Методы измерения температуры почвы

Температура почвы и методы ее измерения

Кинетическая энергия теплового движения молекул и атомов вещества почвы определяет ее температуру. Последняя сопряжена со свойствами почвы. Так, понижение температуры ниже условно принятого 0° влечет переход жидкой фазы в твердую.[ . ]

Температуру измеряют термометрами. Госстандартом приняты две температурные шкалы: термодинамическая — Кельвина (°К) и практическая — Цельсия (°С). Интервал температуры между точками таяния льда и кипения воды по обеим шкалам равен 100°. Отсюда следует, что градус шкалы Цельсия равен градусу Кельвина (10 °К=Ю °С). Измеренную температуру тела по шкале °С легко переводят в показания шкалы °К. °К=273,2 + °С. Если °С = 20°, то по °К=273,2 + 20 = = 293,2°.[ . ]

Температуру почв измеряют ртутными термометрами, которые выпускают с приложением поправок в отдельных интервалах температур.[ . ]

В последнее время все шире в почвенную практику входят электрические термометры,—термопары и термометры сопротивления, которые изготовляют и градуируют в лаборатории.[ . ]

Термопары (термоэлементы) получают спаиванием двух проволок из различных металлов: медь — константан, константам— серебро. Термопары используют для измерения небольших различий температур (дифференциальная термопара) и самих температур.[ . ]

Для измерения E используют стрелочные гальванометры чувствительностью 1-10 6 А на одно деление шкалы, а при точных измерениях — зеркальные, чувствительность которых около 1-10—9 А. В почвенной практике используют обычно медно-константановую термопару.[ . ]

Градуируют термопары на специальной установке (рис. 99). Один из спаев погружают в дюаровский сосуд 1 с тающим льдом, температуру которого поддерживают постоянной (О °С) и контролируют термометром 2. Второй спай погружают в сосуд 3, в котором последовательно повышают температуру воды, измеряя ее термометром. Концы медного провода термопары присоединяют к гальванометру, константановый провод соединяет горячий и холодный спаи. Термоэлектрический ток измеряют зеркальным гальванометром 4. Форма записи приведена ниже.[ . ]

Перед градуировкой опускают арретир гальванометра и устанавливают стрелку прибора в нулевом положении. Наполняют оба сосуда тающим льдом, присоединяют термопары к гальванометру (показание гальванометра при этом должно быть равно нулю). Затем добавляют горячую воду в сосуд 3, повышая каждый раз температуру на 5 °С, и ведут отсчеты по гальванометру. Температуру сохраняют на одном уровне в период отсчетов. Каждый раз после добавления в сосуд горячей воды ее перемешивают мешалкой. По окончании опыта строят градуировочную кривую зависимости показаний гальванометра от температуры, откладывая отсчеты гальванометра по оси абсцисс, а температуру — по оси ординат.[ . ]

Термометры сопротивления изготавливают из платиновой проволоки ввиду химической стойкости этого металла в интервалах температур от 20 до 1000 °С. Для более узких температурных интервалов годится проволока из меди, никеля и других металлов.[ . ]

В Агрофизическом институте для этих целей использовали полупроводники (окиси некоторых металлов) и др. Полупроводники обладают большим температурным коэффициентом, который достигает нескольких процентов на градус. При повышении температуры сопротивление полупроводников уменьшается.[ . ]

На метеорологических станциях наблюдения за температурой почвы осуществляются как на поверхности почвы, так и на различных глубинах. Для этого выбирают площадку размером 46 м, которую очищают от травяного покрова, а почву взрыхляют.

Для измерения температуры поверхности почвы и снежного покрова используют срочный, максимальный и минимальный термометры. Термометры устанавливают в середине оголенной площадки на расстоянии 5…6 см один от другого резервуарами на восток в приведенной ниже последовательности: первый с севера — срочный для измерения температуры поверхности почвы и снежного покрова, второй — минимальный, третий — максимальный. Срочный и минимальный термометры необходимо положить на поверхность строго горизонтально, а максимальный с небольшим наклоном в сторону резервуара. Термометры должны лежать на почве таким образом, чтобы их резервуары и наружная оболочка были наполовину заглублены в почву.

Срочный термометр применяется для измерения температуры поверхности почвы и снежного покрова в данный момент (сроки наблюдений). Это ртутный термометр с цилиндрическим резервуаром. Он имеет вставную шкалу с ценой деления 0,5°.

Минимальный термометр применяют для измерения самой низкой температуры за период между сроками наблюдений. Это термометр спиртовой, с ценой деления 0,5° со вставной шкалой и цилиндрическим резервуаром. Минимальные показания термометра определяются по легкому штифтику 1 (рис. 2.1), изготовленному из темного стекла с утолщениями на концах. При подъеме резервуара термометра штифтик свободно перемещается в спирте, но не выходит из него, так как благодаря своей легкости не может прорвать поверхностную пленку 2, ограничивающую мениск спирта.

Рис. 1.4. Приспособление для отсчета минимальной температуры

Штифтик подобран таким образом, что силы трения его о стенки капилляра больше силы расширения спирта и меньше силы поверхностного натяжения спирта. Поэтому при повышении температуры спирт, расширяясь, свободно обтекает штифт, а при понижении температуры, как только поверхностная пленка дойдет до штифтика, последний перемещается этой пленкой в сторону резервуара. Движется он до тех пор, пока температура понижается. При повышении температуры движение его прекращается. Положение конца штифта, который наиболее удален от резервуара, показывает по шкале минимальную температуру, а мениск спирта — температуру в данный срок измерения. Для приведения минимального термометра в рабочее положение резервуар термометра приподнимают вверх и держат до тех пор, пока штифт не соприкоснется с мениском спирта.

Максимальный термометр служит для измерения самой высокой (максимальной) температуры за период между сроками наблюдений. Это ртутный термометр с цилиндрическим резервуаром и вставной шкалой. Цена деления шкалы 0,5°. Показания максимальных значений температуры этим термометром сохраняются благодаря стеклянному штифту 2, который впаивается в дно резервуара 1 (рис. 2.2).

Рис. 1.5. Приспособление для сохранения максимальных показаний термометра

Верхний конец штифта 2 входит в капилляр 3. В результате этого выход из резервуара в капилляр очень сужен. При повышении температуры ртуть в резервуаре расширяется и поднимается по капилляру, так как силы расширения ртути больше сил трения в месте сужения. При понижении температуры ртуть начинает уменьшаться в объеме, однако находящаяся в капилляре ртуть не может вернуться в резервуар, так как силы трения в месте сужения значительно превышают силы сцепления ртути. Столбик ртути, который останется в капилляре, показывает максимальную температуру за определенный промежуток времени. После отсчета максимальный термометр необходимо встряхнуть несколько раз сильными, но плавными движениями руки. После встряхивания показания максимального термометра должны быть близкими к показаниям срочного.

Для измерения температуры почвы на различных глубинах применяют ртутные коленчатые термометры Савинова и вытяжные термометры.

Ртутные коленчатые термометры Савинова (рис. 2.3) служат для измерения температуры почвы на глубинах 5, 10, 15 и 20 см (пахотный слой). Это комплект из четырех термометров, которые имеют вставную шкалу с ценой деления 0,5. Резервуары термометров цилиндрические. Резервуар термометров изогнут под углом 135. Капилляр от резервуара до начала шкалы изолирован термоизоляционным материалом. Термоизоляция уменьшает влияние конвективных токов воздуха в стеклянной оболочке, которые могут возникнуть вследствие разницы температуры почвы на различных глубинах.

Термометры Савинова устанавливают на одной площадке с термометрами для измерения температуры поверхности почвы в направлении с востока на запад. Их устанавливают весной после оттаивания почвы и убирают осенью. Для установки каждого коленчатого термометра выкапывают траншею в виде трапеции АВСD (рис. 2.3).

Северная сторона АВ траншеи отвесная. В ней в углубления, параллельно поверхности почвы, вставляют резервуары термометров по мере возрастания глубины. После установки необходимо проверить угол наклона выступающей части термометра к поверхности почвы. Этот угол должен быть равен 45°. Затем траншею засыпают землей, сохраняя последовательность вынутых пластов.

В сроки измерений наблюдатель становится с северной стороны и последовательно снимает показания, начиная с термометра, который установлен на глубине 5 см.

Рис. 1.6. Установка почвенных коленчатых термометров Савинова

Вытяжные ртутные термометры служат для измерения температуры почвы на глубинах 20, 40, 60, 80, 120, 160, 240 и 320 см. Они имеют цену деления 0,2°.

С целью уменьшения влияния внешней среды в момент отсчета термометр 1 вмонтирован в специальную оправу 2 с металлическим колпачком 3 (рис. 2.4). Для лучшего теплового контакта и увеличения инерции термометра пространство между резервуаром термометра и стенками колпачка заполнено медными опилками. Оправа с термометром крепится на деревянной штанге 4, длина которой зависит от глубины установки термометра. Штанга заканчивается колпачком 5 с кольцом 6, за которое термометр вынимают из почвы.

Рис. 1.7. Термометр вытяжной

Вытяжные термометры опускают в пластмассовые или эбонитовые трубки 7, погруженные в почву на необходимую глубину и имеющие на нижнем конце металлические наконечники 8. Термометр воспринимает температуру только того слоя почвы, на котором находится металлический наконечник.

Вытяжные термометры размещают на открытом месте с естественным покровом. С помощью бура делают скважины нужной глубины и в них устанавливают трубы 7 в один ряд через каждые 50 см в направлении с востока на запад. Трубы должны выступать над поверхностью почвы на 40…50 см во избежание заноса их снегом в зимний период. После установки труб в них опускают термометры. Чтобы почва вокруг термометров не уплотнялась, отсчет по ним производят со специального помоста, расположенного с северной стороны термометров.

В сроки наблюдений термометры по очереди, начиная с наименьшей глубины, достают из трубки 7 за кольцо 6 и снимают отсчеты температуры. После этого термометр опускается в трубку. Наблюдения по термометрам на глубинах 60, 80, 120, 160, 320 см проводят на протяжении года один раз в сутки, днем, а на глубинах 20 и 40 см — во все сроки наблюдений.

В течение теплового периода предусматривается определение продолжительности, интенсивности и количества выпавших осадков. Измерения осуществляются осадкометром Третьякова (примерная площадь 200 смІ), плювиографом (приемная площадь 500 смІ), плювиографом и почвенным дождемером (приемная площадь 500 смІ). Все приборы устанавливаются на метеоплощадке согласно наставлениям гидрометеослужбы.

Приемная часть осадкомера Третьякова и плювиографа устанавливаются на высоте 2 м. Приемная часть почвенного дождемера возвышается над поверхностью почвы на 10-15 см. Во избежании забрызгивания и затекания воды во время выпадения осадков вместе установки почвенных дождемеров делается углубление в почве в виде круга или квадрата площадью квадратный метр. Растительный покров вокруг этого углубления срезается на расстоянии, исключающем его влияние на величину измеряемых осадков.

Определение величины недоучета осадков измерительными приборами осуществляется путем сравнения их показаний. Разность (мм) в показаниях между прибором, дающим максимальные величины за сутки и остальными составит недоучет осадков этими приборами. Обычно почвенный дождемер дает более высокие величины осадков.

Измерительные приборы

Психрометрическая будка

Психрометрическая будка сконструирована таким образом, чтобы резервуары термометров и других приборов находились на уровне двух метров — в приземном слое воздуха. Дверца будки всегда обращена на север. Как вы думаете, почему?

Будка служит для защиты приборов от осадков, сильного ветра и солнечной радиации. Она выкрашена в белый цвет и имеет специальные жалюзи. Стоит отметить, что как на обычной метеостанции, так и на нашей всегда имеются две будки. В одной находятся термометры, психрометр, гигрометр, а в другой — гигрограф и термограф, это приборы-самописцы (на лентах которых в течение суток в автоматическом режиме происходит запись изменения температуры и относительной влажности воздуха).

Психрометрическая будка

Внутреннее устройство психрометрической будки

Психрометрическая будка с самописцами — гигрографом и термографом

Термометры для измерения температуры почвы

На специальном участке — так называемом «участке без растительного покрова» — производятся наблюдения за температурой поверхности почвы и на различных глубинах.

Срочный, минимальный и максимальный термометры служат для измерения температуры поверхности почвы. Зимой эти термометры кладутся на снег.

Максимальный, минимальный и срочный напочвенные термометры (на поверхности снега и почвы)

В метеорологии измеряют не только температуру поверхности почвы (температуру подстилающей поверхности), но и температуру почвы на глубине. Для этого существуют специальные приборы — термометры Савинова и вытяжные термометры.

Опускаемый настил для «подступа» к термометрам

Почвенные термометры Савинова

Наблюдения по термометрам Савинова производятся только в теплое время из-за их хрупкости, они устанавливаются на глубинах 5, 10, 15 и 20 см. Установку термометров, как и других приборов, ведет по специальным ГОСТам и «Наставлению:» наш незаменимый инженер по метеорологическим приборам Григорий Михайлович Жиляев. Заметим, что все приборы ежегодно поверяются в Центре метрологии и стандартизации. И, если показания приборов отклоняются от эталонных, то вводятся поправки. Все термометры на площадке ориентированы по сторонам света (по линии восток — запад).

Снегомер, мерзлотомер

Мерзлотомер для определения глубины промерзания почвы

На каждой метеостанции постоянно установлены на зимний период снегомерные рейки. У нас на площадке их четыре, три — для снегомерной съемки и одна — у мерзлотомера.

Снегомер

Снегомер предназначен для измерения высоты и массы вырезаемого столбика пробы снега. Он состоит из безмена (взвешивающей части) и металлического цилиндра для отбора пробы снега и определения его объема. Плотность снега определяется отношением массы к объему.

Снегомерные рейки — переносная и стационарная

Приборы для измерения скорости ветра

На любой метеостанции обязательно есть высокая мачта. На ней находится ветроизмерительный прибор — флюгер Вильда. На метеостанциях флюгеры бывают двух видов: один с тяжелой доской, другой — с легкой. Два флюгера с разными досками позволяют измерять различные скорости ветра. С легкой доской флюгер может измерять скорость до 20 м/с, с тяжелой — до 40 м/с. Так как в Оренбурге довольно редко ветер превышает двадцатиметровую отметку (среднегодовая скорость составляет примерно 4 м/с), у нас на станции размещен только флюгер с легкой доской.

Флюгер Вильда на 10-метровой мачте

Ручной анемометр

Флюгер (в переводе с немецкого — «крыло») довольно прост в эксплуатации. Его устанавливают в северной части метеоплощадки. На фото ветер имеет южное направление (дует с юга), для определения мы смотрим, куда указывает противовес (шарик на противоположном конце флюгарки), а скорость — 2-3 м/с (определяем по тому, к какому из штифтов отклонилась доска).

«Наставлением гидрометеорологическим станциям и постам» (эта книга — основной документ на метеостанциях, устанавливающий правила и методику их функционирования) рекомендуется использовать наблюдения по флюгеру Вильда в случае выхода из строя других приборов по ветру (например, электрического анеморумбометра М-63М-1, который запланирован к установке у нас на станции на следующий год). Пока же на станции установлен только флюгер, так что сбои в электроснабжении нам не страшны!

Скорость ветра определяют еще и другим прибором — ручным анемометром. Ручной анемометр замеряет число оборотов чашечек вокруг оси за заданное время, что равно определенному расстоянию, после чего рассчитывается средняя скорость ветра делением расстояния на время.

Измерители осадков и атмосферного давления

На нашей метеостанции проводятся также наблюдения за количеством атмосферных осадков по осадкомеру. Сборником осадков является осадкомерное цилиндрическое ведро, куда попадают осадки. Оно защищено от ветра и, следовательно, падения специальными пластинами. Дважды в сутки осадки сливают в измерительный дождемерный стакан, цена деления которого составляет 1 мм слоя осадков. Если количество осадков составит 50 мм за период не более 12 часов, то этот факт считается опасным метеоявлением, которое «может представлять угрозу жизни или здоровью граждан» (Федеральный закон от 2 февраля 2006 г. № 21-ФЗ).

Осадкомер

Измерительный дождемерный стакан

Атмосферное давление определяем по барометру-анероиду и барографу, которые размещены в помещении станции.

Барометр-анероид

Барограф

Измерение температуры и влажности воздуха

Температуру воздуха, в том числе максимальную и минимальную, определяем по термометрам, размещенным в психрометрической будке. По показаниям сухого и смоченного термометров с использованием специальных психрометрических таблиц находим характеристики влажности воздуха (относительную и абсолютную влажность, точку росы, дефицит насыщения). Так, например, если по сухому температура 7,2 °С, а по смоченному — 6,5 °С, то точка росы — 5,6 °С, абсолютная влажность — 9,1 гПа, относительная — 90 %, а дефицит насыщения — 1,1 гПа.

Психрометрические таблицы

Для определения показателей влажности воздуха также используется аспирационный психрометр Ассмана, который можно переносить, т. е. брать с собой, проводя в полевых условиях изучение микроклимата. Например, мы думаем, что удастся обнаружить с помощью психрометров наличие «острова тепла» над центральной частью города, который, как известно, способствует формированию «городского бриза», влияющего на повышение уровня загрязнения воздуха этой перегретой, особенно летом, части города.

Аспирационный психрометр Ассмана

Наблюдение облаков

Атлас облаков

Форма облаков определяется визуально и сверяется с фото по международному атласу облаков.

Розовые облака (сентябрь 2008 г.)

Перистые облака или Cirrus

В наши планы входит разработка программы наблюдений перламутровых и серебристых облаков — этих уникальных и загадочных «небесных украшений».

Перламутровые (стратосферные) облака — наблюдались над всей Европой.
3 февраля 2008 г. (фото с сайта Meteoweb)

Схематический рисунок наиболее типичных форм облаков

Гелиограф

Продолжительность солнечного сияния определяется по гелиографу, стеклянный шар которого собирает солнечные лучи в фокус, и при перемещении луча на ленте появляется линия прожога. По длине линии в часах и считают продолжительность сияния. В Оренбурге за год получается величина более двух тысяч часов, почти как в Крыму!

Гелиограф

Ленты с участками прожога

Исследование промерзания почвы и твердых атмосферных осадков

Помимо стандартной программы работ, на нашей метеостанции осуществляются также некоторые уникальные наблюдения. К ним относятся измерения глубины промерзания почвы (по мерзлотомеру) — об этом уже было рассказано, заметим лишь, что отсчеты по мерзлотомеру начинают проводить после даты перехода среднесуточной температуры воздуха через ноль градусов (осенью 2008 года это произошло 6 ноября). Кроме того, мы проводим наблюдения за отложениями слоя льда (на специальном гололедном станке), инеем и изморозью (по ледоскопу). Отложение измеряется по толщине слоя льда на проводах, а также по объему воды, получившейся от таяния отложения.

Гололедный станок

Ледоскоп с инеем

В программу работ также включены исследования твердых атмосферных осадков (их классификация в соответствии с указаниями Международной комиссии по льду и снегу, выяснение причин многообразия и наличия необычных форм).

Классификация твердых атмосферных осадков Международной комиссии по льду и снегу

Остальные измерения

Проводим наблюдения и за опасными атмосферными явлениями: шквалами, грозами, метелями, туманами, мглой и смогом, пыльными бурями.

Проводим наблюдения за оптическими явлениями: разнообразием гало — противосолнцем, паргелиями (это ложные солнца), глорией, гало Бугера, или белой радугой, «восточной зарей», или «тенью Земли», мечтаем увидеть зеленый луч, изумрудной вспышкой озаряющий небо после заката. Вот и лунную радугу (о существовании которой мы знаем еще из книги Аристотеля «Метеорологика») теоретически увидеть можно, но нам пока не удавалось.

За горизонтальной дальностью видимости мы наблюдаем по ориентирам, расстояния до которых известны, т. к. заранее определены.

Все наблюдения и измерения производятся в строгом соответствии с принятыми международными и отечественными нормами, установленными Всемирной метеорологической организацией и Росгидрометом.

Для автоматизированной обработки и логического контроля текущих данных метеорологических наблюдений, выпуска бюллетеня метеорологических наблюдений разрабатывается оригинальный комплекс пpогpаммного обеспечения «МС-ОГУ».

Программа регулярных наблюдений даст бесценные архивные и оперативные данные, позволяющие комплексно, во взаимосвязи одних показателей с другими, решать широкий круг научных и прикладных задач.

Хотелось бы обратить внимание на то, что учебная метеостанция может стать немаловажным звеном в российском МЧС в части обнаружения и предупреждения опасных и неблагоприятных погодных явлений (ураганных ветров и шквалов, сильных ливней и града, гололеда и др.), то есть являться надежным «часовым погоды», несущим вахту в северной части города Оренбурга. Такие предупреждения позволят снизить не только экономический ущерб от особо опасных метеоявлений, но и сберечь здоровье людей.

Данные МС нужны климатологам для изучения мезоклимата Оренбурга, оценки динамики климатических условий полумиллионного города. По этим данным могут разрабатываться рекомендации градостроителям и, конечно, службам жизнеобеспечения города.