Какой прибор помогает предсказать погоду?

Погодные радары: как они помогают предсказывать погоду?


У природы есть плохая погода, и мы в Toshiba в этом не сомневаемся. Но эффективно прогнозировать ненастья человечество научилось совсем недавно, и путь к этим достижениям лежал через личные трагедии, мировые войны и «партизанские ливни». Проводим краткий экскурс в историю метеорологии, рассказываем, как появились метеорадары и почему новейший погодный суперкомпьютер назвали именем древнейшего бога.

На заре метеорологии: почему покончил c собой первый синоптик?

Недавно палеоклиматологи пришли к выводу, что древнее Аккадское государство (существовало оно около 4 тыс. лет назад) пришло в упадок из-за усиления в Месопотамии сезонных пылевых бурь (так называемых «шамалов»), нарушивших сельское хозяйство. И уже тогда человечество пыталось следить за погодой и предсказывать её. Но получалось не очень — бедные аккадцы.
Прорыв наступил только в XIX веке, ведь первый секрет успешного прогноза — наблюдение за погодой из разных географических точек одновременно. Впервые это стало возможным с появлением нового средства связи — телеграфа, который помог построить первую метеорологическую службу, которая не только наблюдала за погодой, но и предсказывала её (как умела). Речь о Департаменте метеорологии при британском правительстве. Его создателем в 1854 году стал офицер ВМФ Великобритании Роберт Фицрой, капитан корабля «Бигль», на котором Чарльз Дарвин совершил знаменитое кругосветное путешествие. За свою долгую карьеру Фицрой задокументировал огромное количество погодных наблюдений. Правда, деятельность нового органа ограничилась созданием карты ветров для капитанов флота, которую прогнозом, конечно, назвать было нельзя.
25 октября 1859 года у берегов Англии потерпело крушение пассажирское судно «Роял Чартер». Внезапный мощный шторм разбил его о скалы у западного побережья Англии, в результате чего погибли 456 человек. Крушение «Роял Чартер» в родных водах поразило Фицроя (интересно, как бы он отреагировал на историю «Титаника» спустя полвека). Глава Департамента метеорологии распорядился создать сеть из 24 метеостанций в крупных портах Англии, Дании, Голландии и Франции для предупреждения штормов. Помог в этом Фицрою недавно изобретённый телеграф, который передавал в штаб-квартиру погодные данные морзянкой.
Помимо этого, Фицрой приказал установить на всех кораблях королевского флота штормглассы — герметично запаянные колбы со смесью из воды, этанола, нитрата калия, хлорида аммония и камфоры. Жидкость в этом приборе реагирует на изменение погоды, к примеру, помутнение предвещает дождь, а прозрачность — ясную погоду.

Судя по высоко поднявшимся большим кристаллам, этот штормгласс обещает сильный мороз и стужу. Впрочем, дальнейший технический прогресс в метеорологии выбросил этот прибор на свалку истории, даже не оставив учёным времени на изучение принципа его действия. Источник: ReneBNRW / Wikimedia Commons
Вооружившись термометрами, барометрами, штормглассами, многолетней «биг датой» наблюдений, а также показаниями сети метеостанций, Роберт Фицрой начал публиковать прогнозы погоды на 1-2 дня вперёд. Первый такой прогноз появился в The Times в 1861 году.


Прогноз погоды на 1 августа 1861 года. В Лондоне ожидалась ясная погода, умеренный юго-западный ветер и 17 градусов тепла. Сбылся ли прогноз, мы не знаем. Источник: Official blog of the Met Office News Team
Первый синоптик быстро нажил себе врагов. Учёные критиковали его методы. Британская пресса смаковала неудачи. Владельцы рыболовного бизнеса готовились предъявить счёт за убытки, ведь рыбаки часто отказывались выходить в море, получая прогноз плохой погоды от Фицроя. К 1865 году уже немолодой контр-адмирал синоптик впал в депрессию, растратив почти все своё состояние на метеорологические исследования, и 30 апреля наложил на себя руки.
Прогнозы Фицроя не могли быть точными: метеостанций было мало, обработка данных велась вручную, а экстраполяция старых погодных наблюдений часто подводила. Но главным слабым местом его практики были погодные замеры на основе косвенных данных (температура, давление), тогда как для успешного прогноза необходимо непосредственное наблюдение за передвижением воздушных масс.
Прошёл ещё век, прежде чем человечество научилось этому. Как в случае со многими другими техническими решениями XX столетия, прогрессу помогла гонка вооружений.

На погодном фронте: как военные научились предсказывать погоду?

В 1904 году 22-летний германский инженер Кристиан Хюльсмайерпрезентовалв Кёльне загадочный прибор, который назывался «телемобилоскопом» (Telemobiloskop). Каждый раз, когда на определённом участке протекающего неподалёку Рейна проходил корабль, телемобилоскоп издавал звон. Этот прибор состоял из искрового радиопередатчика, подключённого к множеству антенн. Телемобилоскоп улавливал отражённые от крупных металлических объектов (кораблей) электромагнитные волны. Однако присутствовавшие на презентации представили ВМФ Германии тогда аппарат не оценили.
И очень зря, потому что уже в 1930-е гг. ученые США, Великобритании, Германии, Франции, СССР, Японии, Италии и Нидерландов практически одновременно начали разработку похожих приборов, основанных на трансляции радиосигналов и улавливании отраженного от различных объектов эха. Призваны они были выявлять на дальних дистанциях движение самолетов и кораблей потенциального противника. Принцип работы этих передатчиков был положен в основу и метеорадаров, работающих до сегодняшнего дня.
Антенна излучает радиоволны сверхвысокочастотного диапазона в виде кратковременных импульсов большой мощности. Излучение фокусируется в узкий радиолуч. Когда импульс наталкивается на своём пути на препятствие, часть его энергии рассеивается в том числе и по направлению к приёмнику, который обычно работает рядом с передатчиком на одной антенне. Радиоэхо слабее отправленного импульса и возвращается с задержкой. Разность в мощности и скорости этих импульсов и позволяет определить положение в пространстве, скорость, плотность и другие физические параметры препятствия, например, самолёта или грозового облака.
К началу Второй Мировой войны такие системы были созданы, и одна из них (американская) дала миру новое слово «радар» (образовано от аббревиатуры RADAR, Radio Detection And Ranging).
В 1941 году английские операторы впервыенаблюдалина индикаторе радара засвеченные участки от ливневых осадков. Позже военные обратили внимание на радиошум, который исходил от туч, снегопадов и града. Эти данные начали использовать для уточнения погоды и координации лётчиков и моряков. А после войны часть военных радаров передали метеорологам для наблюдения за погодой. К примеру, в США военно-морские силы перестроили радар AN/APS-2, ранее использовавшийся для поиска германских подводных лодок, и отдали его в Бюро погоды США в 1946 году под названием WSR-1 (Weather Surveillance Radar).

Таким увидели американские метеорологи торнадо с помощью погодного радара WSR-3, а Hook Echo — это название наблюдаемого на радаре облачного образования, похожего на торнадо (hook по-английски — «петля»). Источник: Wikimedia Commons
В послевоенный период принцип работы погодных радаров уже не менялся, но усложнялось их устройство — для получения более точных данных о размере и количестве осадков, их распределении в атмосфере, скорости и направлении передвижения. Однако климат на планете постепенно меняется, и в некоторых регионах усиливаются самые разные разрушительные погодные явления, требующие новых методов прогнозирования.

Что такое «партизанские ураганы» и почему обычные радары с ними не справляются?

Многие знают о непростой сейсмической ситуации в Японии, но мало кто слышал о частых для этих мест так называемых «партизанских» ураганах или штормах (guerrilla rainstorm) — в силу своего прибрежного положения от них часто страдает Токио. При столкновении влажного океанического воздуха с нагретыми в плотно застроенном городе воздушными массами образуются огромные кучевые облака. Процесс их формирования происходит очень быстро, а ещё быстрее за ним следует мощный ливень, провоцирующий наводнения и подтопления, иногда с человеческими жертвами. Именно поэтому такие ураганы назвали «партизанскими» — их удар всегда неожиданный.
Для прогнозирования таких явлений два основных типа традиционных метеорадаров — многопараметрические и с фазированной антенной решёткой — не подходят.
Многопараметрические метеорологические радары имеют двойную поляризацию, то есть они могут одновременно передавать и принимать горизонтально и вертикально поляризованные волны. Это позволяет им эффективно отслеживать количество осадков вплоть до размеров капель дождя. Однако у такого радара есть и недостатки: его параболическая антенна (в форме тарелки) может передавать и принимать электромагнитные волны только в том направлении, к которому она обращена. Сигнал имеет форму тонкого луча, поэтому чтобы вычислить распределение осадков, нужно, словно прожектор, повернуть антенну вверх, а затем постепенно наклонять её к земле. Для наблюдения за распределением осадков вблизи уровня земли может потребоваться от одной до пяти минут, а для замера осадков в трёхмерном проекции более — пяти минут. Именно это не даёт быстро «вычислить» кучевую тучу, в которой прячется «партизанский ливень».

Первый вид радара излучает более мощный сигнал, а второй — более рассеянный. Источник: Toshiba Clip

В отличие от многопараметрических радаров, погодные радары с фазированной решёткой представляют собой плоские антенны, как правило, квадратной или многоугольной формы. Точнее говоря, они состоят из множества маленьких антенн, размещённых на плоскости (нечто похожее на фасеточный глаз насекомого). Его структура позволяет мгновенно изменять направление волн без необходимости перемещать антенну вверх или вниз. Этот вид радара позволяет излучать и принимать волны (от земли до уровня неба) практически непрерывно. Но его слабое место — вычисление количества осадков, ведь их сигнал более рассеянный.
Если многопараметрический радар хорошо замеряет количество осадков, то радар с фазированной решёткой лучше справляется с построением картины их распределения. Но чтобы обнаруживать «партизанский ураган» нужно было соединить эти два радара в одном.

Ужа с ежом: как в Toshiba соединили круг и квадрат?

Инженеры Toshiba в составе исследовательской группы Совета по науке, технологии и инновациям при правительстве Японии создали первый в мире многопараметрический радар с фазированной решёткой, то есть объединили два традиционных типа радаров в одно устройство. Оно имеет двойную поляризацию и может формировать пучок сигналов одновременно в десять направлений. Благодаря этому, такой радар способен всего за 30 секунд отыскать «партизанскую тучу» в радиусе 60 км (и за минуту — в радиусе 80 км).

Первый многопараметрический метеорологический радиолокатор с фазированной решёткой разместился на крыше Университета Саитама в декабре 2017 года. Источник: Toshiba Clip
Максимальная дальность охвата в 80 км позволяет одному радару контролировать погодную обстановку практически над всем столичным районом Токио. К примеру, в летнее время года радары смогут предупреждать о «партизанских ливнях» и помогать городским властям координировать передвижение туристов и горожан в случае неблагоприятной погоды.
Впоследствии в Японии может быть создана сеть из новых метеорадаров, которые покроют всю территорию страны. Однако чем больше инструментов исследования погоды, тем сложнее обрабатывать и интерпретировать получаемую информацию. Поэтому в будущем человечеству необходимо решить проблему создания глобальной системы контроля за погодными условиями на основе суперкомпьютеров. Похоже, прорыв в этой области подготовили наши коллеги из IBM.

Бог ясного дня: как будет предсказывать погоду новый суперкомпьютер?

В ноябре 2019 года компания IBM объявила о разработке глобальной системы высокоточного погодного прогнозирования GRAF (Global High-Resolution Atmospheric Forecasting System). Её основу составит суперкомпьютер DYEUS, построенный специально для управления виртуальной моделью глобальной погоды. Кстати, имя DYEUS («Дьеус») неслучайно — так звали верховного бога праиндоевропейского пантеона, который отвечал за ясное небо над головами наших предков 3-5 тыс. лет назад.

В DYEUS используются процессор Power9, которые также работает в самом мощном суперкомпьютере мира Summit. Источник: YouTube-канал Weather Co.
Источниками информации для компьютера станут не только метеорадары, зонды и спутники, но даже сенсоры на борту авиалайнеров и смартфоны по всему миру. Последние смогут передавать данные о температуре и давлении (с разрешения пользователей, конечно). GRAF сможет детализировать погодную обстановку для местностей размером 3-4 км в ширину вместо 10-12 км, а обновления прогноза будут поступать каждый час вместо обычных 6-12 часов. Кстати, приложение с прогнозами GRAF — The Weather Channel — уже можно скачать на смартфон

13 января 1872 года в России был издан первый бюллетень погоды. Поэтому этот день принято считать официальной датой начала работы метеослужбы в нашей стране. Как ученые предсказывают погоду? И как это сделать самим, используя народные приметы?

Как предсказывают погоду синоптики

Погода — это то, что человек до сих пор не смог подчинить себе. Циклоны и массы воздуха перемещаются по поверхности планеты вне зависимости от границ. Поэтому даже самая современная метеослужба одной страны не сможет составить прогноз погоды без помощи метеослужб других стран.

По всему миру разбросаны тысячи станций, где ежедневно проводятся наблюдения за погодой. Каждый день в одно и тоже время по Гринвичу все метеостанции мира проводят измерения температуры, влажности воздуха, скорости ветра, атмосферного давления, количества осадков и степени облачности. Шары-зонды и искусственные спутники Земли помогают получать данные о состоянии верхних слоев атмосферы и делают фотографии поверхности планеты из космоса. Эта информация стекается в главные мировые центры данных в Москве, Вашингтоне и Мельбурне, которые обмениваются информацией между собой. Данные о погоде, собранные со всего мира, позволяют определить перемещение воздушных масс и рассчитать их скорость.

Вся полученная информация попадает в службы погоды, где синоптики сопоставляют, анализируют и наносят результаты на карты. Дальнейшая задача метеорологов – максимально оперативно передать данные о погоде средствам массовой информации. Ведь синоптики обязаны вовремя предупредить о приближающемся урагане или наводнении, сильном ливне или снегопаде. Гидрометцентр уточняет и корректирует прогнозы погоды по несколько раз в день. И если, например, прогноз по телевизору не сбылся, то скорее всего, в эфир выдали устаревшую информацию.

Точно погоду можно предсказать только на два-три дня вперед. Дальше точность значительно снижается. Долгосрочные прогнозы приблизительны и составляются по статистическим данным за прошлые годы. Но даже краткосрочные прогнозы могут не сбыться. Ведь главное свойство погоды – ее переменчивость. Но все-таки метеослужбе удается предсказывать ее с высокой точностью. Например, по Москве процент правильности прогнозов составляет 97-98%.

Как предсказать погоду по народным приметам

Современный человек может просто зайти в Интернет или открыть свежую газету и прочитать прогноз погоды на ближайшие дни. Но и в те времена, когда под рукой у наших предков не было даже термометра и барометра, они могли узнать погоду не только на завтрашний день, но и полгода вперед. В этом им помогали наблюдения за солнцем, звездами и луной, за растениями и поведением животных, которые передавались из поколения в поколение. Вот самые распространенные народные приметы о погоде зимой.

По этим приметам можно определить, какой будет погода завтра:

Народный календарь на конец зимы:

Как по зиме определить погоду на будущую весну и лето:

Барометр — это прибор для измерения атмосферного давления. Он используется метеорологами для прогнозирования краткосрочных изменений погоды. Например, если атмосферное давление падает, могут ожидаться штормы и дожди. А наличие барометра в квартирах, где проживают пожилые метеочувствительные члены семьи, может предотвратить у них сердечный приступ.

Классификация и виды

Практически используются три типа барометров, принцип действия которых по определению атмосферного давления различен:

  • Ртутный барометр. Он состоит из вертикальной стеклянной трубки, выполненной в виде откалиброванной шкалы. Верхний конец этой трубки запаян, а другой конец находится в маленькой чашке с ртутью. Ртутные барометры часто используются на уроках физики в школах. По аналогичному принципу действует и менее точный водный барометр, только объём трубки заполняется не опасной для человека ртутью, а подкрашенной водой.
  • Барометр-анероид. Он не содержит жидкости и состоит из небольшой гибкой металлической коробки, называемой анероидной капсулой, которая изготовлена ​​из сплава бериллия с медью. Металлическая коробка плотно закрыта, поэтому изменения атмосферного давления за пределами коробки вызывают расширение или сжатие пружин внутри коробки.
  • Электронный барометр цифрового типа, который широко используется в современных домашних и профессиональных метеостанциях, а также в различных современных приборах. Он состоит из чувствительного узла обнаружения, который реагирует на изменение давления воздуха.

Кроме того, существуют и самодельные барометры, которые показывают результат, достаточный для практических наблюдений за погодой.

Как работает барометр?

Ртутный барометр показывает меняющееся положение ртутного столба для данной местности (за 0 берётся барометрическое давление на уровне моря). Во время циклонической природной деятельности давление падает, что вызывает соответствующее уменьшение высоты ртутного столба. Когда циклон уступает место антициклону, низкое атмосферное давление сменяется более высоким, которое повышает уровень ртути в стеклянной трубке.

В анероидном барометре индикатором изменяющегося давления является линейное расширение материала исполнительного элемента. Существует целый класс сплавов, который отличается определёнными значениями коэффициента линейного расширения. Чаще других используются немагнитный коррозионно стойкий сплав 36НХТЮ (ЭИ702) на основе никеля, либо бериллиевая бронза БрБ2.

Те же марки сплавов используются и в регистрирующих датчиках электронных барометров, а результат изменения их размеров отображается на дисплее. В таких приборах также учитывается изменение температуры воздуха. Это, в свою очередь, влияет на электропроводность материала. Изменяющаяся ёмкость влияет на силу электрического тока, протекающего через датчик, который и регистрирует изменения в давлении воздуха.

Таким образом, ртутные, анероидные и цифровые барометры работают по одному и тому же физическому принципу расширения и сжатия в зависимости от температуры окружающей среды, хотя и делают это по-разному.

Как пользоваться барометром?

Точность отсчёта зависит не только от устройства прибора, но и от того, где его расположить и в каких условиях содержать. Устанавливая барометр, важно помнить о следующем:

  1. Всегда размещайте барометр в затенённой зоне, вдали от источников тепла.
  2. Избегайте областей, которые подвергаются воздействию ветра или сквозняков.
  3. Прибор следует располагать на устойчивой ровной поверхности (это особенно важно для ртутных и водных барометров)

Некоторые типы бытовых барометров (например, Утёс БТК-СН) отличаются не только хорошей точностью показаний, но и привлекательным внешним видом, поэтому часто используются как декоративный элемент интерьера. В конструкции предусмотрена стрелка, перемещение которой позволяет оценить интенсивность изменения давления.

Барометр БАММ-1 более прост по дизайну, предназначается для использования на метеорологических станциях. Он не имеет пружин, а потому менее требователен к условиям эксплуатации. Точность – на уровне электронных барометров.

Контрольный барометр М-67 оснащён дисплеем, отличается высокой точностью считываемой информации, но его компоновка предполагает только горизонтальное рабочее положение, что не всегда удобно.

Барометр своими руками

Понадобятся новый воздушный шарик и банка ёмкостью 2 л. Создание барометра анероидного типа ведётся в такой последовательности:

  1. От шарика отрезается перемычка. Резать можно в любом месте, но так, чтобы остаток полностью перекрыл горловину стеклянной банки и не разорвался при этом.
  2. При натягивании шарика нужно, чтобы складки у материала отсутствовали. Края следует плотно обжать резинкой.
  3. Поверх банки с помощью силиконового клея приклеивается длинная прямая соломинка (чем длиннее, тем лучше). Один её конец должен касаться середины воздушного шара, а остальная часть должна висеть над краем банки. Эта часть будет указателем, позволяя отслеживать изменения атмосферного давления.
  1. Когда место соединения полностью высохнет, к соломинке прикрепляют иглу или любой иной предмет с острым наконечником (можно и плотный картон, остриё которого вставляется внутрь соломинки). Указатель не должен самопроизвольно двигаться.
  2. Рядом с указателем располагают лист плотной бумаги или картона. Лучше прикрепить его к стене, а банку с самодельным барометром установить рядом. Приставить измерительную иглу к бумаге (без касания к ней!), и в этом положении отметить условный ноль. Если погода в этот день ясная, солнечная и безветренная, то рядом с указателем можно написать «Высокое давление», если пасмурная и дождливая – то «Низкое давление».
  3. Периодически добавлять надписи сообразно изменению погоды.

Поскольку высота над уровнем моря не изменяется, то относительные показания вашего «барометра» в бытовых целях будут достаточно точными. Там же можно записывать и числовые показатели давления. Для этого используют данные метеосайтов, работающих по вашему региону.

Прогноз погоды с помощью барометра

Предсказание погоды с помощью барометра. Если в часах есть встроенный барометр, то с помощью него можно спрогнозировать, как изменится погода в ближайшие 12-24 часов. Все очень просто — если давление падает, то вероятно, что погода будет ухудшаться. Если давление растет — то это признак улучшения погоды.

Нормальным значением атмосферного давления на уровне моря считается 760 мм ртутного столба или 1013 мБар или 1013 гПа (гектопаскаль). Однако возможны значительные колебания, так самое низкое атмосферное давление, которое было зафиксировано, составляло всего 641 мм рт. ст., а самое высокое давление было 816 мм рт. ст..

Атмосферное давление регулярно меняется в течении суток. В суточном ходе атмосферного давления наблюдается два максимума: в 10:00 и 22:00 часа и два минимума: в 04:00 и 16:00 часов. Эти суточные изменения давления особенно четко выражены в тропических широтах. С увеличением широты, то есть с продвижением на север, амплитуда суточных колебаний атмосферного давления уменьшается и уже на широте 60 градусов составляет около 0,3 мбар.

Однако само текущее значение атмосферного давления не может служить для определения погоды, важна динамика изменения давления. Например, резкое изменение атмосферного давления говорит о том, что погода скоро изменится.

Прямой график без резких колебаний давления позволит быть уверенным в том, что погода ближайшие несколько часов не изменится.

К примеру, если на улице солнечная погода, а график давления показывает резкое падение, то это явный признак того, что будет дождь, либо густая облачность. А если же на улице пасмурно и дождливо, то резкий подъем давления говорит о том, что погода скоро станет солнечной.

Видио с объяснением как работает барометр в наручных часх

Также подъем давления в зависимости от направления ветра может сопровождаться похолоданием или потеплением.

  • Зимой высокое давление означает заморозки, а при низком давлении происходит потепление и возможны осадки
  • Летом, наоборот, при повышении давления погода становится жаркой и сухой, а при понижении – холодает, и наступают дожди.
  • Северный ветер чаще приносит прохладную погоду в местах, удаленных от океана.
  • В случае прибрежного расположения для каждого региона прогноз должен быть разным, так как прямо зависит от сезона.
  • В горах прогноз погоды делать сложнее, и погода может меняться очень быстро в пределах небольшого района.

Ухудшению погоды предшествует падение давления. Если давление в течение 6 — 12 ч и больше непрерывно падает, можно ожидать приближения циклона, т. е. ветреной погоды с осадками.

Быстрое падение давления (2—3 мбар и более за 3 ч) указывает на приближение центральной области циклона или очень глубокого циклона—следует ожидать шторма. Чем быстрее падает давление, тем скорее ухудшается погода.

Если показания барометра растут или остаются на месте, следует ожидать сохранения антициклональной погоды (то-есть ясное небо, без осадков).

Медленное, непрерывное и длительное (до нескольких суток) повышение давления означает, что устанавливается продолжительная антициклональная погода: летом—жаркая, зимой—морозная (в обоих случаях небо остается ясным).

Также наблюдение за изменением давления может быть полезно например на рыбалке. Это связано с тем что поведение рыбы сильно зависит от изменения погоды, и в некоторых случаях клев может усиливаться, а в других вообще пропадать

Сейчас существует множество моделей наручных часов с барометром, по которому можно определять погоду. Некоторые часы даже автоматически показывают прогноз погоды на ближайшее время. Также есть специальные часы для рыбалки, которые подскажут в какое время будет наилучший клев.

В современных наручных часах, а точнее в электронных наручных часах, встроено множество полезных функций, начиная от барометра и альтиметра и заканчивая датчиком GPS который отслеживает все ваши перемещения и строит трек. Если вы хотите приобрести такие часы, но не знаете на какие параметры стоит обратить внимание, то следующая статья может быть полезной — А о том как выбрать современные наручные часы.

Но даже если вы не хотите постоянно следить за давлением по барометру в наручных часах, то просто купить барометр и поставить его где-нибудь в доме будет полезно и познавательно.

В этом видеоуроке покажем, как сделать барометр в домашних условиях всего за несколько минут. И это вполне работоспособный прибор, который очень пригодится, например, рыболовам, людям, которые планируют пойти в поход, садоводам.

Для изготовления барометра нам понадобятся:
Пробка от полиэтиленовой бутылки.
ПЭТ бутылка от чернил, которая используется для заправки принтера.
Обломок полотна ножовки по металлу.
Клей 88.
ПВХ трубка диаметром 4 мм.
Шприц.
Банка с крышкой.

Нужно учесть, что чем тверже бутылка, тем лучше она подходит для работы. При использовании слишком пластичной емкости барометр не будет работоспособным, так как давление во внешней среде будет равно давлению внутри банки, в то время как для работы барометра нужна разница давлений вне и снаружи. В данном видеоуроке использована ПЭТ бутылка, так как она более доступна, чем стеклянные бутылки из под шампанского. Можно также использовать стеклянные банки для закатки, сначала их закупорив и затем впаяв в крышку трубку.

Можно трубку заменить на трубку от пасты шариковой ручки, она также будет работать.

Рассмотрим на примере подобного барометра, сделанного из 2-литровой бутылки, как ориентироваться по данному прибору с предсказанием дождя. Столб воды колеблется в пределах 50 см. Если условно разделить это расстояние на три части, то можно предвидеть изменение погоды по такому правилу: чем ниже столб воды, тем яснее погода.

Если столб воды находится в нижней трети, то дождя точно не будет в ближайшие два дня. Если столб воды в верхней трети, то вероятность дождя высокая. Также имеет значение скорость движения водяного столба: если столб находится в нижней трети и за пару дней подскочил до верхней трети, то скорее всего будет сильная буря.

Нужно помнить,что барометр чувствителен к перепадам температур. Поэтому лучшим местом для него будет погреб или жилая комната с постоянной температурой.

Если барометр показывает ясную погоду, чтобы не напекло голову, позаботьтесь о своем здоровье, а в этом вам поможет другая статья. Что еще можно создать дома?

Как сделать водяной барометр Паскаля

Специально для Marzena: опыт подходит для студентов третьего класса, которым нужно построить простую камеру.
Опыт для жителей города – проводится в здании высотой не менее четырех этажей.

Целевая группа:
от детского сада до средней школы.

Цели обучения:
гидростатическое давление, атмосферное давление, простые уравнения, графики, экспериментальная методология, плотность, свойства воды, погодные явления.

Опыт:
Мы строим водяной барометр Паскаля, и в течение нескольких дней мы наблюдаем указания, сравнивая их с метеорологическими наблюдениями и метеорологическими отчетами.

Оборудование:
– здание: наше окно должно быть расположено на высоте 11-12 м над землей, если мы будем жить выше, то мы должны спросить кого-то, кто живет на четвертом этаже ниже нас, мы также можем установить барометр внутри здания – на лестничной клетке;
– пластиковая прозрачная, мягкая трубка диаметром 3-5 мм (приобретается в технических магазинах), нам нужно около дюжины метров;
– прочный пружинный зажим для этой трубки (имеется в техническом магазине);
– пластиковая бутылка емкостью 0,3-0,5 литра;
– проволока, клейкая лента и т. д. для крепления;
– некоторые чернила;
– свеча;
– измерительная лента – не менее 12 м;
– Интернет (вики, метеорологические службы);
– если у нас есть, для сравнения результатов полезно использовать электронный барометр.

Мы строим барометр:
В колпачке бутылки сверлите отверстие диаметром, более или менее похожим на нашу трубку. В самой бутылке, рядом с шеей, мы также делаем отверстие диаметром несколько мм, что позволяет выравнивать давление снаружи и внутри бутылки. Около 20 см от конца трубки мы привязываем к ней проволочную петлю (скрепку) и тщательно нагреваем пламя свечой, чтобы проволока расплавилась в трубку, но не пробила ее. Пробиваем трубку через отверстие в пробке так, чтобы на внутренней стороне вилки находилось около 20 см, а встроенная проволочная петля забивалась с пробкой. Бутылку заполняют кипяченой (всегда свежей варкой: для удаления воды, растворенной в воде) чернила, окрашенные водой, закрытая крышка (труба достигает более или менее дна бутылки) и всасывают воду во всю длинную трубку, пытаясь не пить.
Верхний конец трубки – один с зажимом – прикреплен к оконным или балконным рельсам на 4-м этаже. Мы осторожно опускаем бутылку. Он должен быть расположен примерно на 10,5 м ниже верхнего конца трубки. Трубу не нужно размещать вертикально или прямо – ее можно, например, просверлить лестницей. В этот момент уровень воды на верхнем конце начнет падать (вакуум будет создан над концом водного столба).
Мы устанавливаем бутылку на балкон соседнего 4-го этажа под нами или на перила, если мы отстегнем наш барометр на лестничной клетке. Мы измеряем вертикальное расстояние от конца трубки до уровня воды в бутылке и отмечаем уровень «10 м» на верхнем конце. Если трубка работает наклонно, или если она немного подвешивается, мы должны измерять разницу в уровнях, а не расстояние вдоль трубки. На верхнем конце трубки мы добавляем градуировку или прикрепляем к ней линейку, чтобы мы могли читать уровень воды в диапазоне около 0,5 м в обоих направлениях от текущего уровня с точностью до 1 см.

Курс эксперимента: в течение нескольких дней, каждый день (или каждые несколько часов) мы наблюдаем и записываем результаты уровня воды в нашем барометре. Зная плотность воды, мы преобразуем их в давление, выраженное в hPa. Мы объясняем, откуда взялось традиционное устройство атмосферного давления: «мм рт. Ст.» – чтобы у нас была труба, заполненная ртутью, а не водой. Мы сравниваем результаты, полученные с измерением электронного барометра и метеорологических отчетов (я рекомендую сайт ICM UW). Помните, что метеорологические отчеты не дают абсолютного давления, но снижаются до уровня моря – мы объясняем, что такое сокращение состоит и рассчитано коррекция для нашего города.
С более продвинутыми учениками средней школы мы обсуждаем и учитываем влияние температуры (изменение плотности воды) на наше измерение как коррекцию.
Мы обсуждаем важность атмосферного давления для погоды. Мы объясняем механизмы формирования и поддержания областей высокого и низкого давления и типичных погодных явлений.

Историческое истребление:
Мы говорим о барометре, построенном Блейзом Паскалем на стене многоквартирного дома в Руане, и диктовке о том, как местный тавернер дал Паскалю баррель бургундского вина, чтобы заполнить его барометром вместо воды, цель «научного доказательства его качества»,, Оказалось, что вино – чуть светлее воды – имеет свой уровень в барометре немного выше, чем вода в трубке рядом с ним, так что это супер.
Мы можем участвовать в более обширном отступлении от широкого вклада Паскаля в математику, физику и философию – вплоть до религии.

Конечно, мы объясняем, где используется используемая сегодня единица давления: «Паскаль» Па.

Использование:
Барометр можно использовать в течение весенне-осеннего сезона (морозы будут его испортить), и если он установлен внутри здания – это зима. Мы можем использовать его для практических целей: «Планируем ли мы полевую деятельность завтра? Нет… лучше нет, потому что давление падает, может дождь «.
Я предупреждаю вас об упрощении таких понятий, как «давление падает – будет дождь», но я рекомендую вам проверять такие частично законные зависимости на практике и показать это как пример закона, который, хотя он не работает на 100%, но позволяет вам провести значительную вероятность. Несколько (несколько месяцев) наблюдений могут использоваться как иллюстрация и введение в концепцию корреляции – это для учеников, не имеющих высшего образования. Но нам не нужно сопоставлять младшего со всем математическим формализмом: пример проверяемости прогнозов погоды идеально подходит для введения законов, которые дают истинные статистические предсказания, хотя и не обязательно в отдельных случаях.
Очень редко, что с увеличением давления дождь будет падать, кроме кратковременного дневного шторма, – и если что-то подобное произойдет – у нас будет возможность читать лекции о довольно редкой аномалии погоды и ее источниках (на веб-сайте метеослужбы ICM доступны очень тщательно и легко написанные «синоптические комментарии», обновляемые каждое утро и объясняющие текущую погодную ситуацию доступным способом).

Техническое обслуживание:
Если мы используем барометр более чем на несколько дней, мы должны пополнить воду в нашей бутылке, когда она испарится. В зависимости от типа трубки каждую неделю или несколько недель мы также должны разобрать все наше устройство, наполнить его свежей (отварной) водой и переустановить. Это вызвано диффузией газов из воздуха через стенки трубки и возможными утечками на зажиме, закрывающем трубку, которая разрушает вакуум выше уровня воды. После такого «обновления» вакуума стоит написать разницу в уровне воды до и после этой операции – и если это важно, сделайте соответствующую коррекцию (в зависимости от даты измерения).

Если барометр будет использоваться дольше, особенно если он установлен на солнечной стене здания, стоит добавить в воду какое-то средство против водорослей – его можно купить в садоводческом магазине.

То, что мы поняли из урока:
мы уже знаем, что атмосферное давление зависит от высоты – чем оно выше, тем ниже. Давление на какой высоте измеряется нашим барометром? На высоте нашего окна, где заканчивается водяной столб в трубке? На уровне первого этажа, где находится бутылка? Где-то между?

Ksawery
Stojda
Репетитор, физик

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *