METEOROLÓGIAI MÉRÉSEK, MŰSZEREK 2004. 11.9-11.-12. Meteorológia-gyakorlat
Sugárzási fajták Napsugárzás: rövid hullámú (0,286 4,0 µm) A) direkt: közvetlenül a Napból érkezik (Napkorong irányából) B) diffúz (szórt): a Napsugárzás szóródik a felhőkön és az aeroszolokon Terresztrikus sugárzás: hosszúhullámú (4,0 80 µm): forrásai a felhők, a légkör és a felszín Teljes sugárzás: Napsugárzás + Terresztrikus sugárzás Lefelé haladó sugárzás: a síkfelszín feletti 2π nagyságú térszögből a felszín felé tartó sugárzás (Napsugárzás + Légköri visszasugárzás) Felfelé haladó sugárzás: a síkfelszín feletti 2π nagyságú térszögből a felszín felől érkező sugárzás (Terresztrikus sugárzás + visszavert Napsugárzás) Sugárzási egyenleg: Lefelé + Felfelé haladó sugárzás Globálsugárzás = teljes besugárzás ( Napsugárzás)
SUGÁRZÁSMÉRŐK / 1. -- Piranométer Globálsugárzás intenzitását (W/m 2 ) méri (direkt + diffúz) = rövid hullámú sugárzás Alulról jövő sugárzást az oldalt elhelyezkedő kis tányérok árnyékolják le Üvegbúra szerepe: -kiszűri a hosszúhullámú sugárzást - védi az érzékelőt a környezeti hatásoktól (szél, csap., por) Sugárzás hatására hőmérséklet különbség alakul ki a műszertest, az érzékelő lemez és az üvegbúra között elektron áram indul meg, melynek intenzitása szoros kapcsolatban van a sugárzás intenzitásával (termoelektromos elv) Az arányossági tényezőt a gyártók megadják, de kb. 2 évente újra kell hitelesíteni a műszereket Regisztráló berendezéshez vannak kötve Ha lefelé fordítva is felszerelünk egyet, akkor meghatározhatjuk a bejövő és a visszavert rövid hullámú sugárzás hányadosát (=albedó)
Mérési elve: melegíti az árnyékolt lamellát, és hőmérséklet kiegyenlítéshez szükséges áramerősséget mérve megkapjuk a direkt sugárzás intenzitását SUGÁRZÁSMÉRŐK / 2. -- Pirheliométer A direkt sugárzás intenzitását méri (W/m 2 ) Abszolút műszer: hitelesítésre használják Nap felé kell mindig fordítani (a Napkorong útját követi a műszer) Általában több manganin lamella van egymás mellett, ezeket váltva árnyékolják Az árnyékolt lemezeket csak a diffúz sugarak érik, a nem árnyékoltakat direktek is az árnyékolt lemez hőmérséklete alacsonyabb, mint a nem árnyékolté
SUGÁRZÁSMÉRŐK / 3. -- Netto pirradiométer Nettósugárzást (sugárzási egyenleget) méri (W/m 2 ): a teljes felfelé és lefelé haladó sugárzás különbségét Egy műszerben helyeznek el felfelé és egy lefelé néző szenzort, és a két felfogó test hőmérséklet-különbségéből származtatják a kimenő jelet A szenzorokat ún. lupolen bura védi (olyan, mint egy színtelen műanyag fólia), ami 0,3 és 60 μm között elég egyenletesen engedi át a sugárzást A pontos eredményhez arra van szükség, hogy a két szenzor érzékenysége teljesen azonos legyen
SUGÁRZÁSMÉRŐK / 4. -- Pirgeométer A hosszúhullámú sugárzás mérése (W/m 2 ) Hőhatáson alapuló érzékelő Fejjel lefelé szerelik fel (az érzékelő lefelé néz) Éjszaka, szélcsendes időben alkalmas
SUGÁRZÁSMÉRŐK / 5. -- Pirheliográf A napfénytartam (órában), azaz a napsütés időtartamának meghatározására (direkt sugarak, a napkelte és a napnyugta időpontja között eltelt időszakban, melynek elméleti napi maximális értékét az adott napi borultság csökkenti) Campbell-Stokes-féle: 96 mm-es üveggömb, a Napból érkező párhuzamos sugárnyalábot 1 pontban fókuszálja, és az átellenes oldalon lévő papírt kiégeti (intenzitása > 150 W/m 2 ) É-D tájolású (Dél felé néz) Empirikus képletekkel számítható belőle a globálsugárzás Kicsi a pontossága
HŐMÉRSÉKLET Alapvető fizikai változásokat von maga után: 1. térfogatváltozás, azaz hőtágulás 2. elektromos tulajdonságok változása (ellenállás, potenciálkülönbség) 3. fázisátalakulások (elsősorban vízben) A hőmérő kizárólag a mérendő közeggel álljon kölcsönhatásban. A) Nem érheti sugárzás (mely a levegőt alig, a hőmérőt viszont jelentősen befolyásolja) direkt sugárzás árnyékolása + szellőztetés B) Nem érheti csapadék (a víz párolgása hőt von el, s ez csökkenti a hőmérsékletet) zárt térben elhelyezve
HŐMÉRSÉKLETMÉRŐK / 1. Térfogatváltozáson alapuló hőmérők Kiterjedés (táguló közeg: Hg vagy alkohol) Higany-töltésű állomáshőmérő - üveggömbben Hg, - vékony szálban változik a Hg magassága - (-30 C) és (+50 C) között használható - 2 m-es magasságban mérik a hőmérsékletet - 0,1 C-os pontossággal -hőmérő-házikóban száraz + nedves hőmérő (a levegő nedvességtartalmának meghatározására)
HŐMÉRSÉKLETMÉRŐK / 2. Térfogatváltozáson alapuló hőmérők Maximum-hőmérő (leolv. napi egyszer: 18 UTC) - A nap folyamán bekövetkezett legmagasabb hőmérsékletet mutatja -Lázmérőhöz hasonlóan működik: a higanyos üveggömb végén leszűkíti egy kis üveg cső a nyílást, így csak kiáramolni tud a folyadék, visszafelé elzárja az útját - kb. 2 -os szögben meg van döntve Minimum-hőmérő (leolv. napi egyszer: 6 UTC) - alkohol töltésű (fagyáspontja alacsonyabb) - (-40 C) és (+40 C) között használható - érzékelő villás formát vesz fel - szigorúan vízszintes helyzetű - alkoholszál belsejében pálcika van, ami mellett áramlik a folyadék, de a hőmérséklet csökkenésekor a pálcikát magával húzza
HŐMÉRSÉKLETMÉRŐK / 3. Térfogatváltozáson alapuló hőmérők: Max./Min.
Talajhőmérő HŐMÉRSÉKLETMÉRŐK / 4. Térfogatváltozáson alapuló hőmérők - Hg-töltésűek, hajlított végűek, felszínen van a skála -a mélységi talajhőmérők tokban vannak, csak az érzékelő érintkezik a talajjal - 5, 10, 15, 20, 50, 100, 150 és 200 cm-esek - kis mélységű talajhőmérők: napi hőingás (kb. 40 cm-ig jut le) - nagyobb mélységű talajhőmérők: szezonális és évközi változások
HŐMÉRSÉKLETMÉRŐK / 5. Térfogatváltozáson alapuló hőmérők Deformáció (kétféle fémből áll) Bimetál hőmérő - 2 különböző hőtágulási tulajdonsággal rendelkező fém összeragasztásával - 0,5 C pontosság, lassú reakcióidő, de olcsóbb a Hg-nál - használata: termográfban Elektromos ellenállás megváltozásán alapuló műszerek Fémellenállás - elterjedtebb, pl.: Fe, Ni, Cu, Pt - gyors válaszidő - sérülékeny - automata állomásoknál: Pt ellenállás hőmérők mérik a hőmérsékletet
LÉGNEDVESSÉG A legfontosabb szárazföldi állapothatározó: a felhő/csapadékképződés illetve a kül. növények elterjedése miatt Nehezen mérhető Többféle fizikai mennyiséggel jellemezhetjük: gőznyomás, telítési gőznyomás, abszolút és relatív nedvesség, keverési arány, telítési keverési arány, harmatpont, specifikus nedvesség, telítési specifikus nedvesség, virtuális hőmérséklet, ekvivalens hőmérséklet, nedves hőmérséklet Alapvető műszerkategóriák: 1. abszorpciós műszerek 2. hajszálas nedvességmérők 3. pszichrométerek 4. kondenzációs nedvességmérők
LÉGNEDVESSÉG-MÉRŐK / 1. 1. Abszorpciós műszerek - abszolút nedvességet mérik - higroszkópos (kálcium-klorid, kénsav, foszfor-pentoxid) anyagon meghatározott térfogatú levegőt áramoltatnak át lassan, ez elnyeli a teljes vízgőzt, majd tömegváltozást mérnek -csak laborban használható 2. Hajszálas nedvességmérők (higrométer) - érzékelője 1 vagy több hajszálköteg - relatív nedvesség függvényében a hosszát megváltoztatja (nem lineárisan) - probléma: hőmérsékletváltozásra is változik a hajszálak hossza (15 C hőm.vált. - 1%-os rel.nedv.vált.) - hiba: 2-3% - 0 C alatt nem megbízható -alkalmazás: higrográfban
LÉGNEDVESSÉG-MÉRŐK / 2. 3. Pszichrométerek (hőmérős nedvességmérő) -Hőmérőpár: száraz és nedves (T d T w ) - Nedves muszlinnal beburkolva az érzékelő, innen állandóan párolog adiabatikusan a víz -T w -t elérve a hőmérséklet csökkenése megáll - 2 fajta pszichrométer: a/ szellőztetés nélküli (August-féle szívófonalas) b/ szellőztetett (Assmann-féle) - pszichrométeres táblázatok: a nedvesség számításának egyszerűsítésére a/ b/
LÉGNEDVESSÉG-MÉRŐK / 3. 4. Kondenzációs nedvességmérők - Harmatpontot mérnek - Fotocellával: tükör hűtése kondenzáció megindul (T dh ), ekkor a fotocella érzékeli a sugarakat; majd melegítés eltűnik a homályosság (T dm ), a fotocella nem érzékeli a sugarakat -T d =(T dh + T dm )/2 -Negatív hőmérsékleten is megbízhatók - Automatákban használják
LÉGNYOMÁS MÉRÉSE I. Def.: A talaj felszínen vagy a légkör adott szintjében az adott szinttől a légkör felső határáig terjedő légoszlop súlya egységnyi felszínre. A nyomás SI egysége a pascal (Pa), engedélyezett a bar egység használata (1 mbar = 100 Pa = 1 hpa) Normál légköri nyomás értéke: 1013,25 hpa, azaz 760 Hgmm Miért fontos? kapcsolatos a légáramlásokkal (a határréteg felett a nyomási és szél-/áramlási mező egybeesik) A légnyomás mérésére használt eszközök: -- folyadékbarométerek -- folyadék nélküli aneroid barométerek (deformációs) Összehasonlításhoz: tengerszintre, 0 C-ra és ϕ = 45 -ra kell átszámítani
LÉGNYOMÁS MÉRÉSE II.: Folyadékbarométerek A folyadék leggyakrabban a higany (nagy a sűrűsége és nem nedvesít) Alapja: Toricelli kísérlet Alkalmazott típusok: -- Fortin-féle: Hg bőrzsákban van, ennek szintje szabályozható 0 szint beállítható -- Gay-Lussac-féle: törzsbarométer, legpontosabb (10 évenként hitelesítik), 2 szintben olvassák le a Hg magasságának változását a különbség adja a légnyomást -- Fuess-féle, vagy állomási kompenzált: nem kell beállítani fix szintre a Hg-t, Hg-cső skálájának redukciója, nóniuszos csúszka segíti a leolvasást, Hg-oszlop magassága a hőmérséklettől is függ korrekciós hőmérő
LÉGNYOMÁS MÉRÉSE III.: Fuess-féle barométer hőmérő - leolvasás: 0,1 hpa-ként -hőmérő leolvasása: 0,5º C-ként
LÉGNYOMÁS MÉRÉSE IV.: Aneroid barométerek Elv: különböző nyomású terek elválasztó falaira a nyomáskülönbség miatt erők hatnak, a rugalmas válaszfal a magasabb nyomás felől benyomódik, melynek mértéke alapján meghatározható a nyomáskülönbség nagysága Vidi-dobozos aneroid barométer: -- zárt fémdobozban légüres tér (külső nyomás az edény rugalmas falait befelé nyomja) + beépített erős rugócska: befelé nyomó erőt kompenzálja -- p nő, doboz benyomódik -- írószerkezettel látják el -- lassan reagál és pontatlanabb, mint a Hg-os, de kisebb, hordozható -- használata: légnyomásíró (barográfok), automaták (a deformációt feszültségváltozásra alakítják)
Szélirány és szélsebesség mérése I. I A levegő mozgásállapotát adott pillanatban és adott helyen egy vektor jellemzi, amely a mozgás irányával azonos irányba mutat, és amelynek nagysága arányos a légmozgás sebességével A légmozgás többnyire horizontális, a konvektív cellákban (pl.: gomolyfelhő-keletkezés) lehetnek a horizontálissal azonos skálájú vertikális mozgások is Szél fogalmán a horizontális légmozgásokat értjük Meteorológiai operatív gyakorlatban általában a szélirányt és a szélsebességet külön mérik 10 m magasan Szélirány: az irány, ahonnan a szél fúj (8 főirány: É, ÉK, K, DK, D, DNY, NY, ÉNY, + 8 mellékirány van)
Szélirány és szélsebesség mérése II. A szél sebességének kifejezésére használatos karakterisztikák : Szélút: az a távolság, amelyet egy képzeletbeli test a széllel együtt mozogva adott idő (10 perc, 1 óra) alatt megtenne Közepes szélsebesség: a mérést megelőző 10 perc átlaga [m/s] Szélnyomás: a szél által 1 m 2 felületre gyakorolt tolóerő [Pa] Maximális széllökés: a szélsebesség vagy a szélnyomás átmeneti csúcsértéke a felhasználók igényeitől függően Szélsebesség SI-egysége: [m/s], 1 m/s = 3,6 km/h = 2,237 mérföld/h = 1,943 csomó A szél érzékelése műszer nélkül: -- füst gomolygása -- szélzsák repülőtereken -- Beaufort-féle skála (12 fokozatú): 0 = szélcsend, 12 = orkán
Szélirány és szélsebesség mérése III. Nyomólapos szélmérők: műszer lelke egy fémlap, amelyet szélkakashoz hasonló szerkezet fordít szembe a széllel fémlap karon függ, és a szél nyomásának hatására a függélyes helyzetből kilendül a szél nyomásának és a nyomólap súlyának megfelelő mértékben skálázását kísérleti úton készítették el, a skálabeosztások a Beaufort-skála szerint vannak (0-7-ig terjedő fokozatokat tudják mérni) már nem használják
Szélirány és szélsebesség mérése IV. Szélsebesség mérése: - Rotációs szélsebesség-észlelők - Aerodinamikus szélsebesség-mérők - Elektromos szélsebesség-mérők Rotációs szélsebesség-érzékelők: szélutat mér áttételeken keresztül akár számlálóberendezést, akár mérődinamót, akár valamilyen más kijelző illetve regisztráló szerkezetet működtetnek legegyszerűbbek: forgókanalas szélmérők (3 ágú kanálkereszt) kónuszos kanalas, lapátkerekes, propelleres
Csapadék mérése Def.: légkör vízgőzkészletéből keletkező víz, amely a felszínre jut Vízáram! Hidrológiai elemek közül a legkönnyebben mérhető Fontossága: időjárásalakító szerep, de változékony tér- és időbeli eloszlású nagy sűrűségű állomáshálózat kell víz-egyenlegben bevételi forrás növényzet szempontjából Csapadékot jellemző mennyiségek: csapadék mennyisége: 1 m 2 felületre jutó vízoszlop magassága mm-ben (1 mm/m 2 = 1 liter = 1 kg) csapadékmérő csapadék időtartama órákban kifejezve észlelő csapadékhullás intenzitása: egységnyi idő alatt egységnyi felületre jutó vízoszlop magassága (mm/m 2 /s) csapadékíró, RADAR csapadékösszeg: adott időtartam alatt hullott csapadék mennyisége csapadékmérő, csapadékíró
Csapadék mérése II. Oláh-Csomor-féle csapadékmérő: kettős falú alumínium hengerben gyűjtőedény felfogó edény felülete: 200 cm² tartozéka egy mérőhenger: 1 beosztás 2 g vizet jelent = 1/10 mm csapadék elhelyezése: Mo-on 1 m-es magasságban, közelben objektumok ne legyenek
Csapadék mérése III. Billenőedényes csapadékmérő: kettős falú alumínium hengerben billenő edénykék edények meghatározott tömeget bírnak el, majd átbillenek billenéseket számlálják: áramkör be- és kikapcsolása jelzi a billenést pontatlan télen és nagy intenzitású csapadéknál Hellmann-féle csapadékíró (ombrográf): gyűjtőedényben lévő, írókarral ellátott úszó követi a vízszint növekedését ha megtelik vízzel, kiürül az edény
Párolgás és evapotranspiráció mérése I. Párolgás (evaporáció): talaj és a vízfelületek párolgásos vízvesztesége Növények által történő párologtatás: transpiráció Növénnyel borított talaj, vagy vízfelszín együttes párolgásos vízvesztesége: evapotranspiráció Párolgást mm-ben adjuk meg (1 m 2 -re vonatkozik) Potenciális párolgás: max. vízellátottság, csak a levegő nedvességtartalmától függ Tényleges párolgás: felszín vízellátottsága szab határt Párolgásmérés eszközei: Wild-féle párolgásmérő Piché-féle párolgásmérő Párolgásmérő kádak Evapotranspiráció mérésének eszköze: liziméter Naponta egyszer adják meg a táviratokban Csak tenyészidőszakban mérnek
Párolgás és evapotranspiráció mérése II. Wild-féle párolgásmérő: egykarú mérleg (tömegmérésen alapul) 1/4 m 2 -es felülettel
Párolgás és evapotranspiráció mérése III. Párolgásmérő kádak: A-típusú kád: felülete kb. 1,14 m 2, mélysége 0,25 m Vízszintmérés: a kádon belül elhelyezett talapzatra mérőhengert helyezünk, amelybe egy furaton keresztül a kád vízszintjének megfelelő szintig víz áramlik be, a furatot csavarral elzárjuk, a hengert kiemeljük, a benne lévő vizet 0,1 mm beosztású mérőhengerbe öntjük, mérés után a kádból kivett vizet visszaöntjük Csapadék esetén: annak mennyiségét ki kell vonni Fa talapzat, hálóval védik az állatoktól
Liziméterek: Párolgás és evapotranspiráció mérése IV. hídmérleges: a tartály evapotranspirációs vízveszteségét tömegméréssel határozzák meg úszóházas: légkamrákkal úszóképessé tett tartály által az úszóházban kiszorított vízszintjét egy közlekedőedénnyel csatlakozó mérőtartályban regisztrálják kompenzációs: eredeti felülete 4 m 2, mélysége 70 cm, mérendő az a vízmennyiség, amely a talajkád adott vízszintjének tartásához, illetve visszaállításához szükséges