Meteorologia doświadczalna Wykład 4 Pomiary ciśnienia atmosferycznego Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Pionowy rozkład ciśnienia dany jest wzorem barometrycznym 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

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.

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

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

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

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

Najprostszy barometr rtęciowy

Noniusz w barometrach rtęciowych

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

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

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.

Barometry deformacyjne

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

±0.10 hPa ±0.20 hPa ±0.30 hPa Dokładność czujników Vaisalowskich ± 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 Pa Temperature dependence      Class A 500 ... 1100 hPa      Class B 500 ... 1100 hPa      Class C 50 ... 1100 hPa Total accuracy  (-40...+60 °C)      Class A 500 ... 1100 hPa      Class B 500 ... 1100 hPa      Class C 50 ... 1100 hPa Long-term stability      Class A 500 ... 1100 hPa      Class B 500 ... 1100 hPa      Class C 50 ... 1100 hPa

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

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%

Moduły cyfrowe do pomiaru ciśnienia np. 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.