Текст книги "Инженерная геоэкология"

Барометр чашечный станционный с компенсированной шкалой представляет собой барометрическую трубку, запаянную с верхнего конца, с внутренним диаметром 7,2 мм и длиной около 800 мм, заполненную под вакуумом очищенной ртутью.

При измерениях следует следить за тем, чтобы положение барометра не отклонялось от вертикального.

При вычислении результатов измерений по барометрам вводятся две поправки: 1) постоянная поправка, слагающаяся из двух поправок – инструментальной и на силу тяжести; 2) поправка на приведение показаний барометра к температуре 0 °C.

Поправка на силу тяжести, определяемая в зависимости от широты и высоты места, с изменением давления меняется незначительно, поэтому ее вычисляют для данной станции по среднегодовому значению давления и, суммируя с инструментальной поправкой, получают постоянную поправку.

Принцип действия деформационных барометров основан на зависимости упругой деформации твердых тел от оказываемого на них давления. В качестве первичных преобразователей для этих барометров применяются элементы особой формы и конструкции, чувствительные к изменению давления и преобразующие его в линейное перемещение или силу (усилие). Наиболее распространенными из них являются вакуумированные мембранные коробки (барокоробки), блоки из них (бароблоки) и сильфоны, изготовляемые из стали, бронзы и их сплавов с другими металлами.

Барокоробка состоит из двух спаянных или сваренных по периметру круглых мембран, имеющих жесткие центры с крепежными ножками. Из отдельных коробок, скрепляемых между собой винтовыми соединениями ножек, собирается бароблок. Сильфон представляет собой тонкостенную гофрированную трубку, закрытую с обоих концов впаянными дисками.

Внешнее (атмосферное) давление на мембраны, направленное на сжатие коробки, уравновешивается силой упругой деформации мембран или, если они недостаточно упруги, силой дополнительной измерительной пружины. При изменении давления равновесие нарушается, мембраны (или пружина при ее наличии) деформируются до положения, при котором равновесие восстанавливается; произошедшее при этом перемещение жестких центров мембран коробки относительно друг друга служит мерой изменения атмосферного давления. Жесткие центры мембран не должны смещаться относительно друг друга, а изменения давления на мембраны компенсируются соответствующим изменением натяжения измерительной пружины, связанной с жесткими центрами мембран.

В наиболее широко применяемых деформационных барометрах-анероидах в качестве первичных преобразователей используются барокоробки и бароблоки. Бароблок (или барокоробка) крепится одной из свободных ножек к основанию анероида. На этом же основании монтируется его вторичный преобразователь, который связывается со второй свободной ножкой бароблока. В анероидах, основанных на принципе измерения деформации (линейного перемещения жестких центров), в качестве вторичного преобразователя применяется передаточно-множительный механизм, который преобразует малые перемещения свободного жесткого центра относительно основания в достаточно большие угловые перемещения стрелки анероида.

1.9. Воздушные течения в атмосфере

Ветер, т. е. движение воздуха относительно земной поверхности, возникает вследствие неодинаковости атмосферного давления в разных точках атмосферы. Так как давление меняется по вертикали и по горизонтали, то воздух обычно движется под некоторым углом к земной поверхности. Вертикальная составляющая ветра обычно значительно меньше горизонтальной и становится заметной только при сильной конвекции или при наличии орографических препятствий, когда воздух вынужден подниматься или стекать по склонам возвышенностей.

Ветер характеризуется скоростью и направлением. Направление ветра определяется той точкой горизонта, откуда ветер дует. Для обозначения направления ветра в метеорологии используются 16 точек горизонта, называемых румбами, а иногда азимут той точки, откуда дует ветер.

Румбы (и азимуты) выражаются в угловых градусах. При этом отсчет градусов ведется от севера через восток, так что северному направлению соответствует 0°, восточному – 90°, южному – 180°, западному – 270°.

Скорость ветра выражается в метрах в секунду (м/с), а в некоторых случаях – в километрах в час (км/ч). Для визуальной оценки скорости ветра на практике пользуются баллами по шкале.

Ветры над обширными пространствами, охватывающие также большую или меньшую толщу атмосферы, образуют воздушные течения. Воздушные течения – это целые системы ветров, обладающие некоторой устойчивостью во времени. Распределение воздушных течений над земной поверхностью, т. е. поле воздушных течений, можно характеризовать либо векторами (стрелками), указывающими направление и скорость ветра в разных точках, либо линиями тока. Линией тока называется линия, во всех точках которой касательная совпадает с направлением ветра в данный момент. На рис. 1.7 изображены линии тока ветра в циклоне.

Рис. 1.7. Изобары (1) и линии тока (2) в нижних слоях циклона (а) и антициклона (б)

Поле ветра с течением времени изменяется. Поэтому изменяется и расположение линий тока. При сужении сечения воздушного потока скорость его обычно увеличивается и линии тока сближаются. При расширении сечения воздушного потока скорость его уменьшается, а линии тока расходятся.

Скорость и направление ветра характеризуют общее движение воздушного потока как целого. Но в движущемся воздухе вследствие трения о земную поверхность, а также неравномерного ее нагревания всегда имеет место турбулентность.

Отдельные струи, объемы и порции воздуха движутся беспорядочно, по всевозможным направлениям и с различными скоростями. Поэтому в каждой точке пространства происходят быстрые изменения как скорости, так и направления ветра. Движение воздуха в каждой точке складывается из отдельных толчков, или порывов, внезапных усилений и ослаблений ветра, непрерывно следующих друг за другом. Такой характер движения воздуха называют порывистостью ветра. Обычно под скоростью ветра подразумевается сглаженная скорость, т. е. средняя за тот или иной небольшой промежуток времени, в течение которого производится ее измерение. Линии тока отдельных объемов воздуха, быстро меняющиеся во времени, называются мгновенными.

Для наблюдений за порывистостью ветра необходимы малоинерционные приборы, способные реагировать на быстрые изменения скорости и направления ветра. Измерения показывают, что элементарные порывы, т. е. скачкообразные увеличения и уменьшения скорости, в среднем составляют 3 м/с, а продолжительность их – десятые доли секунды.

Порывистость ветра зависит от его скорости: чем больше скорость, тем больше и порывистость. Но при очень больших скоростях порывистость меняется мало. Порывистость зависит также от термической стратификации. В устойчивых массах ветер более ровный, а в неустойчивых порывистость его возрастает. Поэтому порывистость имеет хорошо выраженный суточный и годовой ход. В суточном ходе она увеличивается при усилении конвекции, т. е. в дневные часы. Максимум порывистости наблюдается в послеполуденное время, а минимум – ночью.

В годовом ходе максимум порывистости имеет место весной, а минимум – зимой. Наступление максимума весной, а не летом вызвано тем, что весной деятельная поверхность более разнообразна, чем летом. Это вызывает усиление турбулентности, а следовательно, и порывистости ветра в приземном слое атмосферы. Порывистость увеличивается над участками с большой шероховатостью: над пересеченной местностью, над отдельными холмами, над лесом и т. п., что также объясняется усилением турбулентности над такими участками. По мере поднятия над земной поверхностью порывистость ветра уменьшается. Но все же она остается заметной до высоты 2–3 км. Относительно более ровные потоки воздуха, без порывов, отмечаются при инверсиях. В то же время под слоем инверсии часто наблюдается усиление порывистости.

При сильной неустойчивости атмосферы, когда образуются кучево-дождевые облака большой вертикальной протяженности, в облаке и под ним возникает вихревое движение воздуха с горизонтальной осью, в которое вовлекается воздух из окружающего пространства. Такой горизонтальный вихрь создает при приближении кучево-дождевого облака очень сильные порывы ветра. Резкое кратковременное усиление ветра на ограниченной территории, обычно наблюдающееся под передней частью кучево-дождевого облака, называется шквалом. Скорость ветра при шквале увеличивается до 30 м/с и более, а продолжительность шквала достигает нескольких минут. Иногда шквалы следуют друг за другом с небольшими перерывами.

Неровности земной поверхности и наземные предметы создают в воздушном потоке различные возмущения. При встрече со строениями, отдельными деревьями, лесными массивами, холмами, горами и т. п. воздушный поток вынужден перетекать их сверху или обтекать с боков. При этом значительно изменяются направление и скорость ветра, а также его структура: вблизи препятствия возникают завихрения, усиливается турбулентность. Изменения воздушного потока при встрече с препятствиями зависят от размеров, формы и расположения препятствий, от скорости ветра и состояния атмосферы.

Если препятствие имеет большую горизонтальную протяженность (лес, горный хребет, ряд холмов или строений), то с его наветренной стороны возникает вихрь с параллельной препятствию горизонтальной осью, создающий у земной поверхности движение воздуха в сторону от препятствия.

Еще до встречи с таким препятствием воздух уже начинает подниматься и затем перетекает препятствие, где линии тока сближаются, вследствие чего скорость ветра над препятствием увеличивается. На подветренной стороне линии тока постепенно опускаются и лишь на более или менее значительном расстоянии за препятствием достигают земной поверхности. Непосредственно за препятствием создается «ветровая тень», т. е. область, внутри которой скорость ветра уменьшена. Здесь также возникает вихрь с горизонтальной осью, так как с увеличением скорости над препятствием происходит подсасывание воздуха, находящегося за препятствием.

Вихри на наветренной стороне препятствия обычно малоподвижны, на подветренной же стороне большей частью возникают движущиеся вихри, которые относятся потоком воздуха в сторону и затухают, а на смену им вблизи препятствия зарождаются новые вихри. Возмущающее влияние препятствия сказывается с той и другой его стороны на расстоянии, примерно в 10–20 раз большем, чем высота самого препятствия.

При встрече с отдельными предметами (холмами, постройками) воздушный поток огибает их, и скорость ветра с боков препятствий увеличивается, а за ними возникают вихри с вертикальной осью. Если воздушный поток протекает через узкий проход между двумя холмами или через невысокий горный перевал, то сечение воздушного потока уменьшается, линии тока сближаются и возникают сильные ветры (20–25 м/с) при сравнительно слабых ветрах на соседних участках.

Если ветер дует вдоль долин и ущелий, то воздушный поток свободно перемещается по их оси. Если же направление ветра перпендикулярно оси долины или другой впадины, то движение воздуха в ней ослаблено. На дне долины воздух находится в более спокойном состоянии, чем над долиной. В результате верхний поток подсасывает воздух и заставляет его постепенно вытекать из долины вверх, в область верхнего потока. При этом в долине возникает вихрь с горизонтальной осью.

Влияние леса на воздушные течения двоякое. Во-первых, лес замедляет поток воздуха у земной поверхности. На расстоянии около 50 м перед лесом скорость ветра начинает уменьшаться и становится равной нулю внутри леса, если он густой. Позади леса, на расстоянии от 100 до 500 м, также отмечается ослабление ветра. Во-вторых, в зависимости от густоты леса большая или меньшая часть воздушного потока поднимается и протекает над лесом, а другая его часть проходит сквозь лес. Над лесом скорость и порывистость ветра увеличиваются. Это заметно до высоты 200–300 м. Внутри леса наблюдается слабый ветер или затишье. Благодаря ослабляющему действию леса на воздушные потоки, большое значение в борьбе со сдуванием почвы, с пыльными бурями и снежными заносами приобретают ветрозащитные лесные полосы.

Сила, приводящая в движение воздух, возникает при наличии разности давлений в двух точках пространства. Разность давлений по горизонтали характеризуется горизонтальным градиентом давления. Отсюда эта сила называется градиентной силой.

Как правило, антициклоны отличаются малыми градиентами и слабыми ветрами, особенно в центральных областях. В циклонах же наблюдаются значительно большие градиенты, а ветер иногда достигает ураганной силы, например в тропических циклонах.

При круговых изобарах движение тоже будет криволинейным и к силам, действующим на движущийся воздух, прибавится центробежная сила. При стационарном движении ветра градиентная сила уравновешивается суммой сил (трения, отклоняющей и центробежной). Центробежная сила действует в сторону, противоположную отклоняющей силе. Равнодействующая этих сил направлена противоположно градиентной силе и равна ей по величине.

В приземном слое минимум скорости ветра наблюдается ночью. После восхода Солнца он усиливается и происходит небольшое его вращение по часовой стрелке. После полудня скорость ветра достигает максимума. Затем он постепенно ослабевает и поворачивает обратно, возвращаясь к исходному направлению. Такой суточный ход ветра отмечается летом до высоты 100–300 м, а зимой – до высоты 20–30 м.

В вышележащих слоях наблюдается обратный суточный ход скорости ветра, т. е. максимум скорости отмечается ночью. После восхода Солнца ветер начинает уменьшаться и медленно поворачивает влево. В послеполуденные часы скорость уменьшается до минимума, после чего ветер снова усиливается и поворачивает вправо, принимая первоначальную скорость и направление. Высота, на которой один тип суточного хода ветра сменяется другим, называется высотой обращения ветра.

Амплитуда суточного изменения скорости ветра составляет 3–5 м/с. Летом она больше, чем зимой, а в ясные дни больше, чем в пасмурные.

Причиной суточного хода ветра является суточное изменение интенсивности турбулентного перемешивания. Ночью в приземном слое атмосферы, как правило, наблюдается инверсия, конвекция отсутствует и турбулентное перемешивание очень ослаблено. Самый нижний слой атмосферы из-за трения о подстилающую поверхность движется очень медленно, а иногда наблюдается и полное отсутствие его движения. В более высоких слоях ветер не испытывает тормозящего влияния поверхности. С восходом Солнца увеличивается термическая неустойчивость, усиливается турбулентность, а тем самым и взаимодействие между нижними, медленно движущимися, и более высокими, быстро движущимися слоями. Это приводит к выравниванию свойств, в том числе скорости и направления ветра, на разных высотах. В результате перемешивания сверху вниз приходит воздух, движущийся с большей скоростью и имеющий большее отклонение от направления барического градиента. Поэтому внизу ветер усиливается и поворачивает вправо. В то же время снизу вверх приходит воздух, медленно движущийся в направлении, почти совпадающем с направлением барического градиента. Поэтому в верхней части пограничного слоя происходит уменьшение скорости ветра и вращение его влево. В 13–14 часов в нижних слоях скорость ветра достигает максимума, а в более высоких – минимума. По мере ослабления турбулентности взаимодействие между нижними и более высокими слоями уменьшается и ночью почти прекращается. В результате этого скорость ветра в нижних слоях под влиянием внешнего трения ночью уменьшается, а в более высоких слоях, уже свободных от влияния земной поверхности, увеличивается до значения, равного скорости градиентного ветра.

В умеренных и полярных широтах Северного полушария наибольшая скорость ветра наблюдается зимой, когда разность температур между этими широтами наиболее велика и соответственно велика разность давлений. К лету с уменьшением контраста температур и, следовательно, градиентов давления ветер ослабевает.

Поскольку в теплом воздухе изобарические поверхности располагаются на больших расстояниях друг от друга, чем в холодном, возникает замкнутая циркуляция воздуха.

Циркуляция воздуха возникает в результате охлаждения какого-либо отдельного участка земной поверхности: над ним развивается нисходящее движение воздуха, а над соседними, не охладившимися, участками – восходящее. Внизу воздух будет перетекать с холодного участка на теплый, а наверху – в обратном направлении.

Циркуляция, подобная описанной выше, возникает вследствие различного нагревания разных участков земной поверхности. Воздушные течения, возникающие при этом у земной поверхности, характерны только для определенных географических районов и потому называются местными ветрами. К местным ветрам термического происхождения относятся бризы, горно-долинные и ледниковые ветры.

Бризами называются ветры, возникающие возле береговой линии морей и других крупных водоемов и имеющие отчетливо выраженную суточную смену направления. Днем ветер дует с моря на сушу (морской бриз), а ночью – с суши на море (береговой бриз). Причиной бризов является разность температур воздуха над морем и над сушей, вследствие которой и возникает замкнутая термическая циркуляция воздуха.

Бризовая циркуляция хорошо выражена при больших контрастах температур между водоемом и сушей и при отсутствии более обширного и мощного общего переноса воздуха, который, накладываясь на бриз, маскирует его. Такие условия выполняются в ясную погоду в тропических широтах, например, на побережьях морей, граничащих с пустынями, где особенно велики разности температур суши и моря. Хорошо развитые бризы наблюдаются в теплое время года на берегах морей. При благоприятных условиях бризы наблюдаются также на побережьях крупных озер (таких, как Севан, Ладожское и др.) и широких рек (например, в низовьях Волги). Но эти бризы имеют значительно меньшие скорости и охватывают меньшее пространство. Известны бризовые циркуляции между полем и лесом, полем и болотом, но они еще слабее.

Морские бризы оказывают заметное влияние на условия погоды в прибрежной полосе суши: понижают температуру и повышают относительную и абсолютную влажность воздуха, нарушают обычный ветровой режим, влияют на характер облачности и т. д.

Местные ветры могут возникать не только в форме термической циркуляции, но и вследствие механического возмущения воздушных течений рельефом местности. Так, при перетекании воздушных потоков через горные препятствия на подветренных склонах возникают нисходящие ветры, которые у подножия препятствий в одних случаях вызывают повышение температуры (фён), а в других ее понижение (бора). Фён – теплый, сухой и порывистый ветер, дующий с гор в долины. Фён образуется при перетекании воздуха через хребты, расположенные перпендикулярно воздушному потоку. На наветренной стороне хребта возникает восходящее движение воздуха, а на подветренных склонах – нисходящий ветер, т. е. фён. Воздух, опускающийся по подветренному склону, нагревается, содержащийся в нем водяной пар увеличивает свою концентрацию до состояния насыщения, и воздух приходит в долину с более высокой температурой и более низкой относительной влажностью, чем температура и влажность воздуха, ранее занимавшего эту долину. Чем больше высота, с которой опускается воздух, тем выше температура фёна.

Роза ветров

Скоростью ветра называют горизонтальную составляющую скорости перемещения воздуха относительно неподвижной точки земной поверхности. Скорость ветра является вектором и характеризуется числовым значением и направлением. В метеорологии, однако, скоростью ветра принято называть числовое значение скорости. На метеорологических станциях скорость и направление ветра измеряют раздельно двумя разными (независимо действующими) приборами.

Направлением ветра принято считать азимут точки, откуда ветер дует. Направление ветра измеряют в угловых градусах или румбах горизонта.

Скорость и направление ветра меняются непрерывно. Характер изменчивости скорости и направления ветра зависит от метеорологических условий и характера местности. Мгновенные значения скорости и направления являются неустойчивыми характеристиками ветра. Они непрерывно колеблются около средних значений, устойчивых в течение достаточно большого отрезка времени.

Скорость ветра принято усреднять в десятиминутном интервале времени (иногда – в двухминутном). Для направления ветра достаточен интервал усреднения, равный 2 мин (1–3 мин). Кроме этого, определяется изменчивость скорости и направления ветра во времени (порывистость ветра). Порывистость оценивается качественно по степени изменчивости мгновенных значений скорости и направления ветра. Мгновенной скоростью принято считать скорость, усредняемую вследствие инерционности измерительного прибора за интервал 2–5 с. Порывистость ветра характеризуется также максимальными значениями мгновенной скорости. Скорость и направление ветра на метеорологических станциях измеряют на высоте 10–12 м от поверхности Земли. Направление ветра в градусах принято отсчитывать, начиная с севера по часовой стрелке.

Направление ветра в румбах горизонта определяют по 16-румбовой системе. Для обозначения румбов используются начальные буквы названий стран света: север (С), юг (Ю), восток (В) и запад (З). Иногда используют латинские буквы N, S, W, Е. При обозначении промежуточных румбов называют оба румба, между которыми находится данное направление ветра, причем первым по порядку называют основной румб.

Основных румбов два: север (С) и юг (Ю). Таким образом, если направление ветра находится между югом и западом, то оно обозначается ЮЗ и называется юго-западным. Если направление ветра приходится посредине между ЮЗ и Ю, то его обозначают ЮЮЗ, в первую очередь указывая основной румб – Ю, а затем производный – ЮЗ. Для Москвы, например, наиболее характерно юго-западное направление ветра (поэтому ее Юго– Восточный административный округ загрязнен в наибольшей степени).

Приборы и средства измерения параметров ветра

Приборы, служащие для измерения скорости ветра, называются анемометрами. Приборы, измеряющие и записывающие скорость и направление ветра, называются анеморумбографами. Приборы, регистрирующие скорость ветра, называются анемографами.

Первичным преобразователем направления ветра является флюгарка (флюгер), которая представляет собой жесткую асимметричную (относительно вертикальной оси) систему из пластин и противовеса, свободно вращающуюся вокруг вертикальной оси. Под воздействием ветра флюгарка устанавливается в плоскости ветра противовесом навстречу ветру (указывая, откуда ветер дует). Большинство флюгарок имеет две лопасти, расположенные под углом друг к другу, что создает им устойчивость в воздушном потоке и повышает их чувствительность, а это особенно важно при небольших скоростях ветра.

Установка флюгера на метеорологической станции в значительной мере определяет качество получаемых с его помощью данных. Неправильная ориентация прибора приводит к систематической ошибке в определении направления ветра, неправильный наклон прибора – к систематическим ошибкам по скорости, зависящим от направления, и т. д. Поэтому установка флюгера должна производиться строго по правилам. Правила установки флюгера в основном применимы и для датчиков станционных анеморумбографов, и для датчиков ветра наземных дистанционных и автоматических станций. Флюгер устанавливают на таком уровне, чтобы воздушный поток не экранировался окружающими предметами и не искажался ими. На метеорологической площадке его устанавливают на мачте высотой 10–12 м над поверхностью земли.

Шкалу направлений ветра следует ориентировать по странам света (С, Ю, В, З). Для этого штифт с буквой С (или N) устанавливают на астрономический север, который находят по полуденной линии или с помощью магнитного компаса.

Полуденную линию находят по тени от оси флюгера в истинный полдень и отмечают ее несколькими колышками, установленными вдоль тени, или шнуром, натянутым на двух колышках. Для определения линии меридиана с помощью компаса надо знать угол магнитного склонения в районе метеорологической станции. Анемометр следует устанавливать вертикально, плоской поверхностью корпуса параллельно направлению ветра (в таком положении анемометр поверяется), шкальной стороной к наблюдателю. Показания всех трех стрелок прибора записывают. Через 20–30 с вращения чашек без включенного счетчика одновременно включают счетчик и секундомер и через заданное время (обычно 10 мин) выключают и записывают новые показания анемометра. Разность показаний счетчика делят на число секунд, определяя среднее число делений в секунду. Среднюю скорость в метрах в секунду находят по градуировочной шкале или таблице, имеющейся в поверочном свидетельстве каждого анемометра.

Анемометр ручной индукционный (АРИ) позволяет измерять среднюю (за 3–6 с) скорость ветра в пределах от 2 до 30 м/с.

Первичным преобразователем в этом анемометре служит трехчашечная вертушка, посаженная на общую с магнитным тахометром ось. Анемометр собран в составном корпусе, в верхней части которого на подшипниках установлена ось. На верхнем конце оси укреплена трехчашечная вертушка, а на нижнем конце – вторичный преобразователь, представляющий собой магнитный тахометр.