветра измеряется в узлах и, наконец, для грубых определений сила ветра оценивается по шкале Бофорта. (см. таблицу)

Шкала силы ветра

(шкала Бофорта)

Шкала силы ветра

На кораблях скорость ветра измеряется судовой метеостанцией или по ручному анемометру. Основной частью этого прибора является крестовина с полушариями. Внизу прибора имеется стопор, разъединяющий и соединяющий стрелки с осью крестовины.

Измерение скорости ветра с помощью ручного анемометра производится следующим образом.

Наблюдатель разъединяет стрелки от оси и производит первый отсчет, который записывает в журнал наблюдений. Затем становится с наветренной стороны мостика или у наветренного борта так, чтобы надстройки не искажали ветра. Поднимает прибор в вытянутой руке над головой, замечает момент по часам и передвигает стопор на «пуск». Через 100 секунд снова ставит стопор на «стоп». Делает второй отсчет, записывает его и из второго отсчета вычитает первый; разность делит на сто. По полученному частному находит скорость ветра в метрах в секунду в аттестате анемометра.

Иногда в аттестате дается множитель, на который нужно умножить частное, чтобы получить скорость ветра.

Для того чтобы определить направление ветра, ведут наблюдение у компаса не менее 2 мин. за направлением развевающегося вымпела, флага или дыма из труб судна.

Определив среднее направление ветра (откуда дует), отсчитывают по компасу, с наветренной стороны, соответствующий румб картушки. Направление ветра определяется в точностью до двух румбов, причем отмечаются только четные румбы. Найденный румб и скорость являются действительным направлением и действительной скоростью ветра, если судно стоит на месте, и кажущимися, если судно имеет ход.

Действительный (истинный) ветер вычисляют на ветрочете или графически, помня, что кажущийся ветер, измеренный на ходу судна, есть равнодействующая действительного ветра и так называемого курсового ветра при ходе судна. Задача нахождения действительного ветра сводится, таким образом, к нахождению составляющей по известной равнодействующей (вектор кажущегося ветра) и по известной другой составляющей (вектор курсового ветра).

Пример. Истинный курс N, скорость 20 узлов (10,3 м/сек). Кажущийся ветер W, 9,9 м/сек. Найти истинный ветер (скорость и направление).

Решение. (рис. 4.8.).

От точки О откладываем вектор курсового ветра ОВ (курсовой ветер по скорости равен скорости судна и имеет направление ОВ, которое показано на рис. 4.8 как направление, противоположное курсу судна). В таком же масштабе от точки О откладываем вектор кажущегося ветра ОС. От конца вектора курсового ветра к концу вектора кажущегося ветра проводим вектор ВС, который дает направление и скорость истинного ветра (от точки В к точке С).

Рис. 4.8.

Ответ: Направление истинного ветра зюйд-вест (направление ветра считается откуда дует, т.е. в картушку компаса). Скорость 14,3 м/сек (чтобы получить скорость истинного ветра, следует вектор ВС измерить в том же самом масштабе).