Meteorologické přístroje

Hodnocení stránky

Jak se měří počasí tak, aby výsledky odpovídaly profesionální úrovni a také kterými přístroji se měří konkrétní meteorologické prvky. O tom pojednává stránka Meteorologické prvky. Úkolem stránky Meteorologické přístroje je vyčíst, ukázat a popsat meteorologické přístroje pro měření základních prvků počasí na meteorologických stanicích. Včetně jejich vyobrazení. Čtenář by se měl dozvědět na této stránce k čemu přesně daný přístroj slouží. Jak přibližně funguje a jak vypadá či také kde je na meteorologických stanicích umístěn.

Témata stránky: Meteorologické přístroje, výčet přístrojů, popis přístrojů, vybavení meteorologické stanice.

Anglické názvy: Meteorological instrument (meteorologický přístroj), meteorological station (meteorologická stanice), thermometer (teploměr). Hygrometer (vlhkoměr), pressure gauge (tlakoměr), rain gauge (srážkoměr), snow gauge bar (sněhoměrná lať). Sun meter (slunoměr), solarimeter (solarimetr), anemometer (anemometr).

Prezentace k tématu: METEOROLOGIE 28

OBSAH STRÁNKY METEOROLOGICKÉ PŘÍSTROJE

• Přístroje používané v meteorologii a jejich dělení.
• Teploměry – vznik, popis, použití, druhy a fotografie.
• Vlhkoměry – vznik, popis, použití, druhy a fotografie.
• Barometry – vznik, popis, použití, druhy a fotografie.
• Srážkoměry/sněhometry – vznik, popis, použití, druhy a fotografie.
• Anemometry a směrovky – vznik, popis, použití, druhy a fotografie.
• Pyranometry – vznik, popis, použití, druhy a fotografie.
• Heliografy – vznik, popis, použití, druhy a fotografie.
• Cilometr – vznik, popis, použití, fotografie.

---

METEOROLOGICKÉ PŘÍSTROJE: POPIS A FUNGOVÁNÍ

V dalším textu najdete minimálně základní informace o veškerých přístrojích používaných v meteorologii pro meteorologická měření meteorologických prvků. Některé meteorologické přístroje jsou obecně velmi dobře známy, jiné ovšem naopak. Nabízíme zde jejich komplexní výčet, též popis jejich použití a fungování či užití v meteorologii a vyobrazení.

Meteorologické přístroje používané v meteorologii:

• Teploměr.
• Vlhkoměr/hygrometr/psychrometr.
• Barometr/tlakoměr/aneroid.
• Srážkoměr/ombrometr/ombrograf.
• Sněhoměr/sněhoměrná tyč.
• Anemometr+směrovka/anemograf.
• Pyranometr/solarimetr.
• Heliograf/slunoměr.
• Ceilometr.

Teploměry

Mezi nejstarší meteorologické přístroje v meteorologii patří teploměr. Tento přístroj používaný v meteorologii má v dnešní době mnoho podob. První vytvořen roku 1597, název teploměr byl poprvé použit roku 1624. Veškeré bývají ovšem velmi dobře známy. Používá se totiž nejen pro meteorologická měření. V tomto textu se ovšem budeme tohoto účelu držet. Teploměr se v meteorologii používá pro měření teploty vzduchu v různých výškách. Dále teploty půdního profilu v různých hloubkách a to až do hloubky 100cm pod povrchem. Také ho používáme k měření teploty vody, ale také vlhkosti vzduchu jako součást přístrojů pro měření vlhkosti vzduchu (viz dále).

Rtuťový teploměr se dnes již nepoužívá, jejich výroba byla zakázána. Lihový teploměr se používá na profesionálních meteorologických stanicích k měření teploty vzduchu ve 2 metrech nad povrchem. A také v 5cm nad povrchem a to k měření zejména minimální teploty. Dále pro měření maximální denní teploty vzduchu ve 2 metrech nad povrchem (maximální teploměr). A minimální ranní teploty vzduchu ve 2 metrech nad povrchem (minimální teploměr). Dále rozlišujeme teploměr suchý a vlhký. V moderní době máme k dispozici různé druhy digitálních teploměrů, jako součást každé moderní domácí meteorologické stanice.

Druhy

Druhy teploměrů používaných v meteorologii:

• Minimální teploměr – pro měření minimální teploty vzduchu, zpravidla během 24 hodin. Teploměr ze skla s lihem uvnitř má v kapiláře tmavě zbarvenou skleněnou tyčinku jako index. Tyčinka je při poklesu teploty stahována k nádobce, při vzestupu kapalina index obtéká. Po přečtení údaje je index posunut zpět na konec sloupce nakloněním. Dnes se používá na profesionálních stanicích jen při nefunkčnosti automatického systému měření.
• Maximální teploměr – pro měření maximální teploty vzduchu, zpravidla během 24 hodin. Skleněný teploměr má zúžený průřez kapiláry nad nádobkou. Tímto proniká kapalina pouze při vzestupu teploty. Při poklesu se sloupec kapaliny přeruší a délka sloupce kapaliny určuje maximální teplotu. Do původního stavu se vrací sklepáním. Dnes se též používá na profesionálních stanicích jen při výpadku automatického měření.
• Extrémní teploměr – souhrnný název pro minimální a maximální teploměr, není to tedy zvláštní druh teploměru.

Podle principu fungování

• Kapalinový teploměr – dnes se nejčastěji jako výplň teploměru používá zbarvená kapalina v podobě lihu nebo také toluen či petrolej.
• Insolační teploměr – nádobka teploměru je pokryta sazemi. Umístěn je ve vakuovaném skleněném obalu.
• Elektrický teploměr – teploměr s čidlem závislým na teplotě. Nejčastějšími jsou odporové teploměry s kovovými vodiči či polovodiči. Oproti skleněným teploměrům mají menší setrvačnost a rozměry čidla. Postupně tyto skleněné teploměry nahrazují. Nazývá se též jako odporový teploměr.
• Deformační teploměr – využívá deformaci čidla na základě změny teploty. Čidlem je zpravidla bimetal, též se nazývají tyto jako bimetalové teploměry.
• Aspirační teploměr – využíván k měření teploty vzduchu mimo meteorologickou budku nebo radiační štít. Tento je uměle ventilován a chráněn proti přímému slunečnímu záření. Též se nazývá ventilovaný.
• Plynový teploměr – využívá závislost mezi teplotou, tlakem a objemem plynu (výplň nejčastěji kyslíkem, héliem či dusíkem).

Podle způsobu určení

• Půdní teploměr –  určen k měření teploty v půdní vrstvě, u nás se tak činí v hloubkách 5, 10, 20, 50 a 100cm pod povrchem. Pro měření do hloubky 20cm se používají lomené půdní teploměry. Pro větší hloubky se používá hloubkový půdní teploměr. Na profesionálních stanicích se používá též pouze při nefunkčnosti automatického měření.
• Staniční teploměr – základním teploměrem pro měření teploty vzduchu na stanicích v určených termínech pozorování. Jde o elektrický teploměr s čidlem ve 2 metrech nad povrchem (nad sněhovou pokrývkou) opatřený radiačním štítem před přímým slunečním zářením. Na manuálních stanicích je to suchý teploměr, viz dále.
• Suchý teploměr – jeden z teploměrů tvořících psychrometr (viz dále) a udává suchou teplotu, kdy jeho nádobka je suchá.
• Vlhký teploměr – opak suchého teploměru a jeho nádobku pokrývá tkaninový obal, jímž se vytváří na povrchu čistá voda či led. Tyto se odpařují při relativní vlhkosti nižší než 100% a tak se spotřebovává latentní teplo výparu. Tj. teplo potřebné pro tuto fázovou změnu, více o tématice na stránce Vlhkost vzduchu. Teplota má většinou nižší hodnotu než ta, změřená na suchém teploměru.

Základní meteorologické přístroje na stanici. Základní teploměr v meteorologické budce stanice, zdroj: maruska.ordoz.com.

Vlhkoměry/hygrometry/psychrometry

Mezi meteorologické přístroje pro měření většinou relativní vlhkosti vzduchu patří v meteorologii vedle teploměru též hojně vlhkoměry. Měří nejen vlhkost, ale též tlak vodní páry či teplotu rosného bodu. A též je součástí vybavení i základních digitálních meteorologických stanic. Nazývá se též hygrometr. Svoji velkou roli ovšem hraje na stanicích profesionálních. Funguje na principu přijímání a udržování vlhkosti lidských vlasů (tzv. vlasový vlhkoměr) – změna délky v závislosti na vlhkosti. Též pracuje na srovnání teplot suchého a vlhkého čidla – psychrometry. Opět existuje mnoho druhů tohoto přístroje. Ten považujeme za základní vybavením meteorologické budky (viz obrázek 1). Elektrické a absolutní vlhkoměry pracují na bázi absorpce a další druh na kondenzačním principu (kondenzační vlhkoměry).

Základní druhy vlhkoměrů používaných v meteorologii:

• Absorpční vlhkoměr – pracuje na bázi vstřebávání vodní páry pomocí hygroskopické látky. Může pracovat na základě dvou metod, buď absolutní nebo elektrické.
• Blánový vlhkoměr – pracuje na základě deformace, jejich výroba byla ale již ukončena.
• Kondenzační vlhkoměr – slouží ke stanovení teploty rosného bodu nebo teploty bodu ojínění. A to pomocí uměle ochlazovaného leštěného kovového povrchu při výskytu kapalné či pevné částice vody na něm.
• Vlasový vlhkoměr – měří relativní vlhkost vzduchu čidlem v podobě jednoho nebo více speciálně připravených lidských vlasů. Délka vlasů se při rostoucí vlhkosti zvětšuje.

Vlhkoměry bývají často součástí teploměrů, jde o součást každé, i základní domácí meteostanice.

Barometry/tlakoměry/aneroidy

Nazývaný také často tlakoměr se řadí mezi jednoduché meteorologické přístroj. Jde tedy o přístroj pro měření atmosférického tlaku (tlaku vzduchu, více o problematice na stránce Tlak vzduchu). Barometr může být kapalinový, shodně jako teploměr, ale také deformační a v podobě hypsometru. Barometr vychází z nanometru (tlakoměru), který je definován jako měřič tlaku plynu nebo kapaliny. Dělí se na speciální přístroje, používané pro různé účely (vedle meteorologických tedy například k tlaku vzduchu v duších a pneumatikách automobilů.

Klasický tlakoměr vyplněný kapalinou pracuje na principu vyrovnávání síly vzduchu a tíhou sloupce kapaliny a v délce vakuované barometrické trubice. 

Deformační tlakoměr vyrovnává sílu tlaku vzduchu pružností stěn v převážně vakuovaném prostoru (např. stěny kovové krabičky, tzv. aneroidy). Aneroidový tlakoměr je deformačním kovovým tlakoměrem s jednou aneroidovou krabičkou nebo více aneroidovými krabičkami. Dělí se na mechanické a elektrické. Dále existuje mnoho druhů tlakoměrů.

 

Srážkoměry/ombrometry/ombrografy

Srážkoměr či také hyetometr patří mezi základní meteorologické přístroje pro měření spadu atmosférických srážek různého druhu, jako hlavního meteorologického, resp. klimatického prvku. Jde o úhrn srážek, tedy výšku vodního sloupce srážkové vody na vodorovném nepropustném povrchu. Za předpokladu absence výparu a odtoku. Existuje několik druhů aktuálně používaných srážkoměrů.

Základní druhy srážkoměrů:

• Automatický člunkový srážkoměr – asi nejznámější, u něhož funguje měření na základě počtu překlopení dvoudílného člunku vlivem srážkové vody přitékající do přístroje. Po překlopení člunku po jeho naplnění vodou z něho tato vyteče a nová voda přitéká do druhého dílku. Toto, který byl předtím otočen směrem dolů. Počet překlopení určuje množství srážek za daný čas i jejich intenzitu.
• Automatický váhový srážkoměr – funguje na základě vážení nádobky, v níž jsou zachyceny srážky. Vážení probíhá tenzometrickou váhou s připojením na elektroniku přístroje. Vyznačuje se přesnějším měřením než člunkový srážkoměr. Neboť zachycené srážky okamžitě vyhodnotí a to srážky tuhé. Přesnost měření zde nezávisí na intenzitě srážek.
• Manuální srážkoměr – obsahuje dvě nádoby pro zachycení srážek, nálevku o shodné ploše, konvici a odměrku. Každá nádoba musí být vystavena srážkám tak, aby měla záchytnou plochu 1m nad terénem či sněhovou pokrývkou. V teplé části roku je na nádobě nasazena nálevka s omezením výparu vody. Kapalné srážky se měří po přelití ze záchytné plochy do odměrky. Tuhé se nejprve v mírně teplém prostředí rozpustí. Na profesionálních stanicích se tyto srážkoměry používají pouze při výpadku automatických přístrojů.

Automatických srážkoměrů existuje několik typů.

Meteorologické přístroje. Manuální srážkoměr, zdroj: meteostanice.cz.

Člunkový srážkoměr, výbava každé lepší domácí meteorologické stanice dnešní doby, zdroj: meteoshop.cz.

Sněhoměry/sněhoměrné tyče

Sněhoměrem se měří vodní hodnota sněhové pokrývky a také její výška. Vodní hodnota sněhové pokrývky se měří následovně. Zváží se vzorek sněhu a to pomocí váhového sněhoměru. Vzorek sněhu se následně nechá rozpustit a změří se jako kapalné srážky. Viz výše srážkoměry a používá se klasický srážkoměr v podobě nádoby s odměrkou. 

Sněhoměrná tyč či lať se používá pro měření výšky sněhové pokrývky na zemském povrchu. Lať se dělí na centimetry a slouží k měření celkové sněhové pokrývky. Je zapuštěna svisle v povrchu a to v místě, bez tvorby sněhových jazyků a závějí. Nula měřidla je v úrovni terénu. Existují ale také automatické sněhoměry. Ty pracují na základě využití odrazu nebo útlumu vyslaného paprsku. Nnapříklad laserové senzory nebo radioaktivní sněhoměry.

Anemometry a směrovka/anemografy

Pro měření rychlosti větru, dalšího základního meteorologického prvku, se používá anemometr. Směrovka může být součástí anemometru, který pak tedy měří rychlost a směr větru. Podle principu, na kterém přístroj pracuje rozlišujeme jednotlivé druhy anemometrů. Základní – kontaktový anemometr, který může být miskový nebo kontaktový. 

• Miskový anemometr – k měření rychlosti větru využívá úhlovou rychlost otáčení rotoru v podobě misek. Tyto se rozmístí symetricky kolem osy rotace. První anemometr tohoto typu byl zkonstruován již v roce 1837.
• Lopatkový anemometr – využívá k měření rychlosti větru úhlovou rychlost lopatkového kola, otáčejícího se při větru kolem vertikální či horizontální osy. Má většinou větší citlivost oproti anemometrům miskovým.
• Ruční anemometr – přístroj, který pozorovatel měřící rychlost větru drží v ruce ve výšce přibližně 2m nad povrchem. Používá se pro občasné měření v terénu, kde se nenachází meteorologická stanice.
• Tlakový anemometr – funguje na principu Pilotovy trubice. Tj. speciálně zkonstruovaná trubice, čidlo přístroje. A využívá se k měření rychlosti větru rozdíly tlaku, které způsobuje proudící vzduch kolem čidla.
• Ultrasonický anemometr – nebo též ultrazvukový či akustický, měří směr a rychlost větru na bázi vysílání a příjmu ultrazvukového signálu mezi převodníky. Rychlost větru = zpoždění či zrychlení signálu.
• Zchlazovací anemometr – funguje na principu ochlazování vyhřátého materiálu proudícím vzduchem. Používá se často velmi tenký drát.

Pyranometry/pyrgeometry/pyrheliometry/solarimetry

Přístroj zvaný pyranometr či též solarimetr se užívá k měření slunečního globálního záření. Pracuje převážně na termoelektrické bázi. Diferenční termočlánek v přístrojích zaznamená teplotní rozdíl povrchu a dochází k absorpci dopadajícího krátkovlnného záření a též povrchu, který nepohlcuje toto záření. Některé přístroje využívají jako čidlo fotodiody s tvorbou fotoelektrického napětí rovnající se dopadajícímu záření. Čidla přístrojů chrání většinou dvě skleněné polokoule. Existuje několik druhů přístrojů, hlavní jsou stručně popsány níže.

• Kulový pyranometr – nazývaný také sférický měří krátkovlnné záření dopadající na kulový povrch. Řadí se k nim tzv. lucimetry. Je též nazýván jako destilační pyranometr.
• Davyho a Aragův pyranometr – určeny k měření přibližného globálního slunečního záření. Sestávají z dvojice upravených teploměrů ze skla. Jeden s černou nádobkou a druhý s lesklou nádobkou nebo natřenou na bílo. Oba ve vakuovaných skleněných krytech. Teplotní rozdíl těchto teploměrů rovná se měřené záření.
• Molla a Gorczyňskiho pyranometr – měří pomocí termoelekrického radiometru, jehož čidlo má podobu termobaterie a chrání se skleněnými polokoulemi. Měří se jím dlouhodobě globální a rozptýlené (difusní) záření.

Další druhy přístrojů pro měření záření

Pyrgeometr jako radiometr a jde o přístroj určený k měření dlouhovlnného záření, převážně vyzařovaného atmosférou směrem k povrchu. Má též elektrické čidlo chráněné křemennou polokoulí. 

Pyrheliometr – přístroj pro měření přímého slunečního záření, který mění energii prošlou tubusem a pohlcenou černým povrchem čidla na teplo. Jde o pyrheliometry absolutní, kde je možné vyjádřit zjištěný údaj ve fyzikálních jednotkách. Relativní pyrheliometry se nazývají aktinometry. Existuje jich několik druhů, nejčastěji se používá standardní pyrheliometr. Jde například o vodní pyrheliometr, který využívá pro měření přírůstek teploty známého objemu vody, která protéká přístrojem. Pyrheliometr se stříbrným diskem využívá teplo, které pohltí ozáření masivní disk ze stříbra natřený na černo. Nachází se v tubusu přístroje. Množství záření se určuje dle zvýšení teploty disku, určeno konstantou.

Heliografy/slunoměry

Heliograf, česky zvaný slunoměr, se používá jako přístroj k měření délky trvání slunečního svitu (zpravidla v hodinách). Jde o dobu, kdy je délka slunečního záření dopadajícího na kolmou plochu vůči paprskům větší než 120 W/m-2. Nejčastěji jde o slunoměr se skleněnou koulí, uvnitř níž (v ohnisku) je umístěn papír rozdělený na hodiny pro záznam trvání slunečního svitu. Tento záznam se tvoří propalováním slunečními paprsky.

Ceilometry

Patří asi mezi nejméně známé meteorologické přístroje z uvedených. Jde o ceilometr. Ten se používá k měření výšky základny oblačnosti a také k měření množství oblačnosti v jednotlivých vrstvách. Ale také vertikální dohlednosti a přítomnosti aerosolů v přízemní vrstvě. Výška základny a množství oblačnosti se určuje podle softwarové výbavy přístroje. Přístroj je schopen určit množství oblaků až ve čtyřech vrstvách. Odrazy z měření jsou přiřazeny jednotlivým vrstvám. A podle počtu odrazů v jednotlivých výškách se odhaduje množství oblačnosti v každé vrstvě. Moderní přístroje dokáží určit i obsah aerosolů v atmosféře. To vlivem měření struktury mezní vrstvy atmosféry.

Popisujeme zde veškeré meteorologické přístroje, které se používají k měření na každé meteorologické stanici (minimálně profesionální úrovně) v ČR. Stručně výše na kartách popisujeme účel jejich využití i princip nebo principy, na kterých tyto fungují. Pro ilustraci též přikládáme fotografie nebo obrázky s jejich vyobrazením. Měření na meteorologických stanicích v ČR (oficiální sběr dat) zajišťuje a provádí Český hydrometeorologický ústav (nikdo jiný). A to prostřednictvím svých zaměstnanců i dobrovolníků a právě zásadní roli hrají též uvedené meteorologické přístroje. Informace o meteorologických stanicích a dalších souvisejících pracovištích najdete na stránce Meteorologická pracoviště.

Použité zdroje

ČESKÁ METEOROLOGICKÁ SPOLEČNOST (ČMES). Meteorologický slovník terminologický a výkladový. Online eMS. Dostupný na http://www.slovnik.cmes.cz.

ČESKÝ HYDROMETEOROLOGICKÝ ÚSTAV (ČHMÚ). www.chmi.cz. Informační server. www.infomet.cz.

MÍKOVÁ, T. KARAS, P. ZÁRYBNICKÁ, A. Skoro jasno. Praha: Česká Televize, 2007.