INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI
		METEOROLOGIA LABORATORIUM
I ROK INŻYNIERII ŚRODOWISKA STUDIA DZIENNE GRUPA 16 A		03.03.2003
ĆWICZENIE 2 TERMOGRAF METEOROLOGICZNY AUTOR OPRACOWANIA: DOROTA MARDUŁA

TERMOGRAF

• TERMOGRAFFY są przyrządami mierzącymi temperaturę i rejestrującymi jej przebieg w funkcji czasu. Elementem reagującym na zmiany temperatury jest tu najczęściej czujnik deformacyjny, zmieniający swój kształt w funkcji zmian temperatury (np. rożek manometryczny wypełniony cieczą rozszerzalną lub element bimetaliczny). Zastosowanie tak mało czułych i mających dużą bezwładność cieplną elementów pomiarowych wynika z potrzeby uzyskania dość dużych sił, które zdolne będą pokonać opory tarcia w przekładni, przenoszącej ruch czujnika deformacyjnego na wskazówkę zakończoną pisakiem i tarcia pisaka o papier (termogram). Ważnym elementem termografu jest bęben, wewnątrz którego znajduje się mechanizm zegarowy, obracający bęben ruchem jednostajnym. Mechanizmy zegarowe mają napęd sprężynowy lub elektryczny. Na bęben naciągnięty jest termogram, będący paskiem papieru z wydrukowaną skalą czasową i skalą temperatury. Wskazówka, przenosząca ruchy czujnika temperatury zakończona jest pisakiem, który kreśli na termogramie linię, odpowiadającą ciągłemu zapisowi temperatury powietrza.

  Najczęściej stosowany jest termograf tygodniowy, w którym pełen obrót bębna trwa 168 godzin. Dokładność wskazań termografu jest o rząd wielkości niższa niż termometru stacyjnego, w dobrym termografie realna dokładność odczytu temperatury wynosi około 1°C, dokładność odczytu czasu z reguły jest mniejsza od 15 minut.

Termograf tygodniowy (prod. polska, "Zootechnika"). Przyrząd ma zdjętą perforowaną oslonę elementu termoczułego, dzięki czemu jest on widoczny na fotografii. Jest to srebrzysta metalowa płytka, będąca paskiem bimetalicznym "uginającym się" pod wpływem zmian temperatury. Płytka bimetaliczna jest z jednej strony unieruchomiona (w miejscu, gdzie na fotografii widoczna jest masywna nakrętka), drugi jej koniec jest swobodny. Ugięcia swobodnego końca płytki bimetalicznej, przenoszone są przez cięgło (widoczne na fotografii; przechodzi przez otwór w obudowie przyrządu) i system dzwigni (wenątrz przyrządu, na fotografii nie widoczne) na wskazówkę przyrządu, zakończoną pisakiem. Pisak napełniony się nieschnącym tuszem kreśli następnie przebieg temperatury na termogramie. Przyrządy produkowane przez "Zootechnikę" są marnej jakości i nie są polecane do stosowania na statkach (brak tarowania i świadectwa przyrządu, duża awaryjność, duża bezwładność cieplna, itp).

W większości termografów, po zdjęciu bębna z przyrządu, uzyskuje się dostęp do regulatora mechanizmu zegarowego, pozwalającego ustawić chód zegara w pewnych granicach (przyspieszenie, opóźnienie).

Widok z góry na znajdujący się wewnątrz bębna termografu mechanizm zegarowy (termograf o napędzie sprężynowym). "Nakręcanie" zegara termografu dokonuje się za pomocą klucza (płaski element wystający ponad przezroczystą pokrywkę bębna), jego obrót przenoszony jest na sprężynę przez asymetrycznie ustawioną oś wchodzącą do wnętrza mechanizmu zegarowego. Układ regulacji chodu zegara to mosiężny, płaski element znajdujący się na metalowej górnej powierzchni zegara. Nad nim znajduje się czarna plastikowa zatyczka, która po wyjęciu umożliwia dostęp (np. precyzyjnym śrubokrętem) do mechanizmu regulacyjnego. Środkowa, centralnie usytuowana, oś (zakończona u góry nakręką), jest osią obrotu mechanizmu zegarowego. Po odkręceniu nakrętki osi możliwe jest zdjęcie bębna (trzeba delikatnie unieść do góry). Jeśli po nakręceniu zegar nie chodzi, trzeba zdjęty zbęben gwałtownym ruchem skęcić (90-180°), tak aby balans zegara zaczął się poruszać. Nowoczesne samopisy mają napęd elektryczny, znajduje się w nich silnik krokowy, sterowany zegarem kwarcowym (podobny do mechanizmu zegarowego w tanich budzikach kwarcowych ze wskazówkami).

Dla kontroli chodu, w określonych momentach (trzeba zapisać czas i datę) naciska się element deformacyjny, który rysuje na termogramie wyraźny ząbek (reper), co pozwala następnie wprowadzić poprawki czasowe i prawidłowo przypisać temperaturę do określonego momentu. Termografy z napędem sprężynowym należy nakręcać do oporu, acz z wyczuciem, aby nie zerwać sprężyny lub zaczepu sprężyny. W termografach z napędem elektrycznym należy pamiętać o wymianie baterii w terminie podanym przez instrukcję eksploatacji danego typu termografu. Stosując termograf do kontroli temperatury w ciężkich chłodniach (ładowniach chłodzonych), należy zwrócić uwagę na zastosowany w termografie smar, czy nie skrzepnie w niskich temperaturze, w przypadku termografów o napędzie elektrycznym należy wcześniej sprawdzić, czy bateria będzie pracować (dawać odpowiedni prąd) w tak niskich temperaturach

• Wartości charakteryzujące przebieg temperatury

Temperatura średnia dobowa - uśredniona wartość temperatury powietrza dla danej doby. Jeśli stacja pracuje w reżimie synoptycznym (8 lub 4 pomiary na dobę, tj. wykonuje pomiary o godzinie 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 i 21 GMT) średnią dobową oblicza się jako średnią arytmetyczną z wykonanych pomiarów. Przy pracy stacji w reżimie klimatycznym poszczególne służby meteorologiczne stosują własne formuły do obliczania temperatury średniej dobowej. W wielu krajach temperaturę średnią dobową oblicza się jako średnią z temperatury maksymalnej i temperatury minimalnej ((tmax + tmin)/2)

Temperatura średnia miesięczna - wartość charakteryzująca temperaturę w danym miesiącu; obliczana jako średnia arytmetyczna z temperatur średnich dobowych danego miesiąca.

Średnia wieloletnia temperatura miesięczna - uśrednione wartości temperatur danego miesiąca na danej stacji z okresu wielolecia (średnia arytmetyczna). Normą podstawową jest tu okres 30.lecia (1911-1930, 1931-1960, 1961-1990), choć stosowane są i inne okresy uśredniania. Zaleca się uśrednianie szeregów, których pierwszy rok rozpoczyna się od roku XXX+1 i kończy na roku XXX+0 (np. 1971-1980 - średnia 10.letnia).

Temperatura średnia roczna - średnia arytmetyczna z temperatur miesięcznych w danym roku.

Średnia wieloletnia temperatura roczna - uśredniona temperatura roczna (średnia arytmetyczna) z okresu wielolecia (zazwyczaj 30.letnia).

Wartość anomalii temperatury miesięcznej lub rocznej - różnica między wartością temperatury średniej miesięcznej danego miesiąca lub roku a średnią temperaturą wieloletnią danego miesiąca lub wieloletnią temperaturą średnią roczną. Wartość ta informuje o ile (deg) dany miesiąc lub rok był cieplejszy lub chłodniejszy od średniej. Tą samą wartość nazywa się odchyleniem (niektóre szkoły klimatologiczne pojęcie "anomalia" rezerwują dla odpowiednio dużych (znaczących) odchyleń od średnich, mimo, że pojęcie "anomalia" jest definiowane jako "nieprawidłowość, odchylenie od normy, od ogólnej reguły" (Słownik Wyrazów Obcych, wyd. X, PIW, Warszawa, 1961). Średnią 30.letnią WMO traktuje jako normę klimatyczną (patrz: CLINO)

Dobowa amplituda temperatury powietrza (Ad): różnica między odnotowaną w czasie danej doby temperaturą maksymalną (tmax) a temperaturą minimalną (tmin); Ad = tmax - tmin (deg)

Roczna amplituda temperatury powietrza (Ar): różnica między średnią miesięczną temperaturą najcieplejszego miesiąca w danym roku (tmmax) a najchłodniejszego miesiąca w danym roku (tmmin): Ar = tmmax - tmmin

Średnia wieloletnia amplituda temperatury powietrza (A): jak wyżej, lecz oblicza się jako wartość różnicy najcieplejszego i najchłodniejszego miesiąca ze średnich miesięcznych wieloletnich (przykładowo w Gdyni najcieplejszym miesiącem w roku może być lipiec, sierpień, a nawet czerwiec, najchłodniejszym w roku może być styczeń, luty, grudzień a nawet marzec, w przebiegu średnich wieloletnich temperatur miesięcznych w Gdyni najcieplejszym miesiącem jest lipiec, najchłodniejszym styczeń)]

• Temperatura powietrza

Wymiana ciepła między powierzchnią ziemi a atmosferą odbywa się na drodze przewodnictwa cieplnego, konwekcji i turbulencji. Wielkość temperatury powietrza mierzona w stacji meteorologicznej, zależy od układu czynników bilansu cieplnego najbliższego otoczenia i napływu mas powietrza w określonej temperaturze z innych, często bardzo odległych obszarów.

Ruch ciepła odbywa się zawsze z obszaru wyższych do niższych temperatur i dlatego zależnie od temperatury powierzchni i atmosfery może mieć dwa kierunki. Jeżeli powierzchni jest cieplejsza od atmosfery, wówczas występuje ruch ogrzanego powietrza ku górze, który nazywamy konwekcją. W przypadku niższej temperatury powierzchni oziębia się atmosfera i ochładzane powietrze zalega coraz grubszą warstwą nad gruntem. Opisane sytuacje mają miejsce tylko w braku poziomych ruchów powietrza-adwekcji. Jeżeli pewna objętość powietrza porusza się, to podobnie jak w niektórych zbiornikach wodnych następuje również wymiana cieplna o ogólnym kierunku poziomym. Służby meteorologiczne przyjęły jako temperaturę powietrza wskazania termometrów będących 2 metry nad powierzchnią terenu.

• Dobowy przebieg temperatury powietrza.

Miarą zmienności temperatur podczas doby jest różnica między najwyższą i najniższą wartością wskazaną przez termometry. Podstawową wielkością w meteorologii i klimatologii jest średnia dobowa temperatura wynikająca w tym przypadku z sumy wartości godzinnych podzielonych przez 24. Na wykresie zaznaczamy średnią w postaci linii prostej poziomej, przecinającej oś temperatur na wysokości obliczonej wartości średniej. W stacjach i posterunkach meteorologicznych średnia dobową temperaturę powietrza oblicza się na podstawie wyników pomiarów wykonywanych o godzinie 1, 7, 13, 19. Przy wykorzystaniu wartości liczbowych średnich dobowych należy zawsze pamiętać, że operujemy pewną „fikcją” statystyczną, jak gdyby w każdej sekundzie każdej godziny podczas całej doby występowała identyczna temperatura. W dniach charakteryzujących się małą różnicą między najwyższą i najniższą wskazywaną przez termometry temperaturą różnice pomiędzy średnią i rzeczywistymi wartościami dla poszczególnych godzin są znacznie mniejsze. Powierzchnia terenu pochłania największe ilości energii pomiędzy godziną 11 a 13, w tym czasie następuje największe ogrzanie powietrza przy ziemi, w klatce meteorologicznej na wysokości 2 metrów najwyższa temperatura występuje dopiero o godzinie 14.

Średnie godzinne wartości temperatur z długiego okresu pomiarów wskazują na istnienie ogólnych prawidłowości dobowego przebiegu temperatur. Najwyższe sumy promieniowania występują około godziny 12, zaś maksima temperatury około godziny 14. Przekazywanie ciepła od atmosfery do powierzchni rozpoczyna się po zachodzie słońca i kończy przed wschodem. Dobowy przebieg przeciętnych wielkości temperatury wskazuje na ścisły związek z wielkością promieniowania i dowodzi o specyfice wymiany cieplnej w przygruntowej warstwie atmosfery, gdyż pomiędzy godziną najwyższych temperatur powierzchni a momentem osiągnięcia wartości maksymalnej temperatury na wysokości 2 m występuje opóźnienie, co najmniej 2 godziny.

• Roczny przebieg temperatury

Średnią dobową wylicza się z 4 pomiarów podczas każdej doby. Średnia miesięczna dla danego miesiąca jest wypadkową liczby pomiarów od 112, dla miesiąca o 28 dniach, do 124, dla miesiąca o 31 dniach. Średnia wieloletnia np.: dwudziestoletnia obejmuje wynik ze zbiorów od 2240 do 2840 pomiarów. Posługując się wartościami średnich wieloletnich temperatur musimy pamiętać o tym, że przyjmujemy, iż w każdej sekundzie każdej godziny, każdej doby w danym miesiącu istniała przez 20 lat taka sama temperatura o wielkości liczbowej odpowiadającej średniej.

Linie łączące punkty na mapie o takich samych wartościach temperatur nazywamy izotermami. Zmiany temperatury powietrza związane z dobowym i rocznym przebiegiem promieniowania słonecznego nazywamy okresowymi. Przemieszczanie ciepłych lub chłodnych mas powietrza oraz zaburzenia w przeciętnym przebiegu bilansu promieniowania, spowodowane zmianami zachmurzenia lub opadami są głównymi przyczynami, odmiennego od przeciętnych przebiegów zmian temperatury powietrza. Zmiany wywołane takimi czynnikami nazywamy nieokresowymi, np.: zahamowanie wzrostu temp. w maju tzw. „zimni święci” lub powstrzymanie spadku temperatury we wrześniu tzw. „złota polska jesień” lub „babie lato”.

Podczas wiosny i jesieni zdarzają się przymrozki występujące, gdy temperatura minimalna jest niższa od 0°C, zaś średnie dobowe wyższe od tej wartości. Dzielimy je na dwa rodzaje:

-radiacyjne związany z silnym wypromieniowaniem długofalowym i występuje na ogół lokalnie w formach terenu sprzyjających gromadzenia się oziębionego powietrza.

-adwekcyjne są spowodowane napływem zimnych mas powietrza i obejmują duże obszary.

• Zmiany temperatury w przekroju atmosfery

Prawie połowa całej atmosfery znajduje się w warstwie sięgającej od powierzchni Ziemi do wysokości 5 km, na warstwy zaś położonej powyżej 15 km przypada tylko około 10% ogólnej masy.

Na podstawie charakterystycznych cech fizycznych wyodrębniono w atmosferze poszczególne jej piętra. Najbliżej powierzchni ziemi znajduje się troposfera, występuje w niej bardzo duża zmienność temperatur powietrza, jednakże zaznacza się spadek temperatury związany ze wzrostem wysokości ponad powierzchnia Ziemi. W średniej troposferze 1-6 km n.p.Z. przeważają poziome ruchy powietrza i w niej powstaje większość rodzajów chmur. Górna troposfera, powyżej 6 km, wykazuje stale temperaturę poniżej 0°C. Występują tam wiatry zachodnie o dużych prędkościach. W następnej warstwie, tropopauzie i części następnej, czyli stratosferze następuje zanik tendencji do obniżania się temperatury. Pomimo wzrostu wysokości utrzymuje się tam stała temperatura -55°C. w miarę wznoszenia się ku górze następuje na wysokości 44 km wzrost temperatury i dochodzi ona do +33°C. Wewnątrz stratosfery występuje w warstwie 25-40 km znaczna koncentracja drobin ozonu, który pochłania w znacznej mierze promieniowanie ultrafioletowe. Stratosfera przechodzi w stratopauzę (50-60 km), następnie mezosferę (60-80 km), powyżej której występuje termosfera (80 do kilkuset km), gdzie występują temperatury 100°C-1000.

LITERATURA

- Bac Stanisław , Rojek M

„Meteorologia i Klimatologia w Inżynierii Środowiska”

AR Wrocław 1999

---