Методика лабораторной работы и описание установки

СОДЕРЖАНИЕ

Цель работы…………………………………………………………………….….3

1. Теоретические сведения…………………………………………………….....3

2. Методика лабораторной работы и описание установки…………………….8

3. Порядок выполнения работы………………………………………………….9

4. Порядок проведения расчетов………………………………………………..10

5. Пример выполнения расчетов………………………………………………..11

6. Содержание отчета……………………………………………………………14

7. Контрольные вопросы………………………………………………………...14

Библиографический список……………………………………………………..15

ПРИЛОЖЕНИЕ А………………………………………………………..……....16

Цель работы

Цель работы: ознакомление с методикой измерения количества осадков, а также современным метеорологическим оборудованием, которое используется при этом.

Теоретические сведения

Атмосферными осадкаминазывают капли воды и ледяные кристаллы, выпадающие из облаков на земную поверхность или образующиеся на ней в результате конденсации водяного пара, находящегося в воздухе.

Основные характеристики атмосферных осадков – их интенсивность, тип и вид. Интенсивность – количественная характеристика атмосферных осадков.

Интенсивность осадковопределяется высотой столба воды, который мог бы образоваться после их выпадения в единицу времени на ровную, не впитывающую поверхность и перехода в жидкую фазу (без испарения). Поэтому единицами измерения интенсивности атмосферных осадков являются мм в минуту, мм в час, мм в сутки, мм в год.

При осадках малой интенсивности за час выпадает менее 1 мм осадков. При осадках высокой интенсивности за час выпадает более 10 мм.

Тип и вид – качественные характеристики атмосферных осадков. Их тип определяется интенсивностью и продолжительностью.

Обложные осадки - это осадки, распространяющиеся на большие площади и имеющие малую, либо среднюю интенсивность. Как правило, это осадки устойчивых воздушных масс. К обложным осадкам обычно относят дождь, морось, снег и наземные осадки. Ливневыми осадками могут быть дождь, снег, град и крупа.

Наиболее полезны для растений и животных обложные осадки, обеспечивающие равномерное и умеренное увлажнение подстилающей поверхности. При обложных осадках практически вся выпавшая влага усваивается растительностью и вновь испаряется в атмосферу, не образуя поверхностного стока.

Ливневые осадки - это осадки высокой интенсивности, выпадающие кратковременно, на ограниченной территории. Ливневые осадки обычно типичны для неустойчивых воздушных масс и холодных фронтов.

Влага, поступающая на земную поверхность при ливневых осадках, значительно в меньшей степени усваивается растениями и почвой, чем при осадках обложных. Более того, выпадение ливневых осадков зачастую наносит существенный экологический ущерб, вызывая эрозию почв, образование резких паводков на реках и ручьях, ломая деревья, убивая людей и животных, попавших в зону наводнений.

Виды атмосферных осадков определяются в зависимости от агрегатного состояния образующей их воды и места образования. По видам атмосферные осадки делятся на жидкие, твердые и наземные.

К жидкиматмосферным осадкам относятся дождь и морось.

К твердымотносятся снег, крупа и град.

К наземнымотносятся роса, иней, твердый налет, жидкий налет, изморозь, а также гололед.

Экологическая роль атмосферных осадковсостоит в том, что:

1. Замыкают биогеохимическнй круговорот воды в природе, возвращая на земную поверхность, испарившуюся с нее влагу.

2. Благодаря атмосферному переносу обеспечивают увлажнение районов нашей планеты, лишенных иных источников влаги. Тем самым в подобных районах смягчается климат, развивается богатая и разнообразная флора и фауна, формируются реки, озера, болота, а также подземные воды.

3. Транспортируют на подстилающую поверхность из атмосферы жидкие или твердые примеси, как образовавшиеся на других участках поверхности, так и возникшие в результате химических реакций в воздушной среде и атмосферном аэрозоле.

4. Вымывают из приземного слоя атмосферы частицы аэрозоля и газообразные вещества, что приводит к его очищению

5. Вызывают водную эрозию почв, опасные природные явления (наводнения, селевые потоки, снежные заносы, лавины, обрывы линий электропередач, превращают тротуары и автодороги в катки).

6. Участвуют в процессе почвообразования.

Особенности жидких атмосферных осадков.Как уже отмечалось выше, к жидким атмосферным осадкам относятся дождь и морось, при которых земной поверхности достигают, сформировавшиеся в облаках капли воды. К ним относятся и ледяные дожди, состоящие из переохлажденных капель воды, которые при столкновении с любыми препятствиями превращаются в лед.

Происхождение этих видов осадков одинаково: они образуются в водяных облаках в результате процессов конденсации водяного пара и коагуляции.

Различают дождь и морось лишь по величине средних диаметров выпадающих капель.

Капли дождя имеют диаметры от 0.5 до 6 мм. Капли дождя, имеющие диаметры близкие к 6 мм, при падении меняют свою форму, сплющиваются, пульсируют и распадаются на более мелкие. Капли малого диаметра имеют сферическую конфигурацию. Скорость падения мельчайших капель дождя составляет 4 м/с, а самых крупных- 9.17 м/с.

Капли мороси имеют диаметры от 0.05 до 0.5 мм. Эти капли оседают значительно медленнее, по сравнению с дождевыми. Скорость самых мелких не превышает 0.3 м/с, а самых крупных-4 м/с.

При выпадении дождя встречаются капли различного размера. Как правило, самые крупные капли встречаются редко, самые мелкие - часто. Число самых крупных капель растет с увеличением интенсивности дождя.

Так, при слабом дожде, дающем 0.5 мм осадков в час, в 1 м³ воздуха содержится в среднем 1250 капель диаметром менее 0.25 мм и всего две капли диаметром более 1.5 мм. При сильном дожде, дающем 10 мм осадков в час, в 1м³ воздуха содержится 3400 капель диаметров менее 0.25мм и 60 капель диаметром более 1.5 мм.

Распределение капель дождя по их диаметрам описывается выражением:

, (1)

где - доля общего объема воды приходящаяся на капли радиусом менее ; - параметр, зависящий от интенсивности дождя (при интенсивности 0.5 мм/час а=1.1мм; при интенсивности 10 мм/час а=2.2мм); .

Особенности твердых атмосферных осадков.Снег и крупа - разновидности твердых атмосферных осадков. В таком виде выпадает значительная часть осадков на нашей планете. Очень много снега выпадает в горах.

Снежинки образуются в холодных смешанных облаках высоко над землей. На очень больших высотах, где температура доходит до -40 С⁰, водяной пар, занесенный туда ветром, может внезапно замерзнуть, формируясь в кристаллики льда.

К настоящему времени известно более 5000 различных конфигураций снежинок. Наиболее распространены пластинчатые формы, в том числе красивые и сложные по конфигурации звездочки. К ним относится около 90% всех снежинок.

Установлено, что конфигурация снежинок связана с условиями, в которых они образовались. Процессы формирования конфигураций снежинок пока изучены недостаточно. Лишь о двух из них имеются некоторые представления.

Заиневение снежинки- это процесс ее роста, при котором она покрывается (чаще с одной стороны) множеством отдельных, хаотично расположенных микрокристаллов льда, маскирующих ее истинную форму. Заиневение происходит за счет переконденсации. Около 63% встречающихся снежинок имеют следы заиневения.

Обзернение снежинки- это процесс ее роста за счет намерзания на нее переохлажденных капель воды диаметром от 10 до 80 μκ. Обзернение, по сути, есть коагуляция снежинки с переохлажденными водными каплями в смешанных облаках. Около 58% снежинок имеют следы обзернения. Так как капли содержат растворенные соли, кислоты и другие примеси, благодаря обзернению, снег содержит заметное количество этих веществ, достигающее 1 мг примесей на 1 кг снега.

Наиболее крупные снежинки достигают диаметра 10 мм и весят до 0.06 мг. При таянии из них могут образовываться капли мороси диаметром 0.5 мм.

Снежинки могут слипаться (коагулировать) в снежные хлопья, размеры которых доходят до 8-10 см. При их таянии могут возникать капли дождя диаметром до 6мм.

Крупа образуется в результате кристаллизации переохлажденных капель воды.

Особой формой выпадения твердых атмосферных осадков является метель. При метели ветер переносит снежинки, их обломки и крупу вдоль земной поверхности на большие расстояния. При метели может происходить снегопад. В этом случае метель называется верховой. Если при метели снегопад отсутствует - то она называется низовой. Если перенос снега происходит непосредственно по земной поверхности, такая метель называется поземкой.

Заметный перенос снега в приземном слое высотой до 2 м возникает уже при скоростях ветра 4 м/с. С усилением ветра интенсивность переноса снега и толщина слоя, охваченного этим процессом растет. При ветре 16 м/с интенсивность переноса снега метелью может достигать 27 г/мин через площадку 1 см².

При поземке и низовой метели 97% переносимого снега перемещается в приземном слое толщиной до 20 см. При верховых метелях в этом слое переносится 93% снега.

Взаимодействие ветра с неровностями рельефа создает зоны затишья, где накапливается снег (лощины, балки лес, гребни гор).

Град - явление выпадения из облаков вертикального развития атмосферных осадков в виде градин - частиц или крупных кусков слоистого льда разнообразной формы и строения. Град всегда выпадает летом. Он повреждает растения, пугает и убивает животных. После его выпадения земля покрывается слоем льда, что приводит к резкому понижению температуры воздуха и почвы.

Градины чаше всего имеют диаметр от 6 до 20 мм. Известны случаи выпадения градин диаметром 75 мм.

Особенности наземных атмосферных осадков.К наземным атмосферным осадкам, относят их формы, образующиеся непосредственно на земной поверхности. Это роса, иней, твердый или жидкий налет, изморозь и гололед.

Росойназывают мелкие капли воды, образующиеся ночью на поверхности земли, траве, листьях растений и наземных предметах, благодаря конденсации на них водяного пара из приземного слоя воздуха. Она бывает наиболее обильной на открытых горизонтальных поверхностях.

Роса образуется иногда в слое влажной почвы. Ее здесь находят на нижней стороне свободно лежащих камней.

Для появления росы благоприятно радиационное охлаждение земной поверхности в ясные безветренные ночи. В умеренном климате роса наблюдается летом. В тропическом климате она бывает круглый год.

По сравнению с дождем, роса приносит ничтожное количество влаги. В Москве - росы выпадает всего до 2 мм за лето, но эта влага практически полностью используется растениями.

В пустынях роса - едва ли не единственный источник влаги.

Иней- белый кристаллический осадок, образующийся в морозные, тихие, ясные ночи на траве, земной поверхности, крышах, листве. Он возникает подобно росе, но при отрицательной температуре воздуха. Наиболее интенсивно образование инея происходит на предметах с малой теплопроводностью.

Твердый и жидкий налет- форма наземных атмосферных осадков, которая образуется при наступлении теплого и влажного воздуха на холодную подстилающую поверхность. Зимой это приводит к образованию на камнях, деревьях, зданиях ледяной корки. Летом (при температурах выше 0 С⁰ ) камни, здания трава и деревья становятся мокрыми.

Изморозь- форма твердых наземных атмосферных осадков, возникающая при ветре. Она может быть двух видов - зернистая и кристаллическая.

Зернистая изморозь- отложение сравнительно рыхлого льда при быстром замерзании переохлажденных капель тумана. Она отлагается преимущественно с наветренной стороны предметов и "сидит" на них очень плотно. В горах зернистая изморозь отлагается огромными массами толщиной единицы метров.

Кристаллическая изморозь- отложение ледяных кристаллов на тонких ветвях или проводах путем непосредственной сублимации водяного пара. Она отлагается всегда с наветренной стороны и легко осыпается. При сильных морозах кристаллическая изморозь возникает и при отсутствии тумана - сама собой - прямо из воздуха.

Изморозь, если она плотная и массивная, может быть опасным метеорологическим явлением, вызывая обрывы проводов, ломая ветви деревьев, опоры и столбы.

Гололед- отложение плотного льда на наземных предметах из переохлажденного дождя или мороси. Переохлажденные капли, гонимые ветром, соприкасаясь с ветвями деревьев и земной поверхностью, замерзают. С наветренной стороны подобных препятствий образуется отложение прозрачного пли матового льда. Он возникает в умеренных шпротах только в зимний период, в полярных широтах возможен круглый год.

Гололед наблюдается чаще всего при температурах от -1 до –6 С⁰. При более низких температурах водность туманов резко уменьшается и гололед слабеет. Он часто образуется при приближении теплого фронта и располагается в холодном воздухе перед фронтом.

Методика лабораторной работы и описание установки

Целью лабораторной работы является ознакомление с методикой измерения количества осадков, а также современным метеорологическим оборудованием, которое используется при этом.

Для ее достижения решаются следующие задачи:

1. Ознакомление с принципом действия цифровой метеостанции RSTO 1923, а также и методикой ее применения для измерения количества осадков.

2. Осуществление измерений количества осадков, создаваемого в лабораторных условиях эталонным источником.

Общий вид цифровой метеостанции RSTO 1923, приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Общий вид метеостанции RSTO 1923

Метеостанция RSTO 1923, изображенная на рисунке 1, состоит из основного блока с дистанционным управлением, а так же набора автономных радио­датчиков, которые собирают и передают на основной блок информацию о значениях измеряемых характеристик состояния атмосферы. Среди этих характеристик данные об интенсивности жидких атмосферных осадков в точке, где располагается соответствующий датчик. Основной блок работает при следующих режимах:

I. Режим давления и прогноза погоды.

II. Режим ультрафиолетового излучения.

III. Режим часов и будильника (вверху). Режим восхода/заката Солнца (внизу).

IV. Режим температуры и влажности.

V. Режим дождя.

VI. Режим ветра.

Рассмотрим режим дождя V на рисунке 2.

Рисунок 2 - Режим дождя на метеостанции RSTO 1923

Основной блок записывает количество осадков, выпавших за последний час, 24 ч, вчера, предыдущую неделю и предыдущий месяц. Единица измерения количества осадков может быть выбрана мм или дюйм. Основной блок имеет функцию сигнализации дождя, если суточное количество осадков превышает установленный предел.

При выполнении лабораторной работы помимо метеостанции RSTO 1923 используется лейка с водой, при помощи которой формируется искусственный дождь с неизменными характеристиками, рассматриваемый как модель реального дождя. Применение в процессе лабораторной работы такого источника обеспечивает повторяемость и воспроизводимость получаемого в ней результата.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: