Актинометрические наблюдения и приборы

Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом действия приборов для измерения солнечной радиации, методикой и порядком наблюдений.

Оборудование и материалы: актинометрАТ-50 , пиранометр, балансомер, гелиограф.

Пояснения к работе

Раздел метеорологии, изучающий солнечную радиацию, называется актинометрией.

Солнечная радиация, поступающая непосредственно от солнечного диска в виде пучка параллельных лучей, называется прямой солнечной радиацией S. Обычно она характеризуется интенсивностью.

Интенсивность солнечной радиации S₀ –этоколичество тепла, приходящегося на единицу площади в единицу времени измеряется количеством тепла в калориях, поступающего в 1 минуту на 1 см² поверхности (рис. 2), расположенной перпендикулярно

Рис. 2. Влияние высоты Солнца на прямую солнечную радиацию:

а) интенсивность радиации на горизонтальную поверхность;

б) длина пути солнечного луча при разных высотах солнца

лучам солнца

,

где S₁ – количество тепла в калориях, получаемое в одну минуту на 1 см² горизонтальной поверхности; S₀- количество тепла, получаемое поверхностью перпендикулярной к солнечному лучу; h_Θ – высота солнца, т.е. угол, образованный солнечным лучом с горизонтальной поверхностью.

Рассеянная радиация D, кал/см² · мин – часть солнечной радиации, которая поступает на земную поверхность после рассеивания части солнечной радиации молекулами атмосферных газов и аэрозолями.

Суммарная радиация Q – это сумма прямой солнечной радиации и рассеянной радиации

.

Отражённая радиация R – часть суммарной радиации, отражённая от земной поверхности.

Альбедо А – отношение отряжённой радиации R ко всей суммарной радиации – называется отражательной способностью данной подстилающей поверхности (измеряется в %).

Основными актинометрическими приборами являются: актинометр, пиранометр (алъбедометр), балансомер. Все эти приборы основаны на общем принципе. Лучистая энергия, поглощённая чувствительным элементом (обычно зачернённая пластинка), преобразуется в тепловую энергию с последующим преобразованием посредством термопары в электрическую энергию (ЭДС), измеряемую гальванометром. В итоге об интенсивности лучистой энергии судят по величине отклонения стрелки гальванометра.

Приборы для измерения прямой солнечной радиации

Актинометр термоэлектрический АТ-50. Предназначен для измерения интенсивности прямой солнечной радиации на перпендикулярную к лучам поверхность. На рис. 3 показан общий вид термоэлектрического актинометра. В колпаке трубки находится приёмник радиации, выполненный в виде диска диаметром 11 мм из серебряной фольги, зачернённой со стороны, обращенной к Солнцу. Диск помещён внутри корпуса трубки 7. К диску с обратной стороны приклеены активные спаи термобатареи. Под воздействием поглощённой солнечной радиации температура зачернённого диска и активных спаев термопары повышается по сравнению с температурой пассивных спаев, укреп-

Рис. 3. Акгиномегр термоэлектрический АТ – 50:

1 – крышка; 2, 3 – винты; 4 – ось склонений; 5 – экран; 6 – рукоятка;

7 – трубка; 8 – ось мира: 10 – стойка; 11 – основание

лённых на корпусе и, следовательно, имеющих температуру наружного воздуха. Возникающий термоэлектрический ток, пропорциональный разности температур активных и пассивных спаев, измеряется гальванометром.

Перед измерением открытая трубка нацеливается на Солнце на 2 минуты. Затем крышка надевается и через 25 с по гальванометру отсчитывается место нуля N₀. Через 25 с после снятия крышки три раза снимают отсчёты но гальванометру с интервалом 10 – 15 с. В среднее значение трёх отсчётов – вносят поправку из поверочною свидетельства гальванометра – ∆N, тогда:

.

Величина прямой радиации , где N – вычисленный отсчёт но гальванометру; a - переводный множитель (выбирается по температуре гальванометра).

Для непрерывной записи изменения прямой солнечной радиации служит самописец, состоящий из актинометра на гелиостате и гальванографа или регистрирующего потенциометра, который называется актинографом.

Приборы для измерения суммарной, рассеянной

и отражённой солнечной радиации

Пиранометр термоэлектрический М-80М предназначен для измерения интенсивности суммарной, рассеянной и отражённой коротковолновой радиации. Общий вид прибора показан на рис. 4. Основной частью прибора является пиранометрическая

Рис. 4. Пиранометр термоэлектрический универсальный М-80М:

1 – головка; 2 – стопорная пружина; 3 – шарнир затенителя; 4 – установочный винт; 5 – основание; 6 – шарнир откидного штатива;

7 – уровень; 8 – винт; 9 – стойка; 10 – стержень затенителя

головка, в которой находится приёмник радиации в виде пластинки с чёрными и белыми полями, наподобие шахматной доски. С обратной стороны пластинки к чёрным и белым полям приклеены спаи термобатареи. Чёрные и белые поля по-разному поглощают поступающую лучистую энергию и соответственно этому черные поля приобретают более высокую температуру, чем белые. В результате между черными и белыми спаями термобатареи образуется электродви­жущая сила (ЭДС), пропорциональная интенсивности радиации. Величина тока измеряется гальванометром.

Приёмник 1 (головка) устанавливается горизонтально с помощью уровня 7, который выводится на середину винтами 4. Затенитель крепится к прибору шарниром 3 и представляет собой диск диаметром 85 мм, надетый на стержень 10 длиной 485 мм. Для затенения отпускают винт 8 и стойка поворачивается стержнем к солнцу.

Рассеянную радиацию измеряют при затенённом приёмнике, а без затенения – суммарную. Отражённую радиацию определяют при положении при­ёмника вниз (прибор находится в перевёрнутом состоянии). Для определения места нуля служит специальная крышка, которая надевается на приёмник.

Пиранометр крепится на специальной стойке (рис.5) для измерения суммарной, рассеянной и отражённой радиации.

Рис.5. Стойка актинометрическая для контрольных и срочных измерений:

1 – ящик с гальванометрами; 2 – горизонтальная подвижная трубка;

3 – рычаг продольной нивелировки; 4 – винт поперечной нивелировки;

5 – актинометр; 6 – теневой экран; 7 – дуга; 8 – пиранометр; 9 – защитный

экран; 10 – балансомер; 11 – диск для нацеливания на Солнце; 12 –втул-

ка; 13 – переключатель; 14 – винт фиксирования по азимуту

Высота стойки 1,5 м от поверхности земли (высота установки приборов). Поверхность участка под стойкой должна быть горизонтальной и в радиусе 5м покрыта естественной растительностью. Гальванометры устанавливают в защитном ящике 1 с северной стороны от стойки.

Пиранометром на метеостанции при открытом диске Солнца измеряется только рассеянная и отражённая радиация, прямая часть суммарной радиации измеряется актинометром 5, установленным на этой же стойке (рис. 5).

Измеренияпроводят с трёхкратной повторностью, определяя место нуля до и после измерения. В среднее значение из трёх измерений вводят поправку на шкалу и вычитают место нуля.

При определении рассеянной радиации D (Вт/м²) показании гальвано­метра умножают на переводной множитель .

При определении суммарной радиации учитывают ещё и поправочный коэффициент на высоту Солнца F_h, который выписывается из поверочного свидетельства прибора.

Походный альбедометр(рис.6) предназначен для измерения суммарной и отражённой радиации, а также для определения альбедо поверхности.

Прибор устанавливается на самоуравновешивающемся карданном подвесе. При повороте рукоятки 3 приёмник 1 обращается вниз. При этом положении измеряют отражённую радиацию, при положении приёмника вверху – суммарную радиацию. Альбедо поверхности определяется по формуле: .

Рис. 6. Походный альбедометр:

1–приёмник; 2–самоуравновешиваюшийся карданный подвес; 3 –рукоятка

Прибор устанавливается на высоту 1 – 1,5 м, а в полевых условиях – на расстоянии 0,5 м от растительною покрова.

Измерениеначинают с определения места нуля, затем в трёхкратной повторности отсчитывают показания по гальванометру отдельно для суммарной радиации и отражённой. Через 1 минуту снова делают три отсчёта суммарной радиации, и снова определяют место нуля. Обработку полученных измерений производят так же, как было описано ранее.

Балансомер М-10Мслужит для определения радиационного баланса земной поверхности В. Балансомер (рис. 7) представляет собой круглую плоскую пластину диаметром 100 мм с двумя чёрными приёмниками радиации № 1 и № 2 на противоположных сторонах. При измерении один приёмник обращён к подстилающей поверхности (вниз) и на него поступают коротковолновая отражённая радиация R_к, длинноволновое излучение подстилающей поверхности Е₃ вместе с отражённой длинноволновой радиацией R_Д, излучение окружающих предметов. Другой приёмник, обращённый вверх, получает суммарную коротковолновую солнечную радиацию Q вместе с длинноволновым излучением атмосферы Е_А.

Рис. 7. Балансомер термоэлектрический М-10М:

1 – пластина; 2 – приёмник лучистой энергии; 3 – затенитель; 4 – шарнирное крепление затенителя; 5 – шарнирное крепление балансомера; 6 – чехол

Термобатареи верхнего и нижнего приёмников соединены таким образом, что создают встречные ЭДС. Ток, возникающий в результате разности ЭДС, измеряется гальванометром. Отклонение стрелки гальванометра пропорционально разности поступления энергии на верхний и нижний приёмники, т.е. радиационному балансу

.

При затенённом балансомере (диск-затенитель) исключается величина S. Эта величина гораздо точнее вычисляется по разности показаний открытого и затенённого пиранометра (альбедометра), а тем более по показаниям актинометра.

На показания балансомера некоторое влияние оказывает ветер, способствующий конвективному теплообмену между приемниками и воздушной средой. Это влияние учитывается коэффициентом Ф.

Перед началом измерений при отключенном балансомере и зашунтированном гальванометре определяют место нуля. Во время измерений обычно делают три отсчёта по шкале гальванометра.

Вычисляют исправленный отсчёт:

,

где N_ср – средний отсчёт; ΔN – шкаловая поправка гальванометра (из поверочного свидетельства); N₀ – место нуля.

,

где Ф – коэффициент, учитывающий влияние ветра на балансомер

,

где а – переводной множитель (из поверочного свидетельства).

Гелиограф – предназначен для определения продолжительности солнечного сияния (рис. 8а).

Рис. 8. Гелиограф полярный:

а) внешний вид: 1 – основание: 2 – указатель широты; 3 – сектор широт; 4 – винт; 5 – чашка с пазами для лент; 6 – дуга (держатель); 7 – игла фиксирования ленты; 8 – лента; 9 – шар; 10 – ось; 11 – фик-сирующий штифт; 12 – диск установочный; 13 – указатель; 14 – стойка;

б) – лента с прожогами: зимняя, равноденственная, летняя

. Прибор состоит из стеклянного шара диаметром 98 мм закреплённого в дугообразном держателе 6.

Стеклянный шар 9 фокусирует изображение солнечного диска на синей картонной ленте, разграфлённой на часовые и получасовые деления. Гелиограф поворачивается так, чтобы дуга 6 была обращена на север, и в этом положении закрепляется штифтом 11 так, чтобы к штифту была обращена буква Б. В этом случае лента меняется после заходя Солнца.

Бумажные ленты вкладывают в разные пазы в зависимости от сезона: в верхнюю пару пазов – зимой (с 16.10 до конца февраля), в среднюю – весной и осенью (с 1.03 по 15.04 и с 1.09 по 15.10), в нижнюю – летом (с 16.04 по 31.08).

При продолжительности дня 1 - 10 часов ленту меняют один раз в сутки после захода Солнца (шар в положении Б), при t > 10 часов – два раза: первый раз после захода Солнца (шар в положении А), второй – в 12 часов по среднему солнечному времени (шар в положении В). Изображение Солнца прожигает на ленте след, как показано на рис. 8б.

После установки прибора вдвигают в паз сферической чашки 5 бумажную ленту так, чтобы её деление с цифрой XII совпадало с центральной линией в средней части внутренней поверхности чашки. Правильность установки ленты контролируют по проколу. Прокол должен быть на делении, соответствующем 14 часам.

Измерение продолжительности солнечного сияния заключается в определении суммарной длины прожогов в каждом часовом промежутке с точностью до 0,1 часа, учитывая даже слабые следы прожога (рис. 8б).