Frontiers for Young Minds (Polski)

opady deszczu są jednym z najczęściej wymienianych doświadczeń na Ziemi, i założę się, że regularnie jesteś tego świadkiem. Czasami jesteś gotowy w odpowiednim ubraniu, a czasami nie!, Opady deszczu są czasami długie i lekkie, czasami krótkie i ciężkie, a czasami długie i ciężkie. Gdy opady są długie i obfite, mogą prowadzić do gwałtownych powodzi, co jest niebezpieczne dla pobliskiej ludności. Konieczne są również opady deszczu, ponieważ dostarcza wodę roślinom i ostatecznie wypełnia rzeki. Ponieważ opady deszczu są zarówno potrzebne zasoby, jak i zagrożenie, ważne jest, aby lepiej zrozumieć to naturalne zjawisko.

jest bardzo prawdopodobne, że zauważyłeś już, że deszcz jest zmienny w czasie. Kiedy przebywasz w tym samym miejscu, nie pada tam cały czas., Nawet podczas opadów deszczu Siła opadów może stale zmieniać się z bardzo lekkich na bardzo silne. Silniejsze okresy opadów są zwykle dość krótkie. Ten rodzaj zmienności opadów jest również widoczny na większą skalę, ponieważ jak wiadomo, są bardziej wilgotne miesiące lub lata i suche. Istnieje również zmienność w miejscu występowania opadów deszczu. Może dużo padać w jednym miejscu i wcale, lub z bardzo różną siłą, kilka kilometrów, a nawet kilkaset metrów dalej.

zmienność jest podstawową cechą opadów, która sprawia, że jest złożona do pomiaru., Meteorolodzy (osoby badające pogodę)i badacze opracowali liczne urządzenia pomiarowe, które umożliwiają badanie ekstremalnej zmienności opadów. Wyjaśnimy funkcjonowanie trzech najczęściej używanych urządzeń. Prezentowane przez nas dane zostały zebrane na terenie kampusu Ecole des Ponts ParisTech, gdzie pracuję.

Jak zmierzyć ilość padającego deszczu?

najczęstszym pomiarem opadów jest całkowita głębokość opadów w danym okresie, wyrażona w milimetrach (mm)., Na przykład, możemy chcieć wiedzieć, ile milimetrów deszczu spadło w ciągu 1 godziny, 1 dnia, 1 miesiąca lub 1 roku.

możesz łatwo uzyskać przybliżony pomiar głębokości opadów w domu. Po prostu wykonaj następujące czynności: (1) weź butelkę o gładkich bokach, odetnij górną część i odwróć ją do góry dnem na górze butelki, aby utworzyć rodzaj lejka (patrz rysunek 1A). (2) przyklej linijkę z boku butelki i napełnij butelkę wodą do zera na linijce, która powinna znajdować się powyżej nierówności na dnie butelki. W przeciwnym razie uderzenia wpłyną na pomiar., (3) zabierz wskaźnik deszczu na zewnątrz, w miarę możliwości od budynków i drzew. (4) regularnie notuj poziom wody (na przykład codziennie rano o 8:00 przed pójściem do szkoły), aby zebrać własne dane. Jeśli planujesz pomiary latem, część wody w butelce wyparuje (do kilku mm dziennie), co wpłynie na twoje pomiary. Aby tego uniknąć, można dodać cienką warstwę oleju do wody. Ponieważ jest lżejszy od wody, olej unosi się na wierzchu wody i zapobiega parowaniu., Pomiary, które otrzymujesz z miernika deszczu, powiedzą Ci, ile opadów miało miejsce w określonym okresie czasu.

profesjonaliści używają bardziej skomplikowanych urządzeń zwanych deszczomierzami do wywracania łyżek, które można zobaczyć na rysunku 1B. ten deszczomierz wygląda jak urządzenie domowej roboty, z wyjątkiem tego, że pod lejem znajdują się dwa wiadra. Woda wpadająca do miernika deszczu będzie kierowana do jednego wiadra przez lejek. Po napełnieniu wiadra, zwykle po 0.,2 mm deszczu spada, jest zaprojektowany tak, aby automatycznie przechylać się, co oznacza, że drugie wiadro będzie teraz pod lejem. Proces zaczyna się od nowa z tym drugim wiadrem, aż do napełnienia i końcówek. Wskaźnik deszczu rejestruje czas wszystkich końcówek wiadra, co da badaczowi dane o tym, jak szybko spada deszcz w czasie. Rysunek 1C przedstawia przykład danych, które można uzyskać za pomocą deszczomierza kubełkowego. Uwagi te zostały poczynione w dniu 27 czerwca 2017 r. Głębokość opadów (w mm) szybko wzrosła między 13: 00 a 14: 00, co oznacza, że w tym okresie dużo padało., W okresie lekkiego deszczu urządzenie to nie jest zbyt precyzyjne. Na przykład między 05: 15 a 13: 00, wszystko, co można powiedzieć, to to, że spadł 0,2 mm deszczu (jeden czubek wiadra), ale nie wiesz dokładnie, kiedy spadł deszcz. Jeśli jest dużo wiatru, może to również wpłynąć na dokładność urządzenia.

jak zmierzyć wielkość kropli deszczu?

z czego składa się deszcz? Krople deszczu, oczywiście! Deszczownice nie są wystarczająco czułe, aby móc wykonywać pomiary pojedynczych kropli deszczu. Aby rozpocząć zbieranie danych o kroplach i ich wielkości, potrzebujesz urządzenia zwanego disdrometrem.,

przed opisaniem „prawdziwego” disdrometru, oto jak można go zrobić w domu (patrz Ref. bardziej szczegółowy opis). Wykonaj następujące kroki: (1) weź talerz i połóż na nim kilka milimetrów mąki. (2) Gdy pada deszcz, wyjdź na zewnątrz z przykrytą płytą, odkryj ją na kilka sekund, aby niektóre krople mogły na nią spadać i tworzyć małe kratery, a następnie wróć do środka. (3) przeanalizuj wynik.

zauważysz coś podobnego do tego, co pokazano na rysunku 2A, i zauważysz, że krople nie wszystkie mają ten sam rozmiar—niektóre są bardzo małe, a niektóre są bardzo duże!, W rzeczywistości kratery są większe niż krople, ponieważ woda nieznacznie rozprzestrzenia się po uderzeniu w płytę, ale nadal umożliwiają bezpośrednią wizualizację wielkiej różnorodności rozmiarów kropli, nawet w bardzo krótkim czasie.

jak można sobie wyobrazić, meteorolodzy i badacze chcieli urządzenia bardziej automatycznego i precyzyjnego niż płyta mąki! Obecnie używają one głównie disdrometrów optycznych, które działają jak pokazano na rysunku 2B. ten rodzaj disdrometru składa się z dwóch części: nadajnika i odbiornika. Nadajnik generuje arkusz światła o wysokości kilku mm. Odbiornik jest wyrównany z nadajnikiem, co oznacza, że gdy nie pada deszcz, odbiornik odbiera całe światło., Jednak, gdy kropla przechodzi przez arkusz światła, zgadnij, co się dzieje? Ilość odbieranego światła jest mniejsza, ponieważ część zostaje zablokowana przez kroplę. Jeśli kropla spadnie bardzo szybko, czas trwania spadku otrzymanego światła będzie krótki. W ten sposób szacuje się prędkość spadania (prędkość) spadającego spadku. Jeśli spadek jest duży, sygnał mierzony przez odbiornik zmniejszy się bardziej niż przy mniejszym spadku. W ten sposób szacowana jest wielkość kropli. W ten sposób mierzy się wielkość i prędkość każdej kropli przechodzącej między nadajnikiem a odbiornikiem.,

krople deszczu mogą mieć wielkość nawet 5-6 mm. większe krople są dzielone podczas ich opadania. Rzeczywiście przy tej wielkości nie są wystarczająco silne, aby oprzeć się sile wiatru, którą czują, gdy gwałtownie spadają. Prędkość, z jaką spadają krople, wzrasta wraz z ich wielkością: krople 1 mm spadają z prędkością 3 m / s, podczas gdy krople 5 mm (bardzo duże) spadają z prędkością 8 m / s.Rysunek 2C pokazuje liczbę kropli każdej wielkości, które spadły podczas burzy, która miała miejsce 27 czerwca 2017 r. w rejonie Paryża. Małe krople są znacznie liczniejsze niż duże. Ale nie zapominaj, że kropla 1 mm ma objętość 125 razy mniejszą niż kropla 5 mm!, Oznacza to, że choć nie są liczne, duże krople stanowią dużą część głębokości opadów. Rozważmy teraz kolejne kroki czasowe 30 s. następnie, dodając objętość wszystkich kropli, które przeszły przez disdrometr podczas 30-s kroku czasowego, można oszacować ilość głębokości deszczu, która spadła podczas każdego 30-s kroku czasowego. Oszacowanie to daje szybkość deszczu i jest zwykle wyrażona w mm / h. szybkość deszczu daje wyobrażenie o sile opadów., Szybkość deszczu odpowiada głębokości deszczu, która kumulowałaby się w ciągu 1 godziny, gdyby szybkość deszczu pozostała stała w tej godzinie (co w rzeczywistości nigdy nie występuje w prawdziwym życiu). Rysunek 2D pokazuje szybkość deszczu( w mm / h), z krokami czasowymi 30 s, podczas tego samego wydarzenia 27 czerwca 2017. Dużą zmienność prędkości deszczu można łatwo zobaczyć na wykresie.

jak zrobić Mapy deszczowe?

do tej pory omawialiśmy tylko urządzenia, które mogą zapewnić pomiary opadów deszczu w dokładnym miejscu., Zarówno deszczownice, jak i disdrometry dają tylko wyobrażenie o deszczu, który na nie spadł, ale nie na okoliczne tereny lub oddalone o 20 km. Aby utworzyć mapy opadów, które są mapami z ilością deszczu, który spadł w danym czasie (na przykład 5 min lub 1 h) w wielu miejscach, musimy polegać na radarze pogodowym.

działanie radaru pogodowego podsumowano na rysunku 3A. po pierwsze, urządzenie radarowe transmituje falę elektromagnetyczną w jednym kierunku, która przenosi część energii przez atmosferę., Kiedy ta energia osiągnie kroplę wody w chmurze, niewielka część tej energii jest wysyłana z powrotem do urządzeń radarowych. Następnie sprzęt mierzy tę bardzo małą ilość energii otrzymanej ze wszystkich kropli. Za pomocą specjalnych programów komputerowych można zamienić ilość otrzymanej energii na ilość deszczu. Ważne jest, aby pamiętać, że radar nie mierzy bezpośrednio ilości deszczu, ale zamiast tego mierzy ilość energii wysyłanej przez krople. Owa zamiana energii na ilość deszczu okazuje się być trudna i ludzie ciągle prowadzą badania aby ją udoskonalić ., Na przykład obecnie przyjmuje się, że rozkład wielkości kropli i lokalizacja kropli w pikselu radaru są jednorodne. Jest to nadmierne uproszczenie rzeczywistości, które może mieć wpływ na pomiary . Program komputerowy umożliwia sprzętowi radarowemu oszacowanie ilości opadów deszczu w miejscach, które są daleko. Urządzenie radarowe może obracać się wokół siebie i może również zmieniać swój kąt, dzięki czemu może oszacować prędkość deszczu w całym swoim otoczeniu.

• Rysunek 3
• A., Radar pogodowy działa poprzez wysyłanie fali w atmosferze, gdzie krople zwracają jej część do radaru. Prezentowany sprzęt znajduje się na terenie kampusu Ecole des Ponts ParisTech. B. Mapa opadów stworzona na podstawie danych uzyskanych za pomocą tego radaru w dniu 15 września 2016 r. w ciągu 3 min i 40 s.na dolnej części mapy widoczne są dwie bardzo intensywne komórki opadów.

w zależności od typu radaru możliwe jest oszacowanie opadów deszczu do 150-200 km z urządzeń radarowych. Wiele krajów rozwiniętych posiada sieć urządzeń radarowych., Łącząc dane zebrane przez wszystkie urządzenia radarowe, możemy uzyskać mapy opadów deszczu na terenie całego kraju. Rysunek 3B przedstawia przykład Mapy radarowej opadów mierzonej za pomocą urządzeń radarowych w Ecole des Ponts ParisTech. Zmienność opadów widać-zauważmy dwie bardzo intensywne komórki na dolnej części mapy, w Kolorze Żółtym i czerwonym.

czego się nauczyliśmy?

opady deszczu są bardzo zmienne, zarówno w czasie, jak i między różnymi lokalizacjami, co sprawia, że jest to bardzo trudne do zmierzenia., Deszczomierz zasadniczo zbiera spadającą na niego wodę i rejestruje zmianę w czasie głębokości opadów, która jest zwykle wyrażana w mm. można uzyskać znacznie bardziej szczegółowe informacje za pomocą disdrometrów. Drisdrometr generuje arkusz światła, który jest częściowo zablokowany, gdy kropla spada przez niego. Wielkość i prędkość każdej kropli przechodzącej przez arkusz światła jest szacowana na podstawie ilości światła, które jest zablokowane., Aby stworzyć mapy opadów, które mierzą opady w wielu miejscach, musimy użyć radaru, który zasadniczo wysyła trochę energii do atmosfery i analizuje część tej energii, która jest zwracana do niej, gdy odbija się od kropli deszczu w atmosferze. Nadal istnieje wielu naukowców pracujących nad sposobami dokładnego pomiaru opadów deszczu w czasie i w wielu miejscach naraz.

Słowniczek

Deszczomierz kubełkowy: urządzenie, które mierzy skumulowaną głębokość opadów (w mm) w dokładnym miejscu.,

Disdrometer: urządzenie, które mierzy rozmiar i prędkość każdej przechodzącej przez nie kropli deszczu.

radar pogodowy: urządzenie umożliwiające obliczanie map opadów na dużym obszarze dla różnych etapów czasowych(np. 5 min, 1 h i 1 dzień).

Oświadczenie o konflikcie interesów

autor oświadcza, że badanie zostało przeprowadzone w przypadku braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.,

podziękowania

autorzy bardzo doceniają częściowe wsparcie finansowe katedry „Hydrologia dla prężnych miast” (obdarzonej przez Veolia) Ecole des Ponts ParisTech.