Основные физические свойства воздуха: плотность, давление и температура.
Плотность есть отношение массы вещества к его объему. Так, 1 м3 воды при температуре 4 °С имеет массу 1 т, а 1 м3 сухого воздуха при 0 °С и нормальном давлении (760 мм рт. ст.) имеет массу 1,293 кг. Следовательно, при указанных условиях плотность воды составляет 1000 кг/м3, а плотность воздуха 1,293 кг/м3. Таким образом, плотность воздуха при этих условиях примерно в 800 раз меньше плотности воды.
Плотность атмосферы быстро уменьшается с высотой. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в слое до высоты 5,5 км. На высоте 300 км плотность её уже в 4-Ю10 раз меньше, чем на уровне моря. С дальнейшим увеличением высоты разреженность газов продолжает увеличиваться и без четко выраженной верхней границы атмосфера постепенно переходит в межпланетное пространство.
Давление атмосферы – это сила, с которой давит на единицу земной поверхности столб воздуха, простирающийся от поверхности земли до верхней границы атмосферы. Атмосферное давление можно измерить по высоте ртутного столба в стеклянной трубке, у которой один конец запаян, а другой погружен в чашку со ртутью. Воздух из трубки удален. Давление атмосферы удерживает столб ртути в трубке на определенной высоте. На уровне моря высота ртутного столба в трубке в среднем составляет 760 мм. Если площадь поперечного сечения трубки равна 1 см2, то объем ртути в трубке соответственно равен 76 см3. Плотность ртути равна 13,6 г/см3. Поэтому масса ртутного столба составит примерно 76–13,6–1,0336 кг. Следовательно, атмосферное давление уравновешивает столб ртути сечением 1 см2 и массой около 1,033 кг. Это означает, что атмосферное давление на уровне моря обычно составляет около 1,033 кг/см2.
Атмосферное давление долгое время выражали в миллиметрах (мм) ртутного столба, т.е. линейной мерой измеряли силу, что было неудобно при решении многих задач. Чтобы измерять давление в единицах силы, в 1930 г. была установлена новая международная единица давления – бар (от древнегреческого барос – тяжесть), равная давлению 1 млн. дин на площадь 1 см2, что соответствует 750,1 мм рт. ст. В практике до последнего времени в качестве единицы давления использовалась 1/1000 доля бара – миллибар.
С 1980 г. в качестве международной единицы для измерения атмосферного давления принят паскаль (Па):
1 Па = 10 дин/см2=10-5 бар.
Для практических целей используют гектопаскаль (гПа):
1 гПа=100 Па.
Поскольку до сих пор шкала приборов для измерения давления, градуирована в миллиметрах или миллибарах, то надо знать их соотношение:
1 гПа=1 мбар=0,75
В настоящее время для измерения влажности воздуха применяются психрометрический и сорбционный методы.
Название этого метода произошло от греческого слова психрос (охлаждение, холод) и говорит о том, что измерение влажности воздуха основано на охлаждении одного из термометров. По этому методу работают основные приборы для определения влажности воздуха – станционный и аспирационный психрометры.
Станционный психрометр состоит из двух одинаковых психрометрических термометров. Термометр, установленный в психрометрической будке слева, называется «сухим» и показывает температуру воздуха. Термометр, установленный справа, называется «смоченным», так как его резервуар непрерывно смачивается дистиллированной водой. Вода находится в специальном стаканчике и подается к резервуару при помощи полоски батиста, один конец которой оборачивает резервуар смоченного термометра, а другой опущен в стаканчик и тянет воду как фитиль.
Поверхность резервуара смоченного термометра является испаряющей. Чем суше воздух, тем быстрее испаряется вода с резервуара смоченного термометра и тем ниже его температура. Следовательно, чем меньше влажность воздуха, тем больше разность показаний сухого и смоченного термометров.
По температуре воздуха и показаниям смоченного термометра с помощью специальных «Психрометрических таблиц» определяют упругость пара е, относительную влажность f дефицит упругости d и точку росы td.
Аспирационный психрометр (рис. 1) по принципу действия не отличается от станционного психрометра. Основными его частями также являются два одинаковых термометра (сухой и смоченный), отличающиеся от термометров станционного психрометра меньшими размерами я цилиндрической формой резервуаров. Главная особенность конструкции этого психрометра – наличие аспиратора, обеспечивающего обдувание резервуаров термометров потоком воздуха с постоянной скоростью 2 м/с.
У станционного же психрометра скорость обдувания термометров непостоянна, она зависит от; скорости ветра за пределами будки, что влияет на точность измерения влажности воздуха.
Аспирационный психрометр является одним из наиболее точных метеорологических приборов. Резервуары его термометров надежно защищены от лучей солнца, i испарение со смоченного термометра происходит при постоянной скорости ветра, результаты измерений легко определяются по «Психрометрическим таблицам». Он имеет небольшую массу (600 г.), удобен при переносе и широко применяется при полевых работах.
При измерении температуры и влажности воздуха в посеве аспирационный психрометр устанавливается в нем горизонтально на изучаемом уровне. Отверстия защитных трубок психрометра должны быть ориентированы в сторону от Солнца. Смачивание батиста смоченного термометра необходимо производить только при вертикальном положении психрометра, чтобы вода из пипетки не попала в защитные трубки.
Этот метод основан на использовании свойства гигроскопических тел реагировать на изменение влажности воздуха. На упомянутом свойстве основано действие гигрометров.
Волосной гигрометр служит для измерения относительной влажности воздуха. Действие прибора основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса изменять длину в зависимости от относительной влажности. Изменение длины волоса передается на стрелку, указывающую относительную влажность на шкале, градуированной от 0 до 100%.
Чувствительность гигрометра со временем изменяется, поэтому его показания необходимо сверять с относительной влажностью, найденной по психрометру. В зимнее время 'наблюдения по психрометру при температуре ниже –10° С не производятся и для измерения влажности воздуха применяется только гигрометр. Поэтому до наступления морозов в течение одного месяца показания гигрометра сравниваются с показаниями психрометра и наносятся на график, который будет служить для перевода показаний гигрометра в показания психрометра. Для этого на специальном бланке ТМ-9 или на миллиметровой бумаге на вертикальной оси откладывают относительную влажность по психрометру, а на горизонтальной оси – показания гигрометра. Значения относительной влажности по психрометру и гигрометру, измеренные одновременно, отмечают на графике точкой, лежащей на пересечении линий, соответствующих этим значениям. Когда все точки нанесены, они образуют (если гигрометр исправлен) сравнительно узкую полосу, расположенную под утлом около 45° к осям координат. Посередине этой полосы проводят линию, по которой и переводят показания гигрометра в значения относительной влажности.
Гигрограф – прибор для непрерывной записи относительной влажности. Приемной частью прибора является пучок обезжиренных человеческих волос. В остальном устройство прибора почти аналогично термографу.
Испарение непосредственно измеряется испарителями или же вычисляется по уравнениям теплового и водного баланса или по другим теоретическим и эмпирическим формулам. Практически количество испарившейся воды измеряется толщиной испарившегося слоя, выраженного в миллиметрах.
Для измерения испарения с водной поверхности применяются испарительные бассейны площадью 20 и 100 м2, а также водные испарители с площадью поверхности воды 3000 см2 (ГГИ-3000). Испарение в таких бассейнах и испарителях определяется по изменению уровня воды с учетом выпадения осадков.
Испарение с поверхности почвы измеряется почвенными иопарителями ГГИ-500–50 или ГГИ-500–100 с площадью испаряющей поверхности 500 см2. Каждый из них состоит из двух металлических цилиндров. Внешний цилиндр первого испарителя установлен в почве до глубины 53 см. Во внутреннем цилиндре находится почвенный монолит с ненарушенной структурой почвы и растительностью. Высота монолита 50 см. Дно внутреннего цилиндра имеет отверстия, через которые стекает избыток воды от выпавших дождей в водосборный сосуд. Для определения испарения внутренний цилиндр с почвенным монолитом каждые пять дней вынимают из внешнего цилиндра и взвешивают. При этом рассчитывают по формуле
E= 0,02 (q1 –q2) – m+ r,
где E– испарение (мм); q1 – масса испарителя при предыдущем взвешивании (г); q2 – масса испарителя в данный момент (г); m– количество воды в водосборном сосуде (мм); r– (количество выпавших осадков (мм) за период между взвешиваниями. Коэффициент 0,02 служит для перевода весовых единиц (г) в линейные (мм). Измерение испарения по почвенному испарителю производится только в теплое время года.
В течение суток скорость испарения изменяется. Максимум скорости испарения приходится на 13–14 ч, когда наиболее велики температура испаряющей поверхности, дефицит упругости пара и. скорость ветра. Ночью температура испаряющей поверхности понижается, дефицит упругости и скорость ветра уменьшаются, что уменьшает скорость испарения иногда до нуля или даже делает ее отрицательной, что означает смену испарения противоположным процессом – конденсацией водяного пара из атмосферы на земную поверхность. Наиболее резко выражен суточный ход испарения в летние месяцы.