Основные параметры
23 °C
Температура воздуха
45 %
Относительная влажность
768 мм рт ст
Атмосферное давление
Энергия в атмосфере

Основным источником энергии в атмосфере и на земной поверхности является ближайшая звезда — Солнце. Поток солнечной радиации, поступающий на верхнюю границу атмосферы составляет около 1365 Вт/м2. По мере распространения солнечной радиации в атмосфере по направлению к земной поверхности происходит ее поглощение и рассеяние. Поглощение в основном связано с селективным поглощением молекулами воздуха, а рассеяние - с наличием аэрозолей и облаков в атмосфере.

В результате, к земной поверхности поступают два потока солнечной радиации: поток прямой радиации S' и поток рассеянной радиации D. Не вся солнечная радиация поглощается подстилающей поверхностью, часть ее отражается обратно в атмосферу. Это свойство характеризуется параметром, называемым альбедо A.

Одновременно с этим, земная поверхность излучает длинноволновую радиацию BS, поток которой прямо пропорционален температуре подстилающей поверхности TS:

BS = δ σ TS4

Однако, поток длинноволновой радиации зависит не только от температуры, но и от излучательной способности подстилающей поверхности, характеризуемой коэффициентом серости δ (меняется от 0 до 1), который показывает отличие излучательных свойств поверхности от абсолютно черного тела.

Атмосфера тоже излучает длинноволновую радиацию BA в направлении к земной поверхности, что приводит к поступлению к земной поверхности дополнительного притока энергии. В результате, радиационный баланс подстилающей поверхности имеет вид:

R = (S'+D)(1−A) - BS + BA

Солнечная радиация поглощается поверхностью почвы, что приводит к ее нагреву и передаче тепла как в глубь почвы, так и в атмосферу. Поток тепла в почву B определяется разностью температуры поверхности и нижележащих слоев — чем больше разность, тем больше поток тепла в почву. Вторым фактором, оказывающим влияние на перенос тепла в почве является ее теплопроводность λ.

При движении воздушных масс возникает их трение о подстилающую поверхность, в результате чего появляются турбулентные вихри различных масштабов. У поверхности наблюдаются вихри самых малых размеров, а по мере удаления от поверхности встречаются вихри все больших размеров. Эти вихри осуществляют перенос тепла и влаги от подстилающей поверхности в вышележащие слои, то есть создают потоки тепла P и скрытого тепла LE. Важным параметром подстилающей поверхности, оказывающим влияние на турбулентный перенос, является параметр шероховатости z0 (толщина слоя у поверхности, в котором отсутствуют воздушные движения).

Радиационный баланс всегда равен тепловому балансу подстилающей поверхности:

R = P + LE + B

Типы микроклиматов

Локальный климат определяется свойствами подстилающей поверхности:

Таблица — Типичные значения параметров естественных поверхностей
Подстилающая поверхностьAδλ, Вт/(м·К)z0, м
Хвойные леса0.140.951.85.0
Лиственные леса0.180.951.83.0
Луга0.200.951.80.05
Полупустыни0.250.902.40.02
Пустыни0.300.902.410-3
Темные почвы0.100.951.810-4
Влажные серые почвы0.150.952.210-4
Сухие серые почвы0.350.951.810-4
Влажный снег0.650.901.310-4
Сухой снег0.850.900.110-4

Микроклимат леса

В густом лесу кроны деревьев смыкаются и препятствуют поступлению к поверхности солнечной радиации и уменьшают потери в результате излучения длинноволновой радиации почвой. Турбулентный обмен ниже крон деревьев крайне мал (высокие значения z0), а над кронами имеет повышенные значения, поэтому вертикальный профиль температуры воздуха в лесу имеет, как правило, максимум на уровне крон деревьев днем и минимум — ночью. Из-за слабого турбулентного обмена испарение происходит медленнее, чем с открытых участков леса без деревьев. Суточный ход температуры в лесу меньше, чем на открытых участках. Благодаря этому на опушке леса могут возникать бризовые явления.

Микроклимат полей

Благодаря тому, что поля находятся на открытой местности, где высота препятствий достаточно мала (малые значения z0) скорость испарения воды с поверхности достаточно высока. Для ее уменьшения используется искусственное увеличение шероховатости поверхности (увеличение z0) с целью уменьшения интенсивности турбулентного обмена. Для этого устраиваются специальные полосы леса между полями. Кратковременное увеличение дневной температуры почвы возможно за счет уменьшения альбедо почвы (уменьшение A) путем полива полей. Увеличение температуры почвы и воздуха в ночное время возможно за счет увеличения длинноволнового излучения атмосферы. Для этого создаются густые дымы, частицы которых переизлучают тепловое излучение поверхности в обратном направлении.

Микроклимат городов

Этот тип климата наиболее сложен в изучении, поскольку определяется не только свойствами поверхности и рельефом местности, но и расположением зданий и промышленных предприятий. Повышенная мутность городского воздуха приводит к уменьшению приходящей солнечной радиации и примерно такому же увеличению излучения атмосферы. Нагрев подстилающей поверхности в городах выше благодаря более высоким значениям альбедо крыш и автомобильных дорог, выбросам промышленных предприятий. В результате, над гордом образуется так называемый "остров тепла", где температура на несколько градусов выше, чем на городских окраинах.

Испарение в городе крайне мало, так как типичные городские поверхности, как правило, не впитывают воду и выпадающие осадки отводятся системами канализации. Это приводит к понижению относительной влажности воздуха в городах.

Ветер в городах претерпевает значительные изменения, связанные с ориентацией улиц относительно воздушного потока над городом, что проявляется в появлении системы «уличных ветров». Возможно также появление системы воздушных течений поперек улицы, когда одна сторона улицы нагревается солнечным излучением теплый воздух поднимается вверх, а на теневой стороне улицы опускается вниз.

Основы метеоизмерений

Микроклиматические измерения проводятся в нижней части приземного слоя атмосферы, где значительны вертикальные градиенты метеопараметров. Масштабы горизонтальной изменчивости явлений связаны с особенностями подстилающей поверхности и имеют порядок единиц и десятков метров, а также малы скорость ветра и турбулентность. Поэтому для осуществления измерений необходимы средства и методы измерений, отличающиеся от использующихся на традиционных метеорологических станциях.

Главными особенностями используемых средств являются:

Сборка метеостанции

Корпус метеостанции

Для изготовления корпуса метеостанции понадобятся следующие детали и инструменты:

Полипропиленовая белая водопроводная труба диаметром 40 мм и длиной 2 метрa1 шт.
Полипропиленовая белая водопроводная труба диаметром 32 мм и длиной 2 метрa1 шт.
Муфта для трубы диаметром 40 мм и внешней резьбой 1¼"2 шт.
Муфта для трубы диаметром 40 мм и внутренней резьбой 1¼"2 шт.
Сифон для кухни с разъемом для трубы диаметром 40 мм2 шт.
Сифон для душевой кабины с разъемом для трубы диаметром 40 мм2 шт.
Тройник 40x40x40 мм2 шт.
Тройник 32х32х32 мм3 шт.
Соединительная втулка для труб диаметром 40 мм2 шт.
Крепления для труб диаметром 32 мм3 шт.
Саморезы30 шт.
Нажевка по металлу1 шт.
Наждачная бумага1 шт.
Перьевое сверло диаметром 40 мм1 шт.
Сверло диаметром 3 мм1 шт.
Дрель1 шт.
Аппарат для сварки водопроводных труб1 шт.
Крестовая отвертка1 шт.
Тиски1 шт.
Защитные очки1 шт.
Перчатки1 пара
1
Отрежьте от трубы диаметром 40 мм три трубки длиной по 80 мм
2 мин.
X
2
Впаяйте получившиеся трубки ко всем выходам тройника
5 мин.
X
3
Впаяйте муфту с внешней металической резьбой 1¼" в среднюю трубу 40 мм, припаянную к тройнику
5 мин.
X
4
Присоедините сифон для кухни к одной из боковых трубок. Для этого наденьте на трубу сначала шайбу, потом резиновую прокладку толстой стороной к шайбе, затем вставьте сифон и закрутите рукой шайбу
2 мин.
X
5
Присоедините сифон для душевой кабины к другой боковой трубке аналогичным образом
2 мин.
X
6
Вставьте перьевое сверло на 40 мм в дрель
1 мин.
7
Зажмите втулку 40 мм в тисках
1 мин.
X
8
Высверлите внутреннее отверстие втулки сверлом так, чтобы втулка надевалась на трубу 40 мм
3 мин.
X
9
Высверлите вторую такую же втулку
3 мин.
10
Оденьте две втулки на метровую трубу 40 мм и расположите их произвольно, примерно посередине трубы
1 мин.
X
11
Впаяйте муфты с внутренней резьбой 1¼" на один и на другой конец метровой трубы диаметром 40 мм
5 мин.
X
12
Разрежьте две двухметровые трубы диаметром 32 мм на трубы длиной по 1 метру
10 мин.
X
13
Возьмите первую из четырех труб диаметром 32 мм и припаяйте заглушку к одному концу трубы
5 мин.
X
14
Припаяйте тройник на 32 мм ко второму концу трубы
5 мин.
X
15
Повторите тоже самое со второй и третьей трубами диаметром 32 мм
14 мин.

Программное обеспечение метеостанции

Для создания программного обеспечения понадобятся следующие компоненты:
Среда разработки Arduino IDE1 шт.
Библиотека Adafruit_Sensor1 шт.
Библиотека Adafruit_BME2801 шт.
Библиотека Adafruit_MLX906141 шт.
Библиотека Adafruit_TSL2561_U1 шт.
Библиотека OneWire1 шт.
Библиотека DallasTemperature1 шт.
Скетч eFlux-v2.ino1 шт.

Установка среды разработки

Для отладки программного обеспечения установите среду разработки Arduino IDE, загрузив один из архивов:

Установка дополнительных библиотек

Установите библиотеки для работы с датчиками. Для этого загрузите на жесткий диск компьютера ZIP-архивы с текстом библиотек:

  1. Adafruit_Sensor
  2. Adafruit_BME280
  3. Adafruit_MLX90614
  4. Adafruit_TSL2561_U
  5. OneWire
  6. DallasTemperature
Запустите Arduino IDE, выберите пункт меню "Sketch->Include Library->Add ZIP Library..." и укажите путь к файлу первой библиотеки. Начнется установка библиотеки. Выполните аналогичные действия для установки всех остальных библиотек.

Загрузка прошивки метеостанции

Загрузите на жесткий диск компьютера скетч eFlux-v2.ino и откройте его с помощью Arduino IDE, выбрав пункт меню "File->Open..."

Подключите модуль NodeMCU 1.0 к компьютеру кабелем с разьемом microUSB.

Укажите тип модуля микроконтроллера выбрав пункт меню "Tools->Board->NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module)". Затем укажите порт, к которому подключем модуль в пункте меню "Tools->Port". Откомпилируйте скетч выбрав пункт меню "Sketch->Verify/Compile". Загрузите получившийся двоичный файл прошивки в модуль выбрав пункт меню "Sketch->Upload".

Аппаратное обеспечение метеостанции

Модуль микроконтроллера NodeMCU v1.02 шт.
Плата расширения для NodeMCU v1.02 шт.
Датчик температуры, влажности воздуха и атмосферного давления BME2802 шт.
Датчик освещенности TSL25612 шт.
Дистанционный датчик температуры MLX906142 шт.
Провода24 шт.
Кабель microUSB5 шт.
Источник питания типа PowerBank емкостью 2400 мАч2 шт.
Солнечная батарея мощностью 3 Вт2 шт.
Вставьте ножки модуля микроконтроллера NodeMCU v1.0 в плату расширения. Обратите внимание, что WiFi-антенна модуля должна быть с той стороны, где на плате расположен символ "антенна". Плавно покачивая вперед-назад вдавите модуль в плату сверху вниз до упора
1 мин.
Подключите датчик TSL2561 к плате расширения. Для этого подключите контакт GND датчика к контакту GND платы, контакт VCC датчика к контакту 3V платы, контакт SCL к D4, контакт SDA к D3
3 мин.
Подключите датчик MLX90614 к плате расширения. Для этого подключите контакт GND датчика к контакту GND платы, контакт VCC датчика к контакту 3V платы, контакт SCL к D4, контакт SDA к D3
3 мин.