XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Прогноз погоды с помощью самодельных барометров

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Никитин А.А. 1

---

1ГБОУ СОШ 377, Кировского района города Санкт-Петербурга

Шудря Т.С. 1

---

1ГБОУ СОШ 377, Кировского района города Санкт-Петербурга

Работа в формате PDF

327.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Каждый человек в определенные моменты сталкивается с необходимостью знать, какая будет погода. Знание прогноза погоды важно во многих отраслях народного хозяйства: в сельском хозяйстве – когда начинать посевную или уборку урожая, в авиации – задержки рейсов из-за тумана, грозы, на транспорте – гололедица, метели и др. В повседневной жизни погода интересует практически всех. Ведь она влияет на самочувствие людей, их настроение. О погоде мы узнаем из средств массовой информации – радио, телевидение, пресса, интернет. А если нет возможности выйти в интернет, включить телевизор? Меня заинтересовал вопрос, можно ли самому составить прогноз погоды?

Цель моего исследования: выяснить, возможно ли предсказать погоду на основе показаний самостоятельно изготовленных приборов.

Объект исследования:  прогноз погоды с помощью самостоятельно изготовленных приборов.

Предмет исследования:  самодельные барометры.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. узнать, что такое атмосферное давление и выяснить, с помощью каких приборов проводят его измерение;

2. определить взаимосвязь изменения атмосферного давления с погодными условиями;

3. изготовить самодельные барометры и провести наблюдения за их работой в домашних условиях;

4. сделать вывод о достоверности показаний исследуемых приборов для прогноза погоды.

Методы исследования:

1. теоретический анализ научно-публицистической литературы (сбор информации и обработка литературных источников по данной теме);

2. метод наблюдения (наблюдения за изменениями погоды);

3. Постановка эксперимента (изготовление приборов, анализ показаний приборов)

4.Социологический опрос.

Гипотеза: с помощью самодельных приборов можно предсказывать погоду.

Мы провели социологический опрос (см. Приложение 1), который показал, что 11% респондентов узнают прогноз погоды через интернет, 1% не знают, с помощью каких приборов составляют прогноз погоды; 32% - хотели бы самостоятельно изготовить приборы для прогноза погоды. Анализ соцопроса подтверждает актуальность данного исследования.

Глава 1. Взаимосвязь изменения атмосферного давления с изменением погоды

Почему погода бывает такая разная? В самом деле, почему? Источник тепла, поступающего на Землю, всегда один и тот же, количество солнечной энергии, достигающей Земли, практически неизменно, как неизменны форма Земли, ее поверхность и газовый состав воздушной оболочки нашей планеты. А погода бывает разная не только в разных местах планеты, но и в каждой отдельной точке ее, и не только в разные сезоны, но даже на протяжении одного дня, а то и часа!

Причин разнообразия и непостоянства погоды так много, что один только перечень их может составить целую книгу. Здесь мы укажем лишь две основные причины: во-первых, чрезвычайная подвижность атмосферы, во-вторых, огромное количество так называемых метеорологических величин и явлений: температура, влажность, ветер, давление, облака, грозы, смерчи, метели, бури и пр. Изменение одного из них влечет за собой изменение других. Например, если развитие процессов в атмосфере приведет к изменению облачности, то последнее может повлечь за собой изменение температуры, влажности, осадков, ветра, метель или грозу, туман, гололед, град и т. д. Отсюда нестабильность погоды, ее разнообразие [1].

1.1 Погода и ее прогноз

Наша планета укрыта газовым “одеялом”. Огромная часть атмосферы спокойна (99%), она пребывает как бы в застывшем состоянии. А вот нижний десятикилометровый слой, которым мы окружены и дышим, находится в непрерывном движении - его подогревает Солнце, он буквально кипит и пузырится, подобно содержимому гигантской кастрюли на огне. Все то, что мы называем погодой - результат движения и перемешивания воздуха в нижнем слое атмосферы - тропосфере. [2]

Погода – это состояние нижнего слоя атмосферы в данном месте в данное время. Основные элементы погоды: температура воздуха, влажность, атмосферное давление, осадки, ветер. Изменения погоды связаны с движением воздуха в атмосфере. Смена воздушных масс сопровождается изменением температуры, образованием облачности, выпадением осадков. [5]

Прогнозировать погоду люди научились уже давно, и помогала им в этом сама природа. Наблюдая веками за поведением животных, за растениями, за явлениями природы появилась масса народных примет, зачастую они приобретали форму пословиц и поговорок. Существует масса народных примет, связанных с предсказанием погоды. Они есть у каждого народа. Правильное предсказание погоды было жизненно важным для крестьян, для которых ошибки в прогнозах могли обернуться гибелью урожая. Люди, умеющие по состоянию растений, виду облаков, цвету зари или заката, силе и направлению ветра, поведению птиц, зверей, насекомых и даже аромату цветов предсказывать погоду, всегда окружались почетом и уважением. [2, 4]

Наука об атмосфере и происходящих в ней процессах называется метеорология. Она возникла после изобретения в XVII веке термометра Галилео Галилеем и ртутного барометра Э. Торричелли. Позднее в XVII веке были изобретены гигрометр, дождемер, флюгер и анемометр. Первое подобие сети метеонаблюдений возникло в Европе в 1654 году. Сбор информации осуществлялся до 1667 года Академией дель Чименто во Флоренции.

В России постоянные наблюдения за погодой начались в конце XVII в. при Петре I. В 1724 году была образована первая в России метеорологическая станция, а с декабря 1725 года при Академии наук стали проводиться наблюдения при помощи барометра и термометра.

Синоптика - раздел метеорологии, наука, изучающая физические процессы в атмосфере Земли, определяющие будущее состояние погоды. Специализация синоптиков – анализировать процессы в атмосфере и прогнозировать дальнейшее состояние погоды. Наблюдения за погодой проводятся на метеостанциях с помощью специального оборудования: термометр - для изменения температуры воздуха; гигрометр прибор для определения влажности воздуха, флюгер - прибор для определения направления и силы ветра, дождемеры - служат для измерения количества осадков, барометр – прибор для измерения атмосферного давления. Краткосрочные прогнозы погоды позволяют предсказывать будущее состояние атмосферы на срок не более 5-7 суток, причем наиболее надежными являются прогнозы на срок до 2-3 суток. Дальше точность значительно снижается. Но даже краткосрочные прогнозы могут не сбыться. Ведь главное свойство погоды – ее переменчивость. Но все-таки метеослужбе удается предсказывать ее с высокой точностью. Долгосрочным прогнозом принято считать прогноз на месяц и сезон. Долгосрочные прогнозы  приблизительны и составляются по статистическим данным за прошлые годы. Это проблема будущего, решать которую еще предстоит. [6]

1.2 Взаимосвязь изменения атмосферного давления с изменением погоды

Атмосферное давление и влажность воздуха наряду с температурой воздуха являются основными характеристиками погоды и климата. С распределением атмосферного давления связаны направления и сила ветра. Давление в разных местах земной поверхности неодинаково, и более сильное давление «выталкивает» воздух в места с более низким давлением. Поэтому, знания об атмосферном давлении необходимы в прогнозировании погоды. Предсказывать погоду можно используя изменения атмосферного давления. Изучив литературные источники, я сделал следующие выводы:

1. Воздух атмосферы – смесь газов. Воздух имеет вес (1 м3 атмосферного воздуха имеет массу 1,3 кг). Сила, с которой воздух давит на все предметы на поверхности Земли называется атмосферное давление.

2. Чем выше местность расположена над уровнем моря, тем ниже атмосферное давление.

3. Чем ниже температура воздуха – тем он плотнее, а значит, тяжелее. Теплый воздух – легкий. Значит, атмосферное давление холодного воздух выше, чем теплого.

4. Повышенное атмосферное давление сопровождается безоблачной погодой, без осадков. Зимой ему соответствует морозная погода, летом – жаркая. Пониженному атмосферному давлению соответствует пасмурная погода, с осадками. Зимой более теплая погода, летом – прохладная.

5. Фиксируя изменения атмосферного давления можно предсказывать изменения погоды.

4. Изменения атмосферного давления измеряются с помощью специального прибора – барометра. Барометр можно изготовить самостоятельно. [6, 7]

Глава 2. История изобретения барометра

Погода и атмосфера вызывали интерес еще в античные времена. Однако метеорология - наука о погоде появилась только в эпоху Возрождения, когда в Италии были изобретены приборы для измерения температуры, давления и влажности воздуха. Около 1600 года великий астроном и математик Галилео Галилей создал первый термометр. Через 40 лет ученик Галилея Торричелли придумал первый надежный барометр для измерения давления воздуха. Это была тарелка с налитой в неё ртутью и пробиркой(колбой), поставленной отверстием вниз. Когда атмосферное давление повышалось, ртуть поднималась в пробирке, когда же оно понижалось — ртуть опускалась. Прототип Торричелли использовался очень долго, пока ртутные барометры не запретили для использования в домах из-за токсичности его паров. Конструкция перестала применяться и уступила место барометру-анероиду. [2]

В 1646 году Б. Паскалем был создан водяной барометр, но его размеры оказались очень большими. Столб воды, уравновешивающий давление атмосферы, оказался намного выше столба ртути. Высота такого барометра более 13 м. Известным английским ученым Робертом Гуком в 1670 году была создана шкала барометра, низкое давление в которой указывало, что приближается дождь или шторм, а сухую и солнечную погоду предвещало высокое давление. Этот старинный предмет и есть прообраз современного комнатного барометра. [1]

В 17 веке великий немецкий математик и физик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц высказал идею создания анероидного барометра, но не построил его. С греческого языка "анероид" дословно переводится как "безводный" («безжидкостный). Первый в мире анероидный барометр построил в 1847 году французский инженер Люсьен Види.

На сегодняшний день существуют такие разновидности: жидкостные, ртутные, барометры – анероидыЭ, электронные.

Таким образом, в XVI-XVII веках, было создано одно из самых значимых изобретений в науке – барометры. Благодаря этому прибору у стало возможным прогнозное определение погоды. [5,6]

Глава 3. Прогноз погоды с помощью самостоятельно изготовленных приборов

В главе 3 приведем описание эксперимента - изготовление разных вариантов барометров и проведение метеонаблюдений.

3.1 Барометр из бутылки

Этот барометр состоит из трёх частей: самой бутылки, герметичной крышки и трубки. Внутри бутылки находится подкрашенная вода.

Принцип работы: сначала атмосферное давление внутри бутылки и снаружи идентичны. При изменении атмосферного давления, уровень воды в трубке будет меняться. При понижении атмосферного давления, воздух, находящийся внутри банки, давит на жидкость и вытесняет ее вверх по трубке, так как оно больше по значению. В этом случае пойдёт дождь или снег. При повышении атмосферного давления уровень воды в трубке опускается, так как давление воздуха в герметично закрытой банке становится меньше, чем давление снаружи и вода втягивается в банку. Погода будет ясная и солнечная.

В Санкт-Петербурге, солнечная погода редкость, поэтому жидкость в трубочке всегда видна.

Процесс изготовления барометра:

Для того, чтобы изготовить данный вариант барометра, я принял решение взять толстостенную банку из-под физраствора. У нее очень удобная и плотно прилегающая резиновая пробка. В пробке я проделал отверстие при помощи дрели и сверла, предварительно измерив диаметр трубочки. Трубку вклеил в крышку для повышения герметичности. После этого отмерил 250 мл воды и добавил в нее 15 мл красителя Метиленовый синий, который окрасил воду в ярко-голубой цвет. Перелил подготовленную жидкость в банку, вставил пробку, предварительно промазав ее края суперклеем, и плотно прижал пробку к бутылке на 10 секунд. За счет того, что ножка у пробки длинная, то внутри банки образовалось чуть большее давление чем было первоначально, поэтому взял одноразовый шприц и через герметизирующую силиконовую прокладку, вдавил два кубических сантиметра воздуха в трубку, тем самым выровняв уровень жидкости в банке и трубке. После этого наклеил названия вариантов погодных явлений на маркированную сторону бутылки. На этом процесс изготовления барометра из бутылки был завершен.

Рис. 1. Изготовление барометра из бутылки

3.2 Барометр из лампочки

Второй барометр я сделал из лампочки, внутри которой была подкрашенная вода.

Принцип работы барометра из лампочки: для корректной работы его нужно установить между оконных рам. Тогда при изменении давления, на его стенках изнутри должны формироваться мелкие капли воды, то есть конденсироваться атмосферная влага. Данный примитивный барометр может предсказывать изменение погодных условий в пределах 12-24 часов. Лучше всего показания барометра можно интерпретировать за незначительный промежуток времени перед резкой сменой погоды. Например, на стекле лампочки множество мелких капель конденсата, значит в ближайшее время (около 2 часов) начнется дождь. Если дождь на улице идет, а при этом на стекле лампы нет конденсата, значит в ближайшее время погода измениться на ясную или малооблачную. Рекомендуется устанавливать барометр между стекол в оконной раме, с северной стороны дома, так как тогда не будет излишнего воздействия обогревательных приборов, находящихся в помещении, а также не будет оказываться иссушивающего воздействия на конденсат со стороны солнца. В нашей квартире, это сделать невозможно, так как у нас установлены стеклопакеты и все окна выходят на южную, солнечную сторону. Таким образом барометр оказался самым бесполезным и получить четкие данные наблюдения не удалось.

Процесс изготовления: барометр из лампочки оказался самым сложным в изготовлении. Сначала надо было просверлить стекло и не расколоть лампу, на третьей лампе у меня получилось нормальное отверстие при помощи шуруповёрта и сверла по металлу. Далее, в отдельной ёмкости я смешал воду и краситель бриллиантовый зелёный. С помощью шприца я сумел перелить необходимое количество окрашенной воды в лампу. Также я дополнительно сделал подставку для барометра из двух соединённых медных проволок. Так был создан второй барометр.

Рис.2 Изготовление барометра из лампочки

3.3 Барометр-анероид

Третий барометр, который я изготовил это барометр-анероид.

Принцип работы барометра-анероида: при атмосферном давлении на уровне 760 мм рт. ст. создается этот прибор или производится его калибровка. Основой действия данного барометра является мембрана, которая прогибается вниз при повышении атмосферного давления или выгибается пузырем наружу при понижении атмосферного давления. Главное, чего необходимо добиться это герметизации соединения мембраны и емкости с воздухом, дабы избежать утечки воздуха из банки. Чем больше площадь мембраны и чем длиннее прикрепленный к ней указатель, тем точнее будут измерения атмосферного давления. За счет давления, которое оказывает атмосфера на мембрану, сделанную из шарика, этот барометр из всех трех - самый точный. При повышении атмосферного давления, свободный край зубочистки поднимается вверх, значит погода будет ясной, при понижении атмосферного давления, свободный край зубочистки идет вниз, значит ожидаются осадки. Если его немного переделать и удлинить зубочистку раза в три, то он сможет показывать любые изменения давления, даже самые незначительные. Единственное ограничение, его нужно держать в том месте, где температура всегда приблизительно одинакова, так как при изменении температуры воздух внутри банки может сужаться или расширятся без изменения атмосферного давления.

Процесс изготовления барометра: он делается проще всего. Для изготовления нужна стеклянная прозрачная банка, резиновый шарик, зубочистка и кусочек скотча. Банка должна быть прозрачной, чтоб максимально избежать расширения воздуха при попадании прямых солнечных лучей. Также и шарик, который используется в качестве мембраны не должен быть цветным, так как любой окрашенный предмет легко изменяет свою температуру под действием солнечных лучей. Я зафиксировал банку на столе при помощи струбцин, промазал край банки клеем и растянув шарик, надел его на горлышко банки. Расправил мембрану так, чтобы литьевое утолщение на шарике оказалось сбоку банки и не создало погрешности, при изменении давления.

Рис. 3 Изготовление барометра-анероида

3.4 Проведение метеонаблюдений

Нормальное давление на уровне моря принято считать 760 мм. рт. ст. Атмосферное давление уменьшается на 1 мм при подъеме на высоту на 12-13 метров. Так как центр Санкт-Петербурга расположен на высоте 1-5 метров над уровнем моря, то нормальное атмосферное давление в центре города мало отличается от от нормального атмосферного давления на уровне океана - 760 мм рт. Ст.

Я живу на перекрестке Ленинского проспекта и проспекта Маршала Жукова, на 8 этаже. Согласно топографической карте города, наш дом находится на 8 метров выше уровня моря, а мой подоконник в комнате на 27 метров выше уровня моря соответственно. Таким образом нормальное давление на этом уровне будет приблизительно равно 758 мм рт. Ст.

В течение шести месяцев я проводил метеонаблюдения – фиксировал показания всех трех барометров. Также я заносил показатели температуры на улице в отдельную графу. Как и говорил ранее, самым точным оказался барометр из бутылки с трубочкой, на втором месте барометр-анероид, а барометр из лампочки просто красивый. Таблица моих наблюдений представлена в Приложении №2.

За период наблюдений с 21.11.2021 г. по 03.04.2022 г. За 132 дня, было зафиксировано 60 дней с высоким давлением и 72 дня с низким. Максимальное давление составило 779 мм рт. ст. (27.02.2022 г.), ему соответствовала среднесуточная температура за период наблюдений -4 °С, ясная погода, сменившаяся переменной облачностью с дождем. Минимальное давление составило – 728 мм рт. ст. (17.02.2022 г.), ему соответствовала среднесуточная температура -8 °С, сплошная облачность.

На основе анализа наблюдений убеждаемся в правильности теоретического положения о том, что давление воздуха меняется с изменением температуры. Температура зимой понижается - давление повышается. При повышении давления облачность снижалась, и мы наблюдали от 12 часов до 3-х дней ясную погоду.

При проведении наблюдений показания самодельных барометров и погоды в основном совпали, исключения составляли, ясные и солнечные дни, но это связано с теплоотдачей подкрашенной жидкости в банках. По результатам наблюдений мы сделали вывод, что самодельные барометры действительно реагируют на изменения атмосферного давления и по их показаниям можно составлять краткосрочный прогноз погоды. Наиболее точные показания дает барометр-анероид. Значит, гипотеза нашла свое подтверждение.

Заключение

В своей работе мы рассмотрели понятие погода, историю наблюдений за погодой, взаимосвязь изменения атмосферного давления с изменениями погоды, самостоятельно изготовили барометры и провели наблюдения за показаниями приборов и изменениями погоды.

Мы пришли к следующим выводам:

1. Воздух атмосферы – смесь газов. Воздух имеет вес. Сила, с которой воздух давит на все предметы на поверхности Земли называется атмосферное давление. Измеряется оно с помощью специальных приборов – барометров.

2. Атмосферное давление холодного воздуха выше, чем теплого. Повышенное атмосферное давление сопровождается безоблачной погодой, без осадков. Зимой ему соответствует морозная погода, летом – жаркая. Пониженному атмосферному давлению соответствует пасмурная погода, с осадками. Зимой более теплая погода, летом – прохладная.

3. Изготовить барометры можно самостоятельно. Проводить данные опыты не сложно, но интересно. Они безопасны, просты и полезны. Это может пригодиться, если ты живёшь в загородном доме, или на даче, где нет интернета, телевидения или радио, ведь информацию надо откуда-то брать.

4. По результатам наблюдений мы сделали вывод, что самодельные барометры действительно реагируют на изменения атмосферного давления и по их показаниям можно составлять краткосрочный прогноз погоды.

В ходе работы нами была выдвинута гипотеза, что с помощью самодельных приборов можно предсказывать погоду. Гипотеза нашла своё подтверждение.

Практическая значимость работы заключается в возможности её использования на уроках окружающего мира, географии, физики и в повседневной жизни.

Приложение 1

Анализ социологического опроса

Приложение 2 Проведение метеонаблюдений

Список литературы:

1. Астапенко П.Д. Вопросы о погоде. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1982 г. – 392с.

2. Ауст З. Погода. – М.: Слово, 1994 г. – 48 с.

3. Варли К., Майлз Л. География. – М.: Росмэн, 1999 г. – 126с.

4. География: Материки. Океаны. – Смоленск: Русич, 1999 г. – 128 с.

5. Козгроув Б. Погода. – М.: Дорлинг Киндерсли, 1997 г. – 64 с.

6. Миронова С.С.Атмосфера. Все о воздушном океане Земли. – М.:Эксмо, 2014г. – 64с.

7. Финаров Д.П. Физическая география. - Санкт-Петербург: СпецЛит, 2002 г. – 207с.