Термометры метеорологические
В прошлой статье Вы познакомились с работой метеорологических станций. Далее речь пойдет о средствах, с помощью которых ведутся наблюдения за погодой.
В этом параграфе мы рассмотрим один из основных приборов, который используется на всех типах метеостанций и метеопостов. Кроме того, этот прибор есть в каждом доме. Как Вы уже, наверное, догадались, речь пойдет о термометрах.
На сегодняшний день существует множество разновидностей термометров. Они различаются по механизму и диапазону измерения температуры, строению, рабочим жидкостям, областям применение и др. Но, пожалуй, самыми распространенными являются жидкостные термометры. Они измеряют температуру, как воздуха, так и почвы (снега). Кроме того, с помощью них измеряют влажность воздуха и его характеристики (парциальное давление водяного пара, дефицит насыщения, температуру точки росы). Но обо всем по порядку.
Первый прибор, отдаленно напоминающий термометр, был изобретен Галилеем в 1597 году и носил название термоскоп. Однако с помощью него можно было судить только о степени нагретости тел, но не измерять температуру количественно. Это стало возможно лишь в 1657, когда флорентийские ученые модернизировали прибор Галилея, добавив в него шкалу и резервуар с жидкостью. В те времена в качестве жидкостей использовали разные вещества: от простой воды до разных видов алкоголя.
Принцип работы термометра основан на свойстве жидкости изменять свой объём под влиянием нагревания или охлаждения. В современных термометрах основными рабочими жидкостями являются спирт и ртуть. Из-за разных свойств их используют при различных диапазонах температур. Так, спиртовые термометры лучше работают при низких температурах, а ртутные – при высоких.
Все термометры имеют небольшую задержку (инерцию). Иначе говоря, если моментально понизить или повысить температуру воздуха на несколько градусов, то термометр не сразу покажет это изменение. Это как с температурой вашего тела: когда вы измеряете её, вы вынуждены ждать несколько минут для получения результата.
Термометр ТМ-4
Для измерения температуры воздуха на метеостанциях и постах применяется метеорологический психрометрический термометр, имеющий маркировку ТМ-4. Его конструкция сравнительно проста: в защитной стеклянной оболочке находятся резервуар с ртутью, из которого выводится капилляр, прикрепленный к шкале. Как правило шкалы имеют цену деления равную 0,2°С. Отличительной особенностью ТМ-4 является резервуар шарообразной формы. Верхний предел измеряемой температуры колеблется от +41°С до +50°С, а нижний - от -31°С до -35°С.
Термометр ТМ-4 не зря имеет прибавку «психрометрический». С его помощью можно измерять влажность воздуха. Как же это сделать? – Все просто. Необходимо взять два одинаковых термометра ТМ-4 (это нужно для более точных измерений): один из них обернуть батистом (специальной тканью), который перед измерениями будет смачиваться дистиллированной водой. Таким образом, получаем так называемые сухой и смоченный термометры, которые называются психрометрической парой или станционным психрометром.
Принцип действия психрометра основан на измерении равновесной температуры смоченного термометра. То есть такой температуры, при которой тепло, затрачиваемое на испарение воды с поверхности резервуара смоченного термометра, равно притоку тепла к резервуару из воздуха и по телу термометра. Для каждого значения влажности она своя.
Само значение влажности и ее характеристики можно вычислять по формулам, или воспользоваться готовыми результатами расчета, используя показания сухого и смоченного термометров. Они все сведены в сборник, называемый «Психрометрические таблицы».
Минимальный термометр ТМ-2
Предназначен для измерения минимальной температуры воздуха и почвы между сроками наблюдений. Диапазон измеряемых температур находится в пределах от -70 до +40°С.
Это спиртовой термометр, в капилляре которого в столбике спирта находится стеклянный штифт с головками на концах. По положению штифта и определяется минимальная температура между сроками. Минимальный термометр ТМ-2 при измерении устанавливается горизонтально, а конец штифта (головка) подводится к краю спирта в капилляре. При исправном состоянии термометра штифт не должен выходить из спирта. При понижении температуры столбик укорачивается, поверхностная пленка спирта приходит в соприкосновение с головкой штифта и увлекает его в сторону уменьшения показаний. Когда же вследствие повышения температуры столбик спирта удлиняется, штифт остается на месте. Следовательно, при горизонтальном положении термометра тот конец штифта, который находится ближе к поверхности столбика спирта, показывает самую низкую температуру со времени последней установки штифта.
Максимальный термометр ТМ-1
Измеряет максимальную температуру от -35 до +70°С между сроками. Способность измерять максимальную температуру обусловлена особенностью строения резервуара термометра. В его дно впаян узкий конический стеклянный штифт. Конец штифта входит в начало капилляра, сужая его поперечное сечении, что затрудняет в этом месте свободный проход ртути при изменении температуры.
При повышении температуры ртуть вытесняется в капилляр с достаточным для преодоления этого сужения усилием. При понижении же температуры сил внутреннего сцепления ртути недостаточно для преодоления повышенного трения в месте сужения отверстия капилляра, ртутный столбик мгновенно разрывается на две части — одна быстро уходит в резервуар, а вторая часть остается в капилляре, заполняя его от деления, при котором началось понижение температуры, до места обрыва. Таким образом, максимальный термометр фиксирует наибольшее значение температуры между сроками наблюдений. Для того чтобы оторвавшийся столбик ртути соединить с той частью, которая находится в резервуаре, термометр следует энергично встряхнуть, держа его в руке резервуаром вниз.
Градусник, который мы все знаем и используем для измерения температуры тела, также является максимальным. Для измерения температуры тела мы сначала встряхиваем его и только потом применяем.
Измерение температуры почвы
Для агрометеорологов важно знать не только температуру на поверхности почвы, но и на глубине. Одним из средств, для измерения «глубинной температуры» являются коленчатые термометры Савинова. Они представляют собой комплект из четырех стеклянных ртутных термометров с цилиндрическими резервуарами, концы которых округлены. От всех термометров их отличает наличие изгиба, отстоящем от резервуара на 2 – 3 см. Величина изгиба равна 135°. Это позволяет устанавливать термометры в почве так, чтобы резервуар и часть термометра до изгиба находились в горизонтальном положении под слоем почвы, а часть термометра со шкалой располагалась над почвой. Каждый термометр имеет шкалу только в той части термометра, которая располагается над почвой и доступна для отсчетов. Ниже шкалы оболочка термометра заполнена ватой и сургучными прослойками. Данными термометрами измеряется температура почвы на глубинах 5, 10, 15 и 20 см.
Пожалуй, самым громоздким средством измерения температуры являются вытяжные почвенно-глубинные термометры. Они измеряют температуру почвы на глубинах 0.2, 0.4, 0.8, 1.2, 1.6, 2.4 и 3.2 м.
Сам по себе термометр практически ни чем не отличается от обычных: стеклянный ртутный термометр с цилиндрическим резервуаром и стеклянной шкалой. Он помещается в специальную оправу с металлическим наконечником. Для лучшего теплового контакта пространство между резервуаром термометра и стенками металлического наконечника заполняется медными или латунными опилками.
Большую часть установки занимает деревянный стержень, к которому крепится термометр в оправе. На другом конце стержня закреплен металлический колпачок с кольцом. Внутри колпачка имеется фетровая (или войлочная) кольцевая прокладка. Для уменьшения обмена воздуха внутри трубы на стержне также укрепляются плотные фетровые (войлочные) кольца.
Чтобы было возможно измерять температуру, предварительно вкапывают эбонитовую или винифлексовую трубу на нужную глубину. Затем вставляют в нее стержень с термометром. Наконечник оправы касается нижнего конца трубы, а колпачок, плотно закрывает верхний срез трубы. В срок наблюдения наблюдатель вытягивает термометр из трубы и снимает показания. Отсюда и название: вытяжные термометры.