Способы измерения атмосферного давления: от ртутных барометров до современных датчиков

Как измеряют атмосферное давление. Какие приборы используют для измерения давления воздуха. Какие существуют методы определения атмосферного давления. Как работают современные датчики давления.

Что такое атмосферное давление и почему его важно измерять

Атмосферное давление — это сила, с которой воздух давит на поверхность Земли и все находящиеся на ней предметы. Оно обусловлено весом воздушного столба атмосферы. Измерение атмосферного давления крайне важно для:

• Прогнозирования погоды
• Обеспечения безопасности полетов авиации
• Контроля технологических процессов в промышленности
• Медицинских целей
• Научных исследований атмосферы

Стандартное атмосферное давление на уровне моря составляет 760 мм ртутного столба или 1013,25 гектопаскалей. Однако фактическое давление постоянно меняется в зависимости от погодных условий, высоты над уровнем моря и других факторов. Поэтому так важно иметь надежные способы его измерения.

История изобретения приборов для измерения атмосферного давления

Первый барометр для измерения давления воздуха был изобретен в 1643 году итальянским физиком Эванджелиста Торричелли. Это был ртутный барометр, принцип работы которого используется до сих пор. Основные вехи в истории измерения атмосферного давления:

• 1643 г. — Торричелли создает первый ртутный барометр
• 1844 г. — Люсьен Види изобретает анероид — безжидкостный барометр
• 1849 г. — Эжен Бурдон патентует трубку Бурдона — основу многих современных датчиков давления
• 1930-е гг. — Появление первых электронных датчиков давления
• 1960-е гг. — Разработка цифровых барометров

Сегодня для измерения атмосферного давления используется широкий спектр приборов — от классических ртутных барометров до высокоточных цифровых датчиков.

Ртутный барометр: классический прибор для измерения давления

Ртутный барометр остается эталонным прибором для измерения атмосферного давления благодаря своей точности. Как он работает?

• Стеклянная трубка длиной около 1 м заполнена ртутью и запаяна с одного конца
• Открытый конец трубки опущен в чашку с ртутью
• Атмосферное давление уравновешивается столбом ртути в трубке
• Высота столба ртути показывает величину давления в мм рт.ст.

Преимущества ртутного барометра — высокая точность и надежность. Недостатки — хрупкость, наличие ядовитой ртути, сложность в транспортировке. Поэтому сегодня ртутные барометры используются в основном как эталонные приборы в метеостанциях и лабораториях.

Анероид: портативный механический барометр

Анероид — это безжидкостный барометр, который получил широкое распространение благодаря компактности и удобству использования. Принцип его работы:

• Основа прибора — герметичная металлическая коробка с откачанным воздухом
• При изменении давления коробка деформируется
• Деформация передается на стрелку прибора через систему рычагов
• Шкала прибора проградуирована в единицах давления

Анероиды менее точны, чем ртутные барометры, но гораздо удобнее в использовании. Они широко применяются в быту, туризме, авиации. Современные цифровые анероиды обеспечивают высокую точность измерений.

Барограф: прибор для непрерывной регистрации давления

Барограф позволяет вести непрерывную запись изменений атмосферного давления. Это очень важно для метеорологических наблюдений и прогнозирования погоды. Как работает барограф?

• В основе прибора — несколько анероидных коробок
• Деформация коробок передается на перо самописца
• Перо чертит график давления на вращающемся барабане с бумагой
• Получается непрерывная запись изменений давления — барограмма

Барографы позволяют отслеживать тенденции изменения давления, что крайне важно для прогнозирования погоды. Сегодня их функции выполняют электронные регистраторы данных.

Цифровые датчики давления: современные технологии измерений

Современные цифровые датчики обеспечивают высокоточное измерение атмосферного давления. Их преимущества:

• Высокая точность измерений
• Возможность автоматической записи и передачи данных
• Компактные размеры
• Дополнительные функции (измерение температуры, влажности и др.)
• Возможность интеграции в различные системы

Принцип работы цифровых датчиков основан на изменении электрических характеристик чувствительного элемента при изменении давления. Сигнал преобразуется в цифровую форму для дальнейшей обработки и отображения.

Особенности измерения давления на различных высотах

Атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Это создает определенные сложности при измерениях. Как учитывается влияние высоты?

• Используется понятие «приведенное давление» — пересчет к уровню моря
• Применяются барометрические формулы для расчета давления на разных высотах
• В авиации используются специальные высотомеры-анероиды
• Современные цифровые барометры автоматически учитывают высоту

Знание закономерностей изменения давления с высотой позволяет использовать барометры для определения высоты местности — барометрического нивелирования.

Методы косвенного определения атмосферного давления

Помимо прямых измерений, существуют методы косвенного определения атмосферного давления. Они основаны на зависимости различных физических явлений от давления воздуха:

• Измерение температуры кипения воды (гипсотермометр)
• Определение скорости звука в воздухе
• Измерение плотности воздуха
• Спутниковые методы зондирования атмосферы

Эти методы используются в специальных случаях, когда прямые измерения затруднены или невозможны, например, при исследовании верхних слоев атмосферы.

Как выбрать бытовой барометр для домашнего использования

Для домашнего использования подойдет недорогой бытовой барометр. На что обратить внимание при выборе?

• Тип прибора: механический анероид или электронный
• Диапазон измерений: обычно 710-790 мм рт.ст.
• Точность измерений: ±2-3 мм рт.ст. достаточно для бытовых целей
• Наличие дополнительных функций: термометр, гигрометр
• Дизайн: настенные, настольные модели

Домашний барометр поможет прогнозировать погоду и следить за изменениями давления, что важно для метеочувствительных людей.

Приборы для измерения атмосферного и близкого к нему давления

⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 31Следующая ⇒

Для измерения атмосферного или близкого к нему давления применяют барометры. Эти приборы показы­вают абсолютное давление воздуха. Шкала барометра ограничена областью измерения от 680 до 800

мм рт. ст. Барометры применяют для измерения давления в открытом пространстве. Жидкостные барометры.Прибор (рис. 290) представляет собой закры­тую с одного конца U-образную трубку, запаянный конец которой значительно длиннее открытого. Трубку заполняют ртутью; над ее слоем в запаянном конце трубки со­здается безвоздушное пространство. Столб ртути в запаянном длинном

Рис. 290. Ртутный барометр: 1 — стеклянная труб­ка; 2—ртутный столб; 3 — шкала.

Рис. 291. Схема устройства коробчатого

барометра:

/ — коробка с волнистой крышкой; 2 — пру* жнна; 3 — система рычагов; 4 — стрелка. В качестве противодействия этой силе служит или столб} жидкости, или сила пружины.

конце имеет такую высоту, при которой вес этого стол­ба уравновешивается весом столба атмосферного воз­духа.

Между обоими коленами трубки установлена подвиж­ная миллиметровая шкала; при ее помощи можно изме­рить разность высот в обоих коленах. Эта разность оавна давлению воздуха, выраженному в миллиметрах ртутного столба.

При точных барометрических измерениях одновремен­но следует определять и температуру окружающего про­странства. Это необходимо делать потому, что с измене­нием температуры изменяется плотность ртути вследствие

21-117

Теплового расширения и изменения давления паров ее J в закрытом конце трубки. Поэтому полученные бароме­трические значения требуют уточнения и исправления в] соответствии со специальными таблицами поправок к ба­рометру.

Существуют и более сложные формы жидкостных ртут-1 ных барометров. меняют манометры (так же иногда называют при|

боры и для определения давления ниже атмосферного — см. далее).

Жидкостные манометры бывают откры­тые и закрытые.

Открытые жидкостные манометры применяются двух видов: прямые и наклонные. Прямой (рис. 294) представ­ляет собой открытую с обеих сторон U-образную трубку, один конец которой соединяют с системой с измеряемым давлением. Трубка наполнена запираю­щей жидкостью, в качестве которой слу­жат вода или ртуть, а также силиконы. Преимуществом силиконов является то, что они не смачивают, как вода, стенок трубки и при этом более чувствительны, чем ртуть, к небольшим колебаниям давления.

Поскольку давление в системе выше атмосферного, столб ртути в правом ко­лене (см. рис. 294) оказывается выше, чем столб ртути в левом колене. Разность их равна величине h, измеряемой по шкале.

Рис. 294. Жидкостной открытый манометр, прямой.

Открытые манометры с наклонным ко­леном (рис. 295) обладают более высокой чувствительностью по сравнению с пря­мыми: в наклонном колене жидкость продвигается на большее расстояние, чем в вертикальном. Давление столба

h (в мм рт. ст.) в этом случае вычисляют путрм умножения длины столба жидкости / на синус угла наклона а, т. е. h — I bin a.

В закрытых жидкостных манометрах рабочим телом является газ, находящийся над запирающей жидкостью (ртуть) в закрытом колене (рис. 29Р-). При измерении по­вышенного давления столб ртути в правом колене повы­шается и газ сжимается. Длину его столба измеряют по шкале. Недостатком этих манометров является то, что деления шкалы у них неравномерные, т. е. более узкие для более высокого давления.

Металлические манометры. Применяются манометры с пластинчатой пружиной (рис. 297), у ко­торых, в отличие от барометров, вместо эвакуированной коробки имеется только эластичная крышка. На одну

21*

сторону ее действует измеряемое давление (например, в автоклаве), на другую — атмосферное. Разность этих давлений указывается стрелкой на шкале.

Трубчатые пишущие ма­нометры (рис. 298) снабжены со­гнутой неэвакуированной трубкой, име­ющей в разрезе эллиптическую фор­му. Эту трубку соединяют с сосудом, в котором должно быть измерено дав­ление.

Рис. 296. Жидкостной манометр, закрытый.

Рнс. 295. Жидкостной открытый манометр, наклонный.

Распространены также специаль­ные манометры, у которых на шка-

Рис. 297. Схема устройства Рис. 298. Схема устройства
металлического манометра металлического трубчатого

с пластинчатой пружиной. манометра.

ле имеется красная черта, указывающая предельное дав-} ление, которое может быть развито в аппарате или соя суде, снабженном таким манометром. При помощи систе-..

мы рычагов и писца давление, развивающееся в аппарате, записывается на специальной круглой диаграмме или, если применен барограф, на плоской диаграмме давле­ние — время.

Приборы для измерения давления ниже атмосферного

Для измерения давления ниже атмосферного приме­няют вакуумметры. Существует несколько конструкций этих приборов, рассчитанных на определенные границы разрежения (вакуума).

Простые ртутные манометры (вакуумметры), которые применяют для контроля за процессом перегонки под ва­куумом, представляют собой LJ-образную трубку и рас­считаны на диапазон давления от 0 до приблизительно 200 мм рт. ст. (рис. 299). Шкала может быть подвижной, тогда ее нулевую точку устанавливают на уровне мениска столба ртути в запаянном колене, или неподвижной. В этом случае для определения давления следует склады­вать расстояния между нулем и обоими менисками.

С такими манометрами (вакуумметрами) можно опре­делять давление с точностью до 0,5 мм рт. ст., если отсчитывать на глаз, и до 0,02 мм рт. ст., если отсчет вести с помощью катетометра. Катетометр представляет собой горизонтальную зрительную трубу, передвигающую­ся вертикально по станине, установленной строго верти­кально. С помощью шкалы, которой снабжена станина, и нониуса положение трубы может быть определено с точ­ностью до 0,01 мм. При отсчетах трубу нужно устанавли­вать так, чтобы горизонтальная нить, натянутая по диа­метру окуляра, всегда совпадала с верхним краем мени­ска ртути. Замер производят несколько раз, после чего находят среднее арифметическое из всех отсчетов. Давле­ние будет равно разности средних величин, определенных для каждого из менисков манометра (вакуумметра).

Для измерения высокого вакуума, т. е. очень малых давлений, порядка 10~^вмм рт. ст., применяют другие приборы. Из них часто пользуются манометром Мак? Леода (рис. 300) Этот прибор верхним концом трубки £ припаивают к той части установки, в которой нужно из­мерять давление. Для измерения давления медленно от­крывают кран 3, впуская внешний воздух в резервуар /.

 

Рис. 300. Манометр Мак-Леода (вакуумметр): / — резервуар для ртути; 2. 8 — трубки; 3, 4 — краны; 5 — бал­лон; 6, 7 — капил­ляры.

Под действием атмосферного давления ртуть поднимается, заполняя баллон 5, в котором до этого было давление, равное давлению в установке. Нужно помнить, что ртуть в приборе должна подниматься очень медленно. Это важ­но потому, что при быстром подъеме возможны аварии вследствие толчков или ударов ртути о стенки прибора. Для облегчения регулирования впуска воздуха через

 

Рис. 299. Простой ртутный манометр

(вакуумметр):

а — исходное положение; б — положение прн из­мерении.

кран 3 его входное отверстие следует соединить резиновой трубкой с капилляром. Через этот капилляр воздух будет поступать в прибор с требуемой скоростью. Регулировать скорость подъема можно также при помощи крана 4. Когда баллон 5 заполнится ртутью, находящийся в нем ранее газ будет сжат в капилляре 6. Поэтому измеряе-j мое давление можно вычислить по формуле Бойля —\ Мариотта, исходя из того, что объем сжатого газа Vi йч его давление Р₁известны, как известен и объем газа V₀i до сжатия:

P_nV_n = PiVi

Объем газа до Сжатия равен сумме емкостей баллона 5, широкой трубки выше метки с и капилляра 6. Эти вели­чины должны быть определены еще до того, как манометр будет впаян в установку*.

Давление сжатого газа находят по разности уровней ртути в капиллярах 6 и 7.

Для оборудования обычного манометра Мак-Леода требуется от 5 до 10 кг ртути. Поэтому необходимо очень осторожно обращаться с прибором, так как всегда есть опасность разбить его и разлить ртуть. Более безопас­ные условия работы создаются при использовании мано-

Рис. 301. Манометр Мозера (вакуумметр): а — исходное положение; б — положение при измерении.

метра (вакуумметра) Мозера, который заполняется значительно меньшим количеством ртути (рис. 301). Ма­нометр Мозера действует по тому же принципу, что и манометр Мак-Леода, но для его наполнения требуется всего лишь 80—300 г ртути. Эти приборы имеют чаще всего три области измерения: от 500 до 10 мм рт. ст., от Ю^-1 до 10 мм рт. ст. и от Ю^-1 до Ю^-4мм рт. ст.

При помощи шлифа прибор соединяют с аппаратом, в котором требуется измерить давление. При измерении манометр поворачивают против часовой стрелки до тех

* Подробное описание метода определения этих величин см. Герасимов Я. П., Древинг В. П., Коман-Д и н А. В., Химическая термодинамика, Изд. МГУ, 1951.

 

пор, пока ртутный мениск во внешней трубке не достигнет некоторого предельного уровня. По уровню мениска ртути во внутреннем колене, снабженном логарифмической шка­лой, определяют давление в системе (в мм рт. ст.) Перед каждым отсчетом манометр (вакуумметр) следует вначале . привести в исходное положение, т. е. шар должен быть опущен вниз.

Другие способы измерения вакуума

Кроме описанных, существует еще несколько способов опреде­ления высокого вакуума. Так, вакуумметр Пирани основан на зависимости теплопроводности газов от давления. В ионизационных вакуумметрах Пеннинга использовано образование ионов при столкновении молекул газа с электронами. Мольный вакуумметр Геде основан, на измерении силы удара молекул газа. Все эти приборы позволяют измерять давление до 10^_вмм рт. ст. Работа с этими вакуумметра­ми подробно описана в инструкциях, приложенных к приборам.

Читайте также:

 

Учебный проект:Практическое использование атмосферного давления./вики-статья Измерение атмосферного давления

Авторы

Учащиеся 7 класса Горкун Ольга и Девяшина Юлия

Тема исследования

Способы измерения атмосферного давления

Цели исследования

1. Найти как можно больше способов измерения атмосфеного давления
2. Сравнить и оценить различные способы измерения атмосферного давления
3. Создать вики-статью

Результаты исследования

Ртутный барметр

Наиболее точными стандартными приборами являются ртутные Барометр: ртуть благодаря большой плотности позволяет получить в Барометр сравнительно небольшой столб жидкости, удобный для измерения. Ртутные Барометр представляют собой два сообщающихся сосуда, наполненных ртутью; одним из них служит запаянная сверху стеклянная трубка длиной около 90 см, не содержащая воздуха. За меру атмосферного давления принимается давление столба ртути, выраженное в мм рт. ст. или в мбар.В зависимости от формы сообщающихся сосудов ртутные Барометр подразделяют на 3 основных типа: чашечные (а), сифонные (б) и сифонно-чашечные (в). Практически применяют чашечные и сифонно-чашечные Барометр На метеорологических станциях пользуются станционным чашечным.

ртутные барометры

Барометр-анероид

Деформационным барометром является барометр-анероид. В барометре-анероиде из коробки часть воздуха выкачивается, и мембрана оттягивается наружу пружиной.При изменении атмосферного давления мембрана прогибается, вызывая изменение показаний стрелки, связанной с мембраной через систему рычагов.Термин «барометр» был введен в 1662 г. (по другим данным, в 1667 г.) английским ученым Р. Бойлем

барометр-анероид

Термобарометр

Термобарометр От греч.Hypsos — высота + Therme — тепло + Metreo — измеряю Гипсотермометр — прибор для измерения атмосферного давления, основанный на том, что с изменением давления меняется и температура кипения воды. Гипсотермометры применяется в экспедиционных условиях в горах. Гипсотермометр состоит из кипятильника и точного ртутного термометра

Газовый барометр

Газовый барометр, измеряющий атмосферное давление по величине объема постоянного количества газа, изолированного от внешнего воздуха подвижным столбиком жидкости

Барометры из подручных материалов

1. Барометр — из перегоревшей лампочки. Возьмите перегоревшую электрическую лампочку, и там, где начинается цоколь с резьбовой частью, аккуратно просверлите небольшое отверстие диаметром 2-3 мм. Делать это следует очень осторожно, иначе баллон может треснуть или разбиться. Вот самый простой способ сверления стекла. На точку, где вы наметили отверстие, нанесите каплю машинного или подсолнечного масла. Возьмите абразивный порошок от среднезернистой наждачной бумаги и подсыпьте его к масляной капле, чтобы получилась вязкая паста, чуть жиже зубной. Затем зажмите в патроне дрели медную проволоку. Диаметр ее должен соответствовать размеру отверстия, которое вы хотите просверлить. Цоколь лампы аккуратно зажмите в тисках. А стеклянную колбу оберните полотенцем или тряпкой. Сверлить нужно очень осторожно, прикладывая минимальное усилие. Когда отверстие будет просверлено, залейте в него водопроводную воду, заполнив стеклянную колбу до половины. Затем добавьте в нее две-три капли чернил или кусочек грифеля химического карандаша и перемешайте. Барометр готов. Остается подождать, пока внутренняя стенка колбы просохнет, и подвесить барометр между оконными рамами. Лучше всего с северной стороны, где на него не будут попадать прямые солнечные лучи. Если же окна выходят на юг, установите в верхней части окна. Через несколько часов можно снимать показания. Наш барометр может предсказывать погоду за сутки достаточно полно. Сплошная или переменная облачность ожидает нас, установится ли ведро или пойдет дождь — мелкий затяжной, кратковременный, может грозовой… Правда, надо знать некоторые особенности, чтобы расшифровать показания. Предположим, внутренние стенки лампочки покрылись мелкими каплями сконденсировавшейся воды — завтра будет сплошная облачноcть но без осадков. Переменная облачность — стенки лампочки покрылись каплями средней величины, а между ними образовались вертикальные сухие полосы. Если стенки частично покрыты крупными каплями росы — ждите кратковременных осадков. А сверху-донизу и капли, укрупняясь, стекают вниз — будет гроза. Крупные капли только у поверхности воды, а горловина лампочки сухая -дождь пройдет стороной, в 30-60 км от ваших мест. За окном дождь, а стенки лампочки стали совершенно сухими, без тумана и капелек -завтра установится отличная погода. А если появились капли росы лишь на северной стороне баллона, ждите завтра дождя во второй половине дня. Разумеется, пользоваться таким барометром можно лишь в том случае, если температура воздуха выше нуля, то есть весной, летом и ранней осенью.
2. Простой барометр. Срежьте ветку с молодой пихты или сосны. Отделите от нее отрезок длиной 10 см с растущей сбоку тоненькой длинной иголкой. Теперь возьмите ровную дощечку или фанерку размером 150-200 мм и прибейте к ней заготовленный кусочек пихты так чтобы игла могла свободно двигаться (см. рис.). Барометр готов. Его надо только отградуировать. Поднесите прибор к горячей печке или плите — от тепла игла выпрямится и поднимется вверх. Там, где она остановится сделайте риску. Затем поднесите Прибор к струйке пара, вырывающейся из носика чайника. От воздействия влаги иголка опустится вниз. Здесь отметьте вторую риску. Соедините риски дугой и разделите на несколько равных частей. Остается сделать соответствующие надписи, как на рисунке. В походе барометр устанавливают в месте, защищенном от прямых солнечных лучей.

Выводы

1. Наиболее точный барометр — ртутный
2. Наиболее удобный — барометр-анероид
3. При желании простейший барометр может сделать каждый из подручных материалов и проводить наблюдения изменения атмосферного давления в любой жизненной ситуации.

Используемая литература

1. [1]
2. [2]
3. [3]
4. [4]

вернуться на Учебный проект:Практическое использование атмосферного давления

Все виды давлений — абсолютное, атмосферное, избыточное, вакуум

Давление — единица силы, действующая перпендикулярно на единицу площади.

Абсолютным называют давление, создаваемое на тело отдельно взятым газом без учета других атмосферных газов. Измеряют его Па (паскалях). Абсолютное давление представляет собой сумму атмосферного и избыточного давлений.

Барометрическим (атмосферным) называют давление гравитации на все находящиеся в атмосфере предметы. Нормальное атмосферное давление создается 760 мм столбом ртути при температуре 0°С.

Избыточным давлением называют положительную разность между измеряемым и атмосферным давлением.

Вакуумом называют отрицательную разность между измеряемым и атмосферным давлением.

С какой целью меряют давление? С целью непрерывного контроля и своевременного регулирования всех технологических параметров. Для каждого технологического процесса разрабатывается режимная карта. К чему может привести ее несоблюдение? Например, известны случаи, когда при бесконтрольном повышении давления многотонный барабан энергетического котла улетал, словно футбольный мяч, на несколько десятков метров, разрушая все на своем пути. Снижение давления не несет разрушений, но приводит к:

• браку продукции;
• перерасходу топлива.

Преобразователи давления

Выходной неэлектрический сигнал большинства первичных преобразователей давления (дифманометр стрелочный) имеет вид перемещения или силы и объединен в одном корпусе с прибором измерения. Для передачи результатов измерений на расстояние используют промежуточный преобразователь для получения стандартизированного электрического или пневматического сигнала. Так происходит слияние первичного и промежуточного преобразователей в единый измерительный преобразователь.

• Преобразователями абсолютного давления измеряют давление какой-либо среды относительно вакуума.
• Преобразователями избыточного давления измеряют давление какой-либо среды относительно атмосферного давления.
• Преобразователями вакууметрического давления измеряют уровень вакуума относительно атмосферного давления.
• Преобразователями гидростатического давления измеряют гидростатический уровень жидкостей.
• Преобразователи дифференциального давления измеряют перепад давлений.
• Преобразователи избыточного давления-разряжения являются универсальными приборами, потому что измеряют одновременно и избыточное давление, и вакуум.

Читайте также:

Давление атмосферы и ветер | big-archive.ru

Автор admin На чтение 34 мин. Просмотров 384 Опубликовано 21.02.2019

Давление атмосферы и методы его измерения. Известно, что воздух имеет вес. Один кубический метр воздуха при температуре 0° на уровне моря весит 1,3 кг. Этот вес воздуха обусловливает давление атмосферы. При обычных условиях это давление равно 10 333 кг на 1 м²земной поверхности (это давление, принятое за единицу, называют «одной атмосферой»).

Давление столба воздуха атмосферы равно давлению столба воды в 10 м высотой или столба ртути в 76 см (760 мм).

Давление атмосферы обычно   выражалось   высотой   ртутного    столба (в мм). Но в последние годы принята другая, более удобная мера, которая выражает величину атмосферного давления абсолютной системой единиц. По предложению норвежского геофизика Бьеркнеса сила давления в 1 млн. дин на 1 см²взята за стандартную единицу, получившую название «бар». Бар соответствует давлению ртутного столба в 750,1 мм. Бар, равный 1 млн. дн, делится на 1 тысячу частей, которые называются миллибарами (сокращенно мб). Таким образом, давление в 1 мм ртутного столба равно 1,333 мб, или 1 мб равен 0,75 мм ртутного столба. Выражение давления воздуха в миллибарах более удобно, и с 1931 г. оно введено у нас в СССР в практику службы погоды.

Для измерения давления атмосферы употребляется ртутный барометр, устройство которого известно из физики. При измерении величины давления вводят поправки на температуру, так как при повышении температуры ртуть и шкала барометра расширяются. На практике пользуются готовой таблицей поправок, которая сразу же дает нужную величину.

Вместо ртутного барометра в некоторых случаях (особенно в экспедициях) приходится пользоваться металлическим барометром, или анероидом (рис. 66). В качестве приемника у этого прибора служит цилиндрическая металлическая коробка с гофрированными дном и крышкой, внутри коробки воздух сильно разрежен. При определении давления анероидом вносятся три поправки (на шкалу, на температуру и дополнительная на прибор), указанные в сертификате прибора. Анероид может давать надежные показания только в том случае, если он время от времени подвергается тщательной проверке.

Существует еще способ определения давления, основанный на изменении температуры кипения воды в зависимости от давления. Для этого употребляется прибор — гипсотермометр (рис. 67). Он состоит из кипятильника и термометра со шкалой, разделенной на 0°,01. Этот прибор обычно применяется в экспедиционных условиях для барометрического нивелирования.

Для непрерывной регистрации изменения атмосферного давления применяется самопишущий прибор — барограф (рис. 68). Приемной частью барографа является несколько соединенных между собой малых анероидных коробок.

Изменение давления с высотой. На уровне моря давление воздуха в среднем равно 1013 мб (760 мм). Чем выше мы будем подниматься над уровнем моря, тем меньше будет столб воздуха над нами, а следовательно, и давление атмосферы. Уменьшение с высотой идет быстрее в нижних слоях и медленнее в верхних, потому что нижние слои больше уплотнены давлением вышележащих слоев воздуха. Можно сказать, что если высота места растет в арифметической прогрессии, то давление убывает в прогрессии геометрической. Так, например, на высоте 5500 м давление равно половине того давления, которое мы имеем на уровне моря, на высоте вдвое большей оно будет уже в четыре раза меньше, а на высоте втрое большей — в восемь раз меньше и т. д.

Для характеристики изменения давления с высотой пользуются величиной барометрической ступени. Барометрической ступенью называется высота, на которую надо подняться (или опуститься), чтобы давление воздуха изменилось на 1 мб. У поверхности Земли барометрическая ступень равна около 8 м. Зная, как изменяется давление с высотой, можно при помощи барометра определять абсолютные и относительные высоты местности.

Точные определения высот по давлению воздуха требуют сложных вычислений. На практике же часто пользуются особыми таблицами, которые позволяют более или менее приблизительно получать данные о высотах. Для примера приводим упрощенную таблицу.

Приведенная таблица пригодна только для тех случаев, когда температура 0°. Для более точных определений вносятся поправки на температуру.

Если на барометре или анероиде рядом со шкалой давления поместить шкалу высот (отвечающих давлению), то мы получим прибор для определения высоты местности над уровнем океана. Прибор, у которого шкала давления заменена шкалой высот, называют высотомером или альтиметром. Высотомеры особенно широко применяются в авиации.

Колебания атмосферного давления. Давление атмосферы подобно другим метеорологическим элементам не может оставаться постоянным. Достаточно, например, нагреться нижнему слою воздуха, чтобы это сказалось на давлении. Достаточно передвинуться холодным массам воздуха в область, занятую теплым воздухом, чтобы давление там увеличилось, и т. д.

Наблюдения показывают, что существуют колебания периодические (суточные и годовые)  и непериодические.

Суточный и годовой ход атмосферного давления. Давление в течение суток два раза поднимается и два раза падает. Особенно правильно и резко эти колебания выражены в экваториальных и тропических странах. Здесь максимумы наблюдаются около 9—10 час. местного времени утром и вечером, а минимумы около 3—4 час. после полудня и после полуночи. Амплитуда колебаний в тропическом поясе достигает 3—4 мб в сутки. По направлению к полюсам амплитуда уменьшается, и на 60° северной и южной широты она выражается уже только в десятых долях миллибара.

Настоящие причины суточных колебаний давления атмосферы точно пока не выяснены. Однако есть основание полагать, что они связаны с суточным колебанием температуры воздуха.

Гораздо яснее выражен годовой ход давления атмосферы. На материках максимальное давление наблюдается в зимние месяцы, минимальное— летом. Наиболее резко они выражены в высоких широтах и слабее .всего в экваториальных странах. Здесь совершенно явная связь с температурами. Зимнее охлаждение и уплотнение нижних слоев атмосферы создает условия для повышенного давления, летнее прогревание приводит к явлениям обратного порядка. На побережьях и островах максимум давления чаще всего наблюдается летом, а минимум — поздней    осенью.

Изобары. Чтобы судить о распределении давлений по земной поверхности, пользуются теми же способами, что и при изучении температур (изолиниями). Места с одинаковыми давлениями соединяют линиями, которые носят название изобар. При построении карт изобар необходимо, пользуясь барометрической ступенью, все давления приводить к уровню моря.

Типы барических систем. При взгляде на карту изобар легко заметить два основных типа распределения давлений. Первый тип — это области пониженного давления. Изобары этих областей имеют вид замкнутых кривых с понижением давления к центру (рис. 69). Такие области называют   циклонами   или   барическими   депрессиями  (иногда    просто

минимумами). Второй тип — это области повышенного давления. Изобары этих областей также имеют вид замкнутых кривых, но с повышением давления к центру (рис. 70). Области повышенного давления называют антициклонами  (иногда просто максимумами).

В этих случаях, когда области циклонов или антициклонов вытянуты, приходится различать еще ложбины и отроги. Ложбина — это полоса пониженного давления, идущая от центра циклона к его периферии. Отрог — аналогичная полоса, идущая от центра антициклона. Только здесь полоса повышенного давления, нередко называемая на картах изобар еще гребнем антициклона.

Область между двумя антициклонами и двумя циклонами нередко называют седловиной.

Географическое распределение давлений. Рассмотрим карту январских изобар (рис. 71). На карте можно видеть пояс пониженного давления, который тянется вдоль экватора. Он носит название барического экватора. В полосе 30—35° к северу и югу от экватора располагается пояс повышенного давления (около 1020 мб). К северу от пояса повышенного давления мы видим высокое давление в области крупнейших материков Северной Америки и особенно Азии, где концентрически расположенные изобары дают представление об исключительном возрастании давления внутри континентов (1035 мб и более). В то же время в области океанов давление сильно понижено.

На карте июльских изобар (рис. 72) мы видим другую картину. Если в экваториальном и подтропическом поясе соотношения давлений остаются приблизительно те же, то в высоких широтах они становятся обратными. Области высокого давления теперь оказываются не на материках, а на океанах.

Барические области. Карты изобар дают возможность выделить ряд областей, характеризующихся особенностями атмосферного давления. Все барические области делят на три группы: постоянные, сезонные и обратимые.

К постоянным областям относятся: экваториальный пояс пониженного давления и подтропические пояса повышенных давлений (30—35⁰ северной и южной широты). Среди последних особенного внимания заслуживает азорский максимум, имеющий огромное значение для погоды Западной Европы. Отмеченные нами области сохраняют свои характерные особенности на протяжении    всего года.

Сезонные области сохраняют характерные особенности давлений в течение определенного периода года. Здесь в первую очередь следует отметить область пониженного давления преимущественно в холодное время года к югу от о. Исландия (исландский минимум) и второй подобный же минимум к югу от полуострова Аляска (алеутский минимум). Особенно большое значение имеет исландский минимум, где обычно зарождаются циклоны, проходящие через всю Европу с запада на  восток.

Существуют еще обратимые области, в которых низкое давление летом сменяется повышенным давлением зимой. Примером может служить внутренняя часть Азии (в частности Восточная Сибирь), в которой зимой устанавливается обширная область высокого давления, а летом, наоборот, низкое давление. Зимой эта область посылает волны холодного воздуха во все стороны, вызывая на востоке, в районе соприкосновения с Тихим океаном, явление зимнего муссона; летом картина обратная. Благодаря пониженному давлению внутри материка Азии возникают летние муссоны.

Большая часть отмеченных нами барических областей объясняется условиями термического характера, что легко видеть из сопоставления карт изотерм и изобар. Некоторое исключение представляют отмеченные нами пояса повышенного давления на 30—35° северной и южной широты, причины возникновения которых более сложны. Об этих причинах мы будем говорить несколько позже — при изучении ветров.

Градиент давления. Для изучения ветров бывает необходимо определить направление, в котором убывает давление, а также ту степень, с которой это давление убывает. Для решения первой задачи достаточно из взятой (заданной) точки провести нормаль (перпендикуляр) к изобаре, в сторону убывающего давления. Проведенная нормаль как раз и будет тем направлением, в сторону которого всего быстрее убывает давление.

Чтобы решить вторую задачу, т. е. определить степень убывания давления, сначала откладывают по масштабу от заданной точки в сторону убывающего давления длину градуса меридиана АС, равную 111,1 км (рис. 73). Потом находят разность в давлениях между точками А и С. Найти эту разность по карте изобар очень легко. Если, например, изобары проведены через каждые 5 мб, то, разделив 5 мб на длину нормали между соседними изобарами AD и помножив на АС (111,1 км),. получим искомую величину. Допустим, например, что AD = 145 км. Длина же градуса (АС) 111,1 км. Стало быть, разница в давлениях между точками А и С =  (5/AD)хАС, или (5х111,1)/145 = 3,8 мб.     Таким образом, направление нормали и разность давлений, выраженная в миллибарах, как раз и покажет нам, в какую сторону и в какой степени убывает давление.

Изменение давления по нормали к изобаре в сторону убывающего давления на единицу расстояния называют барометрическим градиентом или градиентом давления.

Проще говоря, градиентом давления называют разницу в давлениях на единицу расстояния в том направлении, в котором быстрее всего убывает давление. За единицу расстояния, как уже говорилось, принимается длина одного градуса меридиана (111,1 км).

Градиент давления обозначается так: сначала пишется разница в давлениях (на длину градуса), а потом направление по сторонам горизонта. Так, например, если в нашем случае давление уменьшается на NE (с. в.), то полное обозначение градиента будет 3,8 мб NE. При более точных  обозначениях  сторон горизонта указывают еще градусы 3,8 мб (N40°E).

Ветер, его направление и скорость. Перемещение масс воздуха в горизонтальном направлении называют ветрами. Направление ветра определяют той стороной горизонта, откуда ветер дует. Для обозначения сторон горизонта обычно применяют румбы.

Для более точного обозначения направления ветра прибавляют еще градусы, например N 30°Е, т. е. отклонение от севера на восток на 30°. Иногда (особенно при воздушных полетах) направление ветра обозначается еще азимутом, т. е. величиной того угла, который образуется направлением ветра и северным направлением. При этом северное направление обозначается 0°, а дальше ведется отсчет по часовой стрелке от 0 до 360°. Для определения направления ветра употребляется прибор — флюгер, устройство которого настолько просто, что не требует пояснения (рис. 74).

Ветры обладают различной скоростью. Скорость определяется количеством метров в секунду (т. е. длиной того пути, который совершает движущаяся точка в секунду). Сокращенно

скорость обозначается так: 8 м/сек, т. е. 8 метров в секунду.

Для определения скорости ветра иногда применяется шкала Бофорта, в которой скорость оценивается в баллах от 0 до 12.

Эти баллы могут быть определены с большей   или   меньшей   точностью глазомерными наблюдениями:

0 — штиль, полное отсутствие ветра.

1 — тихое дуновение, дым слегка  отклоняется от

вертикали.

2— легкий ветер, заметно ощущаемый.

3 — слабый ветер, колеблются листья.

4 — умеренный ветер, колеблются мелкие ветви.

5 — свежий ветер, колеблются большие ветви, на

воде появляются волны.

6 — крепкий ветер, качаются большие ветви, гудят

телефонные провода.

7 — сильный ветер, качает стволы небольших деревьев.

8 — очень сильный ветер, качает крупные деревья, задерживает движение человека.

9 — шторм, ломает ветки деревьев.

10 — сильный шторм, валит деревья.

11 — жестокий шторм, сопровождаемый   сильными разрушениями.

12—ураган, опустошительные разрушения.

Приборы, при помощи которых измеряется скорость ветра, называют анемометрами. Большинство анемометров построено по принципу ветряной мельницы. Так, например, анемометр Фусса имеет вверху

четыре полушария (чашки), обращенные в одну сторону (рис. 75). Эта система полушарий вращается около вертикальной оси, причем количество оборотов отмечается счетчиком. Прибор выставляется на ветер, и, когда «мельница из полушарий» приобретает более или менее постоянную скорость, включается счетчик на точно определенное время. По табличке, на которой указано количество оборотов для каждой скорости ветра, и по количеству найденных оборотов определяется скорость. Существуют более сложные приборы, которые имеют приспособление для автоматической записи направления и скорости ветра. Применяются также и простые приборы, по которым одновременно можно определить направление и силу ветра. Примером такого прибора может служить распространенный на всех метеорологических станциях флюгер Вильда.

Роза ветров. Ветры подобно другим явлениям в жизни атмосферы подвержены сильным изменениям. Поэтому и здесь приходится находить средние величины.

Для определения господствующих направлений ветров за тот или другой период времени поступают следующим образом. Проводят из какой-нибудь точки восемь главных направлений, или румбов, и на каждом

по определенному масштабу откладывают повторяемость ветров. На полученном изображении, известном под названием розы ветров, ясно видны господствующие ветры (рис. 76).

Структура ветра. Ветер нельзя представить себе однородным воздушным течением, имеющим одинаковое направление и одинаковую скорость во всей своей массе. Наблюдения показывают, что ветер дует порывисто, как бы отдельными толчками, порой стихает, потом снова приобретает прежнюю скорость. При этом направление ветра тоже подвержено изменениям. Наблюдения, производимые в более высоких слоях воздуха,   показывают,    что   порывистость с высотой уменьшается. Замечено также, что в различные времена года и даже в различные часы дня порывистость ветра неодинакова. Наибольшая порывистость наблюдается весной. В течение суток наибольшее ослабление ветра — ночью. Порывистость ветра зависит от характера земной поверхности: чем больше неровностей, тем больше порывистость и наоборот.

Причины ветров. Воздух остаётся в покое до тех пор, пока давление в данном участке атмосферы распределяется более или менее равномерно. Но стоит давлению в каком-либо участке увеличиться или уменьшиться, как воздух потечёт от места большего давления в сторону меньшего. Начавшееся перемещение масс воздуха будет продолжаться до тех пор, пока разность давлений не выравнится и не установится равновесие.

Устойчивого равновесия в атмосфере почти никогда не наблюдается, поэтому и ветры относятся к наиболее часто повторяющимся явлениям в природе.

Причин, нарушающих равновесие атмосферы, очень много. Но одной из первых причин, порождающей разность давлений, является различие температур. Разберём простейший случай.

Перед нами поверхность моря и прибрежная часть суши. Днём поверхность суши нагревается быстрее поверхности моря. Благодаря этому нижний слой воздуха над сушей расширяется больше, чем над морем (рис. 77, I). В результате вверху сейчас же создается воздушное течение от более теплой области к более холодной (рис. 77, II).

Ввиду того, что часть воздуха из теплой области перетекла (вверху) в сторону холодной, давление в пределах холодной области увеличится, а в пределах теплой области уменьшится. В результате возникает воздушное течение теперь уже в нижнем слое атмосферы от холодной области к теплой (в нашем случае от моря к суше) (рис. 77, III). Подобные воздушные течения обычно возникают на морском побережье или по берегам больших озер и носят название бризов. В приведенном нами примере — бриз дневной. Ночью картина совершенно обратная, ибо поверхность суши, остывая быстрее поверхности моря, становится холоднее. В результате в верхних слоях атмосферы воздух будет течь в сторону суши, а в нижних слоях в сторону моря (ночной бриз).

Подъем воздуха с теплой области и опускание в холодной объединяет верхнее и нижнее течение и создает замкнутую циркуляцию (рис. 78). В этих замкнутых круговоротах вертикальные части пути обыкновенно очень малы, горизонтальные же, наоборот, могут достигать огромных размеров.

О других более сложных причинах образования ветров, связанных и с температурой и движением Земли, мы будем говорить несколько позже.

Причины различной скорости ветров. Само собой понятно, что скорость ветра должна зависеть от градиента давления (т. е. определяться прежде всего разницей в давлениях на единицу расстояния). Если бы, кроме силы, обусловленной градиентом, никаких других сил на массу воздуха не действовало, то воздух двигался бы равномерно-ускоренно. Однако этого не получается, потому что существует немало причин, которые замедляют движение воздуха. Сюда в первую очередь относится трение.

Различают трение двух видов: 1) трение приземного слоя воздуха о земную поверхность и 2) трение, возникающее внутри самого движущегося воздуха.

Первое находится в прямой зависимости от характера поверхности. Так, например, водная поверхность и равнинная степь создают наименьшее трение. При этих условиях скорость ветра   всегда   значительно возрастает. Поверхность же, имеющая неровности, создает большие препятствия движущемуся воздуху, что приводит к уменьшению скорости ветра. Особенно сильно понижают скорость ветра городские постройки и лесные насаждения (рис. 79). Наблюдения, произведенные в лесу, показали, что уже в 50 м от опушки скорость ветра уменьшается до 60—70% первоначальной скорости, в 100 м до 7%, в 200 м до 2—3%.

Трение, которое возникает между соседними слоями движущихся масс воздуха, называют внутренним трением. Внутреннее трение обусловливает передачу движения от одного слоя к другому. Приземный слой воздуха в результате трения о земную поверхность имеет наиболее замедленнее движение. Выше лежащий слой, соприкасаясь с движущимся нижним слоем, также замедляет свое движение, но уже в гораздо меньшей степени. Еще меньшее воздействие испытывает следующий слой и т. д. В результате скорость движения воздуха с высотой постепенно возрастает.

Направление ветров. Если главнейшей причиной ветра является разница в давлениях, то ветер должен дуть из области большего давления в область меньшего давления в направлении, перпендикулярном изобарам. Однако этого не происходит. В действительности (как это установлено наблюдениями) ветер дует главным образом вдоль изобар и только слегка отклоняется в сторону низкого давления. Это происходит вследствие отклоняющего действия вращения Земли. В свое время мы уже говорили, что всякое движущееся тело под влиянием вращения Земли отклоняется от своего первоначального пути в северном полушарии вправо, а в южном влево. Говорили также и о том, что отклоняющаяся сила по направлению от экватора к полюсам

возрастает. Совершенно понятно, что движение воздуха, возникшее в силу разности давлений, сразу же начинает испытывать на себе влияние этой отклоняющей силы. Сама по себе эта сила невелика. Но благодаря непрерывности ее действия в конце концов эффект получается очень большой. Если бы не было трения и других влияний, то в результате непрерывно действующего отклонения ветер мог бы описать замкнутую кривую, близкую к окружности. На самом деле благодаря влиянию различных причин подобного отклонения не получается, но тем не менее оно все же весьма значительно. Достаточно указать хотя бы на пассаты, направление которых, при неподвижном состоянии Земли, должно бы совпадать с направлением меридиана. Между тем их направление в северном полушарии северо-восточное, в южном — юго-восточное, а в умеренных широтах, где сила отклонения еще больше, ветер, дующий с юга на север, приобретает западно-юго-западное направление (в северном полушарии).

Главнейшие системы ветров. Ветры, наблюдаемые на земной поверхности, очень разнообразны. В зависимости от причин, порождающих это разнообразие, мы разделим их на три большие группы. К первой группе отнесем ветры, причины которых зависят главным образом от местных условий, ко второй — ветры, обусловленные общей циркуляцией атмосферы, и к третьей — ветры циклонов и антициклонов. Начнем наше рассмотрение с наиболее простых ветров, причины которых зависят преимущественно от местных условий. Сюда мы относим бризы, различные горные, долинные, степные и пустынные ветры, а также и муссонные ветры, которые уже зависят не только от местных причин, но и от общей циркуляции атмосферы.

Местные ветры. Бризы. В тропических и средних широтах на берегу морей (и больших озер) бризы начинают дуть обыкновенно с 9—10 час. утра с моря на сушу и продолжаются до вечера. Это так называемые морские бризы. Ночью (и рано утром) явление обратное: ветры дуют с берега на море и называются береговыми бризами. Причины, порождающие бризы, нам известны. В зависимости от местных условий и состояния погоды бризы могут носить различный характер, но их направление (днем с моря, ночью с суши) сохраняется. Особенно характерно бризы протекают при ясной и теплой погоде. Утром обычно тихо, море гладкое и спокойное. Потом вдали от берегов начинается небольшое волнение, которое постепенно приближается к берегу и вызывает слабый прибой. Начавшийся легкий ветер усиливается вместе с пробоем. При этом температура воздуха заметно снижается (в жарких странах это снижение доходит до 10—12°). К вечеру море постепенно успокаивается, ветер стихает и сменяется тишиной. С наступлением ночи вечерняя тишина также постепенно сменяется ветром, дующим уже с суши. Ночной береговой ветер обычно слабее дневного морского ветра.

Явление бризов приурочено лишь к береговой части. На море в 20—25 км от берега бризы уже незаметны. На суше, в силу большего трения, район их действия еще меньше. Высота же их не простирается более чем 400 м.

Бризы обусловливаются очень небольшой разницей в давлениях и возможны только там, где нет больших градиентов. Поэтому лучше всего морские и береговые бризы выражены в тропических странах.

Горные и долинные ветры. В горах, в период спокойной и устойчивой погоды, днем, после 9—10 час. утра и до захода Солнца, наблюдаются ветры, которые дуют из долины вверх по горным склонам, а ночью с гор в долины.

Горные и долинные ветры очень напоминают береговые и морские бризы, но причины их образования несколько сложнее. Воздух, заполняющий долину, днем нагревается и расширяется больше, чем воздух над горным гребнем. В результате на некоторой высоте, на одном и том же уровне, давление над долиной оказывается больше, чем над горами, а воздух из области долин течет к горным гребням. Ночью явление обратное (рис. 80).

Фен. Под названием фена известны сильные порывистые ветры, которые, спускаясь с гор, значительно повышают температуру воздуха и несут с собой исключительную сухость.

Наиболее характерные фены протекают следующим образом. Почти всегда они начинаются после ясной погоды. Отмечают даже особенную прозрачность воздуха и голубизну неба. Потом ночью обыкновенно внезапно налетают порывы ветра, которые днем переходят в бурю. Температура воздуха быстро повышается, что приводит также к быстрому таянию горных снегов. При этом горные ручьи вздуваются и превращаются в горные потоки. Потоки, низвергаясь вниз, несут каменные глыбы и вырванные с корнями деревья. Жители горных селений настораживаются и гасят очаги, потому что воздух фена отличается особенной сухостью и малейшая искра может вызвать пожары. В противоположность другим горным ветрам фены повторяются не часто.

Происхождение фена может быть объяснено следующим образом. По одну сторону гор возникает повышенное давление, а по другую, наоборот, сильно пониженное. При создавшихся условиях массы воздуха переваливают через горы и спускаются вниз в долину. Переваливая через горы, воздух сначала поднимается по склонам вверх на большую высоту и при этом сильно охлаждается. Охлаждение воздуха вызывает конденсацию водяных паров, в силу чего при поднятии вверх на каждые 100 м (считая по вертикали) температура понижается приблизительно на 0°,6. Если относительная высота хребта будет равна 1 тыс. м, то температура переваливающего через хребет воздуха понизится на 6°, при высоте в 2 тыс. м на 12° и т. д. Воздух, перевалив через хребет, начинает спускаться вниз.

Теперь при спуске конденсации паров не происходит, а потому при спуске на каждые 100 м температура будет повышаться не на 0°,6, а на 1°. В результате воздух, переваливший хребет в 1 тыс. ж, повысит свою температуру на 10°, а при высоте хребта в 2 тыс. м на 20°, чем и объясняется высокая температура фенов и их исключительная сухость. Фены чаще бывают в холодное время (зимой и весной).

Явление фена обычно для всех высоких гор. У нас в СССР фены наблюдаются на Кавказе, в горах Средней Азии, на Алтае и даже в горах меньшей высоты. В качестве примера последнего случая можно указать на явления фенов в горах, расположенных по западному и восточному побережьям оз. Байкал. Здесь феновые ветры повышают температуру на 10—20 и более градусов. Продолжительность фена чаще всего невелика—около суток. Лишь в редких случаях фен продолжается три-четыре дня. В 1938 г. на Кавказе (в Теберде) фен продолжался пять дней — с 27 марта по 2 апреля.

Бора. Борой называют холодный ветер, дующий с большой силой вниз по горному склону. По характеру движения  воздуха и  предшествующему состоянию погоды бора близка к фену. Так же как и перед началом фена, обычно наблюдается ясная погода. Потом начинаются порывы холодного ветра, переходящего в бурю. В некоторых случаях ветер достигает огромной (от 20 до 40 м в сек.) силы. Он катит увесистые камни, срывает железные кровли домов, поднимает высокие волны и целые тучи брызг. Эти массы брызг издали кажутся снежной метелью, разыгравшейся на море. При низкой температуре воздуха брызги замерзают на бортах, на палубе и на снастях кораблей. Были случаи, когда корабли от тяжести намерзающего льда опрокидывались и гибли.

Причины боры во многом сходны с причинами фенов. Здесь также по одну сторону гор повышенное давление, по другую пониженное. Воздух области повышенного давления также переваливает через горы. Но разница заключается в том, что воздух области повышенного давления сильно охлажден, а участки гор, через которые переваливает этот воздух, невысоки. В результате при опускании холодного воздуха он очень мало нагревается.

Бора наблюдается во многих районах Адриатического побережья (Югославии), на Черноморском побережье близ Новороссийска, на берегах Байкала, на Новой Земле и т. д.

Особенной известностью у нас пользуется бора Новороссийска. Холодные массы воздуха, подпруженные стеной Кавказских гор, у Новороссийска через Мархотский перевал (435 м) скатываются к морю. Более широкие потоки, но меньшей силы стекают в районе Апшеронского полуострова (недаром Баку — «город ветров»). В Новороссийске бора в среднем за год наблюдается в течение 46 дней (чаще всего с ноября по март). Сила ветра здесь обычно более 20 м в сек., а максимальная 41 м в сек.

Ветры подобного рода наблюдаются в различных местах и носят обычно свои местные названия: на юге Франции — мистраль, на Байкале — сарма и т. д.

Суховеи. Суховеями на юге и юго-востоке Европейской части СССР называют все жаркие и сухие ветры, которые чаще всего дуют с юго-востока из районов степей и пустынь Средней Азии. Суховеи приносят обычно высокую температуру и большую сухость. Высокая температура их зависит не только от того, что они дуют из теплых областей, но также и от большой их запыленности. Частицы пыли нагреваются солнечными лучами непосредственно в воздухе и значительно повышают его температуру. Суховеи украинских и юго-восточных степей приобретают иногда очень большую скорость (до 16 м/сек), а температура их доходит до 40° и выше.

Мнение, что суховеи приносят жару и сухость из пустынь и полупустынь Азии, современными климатологами оспаривается. Вообще вопрос о происхождении суховеев до сих пор еще нельзя считать выясненным. Полагают, что они связаны с антициклонами. Нисходящие токи антициклонов являются как бы «фенами» в свободной атмосфере, так что их высокая температура и сухость зависят не только от влияния пустынь и полупустынь Средней Азии, но также и от динамического нагревания, которое имеет место при опускании воздуха.

Главным очагом суховеев в пределах Европейской территории Советского Союза является Прикаспийская низменность. Отсюда они распространяются на степные районы и уже совсем редко заходят в лесостепные.

Суховеи нередко сопровождаются сухим (пыльным) туманом, который может держаться несколько дней подряд. Сначала появляется мгла, которая в некоторых случаях сменяется пыльным «туманом», настолько густым, что Солнце становится красным.

Суховеи своей высокой температурой, сухостью и большой запыленностью воздуха пагубно действуют на растительность.

Суховеи наблюдаются на Земле во многих местах и носят различные местные названия: в Аравии — самум, в Египте — хамсин, в Алжире — сирокко или широкко.

Муссоны. Устойчивые воздушные течения, характерные для того или другого времени года, называют муссонами. Муссоны образуются в результате различного нагревания суши и моря. Так, в холодный период года  благодаря быстрому   охлаждению  суши давление   над   материками,

как уже говорилось, увеличивается, а над морем понижается. В результате возникают ветры, дующие с материка на море — зимние муссоны. В теплый период явление обратного порядка обусловливает летние муссоны (рис. 81). Нетрудно видеть, что причины муссонов приблизительно те же, что и бризов. Только муссоны захватывают гораздо большие площади и имеют значительно большую вертикальную мощность.

Муссоны пользуются достаточно широким распространением особенно в тропических странах. Они хорошо выражены в восточной, юго-восточной и южной частях Азии, на Малайском архипелаге., Новой Гвинее, Северной Австралии, в Западной Африке, в Техасе (США), в районе Средиземноморского бассейна.

Муссоны оказывают огромное влияние на климат приморских стран, в   частности   они   определяют  количество  осадков   и их   распределение в течение года. Наиболее типичным примером муссонов могут служить муссоны южных и юго-восточных берегов Азии (Индостан, Индокитай и Дальний Восток). Вертикальная мощность этих муссонов достигает 3—4 км, а проникновение в глубь материка — более 1 тыс. км.

Общая циркуляция атмосферы. До сих пор мы говорили о ветрах, вызываемых главным образом местными причинами. Но наряду с этими ветрами существуют системы воздушных течений, обусловленных главным образом формой Земли и ее движением вокруг своей оси и вокруг Солнца. Эта система воздушных движений, осложненная наличием суши и  моря,  носит название общей циркуляции атмосферы.

Чтобы представить себе основные черты воздушных течений общей циркуляции атмосферы, рассмотрим схему (рис. 82). В узкой экваториальной зоне господствует преимущественно малое барометрическое давление во все времена года. Для этой наиболее нагреваемой зоны характерно наличие вертикальных восходящих токов воздуха. В результате здесь господствуют штили и слабые переменные ветры, что и дало основание называть экваториальную зону зоной затишья. Понятно, что в связи с годовым перемещением зенитного положения Солнца зона затишья летом перемещается к северу, а зимой к югу.

Наличие вертикальных восходящих токов воздуха в указанной зоне приводит к двум основным последствиям. Во-первых, восходящие токи воздуха охлаждаются, конденсируют влагу и дают осадки преимущественно ливневого характера. Во-вторых, поднявшиеся массы воздуха растекаются к северу и к югу от экватора.

В силу вращения Земли эти воздушные течения верхних слоев тропосферы под широтами 30—35° принимают направление с запада на восток. В результате здесь, т. е. под широтами 30—35°, возникают два пояса повышенного давления, известные под названием субтропических поясов высокого давления или субтропических антициклонов (рис. 83). От этих поясов повышенного давления в нижних слоях тропосферы возникают воздушные течения: в сторону экватора пассаты, а в сторону полярных областей господствующие ветры умеренных поясов.

На месте соприкосновения более теплых воздушных масс умеренного пояса с более холодными воздушными массами полярных областей более теплый воздух поднимается вверх. В результате возникает пояс пониженного, давления.

Более теплый воздух, поднявшийся вверх, воздушными течениями верхних слоев тропосферы возвращается к подтропическим поясам повышенного давления. Таким образом замыкается второй круг воздушных течений атмосферы.

В полярных областях в нижних слоях тропосферы преобладают ветры, имеющие направление в сторону экватора. Есть некоторые основания думать, что и в верхних слоях тропосферы здесь могут существовать господствующие течения обратных направлений. По аналогии с пассатами и господствующими ветрами умеренных поясов некоторые авторы предполагают здесь третий замыкающийся круг полярных воздушных течений. Однако наличие последнего полярного круговорота воздуха предполагается далеко не всеми метеорологами. Само собой разумеется, что и вся указанная схема общей циркуляции атмосферы отражает лишь предположительную картину, да и то лишь в очень упрощенном виде.

Наиболее типичными ветрами общей циркуляции атмосферы являются ветры экваториальной зоны затишья, пассаты, господствующие ветры умеренного пояса и ветры полярных областей. Кроме того, в умеренном поясе очень широко распространены циклоны и антициклоны, которые характеризуются вихревым направлением своих ветров.

Ветры экваториальной зоны затишья. Экваториальная зона затишья, как уже говорилось, характеризуется штилями и изменчивыми шквальными ветрами. При шквалах сила ветра 4—6, а иногда 7—8 баллов. Для этой зоны характерны сильнейшие ливни и грозы (как результат восходящих токов нагретого воздуха). Ширина экваториальной зоны затишья невелика (250—300 км). Она, как и термический экватор, остается весь год в северном полушарии и перемещается в зависимости от времени года. Так, в марте в пределах Атлантического океана она располагается между 3° с. ш. и экватором, а в сентябре между 11—3° с. ш.; в Тихом океане в марте между 5—3° с. ш., а в сентябре – между 10—7° с. ш.

Пассаты и антипассаты. К северу и к югу от зоны затишья располагаются зоны пассатов. В зоне пассатов в северном полушарии в нижних слоях атмосферы дуют постоянные северо-восточные ветры, а в южном юго-восточные. В верхних же слоях атмосферы (выше 4 тыс. м) дуют ветры противоположных направлений, известные под названием антипассатов. Наибольшим постоянством и наибольшей правильностью отличаются пассаты Тихого океана. Хорошо они выражены также в области Атлантического океана и менее правильно в северной части Индийского, где на них оказывают большое влияние муссоны. Средняя скорость пассатов около 5—6 м/сек, а в центральных частях 7—8 м/сек. В пределах материков пассаты по большей части выражены слабо, что объясняется не столько трением о неровности поверхности суши, сколько местными условиями нагревания земной поверхности и возникающими отсюда особенностями в распределении давлений и ветров.

В противоположность зоне затишья ширина каждой зоны пассатов; очень велика (2—2,5 тыс. км). В одном только Тихом океане площадь, юго-восточного пассата в четыре раза превосходит площадь Европы. Вообще нужно сказать, что площадь пассатных зон по своим размерам превосходит любую циркуляционную зону земного шара.

Остановимся коротко на причинах, порождающих пассаты и антипассаты.

При характеристике ветров экваториальной зоны мы говорили о господствующих там вертикальных восходящих токах воздуха. Под влиянием температуры нижние слои тропосферы расширяются, что и приводит к нарушению равновесия в верхних слоях тропосферы. В результате возникают воздушные течения от экватора к северу и к югу. Отклоняющая сила вращения Земли заставляет воздушные течения верхних слоев тропосферы отклоняться в северном полушарии вправо, а в южном влево. Отмеченные нами воздушные течения верхних слоев тропосферы, как уже указано, и носят название антипассатов (рис. 84). Высота антипассатов в зависимости от места и времени очень различна. Так, например, антипассаты Атлантики под 10° с. ш. летом наблюдаются на высоте 15 км, а зимой—6 км, под 30° летом на высоте 5 км, а зимой—1,5—2 км. По мере своего движения в сторону полюсов антипассаты под влиянием вращения Земли все больше и больше отклоняются к востоку и, наконец, под широтами 30—35° (в обоих полушариях) принимают направление с запада на восток. Таким образом, на указанных широтах создается непрерывный приток воздуха (из экваториального пояса), который и обусловливает образование тех двух поясов повышенного давления (30—35° северной и южной широты), о которых мы в свое время говорили. Естественно, что от поясов   повышенного

давления в нижних слоях тропосферы возникают воздушные течения, направляющиеся частью в сторону экватора, частью в сторону полюсов. В данном случае мы остановим наше внимание на тех воздушных течениях, которые направляются в сторону экватора. Эти течения под влиянием того же вращения Земли отклоняются в северном полушарии вправо, т. е. на запад, а в южном влево, т. е. тоже на запад. Эти воздушные течения, как уже известно, носят название пассатов.

Приведенные нами схемы дают, конечно, только самое общее представление о местоположении пассатных зон и направлении пассатов и антипассатов. На самом деле все это значительно сложнее.

Господствующие ветры умеренных поясов. В умеренных поясах (особенно северного полушария, где имеются огромные пространства суши) наблюдаются ветры самых различных направлений. Однако при более тщательном их изучении можно заметить, что в северном полушарии преобладают ветры западных и юго-западных направлений. В южном полушарии подобными преобладающими ветрами являются западные и северо-западные (рис. 85).

Причинами отмеченных нами ветров являются, по-видимому, те воздушные токи нижних слоев тропосферы, которые от поясов повышенного давления направляются в сторону полярных областей. При этом в силу того же вращения Земли происходят соответствующие отклонения, которые и сообщают этим ветрам отмеченные нами направления. Говоря об этих господствующих ветрах умеренных поясов Земли, мы все же должны помнить, что выражены они  во  много  раз слабее,  нежели   пассаты.

Кроме того, для умеренных поясов более характерны ветры циклонов и антициклонов, о которых мы будем говорить несколько позже.

Ветры полярных областей. В полярных областях метеорологических станций очень мало. Поэтому имеющихся непосредственных наблюдений над ветрами совершенно недостаточно, и наши выводы относительно распределения здесь ветров и давлений следует считать больше теоретическими предположениями, нежели проверенными фактами.

В полярных областях по температурным условиям должны преобладать высокие барометрические давления, возрастающие к полюсам. При наличии таких давлений должны существовать господствующие воздушные течения от полюсов в сторону экватора, с соответствующими отклонениями, обусловленными вращением Земли.

Ветры в циклонах и антициклонах. Исключительно широким распространением, особенно в наших широтах, пользуются циклоны и антициклоны.

В циклоне, как уже говорилось, наиболее пониженное давление находится в центре. При таких условиях должны возникнуть ветры, направляющиеся от периферии циклона к его центру. Однако в силу вращения Земли все ветры, направляющиеся к центру циклона, отклоняются в северном полушарии вправо, а в южном влево. В результате в циклонах возникают круговые течения, или, точнее, вихревые движения воздушных масс, от периферии к центру. В северном полушарии это движение совершается против часовой стрелки, а в южном по часовой стрелке (рис. 86). Ветры антициклонов имеют обратное направление (рис. 87).

Тропические циклоны. Циклоны более всего характерны для умеренных поясов. Однако они наблюдаются и в жарком поясе, где носят название тропических циклонов. Тропические циклоны отличаются от циклонов умеренных поясов меньшими размерами своих областей (около 250 км в диаметре), исключительной силой ветров (до 12 баллов) и большим количеством осадков. В центре тропического циклона имеется совершенно тихая и безоблачная область с диаметром около 20 км («глаз бури».) Корабль, попавший в область тропического циклона, по мере прохождения последнего сначала испытывает жесточайшую бурю с грозой и ливнем, потом, оказываясь в центре, попадает в условия исключительной тишины и ясного неба, а потом снова в полосу бури.

Тропические циклоны возникают лишь в некоторых определенных районах тропических морей и, перейдя на сушу, быстро затухают. Наибольшей известностью они пользуются в районах Антильских островов, в заливах Аравийском, Бенгальском, у юго-восточного побережья Азии и в районе к востоку от о. Мадагаскар.

В различных местностях тропические циклоны носят различные местные названия. Так, в районе Центральной Америки их называют ураганами, в Северной Америке — торнадо, у юго-восточных берегов Азии — тайфунами.

Смерчи. Своеобразные вихревые образования, имеющие формы рукавов, протянутых от облаков к земной поверхности, называют смерчами. Высота смерчей обыкновенно не превышает 1 тыс. м, а диаметр 100 м,но разрушительная сила их огромна. Они сносят крыши, вырывают с корнями деревья и нередко разрушают здания. Особенно часто смерчи наблюдаются в Северной Америке, где их называют «торнадо». Диаметр торнадо достигает 200—300 м, а средняя скорость перемещения 40 км в час. Сила торнадо настолько велика, что они поднимают на воздух не только людей и животных, но также и строения.

 

—Источник—

Половинкин, А.А. Основы общего землеведения/ А.А. Половинкин.- М.: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1958.- 482 с.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

Post Views: 4 834

14.4: Измерение давления — Physics LibreTexts

Цели обучения

• Определение избыточного и абсолютного давления
• Объясните различные методы измерения давления
• Общие сведения о работе барометров с открытой трубкой
• Подробно опишите, как работают манометры и барометры

В предыдущем разделе мы вывели формулу для расчета изменения давления для жидкости в гидростатическом равновесии.Как оказалось, это очень полезный расчет. Измерения давления важны в повседневной жизни, а также в научных и инженерных приложениях. В этом разделе мы обсудим различные способы регистрации и измерения давления.

Зависимость избыточного давления от абсолютного давления

Предположим, что манометр на полном акваланге показывает 3000 фунтов на квадратный дюйм, что составляет примерно 207 атмосфер. Когда клапан открывается, воздух начинает выходить, потому что давление внутри резервуара превышает атмосферное давление снаружи резервуара.Воздух продолжает выходить из резервуара до тех пор, пока давление внутри резервуара не сравняется с давлением атмосферы за пределами резервуара. В этот момент манометр на резервуаре показывает ноль, даже если давление внутри резервуара фактически составляет 1 атмосферу — такое же, как давление воздуха вне резервуара.

Большинство манометров, таких как датчик на акваланге, откалиброваны так, чтобы показывать ноль при атмосферном давлении. Показания давления от таких манометров называются манометром давлением , то есть давлением относительно атмосферного давления.Когда давление внутри резервуара превышает атмосферное давление, манометр показывает положительное значение. Некоторые манометры предназначены для измерения отрицательного давления. Например, многие физические эксперименты должны проводиться в вакуумной камере, жесткой камере, из которой откачивается часть воздуха. Давление внутри вакуумной камеры меньше атмосферного, поэтому манометр на камере показывает отрицательное значение. В отличие от манометрического давления, абсолютное давление учитывает атмосферное давление, которое фактически увеличивает давление в любой жидкости, не заключенной в жесткий контейнер.

Определение абсолютного давления

Абсолютное давление или общее давление складывается из манометрического и атмосферного давления:

\ [p_ {abs} = p_ {g} + p_ {atm} \ label {14.11} \]

, где p _abs — абсолютное давление, p _g — манометрическое давление, а p _атм — атмосферное давление.

Например, если манометр показывает 34 фунта на квадратный дюйм, то абсолютное давление составляет 34 фунта на квадратный дюйм плюс 14,7 фунта на квадратный дюйм (p _атм фунтов на квадратный дюйм) или 48.7 фунтов на квадратный дюйм (эквивалент 336 кПа).

В большинстве случаев абсолютное давление жидкости не может быть отрицательным. Жидкости выталкивают, а не притягивают, поэтому наименьшее абсолютное давление в жидкости равно нулю (отрицательное абсолютное давление — это притяжение). Таким образом, минимально возможное манометрическое давление p _g = −p _атм (что делает p _abs равным нулю). Теоретически нет предела тому, насколько большим может быть манометрическое давление.

Измерение давления

Для измерения давления используется множество устройств, от шинных манометров до тонометров.Многие другие типы манометров обычно используются для проверки давления жидкостей, например, механические манометры. Мы рассмотрим некоторые из них в этом разделе.

Любое свойство, которое известным образом изменяется с давлением, может быть использовано для создания манометра. Некоторые из наиболее распространенных типов включают тензодатчики, которые используют изменение формы материала под давлением; емкостные манометры, использующие изменение электрической емкости из-за изменения формы под давлением; пьезоэлектрические манометры, которые создают разность напряжений на пьезоэлектрическом материале под разницей давления между двумя сторонами; и ионные датчики, которые измеряют давление путем ионизации молекул в сильно вакуумированных камерах.Различные манометры полезны в разных диапазонах давления и в разных физических ситуациях. Некоторые примеры показаны на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): (a) Манометры используются для измерения и контроля давления в газовых баллонах. Сжатые газы используются во многих промышленных и медицинских целях. (б) Манометры бывают разных моделей, но все они предназначены для одной и той же цели: для измерения внутреннего давления в шинах. Это позволяет водителю поддерживать давление в шинах, оптимальное для веса груза и условий движения.(c) Ионизационный датчик — это высокочувствительное устройство, используемое для контроля давления газов в закрытой системе. Молекулы нейтрального газа ионизируются за счет высвобождения электронов, и ток преобразуется в показания давления. Ионизационные датчики обычно используются в промышленных приложениях, в которых используются вакуумные системы.

Манометры

В одном из наиболее важных классов манометров применяется свойство, заключающееся в том, что давление, обусловленное весом жидкости постоянной плотности, определяется выражением p = h \ (\ rho \) g.U-образная трубка, показанная на рисунке \ (\ PageIndex {2} \), является примером манометра ; в части (а) обе стороны трубы открыты для атмосферы, позволяя атмосферному давлению равномерно снижаться с каждой стороны, чтобы его эффекты нейтрализовались.

Манометр, только одна сторона которого открыта в атмосферу, является идеальным устройством для измерения манометрического давления. Манометрическое давление p _g = h \ (\ rho \) g и определяется путем измерения h. Например, предположим, что одна сторона U-образной трубки подключена к некоторому источнику давления p _abs , например баллону в части (b) рисунка или банке с арахисом в вакуумной упаковке, показанной в части (с).Давление передается на манометр в неизменном виде, и уровни жидкости больше не равны. В части (b) p _abs больше атмосферного давления, тогда как в части (c) pabs меньше атмосферного давления. В обоих случаях p _abs отличается от атмосферного давления на величину h \ (\ rho \) g, где \ (\ rho \) — плотность жидкости в манометре. В части (b) p _abs может поддерживать столб жидкости высотой h, поэтому он должен оказывать давление h \ (\ rho \) g, превышающее атмосферное давление (манометрическое давление p _g положительное).В части (c) атмосферное давление может поддерживать столб жидкости высотой h, поэтому p _abs меньше атмосферного давления на величину h \ (\ rho \) g (манометрическое давление p _g отрицательное) .

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Манометр с открытой трубкой имеет одну сторону, открытую в атмосферу. (a) Глубина жидкости должна быть одинаковой с обеих сторон, в противном случае давление, оказываемое каждой стороной на дно, будет неравным, и жидкость будет течь с более глубокой стороны. (b) Положительное манометрическое давление p _g = h \ (\ rho \) g, передаваемое на одну сторону манометра, может поддерживать столб жидкости высотой h.(c) Аналогично, атмосферное давление больше отрицательного манометрического давления p _g на величину h \ (\ rho \) g. Жесткость банки предотвращает передачу атмосферного давления на арахис.

Барометры

Манометры обычно используют U-образную трубку жидкости (часто ртути) для измерения давления. Барометр (Рис. \ (\ PageIndex {3} \)) — это устройство, которое обычно использует один столбик ртути для измерения атмосферного давления. Барометр, изобретенный итальянским математиком и физиком Евангелистой Торричелли (1608–1647) в 1643 году, состоит из стеклянной трубки, закрытой с одного конца и заполненной ртутью.Затем трубку переворачивают и помещают в бассейн с ртутью. Это устройство измеряет атмосферное давление, а не манометрическое давление, потому что над ртутью в трубке создается почти чистый вакуум. Высота ртути такова, что h \ ​​(\ rho \) g = p _атм . Когда атмосферное давление меняется, ртуть поднимается или падает.

Синоптики внимательно следят за изменениями атмосферного давления (часто указываемого как атмосферное давление), поскольку повышение уровня ртути обычно свидетельствует об улучшении погоды, а падение ртути указывает на ухудшение погоды.Барометр также можно использовать как высотомер, так как среднее атмосферное давление зависит от высоты. Ртутные барометры и манометры настолько распространены, что единицы измерения атмосферного и кровяного давления часто используются в миллиметрах ртутного столба.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): ртутный барометр измеряет атмосферное давление. Давление, обусловленное весом ртути, h \ (\ rho \) g, равно атмосферному давлению. Атмосфера способна поднять ртуть в трубке на высоту h, потому что давление над ртутью равно нулю.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): Высота жидкости в открытой U-образной трубе

U-образная трубка с обоими открытыми концами заполнена жидкостью плотностью \ (\ rho_ {1} \) на высоту h с обеих сторон (рисунок \ (\ PageIndex {1} \)). Жидкость с плотностью \ (\ rho_ {2} <\ rho_ {1} \) наливается с одной стороны, и Жидкость 2 оседает поверх Жидкости 1. Высота на двух сторонах разная. Высота до верха жидкости 2 от границы раздела составляет h ₂ , а высота до верха жидкости 1 от уровня поверхности раздела составляет h ₁ .Выведите формулу для разницы в высоте.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): две жидкости разной плотности показаны в U-образной трубке.

Стратегия

Давление в точках на одинаковой высоте по обе стороны U-образной трубки должно быть одинаковым, пока эти две точки находятся в одной и той же жидкости. Поэтому мы рассматриваем две точки на одном уровне в двух рукавах трубки: одна точка — это граница раздела на стороне жидкости 2, а другая — точка в рукаве с жидкостью 1, которая находится на том же уровне, что и интерфейс в другой руке.Давление в каждой точке возникает из-за атмосферного давления плюс вес жидкости над ним.

Давление на стороне с жидкостью 1 = p ₀ + \ (\ rho_ {1} \) gh ₁

Давление на стороне с жидкостью 2 = p ₀ + \ (\ rho_ {2} \) gh ₂

Решение

Поскольку две точки находятся в жидкости 1 и находятся на одинаковой высоте, давление в двух точках должно быть одинаковым. Следовательно, у нас

\ [p_ {0} + \ rho_ {1} gh_ {1} = p_ {0} + \ rho_ {2} gh_ {2} \ ldotp \ nonumber \]

Следовательно,

\ [\ rho_ {1} h_ {1} = \ rho_ {2} h_ {2} \ ldotp \ nonumber \]

Это означает, что разница в высоте с двух сторон U-образной трубки составляет

.

\ [h_ {2} — h_ {1} = \ left (1 — \ dfrac {p_ {1}} {p_ {2}} \ right) h_ {2} \ ldotp \ nonumber \]

Результат имеет смысл, если мы установим \ (\ rho_2 = \ rho_1 \), что даст h ₂ = h ₁ .{5} \; Па \ лдотп \]

Миллибар — удобная единица измерения для метеорологов, поскольку среднее атмосферное давление на уровне моря на Земле составляет 1,013 x 10 ⁵ Па = 1013 мбар = 1 атм. Используя уравнения, полученные при рассмотрении давления на глубине в жидкости, давление также можно измерить в миллиметрах или дюймах ртутного столба. Давление внизу 760-миллиметрового столба ртути при 0 ° C в емкости, где откачана верхняя часть, равно атмосферному давлению. Таким образом, 760 мм рт.ст. также используется вместо давления в 1 атмосферу.{5} \; Па $ $$ 1 \; торр = 1 \; мм \; Hg = 122,39 \; Па $

Авторы и ссылки на источник

• Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами. Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

7 (d) Атмосферное давление

Введение

Воздух — материальный материал вещества и в результате имеет массу .На любой объект с массой действует универсальная сила известна как гравитация . Закон всемирного тяготения Ньютона гласит: любые два объекта, разделенные в пространстве, притягиваются к каждому другой силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояние между ними.На Земле гравитация также может выражается как сила ускорения около 9,8 метра в секунду в секунду. В результате этой силы скорость любого объект, падающий на поверхность Земли, ускоряется (1-я секунда — 9,8 метра в секунду, 2-я секунда — 19,6 метра в секунду, 3-я секунда — 29,4 метра в секунду второй и так далее.) до терминала скорость достигается.

Гравитация формирует и влияет на все атмосферные процессы. Это вызывает уменьшение плотности и давления воздуха экспоненциально по мере удаления от поверхности Земля. Рисунок 7d-1 ниже моделирует среднее изменение в атмосферном давлении с высотой над поверхностью Земли.На этом графике показано давление воздуха у поверхности. примерно 1013 миллибар ( мб ) или 1 килограмм на квадратный сантиметр площади поверхности.

Рисунок 7д-1: Изменить в среднем атмосферном давлении с высотой.

Измерение атмосферного давления

Любой прибор для измерения давления воздуха. называется барометр .Первое измерение атмосферного давления началось с простой эксперимент, выполненный Evangelista Торричелли в 1643 году. В своем эксперименте Торричелли погрузил трубку, запаянную с одного конца, в контейнер ртути (см. Рисунок 7d-2 ниже). Атмосферный давление затем заставило ртуть подняться в трубку, чтобы уровень, который был значительно выше, чем ртуть в контейнере.Торричелли определил из этого эксперимента что давление атмосферы примерно 30 дюймов или 76 сантиметров (один сантиметр ртутного столба равно 13,3 миллибар ). Он также заметил, что высота ртути менялась с изменениями снаружи погодные условия.

Барометр Торричелли

Рисунок 7d-2: Схема показывая конструкцию барометра Торричелли.

Барометр наиболее распространенного типа, используемый в Homes — это барометр-анероид (рисунок ). 7д-3 ). Внутри этого инструмента находится небольшой гибкий металлическая капсула называется анероидной ячейкой. В строительстве аппарата внутри капсулы создается вакуум так что небольшие изменения внешнего давления воздуха вызывают капсула расширяться или сжиматься.Размер анероида Затем ячейка калибруется, и любое изменение ее объема передается пружинами и рычагами на индикатор рука, указывающая на соответствующее атмосферное давление.

Рисунок 7д-3: Анероид барометр.

Для климатологических и метеорологические цели, стандарт давление на уровне моря , как говорят, 76.0 см или 29,92 дюйма или 1013,2 миллибар . Ученые часто используют кПа ( кПа ). как предпочтительная единица измерения давления. 1 килопаскаль равен 10 миллибар. Другой блок силы, иногда используемой учеными для измерения атмосферное давление — ньютон . Один миллибар равен 100 ньютонам на квадратный метр. (Н / м ² ).

Атмосферное давление на Земле Площадь

На рисунке 7d-4 показано среднемесячное давление на уровне моря для поверхности Земли. Эта анимация указывает на то, что давление приземного воздуха изменяется как в пространстве и временно. В зимние месяцы (с декабря по Февраль), над центральным Азия ( Сибирский Высокий ), у побережья Калифорнии ( гавайский Высокая ), центральная часть Северной Америки ( Канадская Высокий ), над Испанией и северо-западной Африкой, простираясь в субтропическую Северную Атлантику ( Азорские острова Высокий ), а над океанами в Южном Полушарие в субтропиках.Возникают области низкого давления к югу от Алеутских островов ( Алеутский Низкая ), на южной оконечности Гренландии ( Исландия Низкая ) и широты от 50 до 80 ° южной широты.

В летние месяцы (с июня по август), ряд доминирующих зимних систем давления исчезает. Ушли в прошлое Siberian High over Центральной Азии и доминирующих систем низкого давления вблизи Алеутские острова и южная оконечность Гренландии. Гавайские и Азорские острова Высокий усиливается и расширяется на север в свои относительные бассейны океана. Системы высокого давления над субтропические океаны в Южном полушарии также интенсивность и расширяться на север. Новые области доминирующего высокого давления над Австралией и Антарктидой ( юг Полярный высокий ).Области низкого давления формы над Центральной Азией и Юго-Западной Азией ( азиатских Низкий ). Эти системы давления несут ответственность на лето муссонов дождей Азии.

Мы еще раз рассмотрим этот рисунок в теме 7p , когда обсуждается глобальная циркуляция.

Рисунок 7д-4: Ежемесячно среднее давление на уровне моря и преобладающие ветры для поверхности Земли, 1959–1997 гг.Атмосфера значения давления скорректированы по высоте и описываются относительно уровня моря. Слайдер внизу изображения позволяет изменить время месяца. 07.05.2009 10:08 цветовая штриховка. Синие оттенки указывают на давление ниже среднемирового, а желтый до оранжевые оттенки выше средних измерений.( Источник: Климат Лабораторная секция исследования изменения окружающей среды Группа кафедры географии Университета г. Орегон — Глобальный Климатическая анимация). (Кому просмотреть эту анимацию, в вашем браузере должен быть Плагин Apple QuickTime .Доступен подключаемый модуль QuickTime для Macintosh и операционной системы Windows компьютеров и может быть загружен БЕСПЛАТНО с Сайт в Интернете www.apple.com/quicktime ).

атмосферное давление | Определение и вариации

Атмосферное давление , также называемое барометрическим давлением , сила на единицу площади, оказываемая атмосферным столбом (то есть всей массой воздуха над указанной площадью).Атмосферное давление можно измерить с помощью ртутного барометра (отсюда обычно используется синоним барометрическое давление ), который указывает высоту столба ртути, который точно уравновешивает вес столба атмосферы над барометром. Атмосферное давление также измеряется с помощью барометра-анероида, в котором чувствительный элемент представляет собой один или несколько полых, частично вакуумированных, гофрированных металлических дисков, поддерживаемых от сжатия внутренней или внешней пружиной; изменение формы диска при изменении давления может быть записано с помощью ручки пера и вращающегося барабана с часовым приводом.

изменения атмосферного давления с высотой

У поверхности Земли атмосферное давление уменьшается почти линейно с увеличением высоты. Однако изучение данных на больших высотах показывает, что зависимость экспоненциальная.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Британская викторина

Какая сегодня погода? Факт или вымысел

Улучшите свою светскую игру, узнав, что на самом деле происходит с погодой, и узнайте то, что вы уже знаете, с помощью этой викторины.

Узнайте об атмосферном давлении, его единицах и методах измерения.

Описание давления и его измерения.

© Josef Martha—sciencemanconsulting.com Посмотреть все видеоролики к этой статье

Атмосферное давление выражается в нескольких различных системах единиц: миллиметры (или дюймы) ртутного столба, фунты на квадратный дюйм (psi), дин на квадратный сантиметр, миллибар (мб), стандартные атмосферы или килопаскали. Стандартное давление на уровне моря по определению равно 760 мм (29.92 дюйма) ртути, 14,70 фунта на квадратный дюйм, 1013,25 × 10 ³ дин на квадратный сантиметр, 1013,25 миллибара, одна стандартная атмосфера или 101,325 килопаскалей. Вариации этих значений очень малы; например, самые высокие и самые низкие когда-либо зарегистрированные давления на уровне моря составляют 32,01 дюйма (в середине Сибири) и 25,90 дюйма (во время тайфуна в южной части Тихого океана). Существующие небольшие колебания давления в значительной степени определяют характер ветра и шторма на Земле.

Узнайте, почему присоскам требуется внешнее атмосферное давление для давления на внутреннюю часть низкого давления.

Узнайте, почему отсутствие атмосферного давления в космическом вакууме делает присоски непригодными для использования.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье

У поверхности Земли давление уменьшается с высотой со скоростью примерно 3,5 мбар на каждые 30 метров (100 футов). Однако над холодным воздухом падение давления может быть намного сильнее, потому что его плотность больше, чем у более теплого воздуха. Давление на высоте 270 000 метров (10 ⁻⁶ мбар) сравнимо с давлением в лучшем из когда-либо созданных человеком вакууме. На высотах от 1500 до 3000 метров (от 5000 до 10000 футов) давление достаточно низкое, чтобы вызвать горную болезнь и серьезные физиологические проблемы, если не будет проведена тщательная акклиматизация.

Испарение и методы его измерения

Что такое испарение и как оно происходит?

Прежде чем ливень достигнет выхода из бассейна в виде стока, необходимо удовлетворить определенные требования водосбора, такие как перехват –, накопление в депрессии и инфильтрация. Помимо этого, процессы испарения и транспирации переносят воду в атмосферу в виде водяного пара.

Испарение из водоемов и массы почвы вместе с испарением из растительности называется эвапотранспирацией (ЭП).Та часть осадков, которая недоступна в качестве поверхностного стока, называется «потерей».

Испарение

Испарение — это процесс, при котором жидкость переходит в газообразное состояние в виде свободной поверхности ниже точки кипения за счет передачи энергии.

Испарение — это процесс охлаждения: скрытая теплота испарения (~ 585 кал / г испарившейся воды) должна обеспечиваться водным объектом.

Скорость испарения зависит от

• Давление паров у поверхности воды и воздуха выше
• Скорость ветра — падающая солнечная радиация
• Атмосферное давление — качество воды
• Температура воздуха и воды
• Размер водоема

Давление пара — Скорость испарения пропорциональна разнице между давлением насыщенного пара (SVP) при температуре воды

и фактическим давлением пара в воздухе ()

Это уравнение называется законом испарения Дальтона.Испарение происходит до

. Если имеет место конденсация.

Температура — Скорость испарения увеличивается с увеличением температуры воды. Хотя скорость испарения увеличивается с повышением температуры воздуха, высокой корреляции между ними не существует. При одинаковой среднемесячной температуре испарение из озера может быть разным в разные месяцы.

Ветер — Ветер помогает удалить испаренный водяной пар из зоны испарения, тем самым создавая больше возможностей для испарения.

Скорость испарения увеличивается с увеличением скорости ветра до некоторого предела (критическая скорость ветра), и после этого любое дальнейшее увеличение скорости ветра не оказывает никакого влияния на скорость испарения. Это критическое значение скорости ветра зависит от размера водной поверхности (большие водоемы — высокая скорость ветра)

Атмосферное давление — Остальные факторы остаются неизменными, снижение атмосферного давления (как в высокогорных районах) увеличивает скорость испарения

Растворимые соли — Когда растворенное вещество растворяется в воде, давление пара раствора меньше, чем у чистой воды, и, следовательно, это вызывает снижение скорости испарения.

Процентное снижение скорости испарения приблизительно соответствует процентному увеличению удельного веса

При идентичных условиях испарение из морской воды примерно на 2-3% меньше, чем из пресной воды

Накопление тепла в водных объектах

Глубоководные водоемы обладают большей теплоемкостью, чем мелководные. Глубокое озеро накапливает радиационную энергию, полученную летом, и высвобождает ее зимой, что приводит к меньшему испарению летом и большему испарению зимой по сравнению с мелким озером, подверженным аналогичным ситуациям.

Эффект накопления тепла заключается в изменении сезонной скорости испарения, а годовое испарение остается более или менее неизменным.

Оценка / измерение испарения

Это делается следующими методами

• Использование испарителей
• Использование эмпирических уравнений
• Аналитическими методами

Типы Испарители

Испаритель

Это кастрюли с водой, которые подвергаются воздействию атмосферы.Потери воды из-за испарения из этих поддонов измеряются через регулярные промежутки времени (ежедневно). Метеорологические данные, такие как влажность, скорость ветра, температура воздуха и воды, а также осадки, также измеряются и записываются вместе с испарением.

(1) Испарительный поддон USWB класса A

• Кастрюля диаметром 1210 мм и глубиной 255 мм
• Глубина воды поддерживается от 18 до 20 см
• Сковорода из неокрашенного листа ГИ
• Поддон помещается на деревянную платформу высотой 15 см над уровнем земли для обеспечения свободной циркуляции воздуха под поддоном
• Испарение измеряется путем измерения глубины воды в успокаивающем колодце с помощью крюкового калибра

Рисунок: Испарительный поддон USGS, класс A

(2) Стандартный противень ISI

• Определено стандартом IS: 5973 и известно как модифицированный противень
класса А.
• Кастрюля диаметром 1220 мм и глубиной 255 мм
• Сковорода изготовлена ​​из листовой меди 0.Толщина 9 мм, внутри луженая, снаружи окрашена в белый цвет
• Поддон помещается на квадратную деревянную платформу шириной 1225 мм и высотой 100 мм над уровнем земли, чтобы обеспечить свободную циркуляцию воздуха под поддоном
• Манометр с фиксированной точкой показывает уровень воды
• Вода добавляется в поддон или удаляется из него для поддержания уровня воды на фиксированной отметке с помощью калиброванной цилиндрической меры
• Верхняя часть кастрюли покрыта шестигранной проволочной сеткой из GI для защиты воды в кастрюле от птиц
• Наличие проволочной сетки делает температуру воды более равномерной днем ​​и ночью
• Испарение из этой кастрюли примерно на 14% ниже по сравнению с испарением из неэкранированной кастрюли

Рисунок: Испарительный поддон ISI

(3) Затонувшая сковорода Колорадо

• Квадратный поддон 920 мм из неокрашенного листа GI, глубиной 460 мм, закопанный в землю на расстоянии 100 мм от верха
• Главное достоинство этой посуды — ее аэродинамические и радиационные характеристики аналогичны озерной
• Недостатки — трудно обнаружить утечки, дорого в установке, требуются дополнительные меры для защиты окружающей территории от высокой травы, пыли и т. Д.

Рисунок: Затонувшая сковорода Колорадо

(4) Поддон плавающий USGS

• Квадратный противень со сторонами 900 мм и глубиной 450 мм
• Поддерживается барабанными поплавками в середине плота размера 4.25 м x 4,87 м, он спущен на воду в озере с целью имитации характеристик большого водоема
• Уровень воды в поддоне поддерживается на том же уровне, что и в озере, оставляя край 75 мм.
• В поддоне предусмотрены диагональные перегородки для уменьшения колебаний поддона из-за воздействия волн
• Недостатки — дороговизна установки и обслуживания, сложность проведения измерений

Коэффициент панорамирования

Емкости-испарители не являются точными моделями больших резервуаров.Их основные недостатки:

— Они отличаются от резервуаров теплоемкостью и характеристиками теплопередачи с боков и снизу (затопленные и плавающие поддоны призваны минимизировать эту проблему). Следовательно, испарение из поддона в некоторой степени зависит от его размера (испарение из поддона диаметром около 3 м почти такое же, как из большого озера, тогда как испарение из поддона диаметром около 1 м примерно на 20% больше этого).

— Высота бортика в испарительном поддоне влияет на воздействие ветра на поверхность воды в поддоне.Также он отбрасывает тень разного размера на поверхность воды.

— Характеристики теплопередачи материала кастрюли отличаются от характеристик теплообмена резервуара.

Следовательно, испарение, измеренное с поддона, необходимо скорректировать, чтобы получить испарение из большого озера при идентичных климатических условиях и условиях воздействия.

Испарение в озере = Коэффициент поддона

x Выпаривание из поддона

Таблица: значения коэффициентов панорамирования

Sl.№	Типы противней	Среднее значение	Диапазон
1	Наземный поддон класса A	0,70	0,60 — 0,80
2	Сковорода ISI (модифицированный класс A)	0,80	0,65 — 1,10
3	Колорадо затонувшая сковорода	0,78	0,75 — 0,86
4	Сковорода плавающая USGS	0.80	0,70 — 0,82

Испарители обычно расположены на станциях, где собираются другие гидрометеорологические данные

Испарительные станции

ВМО рекомендует следующие значения минимальной плотности испарителей

• Засушливые зоны — 1 станция на каждые 30 000 кв. Км
• Влажно-умеренные зоны — 1 станция на каждые 50 000 кв. Км
• Холодные регионы — 1 станция на каждые 100 000 кв. Км

Типовая гидрометеостанция имеет:

• Датчик дождя с записью и датчик дождя без записи
• Ящик Стивенсона с максимальным, минимальным, влажным и сухим термометрами
• Анемометр и флюгер
• Поддонный испаритель
• Sunshine Recorder и т. Д.

ЭМПИРИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ

Большинство доступных эмпирических уравнений для оценки испарения озера представляют собой уравнение типа Дальтона общего вида

(1) Формула Мейера

(2) Формула Рувера

Учитывает влияние давления в дополнение к влиянию скорости ветра

Скорость ветра

В нижней части атмосферы, на высоте примерно 500 м над уровнем земли, скорость ветра подчиняется закону одной седьмой степени как

Аналитические методы оценки испарения

1. Метод водного бюджета
2. Метод бюджета энергии
3. Метод массопереноса

(1) Метод расчета водного бюджета

можно только измерить.

Измерение растворенного кислорода — Системы измерения окружающей среды

Методы измерения растворенного кислорода

Содержание растворенного кислорода можно измерить колориметрическим методом, датчиком и измерителем или титрованием.

Существует три метода измерения концентрации растворенного кислорода. Современные методы включают электрохимический или оптический датчик. Датчик растворенного кислорода присоединяется к измерителю для точечного отбора проб и лабораторных приложений или к регистратору данных, монитору процесса или передатчику для развернутых измерений и управления процессом.

Колориметрический метод предлагает базовое приближение концентрации растворенного кислорода в образце. Существует два метода, предназначенных для концентраций растворенного кислорода в высоком и низком диапазоне. Эти методы быстрые и недорогие для основных проектов, но ограничены по объему и подвержены ошибкам из-за других окислительно-восстановительных агентов, которые могут присутствовать в воде ²⁷ .

Традиционным методом является титрование Винклера. Хотя этот метод считался наиболее точным и точным в течение многих лет, он также подвержен человеческим ошибкам и труднее выполнять, чем другие методы, особенно в области ²⁷ .Сейчас метод Винклера существует в семи модифицированных версиях, которые все еще используются сегодня ²⁷ .

Измерение растворенного кислорода сенсорным методом

Измерение растворенного кислорода сенсором и измерителем (фото предоставлено: Fondriest Environmental; Flickr).

Самый популярный метод измерения растворенного кислорода — это измеритель и датчик растворенного кислорода. В то время как основные категории датчиков растворенного кислорода — оптические и электрохимические, электрохимические датчики можно разделить на полярографические, импульсные полярографические и гальванические.В дополнение к стандартному аналоговому выходу, некоторые из этих технологий датчиков растворенного кислорода доступны в платформах интеллектуальных датчиков с цифровым выходом.

Датчик растворенного кислорода можно использовать в лаборатории или в полевых условиях. Датчики DO могут быть разработаны для тестов биохимической потребности в кислороде (БПК), точечного отбора проб или долгосрочного мониторинга. Измеритель растворенного кислорода, зонд качества воды или система регистрации данных могут использоваться для записи данных измерений, полученных с помощью датчика DO.

Поскольку на концентрацию растворенного кислорода влияют температура, давление и соленость, эти параметры необходимо учитывать для ⁷ .Эти компенсации могут выполняться вручную или автоматически с помощью измерителя растворенного кислорода или программного обеспечения для регистрации данных. Температура обычно измеряется термистором внутри датчика и регистрируется измерителем или регистратором данных без запроса. Многие измерители DO включают в себя внутренний барометр, а системы регистрации данных можно настроить с помощью внешнего барометра или датчика уровня воды для измерения давления. Барометрическое давление также можно ввести вручную как высоту, истинное барометрическое давление или скорректированное барометрическое давление.Соленость может быть измерена датчиком проводимости / солености и автоматически компенсирована или приблизительно и введена вручную как ⁷ :

Пресная вода	<0,5 ‰ (PPT или частей на тысячу )
Солоноватая вода	0,5-30 ‰
Морская вода	33-37 ‰
соленая вода
Рассол	> 50 ‰

Процедуры калибровки и эксплуатации могут различаться в зависимости от модели и производителя.Во время измерений и калибровки следует обращаться к руководству по эксплуатации.

Оптические датчики растворенного кислорода

Поперечный разрез оптического датчика растворенного кислорода.

Оптические датчики растворенного кислорода измеряют взаимодействие между кислородом и некоторыми люминесцентными красителями. При воздействии синего света эти красители возбуждаются (электроны получают энергию) и излучают свет, когда электроны возвращаются в свое нормальное энергетическое состояние ¹² . Когда присутствует растворенный кислород, возвращаемые длины волн ограничиваются или изменяются из-за взаимодействия молекул кислорода с красителем.Измеренный эффект обратно пропорционален парциальному давлению кислорода ⁵ . Хотя некоторые из этих оптических датчиков DO называют флуоресцентными датчиками ¹⁰ , эта терминология технически неверна. Эти датчики излучают синий свет, а не ультрафиолетовый свет, и широко известны как оптические или люминесцентные датчики DO ¹¹ . Оптические датчики растворенного кислорода могут измерять либо интенсивность, либо время жизни люминесценции, поскольку кислород влияет и на ²³ .

Оптический датчик DO состоит из полупроницаемой мембраны, чувствительного элемента, светодиода (LED) и фотоприемника ³ . Чувствительный элемент содержит люминесцентный краситель, иммобилизованный в золь-геле, ксерогеле или другой матрице ²³ . Краситель реагирует на синий свет, излучаемый светодиодом ³ . Некоторые датчики также будут излучать красный свет в качестве эталона для обеспечения точности ⁵ . Этот красный свет не вызывает люминесценции, а просто отражается обратно красителем ⁷ .Интенсивность и продолжительность свечения красителя при воздействии синего света зависит от количества растворенного кислорода в пробе воды ²³ . Когда кислород проходит через мембрану, он взаимодействует с красителем, ограничивая интенсивность и время жизни люминесценции ³ . Интенсивность или время жизни возвращенной люминесценции измеряется фотодетектором и может использоваться для расчета концентрации растворенного кислорода.

Концентрация растворенного кислорода (измеренная по его парциальному давлению) обратно пропорциональна времени жизни люминесценции, как показано уравнением Штерна-Фольмера ⁵ :

Уравнение Штерна-Фольмера для растворенного кислорода.

I _o / I = 1 + k _q * t ₀ * O ₂
I _o = интенсивность или время жизни люминесценции красителя без кислорода
I = интенсивность или время жизни люминесценции при наличии кислорода
k _q = коэффициент скорости тушения
t ₀ = время жизни люминесценции красителя
O ₂ = концентрация кислорода как парциальное давление
Это уравнение точно применяется при низких концентрациях растворенного кислорода ⁷ .При высоких концентрациях это измерение нелинейное ²³ . Эта нелинейность возникает из-за того, как кислород взаимодействует в полимерной матрице красителя ²⁵ . В полимерах растворенные газы имеют отрицательное отклонение от закона Генри (который определяет парциальное давление) ²⁵ . Это означает, что более высокие концентрации, растворимость кислорода в матрице красителя будут соответствовать модифицированному уравнению Штерна-Фольмера ²⁴ :

Модифицированное уравнение Штерна-Фольмера для растворенного кислорода.

I _o / I = 1 + AO ₂ + BO ₂ / (1 + bO ₂ )
I _o = интенсивность или время жизни люминесценции красителя без кислорода
I = интенсивность или время жизни люминесценции при наличии кислорода
A, B, b = константы гашения модели Штерна-Фольмера и нелинейной растворимости
O ₂ = концентрация кислорода как парциальное давление
Использование этого уравнения требует ввода предварительно определенных констант датчика (I _o , A, B, b), которые относятся к каждой новой или замененной крышке датчика ⁵ .

Оптические сенсоры растворенного кислорода имеют тенденцию быть более точными, чем их электрохимические аналоги, и не подвержены влиянию сероводорода или других газов, которые могут проникать через электрохимическую мембрану DO ⁷ . Они также способны точно измерять растворенный кислород при очень низких концентрациях ³ . Датчики

могут быть развернуты с наземным буем данных или подповерхностным буем данных для долгосрочного мониторинга. Оптические датчики растворенного кислорода

идеально подходят для долгосрочных программ мониторинга из-за минимальных требований к техническому обслуживанию.Они могут проводить калибровку в течение нескольких месяцев и показывать небольшой (если есть) отклонение калибровки ⁵ . Эти датчики растворенного кислорода также не требуют разогрева или перемешивания при измерении ⁷ . В течение длительного периода времени краситель разрушается, и чувствительный элемент и мембрану необходимо будет заменить, но такая замена очень редка по сравнению с заменой мембраны электрохимического датчика. Датчики, измеряющие время жизни люминесценции, в меньшей степени подвержены деградации красителя, чем датчики измерения интенсивности, а это означает, что они сохранят свою точность даже при некоторой фотодеградации ²⁴ .

Однако оптические датчики растворенного кислорода обычно требуют большей мощности и требуют в 2-4 раза больше времени для получения показаний, чем электрохимический датчик растворенного кислорода ^{7, 14} . Эти датчики также сильно зависят от температуры ⁷ . На интенсивность люминесценции и срок службы влияет температура окружающей среды ²³ , хотя большинство датчиков будут включать термистор для автоматической корректировки данных ¹² .

Электрохимические датчики растворенного кислорода

Использование электрохимического датчика растворенного кислорода и измерителя для измерения растворенного кислорода (фото предоставлено YSI).

Электрохимические датчики растворенного кислорода могут также называться амперометрическими датчиками или датчиками типа Кларка. Электрохимические датчики DO бывают двух типов: гальванические и полярографические. Полярографические датчики растворенного кислорода можно разделить на датчики с постоянным и быстрым импульсом. Как гальванические, так и полярографические датчики DO используют два поляризованных электрода, анод и катод, в растворе электролита ⁷ . Электроды и раствор электролита изолированы от образца тонкой полупроницаемой мембраной.

Во время измерений растворенный кислород диффундирует через мембрану со скоростью, пропорциональной давлению кислорода в воде ⁷ . Затем растворенный кислород восстанавливается и расходуется на катоде. Эта реакция производит электрический ток, который напрямую зависит от концентрации кислорода ⁷ . Этот ток переносится ионами электролита и проходит от катода к аноду ¹⁹ . Поскольку этот ток пропорционален парциальному давлению кислорода в образце ¹⁵ , его можно рассчитать по следующему уравнению:

Расчет концентрации растворенного кислорода (как парциального давления) в электрохимической реакции.4 Кл / моль
P _м (t) = проницаемость мембраны как функция температуры
A = площадь поверхности катода
p _O2 = парциальное давление кислорода
d = толщина мембраны
Типичные токи, производимые кислородом снижение составляет около 2 мкА ¹⁶ .

Если измерения проводятся в лаборатории или в неподвижной воде, необходимо перемешать гальванические и полярографические датчики DO в растворе. Этот метод измерения зависит от расхода из-за потребления молекул кислорода ⁷ .Когда кислород потребляется, датчики могут производить искусственно заниженные показания DO в ситуациях отсутствия потока ⁷ . Электрохимические датчики растворенного кислорода следует перемешивать с пробой до тех пор, пока показания растворенного кислорода не перестанут повышаться.

Полярографические датчики растворенного кислорода

Поперечное сечение полярографического датчика растворенного кислорода.

Полярографический датчик растворенного кислорода — это электрохимический датчик, состоящий из серебряного анода и катода из благородного металла (например, золота, платины или, реже, серебра) в растворе хлорида калия (KCl) ⁸ .Когда прибор включен, перед калибровкой или измерением требуется 5-60-минутный прогрев для поляризации электродов. Электроды поляризованы постоянным напряжением (от 0,4 В до 1,2 В требуется для восстановления кислорода) от катода к аноду ⁸ ). Когда электроны движутся в направлении, противоположном току, анод становится положительно поляризованным, а катод — отрицательно поляризованным ¹⁴ . Эта поляризация возникает, когда электроны перемещаются от анода к катоду по внутренней проволочной цепи ¹⁹ .Когда кислород диффундирует через мембрану, молекулы восстанавливаются на катоде, увеличивая электрический сигнал ⁷ . Поляризационный потенциал поддерживается постоянным, пока датчик обнаруживает изменения тока, вызванные восстановлением растворенного кислорода ⁷ . Чем больше кислорода проходит через мембрану и уменьшается, тем больше электрический ток, считываемый полярографическим датчиком растворенного кислорода.

Это реакция, состоящая из двух частей: окисления серебряного анода и восстановления растворенного кислорода.Эти реакции протекают следующим образом:

Ag — серебряный анод
KCl и H ₂ O — раствор хлорида калия
Au / Pt — золотой или платиновый катод * инертный электрод — не участвует *

Серебряный анод Реакция и окисление
4Ag —-> 4Ag ⁺ + 4e ^—
4Ag ⁺ 4KCl —-> 4AgCl + 4K ⁺

Реакция золотого катода и восстановление кислорода
* Au / Pt инертный катод пропускает только электроны; он не участвует в реакции * ¹⁸
O ₂ + 4e ^— + 2H ₂ O —-> 4OH ^—
4OH ^— + 4K ⁺ —-> 4KOH

Общая реакция
O ₂ + 2H ₂ O + 4KCl + 4Ag —-> 4AgCl + 4KOH
Катод золото / платина исключен из уравнения реакции, поскольку он не мешает и не участвует в реакции ¹⁸ .В полярографическом датчике растворенного кислорода роль катода состоит в том, чтобы принимать и передавать электроны от анода к молекулам кислорода. Чтобы кислород мог приобрести электроны, реакция восстановления кислорода должна происходить на поверхности катода ¹³ . Электроны, проходящие от серебряного анода к катоду через внутреннюю цепь, используются для восстановления молекул кислорода до гидроксид-ионов на поверхности катода, создавая ток. Этот ток пропорционален потребляемому кислороду и, следовательно, парциальному давлению кислорода в образце ¹⁵ .

Серебряный анод окисляется во время этого процесса, так как он отдает свои электроны реакции восстановления, но окисление происходит только при проведении измерений ⁷ . Эта реакция заметна по мере того, как анод темнеет (покрытие AgCl). По мере накопления окисленного покрытия характеристики датчика ухудшаются. ⁷ . Это будет видно не только визуально при взгляде на электрод, но и при использовании датчика растворенного кислорода. Показания будут необычно низкими, не будут стабилизироваться, или датчик не откалибрует ⁷ .Когда это происходит, электроды можно очистить, чтобы восстановить работоспособность датчика ⁷ . Техническое обслуживание электродов должно происходить гораздо реже, чем замена мембраны, согласно заявке ⁷ .

Импульсные полярографические датчики растворенного кислорода

Поперечное сечение импульсного полярографического датчика растворенного кислорода.

Пульсирующие полярографические датчики растворенного кислорода устраняют необходимость перемешивания образца для обеспечения точности измерения растворенного кислорода. Датчик растворенного кислорода в быстрых импульсах аналогичен стационарному полярографическому датчику растворенного кислорода, поскольку в обоих используется золотой катод и серебряный анод.Как стационарные датчики, так и датчики с частыми импульсами также измеряют растворенный кислород, создавая постоянное напряжение для поляризации электродов ⁷ . Однако эти пульсирующие полярографические датчики DO включаются и выключаются примерно каждые четыре секунды, позволяя растворенному кислороду пополняться на поверхности мембраны и катода ⁷ . Это пополнение создает практически нулевую зависимость от потока ⁷ . Чтобы последовательно поляризовать и деполяризовать электроды в течение этих коротких периодов времени, пульсирующий полярографический датчик DO включает в себя третий серебряный электрод сравнения, отдельный от серебряного анода ⁷ .Электрохимическая реакция (окисление серебра и восстановление кислорода) остается прежней.

Поскольку импульсные полярографические датчики уменьшают зависимость от потока при измерении растворенного кислорода, пробу воды не нужно перемешивать при использовании этого датчика. ⁷ .

Гальванические датчики растворенного кислорода

Поперечное сечение гальванического датчика растворенного кислорода.

Последний электрохимический датчик растворенного кислорода гальванический. В гальваническом датчике растворенного кислорода электроды изготовлены из разнородных металлов.Металлы имеют разные электропотенциалы в зависимости от их ряда активности (насколько легко они отдают или принимают электроны) ¹⁷ . При помещении в раствор электролита потенциал между разнородными металлами вызывает их самополяризацию ¹⁶ . Эта самополяризация означает, что гальваническому датчику растворенного кислорода не требуется время на прогрев. Чтобы уменьшить содержание кислорода без внешнего приложенного потенциала, разница потенциалов между анодом и катодом должна быть не менее 0,5 вольт ¹⁶ .

Анодом гальванического датчика растворенного кислорода обычно является цинк, свинец или другой активный металл, а катодом — серебро или другой благородный металл ³ . Раствор электролита может быть гидроксидом натрия, хлоридом натрия или другим инертным электролитом ^8,27 . Электрохимическая реакция в гальванических датчиках DO очень похожа на реакцию в полярографических датчиках DO, но без необходимости в отдельном постоянном потенциале. Разные электроды самополяризуются, при этом электроны движутся внутрь от анода к катоду ⁷ .Катод остается инертным, он служит только для передачи электронов и не вмешивается в реакцию ²⁰ . Таким образом, анод окисляется, а кислород восстанавливается на поверхности катода. Эти реакции протекают следующим образом:

Zn / Pb — цинковый или свинцовый анод
NaCl и h3O — раствор хлорида натрия
Ag — серебряный катод * инертный электрод, не вступает в реакцию *

Реакция цинкового анода и окисление
2Zn —- > 2Zn ²⁺ + 4e ^—

Реакция серебряного катода и восстановление кислорода
* Катод Ag инертен и пропускает только электроны, не участвуя в реакции * ¹⁸
O ₂ + 4e ^— + 2H ₂ O —-> 4OH ^—
4OH ^— + 2Zn ²⁺ —-> 2Zn (OH) ₂

Общая реакция
O ₂ + 2H ₂ O + 2Zn —-> 2 Zn (OH) ₂
Как и в реакции полярографического датчика растворенного кислорода, катод не участвует в уравнении, потому что это инертный электрод ¹⁸ .Серебряный катод принимает электроны от анода и передает их молекулам кислорода. Эта операция происходит на поверхности катода ⁸ . Ток, возникающий при восстановлении кислорода, пропорционален парциальному давлению кислорода в образце воды ¹⁵ .

Гидроксид цинка, который образуется в результате этих реакций, осаждается в растворе электролита. Этот осадок виден как белое твердое вещество на кончике датчика ⁷ .Этот осадок не покрывает анод и не расходует электролит и, таким образом, не влияет на работу датчика, пока его количество не станет чрезмерным. Если это произойдет, это может повлиять на способность ионов проводить ток между катодом и анодом ²² . Если выходной сигнал датчика необычно низкий или показания не стабилизируются, необходимо заменить раствор электролита ⁷ .

Поскольку электроды гальванического датчика DO являются самополяризованными, окисление цинка будет происходить даже тогда, когда прибор не используется. ⁷ .При этом гальванический датчик растворенного кислорода будет работать эффективно, даже когда цинковый анод израсходован, хотя его, возможно, придется заменять чаще, чем полярографический датчик DO ⁷ .

Измерение растворенного кислорода колориметрическим методом

Существует два варианта анализа растворенного кислорода колориметрическим методом. Они известны как метод индигокармина и метод родазина D. В обоих вариантах используются колориметрические реагенты, которые реагируют и меняют цвет при взаимодействии с кислородом в воде ⁶ .Эти взаимодействия основаны на окислении реагента, и степень изменения цвета пропорциональна концентрации растворенного кислорода ²⁷ . Измерение растворенного кислорода колориметрическими методами можно проводить с помощью спектрофотометра, колориметра или простого компаратора. Использование спектрофотометра или колориметра дает более точные результаты, в то время как сравнение с компаратором, таким как цветовое колесо или цветовой блок, выполняется быстро и недорого. Однако, поскольку человеческий глаз необъективен, это может привести к некоторой неточности ⁶ .

Индигокармин

Согласно методу индигокармина, чем глубже синий цвет, тем выше концентрация растворенного кислорода.

Метод индигокармина можно использовать для измерения концентрации растворенного кислорода от 0,2 до 15 частей на миллион (мг / л). Этот метод дает синий цвет, интенсивность которого пропорциональна концентрации растворенного кислорода ³¹ . Трехвалентное железо, двухвалентное железо, нитрит и гидросульфит натрия могут мешать этому методу ²⁷ .Кроме того, реагенты следует хранить вдали от яркого света, так как продолжительное воздействие может испортить индигокармин ³² . Однако этот метод не зависит от температуры, солености или растворенных газов ²⁸ . Тесты низкого диапазона зависят от времени и должны быть проанализированы в течение 30 секунд, в то время как тесты высокого диапазона требуют двухминутного времени обработки ³¹ .

Родазин D

При измерении растворенного кислорода методом родазина D будет получен насыщенный розово-розовый цвет.

Метод родазина D используется для определения очень низких концентраций растворенного кислорода. Реагенты родазин D, способные измеряться в частях на миллиард (ppb), реагируют с растворенным кислородом с образованием темно-розового раствора ³⁰ . Этот колориметрический метод не зависит от солености или растворенных газов, таких как сульфид, которые могут присутствовать в пробе воды ²⁸ . Однако окислители, такие как хлор, трехвалентное железо и двухвалентная медь, могут мешать и вызывать более высокие показания DO ²⁹ .Другими причинами ошибки являются полисульфиды, гидрохинон / бензохинон, а также бор и перекись водорода (если присутствуют оба) ²⁹ . Кроме того, цвет и мутность образца могут влиять на точность показаний ²⁹ . Этот метод зависит от времени, так как анализ должен быть проведен в течение 30 секунд после смешивания реагента ³⁰ .

Измерение растворенного кислорода титриметрическим методом

Титриметрический метод анализа растворенного кислорода известен как метод Винклера.Этот метод был разработан L.W. Винклер, венгерский химик, в 1888 г. ⁴ . Также известный как йодометрический метод, метод Винклера представляет собой титриметрическую процедуру, основанную на окислительных свойствах растворенного кислорода ²⁶ . Этот метод долгое время был стандартом точности и точности при измерении растворенного кислорода ²⁷ .

Метод Винклера

Образцы собирают, фиксируют и титруют либо в полевых условиях, либо в лаборатории. Образец следует закрепить реагентами как можно скорее, чтобы предотвратить изменение уровня кислорода из-за перемешивания или контакта с атмосферой.Для метода Винклера требуется специальная бутылка, известная как бутылка BOD, которая предназначена для герметизации без захвата воздуха внутри ¹ . Сегодня необходимые реагенты могут поставляться в заранее отмеренных пакетах для большей точности и простоты использования ³³ . При использовании этого метода количество титранта, необходимое для завершения реакции, пропорционально концентрации растворенного кислорода в образце ⁶ .

Хотя метод Винклера по-прежнему является признанным стандартом для анализа растворенного кислорода, выявлено несколько проблем ²⁷ .Этот метод подвержен человеческим ошибкам, неточностям, загрязнению проб и помехам ⁶ . Кроме того, титрование может быть трудоемким и обременительным в области ⁷ .

Модифицированные методы Винклера

Основные этапы измерения растворенного кислорода методом титрования Азида-Винклера.

В настоящее время существует семь модифицированных методов Винклера, каждый из которых создан для решения различных проблем (например, мешающего загрязнения) ²⁷ . Наиболее популярным из них является метод Азида-Винклера, так как он решает проблемы с йодом, присутствующим в исходном методе ¹ .Однако остальные модифицированные методы создают новую проблему — эти методы требуют предварительного знания образца (например, других присутствующих элементов), чтобы сделать правильный выбор метода ²⁷ .