ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ - ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ 2. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΕΡΑ

Transcript

1 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ - ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ 2. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΕΡΑ

2 - Η Μετεωρολογία και η Κλιματολογία ενδιαφέρονται για τη θερμοκρασία του αέρα τόσο κοντά στο έδαφος, όσο και μέσα σ αυτό, καθώς και για τη θερμοκρασία της ατμόσφαιρας. - Σαν θερμοκρασία αέρα, θεωρείται πάντοτε η θερμοκρασία που μας δίνουν τα όργανα μέτρησης και καταγραφής της θερμοκρασίας, τα λεγόμενα θερμόμετρα και τα οποία βρίσκονται μέσα στον μετεωρολογικό κλωβό - Τα θερμόμετρα βασίζονται στην ιδιότητα την οποία έχουν διάφορα κύματα να διαστέλλονται ή να συστέλλονται και γενικά να μεταβάλλουν σχήμα ή όγκο όταν η θερμοκρασία τους αυξάνει ή ελαττώνεται - Σήμερα υπάρχει πληθώρα θερμομέτρων, όπως θερμόμετρα υγρού (υδραργύρου, οινοπνευματικά) θερμόμετρα ηλεκτρικής αντίστασης, θερμόμετρα μεταλλικά κ.ά. Πολλά κριτήρια επηρεάζουν την επιλογή ενός θερμομέτρου, μεταξύ των οποίων είναι το κόστος, η αντοχή, το μέγεθος, η ακρίβεια, η ευαισθησία και το εύρος της θερμοκρασιακής κλίμακας κ.ά.

3 - Η διάδοση των θερμομέτρων με υγρό οφείλεται στην απλότητα, στο μικρό κόστος, στη μεγάλη διάρκεια ζωής, στην ευρεία θερμοκρασιακή ζώνη και στην ευχρηστία τους σε πλήθος εφαρμογών - Αποτελούνται από γυάλινο δοχείο (βολβός) που περιέχει υδράργυρο ή οινόπνευμα και είναι συνδεδεμένο με κλειστό βαθμονομημένο τριχοειδή σωλήνα

4 1. Υδραργυρικό θερμόμετρο - Είναι θερμόμετρο υγρού και το δοχείο περιέχει καθαρό και ξηρό υδράργυρο. Η στάθμη του υδραργύρου ανέρχεται στο εσωτερικό του τριχοειδούς σωλήνα όταν αυξάνεται η θερμοκρασία του δοχείου, γιατί ο υδράργυρος διαστέλλεται πολύ περισσότερο από το γυαλί που τον περιέχει. - Το υδραργυρικό θερμόμετρο παρουσιάζει τα παρακάτω πλεονεκτήματα σε σχέση με τα άλλα θερμομετρικά σώματα: 1. Έχει κανονική διαστολή σε όλες τις θερμοκρασίες 2. Παρουσιάζει μεγάλη θερμική αγωγιμότητα και μικρή θερμοχωρητικότητα, γι αυτό τίθεται εύκολα σε θερμική ισορροπία με τα διάφορα σώματα, χωρίς να μεταβάλλει αισθητά την θερμοκρασία της. 3. Δεν δημιουργούνται δυνάμεις συνοχής με τον γυάλινο σωλήνα 4. Είναι δυνατή και εύκολη η παρασκευή καθαρού υδραργύρου - Το υδραργυρικό θερμόμετρο παρουσιάζει ένα σοβαρό μειονέκτημα, ότι δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Το μειονέκτημα αυτό είναι ότι πήζει σε θερμοκρασία -38,87ο C. Σε θερμοκρασίες κατώτερες των -38,87ο C χρησιμοποιούνται έγχρωμα οργανικά υγρά, όπως η τολουόλη (- 92,2ο C), η αιθυλική αλκοόλη (-120ο C), και το πεντάνιο (-200ο C ).

5 2. Οινοπνευματικό θερμόμετρο - Για θερμοκρασίες κατώτερες από -38,87ο C χρησιμοποιείται το οινοπνευματικό θερμόμετρο. Αποτελείται και αυτό από το δοχείο υγρού που περιέχει καθαρό οινόπνευμα και από τον τριχοειδή βαθμολογημένο σωλήνα. Η τιμή κάθε διαίρεσης δεν είναι η ίδια κατά μήκος της θερμομετρικής κλίμακας, γιατί το οινόπνευμα δεν διαστέλλεται το ίδιο σε όλες τις θερμοκρασίες. - Το οινοπνευματικό θερμόμετρο παρουσιάζει τα παρακάτω μειονεκτήματα: 1. Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία το οινόπνευμα εξατμίζεται και γεμίζει το κενό του σωλήνα με ατμούς, οι οποίοι συμπυκνώνονται σε σταγονίδια, με αποτέλεσμα οι ενδείξεις του θερμομέτρου να είναι μικρότερες από τις κανονικές 2. Όταν το οινόπνευμα είναι χρωματισμένο, οι χρωστικές ουσίες που το αποτελούν λόγω χημικών αντιδράσεων παραμένουν στα τοιχώματα του σωλήνα με αποτέλεσμα οι ενδείξεις να είναι μικρότερες 3. Το οινόπνευμα διαβρέχει το εσωτερικό του σωλήνα και όταν η θερμοκρασία πέφτει γρήγορα, μικρές ποσότητες οινοπνεύματος παραμένουν στα εσωτερικά τοιχώματα του σωλήνα, με αποτέλεσμα το θερμόμετρο να δείχνει μικρότερες θερμοκρασίες - Το οινοπνευματικό θερμόμετρο θεωρείται λιγότερο ακριβές από το υδραργυρικό θερμόμετρο.

6 3. Αναρροφητικό θερμόμετρο τύπου Assman - Το θερμόμετρο αυτό αποτελείται από ένα απλό υδραργυρικό θερμόμετρο, το οποίο τοποθετείται μέσα σε στιλπνό διπλότοιχο μεταλλικό σωλήνα, που στο κάτω άκρο του είναι ανοικτός, ενώ στο πάνω άκρο φέρει ελατήριο ή ηλεκτροκινητήρα που θέτει σε κίνηση ανεμιστήρα. Ο σωλήνας φέρει άνοιγμα για να φαίνεται η θερμομετρική κλίμακα. Το ελατήριο ή ο ηλεκτροκινητήρας θέτουν σε λειτουργία τον ανεμιστήρα, ο οποίος δημιουργεί σταθερό ρεύμα αέρα ταχύτητας 4-10 m/sec. Μετά από 1-2 λεπτά γίνεται η ανάγνωση της ένδειξης του θερμομέτρου θεωρείται θερμόμετρο ακριβείας. - Τα πλεονεκτήματα του αναρροφητικού θερμομέτρου σε σχέση με τα θερμόμετρα κλωβού είναι : 1. Ο μεταλλικός σωλήνας εμποδίζει την άμεση και διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία να προσβάλλουν το δοχείο του θερμομέτρου. 2. Το θερμόμετρο προφυλάσσεται από τη βροχή, χιόνι, χαλάζι κ.ά. 3. Το θερμόμετρο βρίσκεται συνέχεια μέσα σε ρεύμα αέρα σταθερής ταχύτητας. 4. Με το θερμόμετρο αυτό μπορούμε να προσδιορίσουμε τη θερμοκρασία του αέρα σε οποιοδήποτε ύψος από την επιφάνεια του εδάφους και σε οποιαδήποτε θέση, πράγμα που είναι αδύνατο να γίνει με το θερμόμετρο κλωβού, το οποίο δίνει τη θερμοκρασία του αέρα σε ύψος 1,70 m.

7 Ακροβάθμια θερμόμετρα - Η θερμοκρασία, όπως γνωρίζουμε, για κανονικές συνθήκες παρουσιάζει ένα μέγιστο, 1-2 ώρες μετά τη μεσουράνηση του ήλιου και ένα ελάχιστο, λίγο πριν ή μετά την ανατολή του ήλιου - Για τη μέτρηση της μέγιστης και ελάχιστης θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται μεγιστοβάθμια και ελαχιστοβάθμια θερμόμετρα

8 Ακροβάθμια θερμόμετρα Μεγιστοβάθμιο θερμόμετρο τύπου Negretti - Είναι υδραργυρικό θερμόμετρο που έχει συνήθως στένωση μεταξύ του δοχείου του υδραργύρου και του θερμομετρικού σωλήνα. Μπορεί ακόμα να έχει μικρό κρύσταλλο κολλημένο στο εσωτερικό του σωλήνα ή γυάλινη ακίδα στερεωμένη στο άκρο του δοχείου που εισέρχεται λίγο στο θερμομετρικό σωλήνα. - Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία, ο υδράργυρος διαστέλλεται και ανεβαίνει μέσα στο σωλήνα με μικρά άλματα, υπερνικώντας το εμπόδιο της στένωσης. Όταν η θερμοκρασία κατεβαίνει, η υδραργυρική στήλη δεν μπορεί να επανέλθει στο δοχείο, γιατί δεν μπορεί να υπερνικήσει τη στένωση. Έτσι το άκρο της υδραργυρικής στήλης δείχνει τη μέγιστη θερμοκρασία. Την τιμή της μέγιστης θερμοκρασίας παίρνουμε κατά την παρατήρηση της ώρας, οπότε και προετοιμάζουμε το θερμόμετρο για την επόμενη παρατήρηση. Το χειμώνα όμως η προετοιμασία του θερμομέτρου πρέπει να γίνεται όχι μόνο στις αλλά και κατά την παρατήρηση της 8.00 πρωινής, γιατί είναι δυνατό η μέγιστη θερμοκρασία μίας μέρας να είναι μικρότερη από τη θερμοκρασία της ώρας της προηγούμενης μέρας. - Η προετοιμασία του θερμομέτρου γίνεται από τον παρατηρητή, ο οποίος κρατώντας το δοχείο υδραργύρου προς τα κάτω, δίνει στο θερμόμετρο ελαφρά τινάγματα, με τα οποία ο υδράργυρος εισέρχεται σιγά-σιγά μέσα στο δοχείο, μέχρις ότου το θερμόμετρο να δείξει περίπου τη θερμοκρασία περιβάλλοντος

9 Ακροβάθμια θερμόμετρα Μεγιστοβάθμιο θερμόμετρο τύπου Rutherford - Είναι υδραργυρικό θερμόμετρο, στον σωλήνα του οποίου υπάρχει μικρός σιδερένιος κύλινδρος κινούμενος ελεύθερα. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, ο υδράργυρος διαστέλλεται και παρασύρει τον κύλινδρο προς τα πάνω, ενώ όταν η θερμοκρασία κατεβαίνει, ο υδράργυρος συστέλλεται, αλλά δεν παρασύρει τον κύλινδρο προς τα κάτω, γιατί ο υδράργυρος δεν διαβρέχει τον κύλινδρο. Επομένως το άκρο του κυλίνδρου προς το δοχείο του υδραργύρου θα δείχνει τη μέγιστη θερμοκρασία. Για την προετοιμασία του θερμομέτρου, το σηκώνουμε με το δοχείο προς τα κάτω, οπότε ο κύλινδρος με το βάρος του, κατεβαίνει μέχρι το άκρο της υδραργυρικής στήλης

10 Ακροβάθμια θερμόμετρα Ελαχιστοβάθμιο θερμόμετρο τύπου Rutherford - Το θερμόμετρο αυτό είναι οινοπνευματικό και προσδιορίζει την ελάχιστη θερμοκρασία του αέρα. Το οινόπνευμα είναι άχρωμο και μέσα σ αυτό υπάρχει ένας μικρός κυλινδρικός δείκτης από σμάλτο που τα δύο άκρα καταλήγουν σε στρογγυλές διογκώσεις (κεφαλές) - Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται το οινόπνευμα διαστέλλεται και ανέρχεται στον τριχοειδή σωλήνα, αφού περάσει ελεύθερα μεταξύ του δείκτη και των τοιχωμάτων του σωλήνα. Όταν όμως η θερμοκρασία ελαττώνεται, το οινόπνευμα συστέλλεται και καθώς κατεβαίνει η ελεύθερη επιφάνεια του, μόλις συναντήσει την κεφαλή του δείκτη, την συμπαρασύρει λόγω συνάφειας και θα σταματήσει εκεί που θα σημειωθεί τι ελάχιστο της θερμοκρασίας. Έτσι θα δείχνει την ελάχιστη θερμοκρασία του αέρα. Στη συνέχεια, αν η θερμοκρασία αυξάνεται το οινόπνευμα διαστέλλεται και περνά ελεύθερα από τον δείκτη και ο δείκτης παραμένει ακίνητος στη θέση της ελάχιστης θερμοκρασίας - Η παρατήρηση της ελάχιστης θερμοκρασίας γίνεται στις Πρέπει όμως η παρατήρηση να επαναλαμβάνεται και στις 20.00, γιατί μπορεί η θερμοκρασία να σημειώσει τιμή μικρότερη της πρωινής ελάχιστης, οπότε αν συμβεί αυτό σαν ελάχιστη της ημέρας λαμβάνεται η δεύτερη και προετοιμάζεται πάλι το θερμόμετρο

11 Ακροβάθμια θερμόμετρα Ελαχιστοβάθμιο θερμόμετρο τύπου Rutherford - Μετά την παρατήρηση της ελάχιστης θερμοκρασίας, προετοιμάζουμε το ελαχιστοβάθμιο θερμόμετρο για την επόμενη μέτρηση. Αυτό επιτυγχάνεται ανατρέποντας το θερμόμετρο με το δοχείο προς τα πάνω, οπότε ο δείκτης, με το βάρος του, κατεβαίνει και μόλις η κεφαλή του έρθει σ επαφή με το άκρο της οινοπνευματικής στήλης, το τοποθετούμε πάλι στην κατάλληλη θέση μέσα στον κλωβό - Σπάνια ο δείκτης μπορεί να βγει από το οινόπνευμα. Αν βγει τότε κτυπάμε ελαφρά το θερμόμετρο στην παλάμη μας με το δοχείο προς τα κάτω μέχρι να μπει πάλι μέσα στο οινόπνευμα. Αν με τον τρόπο αυτό ο δείκτης δεν μπαίνει μέσα στην οινοπνευματική στήλη, τότε βάζουμε το δοχείο του θερμομέτρου μέσα σε χλιαρό νερό μέχρις ότου το οινόπνευμα διαστελλόμενο γεμίσει ολόκληρο το σωλήνα, οπότε υποχρεωτικά ο δείκτης θα μπει μέσα στο οινόπνευμα. Με το ελαχιστοβάθμιο θερμόμετρο παίρνουμε και την θερμοκρασία κάθε στιγμή - Συνήθως τα δύο ακροβάμια θερμόμετρα, μεγιστοβάθμιο και ελαχιστοβάθμιο, είναι τοποθετημένα μαζί πάνω σε ειδικό πλαίσιο μέσα στον μετεωρολογικό κλωβό

12 Ακροβάθμια θερμόμετρα - Ελαχιστοβάθμιο θερμόμετρο τύπου Rutherford - Μεγιστοβάθμιο θερμόμετρο τύπου Negretti

13 Ακροβάθμια θερμόμετρα Θερμόμετρο μέγιστου και ελάχιστου τύπου Six- Bellani - Το θερμόμετρο αυτό αποτελείται από γυάλινο σωλήνα σχήματος U, τα άκρα του οποίου καταλήγουν σε σφαιρικά ή κυλινδρικά δοχεία. Το κάτω μέρος του σωλήνα περιέχει υδράργυρο, πάνω από τον οποίο υπάρχει οινόπνευμα, το οποίο γεμίζει εντελώς το αριστερό δοχείο και κατά το ήμισυ το δεξιό δοχείο - Μέσα στο οινόπνευμα και στα δύο σκέλη του σωλήνα υπάρχουν δύο μεταλλικοί δείκτες, οι οποίοι συγκρατούνται με λεπτότατες προεξοχές στα εσωτερικά τοιχώματα του σωλήνα

14 Ακροβάθμια θερμόμετρα Θερμόμετρο μέγιστου και ελάχιστου τύπου Six-Bellani - Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται το οινόπνευμα του αριστερού δοχείου διαστέλλεται και ωθεί τον υδράργυρο, ο οποίος κατεβαίνει στο αριστερό και ανεβαίνει στο δεξιό σκέλος του σωλήνα, συμπαρασύροντας τον δείκτη του δεξιού μέρους του σωλήνα προς τα πάνω, και θ τον αφήσει εκεί που θα σημειωθεί η μέγιστη θερμοκρασία. Στην συνέχεια, η θερμοκρασία ελαττώνεται, το οινόπνευμα συστέλλεται στο αριστερό δοχείο και ο υδράργυρος κατεβαίνει στο δεξιό και ανεβαίνει στο αριστερό σκέλος και όταν φθάσει τον δείκτη του αριστερού σκέλους τν συμπαρασύρει προς τα πάνω και θα τον αφήσει εκεί που θα σημειωθεί η ελάχιστη θερμοκρασία. Επομένως οι κάτω κεφαλές των δεικτών θα δείχνουν τη μέγιστη και ελάχιστη θερμοκρασία του θερμομέτρου - Η παρατήρηση της μέγιστης και της ελάχιστης θερμοκρασίας λαμβάνει κατά την και τότε προετοιμάζεται για την παρατήρηση της επόμενης μέρας, επαναφέροντας τους δείκτες με μαγνήτη σε επαφή με τα άκρα του υδραργύρου - Το όργανο αυτό δεν είναι μεγάλης ακρίβειας και παρουσιάζει πολλά μειονεκτήματα, γι αυτό δεν χρησιμοποιείται συνήθως στους μετεωρολογικούς κλωβούς

15 Μεταλλικά θερμόμετρα - Η βασικά αρχή των θερμομέτρων αυτών συνίσταται στη μεταβολή του σχήματος μεταλλικών ταινιών (διμεταλλική ταινία) ή στη μεταβολή του σχήματος μεταλλικών δοχείων (δοχείο Bourdon), τα οποία περιέχουν ειδικά υγρά - Η διμεταλλική ταινία αποτελείται από δύο τεμάχια διαφορετικών μετάλλων συγκολλημένα μεταξύ τους και πακτωμένα κατά το ένα άκρο. Όταν η ταινία θερμαίνεται, το ένα μέταλλο διαστέλλεται περισσότερο από το άλλο, προκαλώντας περιστροφική κίνηση του ελεύθερου άκρου. Ένας δείκτης στερεωμένος στο ελεύθερο άκρο, κινείται μπροστά σε βαθμονομημένη κλίμακα για την ένδειξη της θερμοκρασίας - Το ένα μέταλλο είναι κράμα σιδήρου- νικελίου με πολύ μικρό συντελεστή θερμικής διαστολής. Το άλλο μέταλλο μπορεί να είναι μπρούντζος ή κράμα σιδήρου ή νικελίου - Τα θερμόμετρα με μεταλλικό δοχείο, ονομαζόμενο και δοχείο Bourdon, αποτελείται από ένα πεπλατυσμένο και κυκλικά κεκαμένο μεταλλικό σωλήνα, γεμάτο με οινόπνευμα ή τολουόλη ή πετρελαϊκό αιθέρα, σε θερμοκρασία κατώτερη από την ελάχιστη θερμοκρασία την οποία προορίζεται να δείξει το θερμόμετρο - Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, το υγρό του σωλήνα Bourdon διαστέλλεται περισσότερο από το δοχείο και μεταβάλλεται η καμπυλότητα του δοχείου. Η μεταβολή αυτή με κατάλληλους μοχλούς μεταδίδεται στο δείκτη, ο οποίος κινείται μπροστά σε θερμομετρική κλίμακα - Τα μεταλλικά θερμόμετρα είναι μικρότερης ακριβείας από τα υδραργυρικά και πρέπει να ελέγχονται τακτικά και να βαθμολογούνται με βάση τα υδραργυρικά θερμόμετρα. Χρησιμοποιούνται συνήθως στα αυτογραφικά θερμόμετρα (θερμογράφοι)

16 Θερμόμετρο ηλεκτρικής αντίστασης - Η βασική αρχή του θερμομέτρου αντίστασης είναι ότι η αντίσταση των μετάλλων κατά τη δίοδο μέσω αυτών ηλεκτρικού ρεύματος μεταβάλλεται, όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία τους. Επομένως είναι δυνατός ο προσδιορισμός της θερμοκρασίας εφόσον είναι γνωστή για το δεδομένο μέταλλο η σχέση μεταξύ αντίστασης θερμοκρασίας - Το μέταλλο που συνήθως χρησιμοποιείται για την κατασκευή των θερμομέτρων αυτών είναι ο λευκόχρυσος (πλατίνα), ο οποίος δίνει πολύ μεγάλη ακρίβεια (0,0001ο C ) - Η ελάχιστη καθαρότητα του λευκόχρυσου πρέπει να είναι 99,995% περίπου. Επειδή τα θερμόμετρα λευκόχρυσου είναι ακριβά, κατασκευάστηκαν και θερμόμετρα αντίστασής άλλων μετάλλων, κυρίως χαλκού και νικελίου. Ο χαλκός χρησιμοποιείται για θερμοκρασίες κάτω από 120οC και το νικέλιο κάτω από 300ο C

17 Αυτογραφικά θερμόμετρα ή θερμογράφοι - Για τη συνεχή μέτρηση και καταγραφή της θερμοκρασίας του αέρα χρησιμοποιούνται οι θερμογράφοι - Το ευαίσθητο μέρος των θερμογράφων είναι το δοχείο Bourdon ή η διμεταλλική ταινία, όπως και στα μεταλλικά θερμόμετρα - Το ένα άκρο του δοχείου Bourdon ή της διμεταλλικής ταινίας στερεώνεται σταθερά στο όργανο, ενώ το άλλο συνδέεται με σύστημα μοχλών που καταλήγει στο στέλεχος με τη γραφίδα, η οποία έρχεται σε επαφή με χάρτινη ταινία, που περιβάλλει την επιφάνεια περιστρεφόμενου, με ωρολογιακό μηχανισμό, κυλίνδρου - Μία πλήρης περιστροφή του κυλίνδρου γίνεται σε διάστημα μίας εβδομάδας ἠ ενός 24ώρου. Η ταινία έχει δύο είδη γραμμών, οι οριζόντιες παράλληλες προς τη βάση του κυλίνδρου και οι οποίες ισαπέχουν μεταξύ τους, αντιστοιχούν σε βαθμούς της θερμομετρικής κλίμακα και οι τοξοειδείς κάθετες σε υποδιαιρέσεις χρόνου. Έτσι από την ταινία βρίσκεται εύκολα η θερμοκρασία οποιαδήποτε στιγμή της ημέρας. Η τοποθέτηση της ταινίας γίνεται κατά την παρατήρηση της 8.00 ώρας κάθε μέρα αν το όργανο είναι ημερήσιο και κάθε Δευτέρα αν είναι εβδομαδιαίο - Οι θερμογράφοι δεν θεωρούνται όργανα μεγάλης ακρίβειας, γι αυτό χρειάζεται συνεχής έλεγχος τους και βαθμολόγηση τους με βάση τα υδραργυρικά θερμόμετρα. Τοποθετούνται μέσα στον μετεωρολογικό κλωβό

18 ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΟΣ