Вимірювання сумарної, розсіяної і відбитої радіації.

Для вимірювання сонячної радіації, що надходить зі всіх точок небесної на півсфери, служить піранометр. Приймач піранометра захищається від вітру і гідрометеорів напівсферичним скляним ковпаком, що пропускає радіацію в діапазоні від 0,33 до 3 мкм. Для піранометрів з чорним приймачем, чутливим не тільки до сонячного, але і до земного випромінення, скляний ковпак служить ще і фільтром, який виділяє короткохвильову сонячну радіацію. Проте ковпак, поглинаючи і випромінюючи, може створити небажаний обмін довгохвильовим випроміненням з приймачем, а тому у піранометрів з чорним приймачем ставляться два концентричних ковпаки.

Термоелектричний піранометр М-80М (рис.9.7). Випускається піранометр з приймачем М-115 1, у якого квадратна термобатарея пофарбована в чорно-білий колір у вигляді шахової дошки.

Рис.9.7 Піранометр термоелектричний універсальний М-80М: 1 – головка М-115М; 2 - стопорна пружина; 3 – шарнір затінювача; 4 - установочний гвинт; 5 - основа; 6 – шарнір відкидного штативу; 7 - рівень; 8 – гвинт; 9 стояк з осушувачем всередині

Поля по-різному поглинають сонячну радіацію, що надходить, і нагріваються пропорційно поглиненій радіації. Отже, різниця температур, яка досягає 4ºС на 1 кал/(см²·хв), також пропорційна радіації, що надходить. Термобатарея розвиває ЕРС, що дорівнює 8 мВ на 1 кал/(см ²·хв) при опорі приблизно 30 Ом. Стала часу 7 – 9 с, що потребує витримки до 35 – 50 с для досягнення стійкого показання.

Приймач (головка) може бути установлена горизонтально за допомогою рівня 7 і гвинтів 4. Затінювач – диск діаметром 85 мм прикріплюється до стержня довжиною 485 мм, причому диск видно з центру термобатареї під кутом 10º. Для затінення ослаблюється гвинт 8 і стойка повертається стержнем до Сонця.

Розсіяну радіацію вимірюють при затіненому приймачі.

Для вимірювання відбитої радіації піранометр установлюють на планці товщиною до 2 см, відгинають пружину 2 і перекидають стояк приймачем вниз. До піранометра додаються кришка, одягається на приймач для визначення місця нуля. Стабільність місця нуля забезпечується тим, що обидві краски – чорна і біла однаково «чорні» для земного випромінення (ковпака).

Термобатарея (рис.9.8, б) розміром 32×33 мм ² складена з плоских стрічок манганіну і константану, з 87 термоелементів, укладених зиґзаґоподібно.

Стрічки послідовно спаяні в 32 смужки. Середина кожної стрічки, де чорне поле переходить у біле, приклеєна до виступу плитки 5 (рис.9.8, а) корпусу 7 для відводу тепла і кріплення батареї 4.     Рис.9.8 Розріз головки піранометра М-115 (а) і спрощена схема термобатареї (б): 1 – кільце для ковпака; 2 і 3 – діафрагми; 4 – термобатарея; 5 - плитка батареї; 6 – гвинт кріплення плитки; 7 – корпус; 8 – герметизуюча прокладка; 9 – панелька; 10 – клема; 11 - сушилка; 12 – манганін; 13 і 14 - білі і чорні спаї; 15 - константан.

Установка піранометра на метеорологічній площадці проводиться на відкритому місці, на південь від об’єктів, які закривають горизонт. Затінення від Сонця допускається тільки тонкими щоглами. Піранометр 8 (рис.9.9) на стояку для вимірювання сумарної, розсіяної і відбитої радіації установлюється в південно-західному куті метеорологічної площадки. Скляний ковпак піранометра захищений від відбитої радіації чорним плоским кільцевим захисним екраном 9, який розташований в площині приймача. Екран 9 захищає ковпак також і від радіації неба при вимірюваннях відбитої радіації.

При вимірюваннях відбитої радіації піранометр повинен установлюватися на висоті не менше чотирьох діаметрів піранометра, враховуючи і екран 9 з діаметром 35 см, від поверхні землі. Це і визначає висоту стояку в 1,5 м. Поверхня ділянки під піранометром повинна бути горизонтальною (з точністю до 2º) і в радіусі 5 м покрита природною рослинністю. Гальванометр установлюється в захисному ящику 1, білому зі всіх сторін, крім сторони, яка звернена до стояка. При вологості нижче 30 % повітря в ящику зволожується.

Рис.9.9 Стояк актинометричний М-13 для контрольних і термінових вимірювань: 1 – ящик з гальванометрами; 2 - горизонтальна рухлива трубка; 3 - важіль поздовжнього нівелювання; 4 – гвинт поперечного нівелювання; 5 – актинометр; 6 - тіньовий екран; 7 - дуга; 8 - піранометр; 9 - захисний екран; 10 – балансомір; 11 – диск на націлювання на Сонце; 12 - обертальна втулка; 13 – перемикач; 14 - гвинт фіксування за азимутом.

При похідних спостереженнях над сильно закритими площадками сумарна радіація вимірюється біля самої поверхні ґрунту, щоб не завищити надходження. При вимірюваннях альбедо схилів піранометр розташовується паралельно поверхні схилу.

Похідний альбедометр (рис.9.10) призначений для вимірювання сумарної і відбитої радіації над горизонтальними ділянками землі і оснащений карданним підвісом, який само урівноважується. При повороті рукоятки приймач повертається вниз. Така підвіска з більш довгим стержнем і важким вантажем, а також із захисним кільцевим екраном, який розташований в площині приймача, застосовується на плавучих обсерваторіях, де часто використовують два піранометра на одному підвісі.

Піранометром на станції при відкритому диску Сонця вимірюється тільки розсіяна і відбита радіація, тому що пряма частина сумарної радіації вимірюється актино-метром 5. При хмарах, які частково закривають сонячний диск, вимірюється також і сумарна радіація. Оскільки за час вимірювання сумарної радіації може змінитися розсіяна радіація, то її вимірювання проводять двома серіями по два відліки: до і після вимірювання сумарної радіації.     Рис.9.10 Похідний альбедометр.

Вимірювання відбитої радіації має сенс тільки при стійкій радіації.

Перед вимірюваннями приймач піранометра опромінюють прямою радіацією для просушки. До і після спостережень контролюють місце нуля, одягаючи кришку на приймач.

Обробка. Різниця між відліками сумарної і розсіяної радіації повинна бути виправлена множенням на поправковий множник , взятий з повірочного свідоцтва. Він виражає залежність чутливості від кута падіння радіації. Після виправлення відліку, що відноситься до прямої сонячної радіації, показання складаються і множаться на перевідний множник, який відноситься до нормально падаючого променя. У всі відліки по гальванометру вносяться поправки до шкали і з середнього за серію відліків віднімається місце нуля, визначене після закривання піранометра кришкою. Оскільки розсіяна і відбита радіація надходять до приймача під різними кутами, то і для них потрібно було б застосовувати деякий осереднений поправковий множник, що відповідав би висоті Сонця 40°, проте у більшості прийнятих на актинометричній мережі піранометрів поправковий множник близький до одиниці (звичайно 0,98). Тому на практиці цією поправкою нехтують.

При спостереженнях важливо відмітити кількість, форму, розташування хмар і колір неба.

Контроль чутливості приладу оснований на тому, що пряма сонячна радіація може бути виміряна як піранометром, так і актинометром при висотах Сонця більше 8º. При менших висотах Сонця спектр занадто змінений. «Нормальний» перевідний множник по Сонцю визначається методом «сонце-тінь» або за допомогою повір очної труби.

За першим способом піранометр установлюється нормально до променя. Для цього на стойці (рис.9.9) є диск 11, на який корпус піранометра повинен відкидати концентровану тінь. Потім піранометр пересувають паралельно самому собі в тінь від екрана 6, який установлюється на дузі 7 у відповідності з висотою Сонця. Проводяться відліки як по опроміненому , так і по затіненому піранометру. Різниця відповідає дії одній тільки прямій сонячної радіації. Нормальний перевідний множник обчислюється за формулою

,

де - пряма сонячна радіація за актинометром 5. Результат наноситься на графік в залежності від температури гальванометра.

Другий спосіб - використання перевірочної труби ПО-11 може дати правильні результати тільки у тому випадку, коли внутрішні стінки труби чорні. Для цього вони повинні бути обклеєні чорним бархатом. Сіруватий окрас стінок труби приведе до зачинення показань до 4 %. Перевага другого способу в тім, що від’ємник виявляється рівним нулю, а отже, його не можне викривити рухами спостерігача, що може трапитися при першому способі.

Визначення чутливості піранометра в горизонтальному положенні зводиться до вимірювань сумарної і розсіяної радіації одночасно з вимірюванням прямої сонячної радіації актинометром. Для моменту вимірювань по актинометру обчислюється (за часом) або вимірюється висота Сонця і підраховується пряма сонячна радіація на горизонтальну поверхню. Перевідний множник піранометра для прямої сонячної радіації при даній висоті сонця визначається за формулою

.

Нормальний перевідний множник дорівнює .

Визначення поправкового множника, що необхідно при заміні скляного ковпака у піранометра, зводиться до підрахунку відношень множників (знайдених для різних висот Сонця) до нормального перевідного множника . Можна також використовувати штатив з вертикальним кругом від аерологічного теодоліту або біметалевого актинометру, і прикріпивши до нього піранометр, обертати його під будь-яким кутом до Сонця. Цей спосіб дає результати, близькі до перевірочного свідоцтва, тому що в даному випадку зміна спектра Сонця з висотою не впливає. Така перевірка не може бути застосована для високочутливих чорних піранометрів, у яких на чутливість впливає положення приладу.

Застосовуючи потенціометр замість гальванометра, використовують перевідний множник , тобто зворотний чутливості. Для визначення чутливості різниця показань потенціометра при опроміненні і при затіненому піранометрі ділять на опромінення за актинометром.

Реєстрація піранометром сумарної радіації контролюється вимірюваннями розсіяної радіації піранометром контрольної установки і прямої радіації – актинометром. Тому на результат реєстрації не впливають відступи показань піранометра від закону косинуса, які представлені у вигляді поправкового множника. Якщо такий контроль організувати не можна, то для реєстрації відбирається піранометр з поправковими множниками, які близькі до одиниці. У цьому випадку для піранографа необхідний кільцевий захисний екран, особливо при сніговому покрові. Замість чорного зверху плоского екрану можна застосувати чорний зсередини циліндр діаметром не менше 35 см, верхня основа якого установлена на одному рівні з приймачем піранометру.

Реєстрація розсіяної радіації проводиться при безперервному автоматичному затіненні піранометру від прямої радіації за допомогою тіньового геліостату. Простіше за все виготовити кільце 1 (рис.9.11, а), на осі якого горизонтально установлюється піранометр 4. Установка кільця по небесному екватору проводиться обертанням його в шарнірах 2 і просуванням дугоподібної трубки 5 у втулці. Стрижень 7 розташований по осі кільця 1 і закріплюється гвинтом 6 відповідно до нахилу Сонця. Подвійні шарніри 3 дозволяють установити центр приймача точно на осі кільця. Для установки кільця застосовують рейку з транспортиром і виском. Контрольні спостереження по другому піранометру із затіненим приймачем дозволяють врахувати зону неба, зайво огороджену кільцем. При відсутності таких контрольних спостережень ведуть підрахування поправочного коефіцієнту на затінення кільцем. Затінення залежить від широти, нахилу, стану неба, а також висоти Сонця.

Рис.9.11 Тіньові кільця: а - піранографа; 1 – кільце; 2 - шарнір; 3 - подвійний шарнір; 4 – піранометр; 5 - дугоподібна трубка; 6 – гвинт; 7 – стержень; б – балансографа; 1 - півкільце, 2 – балансомір; 3 – рейки для регулювання за нахилом; 4 - перемикач; 5 – вісь широт; 6 - чохол; 7 – шарнір; 8 - щитки.

Реєстрація відбитої радіації доцільна тільки на репрезентативній площадці, тобто на зовсім відкритій, рівній і однорідній за діяльним шаром. Для реєстрації обов’язкова установка захисного кільця або циліндра в площині приймача.

Осушення скляних ковпаків буває необхідним, особливо взимку. Для осушення внутрішньої поверхні застосовується силікагель, який насипається з сушили-пробірки, що пригвинчена до головки піранометра. Ця міра приносить користь тільки при досконалій герметизації головки, для чого застосовується кремнійорганічний вазелін. Випадання гідрометеорів на зовнішню поверхню скла запобігається підігріванням головки піранометра за допомогою нагрівальної обмотки на деталі, які прикріплені до кільця з ковпаком або корпусу. Достатня потужність 8 – 9 Вт.

Дата добавления: 2015-10-13