Meteorologia doświadczalna Wykład 4 Pomiary ciśnienia atmosferycznego

1. Meteorologia doświadczalnaWykład 4Pomiary ciśnienia atmosferycznego Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

2. Przestrzenny rozkład ciśnienia determinuje cyrkulacje atmosfery dlatego pomiary ciśnienia są kluczowymi pomiarami meteorologicznymi. • Pionowe różnice ciśnienia są znacznie większe niż różnice poziome wywołujące przepływ powietrza • Pionowy rozkład ciśnienia dany jest wzorem barometrycznym Stopień barometryczny – zmiana wysokości przy jakiej ciśnienie zmienia się o 1 hPa. Jest miarą aktualnej gęstości powietrza i zależy również od temperatury i wilgotności powietrza. Wynosi dla t=0oC: 8.0 m zaś dla t=30oC: 8.9 m • 500 hPa około 5 km • 250 hPa około 10 km • 125 hPa około 15 km

3. Atmosfera standardowa • Określona dla szerokości geograficznej 45 o , zerowej wysokości nad poziom morza i zerowej temperaturze powietrza. • Średnie ciśnienie powietrza dla tych warunków wynosi 1013.25 hPa. • Gęstość powietrza zaś 1.293 kg/m3 • Odpowiada to jednorodnej atmosferze o wysokości (lokalna wysokość atmosfery) H=7692 m. • Gęstość podobnie jak ciśnienie maleje z wysokością i na wysokości około 5 km znajduje się już połowa masy atmosfery.

4. Wiatr geostroficzny a gradient ciśnienia Poziomy gradient ciśnienia Dla szerokości 50o wynosi

5. Barometry - przyrządy do pomiaru ciśnienia atmosferycznego. • W zależności od zasady działania rozróżnia się barometry cieczowe, barometry ze sprężystym elementem pomiarowym (np. aneroidem), które stanowią podstawę barografu, i termobarometry. • Ciśnienie standardowo doczytuje co 0.1 hPa • Jednostki: 1 hPa=1mbar 1 mmHg=0.75 hPa

6. Typy barometrów • Cieczowe • Lewarowe • Lewarowo-Naczyniowe • Naczyniowe Deformacyjne • Aneroid • Barograf, mikrobarograf • Cylindry rezonatorowe (piezoceramiczne) • Hipsometry 1. Precyzyjne termometry rtęciowe

7. Barometr cieczowy • W 1643 B. Torricelli opracował zasadę działania barometru rtęciowego • Barometr taki składa się z otwartego zbiornika z rtęcią i wstawionej do niego pionowej, zaślepionej w górnym końcu i pozbawionej powietrza rurki szklanej o długości. 80-90 cm.  Dla rtęci =13600 kgm-3 H=0.76 m Dla wody =1000 kgm-3 H=10.3 m Zatem barometr wodny jest bardzo niewygodny ze względu na jego długość

8. Najprostszy barometr rtęciowy

9. Noniusz w barometrach rtęciowych

10. Poprawki dla barometru cieczowego • Poprawka temperaturowa • Poprawka grawitacyjna na szerokość geograficzna i wysokości nad poziom morza • Skala barometru uwzględnia korekcje na zmianę wysokości rtęci w zbiorniku i 1 mm odpowiada 0.98 mm wysokości

11. Redukcja ciśnienia do poziomu morza • Porównywanie wskazań z różnych stacji meteorologicznych wymaga sprowadzenia odczytów do poziomu morza. • Korekcja ta opiera się o wartość stopnia barometrycznego, który zależy od: • Temperatury powietrza • Ciśnienia atmosferycznego • Wilgotności powietrza

12. Aneroid • Zbudowany jest z puszki Vidie’go z częściowo wypompowanym powietrzem odkształcająca się pod wpływem zmian ciśnienia powietrza. • Czułość tego barometru określona jest przez zmianę grubości puszki wywołanej zmianą nacisku powietrza. E jest modułem Jounga Charakterystyka puszki nie jest liniowa dlatego stosuje się rożnego rodzaju wygięcia puszki w celu jej linearyzacji. Aneroid wykazuje histerezę mechaniczną dlatego w czasie pomiaru delikatnie „opukuje” się w barometr w celu zminimalizowania naprężeń wewnętrznych. Aneroid wykazuje duże błędy na dużych wysokościach związane z histerezą.

13. Barometry deformacyjne

14. Barocapy • Wykorzystują zmiany pojemności dielektryka pod wpływem zmian ciśnienia atmosferycznego • Właścicielem patentu jest forma Vaisala, która nie podaje szczegółowych parametrów tego czujnika

15. Dokładność czujników Vaisalowskich ±0.10 hPa±0.20 hPa±0.30 hPa ± 0.10 hPa±0.10 hPa±0.30 hPa± 0.15 hPa± 0.25 hPa± 0.45 hPa± 0.1 hPa± 0.1 hPa± 0.2 hPa Accuracy     Class A 500 ... 1100 hPa     Class B 500 ... 1100 hPa     Class C 50 ... 1100 PaTemperature dependence     Class A 500 ... 1100 hPa     Class B 500 ... 1100 hPa     Class C 50 ... 1100 hPaTotal accuracy  (-40...+60 °C)     Class A 500 ... 1100 hPa     Class B 500 ... 1100 hPa     Class C 50 ... 1100 hPaLong-term stability     Class A 500 ... 1100 hPa     Class B 500 ... 1100 hPa     Class C 50 ... 1100 hPa

16. Hipsometry - termobarometry • Wykorzystują zależność wrzenia cieczy np. freonu od ciśnienia atmosferycznego. • W przypadku wody zmiana ciśnienia o 1.3 hPa powoduje zmianę temperatury wrzenia o 1/25 oC. • Dokładność pomiarów hipsometrycznych zmienia się od 0.02 do 3.6 hPa i wzrasta z malejącym ciśnieniem atmosferycznym

17. Krzemowy czujnik ciśnienia MPX411A • Czujnik piezoelektryczny • Zawiera kompensacje temperaturową w zakresie temperatur -40 do 125oC • Wyjście analogowe (napięcie w przedziale 0.2-4.8V) • Maksymalny błąd ciśnienia 1.5%

19. Moduły cyfrowe do pomiaru ciśnienianp. MS5534A (Intersema) • Piezoelektryczny czujnik ciśnienia • Zakres pomiaru ciśnienia 300-1100 mbar • Kompensacja temperaturowa za pomocą wielomianu 5-go rzędu (sześć współczynników) • 3 przewodowy interface szeregowy • Zasilanie 2.2-3.6V • Przetwornik A/D 15 bitowy – rozdzielczość 0.025 hPa.