Töö nr. 2. Õhurõhu, temperatuuri ja õhuniiskuse määramine.(2013)

Transcript

1 Töö nr. 2. Õhurõhu, temperatuuri ja õhuniiskuse määramine.(2013) Maakera ümbritseb õhukiht, mille paksus on umbes 1000 km (poolustel õhem, ekvaatoril paksem). 99% õhust asub 25-km paksuses kihis. Õhk on gaaside mehaaniline segu: lämmastiku 78%, hapniku 21%, argooni 1%, süsihappegaasi %, neooni %, heeliumi %, metaani %, krüptooni %, vesinikku %, dilämmastikoksiidi %, ksenooni %. Õhus leidub veel kuni 5% mahu järgi veeauru (tavaliselt 1-2%). Õhutemperatuuri vertikaalse jaotuse järgi eraldatakse 5 kihti (ja 4 vahekihti): Troposfäär - kõrgus 0 11 km. See kiht sisaldab ligikaudu 80% kogu maakera ümbritsevast õhu massist (5.6 x kg). Troposfääris õhutemperatuur langeb kõrgusega lineaarselt umbes 6.5 C 1 km kohta. Tropopaus vahekiht troposfääri ja stratosfääri vahel, kus temperatuuri lineaarne langus lõppeb. Kõrgus on muutlik: polaaralade kohal 8-10 km, ekvaatori kohal km. Tropopaus on pilvede ülemiseks piiriks. Jugavoolud on siin eriti tugevad. Stratosfäär kõrgus 11 50km. See kiht sisaldab umbes 20% maakera ümbritsevast õhumassist. Stratosfääri alumises osas temperatuur jääb muutmatuks (-56.5 C), ülemises osas tõuseb pikkamööda ( kuni -1, -3 C). Stratopaus on vahekiht stratosfääri ja mesosfääri vahel umbes 50 km kõrgusel maapinnast. Selles kihis lõppeb temperatuuri tõus ja algab langus. Õhurõhk on väga madal, umbes 1 mb, mis tähendab et ainult 0,001 atmosfääri õhumolekulidest on ülalpool stratopausi. Mesosfääris (kõrgusel km) langeb temperatuur pidevalt kuni -90 C 85 km kõrgusel. Lämmastiku ja hapniku sisaldus (%) on sama nagu maalähedastes õhukihtides. Mesopaus on vahekiht mesosfääri ja termosfääri vahel kõrgusel umbes 86 km. Temperatuur tõuseb pikkamööda, võivad esineda helkivad ööpilved, mis koosnevad väga väikestest jääkristallidest. Termosfääris tõuseb temperatuur pidevalt. Alates umbes 112 km-st muutub temperatuur (ei ole otseselt mõõdetav) positiivseks ning kihi ülemisel piiril ( km) ulatub kuni 2000 C. Gaasid on ioniseeritud olekus ja reageerivad Maa magnetvälja muutustele. Molekulide vaba tee pikkus on 1-10 km. Eksosfääris gaasi aatomid liiguvad kolossalsete kiirustega, nende kontsentratsioon on kuni 1000 aatomit km 3 -s ja nad võivad hajuda maailmaruumi. Kõrgusel >1000 km domineriv gaas on He ja >3000 km H. Atmosfääri (õhu) rõhk on pinnaühiku kohal oleva õhusamba kaal. Seda, et õhk omab kaalu ja avaldab survet maapinnale tõestas aastal Firenze matemaatikaprofessori Evangelista Torricelli katse. Elavhõbedadaga täidetud 1 m pikkuses klaastorus (üks ots kinni sulatatud), pärast toru lahtise otsa asetamist elavhõbeda vanni jääb elavhõbeda sammas kindlale kõrgusele püsima tasakaalustades atmosfääri rõhku. See kõrgus (elavhõbeda nivoode vaheline kõrgus vannis ja klaastorus) on ligikaudu 760 mm. Seda katseseadet nimetatakse elavhõbebaromeetriks ja mmhg on ajalooliselt saanud õhurõhu ühikuks, ning õhurõhku 760 mmhg normaaltingimustel (0ºC ja raskuskiirendus g= m/s) nimetatakse normaalrõhuks. Meeldetuletuseks (vt. Töö nr.1a), gaasi/veesamba rõhku arvutatakse valemiga: p=ρgh, kus p on rõhk (Pa), g-raskuskiirendus (9.8 m/s 2 ), h- samba kõrgus (m), ρ - tihedus (kg/m 3 ). Hg tihedus on kg/m 3 0. Seega 1 atm = 0.76 m x kg/ m 3 x 9,8 m/s 2 = Pa) Õhurõhu ühikuteks on Paskál (Pa), baar (b), füüsikaline ehk normaalatmosfäär (atm), tehniline atmosfäär (at), mm Hg, mm H 2 0 : 1 Pa = 1 N/m 2 1b = 10 5 N/m 2 = mm Hg 1 mb(millibaar) =10-3 b = 100 Pa = 1 hpa (hektopaskal) 760 mm Hg = mb = 1 atm = Pa 1at = 1 kg /cm 2 = Pa 1mm Hg = mmh 2 O Meteoroloogias kasutatakse õhurõhu mõõturitena elavhõbedabaromeetreid ja metallbaromeetrit ehk aneroidi. Aneroidi töötamine põhineb metallist õhutühja membraankarbi elastsel deformatsioonil, mille kutsub esile õhurõhu muutumine. Aneroidi (Joonis 1) õhurõhu muutustele reageerivaks osaks on õhutühi lainekujulisest plekist karbike 1(või karbikesed mis asetsevad üksteise peal kohakuti ja omavahel ühendatud), mille keskkoht on jäigalt ühendatud samba 3 abil lehtvedru 4 ülemise äärega, kuna alumine külg on ühendatud samba 2 abil aneroidi alusega. Õhurõhu suurenemisel surutakse karbi kaas veidi allapoole, rõhu vähenemisel tõstab lehtvedru kaant ülespoole. Need väikesed nihkumised kantakse kangide süsteemi 5 kaudu suurendatult osutinõela võllile 7. Aneroide kaliibritakse Hg-baromeetrite abil. Et kõrguse suurenemisel õhu rõhk väheneb, taandatakse meteojaamades mõõdetud õhurõhku merepinnale.

2 Õhurohk maapinnal sõltub ka õhumassi temperatuurist: sooja õhu tihedus on väiksem, ta on kergem, külm õhk on tihedam, raskem. Õhumasside horisontaalne liikumine tuul tekib õhurõhu ebaühtlasest jaotusest maapinnal. 1. Tehke katse vastavalt joonisele 3. ja veenduge õhurõhu olemasolus (ebameeldivate üllatuste vältimiseks tehke katse kraanikausi kohal). Täidke klaas ääreni veega. Libistage paber veepinnale peale nii, et nende vahele ei jääks õhumulli. Toetades paberit käega pöörake klaas ümber. Kui õhumull ei ole sisse pääsenud, võib paberit toetava käe lahti lasta. Miks ei voola vesi välja? Arvutage ja võrrelge paberile mõjuvaid atmosfääri ja vesamba rõhke (pindpinevust ei arvesta). Joonis 3. Õhutemperatuuri mõõdetakse alates 18. Sajandist, kuigi praeguste termomeetrite eelkäia Galilei termoskoop (õhktermomeeter) oli leiutatud 1595 aastal (ei olnud gradueeritud) a. Itaalane K.Renaldini gradueerib termoskoobi jää sulamise (0 ) ja vee keemise (100 ) järgi a. I.Newton gradueeris oma termomeetreid jää sulamise (0 ) ja keha temperatuuri (36 ) abil a. Rootsi astronom A.Celsius: jää sulamine (100 ), vee keemine (0 )! 1750 a. - Rootsi astronom M. Štrömer: jää sulamine (0 ), vee keemine (100 ) a. Sakslane G.D. Fahrenheit valmistas elavhobetermomeetri: 0 F= C, 96 F = keha temperatuur a. R. Reamur kasutas Fahrenheiti-tüüpi termomeetrites piiritust. 0 R = 0 C jää sulamine, 80 R = 100 C vee keemine a. W.Thomson ehk lord Kelvin tõi sisse termodünaamilise temperatuuri (T) mõiste ja skaala, kus 0 K (ei kasutata kraadi märki) nimetatakse absoluutseks nulliks ja temperatuur on alati positiivne.

3 Üleminekud temperatuuriskaalade vahel: t C = 5/9 (t F 32) t F = 9/5 t C + 32 t C = 5 (t R) / 4 t R = 4 (t C) / 5 t C = T K 273,16 T K = t C + 273,16 Vedeliktermomeetrites kasutatakse vedeliku soojuspaisumist. Reservuaaris oleva vedeliku ruumala muutus tehakse hästi nähtavaks peenes kapillaris. Sõltuvalt vedeliku omadustest on termomeetrite tööpiirkonnad erinevad: Elavhobetermomeeter -30 C kuni +550 C Etüülpiirituse termomeeter -65 C kuni +65 C Toluooltermomeeter 0 C kuni -90 C Pentaantermomeeter +20 C kuni -180 C. Teised termomeetrite liigid: termotakisti, pooljuht-, bimetall-termomeeter, termo, optiline püromeeter. Temparatuuri mõõtmiseks enim kasutatav andur on termo (thermocouple), mis koosneb kahest eri metallist juhtmest, mis on ühest otsast kokku joodetud. Kui kokkujoodetud otsad on vabadest otstest erineval temperatuuril, siis tekib kuni 10 mv pinge, mis sõltub ligikaudu lineaarselt temperatuurist. Termoi kasutamiseks peab olema mõõteriista poolsete otste temperatuur kas fikseeritud (näiteks nullkraadi juures jäävannis) või vähem kõikuv. 2. Valmistage termomeeter. Termoi tööpõhimõte. Vabade elektronide kontsentratsioon (elektronide arv ruumalaühikus) on eri metallidel erinev. Kui viia kokkupuutesse kaks erinevat metalli (Joon. 4.), siis hakkavad elektronid soojusliku liikumise tõttu difundeeruma ühest metallist teise. Difundeeruvate elektronide arv oleneb nii ainest kui ka temperatuurist. See metall, kus elektronide arv vähenes, saab positiivse laengu ja teine metall, kus elektronide arv suurenes, negatiivse laengu. Nende laengute tõttu tekib metallide ühenduskohtades potentsiaalide vahe (kontaktpinge). Elektronide difusioon kestab seni, kuni metallide laadumisel vastasmärgiliste laengutega tekib nende sees elektriväli, mis tasakaalustab uute elektronide üleminekut. Kui aga eri metallide ühenduskohtasid hoida erinevatel tempetratuuridel T1 ja T2, siis kõrgema temperatuuriga kohas vabade elektronide kineetiline energia on kõrgem ja teise metalli difundeerunud elektronide arv kasvab. Järelikult suureneb kõrgema temperatuuriga ühenduskohas ka kontaktpinge ja termoi ühenduskohtade vahel tekib potentsiaalide vahe. Lõigates ühe traadi katki ja mõõtes otste V2-V1 vahelist pinget saabki teada kahe ühenduse vahelise temperatuuride erinevuse. Termoide jaoks kasutatavamad metallid ja sulamid on raud, plaatina, roodium, reenium, volfram, vask, alumell (nikkel+alumiinium), kromell (nikkel+kroom) ja konstantaan (vask+nikkel). Erinevate ide termoelektrilised parameetrid on hästi teada. Eeldades, et kõik metallid on puhtad ja sulamid täpsed, saab samasuguseid termoe asendada ilma kalibreerimist mõjutamata. Neid valmistatakse kokku keevitades, jootes või lihtsalt pressides. Joonis. 4. Töökäik. Termoi valmistamiseks kasutage 2 traati (~20-25 cm) vasest (joonisel metall A) ja 1 traat konstantaanist (nikkli ja vase sulam, joonisel metall B). Puhastage traatide otsad lakist ja jootke kokku vastavalt joonisele. Vabad vasktraatide otsad (ka lakist puhastatud!) ühendage testriga. Testril valige alalisvoolu mv mõõtepiirkond. Üks jootekoht asetage jää/veevanni ja jälgige, et temperatuur oleks 0 C. Teine jootekoht kinnitage kummirõngaga termomeetri külge ja asetage erineva temperatuuriga lahustesse (kasutage soojendatud vett

4 erinevatel temperatuuridel, jää-soola segu). Protokollige termomeetri ja testri samaaegsed lugemid. Tehke graafik: x-teljel jootekohtade temperatuuride erinevus, C, y-teljel termopinge absoluutväärtus (sest pinge märk, ehk voolusuund muutub otste vahetamisega), mv. lahus lahuse t C t C U, mv jää+vesi jää-soola segu jää+vesi soojendatud vesi jää-soola segu soojendatud vesi kraanivesi Kasutatud temperatuuride vahemikus pinge sõltuvus jootekohtade temperatuuride erinevusest on... (funktsiooni tüüp) Kasutage oma valmistatud termomeetrit temperatuuride määramiseks. Selleks jätke üks jootekoht jäävanni ja teist kasutage andurina. Vastavalt mõõdetud pingele saate temperatuuri väärtuse tabelist või graafikust. Termoiga mõõdetud temperatuurid: (Tänapäeva mõõteseadmetes ehitatakse spetsiaalne regulaator, mis kompenseerib vahe, mis tekib, kui teine ots on mõnel muul temperatuuril kui 0 C). Õhuniiskuse iseloomustamiseks kasutatakse järgmisi suurusi: 1. Veeauru (osa)rõhk õhus e - rõhk, mida tekitavad ainult veeauru molekulid oma kaootilisel liikumisel. Küllastunudud veeauru rõhk E oleneb temperatuurist mida kõrgem temperatuur, seda suurem küllastatud

5 veeaururõhk. Eksperimentaalne Magnuse valem kirjeldab küllastava veeauru rõhu (millibaarides) sõltuvust 7.63t t temperatuurist ºC: E ( t) = (mb) Veeaururõhku mõõdetakse samades õhurõhu ühikutes: mm Hg, millibaarides (mb), paskalites (Pa), atmosfäärides (atm). 2.Õhu absoluutne niiskus a veeauru mass grammides ühes kuupmeetris niiskes õhus (g/m 3 ). Meteoroloogias arvutatakse absoluutne niiskus empiirilise (eksperimentaalse) valemi järgi veeaururõhu ja temperatuuri kaudu: a = 217 e/t, kus a absoluutne niiskus (g/m 3 ), e aururõhk millibaarides (mb), T absoluutne temperatuur K, arv 217 on ühikutest sõltuv koeffitsient. 3. Relatiivseks niiskuseks r nimetatakse õhus oleva veeaururõhu ja samal temperatuuril õhku küllastava veeauru rõhu suhet, väljendatuna protsentides: r = e/e x 100 (%) 4. Niiskuse defitsiit d ehk niiskusvajak on küllastatud ja õhus oleva veeauru rõhkude vahe d = E e. 5. Kastepunkt on temperatuur, mille puhul õhus olev veeaur muutub küllastavaks, kusjuures õhurõhk jääb samaks. Õhuniiskuse mõõtmise meetodid. Meteoroloogias levinumad on psühromeetriline ja hügromeetriline meetod. a). Õhuniiskuse määramine psühromeetrilisel meetodil toimub kuiva ja märja termomeetrite lugemite kaudu. Märja termomeetri reservuaaril ümbritsevalt tahilt aurab vesi. Auramiseks kulunud soojuse hulk Q 1 arvutatakse valemist: Q 1 = c L (E e)/p, kus E küllastatud aururõhk märja termomeetri temperatuuri t puhul, e ümbritseva õhu (temperatuuriga t) veeaururõhk, p õhurohk, c võrdetegur, mis oleneb riista konstruktsioonist ja tuulekiirusest, L auramissoojus. Et termomeeter, andes soojust ära, jahtub, siis läheb õhust termomeetrisse ajaühikus soojushulk Q2 = B (t t'), kus B on võrdetegur. Kui auramiseks kulunud soojuse hulk Q 1 võrdub juurdevoolava soojuse hulgaga Q 2 jääb märja termomeetri näit püsivaks. Tähistades B/cL = A (arvutustes kasutage A = 0,00065.) tuletage psühromeetriline valem mille järgi arvutatakse aururõhk e. (Q 1 =Q 2 )..... e =.=... b). Hügromeetriline meetod põhineb sellel, et inimese rasvavaba ja vigastamata juksekarva pikkus oleneb õhu relatiivsest niiskusest: niiskemas õhus venib juuksekarv pikemaks. Relatiivse niiskuse kasvamisel 0-st kuni 100%-ni pikeneb juuksekarv 2.5% võrra. Kuid, näiteks, r kasvamisel 0-st 10%-ni pikeneb karvake 0,53%, kuid r kasvamisel 90-st kuni 100%-ni ainult 0,12% võrra oma esialgsest pikkusest. c). Viimastel aastakümnetel on juurde tulnud meetodid, mis põhinevad mõne elektrilise suuruse sõltuvusel niiskusest, näiteks mahtuvuslik sensor (capacitive sensor, capacitive probe), milles muutub kondensaatori mahtuvus sõltuvalt katete vahel asetseva polümeeri või metallisoola niiskumisest. Niisugune sensor reageerib õhuniiskuse muutusele küllaltki kiiresti umbes minuti jooksul. Töö käik. Tutvuge hügromeetri, hüdrograafi ja aspiratsiooni ehk Assmanni psühromeetriga (termomeetri skaala!). Assmani psühromeetri detailsem ehitus selgub jooniselt 2.Psühromeetri põhiliseks osaks on kuiv ja märg termomeeter, mille reservuaarid asuvad klaastorudes 1. Konstantse õhuvoolu tekitamiseks on psühromeetri peas kellamehhanismiga käivitatav ventilaator. See imeb läbi torude 1 ja 2 õhku ning paiskab selle välja pilude 5 kaudu. märja termomeetri niisutamiseks on spetsiaalne kummiballon klaastoruga. Psühromeetri ülesriputamiseks on konks 8. Määrake õhuniiskuse karakteristikud toas (soovi korral ja kui ilm lubab ka õues) aspiratsiooni psühromeetriga. 1. Ettevaatlikult niisutage batistiga mähitud termomeetri reservuaar kummiballoni abil. Vesi ei tohi sattuda kuivale termomeetrile ega kaitsetorudele.

6 2. Niisutanud termomeetri, keerake üles ventilaatori vedru või lülitage ventilaator vooluvõrku ja hoidke psühromeetrit õhus rippuvas asendis ( hoidke kinni konksust mitte termomeetritest, õues jälgige et tuul puhuks mõõduriistalt teie poole). 3. Termomeetri lugemeid tuleb võtta siis, kui märja termomeetri näit on kõige madalam. Lugemi võtmisel peab ventilaator töötama täiskiirusel (vajaduse korral keeratakse vedru veel kord üles). t = C, t = C, t Temperatuuridele t ja t vastavad küllastavad aururõhud leitakse valemist E ( t) = (mb) Pange tähele: meteoroloogias traditsiooniliselt kasutatakse empiirilisi valemeid ja SI-süsteemi väliseid ühikuid. Siin kõik rõhud on millibaarides (mb) ja temperatuutid Celsiuse kraadides ( C) (v.a.absoluutse niiskuse a valemis) E = mb, E = mb. p = mmhg = mb küllastava (maksimaalse) veeauru rõhud E ja E. Loetakse baromeetrilt õhurõhk (mmhg) ja arvutatakse e(mb), a ja r ja d valemitest (ühikud!). a = (valem) a =... (arvutus) r = (valem) r =... (arvutus) d = (valem) d =... (arvutus) Kasutage relatiivse niiskuse määramiseks psühromeetrilist graafikut. Selleks võetakse kuiva termomeetri näidule vastav vertikaaljoon ja märja termomeetri näidule vastav kaldjoon ning nende lõikepunkti läbiva joone abil loetakse vertikaalskaalal relatiivset niiskust. Võrrelge saadud tulemust arvutustulemusega. r =. Kirjalikud küsimused: 1. Kui kõrge oleks Torricell vedelik-baromeetris atmosfääri rõhu poolt tasakaalustatud vee sammas? (esitage arvutus) 7.63t 2. Arvutage mõõdetud toaõhu temperatuuri F ja K 3. Toricelli baromeeter kujutab endast 1 m pikkust klaastoru, mille üks ots on kinnine, toru on täidetud elavhõbedaga ja lahtise otsaga asetatud elavhõbedaga täidetud vanni (1). Kuidas muutub elavhobeda tase baromeetris, kui toru diameeter on 2 korda suurem, torud on erineva kujuga, toru on kaldu? Joonistage vastused pildile. 4. Õhu rõhk ja tihedus kasvavad / kahanevad kõrgusega lineaarselt / logaritmiliselt / eksponentsiaalselt / pöördvõrdeliselt / võrdeliselt kõrguse ruuduga (valed maha tõmmata), ja vee rõhk kasvab / kahaneb veekogu sügavusega lineaarselt / logaritmiliselt / eksponentsiaalselt / pöördvõrdeliselt / võrdeliselt kõrguse ruuduga (valed maha tõmmata), vee tihedus kasvab märgatavalt / praktiliselt ei muutu veekogu sügavusega (vale maha tõmmata).