1

Laboratorium z Hydrauliki i Hydrologii – Kierunek Budownictwo inż – sem. V
Politechnika Gdańska
Katedra Hydrotechniki
WILIŚ

Ćwiczenie 1

Pomiary i analiza wybranych elementów

meteorologicznych (ME)

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie pomiarów elementów meteorologicznych oraz

przygotowanie wyników pod kątem ich wykorzystania przy projektowaniu i budowie

konstrukcji inżynierskich. Do najważniejszych elementów meteorologicznych należą

temperatura powietrza oraz opad atmosferyczny. Równie ważne są pomiary ciśnienia,

wilgotności względnej oraz parametrów związanych z promieniowaniem słonecznym.

Znajomość elementów meteorologicznych czyli stanu pogody w długim okresie czasu

pozwala na uzyskanie danych wyjściowych do projektowania infrastruktury inżynierii wodnej

i lądowej.

2. Zawartość sprawozdania

Sprawozdanie należy przygotować w załączonym formularzu – proszę wypełnić ręcznie::

1.

Krótki opis ogródka meteorologicznego

2.

Zestawienie pomierzonych elementów meteorologicznych

3.

Przeliczenie pomierzonych wartości w różnych skalach

4.

Analiza danych dla wybranego dnia z automatycznych stacji meteorologicznych
Politechniki Gdańskiej z dnia ………………………………………..

5.

Obliczenia wielkości opisujących aktualną wilgotność powietrza na podstawie
wskazań temperatury termometru suchego – t

s

i temperatury termometru wilgotnego –

t

w

. Student oblicza wartości temperatur na podstawie wzorów, w których N oznacza

średnią liczbę naturalną liter w nazwiskach studentów, zaś I średnią liczbę naturalną
liter w imieniu studenta..

t

s

=N,I

t

w

=t

s

-(I+N)/6

6.

Podsumowanie i wnioski

2

Opis ogródka meteorologicznego (proszę schematycznie narysować ogródek
meteorologiczny z uwzględnieniem kierunków geograficznych i ustawienia przyrządów oraz
przedstawić schematycznie rozmieszczenie przyrządów w klatce meteorologicznej wraz z
podstawową zasadą działania)

3

Zestawienie pomierzonych elementów meteorologicznych:

Data pomiaru: ……………. Godzina pomiaru: ……………… Zachmurzenie: ………….

poletko gruntowe:

warto

ść

pomierzona (jednostka)

termometr minimalny przy pow. gruntu:

..............................................................................

termometry gruntowe:

5 cm:

.............................................................................

10 cm:

.............................................................................

20 cm:

.............................................................................

50 cm:

.............................................................................

klatka meteorologiczna:

termometr maksymalny:

...............................................................................

termometr minimalny:

................................................................................

psychrometr Augusta:

termometr suchy:

................................................................................

termometr zwilżony:

.........................................

termograf:

................................................................................

higrograf:

................................................................................

pomieszczenie wewn

ą

trz budynku:

ciśnienie atmosferyczne:

barometr rtęciowy (h = 19m. n.p.m.):..............................................................................

odczyty z automatycznej stacji meteorologicznej Politechniki Gdańskiej odpowiadające

czasowi pomiarów www.meteo.pg.gda.pl

temperatura powietrza: ……………………………………………………………………
temperatura minimalna (w ciągu doby):

............................. godzina: ...................................

temperatura maksymalna w ciągu doby): ............................. godzina: ...................................
Wilgotność względna..............................................................................
Ciśnienie atmosferyczne.........................................................................
temperatura punktu rosy

..............................................................................

opad atm. …………………………………………….
Natężenie opadu atm. (maks. dobowe) ……….…mm/h…………………mm/min godzina…...
odczyty z automatycznej stacji meteorologicznej PG- Jelitkowo odpowiadające czasowi

pomiarów www.meteo.pg.gda.pl/morze

temperatura powietrza: ……………………………………………………………………
temperatura minimalna (w ciągu doby):

............................. godzina: ...................................

temperatura maksymalna w ciągu doby): ............................. godzina: ...................................
Wilgotność względna: ..............................................................................
Ciśnienie atmosferyczne: .........................................................................
temperatura punktu rosy:

..............................................................................

indeks UV: ..............................................................................
promieniowanie słoneczne …………………………………………..
opad atm. …………………………………………….
Natężenie opadu atm. (maks.dobowe) ……….…mm/h………………mm/min godzina…...

4

Zestawienie aktualnej temperatury powietrza w skalach

0

C,

0

F, K

- termometr suchy

……………..

…………….

……………

- temperatura Gdańsk – PG

……………..

…………….

……………

- temperatura Gdańsk Jelitkowo

……………..

…………….

……………

Zestawienie aktualnego ciśnienia powietrza w skalach
mmHg, mmH

2

O, hPa, Pa, at, atm, bar

- barometr rtęciowy (ciśnienie zredukowane)

….... …....

….... ….... ……. ….... …....

- ciśnienie Gdańsk PG

….... …....

….... ….... ……. ….... …....

- ciśnienie Gdańsk Jelitkowo

….... …....

….... ….... ……. ….... …....

Przykładowe obliczenia (przeliczenia temperatury, redukcja ciśnienia barometru
rtęciowego do poziomu morza, wielkości wilgotności):

5

Analiza danych dla wybranego dnia (zadanego przez prowadzącego ćwiczenia) z
automatycznych stacji meteorologicznych Politechniki Gdańskiej (na wykresach
przedstawić porównanie temperatury powietrza, wilgotności względnej dla dwóch stacji
automatycznych (stacja PG i stacja w Gdańsku Jelitkowie), na wykresie przedstawić
zależność zmian indeksu UV i promieniowania słonecznego dla stacji Gdańsk Jelitkowo.

6

Podsumowanie i wnioski

7

Gąsiorowski D., Szpakowski W., materiały pomocnicze: „Podstawy pomiarów

meteorologicznych”

Inżynier

wielokrotnie

wykorzystuje

wyniki

obserwacji

pomiarów

elementów

meteorologicznych. Niezwykle ważne jest określenie wpływu wiatru i temperatury na

konstrukcje inżynierskie. Od temperatury powietrza na przykład jest uzależnione stosowanie

mieszanek betonowych. Temperatura powietrza wraz z promieniowaniem słonecznym

wpływa na odkształcenia budowli. W momencie pojawiania się przygruntowych

przymrozków zawieszane są prace przy formowaniu dywaników asfaltowych. W zależności

od strefy klimatycznej przy projektowaniu przyjmuje się odpowiednią grubość pokrywy

śnieżnej na dachach budowli oraz głębokość przemarzania gruntu.

Część danych meteorologicznych wynika z chwilowych stanów pogody (np. porywy wiatru)

występujących

w

momencie

zarejestrowania

wyników

pomiarów

i

obserwacji

meteorologicznych. Natomiast, przy wykorzystaniu analizy statystycznej, na podstawie

wieloletnich obserwacji pogody w danym obszarze określa się jej średnie warunki

meteorologiczne, czyli klimat. Zdefiniować go można, jako układ, charakterystycznych dla

danego rejonu, stanów pogody w okresie wieloletnim. Klimat jest wynikiem współdziałania

promieniowania słonecznego, cyrkulacji atmosfery, obiegu wody i innych czynników

meteorologicznych i geograficznych. Przy charakterystyce klimatu wykorzystuje się wyniki

pomiarów i obserwacji meteorologicznych z co najmniej 10 lat obserwacji. Znajomość

klimatu pozwala na przykład na opracowanie harmonogramu prac i zarządzania budową.

1.1 Pomiary Temperatury

Temperatura, jest to miara średniej energii kinetycznej cząsteczek (ruchu i drgań). Określa

ona stopień nagrzania danego ciała, czyli przedstawia ocenę stanu cieplnego badanego

ośrodka. Precyzyjna definicja temperatury możliwa jest tylko dla stanu równowagi

termodynamicznej. Występuje ona przede wszystkim, kiedy temperatura ciała jest stabilna,

lub też w momencie wyrównania temperatury pomiędzy dwoma ciałami (np. termometr i

medium mierzone). Istnieje wiele ubocznych czynników mogących naruszyć równowagę

termodynamiczną. Do najważniejszych z nich należy promieniowanie słoneczne,

promieniowanie cieplne innych obiektów. Pomiary temperatury należą do pomiarów

8

pośrednich, gdyż polegają na pomiarze zmian fizycznych właściwości, znajdującego się w

termometrze, ciała termometrycznego.

Do celów pomiarów praktycznych, niezbędna jest znajomość używanych obecnie skal

temperatur: Kelvina, Celsjusza oraz Fahrenheita (Tabela 1). W tabeli 2 porównano natomiast

charakterystyczne wartości temperatur w skalach opracowanych w historii pomiarów.

Pogrubieniem oznaczono punkty charakterystyczne opisane przez twórców skal. Czasami

wyznaczony punkt charakterystyczny ulegał zmianie w wyniku dokładniejszych badań. Na

przykład w przypadku skali Newtona pierwotnie przyjęta temperatura ludzkiego ciała

wynosiła 12

0

N ale ostatecznie została skorygowana. Warto wiedzieć, że pierwotnie Celsjusz

temperaturze topnienia lodu przyporządkował wartość 100°C, zaś temperaturze wrzenia wody

0°C. Obecna skala Celsjusza jest odwrócona.

Tabela 1. Przeliczenia pomiędzy obowiązującymi skalami temperatury

skala

jednostka symbol

Kelvina

Celsjusza

Fahrenheita

Kelvina

K

T

1

15

,

273

+

=

t

T

(

)

8

,

1

/

67

,

459

+

=

F

t

T

Celcjusza

0

C

t

15

,

273

−

=

T

t

1

(

)

8

,

1

/

32

−

=

F

t

t

Fahrenheita

0

F

t

F

67

,

459

8

,

1

−

⋅

=

T

t

F

32

8

,

1

+

⋅

=

t

t

F

1

Tabela 2. Porównanie charakterystycznych temperatur w różnych skalach (na podstawie: Maciążek

2005)

Kelvin Celsjusz Fahrenheit Rankine Newton Reaumur Roemer

Zero absolutne

0

-273,15

-459,67

0

-90,14

-218,52

-135,9

Zero Fahrenheita

255,37 -17,78

0

459,67

-5,87

-14,22

-1,83

Zamarzanie wody

273,15 0

32

491,67

0

0

7,5

Średnia

temperatura

ciała

człowieka

310

36,8

98,2

557,9

12,21

29,6

20,925

Wrzenie wody

373,15 100

212

671,67

33

80

60

Topnienie tytanu

1941

1668

3034

3494

550

1334

883

Pomiary temperatury wykonuje się przy zastosowaniu rozmaitych przyrządów. Można je

podzielić na dwie grupy: nieelektryczne przyrządy analogowe oraz elektryczne czujniki

pomiarowe.

9

1.1.1 Nieelektryczne przyrządy analogowe:

Przyrządy analogowe praktycznie do ostatniej dekady XX wieku były jedynymi

wykorzystywanymi w pomiarach meteorologicznych temperatury. Ze względu na sposób

pomiaru podzielić je można na termometry cieczowe, oraz termometry deformacyjne.

Termometry cieczowe

W pomiarach temperatury nieelektrycznymi przyrządami analogowymi wykorzystywane są

głównie termometry cieczowe, w których określa się zmiany objętości cieczy

termometrycznej od zmian temperatury. Termometr cieczowy składa się ze zbiornika

wypełnionego cieczą termometryczną oraz połączonej z nim rurki kapilarnej (rys. 1).

Podstawowe ciecze termometryczne wykorzystywane w termometrach cieczowych to rtęć,

oraz ciecze organiczne (alkohol i toluen). Termometry rtęciowe w zakresie temperatur do

200

0

C mają w przestrzeni nad słupkiem rtęci próżnie. Dla wyższych temperatur stosuje się

sprężony gaz obojętny (argon, azot, wodór lub dwutlenek węgla). Podobnie, termometry

wypełnione cieczami organicznymi, są wypełnione gazem obojętnym, co ma za zadanie

zminimalizować przerywanie się słupka cieczy.

Rys. 1. Schemat termometru cieczowego

Na potrzeby budownictwa zastosowanie mają termometry stacyjne zwykłe, termometry

minimalne, termometry maksymalne, termometry maksymalno-minimalne oraz termometry

gruntowe.

W

termometrach stacyjnych zwykłych cieczą termometryczną jest rtęć (rys. 2). Termometr

taki ma długość 320-370 mm i średnicę 15 mm. Zakres pomiarowy obejmuje przedział

temperatur od -37

0

C do 60

0

C. Przy czym w zależności od warunków klimatycznych

stosowane są termometry o mniejszym zakresie pomiarowym. Działka elementarna wynosi

0,2

0

C lub 0,5

0

C. Do pomiarów wilgotności powietrza, termometr stacyjny jest używany jako

suchy lub jako zwilżony w psychrometrze Augusta.

10

Rys. 2. Termometr stacyjny (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)

Termometr minimalny, stacyjny ma długość 290-360 mm i średnicę 17mm. Działka

elementarna wynosi 0,2

0

C lub 0,5

0

C (rys. 3). Zakresy temperatury w zależności od strefy

klimatycznej zawierają się od – 50

0

C do +40

0

C. Termometr minimalny ma za zadanie

zarejestrować minimalną temperaturę powietrza w okresach pomiędzy kolejnymi

obserwacjami. Cieczą termometryczną jest alkohol lub toluen. Zbiornik cieczy w termometrze

posiada większą objętość, niż w termometrze zwykłym. Poprzez specjalny kształt zbiornika

przypominający literę U zwiększona jest powierzchnia wymiany ciepła, co wynika z faktu że

ciecze termometryczne w termometrach minimalnych cechują się mniejszą przewodnością i

wyższą pojemnością cieplną od rtęci. Kapilara termometru posiada większą średnicę, niż w

termometrze zwykłym. Wewnątrz umieszczony jest szklany wskaźnik o długości od 1 do

2 cm. W czasie spadku temperatury menisk słupka cieczy przesuwa wskaźnik w dół kapilary.

W czasie zwiększania się temperatury, ciecz termometryczna przeciska się opływając

wskaźnik i tym samym pozostawiając go w położeniu równym najniższej zarejestrowanej

temperaturze. Termometr powinien być umieszczony w pozycji poziomej, co ma celu

wyeliminowanie wpływu sił grawitacji na wskaźnik w kapilarze.

Rys. 3. Termometr minimalny (autor fotografii: Wojciech Szpakowski). u góry: widok termometru;

poniżej: odczyt temperatury minimalnej t

min

=7

O

C

11

Po odczycie wartości minimalnej temperatury powietrza (z prawej strony wskaźnika), należy

termometr pochylić tak aby wskaźnik pokazywał temperaturę bieżącą. Termometry

minimalne instalowane są w klatce meteorologicznej, przy gruncie oraz jako termometry

kolankowe mogą wskazywać temperaturę minimalną gruntu na określonej głębokości.

Termometr maksymalny stacyjny ma za zadanie zarejestrować maksymalną temperaturę w

okresie pomiędzy kolejnymi obserwacjami (Rys. 4). Cieczą termometryczną jest rtęć.

Długość termometru wynosi 290-360 mm, zaś średnica 17 mm. Działka elementarna wynosi

0,2

0

C lub 0,5

0

C. Zakresy temperatury w zależności od strefy klimatycznej zawierają się od –

30

0

C do +60

0

C. Podczas zwiększania się temperatury otoczenia rtęć przepływa ze zbiornika

do rurki kapilarnej przez pierścieniowe zwężenie. Czasami efekt zwężenia uzyskuje się

poprzez zamontowanie szklanego pręcika w kapilarze. Podczas ochładzania się otoczenia rtęć

kurczy się i w miejscu przewężenia dochodzi do przerwania słupka rtęci, która potem nie

zmienia już swojego położenia dzięki czemu pozostaje w położeniu odpowiadającym

temperaturze maksymalnej. W kapilarze znajduje się rozszerzenie ekspansyjne, które ma za

zadanie umożliwić połączenie się rtęci w zbiorniku oraz kapilarze w okresie ogrzewania się

otoczenia (wzrostu temperatury powyżej zarejestrowaną temperaturę maksymalną).

Termometr maksymalny ustawiony jest w pozycji praktycznie poziomej (do 5

0

względem

powierzchni poziomej), co ma na celu pominięcie siły grawitacji działającej na rtęć w

kapilarze.

Rys. 4. Termometr maksymalny (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)

Termometr maksymalno-minimalny może równocześnie rejestrować temperaturę

maksymalną i minimalną w okresie pomiędzy kolejnymi obserwacjami. Wykorzystywany jest

przede wszystkim w Stanach Zjednoczonych.

Termometry gruntowe są to najczęściej termometry rtęciowe o rurce kapilarnej wygiętej

pod kątem odpowiednim do przeprowadzania obserwacji (najczęściej pomiędzy 30 a 45

O

).

Zainstalowane są na poletku termometrów gruntowych (rys. 5). W ogródku

meteorologicznym PG zbiorniki termometru zamontowane są w gruncie na głębokościach: 5,

10, 20 i 50 cm, spotyka się również termometry o głębokościach 100 cm i większych.

Podziałka zamocowana jest na trwale nad powierzchnią terenu. Termometry gruntowe

12

narażone są na dodatkowe błędy przypadkowe spowodowane różnymi temperaturami

zbiornika termometru i podziałki. Istnieją również termometry gruntowe służące do pomiaru

temperatur ekstremalnych (minimalna i maksymalna).

Rys. 5. Poletko termometrów gruntowych (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)

Termometry deformacyjne

Termometry

deformacyjne

wykorzystywane

są

w

urządzeniach

nieelektrycznych

umożliwiających ciągłą rejestrację wskazań temperatury. Czujnikiem jest bimetal zbudowany

z dwóch płytek różnych metali o odmiennych współczynnikach rozszerzalności cieplnej.

Płytki te są spojone wzdłuż wspólnej płaszczyzny. Jedna strona bimetalu jest unieruchomiona,

zaś druga swobodna (rys. 6). W wyniku zmiany temperatury bimetal odkształca się i

połączony z nim system dźwigni rejestruje zmiany temperatury.

Rys.6. Termometr deformacyjny (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)

Termometry deformacyjne znalazły szerokie zastosowanie w termografach. Są to przyrządy,

które zmiany temperatury rejestrują w sposób ciągły na bębnie obracającym się w cyklu

dobowym lub tygodniowym (rys. 7).

13

Rys. 7. Termograf (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)

1.1.2 Elektryczne czujniki pomiarowe

W chwili obecnej pomiary temperatury wykonywane przez urządzenia wyposażone w

elektryczne czujniki pomiarowe znalazły szerokie zastosowanie. Wynika to z możliwości

rejestracji takich pomiarów praktycznie z dowolnym krokiem czasowym. Do najbardziej

popularnych instrumentów należą termometry rezystancyjne, termometry półprzewodnikowe

oraz termometry termoelektryczne, przy czym te ostatnie nie znajdują szerszego

zainteresowania w meteorologii.

Termometry rezystancyjne (oporowe). Wykorzystują one zjawisko zmiany

rezystancji metali wraz z temperaturą (w wyższych temperaturach wzrasta opór danego

metalu). W termometrach rezystancyjnych stosuje się najczęściej miedź, nikiel i platynę, przy

czym ta ostatnia używana jest w najszerszym zakresie temperatur (od -250 do 1000

O

C).

Termometry półprzewodnikowe. Półprzewodnikiem określamy stałokrystaliczny

element o własnościach pośrednich pomiędzy przewodnikiem a opornikiem. Zmienia on swój

charakter w zależności od czynnika zewnętrznego (np. temperatura, oświetlenie) W

termometrach półprzewodnikowych głównym elementem jest termistor, czyli półprzewodnik,

którego rezystywność jest funkcją temperatury. Termistory są wykonywane głównie z

proszków tlenków manganu, żelaza, niklu, miedzi, tytanu, cynku i kobaltu. Nadają się one

bardzo dobrze do pomiaru temperatury w zakresie od -50

o

C do +300

o

C z błędem nie

przekraczającym 0,1 do 0,2

o

C.

Termometry termoelektryczne. Wykorzystują one, rozpoznane przez T. Seebecka,

zjawisko fizyczne przepływu prądu elektrycznego w zamkniętym obwodzie składającym się z

dwóch metali w sytuacji różnych temperatur w miejscach ich styku. W toku dalszych badań

wykazano, że zależnie od kierunku przepływu prądu złącze takie dodatkowo oziębia się lub

nagrzewa (zjawisko Peltiera) oraz że podobnie reaguje pojedynczy metal (zjawisko

14

Thomsona), przy czym zjawiska te zachodzą niezależnie od zachodzącego równolegle

zjawiska wydzielania się ciepła (zjawisko Joule’a).

Powyższe zjawiska wykorzystuje się w zestawach dwóch przewodników połączonych spoiną

w jednym końcu (tzw. termopara). Pomiar powstającej w takim układzie siły

elektromotorycznej przelicza się na różnicę temperatur na końcach termopary. Znajomość

temperatury na spoinie pozwala na określenie temperatury mierzonej na drugim końcu

termoelementu. Takie termometry najczęściej stosowane są w temperaturach powyżej 400

O

C.

Do pomiaru temperatury w automatycznej stacji Politechniki Gdańskiej typu Davis Pro2

wykorzystywany jest termometr oporowy (rezystancyjny) zbudowany z drutu platynowego

(rys. 8). Zakres stosowania czujnika zawiera się w przedziale od -45

O

C do +60

O

C.

Dokładność pomiaru maleje wraz ze wzrostem temperatury i wynosi 0,1

O

C dla 0

O

C , 0,5

O

C

dla 25

O

C oraz 1

O

C dla 40

O

C.

Rys. 8. czujnik termometru oporowego oraz wilgotności względnej automatycznej stacji Davis Pro 2,

z lewej: widok czujnika, z prawej: montaż czujnika (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)

W warunkach inżynierskich stosuje się często

pirometry. Są to przyrządy służące do

bezstykowego określania temperatury ciała na podstawie emitowanego przez niego

promieniowania temperaturowego. W zależności od temperatury ciała, jego promieniowanie

ma różną dominującą długość fali. Im temperatura ciała jest wyższa, tym maksimum energii

promieniowania przypada na krótszą długość fali. W pirometrii najczęściej dokonuje się

pomiarów ciał w zakresie temperatur od -40 do 1500

O

C. Możliwe są również pomiary w

temperaturach niższych i wyższych od podanego przedziału. Podstawowy zakres

promieniowania temperaturowego zawiera się w granicach od 0,4 do 20

µ

m. Jest to zakres

promieniowania

widzialnego

i

podczerwonego.

Więcej

informacji

dotyczących

15

promieniowania zawartych jest w punkcie 1.6). W pirometrze wyróżnić można podstawowe

elementy:

układ

optyczny

skupiający

promieniowanie

na

detektorze,

detektor

promieniowania, układ przetwarzania sygnału wraz ze wskaźnikiem wielkości mierzonej. Ze

względu na budowę pirometry można podzielić na: radiacyjne, fotoelektryczne,

monochromatyczne z zanikającym włóknem, dwubarwne oraz polaryzacyjne.

W zakresie promieniowania widzialnego człowiek jest w stanie oceniać temperaturę obiektów

na podobnej zasadzie co pirometr. Bowiem podstawowym detektorem temperatury jest oko

ludzkie, które jest w stanie ocenić temperaturę ciała na podstawie jego barwy promieniowania

na przykład podczas spalania różnych materiałów ( w zakresie od około 500 do 1300

O

C).

Z racji bezstykowego pomiaru pirometry są wykorzystywane wszędzie tam, gdzie jest

utrudniony dostęp ze względu na wysoką temperaturę (pożary) albo długi okres czasu dojścia

(konstrukcje inżynierskie).

1.2. Opad atmosferyczny

Woda z chmur może opadać na powierzchnię ziemi w postaci ciekłej (deszcz, mżawka), lub

stałej

(śnieg,

krupy

śnieżne, śnieg ziarnisty, ziarna lodowe, grad). Według

„Międzynarodowego atlasu chmur” granicą pomiędzy deszczem a mżawką jest średnica

kropel 0,5 mm.

Najprostszym przyrządem do pomiaru wysokości opadu jest deszczomierz zwany

również ombrometrem lub pluwiometrem. W każdym kraju stosuje się jeden standardowy typ

deszczomierza, co umożliwia porównywanie wyników obserwacji. W Europie aktualnie

używa się kilku typów deszczomierzy.

W Polsce obowiązującym typem jest pluwiometr Hellmanna (rys. 9). Składa się on z

trzech zasadniczych części: walca

metalowego (1) o dokładnie wykończonej, ostrej, górnej

krawędzi (zwykle z mosiądzu) w dolnej swej części zakończonego lejkiem, zbiornika (3) oraz

podstawy w kształcie metalowego walca z płaskim dnem (2). Opad zbierany jest przez górną

krawędź walca, którego średnica wynosi 159,6 mm, co daje pole powierzchni chwytnej 200

cm

2

. Przechwycona woda spływa za pośrednictwem lejka do zbiornika (3) umieszczonego w

podstawie deszczomierza, w zimie zaś gromadzi się w postaci śniegu w górnej części walca

ponad lejkiem. Taka budowa deszczomierza w dużym stopniu redukuje straty zgromadzonej

16

wody wywołane jej parowaniem, bowiem występuje tylko niewielka strata wody, związana ze

zwilżaniem lejka.

1

3

2

1

0

0

0

m

m

159,6 mm

Rys. 9. Deszczomierz Hellmanna, z lewej: widok ogólny (autor fotografii: Wojciech Szpakowski), z

prawej: cechowana menzurka (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)

Deszczomierz umieszczony jest od strony północnej na drewnianym, metalowym lub

betonowym stojaku o wysokości 90 cm nad terenem. W ten sposób powierzchnia chwytna

deszczomierza umieszczona jest poziomo na wysokości 1 m nad powierzchnią terenu.

Pluwiometr należy instalować tak, aby osłabić ewentualny wpływ wiatru. Jednocześnie jego

odległość od okolicznych przeszkód (budynki, drzewa, ogrodzenia) powinna być większa od

ich wysokości. Wodę opadową ze zbiornika deszczomierza przelewa się do szklanej,

odpowiednio wycechowanej menzurki, która umożliwia odczyt wysokości opadu w

milimetrach z dokładnością do 0,1 mm. Wysokość opadu 1 mm oznacza, że na powierzchnię

1 m

2

spadła objętość wody równa 1 dm

3

(1 litr). W okresie zimy, gdy występują opady

śniegu, do deszczomierza wkłada się blaszaną wkładkę zmniejszającą wywiewanie śniegu ze

zbiornika górnego. Przed pomiarem wysokości opadu śniegu, deszczomierz przenosi się do

ogrzanego pomieszczenia, gdzie śnieg wolno topnieje z dala od źródeł ciepła. Po stopnieniu

śniegu ilość uzyskanej wody mierzy się menzurką pomiarową. W terenach górskich wysokość

deszczomierza może być podniesiona do 1,5 metra z uwagi na możliwość zasypania

przyrządu śniegiem.

17

Przyrządem, który pozwala na prowadzenie ciągłej rejestracji wysokości opadu, jest

pluwiograf pływakowy (rys. 10).

opad

1

6

5

4

7

3

2

8

.

.

.

.

.

.

. .

.

. . .

.

. .

.

. ..

..

. .

Rys. 10. Pluwiograf pływakowy, z lewej: widok ogólny (autor fotografii: Wojciech Szpakowski), z

prawej: widok mechanizmu rejestrującego (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)

Składa się on z odbiornika z otworem wlotowym (1) o powierzchni 200 cm

2

, umieszczonego

poziomo na wysokości 1 m nad terenem. Woda opadowa spływa rurką do cylindra (2), w

którym znajduje się pływak (3). Do pływaka przymocowany jest pionowy pręt (4), na którym

−

za pomocą uchwytu

−

osadzane jest ramię piszące, zakończone piórkiem z

niewysychającym tuszem (5). Ruchy pionowe pływaka rejestruje piórko na pasku papieru,

owiniętym dookoła bębna (6) napędzanego mechanizmem zegarowym. Cylinder (2) ma

powierzchnię 20 cm

2

(10 razy mniejsza od powierzchni chwytnej pluwiografu), i w związku z

tym opadowi o wysokości 1 mm odpowiada podniesienie pisaka o 1 cm. Jeśli deszcz nie pada,

piórko kreśli linię poziomą. Gdy wielkość opadu przekroczy 10 mm poziom wody w

cylindrze osiąga wysokość kolanka lewara (7) i woda wylewa się z cylindra do naczynia (8)

podstawionego w dolnej części pluwiografu. Piórko kreśli wówczas linię pionową w dół. W

przypadku, gdy opad trwa dalej, pływak podnosi się ku górze, a piórko kreśli linię wznoszącą

się. Pasek papieru z zarejestrowanym przebiegiem opadu nazywa się pluwiogramem (rys. 11).

18

1 0

1 0

9

9

8

8

7

7

6

6

5

5

4

4

3

3

2

2

0

0

1

1

1 4

15

16

1 7

1 8

19

2 0

2 1

22

23

24

∆

t

∆

H

Rys. 11. Pluwiogram

Z pluwiogramu odczytać można średnie natężenie opadu I

ś

red

w przedziale czasowym

∆

t

dzieląc sumę opadu

∆

H przez długość przedziału czasu

∆

t. Najczęściej stosowanymi

jednostkami natężenia opadu są [mm/min] lub [mm/godz].

Automatyczna stacja Politechniki Gdańskiej posiada deszczomierz korytkowy (Rys. 12). Jest

on wyposażony w czujniki charakteryzujące się dokładnością mierzonej wysokości opadu

rzędu 0.2 mm (0,2 dm

3

/m

2

) oraz z częstotliwością rejestracji sygnału rzędu nawet kilku

sekund. W instrumencie woda jest zbierana przez otwór wlotowy do jednego z dwóch korytek

umieszczonych centralnie o pojemności około 0,2 mm. Korytka napełniane są naprzemiennie,

po wypełnieniu się jednego następuje przechylenie się korytek i wylanie wody poza

instrument. W momencie przechylenia się korytek powstaje impuls elektryczny rejestrowany

zdalnie lub specjalnym przewodem.

W pomiarach wykorzystuje się również i inne techniki pomiaru objętości opadu, na przykład

deszczomierz wagowy lub też deszczomierz piezoelektryczny.

W deszczomierzu wagowym woda przelewając się przez otwór wlotowy wypełnia pojemnik

zbiorczy. Ciężar zawartej wody przenoszony jest na wagę i w sposób ciągły rejestrowane są

zmiany wypełnienia zbiornika. Instrumenty tego typu wymagają jednak ręcznego opróżniania

zbiornika, bowiem po jego wypełnieniu nie zostanie już zarejestrowana dodatkowa wielkość

opadu. Zaletą deszczomierza wagowego jest możliwość kontroli zebranej wody w przypadku

awarii urządzenia, co wykluczone jest przy deszczomierzu korytkowym.

Deszczomierz piezoelektryczny wykorzystuje sensor piezoelektryczny zamocowany pod

stalową pokrywą. Krople deszczu padając na stalową pokrywę generują sygnał

19

proporcjonalny do objętości i ilości kropli. Do eliminacji sygnałów niepożądanych (na

przykład od uderzeń owadów) stosuje się technologie filtrowania sygnału

Rys. 12. Automatyczny deszczomierz korytkowy, z lewej: widok ogólny (autor fotografii: Wojciech

Szpakowski), z prawej: korytko pomiarowe (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)

1.3. Pomiary ciśnienia atmosferycznego

Ciśnienie atmosferyczne na dowolnej powierzchni poziomej zdefiniować można, jako

ciśnienie wywierane przez ciężar słupa powietrza sięgający do zewnętrznych granic

atmosfery, przypadający na jednostkę powierzchni. Jednostką ciśnienia jest Pascal

(1Pa = 1N/1m

2

). W meteorologii wykorzystuje się jednostkę wielokrotną – hektopaskal

(1hPa = 100Pa). Wszystkie przyrządy do pomiaru ciśnienia powinny być wytarowane w

hektopaskalach.

Istnienie ciśnienia atmosferycznego udowodnił Torricelli w 1643 roku. Przez długie lata

jedynym przyrządem do pomiaru ciśnienia była barometr rtęciowy. Zmiana ciśnienia

atmosferycznego powodowała zmianę słupa rtęci. Niestety, słup rtęci zmienia się również pod

wpływem innych czynników takich jak temperatura i siła grawitacji. Do celów

porównawczych przyjęto warunki normalne, które charakteryzują się następującymi cechami:

- temperatura 0

0

C;

- gęstość rozkładu siły masowej - przyspieszenie ziemskie 9,80665 m/s

2

, co wynika z

poziomu morza, jako poziomu normalnego oraz szerokości geograficznej 45

O

.

W takich warunkach słup rtęci o wysokości 760mm odpowiada ciśnieniu 1013,25 hPa co jest

równe 1 atmosferze fizycznej (atm). W pomiarach inżynierskich wykorzystuje się również

20

inne jednostki ciśnienia. Do najczęściej używanych należy wysokość słupa wody, atmosfera

techniczna oraz bar. Przeliczenia miedzy jednostkami zestawiono w tabeli 3.

Tabela 3. Jednostki ciśnienia

JEDNOSTKI

Pascal

atmosfera

atmosfera

mm

mm

bar

CI

Ś

NIENIA

techniczna

fizyczna

słupa rt

ę

ci

słupa wody

Pa

at

atm

mm Hg

mm H

2

O

bar

1 Pa

1

1,0197E-05

9,8692E-06

0,007501

0,101937 1,0000E-05

1 at

98066,500

1

0,967841 735,561273

9996,585117

0,980665

1 atm

101325,000

1,033227

1 760,002100 10328,746177

1,013250

1 mm Hg

133,322

0,001360

0,001316

1

13,590418

0,001333

1 mm H

2

O

9,810

0,000100

0,000097

0,073581

1

0,000098

1 bar

100000,000

1,019716

0,986923 750,063755 10193,679918

1

Światowa organizacja meteorologiczna wymaga, aby ciśnienie atmosferyczne mierzone było

w zakresie 920-1080 hPa z dokładnością 0,5 hPa dla potrzeb meteorologii lotniczej. Na

potrzeby meteorologii synoptycznej i morskiej dokładność pomiarów powinna wynosić

0,1 hPa. Pomiary dla potrzeb klimatologii wymagają dokładności 0,3 hPa. Pomiar ciśnienia

atmosferycznego należy uśrednić w czasie 1 minuty. Dopuszczalne są również wartości

średnie z okresu 10 minut.

1.3.1 Przyrządy służące do pomiaru ciśnienia atmosferycznego

Do pomiaru ciśnienia atmosferycznego w meteorologii stosuje się barometry cieczowe,

barometry deformacyjne oraz hipsometry.

W

barometrach cieczowych ciśnienie atmosferyczne jest równoważone ciężarem kolumny

rtęci. Może ona być ważona za pomocą specjalnej wagi lub, co jest częściej spotykane, może

być mierzona jako wysokość słupa rtęci. Zasadę działania barometru rtęciowego

przedstawiono na schemacie jednostronnie zamkniętej rurki próżniowej, zanurzonej otwartym

końcem w zbiorniku z rtęcią (rys. 13).

Powierzchnią jednakowego ciśnienia jest powierzchnia swobodnego zwierciadła rtęci. W

warunkach równowagi ciśnienie atmosferyczne jest równoważone wysokością słupa rtęci

h i

zależy również od przyspieszenia ziemskiego –

g oraz gęstości powietrza –

ρ

. co można

zapisać w postaci:

21

gh

p

atm

ρ

=

(1)

ci

ś

nienie

atmosferyczne

760 mm

rt

ęć

pró

ż

nia

Rys. 13. Zasada działania barometru rtęciowego

Dla warunków normalnych ciśnienia wysokość słupa rtęci wynosi 760mm. Ze względu na

rozwiązania konstrukcyjne najpopularniejsze barometry cieczowe to barometry naczyniowe,

barometry lewarowe (rys. 14) oraz barometry naczyniowo-lewarowe.

Rys14 . Schemat barometru a) naczyniowego, b) lewarowego (źródło:

http://www.encyklopedia.servis.pl/wiki/Barometr_hydrostatyczny

10/09/2010)

22

Barometr naczyniowy stanowi kontynuację pierwszego barometru cieczowego. W

konkretnych rozwiązaniach różne są rozwiązania konstrukcyjne. Już na końcu XVIII wieku

powstał naczyniowy barometr Fortina, w którym istnieje możliwość regulacji poziomu

zwierciadła rtęci poprzez odkształcanie skórzanego dna. Dodatkowo barometr ten posiada

termometr, który umożliwia wprowadzenie poprawek na temperaturę.

W

barometrze lewarowym (rys. 14b, 15) rurka barymetryczna jest zagięta w kształcie litery

U. Dłuższe ramię o długości około 90 cm jest zamknięte, ponad zwierciadłem rtęci występuje

próżnia. Krótsze ramię długości około 20 cm zakończone jest cechowanym zbiorniczkiem w

którym na powierzchni rtęci panuje ciśnienie atmosferyczne. Układ rurki barometrycznej w

barometrze lewarowym nazywany jest manometrem cieczowym. Warunki równowagi można

zapisać dla powierzchni jednakowego ciśnienia znajdującej się na poziomie swobodnego

zwierciadła rtęci w rurce krótszej. Ciśnienie atmosferyczne jest równe różnicy poziomów

rtęci pomiędzy ramionami barometru lewarowego.

Rys. 15. Barometr lewarowy, z lewej: wygląd ogólny, po środku: skala pomiarowa, z prawej: lewar,

(autor fotografii: Wojciech Szpakowski)

Barometr lewarowo – naczyniowy stanowi połączenie barometru naczyniowego i

lewarowego. Posiada możliwość regulacji poziomu rtęci w naczyniu dolnym. Odczyt

ciśnienia wykonuje się podobnie jak w barometrze lewarowym, na podstawie wskazań

poziomu rtęci w dwóch zbiornikach – górnym i dolnym.

23

Barometry cieczowe zapewniają dokładny pomiar ciśnienia. Niestety, nie da się wykluczyć

rozmaitych niedokładności odczytu. Najczęstsze błędy systematyczne wynikają ze

stratyfikacji termicznej w otoczeniu barometru, potencjalnego odchylenia barometru od

pionu, obecności gazów w rurce batymetrycznej powyżej poziomu rtęci, zanieczyszczenia

rtęci. Błędy przypadkowe może zaś wywołać dynamiczna zmiana ciśnienia wywołana przez

wiatr, dlatego też pomiaru ciśnienia dokonuje się w pomieszczeniach zamkniętych. Muszą

one być dobrze wentylowane, bowiem w przypadku sprawnej wentylacji powstająca

stratyfikacja termiczna może spowodować błąd w granicach 0,1hPa.

Odchylenie barometru od pozycji pionowej powoduje zawyżenie wskazań ciśnienia

atmosferycznego spowodowane pozornym wydłużeniem rurki barymetrycznej względem

wysokości ciśnienia. Dopuszczalna wartość kąta odchylenia wynosi 15’. Wtedy błąd

spowodowany odchyleniem barometry nie przekracza 0,01hPa. Przy odchyleniu rzędu 1

0

błąd

odczytu przekracza 0,01hPa zaś przy odchyleniu 5

0

prawie 3hPa.

Podczas wzorcowania barometru rtęciowego zakłada się idealną próżnię. W procesie

produkcyjnym uzyskuje się przyjęte założenie. Po pewnym czasie w zamkniętym ramieniu

rurki, powyżej zwierciadła rtęci pojawiają się pary rtęci oraz para wodna.

Do pomiaru ciśnienia służy również

manometr puszkowy (barometr metalowy, barometr

aneroidalny rys. 16). Zasada pomiaru opiera się na odkształcaniu, pod wpływem zmian

ciśnienia atmosferycznego, zamkniętej metalowej puszki Vidiego zwanej

aneroidem, z

którego usunięto powietrze. Odkształcenia są przenoszone poprzez układ dźwigni na

wyskalowaną tarczę.

Rys. 16. Manometr puszkowy, z lewej: aneroid, z prawej: widok ogólny (autor fotografii: Andrzej

Świerszcz),

W

barometrze sprężynowym stosuje się układ puszek umieszczonych jedna nad drugą w

celu powiększenia odkształcenia i tym samym zwiększenia czułości urządzenia.

24

Do ciągłej rejestracji ciśnienia wykorzystuje się

barograf (rys. 17) Zasada działania jest

podobna do działania barometru aneroidalnego lub barometru sprężynowego, z tym, że

wskazówka jest zastąpiona pisakiem który rejestruje aktualną wartość ciśnienia

atmosferycznego na obracającym się bębnie zaopatrzonym w barogram (wyskalowany

tygodniowy wykres).

Rys. 17. Barograf sprężynowy, (autor fotografii: Wojciech Szpakowski),

Najbardziej popularne elektroniczne czujniki pomiaru ciśnienia mogą wykorzystywać efekt

pojemnościowy kondensatora ze specjalną membraną, której ugięcie powoduje zmianę

pojemności czujnika (czujniki pojemnościowe), lub też zjawisko zmiany rezystancji materiału

pod wpływem zmieniającego się ciśnienia (czujniki piezorezystancyjne). Układ pomiarowy

mierzy równolegle temperaturę czujnika aby wyznaczyć poprawkę temperaturową.

Czujniki elektroniczne mierzą albo ciśnienie absolutne, albo różnicę ciśnienia. W ostatnim

wypadku należy przed rozpoczęciem pomiarów określić referencyjną wartość początkową

ciśnienia.

1.3.2 Określenie ciśnienia zredukowanego do poziomu morza

Podawane ciśnienie atmosferyczne jest wielkością lokalną zależną od poziomu umieszczenia

instrumentu pomiarowego. W analizach meteorologicznych podaje się również ciśnienie

zredukowane. Jest to ciśnienie jakie panowałoby na poziomie morza w analogicznych

warunkach meteorologicznych. Wartość ciśnienia zredukowanego jest wyższa od aktualnego

ciśnienia powietrza dla pomiarów wykonywanych na wysokościach wyższych od poziomu

25

morza. W przeliczaniu wartości ciśnienia do poziomu morza wykorzystać można

barometryczny wzór wysokościowy:

(

)













−

−

⋅

=

1

2

1

2

exp

z

z

T

R

g

p

p

śr

s

(2)

Gdzie: T

ś

r

oznacza średnia temperaturę warstwy (w Kelwinach) o grubości (z

2

– z

1

), R

s

stałą

gazową powietrza suchego (R

s

= 287m

2

/s

2

K), zaś p

1

i p

2

odpowiednio ciśnienia na poziomach

z

1

i z

2

. W warstwach o grubości do 2000 metrów stosuje się często uproszczony wzór

Babineta w którym H

0

oznacza wysokość tzw. atmosfery jednorodnej o średniej wartości

8000 metrów:

)

1

(

2

1

2

1

)

(

2

0

śr

p

p

p

p

t

H

H

α

+

=

+

−

(3)

α

jest współczynnikiem rozszerzalności gazów (

α

=0,004 [-]), zaś t

ś

r

średnią temperaturą

warstwy (w stopniach Celsjusza).

1.4 Wilgotność powietrza

Powietrze wilgotne zawiera powietrze suche oraz parę wodną. Wilgotność (wilgoć) powietrza

wskazuje zawartość pary wodnej w powietrzu. Określa się ją za pomocą różnych

charakterystyk, z których najważniejsze to: prężność (ciśnienie) pary wodnej – e, prężność

pary wodnej w stanie nasycenia – E, wilgotność względna – f, wilgotność bezwzględna – a,

wilgotność właściwa – s, stosunek zmieszania – r i niedosyt wilgotności – d.

Prężność pary wodnej – e czyli ciśnienie pary wodnej w powietrzu określana jest jako

ciśnienie cząstkowe wywierane przez parę wodną. W warunkach nasycenia w powietrzu

wilgotnym znajduje się największa możliwa liczba molekuł pary wodnej.

Prężność pary

wodnej w warunkach nasycenia – E [hPa] zmienia się wraz z temperaturą powietrza.

Wzrost temperatury powoduje, że maksymalne ciśnienie pary wodnej rośnie. Wartości

maksymalnego ciśnienia pary wodnej w tej samej temperaturze nad powierzchnią wody i lodu

nieco różnią się od siebie (rys. 18).

26

Rys. 18. Prężność pary nasyconej nad płaską powierzchnią lodu i wody. [Wołoszyn 2009]

Z reguły para wodna w powietrzu wywiera niższe ciśnienie niż w warunkach nasycenia i

opisana jest jako

aktualna prężność pary wodnej – e [hPa].

Wilgotność względna – f [%] określa stosunek aktualnej prężności pary wodnej w powietrzu

- e do pary wodnej nasyconej w aktualnej temperaturze powietrza – E. Wartość f =100%

oznacza, że aktualna prężność pary wodnej jest równa prężności pary wodnej w warunkach

nasycenia, czyli powietrze jest nasycone parą wodną.

[ ]

%

100

⋅

=

E

e

f

(4)

Wilgotność bezwzględna – a [g/m

3

] zdefiniowana jest jako zawartość pary wodnej w

gramach zawartą w 1 m

3

powietrza wilgotnego. Jest to zatem gęstość pary wodnej w

powietrzu.

Wilgotność właściwa – s [g/kg] zdefiniowana jest jako stosunek masy pary wodnej zawartej

w danej objętości powietrza w gramach do całej masy powietrza wilgotnego w tej samej

objętości

Stosunek zmieszania – r [g/kg] określa masę pary wodnej w powietrzu w jednym kilogramie

powietrza suchego.

27

Niedosyt wilgotności powietrza – d [hPa] wyraża różnicę pomiędzy prężnością pary wodnej

nasyconej – E a aktualną prężnością powietrza wilgotnego – e. Niedosyt wilgotności

powietrza określany również bywa jako deficyt nasycenia, bowiem określa brakującą do

nasycenia powietrza w danej temperaturze, ilość pary wodnej.

e

E

d

−

=

(5)

Z charakterystykami wilgotności związana jest również

temperatura punktu rosy – t

r

.

Określa ona temperaturę przy której ochłodzenie masy powietrza o określonej wartości

prężności pary wodnej – e spowoduje nasycenie powietrza parą wodną E. Ochłodzenie

powietrza poniżej temperatury punktu rosy spowoduje procesy kondensacji pary wodnej z

powietrza wilgotnego. Widoczną oznaką procesu kondensacji (skraplania)pary wodnej jest

powstawanie mgieł, chmur oraz szronu (w temperaturach ujemnych).

Tabela 4. Wielkości związane z wilgotnością powietrza zawarte w tablicach psychrometrycznych i

higrometrycznych IMGW (Kostyrko i in., 1986)

Dane do odczytu: temperatura termometru suchego t

s

=17,4

O

C, temperatura termometru wilgotnego t

w

=14,6

O

C

wielkość

jednostka

wartość

Ciśnienie pary wodnej (prężność pary wodnej) e

hPa

14,7

Wilgotność względna f z możliwym błędem wyznaczenia

%

74 ± 1,7

Deficyt nasycenia (niedosyt wilgotności powietrza) d

hPa

5,2

Temperatura punktu rosy t

r

O

C

12,7

Wszystkie te wielkości określić można tzw.

metodą psychrometryczną wykorzystując

psychrometr Augusta (rys. 19). Jest on zbudowany z dwóch termometrów: termometru

suchego oraz termometru wilgotnego. Są to typowe przyrządy stacyjne mierzące temperaturę

powietrza. Termometr wilgotny posiada owinięty wilgotną szmatką (batystem) zbiornik z

cieczą termometryczną. Jego temperatura jest nie większa niż temperatura termometru

suchego, bowiem podczas procesu parowania batystu ciepło parowania obniża jego

temperaturę. Różnica między wskazaniami termometrów suchego i wilgotnego jest tym

większa, im mniej pary wodnej jest w powietrzu (tym samym proces parowania jest większy).

Dla danej różnicy temperatur wilgotność względną oraz inne parametry wilgotnościowe

można odczytać z tablic psychrometrycznych. W tabeli 4 zestawiono wyniki odczytów

wielkości związanych z stanem pary wodnej w atmosferze dla wskazań psychrometru

Augusta.

Wielkości charakteryzujące wilgotność powietrza można również obliczyć. Aktualną

prężność pary wodnej nad powierzchnią wody – e, przy ciśnieniu powietrza p, w zależności

28

od stałej psychrometrycznej A, temperatury termometru suchego t, temperatury termometru

wilgotnego t

w

oraz prężności pary nasyconej w temperaturze termometru wilgotnego E

w

opisuje półempiryczny wzór Gaya-Lusaca:

(

)

p

t

t

A

E

e

w

w

−

−

=

(6)

Stałą psychrometryczną A obliczyć można wykorzystując wzór empiryczny określony dla

najczęściej występujących prędkości wiatru w klatce meteorologicznej (od 2,5 do 4 m/s):

)

0015

,

0

1

(

000678

,

0

w

t

A

⋅

+

=

[1/

O

C]

(7)

Prężność pary nasyconej w temperaturze termometru wilgotnego E

w

wyznaczyć można ze

wzoru Magnusa:

(

)









−

−

⋅

⋅

=

36

273

27

,

17

exp

611

T

T

E

w

(8)

Dla danych z tabeli 4 uzyska się następujące wartości:

362

0,00068938

)

6

,

14

0015

,

0

1

(

000678

,

0

=

⋅

+

=

A

[1/

O

C]

( )

hPa]

[

64

,

16

]

Pa

[

45

,

1664

36

6

,

287

6

,

14

27

,

17

exp

611

=

=













−

⋅

⋅

=

w

E

Dla ciśnienia barometrycznego równego 1000 hPa aktualna prężność pary wodnej e obliczona

na podstawie wzoru (6) wyniesie:

(

)

[ ]

hPa

71

,

14

1000

14,6

-

17,4

362

0,00068938

64

,

16

=

⋅

⋅

−

=

e

Wyznaczając prężność pary wodnej w warunkach nasycenia dla termometru suchego – E

s

=

19,91 hPa (według wzoru (8)) można ostatecznie obliczyć wilgotność względną za pomocą

równania (4)::

%

88

,

73

%

100

91

,

19

71

,

14

%

100

=

⋅

=

⋅

=

s

E

e

f

)

Deficyt nasycenia obliczony według wzoru (5) równy będzie:

[ ]

hPa

2

,

5

71

,

14

91

,

19

=

−

=

d

Temperatura punktu rosy, wyznaczona na podstawie relacji opisanej równaniem (8) dla

aktualnej prężności pary wodnej – e wynosi 12,7

O

C.

29

Rys. 19. Psychrometr Augusta, z lewej: widok ogólny, z prawej: przykładowe wskazania temperatury

– temperatura termometru suchego t

s

=17,4

O

C, temperatura termometru wilgotnego t

w

=14,6

O

C , (autor

fotografii: Wojciech Szpakowski),

Inną metodą służącą do pomiaru wilgotności względnej jest metoda absorpcyjna

wykorzystywana w higrometrach włosowych (rys. 20) i w higrografach (rys. 21). Metoda

wykorzystuje zjawisko wydłużania się naturalnego włosa (np. ludzkiego) pod wpływem

zwiększania się wilgotności względnej powietrza. Jeden z końców pasma włosów jest

przytwierdzony na sztywno do instrumentu zaś drugi obciążony jest ciężarkiem połączonym

ze wskazówką (higrometr włosowy), bądź też ramieniem pisaka (higrograf).

Rys. 20. Higrometr włosowy (autor fotografii: Andrzej Świerszcz),

Do pomiaru temperatury punktu rosy czasami używa się higrometrów kondensacyjnych,

wykorzystujących zjawisko kondensacji pary wodnej na oziębionej powierzchni. Natomiast

automatycznie mierzy się wilgotność względną wykorzystując zjawiska zmiany oporności lub

30

pojemności elektrycznej czujników elektrycznych. W automatycznej stacji pomiarowej PG

Davis Pro 2 w pomiarach wykorzystuje się specjalny kondensator którego pojemność zmienia

się wraz ze zmianą wilgotności względnej powietrza Zamontowany jest on wraz z czujnikiem

temperatury (rys. 8). Dokładność pomiarów wynosi 3%. Powyżej wilgotności względnej

powietrza 90% dokładność pomiarów jest nieco mniejsza (4%).

Rys. 21. Higrograf, u góry: widok ogólny, u dołu: czujnik absorbcyjny , (autor fotografii: Wojciech

Szpakowski)

1.5 Wiatr

Wiatr nazywamy poziomy ruch powietrza. W pomiarach istotne są dwa parametry: kierunek i

wartość prędkości wiatru określana również jako siła wiatru. Kierunek wiatru określa, skąd

przemieszcza się strumień powietrza. Do określenia kierunku podaje się kierunki zgodne z

różą wiatrów. Najczęściej poza czterema kierunkami głównymi (północny – N, południowy –

S, Wschodni – E oraz zachodni – W) podaje się również kierunki pośrednie (np.

północnowschodni NE). Czasami kierunek wiatru może być dokładniejszy w wyniku

zagęszczenia róży wiatrów (np. NEE). W pomiarach automatycznych kierunek wiatru podaje

się w jednostce kątowej (np. stopnie, grady) zgodnie z ruchem wskazówek zegara począwszy

od kierunku północnego.

Wartość prędkości wiatru w Polsce podawana jest najczęściej w m/s lub km/godz. lub w

węzłach. W nawigacji morskiej wykorzystuje się 13-sto stopniową skala Beauforta.

Prędkość wiatru podawana jest też jako wartość średnia roczna, miesięczna i dobowa. W

warunkach stabilności konstrukcji inżynierskich ważnym parametrem jest prędkość chwilowa

31

porywów wiatru. Według IMGW jest to nagły wzrost prędkości wiatru przekraczający o 5

m/s średnią jego prędkość. Wielkość tę najczęściej określa się, jako średnią z 30 lub 60

sekund trwania zwiększonej prędkości wiatru. Automatyczna stacja PG rejestruje podmuchy

wiatru w czasie 2,5 sekundy (tym samym wartości ze stacji PG są większe od podawanych

przez IMGW).

Pomiary kierunku i prędkości wiatru realizowane są wiatromierzami (rys. 22)

zlokalizowanymi na masztach o wysokości od 8 do 12 metrów. W terenach miejskich

wiatromierze lokalizowane są w różnych miejscach i przez to często dokonują pomiarów

lokalnych prądów powietrznych.

Rys. 22. Przykładowe wiatromierze (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)

1.6 Promieniowanie słoneczne

Promieniowanie polega na przekazywaniu energii pomiędzy ciałami bez udziału ośrodka

materialnego w wyniku zjawiska wysyłania fal elektromagnetycznych. Każde ciało

posiadające temperaturę wyższą od 0K jest źródłem promieniowania cieplnego. W ogólnym

bilansie promieniowania najważniejszymi źródłami są Słońce, Ziemia oraz atmosfera

ziemska.

Temperatura charakterystyczna Słońca wynosi 6000 K. 99% energii Słońca przypada na fale

o długości od 0,25 do 5

µ

m. Jest to zakres fal przypadających na promieniowanie widzialne

(od około 0,4

µ

m do około 0,75

µ

m) oraz najbliższe mu, ze względu na długość fali poniżej

długości 0,4

µ

m - promieniowanie nadfioletowe (UV) oraz powyżej 0,75

µ

m -

promieniowanie podczerwone (IR). Maksimum energii słonecznej przypada na barwę żółto-

zieloną promieniowania widzialnego (długość fali około 0,47

µ

m). Ze względu na długość

fali z widma fal elektromagnetycznych wyróżnić można promieniowanie krótkofalowe

32

(długości fal od 0,1 do 4

µ

m) oraz promieniowanie długofalowe (długości fal od 4 do około

200

µ

m). Promieniowanie słoneczne jest promieniowaniem krótkofalowym.

Promieniowanie emitowane przez Słońce dochodzi do górnej granicy atmosfery ziemskiej.

Ilość energii dochodzącej w jednostce czas do jednostkowej prostopadłej powierzchni

nazywane jest

stałą słoneczną. Wartość stałej słonecznej zmienia się w czasie, dla średniej

odległości Ziemi od Słońca wynosi 1370 W/m

2

. Po przejściu promieniowania przez atmosferę

ziemską, do powierzchni Ziemi dociera najwięcej energii z zakresu długości fal >0,76

µ

m.

Promieniowanie przypadające na długości fal odpowiadającym promieniowaniu UV jest

osłabiane w atmosferze ziemskiej. Ze względu na działanie promieniowania UV na

organizmy żywe wyróżnia się zakresy promieniowania UVA i UVB.

Promieniowanie

UVA występuje w zakresie fal od 0,32

µ

m do 0,4

µ

m. W zakresie długości fal

odpowiadających promieniowaniu UVA wyróżnić można promienie UVA 1 (długość fali

powyżej 0,34

µ

m) oraz promienie UVA2 (długość fali poniżej 0,34

µ

m). Promieniowanie

UVA stanowi główną przyczynę starzenia się skóry. Organizmy żywe otrzymują w ciągu

roku w miarę stałą dawkę promieniowania, które przechodzi przez powierzchnie szklane i

dochodzi do skóry właściwej.

Tabela 5. indeks UV a wpływ na skórę ludzką (opracowano na podstawie Lutgens, Tarbuck 2004)

Wartość

opis

Środki ostrożności

Bezpieczny czas przebywania

na słońcu (w zależności od

indywidualnych typów skóry)

0 -2

Minimalne

Okrycie głowy

30 – 60 minut

3 – 4

Niskie

Okrycie głowy, używanie kremów z filtrem

przeciwsłonecznym

15 – 20 minut

5 – 6

Średnie

Okrycie głowy, używanie kremów z filtrem

przeciwsłonecznym,

wybieranie

miejsc

zacienionych

10 – 12 minut

7 – 9

Wysokie

Okrycie głowy, używanie kremów z filtrem

przeciwsłonecznym,

wybieranie

miejsc

zacienionych,

pomiędzy

10.00

a

16.00

przebywanie w pomieszczeniach zamkniętych

7 – 8,5 minuty

10 – 15

Bardzo

wysokie

przebywanie w pomieszczeniach zamkniętych.

Przebywanie na zewnątrz wymaga zastosowania

wszelkich możliwych środków ostrożności

4 – 6 minut

33

Za oparzenia słoneczne odpowiedzialne jest promieniowanie

UVB (zakres długości fali od

0,29 do 0,32

µ

m). Stanowi ono około 5% całego promieniowania UV, które dociera do

powierzchni Ziemi. Promieniowanie to nie przenika do skóry właściwej i głównie działa na

naskórek. Największe dawki promieniowania UVB związane są z bezpośrednim docieraniem

promieni słonecznych do organizmów żywych.

W celu oszacowania wpływu występującego promieniowania UV amerykańska agencja

ochrony środowiska (U.S. EPA) utworzyła 16-to stopniową skalę (Tabela 5).

Do pomiarów elementów promieniowania słonecznego wykorzystuje się najczęściej:

Aktynometry – do pomiaru promieniowania bezpośredniego (część energii słonecznej

docierającej bezpośrednio do powierzchni Ziemi),

Piranometry – do pomiaru promieniowania całkowitego (rozproszonego i odbitego),

Heliografy – do pomiaru usłonecznienia (czasu bezpośredniej operacji słońca) (rys. 23),

Szklana kula skupia promienie słoneczne na pasku rejestracyjnym i w zależności od pory roku

oraz doby zaznacza momenty bezpośredniego oddziaływania słońca.

Rys.23. Heliograf (źródło IMGW,

http://www.imgw.pl/wl/internet/zz/oddzialy/wroclaw/struktura/_ts/ts_meteo-galeria.html

zdjęcie z

czerwca 2001, 10/09/2010)

Czujniki pomiarowe wartości natężenia promieniowania słonecznego (piranometr) oraz

promieniowania UV Davis Pro2 obarczone są błędem pomiarowym 5% (rys. 24).

34

Rys.24. Czujniki promieniowania Davies Pro2, z lewej: piranometr, z prawej: czujnik promieniowania

UV (autor fotografii: Wojciech Szpakowski)

1.7 Pomiary meteorologiczne

Stacje pomiarowe elementów meteorologicznych pospolicie nazywane są stacjami

meteorologicznymi lub ogródkami meteorologicznymi. Aby uzyskiwane wyniki wszystkich

elementów pogody były reprezentatywne stacje te powinny być zlokalizowane na terenie

otwartym (z dala od budynków, drzew, otwartej wody). W odległości 30 m od ogródka

meteorologicznego nie mogą znajdować się żadne budowle, drzewa, krzewy oraz uprawy

sztucznie zraszane; w odległości ponad 30 m od ogródka mogą stać małe pojedyncze obiekty

np. drzewo, w odległości ponad 100 m od ogródka dopuszczalna jest luźna zabudowa i małe

grupy drzew, zaś w odległości ponad 300 m od ogródka mogą znajdować się zwarte zespoły

drzew (sady i parki). Powyżej 500 m od ogródka dopuszczalne są już wielorodzinne zespoły

mieszkalne.

Ogródek meteorologiczny należy ogrodzić, powinien on mieć kształt kwadratu z bokami

skierowanymi wzdłuż linii północ-południe i wschód-zachód. Minimalne rozmiary ogródka to

15 x 15 m, wielkość docelowa zależna jest od zakresu pomiarów. Teren ogródka powinien

być wyrównany i porośnięty trawą. Wyjątek stanowią naturalne powierzchnie piaszczyste np.

wydmy. Niższe przyrządy powinny być instalowane od strony południowej, zaś wyższe od

północnej. Obiekty, na których są zlokalizowane przyrządy, należy pomalować białą farbą,

aby ograniczyć nagrzewanie się rejonu ogródka oraz samych przyrządów w wyniku

promieniowania słonecznego.

W skład ogródka meteorologicznego wchodzą następujące elementy podstawowe (rys. 25):

klatka meteorologiczna, deszczomierze, wiatromierze, poletko z termometrami gruntowymi.

35

Rys.25 . Podstawowe elementy ogródka meteorologicznego: klatka meteorologiczna, wiatromierz,

poletko termometrów gruntowych (źródło: IMGW

http://www.imgw.pl/internet/zz/wiedza/ogolna/pom_prog.html#ANCHOR

10/09/2010)

W zależności od rodzaju badań Na stacjach meteorologicznych IMGW mogą być również

zamontowane widzialnościomierze, laserowe miernik podstawy chmur, urządzenia do

pomiaru całkowitego promieniowania słonecznego i bilansu radiacyjnego, urządzenie do

automatycznego pomiaru dobowej sumy usłonecznienia, heliografy, piranometry, urządzenia

do pomiaru widm promieniowania słonecznego oraz aktynometry. W chwili obecnej IMGW

posiada głównie automatyczne stacje meteorologiczne, na których pozostawiono również

dotychczasowe urządzenia pomiarowe (rys. 26, 27)

36

Rys. 26 . Automatyczne stacje meteorologiczne na stacjach synoptycznych IMGW (źródło: IMGW

http://www.imgw.pl/wl/internet/zz/dziala/projekty/_smok_zakonczenie/smok7.html

10/09/2010)

Rys. 27 . Ogródek meteorologiczny stacji meteorologicznej w Legnicy (źródło: IMGW

http://www.imgw.pl/wl/internet/zz/oddzialy/wroclaw/struktura/_ts/ts_meteo-galeria.html

zdjęcie z

czerwca 2001, 10/09/2010)

Literatura:

1.

Byczkowski A., „Hydrologia” Tom 1, Tom 2, SGGW Warszawa 1996.

2.

Kossowska-Cezak U., Bajkiewicz-Grabowska E.: Podstawy hydrometeorologii. Warszawa:
Wydawnictwo Naukowe PWN 2008

3.

Lutgens F.K., Tarbuck E.J. The Atmospere An Introduction to Meteorology, Prentice Hall
2004

4.

Michalski L., Eckersdorf K., Pomiary temperatury, WNT, Warszawa 1986

5.

Ozga-Zielińska M., Brzeziński J. „Hydrologia stosowana”, PWN Warszawa, 1994.

6.

Wołoszyn E., Meteorologia i klimatologia w zarysie, Wydawnictwo PG, Gdańsk 2009

7.

Woś A.: ABC meteorologii. Poznań: Wydawnictwo Uniwersytetu A. Mickiewicza w
Poznaniu 1995.

8.

Szymkiewicz R., Gąsiorowski D., Podstawy hydrologii dynamicznej, WNT, Warszawa 2010.