Лабораторное занятие №1

1. ТЕМА: ОРГАНИЗАЦИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

ЦЕЛЬ: формирование знаний о гидрометеорологической сети Республики Беларусь, организации наблюдений на метеостанциях, умений составлять и анализировать географическую карту.

ОБОРУДОВАНИЕ: контурные карты РБ, карта РБ, Национальный атлас Беларуси.

Вопросы для собеседования:

1. Метеорологические наблюдения и их организация.

2. Метеостанции и их виды.

Метеорологические наблюдения проводятся на метеостанциях.

Метеорологическая станция – это учреждение для производства метеонаблюдений на месте, выбранном с учетом определенных требований в отношении рельефа местности, близости зданий и населенных пунктов.

Метеорологическая станция состоит из метеоплощадки (26×26 м), где расположены основные приборы для метеонаблюдений, и отапливаемого здания, где устанавливаются барометры и барографы, содержится запасной инвентарь и ведется обработка наблюдений.

Метеорологическая станция оборудуется стандартной для данной сети аппаратурой, с помощью которой производятся наблюдения в установленные сроки и в определенной последовательности.

Метеорологические станции в РБ делятся на 3 разряда.

Метеорологические станции І разряда производят и обрабатывают наблюдения; осуществляют техническое руководство работой прикрепленных к ней метеорологических станций ІІ и ІІІ разрядов и метеопостов; производит обслуживание заинтересованных организаций, предприятий и учреждений сведениями о метеоусловиях и материалами по климату (обсерватория, самопишущие приборы).

Метеорологические станции ІІ разряда проводят круглосуточные наблюдения по полной программе во все сроки (кроме актинометрических, аэрологических и атмосферно-электрических наблюдений), обрабатывают их, передают информацию по результатам наблюдений на стации І разряда.

Метеорологические станции ІІІ разряда – проводят наблюдения по сокращенной программе и в меньше число сроков.

На наземных метеорологических станциях во всем мире проводятся синхронные наблюдения через каждые три часа по всемирному времени (времени нулевого часового пояса): в 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18, 21 ч. Под сроком наблюдения подразумевается интервал времени протяженностью 10 мин, который заканчивается точно в принятый срок. Актинометрические и теплобалансовые наблюдения проводятся по среднему солнечному времени. Актинометрические – в 0 ч. 30 мин., 6 ч. 30 мин., 9 ч. 30 мин., 12 ч. 30 мин., 18 ч. 30 мин. Теплобалансовые – в 1, 7, 10, 13, 16, 19 ч.

На метеостанциях основного типа регистрируют следующие величины:

• температура воздуха;

• атмосферное давление;

• ветер;

• влажность воздуха;

• облачность;

• количество осадков, их характер, длительность, интенсивность;

• горизонтальная видимость;

• продолжительность солнечного сияния;

• температура на поверхности почвы;

• состояние поверхности почвы;

• высота и плотность снежного покрова.

Кроме этого регистрируются метели, шквалы, смерчи, мгла, грозы, полярные сияния, оптические явления в атмосферы.

Количество осадков измеряют 4 раза в сутки, высота снежного покрова – 1 раз в сутки, плотность снега – 1 раз в 5 дней.

Для измерения метеовеличин применяют метеоприборы – механические средства. К метеоприборам предъявляют ряд требований:

1. точность, надежность, простота в эксплуатации;

2. правильная экспозиция (дождемер, ведро которого имеет диаметр 25,4 см., характеризует осадки, выпадающие на территории радиусом более 8 км);

3. доступность и преобразование информации (фактор времени);

4. однотипность.

Метеоприборы устанавливают на метеоплощадке станции под открытым небом, за исключением барометров, которые помещают в здании станции. Приборы для измерения температуры и влажности воздуха защищают от действия прямой солнечной радиации, осадков и ветра (они устанавливаются в метеобудке). Самопишущие приборы нередко конструируют так, что приемная часть размещается на площадке, а пишущая – в здании.

Кроме приземных наблюдений на метеостанциях проводят также наблюдения за более высокими слоями атмосферы:

• аэрологические (до высоты 40 км);

• аэрономические (от мезосферы и выше).

Для аэрологических наблюдений применяют радиозонд. Радиозонд был создан в 30-х гг. 20 в. русским исследователем Молчановым. Это легкая миниатюрная станция для измерения метеоэлементов, которая имеет радиосвязь с землей и поднимается вверх воздушным шаром. Комплекс для радиозондирования состоит из воздушного шара, радиозонда, наземного оборудования, радиотеодолита.

Метеорадары используются для наблюдений за дождем, градом или снегом. Позволяют определить место и интенсивность выпадения осадков.

Для аэрономических наблюдений применяют метеоспутники и геофизические ракеты. Метеоспутники (с 1957 г.) делятся на 2 группы:

1. спутники, запускаемые на геостационарную орбиту, летают на высоте 36000 км над экватором. Время оборота вокруг земли 24 часа, т.е. они наблюдают за одним и тем же участком земной поверхности;

2. спутники, запущенные на полярную орбиту, облетают Землю от полюса до полюса на высоте 850 км. Оборот вокруг Земли за 100 мин. за это время Земля совершает поворот на 25º по долготе, т.е. на каждом витке наблюдения ведутся над новой точкой.

В практику наземных наблюдений в ХХ в. были введены автоматические метеостанции. Для наблюдений за погодной над поверхностью океана применяют метеобуи (с 1970-х гг.), используют оборудование, установленное на бортах судов.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ:

1. На контурную карту РБ нанести метеорологические станции Беларуси с указанием типа станции и разряда . После выполнения работы проанализировать метеорологическую сеть РБ (количество станций по разрядам, типам, густота метеорологической сети по республике в целом и по областям).

ЛИТЕРАТУРА:

1. Хромов, С.П. Метеорология и климатология: Учебник / С.П. Хромов, М.А. Петросянц. – М.: МГУ, Изд-во «КолосС», 2004. – 582 с.

2. Каўрыга, П.А. Лабораторны практыкум па метэаралогіі і кліматалогіі / П.А. Каўрыга. – Мн.: Ураджай, 1997. – 151 с.

3. Нацыянальны атлас Беларусі. – Мінск, 2002. – 292 с.

2. ТЕМА: СРОКИ НАБЛЮДЕНИЙ НА МЕТЕОСТАНЦИЯХ

ЦЕЛЬ: формирование знаний о системах исчисления времени, умений вычислять поясное время, истинное и среднее солнечное время.

ОБОРУДОВАНИЕ: атласы учителя, атлас Беларуси.

ВОПРОСЫ ДЛЯ СОБЕСЕДОВАНИЯ:

1. Сроки наблюдений на метеостанциях.

2. Время: истинное солнечное, среднее солнечное, местное, всемирное, поясное, декретное, сезонное (летнее, зимнее).

ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ

Первой естественной единицей меры времени были сутки, которые были разделены на 24 равные части, каждая из которых получила название час. Для измерения более коротких промежутков времени час стали делить на 60 минут, минуту – на 60 секунд, секунду – на десятые, сотые, тысячные и т. д. доли секунды.

Промежуток времени между двумя последовательными верхними (или нижними) кульминациями центра Солнца на одном и том же географическом меридиане, равный периоду вращения Земли относительно Солнца, называется истинными солнечными сутками, а время, выраженное в долях этих суток – часах, минутах и секундах, – истинным солнечным временем Т₀.

За начало истинных солнечных суток принимается момент нижней кульминации центра Солнца (истинная полночь), когда считается Т₀=0 ч. В момент верхней кульминации Солнца, в истинный полдень, Т₀=12 ч. В любой другой момент суток истинное солнечное время Т₀=12 ч + t_0, где t₀ – часовой угол центра Солнца, который может быть определен, когда Солнце находится над горизонтом.

Но измерять время истинными солнечными сутками неудобно: в течение года они периодически меняют свою продолжительность – зимой они длиннее, летом короче. Наиболее длинные истинные солнечные сутки на 51 с продолжительнее самых коротких. Происходит это потому, что Земля кроме вращения вокруг своей оси движется по эллиптической орбите и вокруг Солнца. Следствием этого движения Земли является видимое годичное движение Солнца среди звезд по эклиптике, в направлении, противоположном его суточному движению, т. е. с запада на восток.

Движение Земли по орбите происходит с переменной скоростью. Когда Земля находится вблизи перигелия, скорость ее движения по орбите наибольшая, а когда она проходит вблизи афелия – ее скорость наименьшая. Неравномерное движение Земли по орбите, а также наклон ее оси вращения к плоскости орбиты служат причинами неравномерности изменения прямого восхождения Солнца в течение года, а, следовательно, и непостоянства продолжительности истинных солнечных суток.

Для того чтобы устранить это неудобство, ввели понятие так называемого среднего солнца. Это воображаемая точка, которая в течение года (за такое же время, как и настоящее Солнце по эклиптике) совершает один полный оборот по небесному экватору, двигаясь при этом среди звезд с запада на восток совершенно равномерно и проходя точку весеннего равноденствия одновременно с Солнцем. Промежуток времени между двумя последовательными верхними (или нижними) кульминациями среднего солнца на одном и том же географическом меридиане называется средними солнечными сутками, а время, выраженное в их долях – часах, минутах и секундах, – средним солнечным временем Т_ср. Продолжительность средних солнечных суток, очевидно, равна средней продолжительности за год истинных солнечных суток.

За начало средних солнечных суток принимается момент нижней кульминации среднего солнца (средняя полночь) В этот момент Т_ср = 0 ч. В момент верхней кульминации среднего солнца (в средний полдень) среднее солнечное время Т_ср = 12 ч, а в любой другой момент суток Т_ср = 12 ч + t_ср, где t_ср – часовой угол среднего солнца.

Среднее солнце – это воображаемая точка, на небе ничем не отмеченная, так что определить часовой угол t_ср непосредственно из наблюдений нельзя. Но его можно вычислить, если известно уравнение времени.

Уравнением времени η называется разность между средним солнечным временем и истинным солнечным временем в один и тот же момент, или разность часовых углов среднего и истинного Солнца, т.е.

η = Т_ср - Т₀ = t_ср - t₀

Уравнение времени может быть вычислено теоретически для любого момента времени. Обычно оно публикуется в астрономических ежегодниках и календарях для средней полночи на Гринвичском меридиане. Приближенная величина уравнения времени может быть найдена по графику уравнения времени.

Из графика видно, что 4 раза в году уравнение времени равно нулю. Это бывает около 15 апреля, 14 июня, 1 сентября и 24 декабря. Наибольшей положительной величины уравнение времени достигает около 11 февраля (η = +14 мин), а отрицательной — около 2 ноября (η = - 16 мин).

Зная уравнение времени и истинное солнечное (из наблюдений Солнца) время для данного момента, можно найти среднее солнечное время. Однако среднее солнечное время проще и точнее вычисляется по определяемому из наблюдений звездному времени.

Промежуток времени между двумя последовательными верхними (или нижними) кульминациями точки весеннего равноденствия на одном и том же географическом меридиане называется звездными сутками, а время, выраженное в их долях – часах, минутах и секундах, – звездным временем.

За начало звездных суток принимается момент верхней кульминации точки весеннего равноденствия. В этот момент звездное время S = 0 ч, а в момент нижней кульминации точки весеннего равноденствия S =12 ч. В любой другой момент звездных суток звездное время S = t_γ, где t_γ – часовой угол точки весеннего равноденствия.

Точка весеннего равноденствия на небе ничем не отмечена, и найти ее часовой угол из наблюдений нельзя. Поэтому астрономы вычисляют звездное время, определяя часовой угол звезды t*, для которой известно прямое восхождение ά, тогда S = ά + t*.

В момент верхней кульминации звезды, когда t*=0, звездное время S = ά; в момент нижней кульминации звезды t* =12 ч и S = ά + 12 ч (если ά меньше 12 ч) или S = ά - 12 ч (если ά больше 12 ч).

Измерение времени звездными сутками и их долями (звездными часами, минутами и секундами) используется при решении многих астрономических задач.

Среднее солнечное время определяется с помощью звездного времени на основе следующего соотношения, установленного многочисленными наблюдениями:

365, 2422 средних солнечных сут. = 366,2422 звездных сут., откуда следует:

24 ч звездного времени = 23 ч 56 мин 4,091 с среднего солнечного времени;

24 ч среднего солнечного времени = 24 ч 3 мин 56,555 с звездного времени.

Измерение времени звездными и солнечными сутками связано с географическим меридианом. Время, измеренное на данном меридиане, называется местным временем этого меридиана, и оно одинаково для всех пунктов, находящихся на нем. Вследствие вращения Земли с запада на восток местное время в один и тот же момент на разных меридианах различно. Например, на меридиане, лежащем на 15° к востоку от данного, местное время будет больше на 1 ч, а на меридиане, расположенном на 15° к западу, – меньше на 1 ч, чем на данном меридиане. Разность местных времен двух пунктов равна разности их долгот, выраженной в часовой мере.

По международному соглашению за начальный меридиан для счета географических долгот принят меридиан, проходящий через бывшую Гринвичскую обсерваторию в Лондоне (сейчас она переведена в другое место, но Гринвичский меридиан оставили начальным). Местное среднее солнечное время Гринвичского меридиана называется всемирным временем. В астрономических календарях и ежегодниках моменты большинства явлений указываются по всемирному времени. Моменты этих явлений по местному времени какого-либо пункта легко определить, зная долготу этого пункта от Гринвича.

В повседневной жизни пользоваться местным временем неудобно, потому что местных систем счета времени в принципе столько же, сколько географических меридианов, т. е. бесчисленное множество. Большое различие между всемирным временем и местным временем меридианов, удаленных от Гринвичского на значительные расстояния, создает неудобства и при использовании всемирного времени в повседневной жизни. Так, например, если в Гринвиче полдень, т.е. 12 ч всемирного времени, то в Якутии и в Приморье на Дальнем Востоке нашей страны уже наступил глубокий вечер.

С 1884 г. во многих странах мира стала применяться поясная система счета среднего солнечного времени. Эта система счета времени основана на разделении поверхности Земли на 24 часовых пояса: во всех пунктах в пределах одного пояса в каждый момент поясное время одинаково, в соседних поясах оно отличается ровно на 1 ч. В системе поясного времени 24 меридиана, отстоящих по долготе на 15° друг от друга, приняты за основные меридианы часовых поясов. Границы поясов на морях и океанах, а также в малонаселенных местах проводят по меридианам, отстоящим на 7,5° к востоку и западу от основного. В остальных районах Земли границы поясов для большего удобства проведены по близким к этим меридианам государственным и административным границам, рекам, горным хребтам и т. п.

По международному соглашению за начальный был принят меридиан с долготой 0° (Гринвичский). Соответствующий часовой пояс считается нулевым. Остальным поясам в направлении от нулевого на восток присвоены номера от 1 до 23.

Поясным временем какого-либо пункта называется местное среднее солнечное время основного меридиана того часового пояса, на территории которого этот пункт находится. Разность между поясным временем в каком-либо часовом поясе и всемирным временем (временем нулевого пояса) равна номеру часового пояса.

Часы, поставленные по поясному времени во всех часовых поясах, показывают одно и то же количество секунд и минут, и их показания различаются только на целое число часов. Система поясного счета времени устраняет неудобства, связанные с использованием как местного, так и всемирного времени.

Поясное время некоторых часовых поясов имеет особые названия. Так, например, время нулевого пояса называется западноевропейским, время 1-го пояса – среднеевропейским, 2-го пояса – восточноевропейским. В США время 16, 17, 18, 19 и 20-го поясов называют соответственно тихоокеанским, горным, центральным, восточным и атлантическим временем.

В СССР поясное время было введено с 1 июля 1919 г. На территории СССР проходят 11 часовых поясов – от 2-го до 12-го пояса включительно (см. карту часовых поясов). На карте поясного времени по меридиану 180° долготы проведена линия перемены даты.

В целях экономии и более рационального распределения электроэнергии в течение суток, особенно в летний период, в некоторых странах весной стрелки часов, идущих по поясному времени, переводят на час вперед и такое время называют летним временем. Осенью часы снова ставят по поясному времени.

16 июня 1930 г. декретом Советского правительства стрелки часов во всех часовых поясах СССР были переведены на один час вперед, впредь до отмены. Поясное время, увеличенное на один час, получило у нас название декретного времени. Москва находится во 2-м часовом поясе, декретное время Москвы называется московским временем.

В обыденной жизни декретное, или поясное, время какого-нибудь населенного пункта часто называют местным временем этого пункта; его не следует путать с астрономическим понятием местного времени, о котором говорилось выше.

Начиная с 1960 г. в астрономических ежегодниках координаты Солнца, Луны, планет и их спутников публикуются в системе эфемеридного времени. Еще в 30-х гг. XX в. было окончательно установлено, что Земля вращается вокруг своей оси неравномерно. При уменьшении скорости вращения Земли сутки (звездные и солнечные) удлиняются, а при увеличении ее – укорачиваются. Величина средних солнечных суток вследствие неравномерности вращения Земли увеличивается за 100 лет на 1-2 тысячных доли секунды. Это очень малое изменение несущественно для повседневной жизни человека, однако им нельзя пренебрегать в некоторых разделах современной науки и техники. Была введена равномерная система счета времени – эфемеридное время.

Эфемеридное время – равномерно текущее время, которое мы подразумеваем в формулах и законах динамики при вычислении координат (эфемерид) небесных тел. Для того чтобы вычислить разность между эфемеридным временем и всемирным временем, сравнивают наблюденные в системе всемирного времени координаты Луны и планет с их координатами, вычисленными по формулам и законам динамики. Разность эта была равна нулю в самом начале XX в. Но так как скорость вращения Земли в XX в. в среднем уменьшилась, т. е. наблюдаемые сутки были длиннее равномерных (эфемеридных) суток, то эфемеридное время «уходило» вперед относительно всемирного времени и в 1980 г. разность составляла плюс 50 с.

До открытия неравномерности вращения Земли производная единица меры времени – секунда – определялась как 1/86400 доля средних солнечных суток. Непостоянство средних солнечных суток вследствие неравномерного вращения Земли заставило отказаться от такого определения и дать следующее: «Секунда есть ¹/3155б925,9747 доля тропического года для 1900 г., января 0, в 12 ч эфемеридного времени».

Иначе, эфемеридная секунда есть промежуток времени, равный 1/86400 для средней продолжительности средних солнечных суток, которую они имели в 1900 г., в январе 0, в 12 ч эфемеридного времени. Таким образом, новое определение секунды связано с движением Земли вокруг Солнца, тогда как старое определение основывалось только на ее вращении вокруг своей оси.

Создание атомных часов позволило получить принципиально новую шкалу времени, не зависящую от движений Земли и получившую название атомного времени. В 1967 г на Международной конференции по мерам и весам в качестве единицы меры времени была принята атомная секунда, определяемая как «время, равное 9192631770 периодам излучения соответствующего перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».

Продолжительность атомной секунды выбрана таким образом, чтобы она была максимально близка к продолжительности эфемеридной секунды. Атомная секунда является одной из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ).

Шкала атомного времени основывается на показаниях цезиевых атомных часов обсерваторий и лабораторий служб времени ряда стран мира.

Таблица 1 – Переход от одной системы исчисления времени к другой

Разность долгот	Время	Разность долгот	Время
360°	24 часа	15’	1 минута
15°	1 час	1’	4 секунды
1°	4 мин	1’’	0,07 секунды