Temperatura powietrza

 

Andrzej A. Marsz (wszelkie prawa autorskie zastrzeżone), materiał pierwotnie przygotowany dla studentów nawigacji AM w Gdyni

Definicje

  1. Temperatura - podstawowa wielkość określająca stan układu termodynamicznego, przyjmująca tą samą wartość dla układów będących w stanie równowagi termodynamicznej ze sobą. Pomiar można przeprowadzić tylko w sposób pośredni, opierając się na zależności od temperatury takich właściwości ciał, które można mierzyć bezpośrednio. Temperaturę ciała podaje się w stopniach, a jej wartość zależy od przyjętej skali termometrycznej... [za: Encyklopedia Powszechna PWN, 1976]. Uwaga: oznaczenie stopni - przy skali Celsjusza  - ° powinno odnosić się do konkretnych wartości temperatury, przy różnicach temperatury winno stosować się oznaczenie "deg".
  2. Temperatura - funkcja wprost proporcjonalna do średniej energii kinetycznej cząstek (molekuł). W gazie idealnym T = (2 / (3*k))*K;  gdzie K - średnia energia kinetyczna przypadająca na jedną cząsteczkę.
    Wartość 3*k (małe k, nie mylić z dużym K, stojącym poza nawiasami) stanowi stałą, przy czym konkretna wartość k zależy od przyjętej skali termometrycznej. W skali Celsjusza interwał temperatury od punktu krzepnięcia wody do punktu wrzenia wody (przy ciśnieniu 1 atm) dzieli się na 100 równych części - stopni. W ten sposób, wielkość k, którą nazywa się stałą Boltzmanna, określa się drogą pomiarów właściwości wody. Eksperymentalnie określono, że k = 1,38 * 10^-28 J/deg [z: J.Orear, PHYSICS].

Należy pamiętać, że temperatura i ciepło to nie to samo. Zasób ciepła w substancji jest określony przez iloczyn temperatury, ilości (masy) substancji i jej ciepła właściwego. Nie należy dokonywać porównań typu: "było 2°C, jest 18°C, czyli jest 9 razy cieplej". Takiego rodzaju porównania są bez sensu.

Ciepło właściwe - wielkość fizyczna równa stosunkowi ilości ciepła pobranego przez jednostkę masy substancji do zmiany temperatury powstałej w wyniku pobrania tego ciepła. Stosuje się jednostki: J/kg*K, J/g * °C, cal/g * °C [ta ostatnia jest jednostką pozaukładową, to znaczy nie jest jednostką w układzie SI, choć często jest jeszcze stosowana]. Ciepło właściwe zależy od rodzaju substancji, jej fazy i sposobu ogrzewania. Na ogół ciepło właściwe cieczy jest większe od ciepła właściwego ciał stałych (szczególnie duże ciepło właściwe ma woda). Ciepło właściwe powietrza wynosi 0,25 cal/g (1,045 J/g * 1°C) [przy ciśnieniu 1 atm, w przedziale temperatury od -120° do +400°C].

Niektóre stałe fizyczne suchego powietrza:
- gęstość (g/l, g/dcm^3), przy ciśnieniu 1013,33 hPa: 1,424 (w temp. -25°C), 1,2929 (w temp. 0°C), 1,2047 (w temp. +20°),
- współczynnik przewodnictwa cieplnego w temperaturze 0°C: 2424,4 J/cm * s * deg (580 cal/cm * s * deg),
- lepkość dynamiczna (0,1N * s/m^2; centypauzy; układ CGS) 0,000171 (w temp. 0°C); 0,000181 (w temp. +20°C),
- rozpuszczalność w wodzie (ml/l przy ciśnieniu 1013,3 hPa): 29,18 (w temp. wody 0°C), 18,68 (w temp. 20°C).


Skale termometryczne

Umowne systemy, za pomocą których opisuje się temperaturę substancji (ciała). W praktyce, spotkać się można z trzema skalami termometrycznymi:

  • bezwzględna skala temperatury - inaczej międzynarodowa praktyczna temperatura Kelvina, potocznie nazywana skalą bezwzględną. Punktem zerowym w skali Kelvina jest 0 bezwzględne, odpowiadające temperaturze w skali Celsjusza -273,15°. Przejście ze skali Celsjusza na bezwzględną skalę temperatury jest proste: K = t°C + 273,16. Jednostką temperatury jest tu Kelvin (nie stopień Kelvina; temperaturę notujemy jako np. 293.5 K, (odpowiada 20,34°C) bez symbolu stopnia). W tej skali nie mogą wystąpić ujemne temperatury! Skala stosowana w praktyce meteorologicznej rzadko.
  • skala Celsjusza. Oznaczenie: °C. Punktem zerowym jest punkt potrójny wody, uzyskano wymiar 1° dzieląc na 100 równych części interwał temperatury między punktem zerowym a punktem wrzenia wody przy normalnym ciśnieniu. Skala ta jest powszechnie stosowana na świecie, za wyjątkiem niektórych byłych kolonii brytyjskich i USA. W Wielkiej Brytanii skala Celsjusza jest już przeważnie stosowana, choć można spotkać jeszcze w użyciu i skalę Fahrenheita. Przejście ze skali Celsjusza na skalę Fahrenheita przeprowadza się następująco: t°F = (1,8 * t°C) + 32.
  • skala Fahrenheita. Oznaczenie: °F. Punktem zerowym tej skali jest temperatura zamarzania mieszaniny salmiaku i lodu a temperaturę wrzenia wody określono na 212°F. W tej skali temperatura zamarzania wody destylowanej wynosi 32°F. Interwał temperatury między punktem krzepnięcia wody destylowanej a punktem wrzenia wody destylowanej pod normalnym ciśnieniem podzielono na 180 równych części, będących stopniami Fahrenheita [patrzcież Państwo, jakie to proste]. 1°F = 5/9 °C. Skala Fahrenheita jest powszechnie stosowana w USA. Wartości w skali Fahrenheita znajdują się często na mapach faksymilowych, w biuletynach pogodowych, komunikatach, ostrzeżeniach wydawanych przez kraje anglosaskie. Przejście ze skali Fahrenheita na skalę Celsjusza  przeprowadza się za pomocą formuły: t°C = (5/9)*(t°F - 32).

Istnieją i inne skale termometryczne (np. Réaumura, Rankine’a, Rømera, Delisle’a), mają one obecnie znaczenie historyczne i nie znajdują zastosowania w praktyce.

Przykłady przeliczeń temperatury:

  • -20°F; ile to °C? 5/9 = 0,5555... (-20 - 32) = -52;  -52 * 0,5555 = -28,9°C
  • 80°F; ile to w °C? (80-32) = 48; 48 * 0,5555 = 26,7°C,
  • Jesteśmy zimą na wodach na E od Nowej Fundlandii. W komunikacie czytamy, że jest spodziewany gwałtowny spadek temperatury powietrza do 0 - 5°F i może wystąpić bardzo intensywne oblodzenie statków. Czy rzeczywiście? Liczymy: (0-32) = -32; -32 * 0,5555 = -17,8°C; (5 - 32) = -27; -27 * 0,5555 = -15,0. Rzeczywiście może, lepiej, żeby prognoza była błędna i było cieplej.
  • Chory na statku ma temperaturę 39,8°C. Amerykanin z MEDICAL-RADIO gdy to słyszy, twierdzi, że pomoc medyczna jest już zbędna. Z jakiego powodu? Jaka jest temperatura chorego w jednostkach, które byłyby zrozumiałe dla amerykańskiego strażaka po przeszkoleniu medycznym lub amerykańskiego lekarza? Liczymy: (1,8 * 39,8) = 71,64; 71,64 + 32 = 103,6°F. Cóż, polski lekarz słysząc o takiej temperaturze chorego (103,6°) też by zwątpił, przypuszczalnie w taktowny sposób zwróciłby nam uwagę, że jesteśmy dowcipnisiem.


Przyrządy służące do pomiaru temperatury

Przyrządy służące do pomiaru temperatury powietrza noszą ogólną nazwę termometrów lub termografów. W meteorologii stosuje się kilka podstawowych grup przyrządów, wśród  których wyróżnia się:

  • termometry stacyjne - służące do pomiaru temperatury aktualnej,
  • termometry ekstremalne - służące do pomiaru temperatury maksymalnej i minimalnej w danym okresie (odcinku czasu,
  • termometry psychrometryczne - instalowane w psychrometrach aspiracyjnych,
  • termografy - przyrządy do pomiaru temperatury i jednoczesnego zapisu jej przebiegu w funkcji czasu.

Termometry stacyjne

mogą być termometrami cieczowymi lub termometrami elektrycznymi. Zwyczajowo określenie "termometr stacyjny" zarezerwowany jest na określenie termometru cieczowego. Jeśli jest to termometr rtęciowy, zazwyczaj jego zakres pomiarowy wynosi od -30°C do +50°C (bywają wykorzystywane i inne zakresy pomiaru temperatury). W przypadku, gdy zachodzi potrzeba pomiarów temperatury powietrza niższych od -30°C stosuje się termometry alkoholowe (zazwyczaj jest to któryś z zabarwionych alkoholi wielocząsteczkowych), umożliwiających pomiar do -75°C lub -90°C. Termometry stacyjne skalowane są co 0,2°C, odczytu dokonuje się z dokładnością do 0,1°, interpolując położenie krańca słupka rtęci między kreskami skali. Poszczególne służby meteorologiczne stosują ujednolicone typy termometrów stacyjnych (chodzi o to, aby termometry te miały jednakową dokładność, bezwładność cieplną, etc., czyli żeby wykonywane pomiary temperatury były ze sobą całkowicie porównywalne).

Termometry stacyjne, przed dopuszczeniem do użytku są sprawdzane w komorach termicznych, gdzie ich wskazania są porównywane ze wskazaniami termometrów wzorcowych. Na podstawie tych porównań dany termometr otrzymuje świadectwo cechowania (dopuszczające do użytku) oraz tabelę poprawek instrumentalnych (patrz: poprawka instrumentalna). Termometr stacyjny w każdym momencie wskazuje temperaturę aktualną, czyli taką, jaką w danej chwili ma powietrze, jeśli spełnione są standardowe warunki pomiaru (patrz: warunki pomiaru temperatury powietrza). Odczytu temperatury dokonuje obserwator w wyznaczonym momencie obserwacji, stąd wartość temperatury powietrza poza momentami obserwacji pozostaje nieznana. Ze względu na kruchość przyrządu (szkło), termometry stacyjne nie znajdują zastosowania na statkach (niekiedy można spotkać się na niektórych statkach (najczęściej pływających pod narodową banderą Niemiec) z termometrami stacyjnymi, które znajdują się w "minibudkach" meteorologicznych, tworząc zazwyczaj parę: termometru suchego i wilgotnego (razem tworzącą psychrometr Augusta).

Na statkach spotyka się najczęściej z różnego rodzaju termometrami elektrycznymi (elektronicznymi), które w dogodnych miejscach (np. na konsoli sterowania na mostku) podają aktualną temperaturę powietrza. Czujnikami reagującymi na zmiany temperatury powietrza są w tych termometrach najczęściej termistory (układy bardzo silnie zmieniające opór elektryczny w funkcji temperatury) lub specjalnie konstruowane do tego celu układy półprzewodnikowe, których charakterystyki prądowe lub napięciowe silnie uzależnione są od temperatury złącza. Czujniki termometrów elektronicznych mają bardzo małą masę i rozmiary, stąd ich bezwładność cieplna jest minimalna (bardzo szybko ich temperatura wyrównuje się z temperaturą przepływającego obok nich powietrza). Zmiany oporu (napięcia / prądu) czujnika odpowiedni układ zamienia z wielkości elektrycznej na wskazanie temperatury, wyświetlane przez czytnik, lub / i na postać cyfrową, możliwą do zapisania np. w komputerze (datalogerze). Takiego rodzaju czujniki temperatury powietrza (pod względem rozwiązań konstrukcyjnych jest ich wielka mnogość) stanowią również elementy pomiarowe w różnego rodzaju automatycznych stacyjkach / stacjach meteorologicznych, które z zadaną częstotliwością próbkowania (np. co 10 minut, co godzinę) rejestrują wartości temperatury powietrza i innych elementów meteorologicznych.

Termometry ekstremalne

stosuje się w celu uchwycenia (pomiaru) najwyższej w danym okresie (zazwyczaj w ciągu doby) najwyższej (maksymalnej) i najniższej (minimalnej) temperatury, która zazwyczaj wystąpi w momentach między pomiarami temperatury na termometrze stacyjnym. Na statkach termometry takie nie znajdują zastosowania. Termometr maksymalny i termometr minimalny umieszcza się w klatce meteorologicznej poziomo (faktycznie są one nachylone pod niewielkim kątem do poziomu).

 

Po lewej - termometry maksymalny (1) i minimalny (2) w klatce meteorologicznej, obok psychrometr Augusta (3). Po prawej - klatka meteorologiczna

Termometr maksymalny działa na tej samej zasadzie, co znany niemal wszystkim termometr lekarski. Zbiorniczek z cieczą rozszerzalną (zazwyczaj rtęcią) oddzielony jest od rurki pomiarowej kapilarą. W momencie zwiększania objętości rtęci pod wpływem wzrostu temperatury, znaczne ciśnienie w zbiorniczku przepycha rtęć przez kapilarę i wysokość słupka rtęci w rurce pomiarowej rośnie. W przypadku spadku temperatury, rtęć w zbiorniczku kurczy się, słupek rtęci w kapilarze ulega przerwaniu i wysokość słupka rtęci w rurce pomiarowej pozostaje stała (nie opada). W ten sposób koniec słupka rtęci rejestruje najwyższą temperaturę, jaka wystąpiła w czasie od ostatniego przygotowania termometru do pomiaru. Przygotowanie termometru maksymalnego do pomiaru polega na wyjęciu go ze statywu i strząśnięcia, podobnie jak to się robi z termometrem lekarskim. Po strząśnięciu należy sprawdzić, czy wskazanie termometru maksymalnego jest zgodne ze wskazaniem termometru stacyjnego (powinno być zgodne, jeśli temperatura na termometrze maksymalnym jest wyższa niż na termometrze stacyjnym należy ponownie strząsnąć termometr maksymalny.

Termometr minimalny jest wypełniony którymś z alkoholi wielocząsteczkowych o bardzo niskiej temperaturze krzepnięcia i dużym napięciu powierzchniowym. Rurka pomiarowa tego termometru ma dość dużą średnicę, wewnątrz rurki, w cieczy rozszerzalnej znajduje się barwny pręcik szklany, którego średnica jest oczywiście mniejsza od średnicy rurki. Ciecz rozszerzalna, zwiększając swoją objętość swobodnie przeciska się między pręcikiem a ścianką wewnętrzną rurki i pręcik pozostaje w miejscu. W przypadku, gdy temperatura spada na tyle, że menisk cieczy rozszerzalnej dojdzie do pręcika, duże napięcie powierzchniowe menisku przesuwa ("ściąga") pręcik w stronę, w którą wędruje menisk. Ponowny wzrost temperatury i ruch menisku w drugą stronę nie przesuwa pręcika. W ten sposób krawędź pręcika, skierowana w stronę menisku wyznacza wartość minimalnej temperatury, jaka wystąpiła w okresie od ostatniego przygotowania termometru do pomiaru. Przygotowanie to polega na wyjęciu termometru minimalnego ze statywu i pochylenia go tak, aby pręcik przesunął się i oparł o menisk. Nie należy tego termometru strząsać !

Odczytu temperatury maksymalnej i minimalnej dokonuje się na stacjach meteorologicznych zazwyczaj raz na dobę, w terminie porannej obserwacji (przeważnie o godzinie 07:00 czasu urzędowego lub miejscowego czasu słonecznego albo też w dwie godziny po wschodzie Słońca, zależy to w jakim reżimie pracuje dana stacja). Po odczycie termometry wyjmuje się ze statywu i przygotowuje do następnych pomiarów.

Termometry psychrometryczne

są mniejsze od termometrów stacyjnych przez co charakteryzują się nieco mniejszą bezwładnością cieplną. Ich skalowanie (co 0.2°C) jest takie samo, jak termometrów stacyjnych. Montowane są w psychrometrach aspiracyjnych, lub też, w specjalnych uchwytach, po dwa razem, na lince (sznurze) lub rzemyku - w psychrometrach procowych (omówienie przyrządów - patrz zakładka wilgotność powietrza). Pomiar temperatury powietrza za pomocą tych termometrów nie odbiega w niczym od pomiaru wykonywanego termometrem stacyjnym. Odczyt temperatury, ze względu na mniejsze rozmiary termometrów jest utrudniony, z tego względu niektóre psychrometry fabrycznie wyposażone są w przesuwane lupki (Uwaga - termometry psychrometryczne są postrachem dalekowidzów. Z tego względu dalekowidz winien być zaopatrzony w lupkę z rączką).

Termografy

są przyrządami mierzącymi temperaturę i rejestrującymi jej przebieg w funkcji czasu. Elementem reagującym na zmiany temperatury jest tu najczęściej czujnik deformacyjny, zmieniający swój kształt w funkcji zmian temperatury (np. rożek manometryczny wypełniony cieczą rozszerzalną lub element bimetaliczny). Zastosowanie tak mało czułych i mających dużą bezwładność cieplną elementów pomiarowych wynika z potrzeby uzyskania dość dużych sił, które zdolne będą pokonać opory tarcia w przekładni, przenoszącej ruch czujnika deformacyjnego na wskazówkę zakończoną pisakiem i tarcia pisaka o papier (termogram).

Ważnym elementem termografu jest bęben, wewnątrz którego znajduje się mechanizm zegarowy, obracający bęben ruchem jednostajnym. Mechanizmy zegarowe mają napęd sprężynowy lub elektryczny. Na bęben naciągnięty jest termogram, będący paskiem papieru z wydrukowaną skalą czasową i skalą temperatury. Wskazówka, przenosząca ruchy czujnika temperatury zakończona jest pisakiem, który kreśli na termogramie linię, odpowiadającą ciągłemu zapisowi temperatury powietrza. Najczęściej stosowany jest termograf tygodniowy, w którym pełen obrót bębna trwa 168 godzin. Dokładność wskazań termografu jest o rząd wielkości niższa niż termometru stacyjnego, w dobrym termografie realna dokładność odczytu temperatury wynosi około 1°C, dokładność odczytu czasu z reguły jest mniejsza od 15 minut.

Termografy na statkach rzadko wykorzystywane są do prowadzenia obserwacji meteorologicznych, częściej służą do dokumentowania spełnienia założonych warunków termicznych przewozu ładunku. Z tego względu najczęściej instalowane są w ładowniach, chłodniach, etc. Niezależnie od tego, w jakim celu stosuje się termograf należy pamiętać o regularnym sprawdzaniu jednostajności i punktualności obrotu bębna. W większości termografów, po zdjęciu bębna z przyrządu, uzyskuje się dostęp do regulatora mechanizmu zegarowego, pozwalającego ustawić chód zegara w pewnych granicach (przyspieszenie, opóźnienie).


 

Po lewej - termograf tygodniowy (prod. polska, "Zootechnika"). Przyrząd ma zdjętą perforowaną osłonę elementu termoczułego. Jest to srebrzysta metalowa płytka, będąca paskiem bimetalicznym "uginającym się" pod wpływem zmian temperatury. Płytka bimetaliczna jest z jednej strony unieruchomiona (w miejscu, gdzie na fotografii widoczna jest masywna nakrętka), drugi jej koniec jest swobodny. Ugięcia swobodnego końca płytki bimetalicznej, przenoszone są przez cięgło (widoczne na fotografii; przechodzi przez otwór w obudowie przyrządu) i system dźwigni (wewnątrz przyrządu, na fotografii nie widoczne) na wskazówkę przyrządu, zakończoną pisakiem. Pisak napełniony się nieschnącym tuszem kreśli następnie przebieg temperatury na termogramie. Przyrządy produkowane przez "Zootechnikę" są marnej jakości i nie są polecane do stosowania na statkach (brak tarowania i świadectwa przyrządu, duża awaryjność, duża bezwładność cieplna, itp).
Po prawej - widok z góry na znajdujący się wewnątrz bębna termografu mechanizm zegarowy (termograf o napędzie sprężynowym). "Nakręcanie" zegara termografu dokonuje się za pomocą klucza (płaski element wystający ponad przezroczystą pokrywkę bębna), jego obrót przenoszony jest na sprężynę przez asymetrycznie ustawioną oś wchodzącą do wnętrza mechanizmu zegarowego. Układ regulacji chodu zegara to mosiężny, płaski element znajdujący się na metalowej górnej powierzchni zegara. Nad nim znajduje się czarna plastikowa zatyczka, która po wyjęciu umożliwia dostęp (np. precyzyjnym śrubokrętem) do mechanizmu regulacyjnego. Środkowa, centralnie usytuowana, oś (zakończona u góry nakrętką), jest osią obrotu mechanizmu zegarowego. Po odkręceniu nakrętki osi możliwe jest zdjęcie bębna (trzeba delikatnie unieść do góry). Jeśli po nakręceniu zegar nie chodzi, trzeba zdjęty bęben gwałtownym ruchem skręcić (90-180°), tak aby balans zegara zaczął się poruszać. Nowoczesne samopisy mają napęd elektryczny, znajduje się w nich silnik krokowy, sterowany zegarem kwarcowym (podobny do mechanizmu zegarowego w tanich budzikach kwarcowych ze wskazówkami).

Dla kontroli chodu, w określonych momentach (trzeba zapisać czas i datę) naciska się element deformacyjny, który rysuje na termogramie wyraźny ząbek (reper), co pozwala następnie wprowadzić poprawki czasowe i prawidłowo przypisać temperaturę do określonego momentu. Termografy z napędem sprężynowym należy nakręcać do oporu, acz z wyczuciem, aby nie zerwać sprężyny lub zaczepu sprężyny. W termografach z napędem elektrycznym należy pamiętać o wymianie baterii w terminie podanym przez instrukcję eksploatacji danego typu termografu. Stosując termograf do kontroli temperatury w ciężkich chłodniach (ładowniach chłodzonych), należy zwrócić uwagę na zastosowany w termografie smar, czy nie skrzepnie w niskich temperaturze, w przypadku termografów o napędzie elektrycznym należy wcześniej sprawdzić, czy bateria będzie pracować (dawać odpowiedni prąd) w tak niskich temperaturach.

Warunki pomiaru temperatury powietrza

Aby odczyt temperatury powietrza spełniał warunki prawidłowości i porównywalności, temperatura termometru musi być równa temperaturze powietrza, czyli temperatura obu mediów musi być całkowicie wyrównana. Wymaga to eliminacji strat ciepła przez termometr spowodowanych przez występujące ciepło parowania, gdy termometr jest mokry, eliminacji dopływu energii promienistej do termometru, etc.

Na lądowych stacjach meteorologicznych, aby zapewnić porównywalne i prawidłowe warunki pomiaru temperatury powietrza, termometry meteorologiczne umieszcza się w tzw. klatkach meteorologicznych. Są to drewniane budki, o żaluzjowych ściankach bocznych, z otworami w dnie i dachu wewnętrznym, dzięki czemu powietrze swobodnie przepływa przez klatkę, umożliwiając dobrą wymianę ciepła między powietrzem a termometrem, jednocześnie termometry są zabezpieczone przed opadem (są suche) i przed nagrzewaniem ich przez bezpośrednie i rozproszone promieniowanie słoneczne. Klatki instaluje się na dość wysokich, drewnianych nogach, tak, aby pomiar był wykonywany na jednakowej, standardowej wysokości 200 cm nad powierzchnią terenu. Aby zminimalizować nagrzewanie klatek przez Słońce, są one lakierowane na biało (minimalne albedo). Powierzchnia terenu pod klatką winna być powierzchnią trawiastą (w okresie występowania śniegu - śnieżną). W pobliżu klatek meteorologicznych nie może być emitorów ciepła ani promieniowania. W klatce meteorologicznej umieszcza się przyrządy meteorologiczne, z których bezwzględnie muszą znajdować się w klatce termometry stacyjne: suchy i zwilżony, tworzące razem psychrometr Augusta, termometr maksymalny, termometr minimalny, i jeśli się stosuje - termograf lub termohigrograf.

Na statku brak jest możliwości instalowania klatki meteorologicznej. Pomiary temperatury powietrza wykonuje się za pomocą psychrometru aspiracyjnego Assmanna, lub też za pomocą na stałe zainstalowanego termometru elektrycznego. Ten ostatni, dla celów meteorologicznych, powinien być zainstalowany na większej wysokości nad pokładem, z dala od masywnych konstrukcji statku. Warunki takie znajduje się zazwyczaj na specjalnym wytyku nad pokładem pelengowym, lub też na maszcie. Jednak w takich warunkach nie jest spełniony warunek utrzymania wysokości pomiaru równej 10 m nad lustrem wody. Czujniki termometrów elektrycznych są fabrycznie osłonięte i zabezpieczone przed zamoczeniem Nieuniknionym jest jednak to, że po pewnym czasie czujniki te zostają zasolone, co w warunkach zwiększonej wilgotności powietrza powoduje, że stają się wilgotne, co zniekształca precyzję pomiaru temperatury. Nie da się również uniknąć tego, że przy określonych kursach w stosunku do wiatru czujniki te mogą znaleźć się w strumieniu powietrza zmieszanego ze gorącymi spalinami. Z tego względu, pomiary meteorologiczne, przeznaczone do przekazania na ląd (OBS) lub / i zapisu w dzienniku obserwacji meteorologicznych i hydrologicznych winny być wykonywane za pomocą psychrometru Assmanna.
Pomiar temperatury (i wilgotności) powietrza na statku powinien być wykonywany po nawietrznej, w miejscu zacienionym (o ile to możliwe), trzymając psychrometr pionowo (aby promieniowanie nie ogrzewało bezpośrednio zbiorniczków z rtęcią), z dala od wylotów ciepłego powietrza z systemów wentylacyjnych. Psychrometr powinien być utrzymywany w czystości, należy często sprawdzać czy termometry nie są zasolone. W przypadku zasolenia termometrów należy je umyć w słodkiej wodzie a następnie wypłukać w wodzie destylowanej. Podobnie należy sprawdzać stan batystu lub knota bawełnianego na termometrze wilgotnym. Do zamaczania termometru wilgotnego należy używać wyłącznie wody destylowanej; woda pitna czy sanitarna pozostawia szybko osad (kamień kotłowy), zniekształcający warunki parowania. Psychrometr, po zwilżeniu termometru mokrego, winien być na 30 minut przed pomiarem wystawiony w otwartej skrzynce na zewnątrz w zacienionym miejscu (zamocować w razie przechyłów), wcześniej wtedy dojdzie do ustalenia się temperatury na termometrze wilgotnym. Przed odczytem należy sprawdzić, czy termometr suchy jest rzeczywiście suchy a batyst na termometrze mokrym jest wilgotny. Odczytu obu termometrów dokonujemy w momencie, gdy temperatura na termometrze wilgotnym ustali się (dalej nie spada). Odczyty temperatury winny zostać poprawione o wartości poprawek odpowiednich termometrów (z tabelek poprawek instrumentalnych, dołączonych do świadectw termometrów).
Nie dopuszcza się do stosowania w pomiarach meteorologicznych przeprowadzanych na statkach (OBS) wskazań różnego rodzaju termometrów zaokiennych, instalowanych byle gdzie, najczęściej na skrzydłach mostka lub drzwiach na skrzydła mostku, nawet wtedy kiedy znajdują się one w częściowej osłonie (patrz zdjęcie poniżej). Gdy osłona jest metalowa, to nawet jak jest pomalowana na biało, gromadzi ciepło (promieniowania słonecznego i ciepło własne statku). Na statku do rzadkości należy sytuacja aby jedna burta statku przez cały dzień znajdowała się w cieniu.

   

Zdjęcie po lewej - termometr podwójnie chroniony przed przypadkowymi uderzeniami: (1) szklana kapilara w ochronnej rurce metalowej, osłaniającej również zbiorniczek z rtęcią, (2) tak ‘opatulony’ termometr przykręcony wewnątrz drugiej metalowej osłony, która z kolei przykręcona jest do rury biegnącej w pobliżu szotu. Zdjęcia środkowe i po prawej - zaokienny czujnik temperatury.

Przebieg dobowy

Temperatura powietrza wykazuje charakterystyczną zmienność przebiegów w czasie. Podstawowym przebiegiem temperatury, wykazującym zmienność cykliczną, jest przebieg dobowy. Dobowa zmienność temperatury powietrza związana jest z dobowym cyklem dopływu energii słonecznej, najwyraźniej zaznacza się w warunkach pogody radiacyjnej, czyli takiej, w której zarówno dopływ, jak i odpływ radiacji nie jest niczym ograniczony.
[Pogoda radiacyjna to pogoda, w której w ciągu całej doby nie występuje zachmurzenie (N = 0), dodatkowo nie występuje wiatr, który doprowadzałby do turbulentnego mieszania powietrza. Najbardziej sprzyjające warunki do wystąpienia pogody radiacyjnej występują wtedy, gdy dany obszar znajdzie się w centralnej części wyżu lub w osiowej części klina wysokiego ciśnienia].

Minimum temperatury w cyklu dobowym obserwuje się wtedy przed wschodem Słońca, gdy kończy się okres wypromieniowania ciepła z przyziemnej warstwy powietrza i powierzchni gruntu. Wraz ze świtem, do powierzchni terenu zaczyna dochodzić promieniowanie rozproszone, które hamuje dalszy spadek temperatury. Po wschodzie Słońca do powierzchni zaczyna dochodzić promieniowanie bezpośrednie, które podnosi temperaturę podłoża i ciepło zaczyna być przekazywane do atmosfery, co powoduje wzrost temperatury powietrza. W miarę wzrostu kąta padania promieni słonecznych, ilość dochodzącej do podłoża energii rośnie, temperatura podłoża wzrasta, wzrasta również przekaz ciepła do powietrza i następuje wzrost temperatury powietrza. Największa ilość energii do podłoża dochodzi w południe słoneczne, jednak wierzchołek sinusoidy jest stosunkowo płaski i temperatura podłoża osiąga maksimum dopiero nieco później niż w południe. Również na przenos ciepła od podłoża do przyziemnej warstwy powietrza potrzebny jest pewien czas. W rezultacie moment wystąpienia maksimum temperatury powietrza jest opóźniony w stosunku do południa słonecznego od 1 do 2 godzin. W okresie lata opóźnienie to jest większe (1.5 - 2 godziny), w okresie zimowym się zmniejsza (około 1 godziny). Od chwili osiągnięcia przez Słońce maksymalnej wysokości, natężenie promieniowania się zmniejsza, początkowo powoli, później coraz szybciej. Jednak zakumulowane w godzinach południowych ciepło w podłożu przekazywane jest do atmosfery, co w części rekompensuje zmniejszenie się natężenia promieniowania i powoduje stosunkowo wolniejszy spadek temperatury powietrza. Po zachodzie Słońca do powierzchni ustaje dopływ energii i rozpoczyna się wypromieniowanie energii z podłoża i przyziemnej warstwy powietrza. Początkowo, wobec dość jeszcze wysokiej temperatury podłoża i powietrza spadek temperatury powietrza jest dość szybki [patrz prawo Stefana-Bolzmanna], później, w miarę upływu czasu i obniżania się temperatury bezwzględnej, staje się coraz wolniejszy. Proces obniżania temperatury powietrza na skutek wypromieniowania trwa tak długo, aż suma strat ciepła przez wypromieniowanie nie zostanie zrekompensowana dopływem promieniowania rozproszonego, co następuje po świcie.

W opisanych warunkach obserwować się będzie duże pionowe gradienty temperatury powietrza w warstwie przyziemnej. W dzień, najwyższe temperatury obserwować się będzie w pobliżu powierzchni terenu (temperatura gruntu wyższa od temperatury powietrza), wraz ze wzrostem wysokości temperatura będzie początkowo szybko, później wolno spadać (układ normalny). W nocy, układ ten odwróci się - najniższe temperatury obserwować się będzie przy powierzchni gruntu, wraz ze wzrostem wysokości temperatura powietrza będzie wzrastać (inwersja w warstwie przyziemnej) Utrzymaniu się inwersji sprzyja fakt, że gęstość powietrza rośnie wraz z obniżaniem się jego temperatury, jak również to, że z reguły temperatura powierzchni gruntu będzie miała niższą temperaturę od powietrza. W okresach przejściowych (po wschodzie Słońca, po zachodzie Słońca) wykształci się przez dłuższy lub krótszy czas sytuacja w której w przyziemnej warstwie powietrza temperatura będzie taka sama na wszystkich wysokościach (izotermia).

W przypadku, gdy w czasie pogody bezchmurnej wystąpi wiatr, następuje turbulentne mieszanie powietrza, które nie dopuszcza do bardzo silnego wzrostu temperatury w przyziemnej warstwie w dzień (obniżenie wartości maksimum temperatury), w nocy nie dopuści do głębokiego spadku (podwyższenie wartości minimum), przez co dobowa amplituda temperatury się zmniejsza: (patrz dobowa amplituda temperatury).

Jeśli wystąpi zachmurzenie, część energii promienistej Słońca zostanie odbita od górnej powierzchni chmur, część pochłonięta i rozproszona w chmurze, i do powierzchni terenu dojdzie mniejsza ilość energii. To spowoduje, że temperatura gruntu będzie niższa, a tym samym i temperatura powietrza będzie odpowiednio obniżona. W nocy, gdy powierzchnia terenu i powietrze wypromieniowywać będą promieniowanie długofalowe, część tego promieniowania zostanie pochłonięta przez kropelki wody w chmurze, podnosząc ich temperaturę, część zostanie odbita i skierowana w stronę powierzchni Ziemi. Promieniowanie cieplne chmury skierowane w kierunku powierzchni Ziemi i promieniowanie odbite od chmur tworzą łącznie tak zwane promieniowanie zwrotne, które zostaje pochłonięte przez powierzchnię terenu. Temperatura gruntu w związku z tym nie może się zbyt obniżyć, jeśli powietrze nad gruntem ma niższą temperaturę od gruntu natychmiast tworzy się strumień ciepła skierowany od podłoża do powietrza i temperatura powietrza wzrasta. W efekcie nie dochodzi do silnego obniżenia temperatury powietrza i temperatura powietrza w czasie wystąpienia minimum jest relatywnie wysoka. W ten sposób, w warunkach wystąpienia zachmurzenia w ciągu całej doby dobowa amplituda temperatury jeszcze bardziej się zmniejsza.

Jeszcze większe zmniejszenie amplitudy temperatury dobowej wystąpi wtedy, gdy jednocześnie z zachmurzeniem wystąpi wiatr i opad. W takich warunkach dobowy bieg temperatury powietrza może być nawet trudno zauważalny. W skrajnych przypadkach, zmiany zachmurzenia mogą spowodować wystąpienie maksimum i minimum temperatury powietrza w mało oczekiwanych momentach w ciągu doby (np. bezchmurnie w godzinach przedpołudniowych (max) i wystąpienie całkowitego zachmurzenia połączonego z opadem przez pozostałą część doby.

Dodatkowym czynnikiem zakłócającym dobowy przebieg temperatury, szczególnie istotnym w szerokościach umiarkowanych i wysokich są adwekcje mas powietrza. Wejście w nocy ciepłej masy powietrza może spowodować, że po przejściu frontu ciepłego temperatura się podniesie i maksimum temperatury wystąpi w ciągu nocy. W wysokich szerokościach, w czasie występowania nocy polarnej (brak dopływu promieniowania słonecznego) i w czasie bardzo niskich wysokości Słońca (do 6°) rytm zmian temperatury w ciągu doby nie występuje, dobowe zmiany temperatury powietrza związane są  wyłącznie z działaniem czynnika adwekcyjnego. W takich warunkach doba jest jedynie umowną jednostką czasu, nie powiązaną ze zmiennością dopływu energii.

Nad morzami i oceanami przebieg dobowy temperatury jest bardziej wyrównany (mniejsza amplituda), niż nad obszarami lądowymi. Wiąże się to z ogólnie znanym faktem, że wobec dużej pojemności cieplnej wody, wielkość strumienia ciepła jawnego z powierzchni oceanu do atmosfery w dzień jest mniejsza, w nocy zaś, kiedy powietrze staje się chłodniejsze od wody - staje się bardzo duża. Stąd obniżenie maksimum temperatury w dzień jest umiarkowane, natomiast minima nocne są wydatnie podniesione. Wystąpienie zwartej pokrywy lodowej na powierzchni oceanu (morza) odcina strumień ciepła z wody do atmosfery i zmiany dobowe temperatury kształtują się podobnie, jak na pokrytej śniegiem powierzchni lądowej. Dobowe amplitudy temperatury powietrza wzrastają, ze względu na występowanie głębokich nocnych minimów temperatury.

Przebieg roczny

Przebieg roczny odtwarza cykliczne zmiany dopływu energii słonecznej, związane ze zmianami deklinacji Słońca. Przebieg roczny temperatury powietrza charakteryzuje się najczęściej za pomocą przebiegu wartości średnich miesięcznych temperatur powietrza. Również i tu występuje charakterystyczne przesunięcie momentu wystąpienia maksimum i minimum temperatury w funkcji czasu. Na obszarach lądowych półkuli północnej położonych w szerokościach umiarkowanych i wysokich maksimum temperatury występuje na ogół w lipcu, minimum w styczniu, czyli następnym miesiącu po górnej i dolnej kulminacji Słońca w cyklu rocznym. Nad obszarami oceanicznymi i na wybrzeżach oceanów, wyspach, etc. obserwuje się silniejsze przesunięcie - najcieplejszym miesiącem jest zazwyczaj sierpień, najchłodniejszym - luty. W rejonie występowania dryfujących lodów morskich na półkuli północnej często najchłodniejszym miesiącem jest marzec, kiedy natężenie promieniowania słonecznego już silnie wzrasta, ale lody morskie osiągają największe rozprzestrzenienie.

Odmienności te są konsekwencją, wspomnianych już wyżej różnic między właściwościami fizycznymi (pojemność cieplna) powierzchni lądowych i morskich. Niewielka pojemność cieplna lądu powoduje, że cały zasób ciepła w gruncie zostaje przekazany do atmosfery już w momencie, kiedy wysokość Słońca jest najniższa. W warunkach małego dopływu energii słonecznej i długich nocy, bilans radiacyjny jest ujemny i mimo niewielkiego wzrostu wysokości Słońca po dołowaniu, temperatura powietrza nadal spada (styczeń). Dopiero wyraźniejsze wydłużenie dnia od początku do końca lutego zmienia znak bilansu radiacyjnego (i tym samym cieplnego) i wraz ze wzrostem wysokości Słońca, temperatura powietrza w lutym nieco wzrasta. W tych samych warunkach oświetlenia, powierzchnia morza w styczniu ma jeszcze taki zapas ciepła, że nie dopuszcza do bardziej głębokich spadków temperatury. Jednak strumień ciepła z wód do atmosfery jest bardzo duży, straty ciepła z powierzchni znaczne, co powoduje obniżenie się temperatury powierzchni oceanu, a tym samym i temperatury powietrza nad wodą w lutym w stosunku do stycznia. W marcu ilość dopływającej do powierzchni oceanu energii słonecznej na tyle się powiększa, że dalszy spadek temperatury powierzchni wody zostaje powstrzymany i temperatura powierzchni wody zaczyna nieznacznie wzrastać. Podobnie wzrasta temperatura powietrza nad wodą.

W związku z odmiennymi reakcjami podłoża roczna amplituda temperatury odmiennie kształtuje się nad lądami, zwłaszcza w głębi kontynentów, niż nad obszarami morskimi i strefami wybrzeży. Nad obszarami oceanicznym roczna amplituda temperatury jest niewielka, w skrajnych przypadkach wynosi zaledwie kilka stopni, nad obszarami lądowymi jest duża, dochodząc do kilkudziesięciu stopni. Wzrost amplitudy rocznej nad lądami (kontynentami) w stosunku do amplitudy rocznej nad morzami zachodzi głównie kosztem obniżania się temperatury miesięcy zimowych, w niewielkim stopniu wzrostu temperatur lata (patrz tabela poniżej).

Temperatura średnia miesięczna wieloletnia i roczna amplituda temperatury powietrza na czterech stacjach, coraz bardziej oddalonych od wybrzeża Oceanu Atlantyckiego. Valentia (51°56'N) leży na zachodnim wybrzeżu Irlandii, bezpośrednio nad brzegiem Atlantyku, pozostałe stacje leżą na takiej samej (w przybliżeniu 55-56°N) szerokości geograficznej. Odsunięcie Kopenhagi od bezpośredniego wpływu Oceanu Atlantyckiego powoduje, że wykazuje ona już cechy kontynentalne przebiegu temperatury powietrza (minimum w styczniu, maksimum w lipcu). Omsk jest stacją położoną na Zachodniej Syberii.

Ta cecha, jaką jest odmienność rocznego przebiegu temperatury (i wielkości rocznej amplitudy temperatury powietrza) pozwala na wyróżnienie klimatów morskich i klimatów kontynentalnych. Klimatolodzy badają tę cechę za pomocą różnego rodzaju wskaźników kontynentalizmu i oceanizmu (szerzej - patrz: S.P. Chromow, Meteorologia i klimatologia, PWN, Warszawa 1969; W. Okołowicz, Klimatologia ogólna, PWN, Warszawa, 1969; A. Woś, Meteorologia dla geografów, 1998, i in.]. Oczywiście, zróżnicowanie rocznej amplitudy temperatury nad obszarami oceanicznymi i lądowymi nie jest związane wyłącznie z termicznym oddziaływaniem morza, ale i całym szeregiem innych procesów meteorologicznych, powiązanych z występowaniem określonych mas atmosferycznych i kształtowaniem się określonych pogód (np. z wilgotnymi masami morskimi związane jest występowanie zwiększonego zachmurzenia, które ogranicza dopływ i odpływ radiacji, masy kontynentalne są suche, w związku z czym zachmurzenie jest mniejsze (zwłaszcza zimą), co ułatwia zarówno dopływ jak i odpływ radiacji.

Roczne przebiegi temperatury na Ziemi są silnie zróżnicowane. Wpływ mają na to zarówno szerokość geograficzna jak i oddalenie od linii brzegowej (kontynentalizm, oceanizm), czynniki lokalne, etc. Zagadnieniami tymi szczegółowo zajmuje się klimatologia, która wyróżnia szereg typów takich przebiegów.


Roczne przebiegi temperatury powietrza na stacjach w strefie równikowej (Manaus, Brazylia, wnętrze basenu Amazonki) i strefie podzwrotnikowej obu półkul (Rio de Janeiro - półkula południowa) i Miami (półkula północna). Zaznaczający się wzrost temperatury we wrześniu, październiku i listopadzie w Manaus jest związany ze zmniejszeniem się zachmurzenia w tym okresie i zwiększonym dopływem bezpośredniego promieniowania słonecznego. Tym nie mniej, roczna amplituda temperatury powietrza jest tu bardzo mała (2.7 deg), podobnie jak i zróżnicowanie ilości dopływającej energii słonecznej w ciągu roku. Znacznie większe od amplitudy rocznej są amplitudy dobowe (do 20 deg.). W strefie podzwrotnikowej wyraźny jest już rytm roczny związany ze zróżnicowaniem wysokości Słońca (dopływu energii słonecznej), widoczne odwrócenie fazy przebiegu temperatury, związane z przeciwstawnością momentów letniej kulminacji. Przesunięcie maksimum temperatury w Miami na sierpień związane jest z oddziaływaniem temperatury powierzchni morza (Prąd Florydzki), podobnie jak i wystąpienie maksimum temperatury w Rio (półkula południowa) w lutym.

 
Roczne przebiegi temperatury powietrza na trzech stacjach leżących na wybrzeżach Europy. Najbardziej oceaniczną jest stacja leżąca na Szetlandach, znajdująca się w zasięgu oddziaływania termicznego wód Prądu Północnoatlantyckiego. Mimo wysokiej szerokości średnia miesięczna temperatura powietrza nie spada zimą poniżej zera, jednak latem, mimo długiego dnia, oddziaływanie chłodnych wód i stale dużego zachmurzenia powoduje występowanie niskich temperatur powietrza. Największą roczną amplitudę temperatury z tych stacji ma Hamburg, co jest związane ze zmniejszonym oddziaływaniem klimatycznym oceanu na przebieg temperatury powietrza. Zastanów się nad przyczynami określającymi momenty wystąpienia minimum i maksimum temperatury na tych stacjach.

 

Wartości charakteryzujące przebieg temperatury

  • Temperatura średnia dobowa - uśredniona wartość temperatury powietrza dla danej doby. Jeśli stacja pracuje w reżimie synoptycznym (8 lub 4 pomiary na dobę, tj. wykonuje pomiary o godzinie 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18 i 21 GMT) średnią dobową oblicza się jako średnią arytmetyczną z wykonanych pomiarów. Przy pracy stacji w reżimie klimatycznym poszczególne służby meteorologiczne stosują własne formuły do obliczania temperatury średniej dobowej. W wielu krajach temperaturę średnią dobową oblicza się jako średnią z temperatury maksymalnej i temperatury minimalnej ((tmax + tmin)/2)
  • Temperatura średnia miesięczna - wartość charakteryzująca temperaturę w danym miesiącu; obliczana jako średnia arytmetyczna z temperatur średnich dobowych danego miesiąca.
  • Średnia wieloletnia temperatura miesięczna - uśrednione wartości temperatur danego miesiąca na danej stacji z okresu wielolecia (średnia arytmetyczna). Normą podstawową jest tu okres 30.lecia (1901-1930, 1931-1960, 1961-1990), choć stosowane są i inne okresy uśredniania (np. 1981-2010). Zaleca się uśrednianie szeregów, których pierwszy rok rozpoczyna się od roku XXX+1 i kończy na roku XXX+0 (np. 1971-1980 - średnia 10.letnia).
  • Temperatura średnia roczna - średnia arytmetyczna z temperatur miesięcznych w danym roku.
  • Średnia wieloletnia temperatura roczna - uśredniona temperatura roczna (średnia arytmetyczna) z okresu wielolecia (zazwyczaj 30.letnia).
  • Wartość anomalii temperatury miesięcznej lub rocznej - różnica między wartością temperatury średniej miesięcznej danego miesiąca lub roku a średnią temperaturą wieloletnią danego miesiąca lub wieloletnią temperaturą średnią roczną. Wartość ta informuje o ile (deg) dany miesiąc lub rok był cieplejszy lub chłodniejszy od średniej. Tą samą wartość nazywa się odchyleniem (niektóre szkoły klimatologiczne pojęcie ‘anomalia’ rezerwują dla odpowiednio dużych (znaczących) odchyleń od średnich, mimo, że pojęcie ‘anomalia’ jest definiowane jako ‘nieprawidłowość, odchylenie od normy, od ogólnej reguły’ (Słownik Wyrazów Obcych, wyd. X, PIW, Warszawa, 1961). Średnią 30.letnią WMO traktuje jako normę klimatyczną (patrz: CLINO).
  • Dobowa amplituda temperatury powietrza (Ad): różnica między odnotowaną w czasie danej doby temperaturą maksymalną (tmax) a temperaturą minimalną (tmin); Ad = tmax - tmin (deg).
  • Roczna amplituda temperatury powietrza (Ar): różnica między średnią miesięczną temperaturą najcieplejszego miesiąca w danym roku (tmmax) a najchłodniejszego miesiąca w danym roku (tmmin): Ar = tmmax - tmmin.
  • Średnia wieloletnia amplituda temperatury powietrza (A): jak wyżej, lecz oblicza się jako wartość różnicy najcieplejszego i najchłodniejszego miesiąca ze średnich miesięcznych wieloletnich [tu komentarz: na danej stacji rzeczywiste maksimum i rzeczywiste minimum miesięczne wystąpić w konkretnym roku może w różnych miesiącach (przykładowo w Gdyni najcieplejszym miesiącem w roku może być lipiec, sierpień, a nawet czerwiec, najchłodniejszym w roku może być styczeń, luty, grudzień a nawet marzec, w przebiegu średnich wieloletnich temperatur miesięcznych w Gdyni najcieplejszym miesiącem jest lipiec, najchłodniejszym styczeń)].