Температура. Степень нагретости тела оценивается по его температуре. Если незначительные изменения атмосферного давления человек не ощущает и их могут зарегистрировать только приборы, то изменения температуры более чутко воспринимаются человеком.
Наиболее распространённый способ измерения температуры основан на свойстве тел изменять при нагревании и охлаждении свой объём. Простейший прибор, называемый термометром, состоит из небольшого пустотелого шарика с трубкой. Шарик наполнен ртутью или подкрашенным спиртом, а из трубки выкачан воздух, и она запаяна. При нагревании содержимое шарика расширяется и уровень его в трубке повышается.
Изменение температуры также может отмечаться автоматически; для этой дели служит прибор, называемый термографом (рис. 6).
Рис. 6. Внешний вид термографа.
В нём изменение температуры воспринимается так называемой биметаллической пластинкой А. Она состоит из двух спаянных вместе изогнутых пластинок, сделанных из металлов, которые по-разному расширяются от тепла.
При изменении температуры биметаллическая пластинка изгибается в ту или иную сторону, так как составляющие её пластинки удлиняются или укорачиваются по-разному. Один конец пластинки закреплён неподвижно, а другой соединён с помощью рычажков с записывающим пером Б, которое отмечает изменение температуры на движущейся бумажной ленте В.
При повышении температуры пластинка распрямляется и перо перемещается кверху; при понижении температуры пластинка изгибается и перо опускается.
При измерении температуры воздуха необходимо следить, чтобы на шарик термометра не попала вода, иначе прибор будет показывать температуру более низкую, чем температура воздуха, так как испарение воды сопровождается поглощением тепла. Если же на шарик термометра падают солнечные лучи, он будет показывать завышенную температуру, так как шарик поглощает лучи и нагревается сильнее, чем воздух. Чтобы избежать этих ошибок, метеорологи помещают свои термометры вместе с другими приборами в специальные будки. Сверху будка закрыта, а боковые стенки её состоят из наклонных реек, которые свободно пропускают воздух, но препятствуют прохождению прямых солнечных лучей.
Ветер. Воздух почти всегда находится в движении. В различных точках земного шара давление воздуха неодинаково. Эта разница в давлении вызывает перемещение масс воздуха из мест с повышенным давлением в места, где давление ниже. Такое перемещение воздуха и называется ветром. Метеорологам важно знать направление и скорость ветра, для того чтобы можно было предугадать изменение погоды, так как ветер может принести воздух с облаками и дождём, или, наоборот, рассеять эти облака, и т. д.
Для определения направления ветра служит простой прибор флюгер. Это вращающаяся на вертикальной оси стрела с оперением. Носик стрелы всегда направлен туда, откуда дует ветер. На верхней части оси флюгера можно подвесить металлическую дощечку, тогда прибор будет показывать и скорость ветра. Дощечка прикреплена к флюгеру в таком положении, что ветер ударяет прямо в неё. Чем сильнее ветер, тем больше он отклоняет дощечку. По величине отклонения и определяется скорость ветра.
Для более точного определения скорости ветра применяются анемометры. На рисунке 7 показан электрический анемометр.
Рис. 7. Электрический анемометр.
На концах вращающейся крестовины укреплены 4 полушария. Выпуклая часть каждого полушария обтекается воздухом более плавно, чем вогнутая, поэтому ветер оказывает большее давление на вогнутые, и меньшее — на выпуклые части полушария, и заставляет крестовину вращаться. Крестовина вращается вместе с осью, на нижнем конце которой укреплены магниты. Вращение магнитов возбуждает электрический ток в обмотке неподвижных катушек. Напряжение тока возрастает с увеличением скорости вращения. Прибор, измеряющий напряжение тока в анемометре, показывает скорость ветра. Он может быть проградуирован в метрах в секунду и помещён на значительном расстоянии от анемометра.
Флюгер и анемометр применяются для измерения скорости ветра у поверхности Земли. Но как измерить скорость движения воздуха на разных высотах? Для этого применяются шары-пилоты, состоящие из лёгкой резиновой оболочки, наполненной водородом. Поднимаясь вверх, шар-пилот перемещается вместе с потоком воздуха, в который он попадает. В это время два наблюдателя, расположенные на заранее известном расстоянии друг от друга, следят за ним в трубы специальных угломерных приборов — теодолитов [1]. Наблюдатели каждую минуту измеряют вертикальные и горизонтальные углы, под которыми виден шар-пилот. По этим углам рассчитывают высоту шара-пилота и расстояние до него в данный момент, а затем вычисляют, какой горизонтальный путь и в каком направлении пролетел шар за одну секунду. Это и будет скорость и направление ветра на данной высоте.
Измерение с помощью шара-пилота легко проделать при безоблачном небе. Но как быть, если туман, облака или ночная тьма мешают наблюдателю? Можно ли тогда измерить скорость и направление ветра? Оказывается, можно. Здесь на помощь наблюдателю приходит прибор — радиолокатор. Для него ни ночь, ни туман не служат помехой при наблюдении.
Радиолокатор посылает радиоволны в виде очень коротких сигналов в направлении летящего шара-пилота, к которому привязана крестовина из проволоки. Сигналы, отражённые этой крестовиной (радиоэхо), принимаются радиоприёмником локатора. По времени запаздывания радиоэхо определяют расстояние до шара. С помощью радиолокатора можно также определить и направление на шар-пилот с крестовиной. По этим данным рассчитывают путь движения шара-пилота, и, так же как при теодолитных наблюдениях, определяют скорость и направление ветра на разных высотах.
Метеорографы. Обычно метеорологов интересуют одновременно температура, давление и влажность воздуха и их изменения с высотой. Для этого применяется прибор, автоматически записывающий температуру, давление и влажность. Такой прибор называется метеорографом. Метеорограф поднимают на самолёте, воздушном змее, аэростате или небольшом резиновом шаре, наполненном водородом.
На рисунке 8 показан метеорограф СМ-43, предназначенный для подъёмов на самолёте.
Рис. 8. Самолётный метеорограф СМ-43.
Изменения давления воспринимаются двумя анероидными коробочками. Одной стороной они закреплены неподвижно на корпусе прибора, а другой соединены с пером 1. При уменьшении давления перо смещается вверх.
Температура измеряется биметаллической пластинкой, один конец которой также жёстко закреплён на корпусе, а другой соединён с пером 2. При понижении температуры перо также смещается вверх.
Изменения влажности воспринимаются пучком волос. Один конец его неподвижен, другой — перемещает перо 3. При уменьшении влажности перо опускается.
Все перья — давления, температуры и влажности — вычерчивают непрерывные линии на вращающемся барабане 4, покрытом закопчённой бумажной лентой. Барабан приводится в движение часовым механизмом.
Кроме того, в метеорографе имеется ещё одно неподвижное, контрольное перо 5. Оно вычерчивает на барабане прямую линию. Эта линия служит для расшифровки записей давления, температуры и влажности.
После спуска метеорографа на землю метеорологи тщательно обрабатывают его записи и узнают, как изменялись с высотой давление, температура и влажность воздуха.
Метеорографы, поднимаемые на змеях и привязных аэростатах, имеют ещё анемограф, автоматически записывающий скорость ветра.