Вступ
Методичні вказівки складені згідно з програмою курсу “Метеорологія і кліматологія” для студентів сільськогосподарських вузів і включають у себе матеріали для підготовки та виконання лабораторно-практичних робіт.
Головне призначення методичних вказівок – допомогти студентам оволодіти методами сучасних метеорологічних спостережень і практичного використання їх результатів у господарському виробництві. Тому при розробці лабораторних робіт і окремих завдань основна увага була звернена на виконання тих спостережень і розрахунків, які безпосередньо пов’язані з сільським господарством.
Лабораторно-практичні роботи складено в обсязі, який відповідає теоретичній частині курсу. Починається кожна робота короткими загальними відомостями про той чи інший метеорологічний елемент. Це дає змогу студентам більш правильно і чітко виконувати весь хід роботи, а також свідомо ставитися до вивчення предмету в цілому. У лабораторно-практичних роботах містяться рисунки приладів, якими проводяться метеорологічні спостереження і всі необхідні додаткові матеріали, що полегшує їх виконання в аудиторних та домашніх умовах.
ПРАВИЛА ВИКОНАННЯ ЛАБАРАТОРНО-ПРАКТИЧНИХ РОБІТ
1. Для виконання лабораторно-практичних робіт групу студентів необхідно поділити на 5 бригад.
2. Лабораторно-практичні роботи проводять за таким графіком:
| Номер бригади | Вид та номер робіт | |||||||
| П | Лр | Лр | Лр | Лр | Лр | Лр | Т | |
| + | + | |||||||
| + | + | |||||||
| + | + | |||||||
| + | + | |||||||
| + | + |
Примітка: П – прилади (загальний огляд), Лр – лабораторна робота, Т – тестування.
3. Кожен студент обов’язково повинен мати зошит для лабораторно-практичних занять. У ньому потрібно акуратно записувати отримані результати вимірювань за допомогою метеорологічних приладів, розрахунки і виконання домашніх завдань.
4. Студенти /бригади/ виконують лише ті лабораторно-практичні роботи, які передбачено графіком.
5. Перед виконанням лабораторно-практичної роботи студенти повинні спершу ознайомитись із теоретичним матеріалом, визначити необхідні для роботи прилади, устаткування й допоміжні матеріали, скласти вдома конспект теоретичної частини, порядок виконання роботи та зразки таблиць для запису результатів спостережень.
6. Безпосередньо перед виконанням лабораторної роботи рекомендується ще раз прочитати її опис і порядок виконання; ознайомитися з роботою приладів, потрібних для проведення даної роботи, та правилами відліку на них; з’ясувати з викладачем усі незрозумілі питання і після цього приступати до виконання роботи.
7. Під час виконання лабораторної роботи слід: обережно поводитися з приладами; не порушувати монтажну схему приладів і устаткування; дотримуватися правил користування ними; весь час стежити за роботою і показниками приладів; знімати показання приладів згідно з правилами і записувати їх у зошит за встановленими формами таблиць; якщо після введення поправок дістанемо ціле число, то його потрібно записати, поставити кому, а після неї нуль; акуратно записувати результати спостережень, потім робити виправлення; про всі неполадки в роботі приладів негайно повідомляти керівника лабораторних робіт; дотримуватися правил безпеки при користуванні електронагрівальними приладами.
8. Після закінчення лабораторної роботи потрібно: вимкнути прилади і обережно покласти їх у футляри (коли такі є), залишивши їх на місці виконання роботи; доповісти викладачу про закінчення роботи та показати йому результати вимірів або розрахунків; накреслити потрібні графіки або схеми.
9. Завдання для самостійної роботи, за наявності часу, виконується частково на занятті і повинно повністю бути закінчено вдома.
10. Після виконання лабораторно-практичних робіт 1-5 провести перевірку знань за допомогою тестів.
Лабораторна робота №1
Вимірювання сонячної радіації
Сонячна радіація – це промениста енергія Сонця, яка досягає земної поверхні у вигляді невидимої (ультрафіолетової та інфрачервоної) і видимої радіації.
Частина променистої енергії Сонця, яка приходить до земної поверхні від видимого диска Сонця у вигляді паралельних променів, називається прямою сонячною радіацією. Розрізняють дві характеристики прямої сонячної радіації: інтенсивність (S) – це пряма сонячна радіація, яка поступає на перпендикулярну абсолютно чорну поверхню і вимірюється актинометром Янішевського, інсоляція (S′) – величина приходу прямої сонячної радіації на горизонтальну поверхню, яку можна обчислити за такою формулою:
S′=S • sinhо.
При визначенні величини інсоляції прямої сонячної радіації на південний або північний схили користуються такими формулами:
S′ пд. схилу = S • sin(hо + α); S′ пн. схилу = S • sin(hо – α),
де: hо – висота Сонця над горизонтом; а – крутизна схилу, в градусах.
Частина сонячної радіації, що після розсіювання в атмосфері поступає на горизонтальну поверхню, називається розсіяною радіацією (Д).
Сумарна радіація (Q) являє собою суму прямої (S ′) і розсіяної (Д) радіації, тобто:
Q=S′+Д, або Q=S • sinhо+Д.
Відбита радіація ( Rк) – частина сонячного випромінювання, яке відбивається земною поверхнею. Відбиту радіацію (Rк) найчастіше характеризують безрозмірною величиною – відбитною здатністю або альбедо тієї чи іншої поверхні, на яку падає сонячна радіація.
Альбедо (Ак) – відношення відбитої радіації до сумарної, виражається в частинах одиниці (з точністю до сотих) або у відсотках. Альбедо розраховується за формулою:
Ак=Rк •100: Q.
Частина сумарної радіації, яка поглинається земною поверхнею, називається поглинутою радіацією (Rп).
Rп=Q-Rк або Rп=Q (1-Ак: 100).
Витрати променистої енергії (крім відбитої радіації) відбуваються також за рахунок ефективного випромінювання (Ееф). Воно являє собою різницю між власним випромінюванням земної поверхні (Ез) і зустрічним випромінюванням атмосфери (Еа)
Ееф=Ез-Еа .
Різницю між надходженням і витратами радіації називають радіаційним балансом, або залишковою радіацією (В). Рівняння радіаційного балансу має такий вигляд:
В=S′+Д-Rk –Ез +Еa або В=Q(1-Ак : 100)-Ееф
У процесі фотосинтезу рослини використовують частину сонячної радіації в інтервалі довжин хвиль 0,38 – 0,71 мкм (мікрометри), або 380-710 нм (нанометр). Ця радіація називається фотосинтетичноактивною радіацією (ФАР). Для визначення сум ФАР за відповідними сумами прямої та розсіяної радіації використовують формулу Росса і Тоомінга:
SQфар=0,43SS′+0,57SД.
Найбільш інтенсивно листя рослин поглинає синьо-фіолетові (0,40-0,48мкм) і оранжево-червоні (0,65-0,69 мкм) промені.
У міжнародній системі одиниць (СІ) енергетична освітленість радіації вимірюється у Вт/м2, а для сум радіації використовують Дж/м2с.
1,0 кал/см2хв=698 Вт/м2=700Дж/м2с
Прилади для вимірювання сонячної радіації
Для вимірювання усіх видів сонячної радіації на метеорологічних станціях та в польових умовах застосовують актинометричні прилади.
АктинометрЯнішевського (рис.1) – для вимірювання інтенсивності прямої сонячної радіації (S). Він має провідник – послідовно спаяні стрічки манганіну і константану—складений у вигляді зірочки. Непарні спаї розміщені навколо центру, парні - на периферії. Перші підклеєні до нижнього боку тонкого зачорненого
Рис.1. Актинометр Янішевського.
| срібного диска. Кінці провідника виведені і підключаються до гальванометра. Спай установлений у трубку. В широкій частині трубки знаходиться мідне кільце; якщо трубку спрямувати на сонце, то сріблястий диск освітлюється прямими сонячними променями, а мідне кільце залишається в тіні. |
Непарні спаї більше нагріваються, ніж парні. Різниця температур буде тим більшою, чим сильніша сонячна радіація. Термострум, що виникає, вимірюють за допомогою гальванометра.
Піранометр (рис.2) – для вимірювання розсіяної і сумарної радіації. Термобатарея піранометра складена із скріплених смужок манганіну (1) і константану (2), розташованих у горизонтальній площині. Парні та непарні термоспаї розміщені групами і пофарбовані білою і чорною фарбою, в результаті утворюється пластинка – приймач із
| чергуванням білих та чорних квадратів, яка зверху закрита скляним ковпаком (3). Якщо на пластинку падають сонячні промені, то в провіднику виникає термострум, сила якого пропорційна інтенсивності діючої радіації. Таким чином вимірюється сумарна радіація (Q). Якщо приймач затінити від дії прямого сонячного випромінювання, то на нього діятиме тільки розсіяна радіація (Д). |
| Рис. 2. Піранометр. |
Альбедометр (рис.3) – для вимірювання відбитої радіації (Rк).
Рис.3. Альбедометр.
| Альбедометр – це піранометр, конструктивно пристосований для вимірювання падаючої і відбитої сонячної радіації. Падаючу (Q) радіацію вимірюють при спрямуванні приймача вгору, а відбиту – при спрямуванні вниз. За формулою обчислюють альбедо (Ак). |
Балансомір (рис.4) – для вимірювання радіаційного балансу (В). Приймач балансоміра складається з двох тонких пластинок – мідної та
Рис.4. Балансомір.
| пофарбованої в чорний колір фольги. Пластинки розміщені паралельно, приклеєні відповідно до парних і непарних спаїв термобатареї і зачорненими поверхнями спрямовані в протилежні сторони. |
Встановлюють балансомір горизонтально (поверхня однієї пластинки спрямована вверх, а другої - вниз).Різницю між потоками радіації зверху і знизу, тобто радіаційний баланс діяльного шару, покаже гальванометр, до якого прикріплений балансомір.
Геліограф (рис.5) – для вимірювання тривалості сонячного сяйва в годинах. Він складається з масивної скляної кулі (1), закріпленої на підставці (2), яка фокусує падаючі на неї сонячні промені. Фокус переміщується за рухом сонця. На шляху руху точки фокуса закріплена картонна стрічка (3) з поділками на години, яка встановлюється у пази чашки на підставці. Сонячні промені збираються у фокус і залишають пропалини на стрічці. За пропалинами визначають тривалість сонячного сяйва.
Люксметр (рис.6) – вимірює освітленість у люксах (лк). В ньому встановлений фотоелемент, змонтований разом з магнітно- електричним вимірювачем. Фотоелемент перетворює сонячну енергію
Рис.5. Геліограф.
| 
Рис.6. Люксметр.
|
безпосередньо в електричну, і вона по проводу передається на стрілку люксметра, яка рухається за шкалою.
Завдання для виконання в лабораторії
Завдання 1. Визначити інтенсивність прямої сонячної радіації.
Прилади та устаткування: актинометр, гальванометр (ГСА-1), енергонагрівальна лампа (замінює Сонце).
Порядок виконання
1. Вивчити будову актинометра і порядок підключення його до гальванометра.
2. Установити актинометр на лабораторному столі.
3. Увімкнути електронагрівальну лампу в розетку електромережі.
4. Спрямувати трубку актинометра на джерело світла (електролампу), відкрити кришку і приєднати актинометр до клем гальванометра (+) і С. Якщо при цьому стрілка гальванометра піде за нуль, провідники слід поміняти місцями.
5. Установити приймач актинометра перпендикулярно до джерела світла. Для цього трубку потрібно злегка повертати перед джерелом світла доти, поки не буде зафіксовано найбільше відхилення стрілки гальванометра.
6. Закрити трубку кришкою і через 1 хв зробити відлік нульового положення стрілки гальванометра (Н0').
7. Зняти кришку з трубки і через 1 хв зробити перший відлік по гальванометру (Н1), потім з інтервалом 10-15 с ще три відліки (Н2, Н3, Н 4).
8. Закрити трубку кришкою і через 1 хв знову (вдруге) зробити відлік нульового положення стрілки гальванометра (Н0¢¢).
9. Обчислити середню величину нульового положення стрілки гальванометра (Н0): Н0=(Н0'+Но¢¢)/2.
10. Обчислити середню величину чотирьох вимірів (Н):
Н=(Н1+ Н2+ Н3+ Н4)/4.
11. 
У середнє значення показників гальванометра (Н) внести шкалову поправку (DН). Ці дані треба взяти з паспорта гальванометра (додаток 1). Після цього обчислити виправлений показ гальванометра за формулою:
.
12. Визначити фактичне відхилення (N):
.
13. Визначити інтенсивність прямої сонячної радіації (умовної) в кал/см2хв. Для цього показання гальванометра (N) помножити на перевідний множник (к=0,02), величину якого наведено в паспорті.
S=kN.
Завдання 2. Визначити величину сумарної та розсіяної радіації.
Прилади та устаткування: піранометр, гальванометр, джерело світла (замінює Сонце), годинник.
Порядок виконання
1. Вивчити будову піранометра і порядок підключення його до гальванометра.
2. Підключити через провідники піранометр до гальванометра згідно з позначками на клемах, а потім установити його горизонтально на лабораторному столі.
3. Увімкнути джерело світла і спрямувати його на піранометр (або злегка перемістити піранометр у коло освітленості).
4. Виконати послідовно операції, які описано в першому завданні від 6 до 13 пункту. Так дістанемо величину сумарної радіації (Q).
5. Зробити вимірювання величини розсіяної радіації. Для цього за допомогою екрана затінити приймальну частину піранометра.
6. Виконати послідовно операції, які описано в першому завдані від 6 до 13 пункту. Так дістанемо величину розсіяної радіації (Д).
7. Усі записи зробити в таблиці за такою формою:
| Вид радіації | Відлік по гальванометру | Результати розрахунків | Величина радіації, кал/см2хв | ||||||||||
| Н0' | H1 | H2 | H3 | H4 | Н0¢¢ | Н0 | H | ΔH | 
| N | k | ||
| Пряма S | |||||||||||||
| Сумарна Q | |||||||||||||
| Розсіяна Д |
Завдання для самостійної роботи
1. Визначити інсоляцію на поверхні північного та південного схилів крутизною (a) 10º за таких умов:
| Умова | В а р і а н т | |||||||||
| S, Вт/м2 | ||||||||||
| h0 |
2. Обчислити кількість тепла, що поглинатиметься піщаним грунтом (А к = 25%) і чорноземом (Ак=10%) за таких умов:
| Умова | В а р і а н т | |||||||||
| S, Вт/м2 | ||||||||||
| Д, Вт/м2 | ||||||||||
| h0 |
3. Обчислити величину радіаційного балансу для зеленого насадження за наступними даними:
| Умова | В а р і а н т | |||||||||
| S¢, Вт/м2 | ||||||||||
| Д, Вт/м2 | ||||||||||
| А к ,% | ||||||||||
| Ез, Вт/м2 | ||||||||||
| Еа, Вт/м2 |
4. Визначити величину фотосинтетичноактивної радіації (ФАР) за вегетаційний період основних озимих культур і порід дерев на території України за такими даними:
| Умова | В а р і а н т | |||||||||
| åS1, мДж/м2 | ||||||||||
| åД, мДж/м2 |
Питання для самоконтролю
1. Основні види сонячної радіації. Одиниці їх вимірювання.
2. Прилади для вимірювання прямої, розсіяної, сумарної та відбитої радіації. Правила їх установки.
3. Основні складові поглинутої радіації вдень, коли ясно і вдень, при суцільній хмарності.
4. Що таке ефективне випромінювання?
5. Що таке радіаційний баланс або залишкова радіація? Основні складові радіаційного балансу вдень при ясній погоді та вдень при суцільній хмарності, а також вночі.
Лабораторна робота №2
