Лекция №2.

Однопунктные и двухпунктные оптические ветровые изменения

В общей системе измерений ветра в атмосфере широко используются шаропилотные методы, и наблюдение за шаром-пилотом производится с помощью специальных аэрологических теодолитов (ШТ-1,-2 и т.д.). Наблюдения проводятся на небольшом числе станций, в экспедициях, на аэродромах.

Различают методы шаропилотных наблюдений с одного пункта – однопунктные, и с двух пунктов одновременно – этот метод называется базисными наблюдениями.

При наблюдении с одного пункта с помощью аэрологических теодолитов измеряют вертикальный угол (α) и горизонтальный угол (β), под которыми виден шар в определенный момент времени. Для определения третьей координаты – высоты – рассчитывают вертикальную скорость подъема шар-пилота. При этом предполагается постоянство вертикальной скорости в течение всего полета. Это позволяет вычислить высоту шар-пилота для каждого интервала времени.

Отсчет угловых координат производиться с интервалом 0,5 до 3 минут, и 1 минута после 3 минут. По высоте, горизонтальному и вертикальному углам находят проекции шара на горизонтальную плоскость. По горизонтальной проекции шара для последовательных моментов времени определяют скорость и направление ветра в соответствующих слоях.

Для однопунктных и двухпунктных наблюдений используются оболочки из натурального каучука и латекса №10, 20, 30. Цифра – это диаметр оболочки в сантиметрах в не надутом состоянии.

Аэрологические теодолиты отличаются от геодезических тем, что оптическая система позволяет наблюдать за шаром вблизи зенита, за счет ломанной зрительной трубы под прямым углом к оптической оси. Точность отсчета угловых координат может составлять от 0,01 до 0,1 градуса. В настоящее время выпускаются оптические теодолиты с системами полуавтоматической (наблюдатель проводит слежение за шаром, и получает готовые данные) и автоматической (в начальный момент времени оптическая система наводится и включается автоматическое слежение) обработки данных о ветре.

При наблюдении за шар-пилотом, выявляется целый ряд ошибок:

1) Ошибка, вызванная смещением нуля вертикального круга Δα. Для ее определения аэрологический теодолит (трубу) наводят на удаленный предмет, и определяют вертикальный угол α_НАВ (наводка), затем, переворачивают трубу через зенит, и снова, наведя трубу на предмет, определяют значение вертикального угла α_ПЕР (перекидка).

Полученное значение Δα завышает значение вертикального угла, если величина Δα>0, соответственно занижает, если Δα<0. Для получения правильного результата поправка Δα должна вводиться с противоположным знаком (Δα>0,2^o).

2) Ошибка, вызванная наличием угла коллимации (рис.1). При правильном положении призмы внутреннего отражения вертикальная ось x и горизонтальная составляющая y образуют угол 90^о. При неправильном положении призмы, возникает угол коллимации k, который образован вертикальной составляющей x и оптической осью x’. Для определения угла коллимации необходимо произвести отсчет горизонтальных углов в положении «наводка» и «перекидка».

Эта поправка к теодолиту не вводится, если эта поправка k>0,2^o, то этот теодолит бракуется.

3) Ошибка, связанная с неправильным горизонтированием теодолита.

4) Ошибка, связанная с неправильным ориентированием теодолита относительно географических координат:

а) ориентирование по буссоли (компас с более точным определением направления). Но при работе с буссолью мы должны учитывать магнитное склонение, так как магнитный полюс находится в восточной части Гренландии, а, значит, не совпадает с географическим. Магнитное склонение во всех частях Земли разное, в Санкт-Петербурге оно составляет в районе 5^о (рис.2). При восточном склонении (справа от меридиана, проходящего через магнитный полюс) к нулю горизонтального круга прибавляется значение магнитного склонения Δβ (360^о+Δβ), при западном склонении (слева от меридиана, проходящего через магнитный полюс) – (360^о-Δβ);

б) ориентирование по мире. Мирой называют видимый с места установки теодолита предмет, азимут которого заранее известен. Устанавливают на горизонтальной шкале теодолита азимут миры, наводят на предмет и закрепляют шкалу специальным стопорным винтом.

в) ориентирование по Полярной звезде. В ясную звездную ночь мирой будет служить Полярная звезда, азимут которой 0^о.

г) ориентирование по Солнцу. В истинный полдень тень от теодолита располагается по меридиану, проходящего через точку установки теодолита.

Для наполнения шаропилотных оболочек используется водород или гелий. Один метр кубический чистого водорода при T=0^o и P=1013 гПа весит 0,09 кг, а удельный вес 0,09 кг/м³, что в 14,4 раза легче воздуха. Удельная подъемная сила равна 1,203 кг/м³. При соединении с воздухом водород горит, при смеси с воздухом в пропорции от 25% до 95% образует гремучую смесь.

Практически используют технический водород. Удельный вес от 0,103 до 0,195 кг/м³, удельная подъемная сила 1,1 – 1,5 кг/м³. Технический водород бывает двух типов:

- компрессионный (в баллонах);

- получаемый непосредственно на аэрологических станциях (250 станций).

Существует несколько способов добычи:

- щелочно-алюминиевый;

- электролизный способ (все большее имеет применение), исходный продукт H₂O.

Гелий – инертный газ, который не вступает в химическую реакцию с веществами, не горюч, не взрывоопасен. Почти в 2 раза тяжелее водорода, удельный вес 0,1785 кг/м³, а удельная подъемная сила 1,15 кг/м³. Производство гелия осуществляется только в стационарных заводских условиях.

Вертикальная скорость шар-пилотов.

Оболочка, наполненная водородом или гелием, имеет сферическую форму, и, согласно, закону Архимеда на нее действует выталкивающая сила:

v – объем шара (м³), ρ_в – плотность воздуха (г/м³), ρ_H– плотность водорода (г/м³). Полная подъемная сила:

(1)

– определяет подъемную силу, отнесенную к единице объема (удельную подъемную силу):

Так, как оболочка имеет массу, то разность между полной подъемной силой и массой оболочки называется свободной подъемной силой:

По мере подъема, внешнее давление уменьшается, поэтому внутреннее давление заставляет оболочку растягиваться. Будем считать, что давление газа в оболочке равно давлению газа вне оболочки, а температура внутри равна температура вне.