Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Stonawski Tamás
Báthori István Református Gimnázium
és Kollégium, Nagyecsed
Néhány természeti jelenség lefolyásának időtartama túlságosan hosszú, ezek vizsgálatához szükség van úgynevezett time lapse rendszerrel rendelkező szoftverre, illetve megfelelő felbontású kamerára is. A felhők vonulása, a Hold, a Nap látszólagos mozgásai, a növények növekedése, az esőcseppek párolgása, a jég olvadása… stb. olyan lassan mennek végbe, hogy érdemesebb normál film valós idejű 30 kép/s rögzítése helyett olyan filmeket készíteni, amiben percenként, esetleg óránként exponálódik egy-egy képkocka. Ilyen film normál sebességű lejátszása esetén gyorsítva láthatjuk a vizsgált jelenségeket. Ezekkel a felvételekkel lényegesen könnyebben készíthetünk elemzéseket különböző analizáló szoftverek segítségével.
A légkör különböző magasságaiban lebegő apró vízcseppek vagy jégkristályok halmazait nevezzük felhőnek. A meteorológia 10 fő-felhőfajt különböztet meg. A felhők osztályozásánál a következő szempontokat veszik figyelembe: a felhő magassága, mérete, alakja, textúrája, fényereje és színe. A felhők tulajdonságait az őket létrehozó különböző fizikai folyamatok határozzák meg, amelyekkel a környezeti áramlások fizikája foglalkozik.
Elhatároztuk tanítványaimmal, hogy szakköri munka keretén belül, webkamera segítségével megmérjük a felhők sebességét.
A felhők szélességét nem ismertük, ezért két adatra szükségünk volt: a felhő légköri magasságára és a webkamerára jellemző α látószögre.
A webkamera, hasonlóan az emberi szemhez, a körülötte
lévő tér egy részét képes csak érzékelni. A kamera
által látható síkrész szélességét a látószög határozza
meg, ami a kamerára jellemző állandó. Sok
esetben a gyártó a kamera leírásában fel is tünteti ezt
az értéket. Ha ez az adat mégsem áll rendelkezésünkre,
akkor geometriai módszerekkel könnyen meghatározhatjuk.
Rajzoljunk egy A4-es lapra koncentrikus
köríveket, majd helyezzük a kamerát a középpontba!
Állítsuk elő ezután a számítógépen létrejövő képet! A
koncentrikus vonalakon haladva keressük meg a ceruzánk
hegyével azokat a helyeket,
ahol éppen a képernyő szélén látszik
a ceruzahegy! A pontokat összekötve
két metsző egyenest kapunk. A két
metsző egyenes által bezárt α szög a
kamera látószöge (1. ábra).
Az α látószög ismeretében a kamera
által készített képen meghatározhatjuk
a h magasságban lévő tárgy
valódi y szélességét.
A kamera látószögét A4-es lapon geometriai módszerekkel állapítottuk meg. Mivel ilyen kis méretű szerkesztéseknél a kis szögeltérések nem szembetűnőek, ezért elvégeztük a kamera látószögének ellenőrzését ismert tárgytávolság- és tárgynagyságértékekkel is.
A kamerát az osztályterem végében, a táblával szemben helyeztük el. Mérőszalaggal megmértük a tábla és a kamera távolságát, illetve a tábla hosszúságát és szélességét is. Ezt követően a kamerával képet készítettünk. A Tracker videoanalízis szoftver segítségével a tábla szélességét bekalibráltuk a valós értékekre, és a program segítségével megmértük a teljes képernyő szélességét. A képernyő szélességéből és a kamera-tábla távolság arányából ismét kiszámítottuk a látószög nagyságát. A kapott érték csak kissé tért el a papírlapon mért értéktől: α = 52,84° adódott.
Ha ismert a kamera és az objektum távolsága, a teljes képernyőn látható kép valódi szélessége (1) alapján kiszámítható.
2012. május 10-én a Nagyecsedi Református Gimnázium fizikaszertára ablakából felhők mozgását filmeztük. A Webcamlaboratory szoftvert használtuk, amit úgy állítottunk be, hogy a rögzített kamera segítségével 15 másodpercenként készítsen egy felvételt. A felhők igen közelinek tűntek és gyorsan mozogtak a kissé borongós égbolton. A felhők fényképei alapján kiválasztottuk a felhőatlaszból a hozzá legjobban hasonlót és kigyűjtöttük a rendelkezésre álló paramétereket. A vizsgált felhők leginkább a Cumulus felhőcsaládra hasonlítottak (2. ábra).
A Cumulus humilis hosszan elnyúlt (1-20 km átmérőjű) és rendszerint elmosódott körvonalú felhőfajta. Szélük fehér vagy gyöngyházfényű színeződést mutat, közepük szürkés árnyalatú. Középmagasan, 2-5 km magasságban képződnek a termikus konvekció következményeként. Az Antarktiszon kívül (a hideg felszín gátolja a konvekciót) bármely földrészen előfordulhatnak.
A felfelé áramló levegőben a vízgőz a magasabban fekvő hideg levegővel érintkezve kicsapódik, amit a filmfelvételen is jól megfigyelhettünk: több kisebb pamacs, ellentétben a nagyobb társaikkal, nem beúszott a képmezőbe, hanem a kék háttérből sejtelmesen előbukkant. Ez a folyamat fordítva is lejátszódott: a felhők bizonyos részei szertefoszlottak a felvételeken a folyamatos melegáramlásnak köszönhetően.
Nyáron az esetek többségében a gomolyfelhők késő délutánra összeomlanak. A Cumulus humilis ugyan nem esőfelhő, de a közeljövőben (12-24 óra múlva) bekövetkező esőre is utalhat, főleg, ha kialakul a gomolyfelhő-képződés következő fázisa, a Cumulus congestus karfiolszerű, több kilométer magasságú felhő. 2012. május 10-én a késő délutáni órákra sem tudtak kialakulni a magasabb gomolyfelhők, csapadék sem esett.
A felhők magasságából kiszámoltuk a kamera által felvett teljes képernyőszélességnek megfelelő valódi hosszt:
A képernyő teljes szélességét a fenti minimális és maximális kalibrációkra állítottuk és kiválasztottunk egy kis és egy nagy méretű felhőt. A kalibrációt fixen hagyva a program lehetőséget ad a kalibrációnak megfelelő síkokban az objektumok szélesség- és hosszúságméreteinek meghatározására. A felhők így 1-3 km szélességűeknek adódtak.
A felhő egy jellegzetes pontját kiválasztottuk és mozgása során a program segítségével nyomon követtük. A koordinátarendszer x tengelyét a felhő haladási irányának egyenesében vettük fel.
A mérés során a maximális és a minimális értékekkel is lefuttattuk az analízist.
Az x-t grafikonokra egyeneseket illesztettünk, az egyenesek meredekségei a felhő lehetséges sebességértékeinek feleltek meg (3. ábra). A kapott sebességérték: 3,28–8,2 m/s ≈ 12–30 km/h volt.
Először a fizikaszertár ablakának tájolását végeztük el a https://maps.google.hu/ oldal segítségével. Beírtuk az iskola címét, és a maximális nagyítást választva kivágtuk az iskoláról készített műholdfelvételt (ezek a fotók a térképek szerinti tájolásban készülnek). Ezután a kamera által, az ablakkeret síkjával párhuzamosan készített képet ráillesztettük, és bejelöltük a felhők áramlási irányát (4. ábra). A felhők sebességének iránya jó közelítésben északnyugati volt, azaz délkeleti szél fújt a felhők magasságában.
A talajszinten is megmértük a szélirányt: az iskola mellett fekvő sportpályán egy könnyű cérnaszálat kötöttünk egy botra, és iránytű segítségével leolvastuk a szél mozgatta cérnaszál irányát (északnyugat), amely jól közelített a felhők sebességének irányához.
A Cumulus felhőcsalád gyakran a hidegfront érkezésével keletkezik. A mért felhősebesség-értékek is a hidegfront közeledtét támasztották alá. A hidegfront áramlási sebessége általában 25–40 km/h, a lökésszerűen megjelenő szél észak-északnyugatira fordul és viharossá fokozódhat. Jellemző csapadékformája a zápor, zivatar jégesővel kísérve (5. ábra).
A vizsgált felhők áramlási iránya északnyugati volt. A felvétel készítése utáni napon Nagyecsedtől néhány kilométerre északnyugatra 3 mm, majd 2 nap múlva 24 mm csapadék hullott (ezen a napon országos eső volt). Május 13-án átlagosan 5 mm csapadék hullott a térségben, majd 14-én megszűnt az esőzés (6. ábra).
A szakköri munka során egyszerű sebességmérőötletből indultunk ki, ám a mérés kivitelezése során több érdekességet is felfedeztünk a légköri jelenségekkel kapcsolatosan. Összefüggéseket kerestünk a felhők fajtája, sebessége és a légköri áramlások között. Ok és okozati viszonyokat tapasztaltunk a saját bőrünkön, hiszen a szakkört követő napokon erőteljes esőzések következtek be. A meteorológiai weboldalakon ellenőrizhettük a szél áramlási irányát, nagyságát, a csapadék előfordulását és mennyiségi értékeit is. Megtanultuk néhány jellegzetes felhő nevét és tulajdonságát, felfedeztük a Föld forgásának áramlási következményeit, és gyakrabban tekintettünk fel az égre.