A - 1

A.a.

SKALE TEMPERATURY

Najbardziej znanymi skalami termometrycznymi są skale:

1-Celsjusza	2-Fahrenheita	3-Kelvina	4-Réaumura
A. Celsjus [1701-1744] astronom i fizyk szwedzki	G.D. Fahrenheit [1686-1736] fizyk niemiecki ur. W Gdańsku	Lord Kelvin, tytuł nadany W. Thom-sonwi [1824-1907] fizykowi i mate-matematykowi angielskiemu	R.A. Ferchauld de Réaumur [1683-1757] fizyk francuski

Proszę zwrócić uwagę, że wszystkie skale powstały w ciągu 200 lat. Skale 1,2 i 4 są oparte na charakterystycznych tzw. punktach termometrycznych: wrzenia wody i topnienia lodu (więcej o skali 1 - 3 na wykładzie). U nas powszechnie stosuje się skalę 1, w fizyce - skalę 3, w Stanach Zjednoczonych - skalę 2, czasami we Francji (i dawnych koloniach) pokutuje jeszcze skala 4, o skali 5 brak bliższych informacji. My będziemy odnosić się do skali Celsjusza, której związek z innymi skalami jest następujący:

C=K-273 K=C+273

C=5/9(F-32) F=9/5C+32

C=5/4R R=4/5C

Zadanie: Pamiętając o kolejności działań proszę uzupełnić tabelę:

L.p.	C	K	F
1	343,0	?	?
2	-48,3	?	?
3	?	?	-31,0
4	?	279,6	?
5	?	348,0	?
6	?	?	-4,0
7	88,9	?	?
8	?	?	6,8
9	?	?	95,0
10	20,0	?	?
11	-0,6	?	?
12	?	398,5	?
13	-500,0	?	?

A.b.

POZIOMY I PIONOWY GRADIENT TEMPERATURY POWIETRZA

Pamiętamy ze szkoły (zresztą o tym będziemy jeszcze mówić później), że temperatura spada w miarę wzrostu wysokości. W powietrzu suchym przyjmuje się pionowy gradient γ_s=1,0°/100m, w powietrzu wilgotnym γ_w=0,6°/100m. Wynika z tego, że jeśli wzniesiemy się o 1 km, to w powietrzu wilgotnym temperatura będzie o 6° niższa (w suchym o 10°).

Przyjmijmy teraz delikatnie, że na równiku zmierzono 30°, a na biegunie -30°. Zatem poziomy gradient temperatury dla powietrza wilgotnego na kuli ziemskiej wynosi 60°/10000km, tj. 6°/1000km.

Pytanie: Który gradient temperatury jest większy: pionowy czy poziomy? Ile razy?

Zadanie: Proszę uzupełnić tabelę i odpowiedzieć na pytania umieszczone poniżej.

L.p.	Powietrze	Wys.1	Temp.1	Wys.2	Temp.2
1	Suche	0	-7	1200	?
2	Suche	?	3	2100	-8
3	Suche	1300	?	400	9
4	Suche	500	18	?	25
5	Suche	?	-3	0	21
6	Suche	100	?	500	22
7	Wilgotne	?	37	800	32,2
8	Wilgotne	0	-7	1200	?
9	Wilgotne	100	12	?	7,8
10	Wilgotne	400	?	1200	11,8

Pytanie: Jeżeli w powietrzu suchym na Wys.1 Temp.1 wynosi 5°C, a na Wys.2 Temp.2 wynosi -5°C, to jaka jest różnica wysokości?

Jeżeli w powietrzu wilgotnym na Wys.1 Temp.1 wynosi -4,8°C, a na Wys.2 Temp.2 wynosi 0°C, to jaka jest różnica wysokości?

A.c.

JEDNOSTKI CIŚNIENIA

Dawniej powszechnie stosowaną jednostką były milimetry słupa rtęci (mmHg), potem wprowadzono równorzędne jednostki w układzie CGS, gdzie jednostką siły jest dyna [gram*cm/s²], a jednostką ciśnienia dyna/cm² = [gram*cm/s²*cm²] = [gram/s²*cm]. Jej wielokrotność nazwano barem (albo milibarem). Obecnie po wprowadzeniu Międzynarodowego Systemu Jednostek SI, nastąpiły duże zmiany w wyrażaniu wartości ciśnienia atmosferycznego i jego zmian. Rozpatrzmy kolejno powiązania tych miar na przykładzie ciśnienia, które odpowiada 760 mm słupa rtęci (nazywanego niekiedy ciśnieniem normalnym), w rurce barometru o przekroju jednostkowym, w następujących krokach:

1. Objętość V_Hg powierzchnia*wysokość, czyli s*h

1cm²*76cm=76cm³

2. Masa M_Hg: objętość*gęstość, czyli ρ*V

76cm³*13,6g/cm³=1033,3g

3. Ciężar C_Hg: masa*przyspieszenie ziemskie, czyli M*g

1033,3g*980,6cm/s²=1013250dyn

4. Ciśnienie P_Hg: ciężar/powierzchnia, czyli C/s

P = 1013250dyn/cm²

1 000 000 dyn/cm² = 10⁶dyn/cm² = 1 bar

1 000 dyn/cm² = 10³dyn/cm² = 1 mb

760mmHg = 1013,25mb

1mmHg = 4/3mb i 1mb = 3/4mmHg ⁾

Pa [N/m²] = [kg*m/s²*m²] = kg/s²*m = 10³g/s²*10²cm = 10 g/ s²*cm

mb [10³dyn/cm²] = 10³g*cm/s²*m = 10²(10g/s²*cm) = 100 Pa

1milibar = 1hektopaskal 1mb = 1hPa

Zamieniając jednostki np. 747mmHg na hPa, dusimy kalkulator następująco: najpierw 747, mnożymy to przez 4 i potem dzielimy przez 3 i odczytujemy wynik 996, bo stosujemy ułamek zwykły. Zamieniając np. 1018hPa na mmHg musimy 1018 pomnożyć przez 3 i podzielić przez 4 i odczytać wynik 763,5, chociaż tu można zastosować ułamek dziesiętny.

I tak jest prawidłowo.

Zadanie: Proszę uzupełnić kolejną tabelę:

L.p.	mmHg	hPa
1	?	960
2	?	1004
3	795	?
4	748	?

A.d.

PIONOWE ZMIANY CIŚNIENIA

Ze schematu przedstawiającego pionowy przekrój przez atmosferę, wynikało, że ciśnienie (podobnie jak temperatura powietrza) bardzo szybko spada ze wzrostem wysokości. Przyjmijmy (pomijając warunki wstępne), że trzeba tylko 8 metrów, aby ciśnienie spadło o 1hPa. Jeśli ktoś mieszka na 10. piętrze, niech pamięta o tym, porównując wskazana swojego barometru ze wskazaniami barometru u sąsiada z parteru.

Zadanie: Proszę uzupełnić ostatnią na dziś tabelę:

L.p.	Wys.1	Ciśn.1	Wys.2	Ciśn.2
1	0	985	320	?
2	0	1045	?	920
3	100	?	500	960
4	?	1020	260	985
5	200	970	?	910

Pytanie: Jeżeli na jednej wysokości ciśnienie wynosi 980 hPa, a na innej wysokości

tylko 880 hPa, to jaka jest różnica wysokości?

A.e.

POMIARY PROMIENIOWANIA

Do pomiarów promieniowania słonecznego, zwanych pomiarami aktynometrycznymi służą pyranometry różnych odmianach, w zależności jaki rodzaj promieniowania (bezpośrednie, rozproszone odbite) się mierzy. Szerokie zastosowanie mają ponadto albedomierze.

Najpopularniejszym wskaźnikiem charakteryzującym warunki solarne w danym miejscu jest usłonecznienie, czyli czas trwania bezpośredniego promieniowania słonecznego (nie mylić z insolacją). Z definicji wynika, że jednostką są godziny (z dokładnością do części dziesiątych). Przyrządem jest tu heliograf (ponieważ nie mierzy, tylko rejestruje). Gdy w ciągu dnia chmury zasłonią słońce - heliograf przerywa na ten czas rejestrację. Możemy wtedy mówić o usłonecznieniu bezwzględnym, rzeczywistym, wykazanym tylko przez przyrząd. Istnieje jeszcze usłonecznienie względne tj. stosunek usłonecznienia bezwzględnego do potencjalnego (maksymalnego możliwego czasu trwania usłonecznienia od świtu do zmierzchu). Wyraża się go liczbą niemianowaną, lub ułamkiem właściwym lub w procentach.

A.f.

POMIAR TEMPERATURY

Do pomiaru temperatury używa się termometrów. Najpowszechniej stosowane są termometry rtęciowe, cieczowe, termometry elektryczne oporowe i bimetaliczne. W dwóch pierwszych rodzajach wykorzystuje się właściwości rozszerzalności termicznej substancji płynnej, w zbiorniczku przenoszone do cienkiej rurki zwanej kapilrą, na tle której umieszczona jest podziałka. Termometry oporowe wykorzystują zmiany oporności elektrycznej metalu, jakie zachodzą przy zmianach temperatury. Zasada działania termometrów bimetalicznych opiera się o różnice stopnia rozszerzania się i kurczenia (różne współczynniki rozszerzalności cieplnej) dwóch różnych metali lub stopów skutkiem zmiany temperatury. Wychylenie wskaźnika przekłada się na temperaturę.

Termometry mają budowę prostą, mogą też być zakrzywione (gruntowe-kolankowe), elektryczne wymagają zasilania i przetwornika. Obecnie stosuje się termometr elektroniczny (tzw. sondę termowilgotnościową), zaś termometry tradycyjne są przyrządami zapasowymi.

Należy pamiętać, że temperaturę powietrza zawsze mierzymy w cieniu. Jeśli promieniowanie słoneczne pada bezpośrednio na czujnik i tam zachodzi przemiana energii promieniowania na energię cieplną - mamy temperaturę termometru, a nie otoczenia.

Termometry obejrzymy na stacji meteorologicznej.

A.g.

POMIAR CIŚNIENIA

Do pomiaru ciśnienia używa się barometrów. Barometry rtęciowe działają na zasadzie równoważenia ciśnienia atmosferycznego ciśnieniem wywieranym przez słup rtęci, którego wysokość jest zależna dodatkowo od temperatury oraz przyspieszenia ziemskiego. Rtęć znajduje się w długiej rurce, gdzie wysokość słupa jest zmienna - można ją odczytać na podziałce (w ciśnieniu normalnym miałby długość 76cm).

Dla celów meteorologicznych, tj. możliwości porównywania ciśnienia, redukuje się je do temperatury 0°C, wysokości 0 m npm. i ciężkości normalnej. Inny rodzaj barometrów - aneroidy często wiszą w domach na ścianach. Składają się z hermetycznie zamkniętej płaskiej puszki, wykonanej ze sprężystego materiału, wewnątrz której jest próżnia (albo półpróżnia) oraz systemu sprężyn i dźwigni. W każdej chwili między siłą sprężyn a siłą wywieraną przez ciśnienie zewnętrzne ustala się równowaga. Siła ta przenoszona jest na podziałkę barometru. Na tej samej zasadzie skonstruowany jest barograf, a także czujniki barometrów elektronicznych, jakie obecnie stosuje się na sieci pomiarowej (czujnikiem jest tu również puszka Vidi'ego albo ich zespół dla zwiększenia dokładności).

Barometry i barograf obejrzymy na stacji meteorologicznej.

¹⁾ To równanie ma jedynie uzmysłowić, że mmHg jest jednostką większą od hPa o 1/3 i odwrotnie, że hPa jest mniejszy o 1/3 od mmHg. Dlatego to samo ciśnienie w mmHg wyraża się mniejsza liczbą od podanego w hPa. Zamieniając jednostki nie podstawiamy danych pod tę zależność.

---