Изо дня в день в грозу, в бурю, в метель наблюдают за погодой метеорологи. Они работают повсюду: и среди снегов Арктики и Антарктиды, и на вершинах Тянь-Шаня, и в сибирской тайге. Им помогают гидрологи, которые следят за жизнью рек, морей, озер, болот.
Для чего все-таки нужна метеорологическая и гидрологическая служба? Может быть, можно обойтись без нее? Оказывается, нет. О погоде забывать нельзя. А кто о ней забудет, она сама напомнит о себе. Вот один из тысячи примеров. В начале нашего века около г. Джонстауна (США) вода прорвала земляную плотину. Гигантская волна прокатилась по долине, снося на своем пути мосты, строения, деревья. Отчего же это произошло? Оказывается, оттого, что при сооружении плотины инженеры не приняли в расчет, что наблюдающиеся в бассейне этой реки сильные и продолжительные ливни могут поднять воду на много метров выше обычного уровня. Они не учли этого и сделали отверстие плотины слишком узким. Паводок не мог пройти сквозь него, и произошла катастрофа. Уже один такой пример показывает, какое значение имеют данные метеорологической и гидрологической службы.
Впервые дневники погоды в России начали вести с 1722 г. в Петербурге по указу Петра I. В 1849 г. была открыта Главная физическая обсерватория, а затем и десятки метеорологических станций начали работать по единым инструкциям.
Великая Октябрьская социалистическая революция открыла широкий путь для развития метеорологии в нашей стране. 21 июня 1921 г. Совет Народных Комиссаров по инициативе Владимира Ильича Ленина постановил расширить метеорологические исследования в России. Была создана общая метеорологическая и гидрологическая служба. Сеть метеорологических станций выросла в несколько раз. На отечественных заводах приборостроения были сконструированы сложнейшие современные приборы для метеорологических и гидрологических станций.
Российские инженеры сконструировали для необитаемых островов и труднодоступных гор автоматическую радиометеорологическую станцию (АРМС), которая работает без людей и передает результаты наблюдений по радио. Сигналы АРМС принимаются на расстоянии более 500 км.
АРМС действует за счет электрической энергии аккумуляторов. Работа ее рассчитана почти на год.
В нашей стране действуют полярные, морские, курортные, горные метеостанции и обсерватории. Самые северные из полярных станций расположены
на о-ве Рудольфа (Земля Франца-Иосифа), на Северной Земле и на мысе Желания (северная окраина Новой Земли). Самые высокие горные метеорологические станции у нас устроены на Эльбрусе (на высоте 4250 м), леднике Федченко (4200 м) и Казбеке (3660 м). Каждый год в нашей стране организуют антарктические экспедиции, во время которых проводятся метеорологические наблюдения.
Особенно ценные сведения о погоде дают дрейфующие в Арктике метеорологические станции «Северный полюс».
ДАРМС — дрейфующая автоматическая радиометеорологическая станция.
АРМС — автоматическая радиометеорологическая станция. Она питается от аккумулятора и работает безотказно около года. Станция работает в пургу, при сильных морозах и в дождь: 1 — приемник скорости ветра; 2 — приемник направления ветра; 3 — приемник температуры воздуха; 4 — приемник атмосферного давления.
Но таких станций немного, и поэтому их сведений недостаточно для изучения погоды на необъятном просторе Арктики. И вот сотрудники Института Арктики и Антарктики нашли выход: они сконструировали дрейфующую автоматическую радиометеорологическую станцию (ДАРМС).
Во время работы станция автоматически преобразует полученные метеорологические данные в сигналы телеграфной азбуки Морзе и посылает их раз в сутки в эфир. Эти сигналы принимают береговые и островные полярные станции. ДАРМС дают сведения не только о погоде, но и о направлении движения льдов в полярном бассейне. ДАРМС могут беспрерывно действовать в течение года.
В 1962 г. в РОССИИ запущен ряд спутников «Космос» с приборами для изучения высоких слоев атмосферы и передачи на землю структуры циклонов и антициклонов, несущихся над землей. Огромная высота, на которой велись наблюдения, позволила изучить обстановку в атмосфере на большом пространстве гораздо точнее и подробнее, чем удается с помощью карт погоды.
Чтобы лучше понять причины изменения погоды, нужно изучать воздушный океан сразу на большом пространстве.
Эту задачу выполняют метеорологические станции, которые разбросаны по всем уголкам нашей Родины.
Вероятно, вам не раз приходилось видеть небольшие огороженные забором площадки, на которых стоят «домики», напоминающие пчелиные ульи, воронкообразные сосуды и разные приборы на подставках. А над всем этим возвышается столб с флюгером. Это типовая метеорологическая станция. Она определяет состояние атмосферы и следит за явлениями погоды.
Для службы погоды на метеостанциях РОССИИ наблюдения ведутся 8 раз в сутки: в 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 и 24 часа по московскому времени. Кроме того, для изучения климата вся метеорологическая сеть дополнительно ведет наблюдения в 1,7, 13 и 19 часов по местному времени.
В наблюдениях недопустимы пропуски и опоздания: они обесценивают всю работу метеорологической станции. Поэтому за 12—15 минут до наблюдения метеоролог обходит все метеорологические установки, чтобы проверить, исправны ли они. Все отсчеты приборов метеоролог записывает в специальный журнал наблюдений и передает по телеграфу или радио в бюро погоды области и Центральный институт прогнозов (в Москве). Синоптики1 бюро погоды на основании сведений, полученных с метеостанций, составляют карты погоды и дают прогнозы по данной области.
Сведения о погоде за один и тот же час из различных мест страны наносят условными значками на географическую карту, которая становится картой погоды. На такой карте вы можете видеть состояние погоды одновременно в разных районах.
Для изучения погоды надо наблюдать за всеми ее элементами: давлением воздуха, температурой, влажностью, облачностью, направлением и силой ветра и др.
Давление воздуха измеряется ртутным барометром, а запасным прибором служит барометр-анероид. Его приемник — металлическая гофрированная коробочка, из которой выкачан воздух. От сплющивания атмосферным давлением эта коробочка предохраняется сильной пружиной. Колебания атмосферного давления действуют на дно и крышку коробочки, которая от уменьшения давления вспучивается, а при увеличении — прогибается. Эти колебания при помощи особого механизма усиливаются и передаются стрелке, которая движется по циферблату и отмечает величину давления.
Если стрелка прибора показывает, что давление воздуха понижается (как говорят, барометр «падает»), то обычно наступает ухудшение погоды. Данные изменения давления важны для прогноза погоды.
Метеорологические станции ведут регулярные наблюдения за температурой воздуха. На огромных пространствах нашей Родины в одно и то же время бывают самые различные температуры.
Когда говорят о температуре воздуха, то всегда имеют в виду показания термометра, установленного в тени.
Ртутный барометр — точный прибор для измерения давления воздуха: 1 — трубка барометра; 2 — ртуть; 3 — чашка барометра.
Барометр-анероид, измеряющий давление воздуха: 1 — коробка, из которой выкачан воздух; 4 — стальная пружина для предохранения коробки от сплющивания внешним давлением атмосферы. При увеличении давления коробка сплющивается и тянет за собой пружину; движение пружины передается через систему рычажков (2) и на стрелку (3).
Если измерять температуру на открытом месте, освещенном солнцем, то различные термометры покажут разные величины. Термометр с черным шариком покажет выше температуру, чем со светлым. Известно, что черное тело поглощает максимальное количество лучей и поэтому нагревается сильнее других тел.
Следовательно, любой термометр «на солнце» больше будет показывать собственную температуру, чем температуру воздуха.
Часто говорят, что при ветреной погоде мороз сильнее, чем при тихой. Это неверно. Термометр показывает одну и ту же температуру и при ветре и без ветра.
Ощущение холода зависит от того, насколько быстро охлаждается человеческое тело. При сильном ветре охлаждение идет быстрее, чем без ветра.
Термометры на метеорологических станциях устанавливаются в особых будках для защиты от солнечных лучей, дождя, снега. Для лучшей вентиляции стенки будки делают из наклонных планочек, так что воздух свободно проходит внутрь. Чтобы уменьшить нагревание будки солнечными лучами, ее окрашивают в белый цвет.
Устанавливается будка на высоте около 2 м от земли, чтобы ее не засыпало снегом. Для наблюдателя делается лесенка.
Волосной гигрометр — прибор для измерения влажности воздуха в процентах: 1 — регулировка натяжения волоса; 2 — шкала; 3 — ось стрелки; 4 — волос; 5 — стрелка.
Психрометр — точный прибор, измеряющий температуру и влажность воздуха: 1 — заводной ключ; 2 — ветрянка; 3 — термометр, обернутый тканью; 4 — засасываемый воздух.
Анемометр вращения — точный прибор для измерения скорости ветра. При наблюдении прибор поднимается рукой вверх, и при помощи секундомера отсчитывается число делений на шкале анемометра за известный промежуток времени.
В будке устанавливаются три термометра: ртутный, спиртовой и термометр-максимум. Ртуть при сильных морозах замерзает, и тогда пользуются спиртовым термометром: он одновременно может показывать самую низкую температуру с момента последнего наблюдения. Максимальный термометр устроен так же, как медицинские термометры. Трубка термометра сужена вблизи шарика. При повышении температуры ртуть под давлением свободно проходит через это сужение.
Когда температура понижается, суженная часть трубки разрывает столбик, и он остается на максимальном уровне.
Воздух не бывает абсолютно сухим. Даже в жарких пустынях он всегда содержит влагу.
Простейший прибор для измерения влажности — волосной гигрометр. Он состоит из рамки, на которой натянут обезжиренный человеческий волос. Один конец волоса закреплен вверху рамки, а другой перекинут вниз через блок. С блоком связана стрелка, двигающаяся по шкале. При увеличении влажности клеточки волоса разбухают, волос удлиняется, что сейчас же через блок передается стрелкой на шкалу, где влажность воздуха показана в процентах. Влажность уменьшается — волос укорачивается.
Гигрометр помещают в будке рядом с термометрами. Более сложный прибор — вентиляционный психрометр. Он состоит из двух одинаковых термометров, заключенных в металлическую оправу.
Шарики термометров окружены трубками, через которые свободно проходит воздух. На верху оправы помещен всасывающий вентилятор. Шарик одного термометра обернут кусочком батиста. Во время наблюдений материю смачивают водой, а вентилятор заводят. Как только пружина заставит вращаться лопасти вентилятора, воздух начнет всасываться в трубки, обдувать термометры и выходить наружу. Со смачиваемого термометра будет испаряться вода, и он покажет более низкую температуру, чем сухой (вспомните, как холодит мокрое белье). По разности температур сухого и смачиваемого термометров и по таблицам наблюдатель вычисляет влажность воздуха.
Психрометр не требует никакой искусственной тени. С ним можно работать даже на солнце, надо только для удобства подвесить прибор на столбике.
Направление и силу ветра наблюдатель определяет по флюгеру. На столбе флюгера укреплена «роза ветров» из металлических прутьев, указывающих страны света. В верхней части флюгера есть дуга со штифтиками и рамка, на которой качается металлическая дощечка,— это простой прибор для определения силы ветра. Ветер давит на дощечку и поднимает ее на фоне дуги. По штифтикам отсчитывают силу ветра; зная ее, легко определить и скорость ветра, т. е. число метров, проходимых воздухом в одну секунду.
Более точный прибор для измерения скорости ветра — анемометр вращения. Приемником его служит крестовина с четырьмя (или тремя) полушариями, обращенными выпуклостью в одну сторону. Крестовина насажена на вертикальную ось. Под действием ветра вся система легко вращается в одну сторону. Конец оси, уходящей внутрь механизма, имеет бесконечный винт (червяк), связанный с целой системой зубчатых колес. С тремя из них соединены стрелки циферблата.
Если анемометр поместить на ветру и дать вертушке раскрутиться, то можно определить точно скорость ветра.
Все большее распространение на метеостанциях получает электрический анеморумбометр (АРМЭ), который может передавать по проводам направление и скорость ветра. Приемник АРМЭ — трехчашечный анемометр, который силой ветра заставляет вращаться якорь маленькой динамо-машины (генератора), заключенный внутри прибора. Вырабатываемая генератором электроэнергия по проводам передается в помещение метеостанции на шкалу вольтметра. Чем сильнее ветер, тем быстрее вращаются полушария и тем сильнее электрический ток. По степени отклонения стрелки вольтметра судят о скорости ветра. Одновременно на особой шкале показывается направление ветра. АРМЭ устанавливается высоко на металлической мачте или на столбе и может передавать данные о ветре на расстояние 100—150 м.
Метеоролог, наблюдая за облачностью, определяет на глаз количество облаков (0— ясно, 10 баллов — облачно), а по атласу облаков — их форму. Высота облаков определяется при помощи шара-пилота. Это небольшой резиновый шар, наполненный водородом. Пущенный в полет, он достигает облака и исчезает в нем. За шаром следят в угломерный прибор — теодолит. По времени полета шара-пилота определяют высоту облака. Более совершенный прибор для определения не только нижней, но и верхней границы облачности (толщины облаков) в любое время года и суток — облакомер. Он выпускается в свободный полет на шаре и передает на землю с
помощью радиопередатчика особые сигналы в момент своего погружения в облако и выходя из него. Так как скорость подъема шара известна, то по времени появления сигналов о входе и выходе прибора из облаков определяют высоту и толщину их.
Флюгер — простейший прибор для определения направления и скорости ветра. Его устанавливают высоко на столбе, где нет препятствий для ветра. Состоит из флюгарки (3) и доски указателя (2), вращающихся на металлическом стержне. Система уравновешена грузом (4). Под влиянием ветра лопасти флюгарки устанавливаются по ветру, а доска указателя поднимается до одного из штифтов дуги (1). Направление ветра определяется по «розе румбов» (5), а сила ветра — по номеру штифтов на дуге.
Барограф — самопишущий прибор для регистрации давления воздуха: 1 — барабан с часовым механизмом; 2 — столбик анероидных коробок.
Гигрограф — самопишущий прибор для измерения влажности воздуха: 1 — волос; 2 — рычаг; 3 — балансир.
Осадки измеряются особым цилиндром с конусообразной защитой. Цилиндр сечением в 200 см2 устанавливают на столбе высотой 2 м. Его огораживают воронкообразным футляром из разреженных планок, чтобы предохранить осадки (особенно снег) от выдувания сильным ветром.
Собранную воду сливают в мензурку и измеряют (зимой снег растапливают). Количество осадков определяется толщиной слоя выпавшей воды в миллиметрах. Умеренный дождь дает 5—6 мм осадков, сильный — около 15— 20 мм, а ливень — более 30 мм.
Даже самые частые наблюдения метеорологов в течение суток бывают недостаточны. Необходима непрерывная запись наблюдений приборами-автоматами.
Для этого созданы самопишущие приборы: барограф — самописец давления воздуха; термограф, записывающий температуру воздуха; гигрограф, регистрирующий влажность воздуха, и плювиограф — дождевые осадки.
На крупных метеорологических станциях, где наблюдения ведутся круглые сутки, используется дополнительно дистанционная метеорологическая станция (ДМС). Она устанавливается на площадке. Для наблюдения за приборами не надо выходить на площадку. Достаточно подойти к распределительному щитку прибора, установленному в комнате, где дежурят метеорологи, нажать 2— 3 кнопки, и ДМС сообщит, что делается снаружи: какой ветер, какая температура и влажность. Все шкалы прибора ДМС смонтированы на пульте управления в форме радиоприемника. Специальный кабель соединяет ДМС с пультом управления. ДМС питается электроэнергией от сети городского или сельского освещения. Если нужно узнать, какой сейчас ветер, нажмите кнопку на пульте управления с надписью «ветер».
На шкалах направления и скорости ветра появятся соответствующие сведения. Все данные о погоде можно получить в течение 30—40 секунд.
Кроме этих основных приборов, применяются многие другие: для измерения солнечной радиации (излучения), температуры почвы, высоты облаков.
Метеоролог должен делать наблюдения точно, быстро и аккуратно. Погода не стоит на месте; она непрерывно меняется, и надо быстро уловить эти изменения. От точности наблюдений метеоролога зависит правильность прогноза погоды, а часто и судьба пассажиров самолетов и судов, которые могут в пути встретиться с грозой или бурей.
Плювиограф — самопишущий прибор для измерения дождевых осадков: 1 — сосуд; 2 — стержень; 3 — перо; 4 — поплавок; 5 — сифон; 6 — контрольный сосуд; 7 — сосуд.
В бюро погоды синоптики все элементы погоды (давление воздуха, температура, влажность, облачность, ветер) наносят на немую географическую карту около каждого пункта наблюдения в строго определенном порядке. Метеорологическая станция на карте обозначается маленьким кружком. Стрелка указывает направление ветра
(стрелка как бы летит по ветру). На рисунке направление ветра — юго-западное. Оперение на стрелке — это сила ветра в баллах. Один балл соответствует скорости ветра примерно 2 м/сек. На рисунке один штрих у стрелки длинный и один — короткий, это означает, что сила ветра равна трем баллам. Четверть кружка зачерчена — значит, четверть неба покрыта облаками. Значок под кружком дает представление о форме облаков — кучевые высотой 1000 м. Слева от кружка показана температура воздуха (+16°). Цифра 127 справа обозначает давление воздуха в миллибарах. Она дается сокращенно, полностью будет 1012,7 мб. Метеорологи условились всю цифру не писать и не отделять запятой десятые доли. Всем, кто знает об этом, понятно, что цифра 127 означает 1012,7 мб. Нормальное давление в 760 мм равно 1013 мб. На нашем рисунке (внизу слева) давление немного ниже нормы.
Но вот все сведения нанесены на карту. Теперь в них надо разобраться. Для этого на карте проводятся изобары — линии, соединяющие места с одинаковым давлением. Затем выделяются области с туманами, дождями и снегопадами и, наконец, выявляются атмосферные фронты. В таком виде карта закончена и называется рабочей синоптической картой.
Элементы синоптической карты.
Синоптическая карта.
По таким картам синоптики составляют прогнозы погоды.
Надо много хорошо работающих метеорологических станций, чтобы получить все необходимые данные для прогноза. В наши дни Центральный институт прогнозов ежедневно составляет карту погоды всего земного шара.
Термограф биметаллический — самопишущий прибор для регистрации температуры воздуха: 1 — регулировочный винт; 2 — биметаллическая пластинка.
Школьная метеорологическая станция.
Метеорологические станции устраивают на географических площадках в школах. Они ведут наблюдения за погодой при помощи простейших приборов, изображенных на рисунке.
1. Грабельный нефоскоп. При помощи этого прибора определяют скорость движения облаков. Облако следует выбрать с резко очерченными краями. Для определения скорости движения облака берут в руки концы веревки и отходят на такое расстояние от столба, чтобы видеть зубцы граблей и наблюдаемую часть облака на, одной линии. Стрелка граблей должна быть обращена в сторону движения облака. Наблюдатель становится так, чтобы отметка на
стержне граблей (ее делают на высоте 2 м от верхнего конца) была на уровне его глаз. Когда крайняя точка наблюдаемого облака придется против крайнего зубца, надо заметить время по секундной стрелке часов и следить, когда эта же точка дойдет до следующего зубца. Исходя из подобия треугольников ABC и ADE, мы делаем вывод, что расстояние, пройденное облаком, во столько раз больше расстояния между зубцами (0,2 м), во сколько раз сторона АВ треугольника АBС больше стороны AD. Далее по таблице определяется высота облака. Если, например, оно высоко-кучевое, то высота его будет 4000 м; поэтому BE/DE1=4000/2. Зная, что BC/DE=AB/AD и BF/DE1=AB/AD, получаем BC/DE=BF/DE1; отсюда узнаем, чему равняется ВС; очевидно, что ВС =BF•DE/DE1=(4000X0,2)/2= 400 м. Зная время, за которое облако прошло это расстояние, вычисляем скорость движения облака. Направление движения отсчитывается по кругу с делениями (внизу прибора). 2. Флюгер. 3. Нефоскопическая сетка для определения количества и положения облачных масс на небе. Наблюдатель помещается внутри сетки и, пользуясь ее десятью секторами, отсчитывает на глаз количество облаков в баллах. Каждая десятая часть небесного свода, покрытая облаками, соответствует оценке облачности в 1 балл. Если полнеба закрыто облаками, то ставят 5 баллов. 4. Снегомерная рейка для определения высоты снежного покрова. 5. Мензурка. 6. Осадкомер. 7. Подставка для осадкомера. 8. Осадкомер с защитной воронкой. 9. Гигроскоп — самодельный прибор для приблизительного определения влажности воздуха. 10. Волосной гигрометр. 11. Метеорологическая будка. 12. Сифонный ртутный барометр. 13. Гигрометр для определения точки росы.
Гидрологические станции изучают состояние рек, морей, озер, болот. Данные наблюдений этих станций необходимы речникам, строителям мостов, энергетикам и т. д. — словом, всем, кто заставляет воду служить человеку.
На речных гидрологических станциях ведутся наблюдения за уровнем воды, чтобы вовремя предупредить о грозящем наводнении. Измерения делают с помощью простейших водомерных реек. В дно реки вбивается свая. На ней укрепляется рейка с делениями. На больших гидрологических станциях устанавливают самописцы уровня воды. Наблюдатель определяет сроки вскрытия и замерзания реки, что очень важно для навигации. Измеряет он также высоту и плотность снежного покрова во многих пунктах бассейна реки и ее притоках. Так определяются запасы снега в бассейне реки, от которых зависит сила весеннего паводка. Знать, какой силы бывают паводки на реке, очень важно строителям гидросооружений.
Гидрологические станции в течение года сообщают на гидроэлектростанции о количестве воды, поступающей в водохранилище. Эти сведения необходимы гидроэлектростанциям, так как их работа зависит от запасов воды в водохранилищах и от возможности пополнения сточными водами реки.
Ведутся наблюдения и за льдом. Особенно важно наблюдать за внутриводным льдом. Бывает так, что лед еще не идет по реке, а на гидростанции авария. В турбины перестала поступать вода. В чем дело? Оказывается, их забил внутриводный лед. Поэтому очень важно знать о его существовании заранее, чтобы оградить от него турбину. Толщина льда водоемов определяется с помощью рейки с подкосом (из железа). Рейка разделена на сантиметры. Для просверливания скважин в ледяном покрове применяется ледовый бур.
На морях работники гидрологических станций изучают силу и строение морских волн. Эти данные необходимы при постройке кораблей, портов, для защиты береговых сооружений от разрушающих действий волн. Скорость и направление морских течений на различных глубинах измеряют с помощью вертушек. Глубоководными термометрами на разных глубинах определяют температуру воды. Зная температуру воды в глубине и на поверхности, можно определить, где проходят теплые и холодные течения. Например, измеряя температуру воды в Баренцевом море, гидрологи следят за теплым течением Гольфстрим. Это дает возможность до навигации предсказать, как будут вести себя льды в Арктике на Северном морском пути. По температуре воды судят о том, где будут двигаться косяки рыбы. Ведь для ее переходов годится не всякая температура воды.
Для измерения уровня моря и непрерывной записи его колебаний на берегу устанавливаются мареографы. Действие этого прибора основано на записи вертикальных перемещений поплавка, всегда находящегося на поверхности воды. За уровнем моря следят для изучения его вековых колебаний, а также высоты приливов и отливов.
Все данные гидрологических наблюдений из разных концов страны поступают в Центральный институт прогнозов, где составляются гидрологические прогнозы (морские, речные, озерные, болотные и т. д.), которые необходимы народному хозяйству.
В воздушной оболочке Земли происходят многообразные процессы, которые иногда принимают форму грозных и величественных явлений.
Разбушевавшаяся воздушная стихия может причинить бедствия, поэтому люди стараются защититься от них, используя науку и технику.
