Атмосферное давление
Утверждено на заседании модуля нормальной физиологии Протокол № 4 от 31 октября 2014г Руководитель модуля нормальной физиологии Рослякова Е.М. Атмосферное давление 2.1.Общая характеристика Атмосферное давление — это сила, действующая на единицу поверхности, то есть атмосферное давление в каждой точке равно массе вышележащего столба воздуха с основанием, равным единице. Единицей давления является Паскаль (Па), равный силе в 1 Ньютон (Н), действующей на площадь в 1 м2 (1 Па = 1 Н/м2). В метеорологии давление выражают в гектопаскалях (гПа) с точностью до 0,1 гПа. 1 гПа = 100 Па. До недавнего времени в качестве единицы давления использовали миллибар (мб) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). Существующие приборы для измерения давления имеют шкалы также в разных единицах. Соотношение между этими единицами следующее: 1 мм рт. ст. = 1,33 мб = 1,33 гПа. 1 гПа = 1 мб = 0,75 мм рт. ст.; Атмосферное давление измеряется на всех метеорологических станциях. Для составления приземных синоптических карт, отражающих состояние погоды в данный момент времени, давление на уровне станции приводят к величине давления на уровне моря, что позволяет выделить области высокого (антициклоны) и области низкого давления (циклоны), а также нанести атмосферные фронты. Среднее давление на уровне моря, определяемое на широте 45º при температуре воздуха 0ºС составляет 1013,2 гПа. Эта величина принимается за стандартную и ее называют «нормальным давлением». Для измерения атмосферного давления применяются следующие приборы: — барометр станционный чашечный ртутный СР-А (для диапазона 810—1070 гПа, характерных равнинам) или СР-Б (для диапазона 680—1070 гПа, наблюдаемых на высокогорных станциях); — барограф метеорологический М-22А. Ртутные барометры являются наиболее точными и используются, как правило, для измерения атмосферного давления на метеорологических станциях. Они должны находиться в помещении в специально оборудованных шкафах. В целях техники безопасности доступ к ним ограничен: ими могут работать только специально подготовленные наблюдатели. Барометры-анероиды являются наиболее распространенным прибором для измерения давления воздуха как на метеорологических станциях, так и на географических стационарах и в маршрутных исследованиях, в частности, используется при барометрическом нивелировании. Барограф М-22Априменяется для непрерывной регистрации изменений атмосферного давления. Они изготавливаются двух типов: 1) М-22АС – для регистрации суточного изменения давления и 2) М-22АН – для регистрации изменения давления в течение недели. 2.2. Устройство и принцип действия приборов
В верхней части чашки имеется отверстие, через которое чашка сообщается с наружным воздухом. Отверстие в необходимых случаях закрывается винтом 3. Воздух в верхней части стеклянной трубки отсутствует, поэтому под действием Рис. 2.1. атмосферного давления на поверхность ртути в чашке столбик Чашечный ртути поднимается в трубке до определенной высоты. Масса барометр столба ртути равна величине атмосферного давления. Стеклянная трубка защищена металлической оправой, на которой нанесена шкала в паскалях (или в миллибарах). В верхней части оправы имеется продольный прорез для наблюдений за положением столбика ртути в трубке. Для точного отчета положения мениска ртути (десятых долей внутри оправы) находится кольцо с нониусом, перемещаемым вдоль шкалы с помощью винта 4. Шкала для определения десятых долей называется компенсированной шкалой. Вся шкала предохраняется от загрязнений стеклянным кожухом. Для учета влияния температуры окружающей среды на показания барометра в средней части оправы вмонтирован термометр, по показанию которого вводится температурная поправка. Для исключения искажения в показаниях ртутного барометра к отсчету вводится ряд поправок: инструментальная, температурная и поправки на ускорение силы тяжести в зависимости от широты места и высоты над уровнем моря. Инструментальная поправка вводится для учета неточностей в показаниях барометра из-за изменения физических свойств кожуха, неточной пригонки шкалы, изменения радиуса трубки и т.д. Инструментальную поправку определяют путем поверки данного прибора с эталоном в барокамере и вписывают в паспорт (сертификат) прибора. Температурная поправка приводится либо к температуре воздуха 0ºС, либо к 20ºС, в зависимости от климатических условий. Известно, что при повышении температуры ртуть расширяется, плотность ее уменьшается, и высота ртутного столба оказывается завышенной по сравнению с наблюдениями при заданных температурах. В итоге, температурная поправка при температуре, к примеру, выше нуля будет иметь знак минус, а при температурах ниже нуля – плюс. Поправки на ускорение силы тяжести. Ускорение силы тяжести, определяемое расстоянием от центра Земли, имеет наибольшее значение на полюсах, наименьшее – на экваторе. Кроме того, оно уменьшается с удалением вверх от уровня моря. Для сравнения величин атмосферного давления, полученных на разных широтах и на различных высотах над уровнем моря, их приводят к стандартной силе тяжести. За стандартное значение принято ускорение силы тяжести на широте 45º и на уровне моря. Следовательно, в низких широтах (от 0 до 45º), показания ртутного барометра оказываются завышенными, а в высоких – (от 45º до 90º) заниженными по сравнению с широтой 45º. По мере поднятия выше над уровнем моря показания также будут несколько завышены. Таким образом, поправка на ускорение силы тяжести в низких широтах будет отрицательной, а в высоких широтах – положительной. На всех высотах выше уровня моря поправка на ускорение силы тяжести будет отрицательной. Рассчитанные поправки приведены в Приложениях 3 и 4. Барометр-анероид БАММ-1. Барометр-анероид БАММ-1предназначен для измерения атмосферного давления в наземных условиях (рис 2.2).
Рис.2.2. Общий вид барометра-анероида Чувствительным элементом барометра служит блок, состоящий из трех последовательно соединенных анероидных коробок. Принцип действия его основан на деформации мембранных анероидных коробок под действием давления и преобразования линейных перемещений мембран посредством передаточного механизма в угловые перемещения стрелки относительно шкалы. Приемником служит металлическая анероидная коробка А (рис. 2.3) с гофрированным дном и крышкой, из которой воздух полностью выкачивается. Пружина Б оттягивает крышку коробки и тем самым предохраняет ее от
Рис. 2.3 Схема барометра-анероида сплющивания давлением воздуха. При повышении давления атмосферы крышка будет вдавливаться внутрь коробки, а при уменьшении – она будет выгибаться вверх. При помощи системы рычагов эти незначительные колебания крышки коробки увеличиваются от 200 до 800 раз и передаются на стрелку В, перемещающуюся вдоль шкалы с делениями. Для создания постоянного натяжения цепочки на оси стрелка соединена спиральной пружиной (волоском) С. В некоторых типах современных анероидовроль пружины выполняют упругие крышки коробки. Приемник давления в таких анероидах состоит из 5-6 мембранных коробок. Для измерения температуры прибора в прорези шкальной пластины прикреплен дугообразный ртутный термометр, цена деления шкалы которого 1°С. Шкала барометра имеет круглую форму с делениями в паскалях. Цена одного деления 100 Па или 1 гПа. На некоторых анероидах шкала градуирована в миллиметрах ртутного столба с ценой деления 0,5 мм. Барометр-анероид устанавливают горизонтально на специальной подставке или на столе. Футляр, в котором находится анероид, открывают только на время измерений. При измерениях вначале отсчитывают температуру по термометру при анероиде с точностью до 0,1ºС. После этого, слегка постучав по стеклу анероида для преодоления трения в передающей части, отсчитывают положение стрелки относительно шкалы с точностью до 0,1 гПа или 0,1 мм рт. ст. Поправки к барометру – анероиду. В показания анероида вводят три поправки: шкаловую, температурную и добавочную. Шкаловая поправкаучитывает инструментальную неточность анероида, возникающую в результате технологических допусков при изготовлении прибора. В различных участках шкалы она может быть разной. В поверочном свидетельстве шкаловые поправки приводятся для всей шкалы через каждые 10 гПа или 10 мм рт. ст. Для промежуточных показаний поправку определяют путем интерполяции двух соседних поправок. Температурная поправка учитывает влияние температуры прибора. При одном и том же атмосферном давлении, но разной температуре прибора показания анероида могут быть разными, так как с изменением температуры упругость мембранных коробок не остается постоянной. Чтобы исключить влияние температуры, показания анероида приводятся к 0°С. Для этой цели определен температурный коэффициент К, представляющий собой изменение показания анероида при изменении температуры на 1 °С. Он указан в поверочном свидетельстве. Для получения температурной поправки Х его надо умножить на температуру прибора, то есть Х = КТ, где Т – температура прибора в °С. Добавочная поправка учитывает остаточную деформацию коробок по истечении некоторого времени. Поэтому в поверочном свидетельстве указывают дату ее определения. Добавочную поправку рекомендуется определять не реже одного раза в 6 месяцев, а при барометрическом нивелировании — до начала и после работы. Для определения добавочной поправки необходимо провести одновременные отсчеты по станционному чашечному барометру и анероиду (3—5 отсчетов). Разница между показаниями ртутного барометра с учетом всех поправок и анероида с двумя поправками (температурной и шкаловой) будет добавочной поправкой к анероиду. Вычислив все поправки и сложив их с учетом знаков, вносят общую поправку в отсчет анероида и определяют давление воздуха. Барометры-анероиды имеют широкое распространение, так как габариты их небольшие, они просты в обращении и удобны при транспортировке. При барометрическом нивелировании или при расчете превышения одного пункта над другим пользуются барометрической формулой Бабине: Н = 1600(1+α t ср.) (p1 – p2 / p1 + p2), где α – коэффициент расширения воздуха, равный 0,00366; t ср – среднее значение температуры воздуха, измеренной в нижней и верхней пунктах; p1 – давление в нижнем пункте; p2 – давление в верхнем пункте. Барограф М-22А. Барограф метеорологический предназначен для непрерывной регистрации во времени изменения атмосферного давления в наземных условиях. Принцип работы барографа основан на свойстве анероидных коробок реагировать на изменение атмосферного давления изменением своих геометрических размеров по высоте за счет деформации мембран. Барограф состоит из следующих основных узлов: приемника давления, представляющего собой комплект анероидных коробок, температурного компенсатора, передаточного механизма, содержащего систему рычагов с осями и тягами, регистрирующей части, включающей стрелку с пером и барабан с часовым механизмом, корпуса (рис. 2.4). Суммарная деформация мембран комплекта анероидных коробок, вызываемая изменением атмосферного давления, преобразуется при помощи
Рис. 2.4. Общий вид барографа М-22А передаточного механизма в перемещение стрелки с пером по диаграммному бланку (ленте), закрепленному на барабане с часовым механизмом. Барографы изготавливают двух типов: суточные – М-22АС и недельные – М-22АН. Регистрирующей частью барографа является барабан (с часовым механизмом внутри), на который надевается бумажная лента. На ленте барографа горизонтальные линии соответствуют атмосферному давлению в гектопаскалях (цена наименьшего деления 2 гПа), а вертикальные дуги — времени. В зависимости от скорости вращения барабана барографы бывают суточные и недельные. На суточных цена деления равна 15 мин, на недельных — 2 ч. Барограф устанавливают горизонтально на специальной полке или на столе недалеко от ртутного барометра. Во избежание резких колебаний температуры он должен быть удален от отопительных приборов и защищен от воздействия солнечных лучей. Перед установкой барографа арретиром (рамкой)отводят стрелку с пером, снимают барабан, заводят часовой механизм и на барабан накладывают бумажную ленту, на которой записывают дату и время установки. Перо наполняется специальными чернилами. После этого барабан надевают на неподвижный стержень, укрепленный на основании прибора. Поворотом рамки перо подводят к барабану так, чтобы положение его соответствовало времени и величине атмосферного давления (по барометру) в данный момент. При вращении барабана перо, касаясь ленты, оставляет на ней запись соответственно колебаниям атмосферного давления. Нажим пера регулируется поворотом рамки, укрепленной у основания стрелки. Во время работы прибора в сроки наблюдений на ленте нажатием на кнопку, расположенной в тыловой части, делают засечки для сравнения его показаний с показаниями барометра. В сроки наблюдений по записи барографа определяют барическую тенденцию за последние три часа и указывают в книжке наблюдателя.
2.3. Задания по теме Задание 1. Определение атмосферного давления по ртутному чашечному барометру. Прежде чем приступить к измерению давления воздуха с помощью чашечного барометра необходимо познакомиться с порядком выполнения задания.
|
Чашечный ртутный барометр. Прибор состоит из стеклянной заполненной ртутью калиброванной трубки. Верхний конец трубки 1 запаян, а нижний открытый конец погружен в чашку 2 со ртутью (рис. 2.1). Чашка прибора состоит из трех частей, соединяемых резьбой, средняя из которых имеет внутри диафрагму с отверстиями. Диафрагма затрудняет колебания ртути в чашке и тем самым предохраняет трубку от попадания в нее воздуха.
