Что-то с неба падает?
Пару лет назад я уже кратко писал об этой разработке одного из институтов Томского научного центра. Конечно, разработку приборов (особенно экологического мониторинга) не всегда удается провести в режиме «быстрого» стартапа, но этому имеется ряд объяснений, которые часто не зависят от разработчиков. Предлагаю проанализировать ситуацию и познакомиться с разработками интересных приборов для такой консервативной сферы, как метеорология. В этой статье пойдет речь об оптическом измерителе осадков, который, в конечном счете, уже должен как-то заменить используемый для этих целей метеорологический прибор — ведро. Да, да, друзья, именно ведро. Ведро Третьякова — штатный осадкомер, который уже десятками лет используется Росгидрометом. С другой стороны, что может быть надежней ведра? Наверное, только таз… В этом и заключается исключительная консервативность сферы метеорологии. Новые средства измерения должны не нарушать многолетних рядов метеонаблюдений и для того, чтобы сменить ведро Третьякова на новые приборы для регистрации осадков, требуется многолетние сравнительные измерения. Хватит ли первой четверти XXI века для этого? Предлагаю пообсуждать это под катом!
Ещё немного о ведре Третьякова
Не подумайте, что мой сарказм в начале статьи как-то направлен на очернение существующих методик и приборов, используемых для метеорологических измерений. Нет. В свое время такие приборы и методики были очень передовые. Речь идет о том, что ситуация меняется, многие интересные технологии позволяют решать задачи метеорологии на принципиально новом уровне и, самое главное, снизить человеческий фактор. Ведь работу по снятию метеорологических данных на ключевых постах метеонаблюдений осуществляет метеоролог. Это люди чрезвычайно ответственные, но это люди. Конечно, существуют автоматические станции метеонаблюдений, но по правилам и они с определенной периодичностью обслуживаются людьми.
Возвращаясь к ведру Третьякова. Это металлическая ёмкость с ветровыми гасителями, такими лепестками, которые гасят ветровое влияние, когда идет косой дождь. Так выглядит прибор в сборе.
Ведро Третьякова устанавливается на определенную высоту и, к сожалению, его обслуживание никак не обходится без метеоролога. Специалист замеряет количество осадков вручную, используя шкалы или линейку. После измерений необходимо слить воду из ведра. Конечно, для определения твердых осадков прибор особо не подходит.
Кстати, самой распространенной травмой на метеостанции является падение людей с лестниц, ведь многие приборы устанавливаются на высоту 2 метра. Представьте себе, каждые три часа прыгать по мокрым или обледеневшим металлическим лестницам? Ноги, руки береги!
Оптические осадкомеры
Конечно, в большинстве стран уже давно не применяются такие средневековые технологии регистрации осадков, как с помощью ведра. В большинстве своем используется оптические осадкомеры. Вот, для примера, приборы такого вида используются в Германии и США. Как сейчас принято говорить — у «наших партнеров».
Действительно, для такой задачи использовать оптическую регистрацию сигнала самое разумное. Высокая точность, не нужно особого ухода, приборы защищены от замерзания, нет человеческого фактора. По этому же пути пошли и разработчики российского оптического прибора для регистрации осадков — осадкомера ОПТИОС (ОПТический Измеритель ОСадков).
Кстати, ещё не понятно, кто за кем пошел. Мы за передовыми разработками в области метеорологии, или «наши зарубежные партнеры». Ведь первый в мире прототип оптического осадкомера был предложен в Советском Союзе в СКБ «Оптика», г. Томск. Сохранилось лишь одно архивное фото. Вот оно.
Но не смотря на неказистость конструкции, этот прибор вызвал мгновенный интерес за рубежом и сразу был выкуплен советский патент. Мы, как всегда, оказались с носом. Тут же был зарегистрирован международный патент и оптическая регистрация осадков стала активно развиваться.
Как же работают такие приборы? Основой измерений является непрерывный анализ теневых изображений капель на оптическом приемнике при прохождении капелек дождя через измерительную площадку.
Но ведь капли не одиночные? Да, капель много, но для этого и применяются алгоритмы потоковой обработки изображений, а в качестве детектора оптического излучения используются специальные протяженные скоростные матрицы. Это позволяет не только определить интегральное (общее) количество осадков, но определить тип осадков (дождь, снег, град), скорость падения капель и структуру осадков. Это дает дополнительные интересные данные, которые, в частности, можно использовать для научных исследований. Так, к примеру, выглядит распределение капель дождя по размеру и, что самое замечательное — можно регистрировать снежные осадки, что в случае с ведром Третьякова уже затруднительно.
Кстати, капли вовсе не шарообразные. Они несколько вытянуты и практически все у поверхности Земли разбиваются на более мелкие, хотя на высоте, конечно, капли крупнее. Разлет капель связан с тем, что при полете к поверхности Земли они набирают приличную скорость и даже самая крупная капля на определенной скорости неизбежно разлетается на мелкие. Скорость капель также можно оценить.
Большинство капель смеет скорость не более 9 м/с, а снежинки летят с максимальной скоростью не более 1–2 м/с. Другое дело град. Это более серьезная задача, с которой также неплохо справляется оптический осадкомер. Конечно, речь идет о малоинтенсивном граде. К примеру, такой град и измерять не стоит. Лучше просто спасаться!
Но это редкость. В большинстве своем град значительно мельче. В 95 процентах случаев градины размером не более 5 мм, но скорость их выше и может достигать до 50 м/с. Так выглядят теневые изображения градин с приемника оптического изображения осадкомера.
Вообще анализ теневых изображений очень увлекательное дело. Действительно, формы и виды снежных осадков удивляет.
Всё это лишь дополнительные возможности, которые предоставляются исследователями. Главную же задачу оптические осадкомеры решают надежно. Автоматически измеряют количество, вид и структуру осадков, передают данные для анализа и могут работать даже в самых суровых условиях. Остается только надеяться, что они придут за замену старым приборам, но пока лишь идет процесс сравнительных испытаний, который может длиться очень долго. Вот как это происходит.
Приборы должны стоять рядом многие месяцы и только сравнительные эксперименты могут дать шанс новому прибору появиться в арсенале метеорологов. Вообще по сути это абсурдная ситуация. Оптические измерения точнее, осадкомер новой конструкции лучше работает со снегом и также определяет структуру осадков. Конечно, по дождю сходимость результатов добиться наверное можно, но как же погрешности измерений? Влияние человека? Испарение воды? Эти и другие вопросы остаются открытыми…
Вообще регистрация количества осадков является одной из важнейшей задач метеорологии, так как погоду определяет, в частности, так называемый, мировой водный контейнер. Или проще говоря — круговорот воды в природе. Поэтому развитие приборов по регистрации количества осадков является важной технической задачей.
Вообще метеорология является крайне консервативной сферой. Наверное, это имеет свои объяснения, но с другой стороны в ней действуют уже трудно объяснимые традиции. До сих пор измерять температуру на метеостанции приходится градусниками по ГОСТу 1968 года (ГОСТ 13646–68). Интересно, в чем уж такая необходимость? Также используются ртутные термометры для измерения температуры почвы и воды в водоемах по требованиям ГОСТ 112–78 1978 года. Сколько сломано в земле таких ртутных термометров или утоплено в реках и озерах? Может в этом и есть глубинная суть, но её не понимаю. Если кто-то сможет объяснить — прошу оставить свой комментарий. И, конечно, всем хорошей погоды и приятного дня!
