Контрольная работа: Измерение параметров воздуха. Борьба с заморозками для защиты ценных сельскохозяйственных культур

Основные физические свойства воздуха: плотность, давление и температура.

Плотность есть отношение массы вещества к его объему. Так, 1 м³ воды при температуре 4 °С имеет массу 1 т, а 1 м³ сухого воздуха при 0 °С и нормальном давлении (760 мм рт. ст.) имеет массу 1,293 кг. Следовательно, при указанных условиях плотность воды составляет 1000 кг/м³, а плотность воздуха 1,293 кг/м³. Таким образом, плотность воздуха при этих условиях примерно в 800 раз меньше плотности воды.

Плотность атмосферы быстро уменьшается с высотой. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в слое до высоты 5,5 км. На высоте 300 км плотность её уже в 4-Ю¹⁰ раз меньше, чем на уровне моря. С дальнейшим увеличением высоты разреженность газов продолжает увеличиваться и без четко выраженной верхней границы атмосфера постепенно переходит в межпланетное пространство.

Давление атмосферы – это сила, с которой давит на единицу земной поверхности столб воздуха, простирающийся от поверхности земли до верхней границы атмосферы. Атмосферное давление можно измерить по высоте ртутного столба в стеклянной трубке, у которой один конец запаян, а другой погружен в чашку со ртутью. Воздух из трубки удален. Давление атмосферы удерживает столб ртути в трубке на определенной высоте. На уровне моря высота ртутного столба в трубке в среднем составляет 760 мм. Если площадь поперечного сечения трубки равна 1 см², то объем ртути в трубке соответственно равен 76 см³. Плотность ртути равна 13,6 г/см³. Поэтому масса ртутного столба составит примерно 76–13,6–1,0336 кг. Следовательно, атмосферное давление уравновешивает столб ртути сечением 1 см² и массой около 1,033 кг. Это означает, что атмосферное давление на уровне моря обычно составляет около 1,033 кг/см².

Атмосферное давление долгое время выражали в миллиметрах (мм) ртутного столба, т.е. линейной мерой измеряли силу, что было неудобно при решении многих задач. Чтобы измерять давление в единицах силы, в 1930 г. была установлена новая международная единица давления – бар (от древнегреческого барос – тяжесть), равная давлению 1 млн. дин на площадь 1 см², что соответствует 750,1 мм рт. ст. В практике до последнего времени в качестве единицы давления использовалась ¹/1000 доля бара – миллибар.

С 1980 г. в качестве международной единицы для измерения атмосферного давления принят паскаль (Па):

1 Па = 10 дин/см²=10^-5 бар.

Для практических целей используют гектопаскаль (гПа):

1 гПа=100 Па.

Поскольку до сих пор шкала приборов для измерения давления, градуирована в миллиметрах или миллибарах, то надо знать их соотношение:

1 гПа=1 мбар=0,75

В настоящее время для измерения влажности воздуха применяются психрометрический и сорбционный методы.

Психрометрический метод

Название этого метода произошло от греческого слова психрос (охлаждение, холод) и говорит о том, что измерение влажности воздуха основано на охлаждении одного из термометров. По этому методу работают основные приборы для определения влажности воздуха – станционный и аспирационный психрометры.

Станционный психрометр состоит из двух одинаковых психрометрических термометров. Термометр, установленный в психрометрической будке слева, называется «сухим» и показывает температуру воздуха. Термометр, установленный справа, называется «смоченным», так как его резервуар непрерывно смачивается дистиллированной водой. Вода находится в специальном стаканчике и подается к резервуару при помощи полоски батиста, один конец которой оборачивает резервуар смоченного термометра, а другой опущен в стаканчик и тянет воду как фитиль.

Поверхность резервуара смоченного термометра является испаряющей. Чем суше воздух, тем быстрее испаряется вода с резервуара смоченного термометра и тем ниже его температура. Следовательно, чем меньше влажность воздуха, тем больше разность показаний сухого и смоченного термометров.

По температуре воздуха и показаниям смоченного термометра с помощью специальных «Психрометрических таблиц» определяют упругость пара е, относительную влажность f дефицит упругости d и точку росы t_d.

Аспирационный психрометр (рис. 1) по принципу действия не отличается от станционного психрометра. Основными его частями также являются два одинаковых термометра (сухой и смоченный), отличающиеся от термометров станционного психрометра меньшими размерами я цилиндрической формой резервуаров. Главная особенность конструкции этого психрометра – наличие аспиратора, обеспечивающего обдувание резервуаров термометров потоком воздуха с постоянной скоростью 2 м/с.

У станционного же психрометра скорость обдувания термометров непостоянна, она зависит от; скорости ветра за пределами будки, что влияет на точность измерения влажности воздуха.

Аспирационный психрометр является одним из наиболее точных метеорологических приборов. Резервуары его термометров надежно защищены от лучей солнца, i испарение со смоченного термометра происходит при постоянной скорости ветра, результаты измерений легко определяются по «Психрометрическим таблицам». Он имеет небольшую массу (600 г.), удобен при переносе и широко применяется при полевых работах.

При измерении температуры и влажности воздуха в посеве аспирационный психрометр устанавливается в нем горизонтально на изучаемом уровне. Отверстия защитных трубок психрометра должны быть ориентированы в сторону от Солнца. Смачивание батиста смоченного термометра необходимо производить только при вертикальном положении психрометра, чтобы вода из пипетки не попала в защитные трубки.

Сорбционный метод

Этот метод основан на использовании свойства гигроскопических тел реагировать на изменение влажности воздуха. На упомянутом свойстве основано действие гигрометров.

Волосной гигрометр служит для измерения относительной влажности воздуха. Действие прибора основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса изменять длину в зависимости от относительной влажности. Изменение длины волоса передается на стрелку, указывающую относительную влажность на шкале, градуированной от 0 до 100%.

Чувствительность гигрометра со временем изменяется, поэтому его показания необходимо сверять с относительной влажностью, найденной по психрометру. В зимнее время 'наблюдения по психрометру при температуре ниже –10° С не производятся и для измерения влажности воздуха применяется только гигрометр. Поэтому до наступления морозов в течение одного месяца показания гигрометра сравниваются с показаниями психрометра и наносятся на график, который будет служить для перевода показаний гигрометра в показания психрометра. Для этого на специальном бланке ТМ-9 или на миллиметровой бумаге на вертикальной оси откладывают относительную влажность по психрометру, а на горизонтальной оси – показания гигрометра. Значения относительной влажности по психрометру и гигрометру, измеренные одновременно, отмечают на графике точкой, лежащей на пересечении линий, соответствующих этим значениям. Когда все точки нанесены, они образуют (если гигрометр исправлен) сравнительно узкую полосу, расположенную под утлом около 45° к осям координат. Посередине этой полосы проводят линию, по которой и переводят показания гигрометра в значения относительной влажности.

Гигрограф – прибор для непрерывной записи относительной влажности. Приемной частью прибора является пучок обезжиренных человеческих волос. В остальном устройство прибора почти аналогично термографу.

Методы измерения испарения

Испарение непосредственно измеряется испарителями или же вычисляется по уравнениям теплового и водного баланса или по другим теоретическим и эмпирическим формулам. Практически количество испарившейся воды измеряется толщиной испарившегося слоя, выраженного в миллиметрах.

Для измерения испарения с водной поверхности применяются испарительные бассейны площадью 20 и 100 м², а также водные испарители с площадью поверхности воды 3000 см² (ГГИ-3000). Испарение в таких бассейнах и испарителях определяется по изменению уровня воды с учетом выпадения осадков.

Испарение с поверхности почвы измеряется почвенными иопарителями ГГИ-500–50 или ГГИ-500–100 с площадью испаряющей поверхности 500 см². Каждый из них состоит из двух металлических цилиндров. Внешний цилиндр первого испарителя установлен в почве до глубины 53 см. Во внутреннем цилиндре находится почвенный монолит с ненарушенной структурой почвы и растительностью. Высота монолита 50 см. Дно внутреннего цилиндра имеет отверстия, через которые стекает избыток воды от выпавших дождей в водосборный сосуд. Для определения испарения внутренний цилиндр с почвенным монолитом каждые пять дней вынимают из внешнего цилиндра и взвешивают. При этом рассчитывают по формуле

E= 0,02 (q₁ – q₂) – m + r,

где E – испарение (мм); q₁ – масса испарителя при предыдущем взвешивании (г); q₂ – масса испарителя в данный момент (г); m – количество воды в водосборном сосуде (мм); r – (количество выпавших осадков (мм) за период между взвешиваниями. Коэффициент 0,02 служит для перевода весовых единиц (г) в линейные (мм). Измерение испарения по почвенному испарителю производится только в теплое время года.

Суточный и годовой ход испарения

В течение суток скорость испарения изменяется. Максимум скорости испарения приходится на 13–14 ч, когда наиболее велики температура испаряющей поверхности, дефицит упругости пара и. скорость ветра. Ночью температура испаряющей поверхности понижается, дефицит упругости и скорость ветра уменьшаются, что уменьшает скорость испарения иногда до нуля или даже делает ее отрицательной, что означает смену испарения противоположным процессом – конденсацией водяного пара из атмосферы на земную поверхность. Наиболее резко выражен суточный ход испарения в летние месяцы.

В годовом ходе испарения максимум в северном полушарии наблюдается в июле, минимум в ноябре – декабре. С высотой количество водяного пара в атмосфере быстро убывает и годовой ход испарения сглаживается.

Борьба с заморозками для защиты ценных сельскохозяйственных культур проводилась с древнейших времен. Еще римляне в 1 в. нашей эры защищали виноградники при помощи дымления. В настоящее время для уменьшения вредного действия заморозков наиболее широко применяется дымление, укрытие растений, повышение точки росы путем полива растений и междурядий.

Дымление являлось наиболее распространенным способом защиты растений от заморозков. Эффект этого способа обусловлен комплексом факторов: обогревом воздуха при горении, образованием дымовой завесы, которая уменьшает эффективное излучение, конденсацией влаги в воздухе (на частичках дыма) н, следовательно, выделением тепла. Кроме того, дымовая завеса экранирует растения от прямых солнечных лучей после восхода Солнца. Если ткани растений подмерзли, их оттаивание под дымовой завесой происходит более медленно и равномерно, что уменьшает степень их повреждения. Поэтому дымление рекомендуется продолжать в течение часа после восхода Солнца.

Образование дымовой завесы происходит вследствие температурной инверсии в приземном слое атмосферы. При безветрии в ясную ночь нижний слой воздуха сильно выхолаживается и разность температур у поверхности почвы и на высоте 8–10 м может достигать 8–11° С. Дым, охлаждаясь в нижнем слое воздуха, быстро теряет подъемную силу и внутри слоя инверсии начинает растекаться в горизонтальном направлении.

Для создания дымового экрана использовались дымовые кучи, в состав которых, кроме легко горючих материалов, входили влажная трава или ботва, мокрый торф и другие материалы, дающие густой дым с большим количеством водяного пара. Тепловой эффект от сжигания дымовых куч составляет 1–2° С. При ветре эффект дымления резко снижается. В настоящее время широко практикуется применение химикатов для образования дыма н искусственного тумана (дымовые свечи, дымовые шашки).

Укрытие растений. Этот метод применяется главным образом в субтропической зоне для защиты лимонов и других ценных культур. Для укрытия растений используются светопрозрачные полиэтиленовые пленки или другие материалы на весь зимний период. Широкое распространение получили марлевые укрытия для защиты цитрусовых, выращиваемых в стелющейся форме.

Прямой открытый обогрев плантаций – наиболее дорогой способ борьбы с заморозками (теперь почти неприменяемый).

Орошение при заморозках повышает температуру точки росы. Скрытая теплота конденсации при этом выделяется до наступления отрицательной температуры, что задерживает и ослабляет заморозок, температура воздуха на уровне будки повышается на 1,5 – 2,0° С. Однако этот способ применять можно не всегда. Так, несвоевременный полив созревающего хлопчатника может задержать его созревание и уборку урожая.

В последние годы создают искусственные туманы, которые сильно ослабляют заморозки.

Агрометеорологические прогнозы – один из главных видов обеспечения сельскохозяйственного производства. В соответствии с запросами сельскохозяйственных и планирующих организаций разработаны методы агрометеорологических прогнозов. Эти прогнозы имеют сравнительно высокую оправдываемость, поэтому используются центральными планирующими и сельскохозяйственными органами для обоснования ряда организационных мероприятий.

В области зернового хозяйства разработаны методы прогнозов основных фаз развития и созревания сельскохозяйственных культур, прогнозов урожая основных культур, прогнозов запасов влаги в почве к началу весенних полевых работ и в вегетационный период. Кроме прогнозов, дается оценка метеорологических условий в период уборки зерновых и обоснование способов их уборки в зависимости от погоды.

В садоводстве, особенно при возделывании цитрусовых, большое значение имеет размещение посадок в теплообеспеченных формах рельефа. Здесь составляются предупреждения о заморозках, о низкой температуре воздуха и почвы зимой, опасной для плодовых почек, однолетних побегов и корневой системы. Кроме того, параллельно с прогнозом заморозков составляется прогноз фазы цветения плодовых культур.

Для обслуживания орошаемого земледелия разработаны методы расчета норм орошения на основе учета сложившихся и ожидаемых метеорологических условий, методы расчета и прогноза оптимальных сроков и норм полива в зависимости от фаз развития растений и погодных условий.

При обслуживании хлопководства на орошаемых землях даются информация и прогнозы водности рек и водохранилищ, что необходимо для выяснения степени обеспеченности водными ресурсами в данном году потребности хлопчатника. На основании наблюдений за температурой почвы в предпосевной период даются рекомендации по выбору оптимальных сроков сева. Обоснование оптимальных сроков дефолиации проводится на основе наблюдений за фитоклиматом посевов, их развитием и ростом. Составляются агрометеорологические прогнозы урожая хлопка-сырца.

Используемая литература

1.  Чирков Ю.И. Основы агрометеорологии, Гидрометеоиздат, изд. 2-е., перераб. И доп., 1982 г.

2.  Ермолова Е.М. Методические указания по выполнению контрольной работы для студентов – заочников IV курса по специальности «Биотехнология», Троицк, 2006