گرانیگاه

گِرانیگاه یا مَرکَز ثِقْل یک دستگاه از ذرات، در فیزیک، نقطهٔ مشخصی است که در بسیاری از مسائل سیستم طوری رفتار می‌کند که گویی همه جرم آن در آن نقطه متمرکز است. گرانیگاه فقط تابعی از جای و جرم ذراتی است که سامانه را تشکیل می‌دهند.

در صورتی که ذرات سیستم تا حدودی آزادانه در کنار هم باشند، مانند مجموعه ساچمه‌هایی که از تفنگ ساچمه‌ای شلیک شده، گرانیگاه نقطه‌ای در فضا و بین گلوله‌ها است که ممکن است روی هیچ کدام از آن گلوله‌ها واقع نباشد.

گرانیگاه یک جسم همیشه روی مرکز هندسی آن نیست. و نقطهٔ دیگری می‌تواند گرانیگاه جسم باشد.

محتویات

    ۱ تعریف
    ۲ مثال‌ها
    ۳ تاریخچه
    ۴ حرکت
    ۵ دوران و مراکز ثقل
    ۶ منابع

تعریف

گرانیگاه یا مرکز جرم یک سیستم از ذرات میانگین وزن‌دار مکان‌های آن ذرات است.
سیستم کلی ما شامل n ذره به جرم‌های m_1, m_2, ..., m_n است که بردار مکان آنها، به ترتیب عبارتند از \overrightarrow{r_1}, \overrightarrow{r_2}, ... , \overrightarrow{r_n} . مرکز جرم این سیستم نقطه‌ای است به بردار مکان \overrightarrow{r_{cm}} که از رابطه‌ی زیر به دست می‌آید:
\overrightarrow{r}_{cm} = \dfrac{m_1\overrightarrow{r_1} + m_2\overrightarrow{r_2} + ... + m_n\overrightarrow{r_n}}{m_1 + m_2 + ... + m_n} = \dfrac{\sum_{i} m_i\overrightarrow{r_i}}{m}


در اینجا m جرم کلی سیستم است. بدیهی است که تعریف بالا با سه معادله‌ی زیر برابر است:
\overrightarrow{x}_{cm} = \dfrac{\sum_{i} m_i\overrightarrow{x_i}}{m} , \overrightarrow{y}_{cm} = \dfrac{\sum_{i} m_i\overrightarrow{y_i}}{m} , \overrightarrow{z}_{cm} = \dfrac{\sum_{i} m_i\overrightarrow{z_i}}{m}

که y، x و z مقادیر گرانیگاه را در فضا مشخص خواهند کرد. [۱]
مثال‌ها

    گرانیگاه یک دستگاه دوذره‌ای روی خط و اصل آن دو ذره قرار دارد. (یا دقیق‌تر گرانیگاه‌های فردی آن‌ها) گرانیگاه نزدیک‌تر است به جسم سنگین‌تر.

    گرانیگاه یک حلقه در مرکز آن حلقه‌است. (در هوا)

    گرانیگاه یک هرم روی هر سه میانه قرار می‌گیرد. و بنابر این روی مرکز ثقل -که همچنین میانگین سه راس است- قرار می‌گیرد.

    گرانیگاه یک مستطیل روی تقاطع دو قطر است.

    در یک جسم کروی منظم، گرانیگاه در مرکز قرار دارد. این تقریبا شامل کرهٔ زمین هم می‌شود؛ با اینکه غلظت به طور قابل توجهی تغییر می‌کند. ولی عمدتا و تا حد کمی به مختصات دیگر بستگی دارد.

    بطور کلی برای هر قرینه از یک جسم، گرانیگاه آن، یک نقطهٔ ثابت خواهد بود از آن قرینه.

تاریخچه

مفهوم مرکز ثقل را اولین بار ارشمیدس مطرح شد. ارشمیدس نشان داد که نیروی پیچشی (گشتاور) اعمال شده روی یک اهرم به وسیله قرار دادن وزنه‌ها روی نقاط گوناگون در امتداد اهرم همان نیرویی است که به اهرم وارد می‌شد اگر اگر تمام وزنه‌ها روی یک نقطه قرار می‌گرفت-مرکز ثقل آنها-. در مورد حرکت اجسام شناور روی آب او نشان داد که جهت جسم شناور جهتی است که مرکز ثقل جسم را کمتر می‌کند. (مرکز ثقل جسم در آن جهت کمتر است.) او تکنیکهای ریاضی را بسط داد برای پیدا کردن مراکز ثقل اجسام دارای چگالی یکنواخت_ اشکال_خوش تعریف. به ویژه یک مثلث و یک نیمکره و یک مخروط یا هرم _ناقص_یک قطع مخروطی دایروی.

در قرون وسطی تئوریهای راجع به مرکز ثقل بیشتر توسعه داده شد توسط ابوریحان بیرونی، رازی، عمر خیام و خزینی.
حرکت

معادلات حرکت زیر بر پایهٔ این فرض بنا شده‌اند که یک سیستم از ذرات وجود دارد که به وسیلهٔ نیروهای داخلی و خارجی کنترل شده‌است. یک نیروی داخلی نیرویی است که به وسیلهٔ فعل و انفعالات ذرات داخل سیستم ایجاد شده‌است. و یک نیروی خارجی نیرویی است که از خارج از سیستم سرچشمه می‌گیرد و عمل می‌کند روی یک یا چند ذره داخل سیستم. نیروی خارجی لازم نیست حتماً ناشی از یک جسم یکنواخت باشد. برای هر سیستمی که هیچ نیروی خارجی به آن وارد نمی‌شود، گرانیگاه با سرعت ثابت حرکت می‌کند. این قانون برای همهٔ سیستمها با نیروهای داخلی کلاسیک شامل میدانهای مغناطیسی، میدانهای الکتریکی، واکنشهای شیمیایی و غیره به کار برده می‌شود. به عبارت دیگر این قانون درست است برای هر نیروی داخلی که صورت ضعیف قانون سوم نیوتون در آن صدق می‌کند. نیروی حرکت آنی مجموع برای هر سیستم از ذرات به وسیلهٔ فرمول زیر داده شده‌است:

P=MVcm

جاییکه M نماد جرم کل وVcm سرعت گرانیگاه باشد. این سرعت می‌تواند محاسبه شود به وسیلهٔ اندازه گیری زمان گرفته شده از مکان گرانیگاه. یک فرمول شبیه به قانون دوم نیوتون هست: F=Macm وقتی F نماد مجموع تمام نیروهای خارجی باشد و acm نمادی باشد برای شتاب گرانیگاه.
دوران و مراکز ثقل

گرانیگاه معمولاً مرکز ثقل هم گفته می‌شود، چرا که هر میدان یکپارچهٔ گرانشی(g) روی هر سیستمی طوری عمل می‌کند که گویی جرم آن سیستم متمرکز روی گرانیگاهش (R) است. این حداقل در دو طریق قابل مشاهده‌است:

    انرژی پتانسیل گرانشی یک سیستم برابر است با انرژی پتانسیل یک ذرهٔ نقطه‌ای دارای جرم کل M، که در Rقرار دارد.

    گشتاور گرانشی روی یک سیستم برابر است با یک گشتاور نیروی Mg که در R عمل می‌کند.

R × Mg = ∑ mi ri × g

گرانیگاه گاهی مرکز ثقل هم گفته می‌شود. به دلیل اینکه، در بسیاری موارد، احتمال دارد گرانش به نظر یکنواخت بیاید. در مورد یک جسم بسیار بزرگ نیروهای نابرابر (ناموازی) قابل توجه (حائز اهمیت) است. پس مرکز ثقل جاییکه یکی باید نیروی برابر اعمال کند کمی از گرانیگاه منحرف می‌شود. این است دلیل تمایز میان گرانیگاه و مرکز ثقل.

نویسندگان پیشین کمتر دقت می‌کردند. در حالیکه گرانش یکنواخت نیست. «مرکز ثقل» از گرانیگاه منحرف می‌شود. این عادت به نظر می‌آید که به یک مرکز ثقل خوش تعریف برای زمینه‌های نایکنواخت دلالت کند. ولی چنین چیزی وجود ندارد. حتی وقتی روی نیروهای جزر و مدی (کشند) در سیارات کار می‌شود کافی است استفاده از مرکز برای پیدا کردن حرکت همه چیز. برای تکرار برای زمینه‌های نایکنواخت، حقیقتا یک چیز نمی‌تواند در مورد گرانیگاه صحبت کند.

انرژی جنبشی

تعریف

انرژی جنبشی یکی از صورتهای انرژی است که جسم بخاطر حرکت دارا می باشد. انرژی جنبشی یک جسم با جرم جسم و مجذور سرعت رابطه مستقیم دارد.
فرمول

انرژی جنبشی یک جسم در حال حرکت با جرم آن جسم و مجذور سرعتش متناسب است. انرژی جنبشی برابر است با حاصل ضرب نصف جرم در مجذور سرعت آن جسم. اگر جرم جسم را با m و سرعت آن را با v نشان دهیم، در این صورت انرژی جنبشی که با K نمایش داده می‌شود، به صورت زیر است:

K_{v} = \frac{1}{2} m v^2
یکا

انرژی جنشی بک کمیت نرده‌ای است و واحد آن مانند دیگر انرژی‌ها ژول است. در انجام محاسبات، جرم جسم را بر حسب کیلوگرم و سرعت آن را با متر بر ثانیه در نظر می‌گیرند
انرژی جنبشی جسم صلب

معمولاً در مورد حرکت جسم صلب به عنوان سیستمی از ذرات، دو نوع انرژی جنبشی می‌توانیم تعریف کنیم.
انرژی جنبشی انتقالی

از آنجا که انرژی کمیتی نرده‌ای است. بنابراین در مورد یک سیستم متشکل از چند ذره، انرژی جنبشی کل برابر با مجموع انرژی جنبشی تک تک ذرات خواهد بود. اما در مورد یک جسم صلب که تعداد ذرات خیلی زیاد است، نقطه‌ای به عنوان مرکز جرم تعریف می‌شود که نماینده کل جسم صلب است. بنابراین انرژی جنبشی انتقالی نیز به صورت نصف حاصلضرب جرم جسم صلب در مجذور سرعت مرکز جرم تعریف می‌شود.
انرژی جنبشی دورانی

جسم صلبی را در نظر بگیرید که با سرعت زاویه‌ای ω حول محوری که نسبت به یک چارچوب لخت خاص ثابت است، می‌چرخد. هر ذره این جسم در حال دوران مقدار معینی انرژی جنبشی دارد. چون تعداد این ذرات در جسم صلب زیاد است، لذا کمیتی به نام لختی دورانی تعریف می‌شود. لختی دورانی به صورت مجموع جملاتی تعریف می‌شود که هر جمله با حاصل ضرب جرم یک ذره از جسم صلب در مجذور فاصله عمودی ذره از محور دوران برابر است. بنابراین انرژ ی جنبشی دورانی جسم صلب که بخاطر دوران حاصل می‌شود، برابر است با نصف حاصل ضرب لختی دورانی جسم صلب در مجذور سرعت زاویه‌ای.

این رابطه شبیه انرژی جنبشی انتقالی جسم است. یعنی سرعت زاویه‌ای مانسته سرعت خطی است و لختی دورانی مانسته جرم لختی یا جرم انتقالی است. هر چند جرم یک جسم به محل آن بستگی ندارد، ولی لختی دورانی به محوری که جسم حول آن می‌چرخد، بستگی دارد. در واقع می‌توان گفت که انرژی جنبشی دورانی همان انرژی جنبشی انتقالی معمولی تمام اجزای جسم است و نوع جدیدی از انرژی نیست. انرژی جنبشی دورانی در واقع راه مناسبی برای بیان انرژی جنبشی هر جسم صلب در حال دوران است. انرژی جنبشی دورانی جسمی که با سرعت زاویه‌ای معین می‌چرخد، نه تنها به جرم جسم بستگی دارد، بلکه به چگونگی توزیع جرم آن نسبت به محور دوران نیز وابسته است.

فشار دینامیک

فشاردینامیکی در هواپیمایی کمیت (1/2pv^2) عموماً تحت عنوان فشار دینامیکی شناخته می شود.البته تعریف جامع تری نیز برای فشاردینامیکی وجود دارد که ما با آن سروکار نخواهیم داشت. با وجود این که فشار دینامیکی، واحدی برابر با واحدفشار دارد، لکن در واقع، مبین انرژی جنبشی واجد حجم هوا است. نیروهای آیرودینامیکی، نظیر برآ و پسا، به طور مستقیم به فشار دینامیکی وابسته هستند. لذا فشار دینامیکی، پارامتری است که به دفعات مورد استفاده قرار می گیرد و برای سهولت اغلب با حرف q نمایش داده می شود.

لوله پرانتل

لولهٔ پرانتل (به آلمانی: Prandtlsonde) ابزار اندازه گیری جریان است برای تعیین فشار دینامیک.

پورت ایستا

پورت ایستا بخشی از سیستم‌های ایستای پیتو است که ارزش فشار هوا را منتقل می‌کند. این پورت نوع بخصوصی از فشارسنج است. در عمل پورت ایستا با یک لوله پیتو به لوله پرانتل متصل می‌شود.

لوله پیتو

لوله پیتو (به انگلیسی: Pitot tube) لوله‌ای است در مسیر جریان سیال که فشار داخل آن با فشار کل محیط برابر است.

لوله‌های پیتو کاربرد محدودی در صنایع دارند. زیرا به راحتی توسط یک ماده خارجی مسدود می‌شوند و دقت آنها به پروفایل سرعت که اندازه‌گیری آن مشکل است بستگی دارد. کاربرد عمده آن‌ها اندازه‌گیری سرعت جریان هوای کم سرعت در سیستم‌های تهویه‌است و بیشتر برای اندازه گیری بده (دبی) گازها به کار می‌روند.

لوله‌های پیتو وسیله‌ای جهت اندازه‌گیری سرعت محلی جریان است. لوله پیتو شامل دو لوله‌است که یکی به نام لوله ایستا در راستای جهت جریان است. دو پایه لوله‌ها توسط پایه‌های یک نمایشگر (یا یک وسیله معادل جهت اندازه گیری اختلاف فشار) به هم وصل شده‌اند.

لوله‌های ایستا به دلیل این‌که هیچ گونه مولفه سرعتی عمود بر سطح مقطع آن وجود ندارد فشار استاتیکی را اندازه‌گیری می‌کند. بر حسب هد می‌توان گفت Impact Tube هد فشار استاتیکی به اضافه هد سرعت را اندازه‌گیری می‌کند. اختلاف فشار اندازه گیری شده در لوله پیتو متناسب با مجذور سرعت است.

u=C (2g (ρman- ρ) Δh/ρ)1/2

u = سرعت جریان سیال c = ضریب تصحیح g=9.8m/s2 ρman=چگالی سیال داخل مانومتر ρ=چگالی سیال جاری Δh=اختلاف ارتفاع سیال در دو طرف لوله پیتو

ارتفاع‌سنجی بر پایه فشارسنجی در هوانوردی

ارتفاع سنجی بر پایه فشارسنجی در هوانوردی (QNH) گونه‌ای از ارتفاع سنجی بر پایه فشارسنجی است و روشی است برای تعیین ارتفاع در هوانوردی. این روش برای تعیین ارتفاع مطلق روشی غیردقیق است، ولی برای تعیین ارتفاع پرواز نسبت به دیگر هواگردها و تعیین سطح پرواز بسنده می‌باشد.

برای اندازه‌گیری فشار هوا روش‌های گوناگونی در هوانوردی به کار می‌رود که تا اندازه‌ای این روش‌ها با روش‌هایی که در هواشناسی به کار می‌روند تفاوت دارد.
اصل اندازه‌گیری

ارتفاع سنج‌ها فشارسنج‌هایی هستند که فشار هوا را در شرایط استاندارد دما و فشار در ارتفاع مورد نظر نشان می‌دهند.

برای این که نابرابری فشار هوای محلی را که دائماً به وسیلهٔ مناطق پرفشار و کم فشار در اتمسفر پدید می‌آیند بتوان تصحیح کرد باید نشان صفر ارتفاع سنج بارومتریک به وسیلهٔ کاربر تغییر کند. تنظیم این نشان صفر و همچنین استانداردسازی اساسی فشارسنج با استناد بر جو استاندارد بین‌المللی پدید می‌آید که به وسیلهٔ مقررات فنی در همه جای جهان تعیین می‌گردد.

ارتفاع سنج نیاز به یک نقطه ورود برای فشار هوای ایستا، پورت ایستا دارد. این درگاه می‌تواند روی نقطهٔ بخصوصی از بدنه و یا در لوله پیتو جای بگیرد. در هواگردهای بدون کابین فشار می‌توان یک نقطهٔ ورود رزرو در کابین کار گذاشت.

ایستگاه هواشناسی خودکار فرودگاهی

ایستگاه هواشناسی خودکار فرودگاهی سیستم حسگر خودکاری است که برای ایمنی و کارآیی عملیات هوانوردی، پیش‌بینی آب‌وهوا و اقلیم‌شناسی نیازهای مشاهداتی هوانوردی و هواشناختی را انجام می‌دهد. ایستگاه‌های هواشناسی خودکار فرودگاهی بخشی از ستون فقرات مشاهدات هواشناختی در ایالات متحده و کانادا است و به دلیل کارآیی و صرفه جویی در هزینه کاربرد آن در سطح جهانی در حال افزایش است.

محتویات

    ۱ انواع سیستم‌ها در ایالات متحدهٔ آمریکا
        ۱.۱ سیستم مشاهدهٔ خودکار آب‌وهوا(Automated Weather Observing System)
        ۱.۲ سیستم خودکار مشاهدهٔ سطح(Automated Surface Observing System)
        ۱.۳ سیستم حسگر خودکار آب‌وهوا(Automated Weather Sensor System)
    ۲ ابزار مشاهده
        ۲.۱ سرعت و جهت باد
        ۲.۲ دید
        ۲.۳ بارش
        ۲.۴ عامل محدود کنندهٔ دید
        ۲.۵ پوشش و ارتفاع ابر
        ۲.۶ دما و نقطهٔ شبنم
        ۲.۷ فشار بارومتریک و تنظیمات ارتفاع سنج
    ۳ منابع

انواع سیستم‌ها در ایالات متحدهٔ آمریکا

در ایالات متحدهٔ آمریکا انواع گوناگونی از ایستگاه‌های هواشناسی خودکار وجود دارد که با هم اختلافات ظریف ولی مهمی دارند. این سیستم‌ها عبارتند از:
یک سیستم AWOS تجاری

    سیستم مشاهدهٔ خودکار آب‌وهوا(AWOS)

یک سکوی جمع آوری داده ASOS

    سیستم مشاهدهٔ خودکار سطح(ASOS)
    سیستم حسگر خودکار آب‌وهوا(AWSS)

سیستم مشاهدهٔ خودکار آب‌وهوا(Automated Weather Observing System)

سیستم‌های مشاهدهٔ خودکار آب‌وهوا واحدهایی هستند که عمدتاً به وسیلهٔ اداره هوانوردی فدرال در ایالات متحده کنترل می‌شود. البته واحدهایی نیز وجود دارند که به وسیلهٔ ادارات ایالتی و محلی و برخی نهادهای خصوصی کنترل می‌گردند. خدمات هواشناسی ملی ایالات متحده آمریکا و وزارت دفاع ایالات متحده آمریکا یا نقش کمی در کنترل این واحدها دارند و یا هیچ نقشی در کنترل، نگهداری و به کارگیری سیستم‌های مشاهدهٔ خودکار آب‌وهوا ندارند. این سیستم‌ها از جمله قدیمی ترین ایستگاه‌های هواشناسی خودکار در ایالات متحده هستند.

این سیستم داده‌های آب‌وهوایی را به شیوه‌های گوناگون زیر پخش می‌کند:

    پیام صوتی کامپیوتری که به وسیلهٔ فرکانس رادیویی برای خلبانان در نزدیکی فرودگاه پخش می‌شود. این پیام‌ها دست کم یک بار در دقیقه پخش می‌شوند. این شیوه تنها شیوهٔ اجباری گزارش هواشناسی برای سیستم مشاهدهٔ خودکار آب‌وهوا است.
    پیام صوتی کامپیوتری که به وسیلهٔ خدمات مودم دایل آپ تلفنی در دسترس قرار می‌گیرد. این پیام دست کم یک بار در دقیقه پخش می‌شود. این روش اختیاری است.
    پیام‌های سیستم مشاهدهٔ خودکار آب‌وهوا می‌توانند به ادارهٔ هوانوردی فدرال فرستاده شوند تا از آن جا به وسیلهٔ کامپیوتر در سطح کشوری پخش گردند. این پیام‌ها هم اکنون در فرمت متار هستند و فرکانس‌های گزارش دهی آنها هر ۲۰ دقیقه پخش می‌گردد. این گزینه اختیاری است، ولی پیوسته انجام می‌شود و فقط برای سیستم‌های AWOS III یا AWOS IV در دسترس است. سیتم مشاهدهٔ آب‌وهوای خودکار بسته به این که چه پارامترهایی را اندازه گیری می‌کند به انواع زیر تقسیم می‌شود:
    AWOS A: فشار بارومتریک و تنظیم ارتفاع سنج(به اینچ جیوه)
    AWOS I: سرعت باد و توفان(به گره)، جهت باد(از جهتی که باد در حال وزیدن است) و جهت متغیر باد(به درجهٔ قطب‌نما)، دما و نقطه شبنم(به درجهٔ سلسیوس)، تنظیم ارتفاع سنج و ارتفاع چگالی
    AWOS II: همهٔ پارامترهای AWOS I افزون بر دید و دید متغیر(به مایل)
    AWOS III: همهٔ پارمترهای AWOS II افزون بر وضعیت آسمان(به اکتا)، فاصلهٔ ابر از زمین(به پا) و جمع آوری بارش‌های مایع(به اینچ)
    AWOS III P: همهٔ پارامترهای AWOS III افزون بر نوع بارش(باران، برف، گاهی نم نم باران)
    AWOS III T: همهٔ پارامترهای AWOS III افزون بر توفان تندری(به وسیلهٔ آذرخش یاب)
    AWOS III P/T: مجموع پارامترهای AWOS IIIP و AWOS IIIT
    َAWOS IV Z: همهٔ پارامترهای AWOS III P/T افزون بر یابندهٔ باران منجمد به وسیلهٔ حسگر باران در حال انجماد(این سیستم قبلاً AWOS III PTZ نامیده می‌شد.)
    AWOS IV R: همهٔ پارامترهای AWOS III P/T افزون بر وضعیت سطح باند فرودگاه
    AWOS IV Z/R: همهٔ پارامترهای AWOS III P/T افزون بر یابندهٔ باران در حال انجماد و وضعیت سطح باند

همچنین سیستم‌هایی مانند AWOS AV(پارمترهای AWOS A افزون بر وضوح دید) نیز امکان پذیر هستند. حسگرهای تایید نشده نیز می‌توانند به سیستم‌های AWOS نصب شون، ولی داده‌های هواشناختی که از این حسگرهادر پیام‌های صوتی منتشر می‌شود عنوان "مشاوره‌ای" دارند و مشاهدات متار شامل آنها نمی‌شود.

از ۲۶ ژانویهٔ ۲۰۱۲ شرکت‌های زیر سیستم‌های AWOS غیر فدرال که مورد تایید هوانوردی فدرال هستند را تولید می‌کنند:

    شرکت اُلوذر اینکُرپریتد
    شرکت بلفورت اینسترومنت
    شرکت مزوتک اینترنشنال
    شرکت وئیسلا

سیستم خودکار مشاهدهٔ سطح(Automated Surface Observing System)

سیستم خودکار مشاهدهٔ سطح در ایالات متحده مشترکا به وسیلهٔ خدمات هواشناسی ملی آمریکا، وزارت دفاع ایالات متحده آمریکا و ادارهٔ هوانوردی فدرال به کار گرفته و کنترل می‌شود. پس از سال‌ها پژوهش و توسعه، به کارگیری این سیستم از سال ۱۹۹۱ آغاز گردیده و در سال ۲۰۰۴ تکمیل گردید.

این سیستم‌ها معمولا در فواصل یک ساعته گزارش می‌دهند، ولی اگر وضعیت آب‌وهوا به سرعت تغییر پیدا کند و همچنین در آستانهٔ انجام عملیات هوانوردی مشاهدات ویژه‌ای را گزارش می‌کند. این سیستم معمولا همهٔ پارامترهای AWOS III را گزارش می‌کند، ضمن این که دارای توانایی گزارش دما و نقطهٔ شبنم در درجهٔ فارنهایت، آب‌وهوای کنونی، یخبندان جوی، آذرخش، فشار سطح دریاو میزان بارش می‌باشد.

در کنار خدمات هوانوردی این سیستم به عنوان شبکهٔ اصلی مشاهدات اقلیم‌شناسی در ایالات متحده کاربرد دارد که از این لحاظ شبکهٔ تراز اول ایستگاه‌های اقلیم‌شناسی است. به همین دلیل همهٔ سیستم‌های ASOS در فرودگاه قرار ندارند، مثلا یکی از آنها در قلعه بلودیر در سنترال پارک نیویورک سیتی و دیگری در رصدخانه هواشناسی بلوهیل نزدیک بوستون ماساچوست قرار دارد.
سیستم حسگر خودکار آب‌وهوا(Automated Weather Sensor System)

این سیستم نیز در ایالات متحده به وسیلهٔ ادارهٔ هوانوردی فدرال به کار گرفته و کنترل می‌شود، ولی خدمات هواشناسی ملی آمریکا و وزارت دفاع ایالات متحده در عملیات و به کار گیری آن هیچ نقشی ندارند. ویژگی‌های گزارش دهی سیستم حسگر خودکار آب‌وهوا بسیار شبیه سیستم خودکار مشاهدهٔ سطح است.
ابزار مشاهده

ایستگاه‌های هواشناسی خودکار فرودگاهی از ابزارهای گوناگون پیچیده‌ای برای مشاهدهٔ آب‌وهوا بهره می برند. این ابزارها عبارتند از:
سرعت و جهت باد

بیشتر ایستگاه‌های هواشناسی خودکار فرودگاهی مجهز به بادنمای مکانیکی برای سنجش سرعت و جهت باد هستند. این سیستم دارای طراحی ساده‌ای است. باد سه کاسه‌ای که به صورت افقی می‌چرخند را دور پایهٔ بادنما می چرخاند و سرعت تقریبی باد را تخمین می‌زند، در حالی که بادنما در بالا به گونه می‌چرخد که روی آن کمترین مقاوت در برابر باد را نشان می‌دهد و بدین گونه جهتی که باد از آن سو می‌وزد را نشان می‌دهد.

نسل نوین حسگرها امواج صدا را برای اندازه گیری سرعت و جهت باد به کار می‌برند. این اندازه گیری بر پایهٔ زمانی است که پالس‌های فراصوت از یک مبدل انرژی به مبدل دیگر حرکت می‌کنند که بستگی به عامل سرعت باد دارد. زمان انتقال در هر دو سوی سر مبدل اندازه گیری می‌شود. بر پایهٔ این نتایج حسگر سرعت و جهت باد را محاسبه می‌کند. در مقایسه با حسگرهای مکانیکی حسگرهای فراصوتی دارای چندین مزیت هستند که مهمترین این مزیت‌ها عبارتند از نداشتن قطعات متحرک، توانایی خود عیب یابی پیشرفته و نیاز به رسیدگی کمتر .

ایستگاه‌های سیستم مشاهده خودکار سطح ادارهٔ هوانوردی فدرال و خدمات آب‌وهوایی ملی آمریکا و بیشتر سیستم‌های مشاهدهٔ خودکار آب‌وهوا که به تازگی نصب شده‌اند مجهز به حسگرهای باد فراصوت می‌باشند.

برخلاف همهٔ اندازه گیری‌های دیگر که تقریبا بین ۳ تا ۹ پا(۱ تا ۳ متر) بالاتر از سطح زمین انجام می‌شوند، سرعت و جهت باد در ارتفاع ۳۰ پایی(۱۰ متری) انجام می‌گردد.
حسگر میدان دید ASOS
دید

برای تعیین دید، ایستگاه‌های هواشناسی خودکار فرودگاهی یکی از انواع حسگرهای زیر را به کار می‌برند:

    حسگر پراکنش
    دیدسنج

حسگر پراکنش شعاعی از پرتو فرسرخ را از یک سو به سوی دیگر که گیرنده قرار دارد می‌فرستند. میزان نور پراکنده شده به وسیلهٔ ذرات معلق در هوا و نور دریافت شده به وسیلهٔ گیرنده ضریب تضعیف نور دریافتی را نشان می‌دهد. سپس این ضریب با استفاده از قانون آلن یا کشمیدر به دید تبدیل می‌شود.

در دیدسنج شعاعی از نور مرئی از فرستنده به گیرنده منتقل شده و ضریب نابودی از میران نور پخش شده در هوا به دست می‌آید.

حسگرهایی نیز وجود دارند که تا اندازهٔ معینی ترکیبی از دیدسنج و حسگر پراکنش هستند. حسگرهای پراکنش به خاطر قیمت پایین‌تر، اندازهٔ کوچک تر و ملزومات نگهداری کمتر پرطرفدارتر هستند، ولی دیدسنج‌ها هنوز در برخی از فرودگاه‌ها به خاطر دقیقتر بودن در میزان دید پایین و کم خطا بودن به کار می‌روند.

حسگرهای کنونی می‌توانند دید را با برد گسترده‌ای گزارش کنند. در هوانوردی مقادیر گزارش شده به مقیاس‌های زیر گرد می‌شوند:

    کمتر از یک چهارم مایل، یک چهارم، یک دوم، سه چهارم، یک، یک و یک چهارم، یک و یک دوم، دو، دو و یک دوم، سه، چهار، پنج، هفت، ده، بیشتر از ده مایل
    هنگامی که دید کمتر از ۸۰۰ متر است با مقیاس پنجاه متری سنجیده می‌شود. اگر دید بیش از ۸۰۰ متر و کمتر از ۵ کیلومتر باشد با مقیاس ۱۰۰ متری، اگر دید ۵ کیلومتر یا بیشتر ولی کمتر از ۱۰ کیلومتر باشد با مقیاس یک کیلومتری و اگر دید ۱۰ کیلومتر یا بیشتر با مقیاس ۱۰ کیلومتری سنجیده می‌شود.

حسگر بارش ASOS
بارش

ایستگاه‌های هواشناسی خودکار فرودگاهی از دیودهای پرتوافشان برای شناسایی نوع بارش سود می‌برند. حسگرهای دیودهای پرتوافشان الگوی درخشش بارشی که از میان شعاع فروسرخ حسگر رد می‌شود(تقریبا شعاع ۵۰ میلیمتری) را اندازه گیری کرده و به وسیلهٔ تحلیل الگویی اندازه ذره و سرعت فرو افتادن آن مشخص می‌کنند که بارش باران است یا برف. اگر وجود بارش تایید شود، ولی دستگاه نتواند از روی الگوی آن تشخیص دهد که باران است یا برف، نوع بارش نامشخص گزارش می‌شود.

ایستگاه‌های هواشناسی خودکار فرودگاهی توانایی گزارش کردن تگرگ و دیگر شکل‌های میانی بارش را ندارند.
عامل محدود کنندهٔ دید

ایستگاه‌های هواشناسی خودکار فرودگاهی حسگر جداگانه‌ای برای تشخیص عامل محدود کنندهٔ میدان دید ندارند. در عوض اگر میدان دید زیر هفت مایل قانونی باشد سیستم با استفاده از نقطهٔ شبنم گزارش شده عامل محدود کنندهٔ دید را مشخص می‌کند. به این ترتیب که اگر رطوبت پایین باشد(اختلاف بسیاری میان دما و نقطهٔ شبنم وجود داشته باشد) غبار گزارش می‌شود. اگر رطوبت نسبی بالا باشد(اختلاف کمی میان دما و نقطهٔ شبنم باشد) بسته به دید دقیق مه تنک یا مه گزارش می‌شود. اگر دید نیم مایل یا کمتر باشد مه گزارش می‌شود. مه تنک زمانی گزارش می شود که دید بیشتر از نیم مایل ولی کمتر از ۷ مایل(۱۱ کیلومتر) باشد. اگر دما زیر نقطهٔ انجماد، میزان رطوبت بالا و دید نیم مایل یا کمتر باشد مه منجمد گزارش می‌شود.
سلومتر ASOS
پوشش و ارتفاع ابر

ایستگاه‌های هواشناسی خودکار فرودگاهی دارای سلومتر لیزری برای سنجش ارتفاع ابرها هستند. لیزر به سوی بالا شلیک می‌شود و با استفاده از مدت زمان بازتاب نور به ایستگاه ارتفاع کف ابر تا زمین اندازه گرفته می‌شود. به علت منطقهٔ پوششی محدود(لیزر فقط برای ابرهایی که مستقیما در بالاسر هستند می‌تواند به کار رود) کامپیوتر سیستم میانگین زمان پوشش و ارتفاع ابر را محاسبه کرده و به کاربران گزارش می‌دهد. برد سلومتر ۳۷۰۰ متر است و ابرهای بالاتر از این ارتفاع در حال حاضر به وسیلهٔ ایستگاه‌های خودکار قابل شناسایی نیستند.
دماسنج ASOS
دما و نقطهٔ شبنم

ایستگاه‌های هواشناسی خودکار فرودگاهی از حسگرهای دما/نقطهٔ شبنم بهره می‌برند. این حسگرها پیوسته در حال کارکردن هستند و معمولا همیشه به غیر از زمان تعمیر روشن نگه داشته می‌شوند.
فشار بارومتریک و تنظیمات ارتفاع سنج

داده‌های گرفته شده از حسگر فشار بارومتریک برای محاسبه تنظیمات ارتفاع‌سنج به کار می‌رود. خلبانان از مقادیر این داده‌ها برای تعیین ارتفاع خود سود می‌برند. برای اطمینان از فاصله ایمن از سطح زمین و سازه‌های روی زمین این حسگرها باید میزان بالایی از دقت و اطمینان را داشته باشند.

متار

متار(به انگلیسی: Metar) فرمتی است برای گزارش اطلاعات هواشناسی. گزارش هواشناسی متار عمدتا به وسیلهٔ خلبانان برای انجام بریفینگ آب‌وهوایی پیش از پرواز و همچنین به وسیلهٔ هواشناسانی که از اطلاعات متار برای پیش بینی وضع هوا سود می‌برند به کار می‌رود.

متار خام محبوب ترین فرمت در جهان برای انتقال داده‌های هواشناسی مشاهداتی است. این فرمت استاندارد سازمان بین المللی هوانوردی کشوری(ایکائو) است که به وسیلهٔ این سازمان در سطح جهان شناسانده شده است.

متار عمدتا از فرودگاه یا ایستگاه‌های هواشناسی دائمی پخش می‌گردد. گزارش متار یک بار در ساعت و یا نیم ساعت در ساعت داده می‌شود، ولی اگر شرایط آب‌وهوایی خیلی متغیر باشد گزارش‌های ویژه داده می‌شود. برخی از متارها به وسیلهٔ ایستگاه‌های هواشناسی خودکار فرودگاهی که در فرودگاه‌ها یا پایگاه‌های نظامی و دیگر سایت‌ها مستقر هستند رمزگذاری می‌شوند.

باران

باران آبی مایع به شکل قطره است که پس از سرد شدن بخارهای جوّی به وجود آمده و بر زمین می‌ریزد. در زبان پهلوی بدان واران (waran) می‌گفتند.

وقتی هوای گرم به بالای آسمان صعود می‌کند، بخار آب را هم همراه خودش به بالا به داخل آسمان می‌برد. در بالای آسمان، بخار آب سرد می‌شود و قطره‌های آب دور ذرات ریز گرد و غبار موجود در هوا تشکیل می‌شود. مقداری از بخار آب هم به شکل کریستال‌های ریز یخ منجمد می‌شود که قطرات آب سرد شده را جذب می‌کند. قطرات به شکل کریستال‌های یخ، منجمد می‌شود و کریستال‌های بزرگ تری را تشکیل می‌دهد که ما آنها را برف ریزه می‌نامیم. موقعی که برف ریزه‌ها سنگین می‌شوند، پایین می‌افتند. برف ریزه‌ها در مسیرشان رو به پایین با هوای گرم تر برخورد می‌کنند و ذوب می‌شوند و به صورت قطرات باران در می‌آیند.

محتویات

    ۱ نم نم باران
    ۲ باران منجمد
    ۳ جستارهای وابسته
    ۴ منابع

نم نم باران

نم نم باران به بارش سبک مایعی می‌گویند که شعاع قطره‌های آن معمولاً کمتر از نیم میلیمتر است.[۱] نم نم باران به وسیلهٔ ابر پوشنی و ابر پوشن‌کومه‌ای تولید می‌شود. در بسیاری از موارد نم نم باران پیش از این که به زمین برسد بخار می‌شود. کد متار برای نم نم باران DZ است.
باران منجمد
یخ ایجاد شده در اثر بارش باران منجمد در نزدیکی رودخانهٔ مالبه، کبک

باران منجمد به نوعی باران می‌گویند که به هنگام بارش دمای سطح زمین زیر نقطهٔ انجماد است. بر خلاف تگرگ و برف، باران منجمد به هنگام بارش کاملاً مایع است و هنگام عبور از ارتفاع چند ده متری از سطح زمین که لایه‌ای از هوا با سرمای زیر نقطهٔ انجماد است دچار پدیدهٔ فراسرمایش شده و به هنگام برخورد به سطح و یا شیئی بلافاصله منجمد می‌شوند.[۲] کلفتی یخ ایجاد شده به وسیلهٔ باران منجمد ممکن است به چند سانتیمتر برسد. کد متار برای باران منجمد FZRA است.

برف

بَرف یکی از ریزش‌های آسمانی و نیز نام پوششی است که از آن بر زمین تشکیل می‌گردد.[۱]

وقتی هوای گرم به بالای آسمان صعود می‌کند، بخار آب را هم همراه خودش به بالا به داخل آسمان می‌برد. در بالای آسمان بخار آب سرد شده و قطره‌های آب دور ذرّه‌های ریز گرد و غبار موجود در هوا تشکیل می‌شود. مقداری از بخار آب هم به شکل بلورهای ریز یخ منجمد می‌شود که قطره‌های آب سردشده را جذب می‌کند. قطره‌ها به شکل بلورهای یخ منجمد شده و کریستال‌های بزرگ‌تری را تشکیل می‌دهد که آن‌ها را برف‌ریزه می‌نامند. برف‌ریزه‌ها به هنگام سنگین‌شدن، پایین‌تر می‌آیند.

محتویات

    ۱ وجه تسمیه
    ۲ چگونگی تشکیل دانه‌های برف
    ۳ اندازه‌گیری مقدار بارش برف
    ۴ اهمیت برف
    ۵ ساختن سازه‌های یخی و برفی
    ۶ برف در ادبیات
        ۶.۱ برف در ادبیات فارسی
    ۷ تفریحات با برف
    ۸ نظریات یونانیان باستان در مورد برف
    ۹ برف در ایران پیش از اسلام
    ۱۰ نظر دانشمندان پس از اسلام در مورد برف
    ۱۱ نگارخانه
    ۱۲ جستارهای وابسته
    ۱۳ منابع
    ۱۴ پیوند به بیرون

وجه تسمیه

واژه کنونی برف از واژه پهلوی وَفر wafr یا وفره گرفته شده‌است. برف در زبان کهن پهلوی به ریختهای اِسنیزَگ، اِسنیخر و اِسنوی snoy نیز آمده‌است که همگی با واژه snow در زبان انگلیسی و Schnee در آلمانی همریشه‌اند.
اسکیموها تعداد زیادی واژه متفاوت برای انواع «برف» دارند .[نیازمند منبع]
چگونگی تشکیل دانه‌های برف
انواع برف ریزه
یک بلور برف رنگی شده که به وسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی عکس برداری شده‌است.

دانه‌های برف هنگامی تشکیل می‌شود که قطره‌های کوچک برف داخل ابر (که قطری نزدیک به ۱۰ μm دارند ) منجمد میشوند . این قطرات می‌توانند تا دمایی در حدود ۱۸− درجه سانتیگراد ( صفر درجه فارنهایت ) به حالت مایع باقی بمانند . به این دلیل این امکان وجود دارد که این قطرات به اندازه‌ای کوچک هستند که امکان تشکیل ساختاری همچون ساختار یخ را ندارند . برای تشکیل دانه برف چندین مولکول در کنار هم در اطراف یک هسته قرار میگیرند . آزمایش‌ها نشان می‌دهد تنها در حالتی این اتفاق می‌افتد که دما به −۳۵ °C (−۳۱ °F) یا پائینتر برسد .[۲] در ابرهایی که گرمتر هستند ممکن است هسته دانه برف از گرد و غبار و یا ذرات بیولوژیکی تشکیل شوند ،[۳] همچنین در بارشهای مصنوعی که در بارورسازی ابرها بدست انسان صورت می‌گیرد یدید نقره و یخ خشک هم در هسته دانه‌های برف قرار میگیرند .[۴]
هنگامی که این قطرات یخ زده‌اند، در فرایند فوق سرمایش شروع به رشد میکنند . از آنجا که قطرات آب بسیار متنوع هستند، کریستالهای یخ نیز انواع مختلفی دارند . این کریستالها قادرند به اندازه‌ای در حد میلی‌متر برسند . این کریستالها در زمانی که به اندازه کافی بزرگ شدن، بارش برف شروع می‌شود . در کتاب رکوردهای جهانی گینس بزرگترین دانه برف، مربوط به ژانویه سال ۱۸۸۷در منطقه فورت کیوج ایالت مونتانا ثبت شده که این دانه برف ۳۸ سانتیمتر بوده‌است .[۵] با اینکه برف بی‌رنگ است اما به خاطر بازتاب دادن تمام طیفها توسط دانه‌های برف ما برف را به رنگ سفید می‌بینیم .[۶]

شکل کلی دانه برف توسط دما و مقدار رطوبت مشخص می‌گردد .[۷] اما تمام این دانه‌ها شش پهلو و مسطح هستند .
اندازه‌گیری مقدار بارش برف
باران سنج استاندارد
نوشتار اصلی: برف‌سنجی

برای اندازه‌گیری مقدار بارش برف معمولاً از باران سنجهای استاندارد استفاده می‌شود.[۸] اینکار با برداشتن قیف و سیلندر درونی باران سنج برای ورود برف به داخل باران سنج انجام می‌شود . ممکن است مایعی ضد یخ برای آب شدن برف و یخی که در دهانه باران سنج جمع شده اضافه شود.[۹] پس از پایان بارش برف و یا پر شدن لوله باران سنج، لوله را خالی و مقدار برف را اندازه‌گیری میکنند .[۱۰]
اهمیت برف

برف به‌جهت این‌که آب جامد محسوب می‌شود، منبع بسیار مهمی برای تأمین آب آشامیدنی به‌شمار می‌رود. برف به خاطر اینکه رفته‌رفته به آب تبدیل می‌شود اهمیت بیش‌تری نسبت به باران دارد. چون برف محتوی مقدار زیادی هواست، رسانا ضعیفی برای گرما شناخته می‌شود. به‌همین علت پوششی از برف می‌تواند سبزی‌های در حال خواب مزارع را محافظت کند و یا از درختان در مقابل سرمای بیش از حد نگه‌داری کند و اسکیموها را در کلبه‌های برفی امان دهد. در حقیقت برف بزرگ‌ترین پشتوانه بر زندگی بشر در زمینهٔ آبیاری و کشاورزی است.[۱۱]
ساختن سازه‌های یخی و برفی

با استفاده از برف می‌توان سازه‌ها و مجسمه‌های یخی زیبایی ساخت . همه ساله در کشورهای مختلف جشنواره‌هایی یخی برگزار می‌شود که در آن این ساخته‌ها در معرض دید قرار داده میشوند . همچنین اسکیمو خانه‌های خود را با برف میسازند .
برف در ادبیات

در ادبیات در نمونه‌های بسیاری به برف اشاره شده و معمولاً به معنای ظلمت و تاریکی و یا به معنای پاکی و معصومیت استفاده شده‌است. داستان سفیدبرفی و هفت کوتوله از جملهٔ داستان‌هایی است که در آن از برف برای نشان دادن پاکی (سفیدبرفی) استفاده شده‌است و در داستانی همچون سرگذشت نارنیا برف یکی از نشانه‌های ظلمت و تاریکی است .
برف در ادبیات فارسی

در ادبیات فارسی نیز به کاربردهایی از برف اشاره شده‌است. مانند شعری در این رابطه از فردوسی:
بگفتند کاین برف و باد دمان         ز ما بود کآمد شما را زیان

و شعری از آغاجی بخارایی
به هوا در نگر که لشکر برف         چون کند اندرو همی پرواز
راست همچون کبوتران سپید         راه گم کردگان ز هیبت باز

و همچنین
در لحاف فلک افتاده شکاف         پنبه می بارد از این کهنه لحاف
تفریحات با برف
اسکی روی برف
برف بازی

ورزشهای متنوعی را می‌توان بر برف انجام داد که از جمله آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد :

    اسکی
    برف‌پالیزه (اسنوبوردینگ)
    سورتمه‌سواری
    لژسواری

تفریحات روزهای برفی:

    آدم برفی
    برف بازی

نظریات یونانیان باستان در مورد برف

آناکسیمن یکی از شاگردان تالس، فیلسوف مشهور یونانی گمان داشت که هرگاه باران یخ بزند، برف پدید می‌آید و اگر در این هنگام با آب و هوا آمیخته شود، تگرگ تولید می‌شود . در نظریه‌ای دیگر که به فیثاغورس و پیروان او منسوب شده، آمده‌است که هوای پدید آورنده برف و باران سردتر از هوای پدید آورنده تگرگ است، در حالی که محل پدید آمدن آنها گرم‌تر از محل تولد تگرگ است .
به نظر ارسطو برف و شبنم یخ‌زده دارای علتی مشابه هستند و تنها تفاوت میان آنها در درجه و مقدار ماده ( تفاوت کمی ) است، زیرا برف بر اثر یخ زدن ابر ( بخار بسیار ) و شبنم یخ‌زده بر اثر یخ زدن بخار ( بخار کم )، تولید می‌شود .[۱۲]
برف در ایران پیش از اسلام

در فرهنگ ایران باستان، برف همچون باد، باران، مه و ابرِ باران زا، از آفریده‌های مادی پیش از آفرینش زمین دانسته شده‌است . خدای برف یکی از اسبهای گردونه ناهید بود . در اوستا به بارش برفی سنگین ( جئیوی وفر ) اشاره رفته‌است و در یشتها، زمستان هولناکی پیش بینی شده که سه سال زمین را دچار باران و تگرگ و برف و باد سرد خواهد کرد، چندان که زمین ویران و مخلوقاتش نابود خواهند شد . در شاهنامه روایتی هست که در جنگ ایران و توران در زمان کیخسرو، برف سنگینی همه جا را پوشاند، چنانکه نبرد از یاد همگان رفت و ناچار شدند که اسبان جنگی را بکشند و بخورند[۱۳] .
نظر دانشمندان پس از اسلام در مورد برف

ابن ربن طبری می‌پنداشت که اگر بخارِ ترِ گرد آمده در هوا هنگام فرایند بارش باران با هوایی سخت سرد برخورد کند، این باران برف خواهد شد . ابویوسف کندی علت بارش باران، برف و تگرگ را انبوه شدن بخارات موجود در جو بر اثر «اسباب علوی و سفلی» خوانده، و سپس درباره برف چنین گفته‌است :
هرگاه سرمای جوی که از هوای میان زمین و ابر باران‌زا بالاتر (بالای ابر) است، بسیار شود، و باران ابر را به شدت فرو چکاند، آنگاه جو سرد ( هوای زیر ابر ) را در تبدیل آن به برف یاری می‌دهد و پیش از آنکه ( قطرات ) از جو سرد بگذرند، سرما آنها را جامد می‌کند و به سان قطراتی فرو می‌نشینند . اندازه این ذرات جامد متناسب اندازه قطرات است، هنگامی که هوای نزدیک سطح زمین گرم است، اگر دانه‌های جامد بزرگ باشند، می‌توانند پیش از آب شدن از این ناحیه عبور کنند و به صورت برف به زمین برسند . و اگر برای این کار ضعیف باشند، پیش از آنکه به زمین برسند، ذوب می‌گردند و باران می‌شوند و ... .