z T G λ− = dz dq kL LE =

Ćwiczenia 3. Temperatura powietrza
AUTOTEST:
1. Przy jakiej długości fali następuje maksymalne natężenie
promieniowania słonecznego.....................................................
2. Aktynometr służy do pomiaru....................................................
3. Podaj
nazwę
przyrządu
służącego
do
pomiaru
usłonecznienia............................................................................
4. Uszereguj wg rosnącego albedo (od 1 do 5) – las (.........), woda
(.........), asfalt (........), śnieg świeży (........), śnieg zleżały (.........).
5. Uszereguj według rosnącej długości fali (od 1 do 4) –
promieniowanie podczerwone (.........), widzialne (..........), UV
(..........), własne ziemi (..........).
6. Ile razy więcej promieniuje 1 cm2 powierzchni ciała doskonale
czarnego w temperaturze 6000 K i 300 K.................
7. Kiedy występuje minimum temperatury w przebiegu dobowym w
dniu solarnym........................................................
8. 0 ºC to ................ stopni Kelvina.
9. Jak nazywamy cienką szklaną rurkę w termometrze stacyjnym, którą
wypełnia ciecz termometryczna.....................
10. Amplituda temperatury to:.........................................................
Temperatura: podstawowa wielkość określająca stan układu
termodynamicznego, funkcja wprost proporcjonalna do średniej
energii kinetycznej cząstek. Pomiaru dokonać można tylko w
sposób pośredni.
Termometria: dział meteorologii zajmujący się pomiarami
temperatury.
Skale termometryczne:
Kelvina (0 K = -273,15 ºC); Celsjusza (T [ºC] = T [K] – 273,15
K); Fahrenheita 0 ºF – temperatura mieszaniny lodu i salmiaku
(0 ºC = 32 ºF, t. wrzenia wody 212 ºF; T [ºF] = 9/5(T [ºC]) + 32,
T [ºC] = 5/9(T [ºF]) – 32)
Klatka meteorologiczna (Stevensona): wykonana z drewna
dębowego obszerna osłona w której umieszcza się zestaw
psychrometryczny, termometry maksymalny i minimalny, oraz
rejestratory temperatury (termograf) i wilgotności względnej
powietrza (higrograf). Zbiorniczki termometrów znajdują się na
wysokości 200 cm nad gruntem. Klatka chroni przyrządy przed
nagrzewaniem, jednocześnie umożliwia swobodną wymianę
powietrza.
Kolor
biały
minimalizuje
pochłanianie
promieniowania słonecznego.
Termometry: a) cieczowe; b) deformacyjne; c) elektryczne; d)
radiometryczne; e) akustyczne.
Ad a) ciecz termometryczna: rtęć, alkohol (etanol, pentan, toluol)
termometr stacyjny: t. rtęciowy, którego działka elementarna
wynosi 0,2 º lub 0,5 º; zakres pomiarowy różny, ale najczęściej 30 º (-40 º) C do + 50 ºC. Wskazuje aktualną temperaturę
powietrza, odczyt z dokładnością do 0,1 ºC;
termometr maksymalny: t. rtęciowy, pomiar temperatury
maksymalnej dla wybranego okresu, zakres pomiarowy od -30 ºC
do + 50 ºC, cecha konstrukcyjna: przewężenie kapilary tuż
powyżej zbiorniczka, powodujące przerwanie słupa cieczy w
momencie spadku temperatury;
termometr minimalny: t. alkoholowy (toluol, temp. krzepnięcia 97 ºC); pomiar temperatury minimalnej dla wybranego okresu,
zakres pomiarowy od -40 ºC do +40 ºC, cecha konstrukcyjna:
cienki szklany lub porcelanowy pręcik zanurzony w cieczy
termometrycznej,
który
podczas
spadku
temperatury
przemieszcza się w kierunku zbiorniczka, popychany przez
obniżający się menisk wklęsły cieczy. Przy wzroście temperatury
pręcik nie przemieszcza się. Temperaturę minimalną
odczytujemy na podstawie położenia prawego końca pręcika.
Ad b) termograf – ciągła rejestracja temperatury, czujnik bimetal
(cienki sprężysty pasek metalowy, zbudowany z dwóch metali o
różnym współczynniku rozszerzalności cieplnej). Odkształcenia
bimetalu przenoszone są przez system dźwigni na ramię z
piórkiem, opartym na pasku papieru (termogramie), nawiniętym
na cylinder wprawiany w ruch obrotowy przez mechanizm
zegarowy, błąd pomiarowy około ±0,5 º.
Ad c) *czujniki parametryczne działające na zasadzie zmian
wartości parametrów elektrycznych wywołanych wahaniem
temperatury: czujniki oporowe (metalowe, najcz. Platynowe) i
półprzewodnikowe; *czujniki generacyjne które są ogniwami
termoelektrycznymi (termopara), zmiana temp. powoduje w nich
powstanie siły elektromotorycznej.
Ad d) pomiar temperatury wykorzystujący promieniowanie
cieplne badanego ośrodka (zastosowanie prawa Stefana –
Boltzmanna lub Wiena), pomiar teledetekcyjny.
Ad e) w akustycznym pomiarze temperatury wykorzystywany
jest związek pomiędzy prędkością rozchodzenia się fali
dźwiękowej a temperaturą badanego ośrodka, temperatura
określana jest na podstawie pomiaru czasu przebiegu impulsów
dźwiękowych pomiędzy dwoma czujnikami.
Bilans cieplny powierzchni czynnej
R±LE±H±G=0
R – bilans radiacyjny, LE – ciepło transportowane w przemianach
fazowych wody, H – strumień ciepła odczuwalnego, G –
strumień ciepła w glebie.
Przepływ ciepła może w przyrodzie odbywać się na drodze:
przewodnictwa cieplnego, promieniowania, turbulencji i
przemian fazowych wody.
Pionowy strumień ciepła w glebie (przewodnictwo cieplne w
glebie) określany jest jako zależność pomiędzy pionowym
gradientem temperatury (zmianą temperatury na jednostkę
głębokości) w glebie a „zdolnością” gleby do przewodzenia
ciepła.. Związek ten wyrażony jest wzorem1:
G = −λ g
δTg
δz
gdzie: Tg – temperatura gleby, z – głębokość, λg – współczynnik
przewodnictwa cieplnego gleby. Przepływ ciepła (o czym
informuje znak minus we wzorze) odbywa się od ośrodka o
wyższej temperaturze, do ośrodka o temperaturze niższej. Tak
więc, jeżeli (np. w dzień solarny) przypowierzchniowe warstwy
gleby są bardziej nagrzane od warstw położonych głębiej,
przepływ ciepła odbywa się w głąb podłoża.
Tab. 1. Charakterystyka termiczna podłoża
Ośrodek
gleba
piaszczysta,
porowatość
40 %
gleba
torfowa.
porowatość
80 %
śnieg
woda
powietrze
Cechy
Charakter
Cg
[Jg-1K-1]
ρ
[gcm-3]
Cv
[Jcm-3K-1]
λg
[Wm-3K-1]
sucha
0,8
1,6
1,28
0,30
wilgotna
1,48
2,00
2,96
2,20
sucha
1,92
0,30
0,58
0,06
wilgotna
3,65
1,10
4,02
0,50
świeży
2,09
0,10
0,21
0,08
stary
2,09
0,48
0,84
0,42
4,18
1,00
4,18
0,57
1,01
0,0012
0,0012
0,025
stojąca
4 °C
nieruchome
10 °C
Cg – pojemność cieplna wagowa, ρ – gęstość, Cv – pojemność
cieplna objętościowa, λg – współczynnik przewodnictwa
cieplnego
Strumień ciepła utajonego jest to strumień ciepła wywołany
przemianami fazowymi (zmianą stanu skupienia) wody. Zależy
on wprost od takich wielkości jak gęstość powietrza,
intensywność
mieszania
powietrza
(wyrażona
przez
współczynnik turbulencyjności) oraz pionowy gradient
zawartości pary wodnej w atmosferze (czyli pionowy gradient
wilgotności właściwej). Strumień ciepła utajonego określa wzór1:
LE = Lρk
dq
dz
gdzie L – ciepło przemian fazowych, ρ – gęstość powietrza, k –
współczynnik turbulencyjności powietrza, q – wilgotność
właściwa, z – wysokość.
1
Dla ciekawych
(A = kρ, k – wsp. turbulencyjności, ρ – gęstość powietrza),
Ciepło związane z przemianami fazowymi wody:
• utajone ciepło zamarzania (0 °C): 3,34*102 J/g (+);
• utajone ciepło topnienia (0 °C): 3,34*102 J/g (-);
• utajone ciepło parowania (0 °C): 2,50*103 J/g (-);
• utajone ciepło sublimacji (0 °C): 2,83*103 J/g (-)
pionowy gradient temperatury potencjalnej2.
Poprawki termometryczne: odczytane wielkości temperatury
muszą być skorygowane o wielkość poprawek, każdy termometr
jest porównywany z termometrem wzorcowym, a poprawki są
umieszczane w tzw. świadectwie termometru. Jeżeli odczytamy
na termometrze wartość 12,5 °C, a poprawka wynosi 0,1 °C, to
rzeczywista temperatura wynosi 12,6 °C.
Bezwładność termometrów – wymiana ciepła pomiędzy
termometrem a ośrodkiem kontrolowanym wymaga pewnego
czasu, wobec tego temperatura wskazana przez termometr nie od
razu przyjmuje wartość temperatury ośrodka.
Czułość – zdolność do uchwycenia niewielkich zmian
mierzonego parametru.
Dokładność przyrządu – dopuszczalna wielkość błędu pomiaru
Strumień ciepła odczuwalnego (jawnego) jest to strumień ciepła
przekazywany w powietrzu (bądź innym ośrodku gazowym).
Strumień ten wywołany jest różnicami temperatury wewnątrz
ośrodka. Ten rodzaj wymiany ciepła odgrywa wiodącą rolę w
wymianie energii pomiędzy podłożem a powietrzem
atmosferycznym, odpowiadając za transport ciepła z warstwy
przygruntowej powietrza do warstw wyżej położonych. Zależy od
takich wielkości jak ciepło właściwe powietrza jego gęstość oraz
intensywność mieszania. Wielkość ta wyrażona jest wzorem1:
dΘ
dz
2
Θ – temperatura potencjalna – temperatura, którą osiągnie
powietrze suche, jeżeli sprowadzimy je w procesie
suchoadiabatycznym do ciśnienia standardowego
gdzie cp – ciepło właściwe powietrza przy stałym ciśnieniu, A
turbulencyjny współczynnik wymiany masy,
a)
b)
1200
1200
IB
30
1000
IB
30
ID
T
25
600
15
400
10
200
0
0:00
6:00
12:00
]
-2
Promieniowanie [W*m
20
Temperatura [st Celsjusza]
Promieniowanie [W*m
-2
]
25
800
ID
T
1000
800
20
600
15
400
10
5
200
5
0
0
18:00
Temperatura [st Celsjusza]
H = −c p A
dΘ
dz
0
0:00
6:00
12:00
18:00
Ryc. 1. Przebieg temperatury powietrza oraz promieniowania IB oraz ID dla dnia pogodnego (a) i pochmurnego (b)
Zadnia:
1. Bilans promieniowania na powierzchni gleby piaszczystej wilgotnej podczas minionej doby wyniósł 110 Wm-2, z czego 60% zostało
zużyte na ewapotranspirację, 25% na ogrzanie atmosfery drogą ciepła odczuwalnego, reszta na ogrzanie podłoża. Temperatura
podłoża (gleba piaszczysta wilgotna) zmieniła się jedynie do głębokości 50 cm, poniżej była stała.
a) O ile wzrosła średnia temperatura podłoża w warstwie 0÷50 cm? Wynik podaj z dokładnością 0,1 C.
b) Ile wody wyparowało? Wynik podaj w mm warstwy wody z dokładnością 0,1 mm.
c) Jaka masa wody wyparowała w ciągu tej doby z powierzchni 1ha?
2. Na powierzchni topniejącego śniegu o gęstości 0,35 g*cm-3 bilans promieniowania wynosił średnio w ciągu 6 godzin 235 Wm-2, a
strumień ciepła odczuwalnego skierowany z atmosfery do podłoża 18 Wm-2; w tym samym czasie wystąpiła na tej powierzchni
kondensacja pary wodnej z atmosfery w ilości 0,6 mm warstwy wody.
a) Jaką temperaturę ma topniejący śnieg?
b) Oblicz, jaka ilość ciepła netto została pochłonięta/oddana przez powierzchnię 1 m2 śniegu drogą radiacyjną.
c) Oblicz, jaka ilość ciepła netto została pochłonięta/oddana przez powierzchnię 1 m2 śniegu drogą ciepła odczuwalnego.
d) Oblicz, jaka ilość ciepła netto została pochłonięta/oddana przez powierzchnię 1 m2 śniegu drogą ciepła utajonego.
e) W jaki sposób ciepło z punktów a, b, c zostało zużyte?
f) Oblicz, jaka warstwa śniegu stopniała podczas tych 6 godzin – wynik podaj z dokładnością do 1 cm.
Terminologia:
biegun zimna
Celsjusza skala
ciecz termometryczna
ciepło odczuwalne
ciepło utajone
Fehrenheita skala
gradient adiabatyczny
gradient stanu
inwersja adwekcyjna
inwersja frontalna
inwersja pasatowa
inwersja radiacyjna
inwersja temperatury
inwersja z osiadania
izotermia
kapilara
Kelvina skala
klatka meteorologiczna
mrozowiska
mróz
odwilż
pojemność cieplna
poprawki termometryczne
przewodnictwo cieplne
przymrozek
równik termiczny
sprowadzanie termometrów
temperatura
temperatura bezwzględna
temperatura ekstremalna
(minimum i maksimum)
temperatura gruntu
temperatura powietrza
temperatura średnia
termograf
termometr maksymalny
termometr minimalny
termometr oporowy
termometr stacyjny