Для определения плотности снега предназначен

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЧНОСТИ И ПЛОТНОСТИ СНЕГА

Для определения показаний прочности (несущей способности) уплотненного снежного покрытия рекомендуется применять твердомер НИАС.

Твердомер НИАС (рис. 1) состоит из конуса, площадки для ступни человека, вертикальной стойки и вертикальной доски упора.

Конус твердомера делается из дюрали или дерева, обшитого жестью или листовым алюминием, и жестко скрепляется с площадкой для ступни. Угол конуса у вершины — 34° 12’, высота — 130мм, диаметр основания — 80 мм.

Площадка для ступни имеет размеры 300Х120 мм. Вертикальная стойка высотой 700 мм имеет внизу квадратную пластинку — основание размером 100Х100 мм. Стойка свободно двигается в двух направляющих скобах, прикрепленных к доске-упору. На стойке прикреплена металлическая стрелка, указывающая глубину погружения конуса в снег.

Доска-упор размером 900х100 мм двумя фанерными косынками жестко скреплена с горизонтальной площадкой для ступни.

На доске-упоре имеется шкала, по которой отсчитывают глубину погружения конуса в снег и по показателям которой определяют несущую способность уплотненного снега. Чертежи твердомера НИАС приведены на рис. 2.

Последовательность пользования твердомером следующая:

1. Поставить твердомер на снежное покрытие.

2. Вынуть шпильку, скрепляющую стойку с доской-упором, рукой взяться за рукоятку и, став одной ногой на площадку для ступни, перенести на нее тяжесть своего тела, затем записать показание прибора по шкале.

Прочность уплотненного снега в зависимости от прилагаемой нагрузки и глубины погружения конуса определяется по графику (рис. 3) или по формуле

где — показатель прочности снега, кПа (кг/кв.см);

— нагрузка на конус, кг;

— глубина погружения конуса, см;

— угол конуса 3412.

Определение плотности снега может производиться портативным пружинным плотномером (рис. 4), который состоит из корпуса, пружины, шкалы и мерного стаканчика. Корпус изготавливается из дюралевой трубки, внутри которой крепится эластичная пружина из качественной стали с растяжением примерно 0,5 мм на 1 г массы. К нижнему концу пружины крепится мерная шкала из дюралевой пластинки, которая градуирована через 10 г. Мерный стаканчик изготавливается из дюрали и подвешивается за дужку к мерной шкале. Деталировка плотномера приведена на рис. 5 — 12.

Измерение портативным плотномером производится в следующем порядке.

1. На участке измерения с помощью ножа-лопатки выравнивается площадка размером 0,2Х0,2 м. Выравнивание следует производить без уплотнения снега только за счет его срезания.

2. Мерный стаканчик устанавливается заостренными кромками на подготовленную поверхность и заглубляется в снег до тех пор, пока днище стаканчика не дойдет до выровненной поверхности снега. Окончание погружения контролируется через отверстие в днище.

В процессе заглубления необходимо следить за сохранением вертикального положения стаканчика относительно поверхности площадки.

3. Стаканчик с пробой откапывается и осторожно извлекается из снега с помощью ножа-лопатки, а затем переворачивается вниз дном.

Поверхность снега выравнивается заподлицо с режущими кромками стаканчика.

4. На мерный стаканчик с пробой надевается дужка, за которую он подвешивается к шкале пружинных весов и взвешивается. Плотность снега вычисляется по формуле

где — масса пробы, определенная по шкале, г;

— объем пробы снега, равный объему мерного стаканчика, куб.см.

5. Периодически (два — три раза в месяц) следует производить контрольную проверку показаний шкалы пружинных весов, для чего мерный стаканчик загружается набором гирь в 10, 20, 30, 100 г. В случае несоответствия показаний на шкале необходимо нанести новые деления, соответствующие массам контрольных гирь.

В полевых условиях плотность снежного покрова может быть также измерена с помощью рычажного плотномера и косвенно путем расстапливания образца снега определенного объема.

Рычажной плотномер состоит из металлического цилиндра и безмена. Цилиндр высотой 600 мм с площадью поперечного сечения 50 кв.см на наружной поверхности имеет деления через 1 см. Нижняя режущая кромка цилиндра заточена. На цилиндр свободно надето кольцо с дужкой для подвешивания цилиндра к безмену. Цилиндр закрывается крышкой. Безмен с движущимся грузиком имеет деления через 10 г.

Для определения плотности снежного покрова цилиндр режущей кромкой ставится вертикально на поверхность снежного покрова и погружается в снег нажатием либо легкими ударами молотка до упора. После этого по делениям на корпусе цилиндра определяется толщина снегового покрытия, а затем ножом-лопаткой снег под цилиндром подрезается, и он извлекается из снега; цилиндр переворачивается режущей кромкой кверху и подвешивается к безмену для определения массы образца снега определенного объема. Далее вычисляется плотность снега.

Рис. 3. Зависимость глубины погружения конуса от прочности снега.

Рис. 4. Пружинный плотномер.

А — пружинные весы с мерным стаканчиком; В — пробоотборник; 1 — кольцо (по месту); 2 — втулка; 3 — корпус; 4 — пружина (подбирается на растяжение); 5 — шкала;

6 -направляющая шкала; 7 — дужка (по месту); 8 — мерный стаканчик; 9 — головка;

10 — корпус пробоотборника; 11 — опорная площадка

Рис. 5. Втулка (2). Ст. 3

Рис. 6. Корпус (3). Материал — дюралевая трубка

Рис. 7. Шкала (5). Материал — дюраль

Рис. 8. Направляющая шкала (6). Ст. 3

Рис. 9. Мерный стаканчик (8). Материал — дюраль

Источник

ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОТЫ И ПЛОТНОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА

Цель работы: освоить методику измерения высоты и плотности снежного покрова.

Оборудование и материалы: рейка снегомерная переносная, снегомер весовой ВС-43.

Пояснения к работе

Значение снежного покрова как климатического фактора очень велико. Он защищает почву от промерзания, является источником влаги в почве и важным фактором полноводья рек.

Ежедневные наблюдения за снежным покровом ведут с момента образования снежного покрова и до его исчезновения. Оценивают структуру снега (снег свежий, пушистый, липкий, рассыпчатый), степень покрытия снежным покровом земли по 10-балльной шкале (0,1 часть видимой поверхности соответствует 1 баллу), а также характер залегания снежного покрова (равномерный – без сугробов, неравномерный – небольшие сугробы, очень неравномерный – большие сугробы).

Наблюдения за снежным покровом подразделяются на ежедневные наблюдения на метеорологической площадке и периодические наблюдения для определения снегонакопления и запаса воды в снеге на элементах ландшафта (ландшафтно-маршрутные снегомерные съёмки).

Для измерения высоты снежного покрова применяют переносную и постоянную рейки. Постоянная снегомерная рейка (рис. 11, а) устанавливается осенью, когда ещё нет снежного покрова. После выпадения снега рейку устанавливать нельзя, т.к. при этом нарушается образовавшийся снежный покров, что повлияет и на его дальнейшее залегание.

Высота постоянной снегомерной рейки 2 м, толщина – не менее 5 см. Рейка покрыта защитной эмалью, предварительно раскрашена и размечена.

Переносная снегомерная рейка (рис. 11, б) представляет собой прямоугольный брусок высотой 180 см и толщиной 2 см, изготовленный из сухого, пропитанного маслом дерева. На рейку нанесены сантиметровые деления. Один конец рейки снабжён железным наконечником.

Высоту снежного покрова при ежедневных наблюдениях измеряют по трём постоянным снегомерным рейкам, установленным в середине метеоплощадки в вершинах треугольника со сторонами около 10 м. Одну из реек располагают вблизи почвенно-глубинных термометров. Отсчёты берут с точностью до 1 см. Высоту снежного покрова вычисляют как среднюю из отсчётов по трём рейкам.

а)

б)

Рис. 11. Рейки снегомерные:

а – стационарная; б – переносная

Ежедневные наблюдения производятся в срок, ближайший к 8 ч поясного декретного (зимнего) времени.

При отсчётах не следует подходить к рейке ближе, чем на 5 − 6 шагов, чтобы не нарушить состояние снежного покрова и правильно произвести отсчёт. Все отсчёты производят всегда с одного и того же места.

Для определения плотности снежного покрова служит устройство – снегомер. Снегомеры бывают двух видов: весовые и объёмные. Объёмный снегомер служит для определения плотности снега в стационарных условиях, а весовой – на маршрутных снегомерных съёмках.

Весовой снегомер (рис. 12) состоит из снегозаборника, весов и лопатки. Снегозаборник выполнен в виде металлического цилиндра 9, который на одном конце закрывается крышкой 10, а на другом имеет кольцевое утолщение с пилообразной режущей кромкой 7. Вдоль цилиндра нанесена шкала от 0 до 50 см. Высота цилиндра 60 см, площадь внутреннего поперечного сечения – 50 см 2 . На цилиндре находится подвижное кольцо 8 с дужкой 6 для подвешивания к весам.

Рис. 12. Снегомер весовой ВС-43:

1 – рейка коромысла; 2 – передвижной груз; 3 – стрелка; 4 – подвес;

5 – крюк; 6 − дужка; 7 – утолщение с режущей кромкой; 8 – передвижное

кольцо; 9 − цилиндр; 10 – крышка; 11 – лопаточка

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройством постоянной и переносной снегомерной рейки.

2. Определить высоту снежного покрова с помощью переносной снегомерной рейки.

3. Ознакомиться с устройством и правилами работы весового снегомера.

При наблюдениях, выбрав место, где следует определить плотность снежного покрова, снегозаборник со снятой крышкой погружают режущей кромкой в снег до соприкосновения с поверхностью почвы (при снежном покрове до 60 см) и отсчитывают высоту снежного покрова по шкале цилиндра. Лопаткой удаляют излишки снега и взвешивают взятую пробу на весах.

В тех случаях, когда снежный покров больше 60 см, весь столб вырезают постепенно в несколько приемов. При определении плотности снежного покрова в этом случае берут для высоты пробы сумму всех отсчётов высот при взятии проб. Затем делают три измерения и вычисляют среднее из них. По результатам замеров весовым снегомером рассчитывают плотность покрова. Результаты вычислений заносят в табл. 9.

Источник

Плотность снега и запас воды в снежном покрове

Плотность снега d определяется из отношения массы снега m к его объему V, т.е.

Следовательно, задача определения плотности снежного по­крова сводится к взятию пробы снега и последующему определе­нию его объема и массы воды, заключенной в этой пробе.

Пример. Объем взятой пробы снега составляет 1890 см 3 , а масса воды в этой пробе 500 г. Определить плотность снега.

d = 500/1800 = 0,28 г/см 3 .

Запас воды в снежном покрове зависит от его высоты и плот­ности. Высоту слоя воды (мм), образующейся после таяния снега, можно вычислить по формуле

где h – в см, d – в г/см 3 .

Пример. Определить запас воды в снежном покрове, если высота его 40 см, а плотность 0,2 г/см 3 .

z = 40∙0,2∙10 = 80 мм.

Задачи и упражнения

7.11. Масса взятой пробы снега составляет 240 г, а объем его 1200 см 3 . Сколько литров воды приходится на площадь 10 4 м 2 при условии равномерного залегания снежного покрова высотой 50 см?

7.12. В горных местностях высота снежного покрова достигает 4 м. Сколько литров воды приходится на 1 м 2 поверхности при средней плотности снега 0,4 г/см 3 ?

7.13. Объем взятой пробы снега составляет 2200 см 3 , а объем воды, образовавшейся при таянии этой пробы снега, составляет 550 см 3 . Какова плотность снега?

7.14. Наибольшая высота снежного покрова 110 см наблю­дается в среднем течении Енисея. Какой слой воды образуется при таянии снега, если средняя плотность его составляет 0,2 г/см 3 ?

7.15. Свежевыпавший рыхлый снег при слабом ветре и низкой температуре имеет плотность 0,04 г/см 3 , а весной при оттепелях плотность снега может достигнуть 0,7 г/см 3 . Какой слой воды образуется в первом и во втором случаях при средней высоте снежного покрова 40 см?

7.16. Какой слой воды образуется при таянии снега, если объем взятой пробы снега составляет 288 см 3 , объем воды, обра­зовавшейся при таянии этого снега, равен 900 см 3 , а высота снежного покрова 60 см?

ГЛАВА 8. ДАВЛЕНИЕ И ПЛОТНОСТЬ ВОЗДУХА

Единицы давления

Единицей давления воздуха служит паскаль (Па), равный силе 1 ньютон (Н), действующей на площадь 1 м 2 .

1 Па = 1 Н/м 2 , (8.1)

Практически давление воздуха выражают в гектопаскалях (1 гПа = 10 2 Па) с точностью до десятых долей. До недавнего времени в метеорологии в качестве единицы давления воздуха использовался миллибар (мбар): 1 мбар = 1 гПа.

За стандартное атмосферное давление на уровне моря прини­мается давление, равное 1013,25 гПа.

В метеорологии за нормальное давление нередко принимают давление, равное 1000 гПа.

Задачи и упражнения

8.1. Перевести в Па атмосферное давление 10 кН/м 2 .

8.2. Абсолютный максимум атмосферного давления на земном шаре, равный 1083,8 гПа (приведен к уровню моря), зарегистри­рован на ст. Агата в декабре 1968 г., а абсолютный минимум давления, равный 877 гПа, – в тайфуне над Тихим океа­ном в сентябре 1958 г. На сколько отличалось атмосферное давле­ние от стандартного в обоих случаях?

8.3. В Улан-Удэ среднее годовое атмосферное давление (при­веденное к уровню моря) составляет 1020,9 гПа. На сколько отли­чается указанное давление от нормального?

8.4. Определить массу (в кг) столба воздуха сечением 1 см 2 , простирающегося до верхней границы атмосферы при нормальном давлении.

8.2. Плотность воздуха . Виртуальная температура

Плотность сухого воздуха (ρ) определяется из уравнения со­стояния Менделеева—Клапейрона

где р – давление, Т – температура (К), R – удельная газовая постоянная сухого воздуха, равная 287 м 2 /(с 2 ∙К).

Пример. Определить плотность сухого воздуха при температуре 273,2 К и атмосферном давлении 1013,3 гПа.

Плотность влажного воздуха определяется по формуле

(8.3)

где е – парциальное давление водяного пара.

Пример. Определить плотность воздуха при температуре 15°С, атмосфер­ном давлении 1040 гПа при парциальном давлении водяного пара 11,5 гПа.

Здесь давление в паскалях, а температура в Кельвинах.

Виртуальной температурой называется такая температура, ко­торую должен иметь сухой воздух, чтобы его плотность была равна плотности влажного воздуха при том же давлении. Вирту­альная температура определяется по формуле

(8.4)

Используя виртуальную температуру, к влажному воздуху можно применять уравнение состояния и другие соотношения, справедливые для сухого воздуха. Таким образом, формула для плотности влажного воздуха примет вид

Пример. Определить виртуальную температуру массы воздуха, темпера­тура которой 300 К, парциальное давление водяного пара 18,5 гПа при атмо­сферном давлении 990 гПа.

Задачи и упражнения

8.5. Вычислить плотность сухого воздуха при стандартном атмосферном давлении и температуре 0°С.

8.6. Определить плотность сухого воздуха при атмосферном давлении 970 гПа и температуре –73,2°С.

8.7. Ha сколько изменится плотность сухого воздуха при стан­дартном атмосферном давлении, если температура изменится от +50°С до –50 °С?

8.8. В Долине Смерти (США) зафиксирован абсолютный мак­симум температуры воздуха, равный 58°С. Определить плотность сухого воздуха при этих условиях, если атмосферное давление 1000 гПа.

8.9. В Антарктиде зафиксирован минимум температуры воздуха, равный –88,3°С. Какова при этом была плотность сухого воздуха, если давление составляло 740 гПа?

8.10. Какова плотность воздуха на ст. Ледник Федченко (z = 4169 м) при давлении 600 гПа и температуре –10°С?

8.11. В умеренных широтах тропопауза располагается в сред­нем на высоте 11 км, при этом средняя температура и давление здесь равны соответственно -55°С и 217 гПа. На экваторе высота тропопаузы 18 км. Определить плотность сухого воздуха в тропопаузе в умеренных широтах и над экватором, если над экватором температура –75°С и давление 120 гПа.

8.12. Самая низкая температура в стратосфере Арктики, рав­ная -83,3°С, наблюдалась на высоте 29,9 км при атмосферном давлении 52,4 гПа. Какова при этом была плотность воздуха на указанной высоте?

8.13. На высоте 500 км днем температура равна 1830 К при давлении 3,33∙10 -6 гПа, а ночью температура составляет 1186 К при давлении 1,47∙10 -8 гПа. Определить суточные колебания плот­ности на указанной высоте.

8.14. При каком атмосферном давлении плотность воздуха при температуре 290 К равна 1,2 кг/м 3 ?

8.15. Какова плотность сухого воздуха в стратопаузе на высоте 50 км, где температура в среднем составляет 0°С, а атмосферное давление 0,85 гПа?

8.16. Какова плотность воздуха в мезопаузе (z = 90 км), тем­пература которой –80°С, а атмосферное давление равно прибли­женно 1 Па?

8.17. Вычислить плотность воздуха с насыщенным водяным паром при температуре 0°С и атмосферном давлении 1000 гПа.

8.18. Какова плотность воздуха при температуре 300 К, атмо­сферном давлении 1000 гПа и парциальном давлении водяного пара 10,3 гПа?

8.19. На сколько отличается плотность насыщенного водяным паром воздуха при температуре 25°С, атмосферном давлении 1010 гПа от плотности сухого воздуха при тех же значениях тем­пературы и давления?

8.20. Определить плотность воздуха при температуре 290 К, давлении 99∙10 3 Па и относительной влажности 50%.

8.21. Воздух, плотность которого 1,0 кг/м 3 имеет температуру 27°С при парциальном давлении водяного пара 10 гПа. При каком атмосферном давлении возможно такое состояние?

8.22. При каком атмосферном давлении воздух с насыщенным водяным паром, находящийся при температуре 20°С, может иметь плотность, равную 1,0 кг/м 3 ?

8.23. Какую температуру должен иметь сухой воздух, чтобы его плотность равнялась плотности влажного воздуха, имеющего температуру 7°С при атмосферном давлении 1000 гПа и парциаль­ном давлении водяного пара 5 гПа?

8.24. Какую температуру должен иметь сухой воздух, чтобы его плотность равнялась плотности влажного воздуха, имеющего температуру 290 К при атмосферном давлении 1050 гПа и пар­циальном давлении водяного пара 10 гПа?

8.25. Определить виртуальную температуру, если атмосферное давление 910 гПа, температура воздуха 250 К, относительная влажность 50%.

8.26. Какова виртуальная температура насыщенного водяным паром воздуха при атмосферном давлении 950 гПа и темпера­туре 3°С?

8.27. Определить температуру воздуха при атмосферном дав­лении 960 гПа и парциальном давлении водяного пара 10 гПа, если виртуальная температура равна 25,6°С.

8.28. Какова плотность влажного воздуха при давлении 900 гПа и виртуальной температуре 270 К?

8.29. При какой виртуальной температуре плотность влажного воздуха составляет 1,3 кг/м 3 , если атмосферное давление 1020 гПа?

8.30. Определить виртуальную температуру воздуха при темпе­ратуре 250 К, атмосферном давлении 8∙10 4 Па, если дефицит насыщения составляет 30 Па.

8.31. Определить разность между виртуальной и молекулярной температурами (виртуальную разность) при температуре 22°C, атмосферном давлении 1000 гПа и относительной влажности 40 %.

8.32. На сколько отличается плотность сухого воздуха от плот­ности воздуха с насыщенным водяным паром при температуре 40°С и нормальном давлении?

8.33. Воздух с насыщенным водяным паром имеет темпера­туру 18°С при атмосферном давлении 1020 гПа. Какое должно быть атмосферное давление, чтобы сухой воздух при той же тем­пературе имел такую же плотность, как и насыщенный?

8.34. Температура воздуха равна 22°С при парциальном дав­лении водяного пара 15 гПа и атмосферном давлении 1000 гПа. Какое давление должен иметь сухой воздух, чтобы его плотность равнялась плотности влажного воздуха?

8.35. У поверхности земли при стандартном атмосферном дав­лении температура воздуха 27°С, а на высоте 2 м в психромет­рической будке температура 25°С. Каково изменение плотности в двухметровом слое воздуха?

8.36. Как изменится плотность сухого воздуха с высотой, если у земли атмосферное давление нормальное, температура 273 К, вертикальный градиент температуры 3,42°С/100 м?

8.37. На сколько изменится плотность с высотой в шестнад­цатиметровом слое воздуха при изотермии, если у поверхности земли атмосферное давление нормальное и температура воздуха равна 273 К?

8.38. У поверхности земли температура воздуха 250 К и дав­ление 105∙10 3 Н/м 2 . На сколько изменится плотность сухого воз­духа с высотой в инверсионном слое мощностью 24 м при верти­кальном градиенте температуры –1,0°С/100 м?

8.39. У поверхности земли воздух с насыщенным водяным па­ром при температуре 293 К. На высоте 200 м относительная влажность равна 50%. Как изменится плотность воздуха с высо­той в указанном слое, если у земли атмосферное давление 1020 гПа, а вертикальный градиент температуры равен сухоадиабатическому?

Последнее изменение этой страницы: 2019-03-20; Просмотров: 1746; Нарушение авторского права страницы

Источник