Temperatura powietrza i gruntu

Temperatura
powietrza i
gruntu
Temperatura – wielkość określająca stan
cieplny ciał i decydująca o kierunku wymiany
cieplnej między tymi ciałami
•
Skale termometryczne:
1.
Farenheita – pierwsza skala, funkcjonuje do dziś w krajach anglosaskich
0o F – temperatura mieszaniny wody i salmiaku w jednakowych ilościach
Celsjusza (1742) ; skala 0oC-100oC gdzie:
0oC- temperatura topnienia lodu
100oC – temperatura wrzenia wody
Kelvina - 0K –objętość gazu doskonałego
0oC = 273 K
2.
3.
ToC= 5/9 (ToF –32)
ToF = 9/5ToC +32
ToC =TK –273,15
TK=ToC +273,15
• Uwaga !
ponieważ część z Państwa reprezentuje poziom
"alfizyków" - proszę bezwzględnie zapamiętać, że
temperatura i ciepło to nie to samo.
• Przykłady przeliczeń temperatury:
• -20°F; ile to °C?; 5/9 = 0.5555... (-20 - 32) = -52, -52 * 0.5555
= -28.9°C
• 80°F; ile to w °C? (80-32) = 48, 48 * 0.5555 = 26.7°C,
• Chory na statku ma temperaturę 39.8°C. Amerykanin z
MEDICAL-RADIO gdy to słyszy, twierdzi, że pomoc
medyczna jest już zbędna. Z jakiego powodu? Jaka jest
temperatura chorego w jednostkach, które byłyby zrozumiałe
dla amerykańskiego strażaka po przeszkoleniu medycznym
lub amerykańskiego lekarza? Liczymy: (1.8 * 39.8) = 71.64;
71.64 + 32 = 103.6°F.
Cóż, polski lekarz słysząc o takiej temperaturze chorego
(103.6°) też by zwątpił, przypuszczalnie w taktowny sposób
zwróciłby nam uwagę, że jesteśmy PPD (przygłupim pijanym
dowcipnisiem).
Przyrządy do pomiaru temperatury termometry
I. Termometry cieczowe
II. Termometry bimetaliczne
III. Termometry elektryczne:



- oporowe
- termistorowe
- termoelektryczne
Termometry cieczowe
Zasada działania - wykorzystuje się rozszerzalność cieplną cieczy
(długość słupka cieczy jest wprost proporcjonalna do temperatury)
Wykorzystywane ciecze : rtęć, alkohol, toluen
Termometry cieczowe – aparatura standardowa na stacji meteo.
Podział termometrów:
1. Termometr zwykły (stacyjny)
2. Termometry ekstremalne:
maksymalny minimalny
Lokalizacja- termometry te umieszczone
są na statywie w klatce meteorologicznej
Termometr zwykły
Przeznaczenie: pomiar chwilowej
temperatury powietrza
Ciecz termometryczna: rtęć
Zakres pomiarowy: od -38 oC do
+50 oC,
działka elementarna 0,2oC
Budowa:
 Zbiorniczek z rtęcią posrebrzany
 Kapilara połączona ze
zbiorniczkiem, wewnątrz kapilary
przesuwa się rtęć
 Skala z podziałką termometryczną
 Szklana osłona
•



Odczyt:
w terminach pomiarowych
z dokładnością do 0,1oC
z taka dokładnością (0,1oC )
zawsze podajemy temperaturę
 Przy odczycie linia od oka
prostopadła do skali
Lokalizacja:
Klatka meteorologiczna ,
w pozycji pionowej,
zbiorniczek 2 m n.p.g.
Na obszarach gdzie temperatura spada poniżej – 38 oC
stosuje się termometry alkoholowe lub toluenowe,
umożliwiających pomiar do –75 lub –90oC
• ( Niestety - zazwyczaj jest to któryś z alkoholi wielocząsteczkowych),
• Termometry cieczowe
• Wskazania termometru
- niewielkie niedokładności konstrukcyjne
błędy
świadectwo legalizacji
Poprawki do wskazań termometru dla kolejnych zakresów temperatury
• Termometry stacyjne, przed dopuszczeniem do użytku są sprawdzane w
komorach termicznych, gdzie ich wskazania są porównywane ze wskazaniami
termometrów wzorcowych. Na podstawie tych porównań dany termometr
otrzymuje świadectwo cechowania (dopuszczające do użytku) oraz tabelę
poprawek instrumentalnych (patrz: poprawka instrumentalna).
Termometry ekstremalne1.Termometr maksymalny
Przeznaczenie: pomiar najwyższej
(maksymalnej) temperatury
powietrza, jaka wystąpiła w ciągu Budowa:
doby
 Zbiorniczek z rtęcią , w jego dnie
wtopiony jest szklany pręcik,
Ciecz termometryczna: rtęć
wchodzący swoim końcem do kapilary,
Zakres pomiarowy:
w tym miejscu tworzy się przewężenie
od -35 oC do +55 oC,
działka elementarna 0,5oC
 Skala z podziałką termometryczną
 Szklana osłona
Zasada działania
• Termometr maksymalny działa na tej samej zasadzie, co
znany niemal wszystkim termometr lekarski.
• Podczas wzrostu temperatury rtęć rozszerza się (zwiększa swoja objętość,
znaczne ciśnienie w zbiorniczku przepycha rtęć przez kapilarę i wysokość
słupka rtęci w rurce pomiarowej rośnie aż do danej w tym momencie
temperatury W przypadku spadku temperatury, rtęć w zbiorniczku kurczy
się i w miejscu przewężenia słupek rtęci w kapilarze ulega przerwaniu.
Pozostały w kapilarze słupek rtęci zachowuje swoja długość (nie opada).
W ten sposób koniec słupka rtęci rejestruje najwyższą temperaturę, jaka
wystąpiła w czasie od ostatniego przygotowania termometru do pomiaru.
•
Odczyt:
Raz na dobę , o godz. 06 UTC
Dokładność odczytu 0,1oC
• Po odczycie
• Redukcja wskazań termometru do temperatury aktualnej – poprzez
strzepnięcie termometru
2.Termometr minimalny
Przeznaczenie: pomiar najniższej
(minimalnej) temperatury
powietrza, jaka wystąpiła w ciągu
doby
Budowa:
 Zbiorniczek w kształcie widełek
(ze względu na dużą bezwładność
toluenu)
Ciecz termometryczna: toluen
Zakres pomiarowy:
od -55 oC do +35 oC,
działka elementarna 0,5oC
 Kapilara, wewnątrz której znajduje
się szklany pręcik, który przesuwa
się w cieczy
 Skala z podziałką termometryczną
 Szklana osłona
Zasada działania
• Podczas spadku temperatury menisk cieczy ściąga wskaźnik w stronę
zbiorniczka. Przy wzroście temperatury ciecz opływa wskaźnik nie
zmieniając jego położenia. Koniec wskaźnika od strony menisku wskazuje
najniższą wartość temperatury jaka wystąpiła w okresie od poprzedniego
pomiaru. Menisk wskazuje aktualną temperaturę powietrza .
• Odczyt:
Raz na dobę , o godz. 06 UTC
Dokładność odczytu 0,1oC
• Po odczycie
• Redukcja wskazań termometru do temperatury aktualnej – poprzez
przechylenie termometru zbiorniczkiem do góry
• Lokalizacja:
klatka meteorologiczna , na statywie poziomo
poletko glebowe – do pomiaru temperatury przy gruncie (5 cm nad
gruntem)
Termometry do pomiaru temperatury
gruntu
• Temperatura gruntu mierzona jest na głębokościach:
5, 10, 20, 50, 100 cm
• Pomiar na głębokościach
5, 10, 20, 50 cm
termometry kolankowe
100 cm
termometr wyciągowy
Pomiar temperatury gruntu – w terminach pomiarowych
Termometry kolankowe
• Termometr rtęciowy o przedłużonej
kapilarze
• Budowa:
1 - część podziemna, osadzona w
gruncie, o długości odpowiedniej do
głębokości pomiaru,
zawiera zbiorniczek i kapilarę
pozbawiona skali
2 – cześć nadziemna, jest wygięta
pod kątem 45 0 (w celu ułatwienia
odczytu)
zawiera górną cześć kapilary i skalę
Termometr wyciągowy
• Termometr zwykły umieszczony w
metalowej oprawie wykonanej z
materiału dobrze przewodzącego ciepło (
mosiądz, miedź). Oprawa umocowana
jest na końcu pręta, który wkłada się do
wnętrza rury, umieszczonej pionowo w
glebie i zakończonej płaskim mosiężnym
denkiem, znajdującym się na głębokości
pomiaru. Zbiorniczek termometru
dotyka tego denka.
• Termometr jest wyciągany na zewnątrz
tylko w czasie odczytu temperatury
Termometry elektryczne
W termometrach elektrycznych wykorzystuje się zależność
oporu elektrycznego od temperatury.
1. Termometry oporowe
• Czujnik - uzwojenie oporowe z
platyny, (rzadziej niklu, miedzi)
nawinięte na odpowiednim wsporniku
• Opór metali rośnie z temperaturą.
• Zasada działania tego przyrządu
polega na wykorzystaniu zmian
oporu drutu platynowego przy
zmianie temperatury powietrza. W
tym termometrze bateria jest
źródłem prądu, a miernik oporu
jest wykalibrowany tak, aby
wskazywał temperaturę.
Termometry te stosowane są coraz
częściej ze względu na duża
dokładność pomiaru i możliwość
ciągłego zapisu temperatury.
•
2. Termometry oporowe
półprzewodnikowe
3.Termometry termoelektryczne
termopara
• Czujnik półprzewodnik
zawierający termistor,
tranzystor lub diodę
• Zasada działania – zależność
zmian oporności termistora od
zmian temperatury
• Opór elektryczny typowych
półprzewodników maleje ze
wzrostem temperatury,
• Stosowane w badaniach
terenowy, sprzęt przenośny,
pomiar dokładny,
krótkoterminowy
• Termopara to druty z dwóch metali o
różnej pracy wyjścia, połączone ze sobą
przez dwa złącza. Między złączami
powstaje różnica potencjałów U,
charakterystyczna dla pary obu metali i
zależna od różnicy temperatur na
złączach.
Zalety termometrów elektrycznych
• Możliwość przekazywania mierzonych wartości na duże
odległości
• Łatwa obróbka sygnału elektrycznego
• Łatwość osiągania korzystnych parametrów technicznych :
np. czułość, częstotliwość
• Zastosowanie
– pomiary zautomatyzowane
– Rejestracja ciągła
– Zdalne pomiary w kilku punktach
Termometry bimetaliczne - deformacyjne
Czujnik – bimetal ( 2 płytki z metali różniących
się współczynnikiem rozszerzalności cieplnej,
spojone ze sobą wzdłuż całej płaszczyzny)
Zastosowany w Termografie
Budowa i zasada działania Termografu
1. Bimetal
(srebrzysta metalowa płytka, "uginająca się" pod
wpływem zmian temperatury. Z jednej strony jest ona
unieruchomiona, drugi jej koniec jest swobodny.
2. System dzwigni przenoszący odkształcenia
bimetalu na ramię przyrządu, zakończoną pisakiem z
nieschnącym tuszem
3. Bęben z mechanizmem zegarowym, na bęben
nawija się odpowiednio wyskalowaną taśmę papierową (
termogram).
Pełen obrót bębna trwa dobę (termograf dobowy) lub
tydzień (termograf tygodniowy)
Nakręcanie" zegara termografu dokonuje się za pomocą klucza tak jak zegar sprężynowy (budzik).
Nowoczesne samopisy mają napęd elektryczny, znajduje się w nich silnik krokowy, sterowany zegarem
Opracowanie termogramu
Termogram – pasek papieru z wykresem przebiegu temperatury
Linie poziome (proste) – skala wartości co 1oC
Linie pionowe (łuki) – skala czasowa, na termogramach tygodniowych co 2 godz.
Reper – pionowa kreska, wykonywana na termogramie w czasie każdej obserwacji,
stanowi punkt nawiązania do pomiarów wykonywanych termometrem rtęciowym
1
Etapy opracowania termogramu
1. Odczytanie cogodzinnych wartości temperatury powietrza z dokładnością do0,1oC
2. Przyporządkowanie wartościom temperatur z termogramu w czasie reperu wartości temperatur
pochodzących z pomiarów wykonywanych termometrem zwykłym
3. Obliczenie poprawek miedzy wartościami odczytanymi z termogramu a wartościami z
pomiarów termometrem zwykłym
2,4 –2,1 = 0,1
12,9-12,1=0,8
5,2-5,8= -0,6
•
Godz.
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
ttermog
2,1
2,7
3,5
7,8
9,1
11,3
12,1 10,1 9,1
7,6
6,9
5,8
Popr
0,1
0,8
-0,6
trzeczyw
2,2
12,9
5,2
2
Etapy opracowania termogramu cd
4. Obliczenie poprawek do wartości temperatur odczytanych z termogramu w pozostałych
terminach:.
Założenie – poprawka miedzy dwoma sąsiednimi reperami zmienia się liniowo
obliczanie poprawki na daną godzinę:od wartości poprawki dla danego terminu pomiarowego odejmujemy wartość poprawki z
terminu poprzedniego a następnie te wartość dzielimy przez liczbę godzin jaka upłynęła
między tymi pomiarami :
0,7 – 01= 0,6oC
0,6oC: 6 godzin=0,1oC/h
poprawka na godz. 8: obliczoną wartość dodajemy do wartości poprawki z godz.7 (0,1+0,1=0,2
poprawka na godz. 9: obliczoną wartość dodajemy do wartości poprawki z godz.8 (0,2+0,1=0,3
i tak dalej
Godz.
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
ttermog
2,1
2,7
3,5
7,8
9,1
11,3
12,1 10,
1
9,1
7,6
6,9
5,8
Popr
0,1
0,2
0,3
0,4
0.5
0.6
0,8
-0,6
trzeczyw
2,2
12,9
5,2
Etapy opracowania termogramu cd
4. Obliczenie poprawek do wartości temperatur odczytanych z termogramu w pozostałych
terminach:.
poprawka na godz. 18: wynosi -0,6oC
poprawka na godz. 13 wynosi 0,8oC
różnica między nimi: - 06oC-0,8oC = - 1,4oC
między 18 a 13 upłynęło 5 godzin czyli poprawka godzinna wynosi: -1,4oC; 5 = - 0,28oC/h
poprawka na godz. 14 wynosi:
obliczoną wartość dodajemy do wartości poprawki z godz.13 (0,8+ (-0,28)=0,52
poprawka na godz.15:
obliczoną wartość dodajemy do wartości poprawki z godz.14 (0,52+(-0,28)=0,24
i tak dalej
Godz.
7
8
9
10
11
12
13
15
16
17
18
ttermog
2,1
2,7
3,5
7,8
9,1
11,3
12,1 10,1 9,1
7,6
6,9
5,8
Popr
0,1
0,2
0,3
0,4
0.5
0.6
0,8
trzeczyw
2,2
12,9
14
0,52 0,24 -0,04
-0,32 -0,6
5,2
3
4
Etapy opracowania termogramu cd
Aby obliczyć poprawkę na godziny od 1 do 7 rano musimy znać:
wartość poprawki o godz. 7 oraz wartość poprawki z ostatniego terminu
pomiarowego z dnia poprzedniego
różnica między nimi wynosi 0,1 oC – (0,4 oC) = 0,5 oC
upłynęło 10 godzin czyli poprawka godzinna wynosi: 0,5oC: 10 = 0,05oC/h
Wartość poprawki godzinnej dodajemy kolejno tak jak omówiono wcześniej czyli
Godz.
21
22
23
24
1
2
3
4
5
6
ttermog
6,1
5,7
5,1
4,3
4,0
3,2
3,0
2,7
1,5
1,9 2,1
2,7
Popr
-0,4
-0,35 -0,3
-0,05
0
0,5 0,1
0,2
trzeczyw
5,7
-0,25 -0,2
-0,15 -0,1
8
2,2
Godz.
9
10
11
12
15
16
17
18
ttermog
3,5
7,8
9,1
11,3 12,1 10,1 9,1
7,6
6,9
5,8
Popr
0,3
0,4
0.5
0.6
trzeczyw
7
13
0,8
12,9
14
0,52 0,24 -0,04 -0,32 -0,6
5,2
19
20
Aby obliczyć poprawkę na godziny od 18 do 24 rano musimy znać:
5
wartość poprawki z pierwszego terminu pomiarowego z dnia poprzedniego
oraz wartość poprawki o godz. 18 czyli: 0,7oC –(-0,6oC) = 1,3oC
upłynęło 13 godzin czyli poprawka godzinna wynosi 1,3oC;13=0,1oC/h czyli:
Godz.
21
22
23
24
1
2
3
4
5
ttermog
6,1
5,7
5,1
4,3
4,0
3,2
3,0
2,7
Popr
-0,4
-0,35 -0,3
-0,25
-0,2
-0,15
-0,1
-0,05
trzeczyw
5,7
6
7
8
1,5 1,9
2,1
2,7
0
0,1
0,2
0,5
2,2
Godz. 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
ttermog
3,5
7,8
9,1
11,3
12,1
10,1
9,1
7,6
6,9
5,8
5,1
4,8
Popr
0,3
0,4
0.5
0.6
0,8
0,52
0,2
4
-0,04 -0,32 -0,6
-0,5
-0,4
trzeczyw
12,9
5,2
Godz.
21
22
23
24
1
2
3
4
5
6
7
ttermog
4,4
4,0
3,5
3,2
2,8
2,5
2,0
1,6
1,3
2,0
3,1
Popr
-0.3
0.2
-0,1 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
trzeczyw
3,8
5. Obliczenie temperatury rzeczywistej na podstawie wprowadzonych poprawek
5
Temperaura rzeczywista= temperatura z termogramu + poprawka
Proszę pamiętać temperaturę zawsze podajemy z dokładnością do 0,1 oC
Godz.
21
22
23
24
1
2
3
4
5
ttermog
6,1
5,7
5,1
4,3
4,0
3,2
3,0
2,7
Popr
-0,4
-0,35 -0,3
-0,25
-0,2
-0,15
-0,1
-0,05
trzeczyw
5,7
6
7
8
1,5 1,9
2,1
2,7
0
0,1
0,2
0,5
2,2
Godz. 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
ttermog
3,5
7,8
9,1
11,3
12,1
10,1
9,1
7,6
6,9
5,8
5,1
4,8
Popr
0,3
0,4
0.5
0.6
0,8
0,52
0,2
4
0,04
0,32
-0,6
-0,5
-0,4
trzeczyw
12,9
5,2
Godz.
21
22
23
24
1
2
3
4
5
6
7
ttermog
4,4
4,0
3,5
3,2
2,8
2,5
2,0
1,6
1,3
2,0
3,1
Popr
-0.3
0.2
-0,1 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
trzeczyw
3,8
Opracowywanie danych pomiarowych –
charakterystyki klimatologiczne
I. Średnia dobowa temperatura powietrza
1.
Obliczanie średniej dobowej z 24 h ( rzeczywistej)
t 1 + t2 + t3 + t4 + .............t24
24
2. Obliczanie średniej dobowej do 1970 r ( pomiary wg czasu miejscowego)
t24 =
t 7 + t13 +2 * t21
tśr =
4
3. Obliczanie średniej dobowej po 1970 r ( pomiary wg czasu GMT)
tśr =
t 0 + t6 + t12 + t18
4
4 . Obliczanie średniej dobowej po 1990 r (pomiary wg czasu GMT)
tśr =
t max + tmin + t6 + t18
4
2. Temperatura średnia miesięczna - wartość charakteryzująca temperaturę w
danym miesiącu; obliczana jako średnia arytmetyczna z temperatur
średnich dobowych danego miesiąca.
3. 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).
4. Temperatura średnia roczna - średnia arytmetyczna z temperatur
miesięcznych w danym roku.
5. Średnia wieloletnia temperatura roczna - uśredniona temperatura roczna
(średnia arytmetyczna) z okresu wielolecia (zazwyczaj 30.letnia).
1.
2.
3.
4.
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 dany miesiąc
lub rok był cieplejszy lub chłodniejszy od średniej. Tą samą wartość
nazywa się także odchyleniem od średniej temperatury miesięcznej lub
rocznej. Średnią 30.letnią WMO traktuje jako normę klimatyczną .
Dobowa amplituda temperatury powietrza : różnica między odnotowaną
w czasie danej doby temperaturą maksymalną (tmax) a temperaturą
minimalną (tmin); Ad = tmax - tmin
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:
oblicza się jako wartość różnicy najcieplejszego i najchłodniejszego
miesiąca ze średnich miesięcznych wieloletnich