Как измерить количество осадков?
Я уверен, что вы регулярно сталкиваетесь с осадками и иногда сильно промокаете, поскольку у вас нет подходящей одежды! Дожди - это одновременно и необходимый ресурс, поскольку они наполняют реки и дают пресную воду, и потенциальная угроза: обильные осадки могут привести к (возможно, быстрому) наводнению. Чтобы лучше понять это природное явление, необходимо правильно его измерить. Это оказывается довольно сложной задачей, поскольку осадки чрезвычайно изменчивы во времени и пространстве. В этой статье вы познакомитесь с работой трех устройств для измерения осадков, обеспечивающих суммарную глубину осадков (дождемеры с опрокидывающимся ведром), размер и скорость падающих капель (дифрометры) или карты осадков (метеорологические радары).
Дождь - одно из самых распространенных явлений на Земле, и я готов поспорить, что вы регулярно становитесь его свидетелем. Иногда вы готовы к этому, имея соответствующую одежду, а иногда нет! Дождь бывает длинным и легким, иногда коротким и сильным, а иногда длинным и сильным. Когда дождь идет долго и обильно, он может привести к быстрому наводнению, что опасно для жителей близлежащих районов. Дожди также необходимы, поскольку они обеспечивают водой растения и в конечном итоге наполняют реки. Поскольку осадки - это одновременно и необходимый ресурс, и угроза, важно лучше понимать это природное явление.
Скорее всего, вы уже заметили, что дождь меняется с течением времени. Когда вы находитесь в одном и том же месте, дождь там не идет постоянно. Даже во время одного дождя сила осадков может постоянно меняться от очень слабых до очень сильных. Сильные периоды осадков обычно довольно коротки. Подобная изменчивость осадков проявляется и в более широком масштабе, поскольку, как известно, есть более влажные месяцы или годы и более сухие. Изменчивость наблюдается и в местах выпадения осадков. В одном месте может выпасть много осадков, а в нескольких километрах или даже в нескольких сотнях метров от него - совсем нет, или они могут быть совсем другой силы.
Изменчивость - это основная характеристика осадков, которая делает их сложными для измерения. Метеорологи (люди, изучающие погоду) и исследователи разработали множество измерительных приборов, которые позволяют изучать чрезвычайную изменчивость осадков. Мы расскажем о работе трех наиболее часто используемых приборов. Данные, которые мы представим, были собраны в кампусе Ecole des Ponts ParisTech, где я работаю.
Как мы измеряем количество выпавшего дождя?
Наиболее распространенное измерение количества осадков - это общая глубина осадков за определенный период, выраженная в миллиметрах (мм). Например, мы хотим узнать, сколько миллиметров осадков выпало за 1 час, 1 день, 1 месяц или 1 год.
Вы можете легко определить глубину осадков в домашних условиях. Просто выполните следующие действия: (1) Возьмите бутылку с гладкими боками, отрежьте верхнюю часть и переверните ее вверх дном, чтобы получилось что-то вроде воронки (см. рис. 1А). (2) Прикрепите линейку к боковой стенке бутылки и наполните ее водой до нулевой отметки на линейке, которая должна быть выше бугорков на дне бутылки. В противном случае неровности повлияют на результаты измерения. (3) Вынесите дождемер на улицу, как можно дальше от зданий и деревьев. (4) Регулярно отмечайте уровень воды (например, каждое утро в 8:00, перед тем как идти в школу), чтобы собрать собственные данные. Если вы планируете проводить измерения летом, часть воды из бутылки будет испаряться (до нескольких мм в день), и это повлияет на результаты измерений. Чтобы избежать этого, можно добавить в воду тонкий слой масла. Поскольку масло легче воды, оно будет плавать на поверхности воды и препятствовать испарению. Измерения, полученные с помощью дождемера, покажут вам, сколько осадков выпало за определенный период времени.
Профессионалы используют более сложные устройства, называемые дождемерами с опрокидывающимся ведром, и вы можете увидеть один из них на рисунке 1B. Этот дождемер похож на ваше самодельное устройство, за исключением того, что под воронкой находятся два ведра. Вода, попадающая в дождеприемник, направляется в одно ведро через воронку. Как только ведро заполнится, обычно после выпадения 0,2 мм дождя, оно автоматически опрокидывается, то есть под воронкой оказывается другое ведро. Процесс начинается заново с этим ведром, пока оно не наполнится и не опрокинется. Дождемер фиксирует время опрокидывания всех ведер, что дает исследователю данные о том, как быстро идет дождь. На рисунке 1С показан пример данных, которые можно получить с помощью дождемера с опрокидывающимся ведром. Эти наблюдения были проведены 27 июня 2017 года. Глубина осадков (в мм) быстро увеличилась между 13:00 и 14:00, что означает, что в этот период шел сильный дождь. В период небольшого дождя этот прибор не очень точен. Например, между 05:15 и 13:00 вы можете сказать, что выпало 0,2 мм осадков (одна верхушка ведра), но вы не знаете, когда именно они выпали. Если есть сильный ветер, это также может повлиять на точность прибора.
Как измерить размер капель дождя?
Из чего состоит дождь? Очевидно, из капель дождя! Дождемеры не настолько чувствительны, чтобы измерять отдельные капли дождя. Чтобы начать собирать данные о каплях и их размерах, вам понадобится прибор под названием дисдрометр.
Прежде чем описывать "настоящий" дифрометр, вот как вы можете сделать его в домашних условиях (более подробное описание см. в статье [ 1 ]). Выполните следующие шаги: (1) Возьмите тарелку и насыпьте на нее несколько миллиметров муки. (2) Во время дождя выйдите на улицу с накрытой тарелкой, откройте ее на несколько секунд, чтобы капли упали на нее и образовали небольшие кратеры, а затем вернитесь в дом. (3) Проанализируйте результат.
Вы увидите нечто похожее на то, что показано на рис. 2A, и заметите, что капли не все одинакового размера - некоторые очень маленькие, а некоторые очень большие! На самом деле кратеры больше, чем капли, потому что вода немного растекается после удара о пластину, но они все равно позволяют наглядно увидеть большое разнообразие размеров капель даже за очень короткий промежуток времени.
Как вы можете себе представить, метеорологи и исследователи хотели иметь более автоматический и точный прибор, чем мучная тарелка! Сейчас они в основном используют оптические дифрометры, которые работают так, как показано на рисунке 2В. Этот вид дисдрометра состоит из двух частей: излучателя и приемника. Излучатель генерирует световой поток высотой в несколько мм. Приемник совмещен с излучателем, то есть, когда нет дождя, приемник получает весь свет. Однако, когда капля проходит через световой лист, угадайте, что происходит? Количество получаемого света уменьшается, потому что часть его блокируется каплей. Если капля падает очень быстро, то продолжительность уменьшения количества принимаемого света будет короткой. Так оценивается скорость падения капли. Если капля большая, сигнал, измеряемый приемником, уменьшится сильнее, чем при меньшей капле. Так оценивается размер капли. Таким образом, измеряются размер и скорость каждой капли, проходящей между излучателем и приемником.
Капли дождя могут достигать 5-6 мм. Более крупные капли раскалываются во время падения. Ведь при таком размере они недостаточно прочны, чтобы противостоять силе ветра, который они испытывают при стремительном падении. Скорость падения капель увеличивается с их размером: 1-миллиметровые капли падают со скоростью 3 м/с, а 5-миллиметровые (очень крупные) - со скоростью 8 м/с. На рисунке 2C показано количество капель каждого размера, упавших во время шторма, который прошел 27 июня 2017 года в районе Парижа. Мелких капель гораздо больше, чем крупных. Но не забывайте, что 1-миллиметровая капля имеет объем в 125 раз меньший, чем 5-миллиметровая! Это означает, что крупные капли, хотя они и немногочисленны, составляют большую часть глубины осадков. Теперь рассмотрим последовательные временные шаги по 30 с. Тогда, сложив объемы всех капель, прошедших через дифрометр за 30 с, вы сможете оценить глубину дождя, выпавшего за каждый 30-секундный шаг. Эта оценка даст вам скорость дождя, которая обычно выражается в мм/ч. Скорость дождя дает представление о силе осадков. Скорость дождя соответствует глубине дождя, которая могла бы накопиться за 1 ч, если бы скорость дождя оставалась постоянной в течение этого часа (чего в реальной жизни никогда не происходит). На рис. 2D показана скорость дождя (в мм/ч) с шагом по времени 30 с во время того же события 27 июня 2017 года. На графике хорошо видна сильная изменчивость скорости дождя.
Как сделать карту осадков?
До сих пор мы говорили только об устройствах, позволяющих измерять количество осадков в точном месте. Дождемеры и дифрометры дают представление только о том, какой дождь выпал на них, но не на окружающую территорию или на расстояние 20 км. Для создания карт осадков - карт с количеством осадков, выпавших за определенный промежуток времени (например, за 5 минут или 1 час) в нескольких местах, - нам необходимо опираться на данные метеорологических радаров.
Принцип работы метеорологического радара кратко представлен на рисунке 3A. Сначала радарное оборудование передает электромагнитную волну в одном направлении, которая переносит часть энергии через атмосферу. Когда эта энергия достигает капли воды в облаке, крошечная часть этой энергии передается обратно на радарное оборудование. Затем оборудование измеряет это очень маленькое количество энергии, полученное от всех капель. С помощью специальных компьютерных программ можно преобразовать количество полученной энергии в количество дождя. Важно помнить, что радар не измеряет количество дождя напрямую, а измеряет количество энергии, посылаемой каплями обратно. Это преобразование энергии в количество дождя оказывается непростой задачей, и люди все еще проводят исследования, чтобы улучшить ее [ 3 ]. Например, в настоящее время распределение капель по размерам и их расположение в пикселе радара считаются однородными. Это чрезмерное упрощение реальности, которое может повлиять на результаты измерений [ 4 ]. Компьютерная программа позволяет радарному оборудованию оценивать количество осадков в местах, которые находятся на большом расстоянии от него. Радарное оборудование может вращаться, а также изменять угол наклона, чтобы оценить количество осадков во всем своем окружении.
В зависимости от типа радара можно оценить количество осадков на расстоянии до 150-200 км от радиолокационного оборудования. Во многих развитых странах существует целая сеть радарных установок. Объединив данные, собранные различными радарами, можно получить карты осадков по всей стране. На рисунке 3B показан пример радарной карты осадков, измеренных радарным оборудованием в Ecole des Ponts ParisTech. Видна изменчивость количества осадков - обратите внимание на две очень интенсивные ячейки в нижней части карты, выделенные желтым и красным цветом.
Что мы узнали?
Количество осадков чрезвычайно изменчиво как во времени, так и в разных местах, что делает их измерение очень сложным. Дождемер, по сути, собирает падающую на него воду и регистрирует изменение глубины осадков во времени, которое обычно выражается в мм. С помощью дифрометров можно получить гораздо более подробную информацию. Дрисдрометр генерирует световой поток, который частично блокируется, когда через него падает капля. Размер и скорость каждой капли, проходящей через лист света, оцениваются по количеству заблокированного света. Для создания карт осадков, которые измеряют количество осадков в нескольких местах, мы должны использовать радар, который посылает энергию в атмосферу и анализирует часть этой энергии, которая возвращается к нему, отражаясь от капель дождя в атмосфере. Многие ученые до сих пор работают над тем, чтобы точно измерять количество осадков во времени и в нескольких местах одновременно.
