ادوات هواشناسی

بادسنج در هواشناسی

بر حسب تعریف حرکت افقی هوا در سطح زمین و در سطوح فوقانی جو را باد می گویند.این حرکت یک کمیت برداری می باشد که با دو عامل جهت و سرعت مشخص می شود.سنجش واقعی باد در سطح زمین اکثرا در اثر تاثیر عوامل محلی با مشکلاتی مواجه می گردد.به علاوه سرعت باد با افزایش ارتفاع از سطح زمین زیاد شده و جهت آن نیز تغییر میکند.برای اینکه بتوان دیده بانی های مربوط به سمت و سرعت باد را در سرویس های هواشناسی مورد مقایسه قرارداد  ارتفاع 10 متری از سطح زمین و در فضای باز به عنوان ارتفاع استاندارد برای اندازه گیری باد سطح زمین انتخاب شده است.اگر سمت و سرعت باد در فاصله زمانی کوتاه به طور قابل ملاحظه ای تغییر کند این نوع تغییرات قابل مقایسه را تند باد لحظه ای یا باد گاستی (GUSTY WIND) گویند.زمان تداوم باد گاستی و تداوم آن نامنظم بوده و تابع هیچ قاعده ای نمی باشد.چنانچه باد شدیدی به طور ناگهانی شروع به وزیدن نماید و برای چند دقیقه ادامه داشته باشد و سپس ثطع شود آن را تند باد موقتی یا اسکوال(SQUALL) گویند.باید توجه داشت که بادگاستی را نباید با تندباد اشتباه گرفت.زیرا موقعی از کلمه GUSTY استفاده می شود که میزان تغییرات سرعت باد از KNOTS 10 بیشتر باشد.در صورتی که تغییرات مذکور در SQUALL حداقلKNOTS16 بوده و به علاوه سرعت باد به KNOTS22 یا بیشتر برسد و حداقل برای مدت یک دقیقه ادامه داشته باشد. اندازه گیری جهت باد به وسیله دستگاهی به نام بادنما انجام می گیرد این دستگاه که معمولا به صورت فلش فلزی ساخته می شود به طور غیر متقارن حول محور عمودی نصب شده و آزادانه می تواند در اثر وزش باد در راستای باد قرار گیرد.برای ایجاد تعادل نسبت به محور جرخش در طرف دیگر بازوی فلش صفحه یا وزنه ای نصب می شود که سطح صفحه نسبت به سطح فلش که در معرض باد قرار می گیردبزرگ تر می باشد.بدین جهت فلش هیچ وقت حرکت دورانی پیدا نمی کند.بلکه با تغییر جهت وزش باد خود را در سمتی قرار می دهد که باد از آن سمت می وزد.سرعت باد به وسیله دستگاهی به نام باد سنج اندازه گیری می شود.     

از متداول ترین باد سنج ها می توان بادسنج چرخشی را نام برد که گاهی اوقات آن را آنمومترفنجانی  (CUP ANEMOMETER) نیز می نامند. این باد سنج از سه یا چهار فنجان نیم کره ای که صفحات اقطاری آن عمودی و در امتداد شعاع ها با زاویه های مساوی در حول محور عمودی قرار گرفته اند تشکیل شده است.پس از گذشت زمان و تحقیقات لازم بادسنج سه فنجانی نسبت به نوع چهار فنجانی برتری پیدا کرده و فنجانها به صورت مخروطی شکل در آمده اند.چون عملکرد نیروی باد در سطح داخلی بیشتر از سطح خارجی فنجان ها است لذا فنجان ها در اثر انرژی جنبشی باد به حرکت در آمده و در نتیجه سرعت دورانی بادسنج با سرعت خطی باد متعادل می گردد.چون سرعت دورانی بادسنج با سرعت خطی باد متناسب می باشد کافی است که سرعت دورانی بادسنج محاسبه شود تا سرعت باد حاصل شود.

دماسنج

اندازه گیری میزان دمای هوای آزاد در مجاورت سطح زمین یا ارتفاعات بالای جو و تعیین دمای اعماق مختلف خاک و نیز سنجش دمای سطح خاک دریاچه ها و دریا ها و اقیانوس ها از نقطه نظر مطالعات هواشناسی و کشاورزی حایز اهمیت است. در هواشناسی منظور تز اندازه گیری دمای سطح زمین عبارت از اندازه گیری دمای هوای آزادی که در ارتفاع 25/1 الی 2 متری سطح زمین جریان دارد می باشد.در ایستگاههای کشاورزی ممکن است دمای هوا را در سطوح مختلف اندازه گیری نمایند.بدین معنی که دیده بانی را از سطح زمین شروع کرده و در ارتفاعات مختلف تا سطح 10 متری زمین ادامه می دهند.انتخاب ارتفاع 10 متری بدان علت می باشد که اکثر گیاهان حداکثر تا این ارتفاع بالا می روند.این اندازه گیری یعنی تعیین درجه گرمی یا سردی هوا به وسیله دستگاهی به نام دماسنج TERMOMRTER انجام می گیرد.هرگز نباید دما یا درجه گرمی را با گرما اشتباه گرفت.زیرا دما یک کمیت نسبی و مقایسه ای است حال آن که گرما صورتی از انرژی می باشد.در ساختمان دماسنج ها از خواص فیزیکی اجسام مانند انبساط و انقباض و تغییر شکل و تغییر مقاومت الکتریکی که در اثر تغییرات دما حاصل می شود استفاده می نمایند.

انواع دماسنج ها

دماسنج معمولي استاندارد (Thermomete)

اين دماسنج يك لوله بسيار باريك شيشه اي مسدود است كه در انتهاي آن محفظه اي تعبيه و از جيوه يا الكل پر شده است. در داخل لوله دماسنج خلاء كامل وجود دارد. گرم و سرد شدن مخزن باعث گرم و سردشدن مايع درون مخزن شده و متعاقب آن باعث بالا و پايين رفتن مايع در داخل مخزن شيشه اي مي شود، با مشاهده سطح مايع در داخل لوله دماسنج و قرائت عددي كه روي بدنه شيشه نوشته شده است دماي هوا در آن لحظه مشخص مي شود.

دماسنج حداكثر (Max-Thermometer)

اغلب نياز است علاوه بر دماي معمولي هوا حداكثر دمايي كه در طول يك دوره معين مثلاً يك شبانه روز اتفاق افتاده است نيز اندازه گيري و تثبيت شود به اين منظور از دماسنج حداكثر استفاده مي كنند. اين نوع دماسنج با يك تفاوت جزيي تقريبا مشابه دماسنج هاي معمولي است به اين صورت كه لوله مويين آن در محلي كه به مخزن منتهي مي شود بسيار باريك شده است. هنگامي كه دما زياد مي شود جيوه داخل مخزن منبسط شده و نيروي حاصل مي تواند باعث راندن جيوه از داخل مجراي باريك بالاي مخزن به قسمت بالاي لوله گردد به اين ترتيب ارتفاع جيوه در داخل مخزن بالا مي رود و با كاهش دما مايع داخل مخزن منقبض مي شود ولي باريك بودن لوله از برگشت مايع به داخل مخزن جلوگيري مي كند و سطح مايع در داخل لوله در محلي كه بالاترين دماي قبلي اتفاق افتاده است باقي مي ماند بنابراين سطح فوقاني جيوه نشان دهنده حداكثر دماي اتفاق افتاده است.

دماسنج حداقل (Minimum Thermometer)

دماسنج هاي حداقل براي تثبيت پايين ترين دماي اتفاق افتاده در يك دوره معين به كار مي رود دماسنج هاي حداقل مشابه دماسنج هاي معمولي است با اين تفاوت كه مايع داخل مخزن اين نوع دماسنج به جاي جيوه از مايعات رقيق تر مانند الكل استفاده مي شود. به علاوه در داخل لوله مويين يك سوزن شيشه اي كه دو سر آن گرد مي باشد رها گرديده كه به عنوان شاخص از آن استفاده مي شود، وقتي دماي هوا كاهش مي يابد با انقباض مايع سطح بالاي الكل در داخل لوله مويين با اعمال نيروي كشش سطحي شاخص سوزني را نيز به طرف پايين مخزن حركت مي دهد با افزايش دما مجدداً الكل در داخل لوله مويين از اطراف سوزن عبور كرده و به طرف بالا صعود مي كند اما سوزن در پايين ترين محلي كه قبلا در اثر كشش سطحي پايين آمده بود باقي مي ماند.
بنابراين قسمت بالايي شاخص شيشه اي پايين ترين دمايي را كه اتفاق افتاده است نشان مي دهد در حالي كه انتهاي سطح الكل در بالاي لوله دماي لحظه اي هوا را نشان مي دهد.

دماسنج حداقل - حداكثر (Min-Max Thermometer)

اين دماسنج تركيبي از دو دماسنج حداقل و حداكثر مي باشد، اين دماسنج از يك لوله شيشه اي U شكل ساخته شده است كه دو انتهاي آن مسدود مي باشد. قسمت پاييني لوله U شكل با جيوه پر شده است. علاوه بر جيوه قسمت بالايي لوله قسمت چپ به طور كامل از الكل پر شده است اما نصف حجم لوله سمت راست كه انتهاي آن به صورت يك مخزن گشاد شده مي باشد از الكل پر شده است و نصف ديگر آن از يك نوع گاز پر شده است. در بالاترين سطح جيوه و در داخل الكل در هر دو ستون شاخص هاي شيشه اي رنگي كه يك سوزن در وسط آن تعبيه شده است وجود دارد در اثر گرم و سرد شدن و متعاقب آن انبساط و انقباض سطح جيوه بالا و پايين مي رود. بالاترين حدي كه جيوه در شاخه سمت چپ بالا رفته است دماي حداقل و بالاترين حدي كه جيوه در شاخه سمت راست بالا رفته دماي حداكثر را نشان مي دهد.

دمانگار (Thermograph)

دمانگار يك وسيله كاملاً مكانيكي است و با استفاده از يك عنصر فلزي كه انحناي آن با دما تغيير مي كند ساخته شده است يك طرف عنصر فلزي حساس به تغييرات دما كه داراي انحنا مي باشد به بازوي اهرم طويل و متحركي بسته شده است كه اين بازو ممكن است مستقيماً دما را از روي يك مقياس ساده درجه بندي شده نشان دهد و يا اينكه انتهاي بازو به يك قلم ثبات متصل گردد. با تغيير دماي هوا انحناي فلز تغيير مي كند و اين امر با توجه به نحوه تغييرات دما باعث انحراف قلم در انتهاي بازوي مكانيكي به طرف بالا و پايين در روي كاغذ گراف مي گردد و دماها ثبت مي شوند.

آفتاب نگار

خورشید یکی از منابع اصلی و بزرگ برای کره خاکی بوده و به طور مستقیم و یا غیر مستقیم روی فعل و انفعالات و پدیده های فیزیکی آن موثر می باشد.تابش خورشید در رشد نباتات و زندگی انسان و حیوانات رل بسیار مهمی داشته و در کشاورزی و صنعت به وجود نور بیش از پیش احتیاج پیدا می شود.در سازمان های مختلف هواشناسی جهان از جمله شبکه هواشناسی کشور ما معمولا از دو نوع وسیله برای اندازه گیری تابش خورشیدی استفاده می شود.دسته اول آن از سری دستگاههایی می باشند که فقط مدت تابش خورشید را ثبت می کنند و به نام آفتاب نگار (SUNSHINE RECORDER) معروفند.دسته دوم دستگاه هایی هستند که مقدار شدت تشعشع خورشید را اندازه گیری و ثبت می کنند که به تشعشع سنج معروفند.

فشار سنج

جو زمین به علت وزنش فشاری بر روی سطح زمین و سایر سطوحی که در آن غوطه ور هستند وارد میکند.گر چه جو زمین قابل رویت نیست با وجود این از ماده تشکیل شده است و به همین جهت دارای جرم (MASS) می باشد.عاملی که جو را در اطراف زمین نگه می دارد نیروی جادبه زمین است. وزن جو به علت نیروی جاذبه زمین بوده که اتمها و مولکوتهای تشکیل دهنده جو را به طرف خود می کشد.     

بنابراین می توان گفت که فشار جو برابر وزن ستون عمودی از هوا با سطح مقطع واحد می باشد که از سطح زمین تا بالاترین حد جو ادامه دارد و معادله ابعادی آن به صورت P=L^-1MT^-2 می باشد.به طور کلی سه روش جهت اندازه گیری فشار جو وجود دارد دقیق ترین روش استفاده از فشارسنج های جیوه ای (MERCURY BAROMETERS) می باشد که از خاصیت صعود و نزول جیوه داخل لوله فشارسنج استفاده می شود.هنگامی که فشار جو تغییر می کند سطح جیوه داخل مخزن فشار سنج تحت تاثیر تغییرات فوق قرار گرفته و جیوه داخل لوله فشارسنج پس از تبدیل به شریاط استاندارد فشار جو را به دست می دهد.روش دیگر اندازه گیری فشار سنج استفاده از فشارسنج های الاستیک (ارتجاعی) (ELASTIC BAROMETERS) می باشد.عنصر حساس این نوع فشار سنج ها محفظه خالی از هوا (آنروِیید)بوده که تغییرات فشار جو سبب انبساط یا انقباض آنرویید می گردد.در نتیجه با ثابت شدن یک سر آنرویید به بدنه دستگاه تغییرات ایجاد شده به سردیگر آن که به عقربه ای متصل است منتقل گسته و عقربه بر روی صفحه ای که به واحد فشار درجه بندی شده است فشار جو را نشان می دهدو بالاخره سومین روش اندازه گیری فشار جو استفاده از نقطه جوش یک مایع مثل آب به کمک دستگاهی به نام هیپسومتر(HYPSOMETER) می باشد.از آنجاییکه نقطه جوش یک مایع تابع فشاری است که در تحت آن فشار می جوشد لذانقطه جوش مایع می تواند در تعیین فشار جوی به کار رود.مایعی که معمولا به کار می رود آب خالص می باشد و مقدار حقیقی که اندازه گیری می شود درجه حرارت بخاری است که بلافاصله در سطح آزاد مایع در حال جش قرار دارد.

باران سنج

ریزش های جوی که به صورت باران و برف و تگرگ و یا مخلوطی از برف و باران (SLEET) و شبنم انجام می گیرد بارندگی نامیده می شود. میزان بارندگی و نیز مقدار تبخیر از سطح آب و یا آبهای سطحس در تعیین میزان ذخایر آب های سطحی و زیر زمینی اهمیت زیادی دارد اندازه گیری مقدار بارندگی در تمام سطح کره زمین به علت نداشتن یک شبکه کامل ایستگاههای باران سنجی به طور دقیق امکان پذیر نیست.در سرویس های هواشناسی منظور از تعیین میزان بارندگی عبارت از جمع مقادیر بارندگی مایع و معادل مایع هر بارندگی جامد از قبیل برف و تگرگ بر حسب ارتفاع می باشد.بنابراین تمام بارندگی ها بایستی به طور دقیق و روشن اندازه گیری شود.مقادیر مذکور ترجیحا بر حسب میلی متر اندازه گیری شده و دقت عمل در اندازه گیری های روزانه 0.1mm ئ در اندازه گیری های هفتگی و ماهیانه 1mm می باشد.مقدار ریزش برف بر حسب سانتی متراندازه گیری می شود.با تقریب می توان گفت که 1cm از برف تازه معادل 1mm باران می باشد.مع الوصف نسبت مذکور به غمق و نوع برف بستگی دارد.در بعضی از کشورها مقدار بارندگی و عمق برف بر حسب اینچ و اجزل آن اندازه گیری می شود.برای تبدیل واحدهای مذکور به یکدیگر از رابطه زیر استفاده می شود:


سا ده ترین و متداول ترین روش اندازه گیری ریزش باران استفاده از باران سنج(RAIN GAUGE) می باشد .این دستگاه از قسمتهای مختلف تشکیل شده است .یک قسمت آن از یک قیف با طرح مخصوص ساخته شده که دارای لبه تیزی است.قسمت دیگر آن(لوله باران سنج) استوانه شکل بوده که آب باران به وسیله قیف مذکور به داخل آن هدایت می شود.استوانه فلزی و پایه نگهدارنده از اجزا تشکیل دهنده ای دستگاه می باشد.قطر دهانه قیف باران سنج ها مشخص بوده و بین 10-20cm انتخاب می شود.قطر دهانه قیف و لوله باران سنج ها طوری انتخاب می شود که سطح مقطع دهانع قیف نسبت مشخص با سطح مقطع لوله باران سنج داشته باشد.هر یک از کشورها قطر مشخصی برای دهانه باران سنج های شبکه هواسناسی خود انتخاب کرده اند.در ایران قطر دهانه باران سنج ها 8 اینچ انتخاب گردیده است.

ایستگاه های هواشناسی

مطالعه و بررسی فعل و انفعالات جوی و پدیده های هواشناسی که تعیین کننده وضع هوا و اقلیم می باشد بر پایه اندازه گیری ها دیده بانی ها متکی می باشد.دیده بانی هواشناسی در تمام کره زمین با روش واحد و یکنواخت و با وسایل و ادوات استاندارد و قابل مقایسه بودن داده ها (DATA) انجام می گیرد.یکنواختی برنامه اندازه گیری ها و دیده بانی ها و سایر عملیات هواشناسی با همکاری کلیه سرویس های هواشناسی ملی و کشوری در چهارچوب سازمان هواشناسی جهانی(W.M.O.) تضمین شده است. بیشترین دیده بانی ها و اندازه گیری های عوامل جوی مربوط به جو نزدیک سطح زمین می باشد که به وسیله ایستگاه های هواشناسی سطحی (سطح زمین و دریا) انجام می گیرد. در کشور ایران برنامه دیده بانی های هواشناسی در شبکه ای از ایستگاه های اصلی انجام می گیرد.داده های حاصله از این نوع ایستگاهها برای پیش بینی های جوی و مطالعه رشته های مختلف علمی هواشناسی و هوانوردی و کشتی رانی به کار گرفته می شود. علاوه بر ایستگاه های فوق تعداد زیادی از ایستگاههای کمکی اقلیم شناسی (کلیماتولوژی) به منظور برآورد نیازهای مختلف محلی برنامه دیده بانی های محدودی را اجرا می نمایند. داده ها اطلاعات ثبت شده به وسیله ایستگاه های کلیماتولوژی طی سال های طولانی بایگانی و نگهداری گردیده و به صورت سالنامه هواشناسی در می آیند که در اختیار مصرف کنندگان قرار می گرد.این داده ها برای تهیه نقشه ها و اطلس ها و پژوهش های اقلیمی مورد استفاده قرار می گیرند.

رطوبت سنج

در جو زمین علاوه بر هوای خشک همیشه مقداری به صورت بخار آب و قطرات ریز ابرو باران و تگرگ و بلورهای یخ و برف وجود دارد که منبع اصلی آنها اقیانوس ها و دریاها و دریاچه ها و رودخانه ها و توده های غلتان یخ و تنفس گیاهان می باشد.مقدار بخار آب موجو در جو معمولا کمتر از اندازه ای است که برای اشباع شدن هوا از بخار آب لازم است و میتوان گفت که مقدار متوسط بخار آب موجو در جو حدود 6/2 درصد وزنی و یا 4 درصد حجم کل جو پایین است و اندازه گیری آن با روش های معمولی تقریبا غیر ممکن است.گر چه ادواتی که برای سنجش رطوبت جو به کار میروند به اندازه سایر ادوات اندازه گیری پارامترهای جوی مانند دماسنج و فشار سنج حساس نمی باشند ولی با استفاده از روش های صحیح و طرق خاص می توان خطای اندازه گیری را به حداقل ممکن کاهش داد.

تبخیرسنج

اندازه گیری تبخیر یکی از ضروریاتن خیلی عمده برای زندگی جاندار در روی سطح زمین می باشد. مصرف آب به علت افزایش جمعیت و توسعه روزافزون کارخانجات و احتیاج آنها به آب روز به روز زیادتر می گردد.آب از انواع مختلف بارندگی به دست آمده و از طریق تبخیر آب مایع و یا تبدیل مقداری برف و یخ به بخار آب و نیز تعرق گیاهان و بالاخره مصرف انسان و کارخانجات کم می گردد.لذا اندازه گیری میزان تبخیر آب از سطوح آب و خاک و نیز سطوح نباتات از نظر بررسی های هواشناسی مطالعات کشاورزی و مهندسی ساختمان ایجاد سندهای مختلف و غیره اهمیت فراوانی دارد.بدیهی است که تعیین میزان دقیق تبخیر از سطوح آب خاک و نباتات به علت وضعیت های مختلف محلی(از نظر فیزیکی و جغرافیایی) مشکل می باشد.زیرا تبخیر آب به فاکتورهای متعددی بستگی دارد که مهم ترین آنها عبارتند از:

1. میزان رطوبت جو
2. سرعت باد
3. فشار اتمسفر
4. دمای محیط
5. تشعشع خورشید و زمین
6. چگونگی سطح تبخیر

میزان تبخیر آب از روی یک سطح به صورت ارتفاعی از آب کم شده بر حسب میلی متر در واحد اندازه گیری می شود.(واحد زمان ممکن است ساعت یا روز باشد)در بعضی از ممالک واحد اندازه گیری تبخیر اینچ می باشد. به طور خلاصه می توان گفت که یک میلیمتر یا یک اینچ تبخیر ارتفاع آبی است که از واحد سطح آبها در نتیجه تبخیر کسر می گردد.

اندازه گیری میزان تبخیر آب از سطح زمین طرق مختلفی وجود دارد که در اینجا یه چهار روش اکتفا می شود.

1. اندازه گیری میزان تبخیر آب از روی سطح آب یک طشت که در محوطه مناسبی قرار گرفته است.
2. اندازه گیری میزان تبخیر آب به وسیله سطوح متخلخل مرطوب (ATMOMETER)
3. اندازه گیری میزان تبخیر آب از روی تغییر وزن نمونه ای از خاک خیس
4. اندازه گیری میزان تبخیر آب از روی صفحه مرطوب

رادیو سوند

راديوسوندها از دستگاه های هواشناسي هستند كه برای اندازه گيری دما، رطوبت،‌ فشار، سمت و سرعت باد در جو بالا بكار مي‌روند. دو عنصر ازن و تابش نيز می تواند توسط اين دستگاه ها اندازه گيری شود. راديوسوند يك سيستم سنجش از راه دور است و از دو لغت "Radio" به معناي انتشار دهنده راديويي و "Sonde" به معني پيام آور در زبان انگليسی قديم، تشكيل شده است. دستگاه راديوسوند از دو قسمت اصلي «سنجش» و«فرستنده» تشكيل شده است، فرستنده ها پارامترهای اندازه گيري شده را به گيرنده اي كه در سطح زمين قرار دارد، منتقل مي‌كنند. راديوسوندها گاهی به وسيله هواپيما و گاهي به وسيله راكت به جو فرستاده مي شوند. اما معمولا آن ها را به زير بالون های هواشناسی كه تا ارتفاع 20 تا 30 كيلومتری صعود مي‌نمايند نصب و در جو رها مي‌كنند. وقتي كه راديوسوند به ارتفاع تقريبي 30 كيلومتري بالای سطح دريا مي رسد بالون مي تركد و راديوسوند همراه با نخ و بالون تركيده شده به طرف زمين به پائين می افتد. پس از زمان 2 ساعت از پرتاب و در طول اوج گيری، راديوسوند به طور ثابت جريان پيوسته اطلاعات شامل دمای اتمسفر،‌ رطوبت، داده فشار، سمت و سرعت باد در سطوح مختلف جو (تا ارتفاع تقريبي 30 كيلومتری) را از طريق شبكه ارتباطات به تجهيزات خودكار گيرنده درسطح زمين می فرستد. مشاهدات راديوسوند Radio Observation يا به اختصار RAOB ناميده مي شود .