Вимірювання балансу радіації.

Балансом часто називають залишкову радіацію. Вона являє собою мікрокліматичний елемент, тому що зв’язана з характером і станом діяльного шару (ґрунт, вода) в даній точці. Реєстрація залишкової радіації доцільна тільки над горизонтальною, рівною і цілком відкритою поверхнею. В похідних спостереженнях балансомір і альбедометр повинні розміщуватися по можливості в одній точці. При дослідженні радіаційного режиму схилів балансомір і альбедометр повинні установлюватися паралельно схилу.

Балансомір типу М-10М (рис.9.12) являє собою круглу плоску пластинку діаметром 100 мм з двома квадратними чорними приймачами на протилежних сторонах, помічених № 1 і № 2.

Рис.9.12 Балансомір М-10М термоелектричний: а - схематичний поперечний переріз; б - окрема термобатарея; в - зовнішній вигляд; 1 – корпус; 2 – приймальна пластинка; 2 і 4 – спаї; 5 - мідний брусок; 6 і 7 – ізоляція; 8 – термобатареї; 9 - срібний шар; 10 - константанова стрічка; 11 – рукоятка; 12 - тіньовий екран; 13 і 15 - шарніри; 14 – планка; 16 – гвинт; 17 – чохол.

При вимірюваннях один приймач звернутий до досліджуваної поверхні (вниз) і на нього поступають короткохвильовий потік відбитої сонячної радіації і земне випромінення разом з відбитою частиною випромінення атмосфери і навколишніх предметів. Другий приймач, повернутий вверх, отримує сумарну сонячну радіацію разом з випроміненням атмосфери . Обидва приймачі випромінюють як практично чорні тіла, у відповідності з їх температурою. Оскільки приймач складається, головним чином, з міді і має велику теплопровідність, підвищення температури за рахунок опромінення незначне: всього 1º на 1 кал/(см ²·хв). Тому власне випромінення обох приймачів практично однакове, і до нього балансомір не чутливий. Отже, балансомір вимірює різницю .

При затіненому балансомірі виключається . Ця величина набагато точніше обчислюється за різницею показань відкритого і затіненого піранометру, а тим паче за показаннями актинометру. Температура кожної пластинки приймача відрізняється від температури повітря і залежить від швидкості вітру, тому що із збільшенням швидкості вітру підсилюється конвективних теплообмін. Проте завдяки високій теплопровідності в тепловому балансі приймальних пластинок переважає віддача теплопровідності і зменшення чутливості із збільшенням швидкості вітру невелике, всього 2 – 3 % на 1 м/с. Це враховується поправочним множником , який для кожного балансоміра визначається в аеродинамічній трубі. При швидкості 16 м/с

, а при 60 м/с - . В природних умовах балансомір М-10 над нагрітим ґрунтом при вітрі до 1,5 м/с дає нестійкі показання, тому що дуже чутливий до висхідних повітряних потоків.

Пристрій балансоміра М-10М наведено на схематичному розрізі (рис.9.12, а). Приймальні пластинки з оксидованої міді 2 зачорнені зовні матово-чорною емаллю з добавкою білої. Внутрішні поверхні ізольовані тонким папіром 7, до них приклеєні спаї 3 і 4 термобатарей, улаштованих таким чином (рис.9.12, б). На мідних брусках 5 намотані три шари тонкого паперу з шелаком 6 і на папір намотана константанова стрічка 10. Половина кожного витка ізольована лаком, а на іншу половину нанесений шар срібла 9 товщиною 0,03 мм. Оскільки неминучі зазори роблять неоднаковою чутливість обох приймачів, то добавляються дві двохшарові термобатареї 8 (рис.9.12, а), причому одну з них, що прилягає до приймача з надлишковою чутливістю, можна замкнути шунтом або увімкнути зустрічними полюсами і тим вирівняти чутливість сторін з точністю до 2 %. Корпус балансоміра 1 з міді служить для розсіювання тепла, поглиненого чорними приймачами.

Чутливість балансоміру при штилі 7 мВ на 1 кал/(см ²·хв), опір термобатарей 40 Ом, стала часу 4 с.

Установка балансоміра 10 (рис.9.9) на актинометричній стойці в одній площині з піранометром дозволяє затінювати балансомір тим же екраном 6, що і піранометр 8, якщо потягнути на себе горизонтальну трубу 2 стойки. При повороті цієї труби приймачі балансоміра змінюються місцями. Ці повороти необхідні, якщо чутливість приймача стане відрізнятися більше ніж на 2 %.

Установка балансоміра може бути і на саморобній стойці, для чого він випускається з двома кульовими шарнірами 13 і 15 (рис.9.12, в) і тіньовим екраном 12. При затіненні екран повинен бути видний з центру приймача 2 під кутом 10º. При цьому тінь від шарніра 13 із замінювачем 12 повинна направлятися в сторону шарніра 15 з балансоміром, а балансомір повинен розташовуватися рукояткою 11 перпендикулярно сонячному вертикалу, тобто планці 14, як це наведено на рисунку. Для такої установки планка 14 з шарнірами прикріплюється до стойки одним гвинтом і при зміні азимута Сонця обертається разом з балансоміром. З’єднання балансоміра з гальванометром робиться таким чином, щоб стрілка відхилялася вправо, коли Сонцем нагріта сторона № 1. Гальванометр приєднується своєю вимірювальною системою (рамкою) і шунтується так, щоб шунт і паралельно з ним балансомір забезпечували перезаспокоєний режим вимірювальної системи, тобто їх сукупний опір був би нижче або в крайньому випадку дорівнював критичному опору гальванометра. Якщо застосований гальванометр з місцем нуля на краю шкали, то балансомір приєднується через перемикач для зміни напрямку струму.

Вимірювання за балансоміром повинні складатися з серій не менше ніж по три відліки і супроводжується відліками по індуктивному анемометру. При різній чутливості приймачів проводяться дві-три серії вимірювань з перевертанням балансоміра кожною з сторін вверх. Знак спостережної залишкової радіації змінюється на зворотний в кожному з таких випадків: а) стрілка відхиляється вліво; б) балансомір повернутий стороною № 2 вверх і в) перемикачем змінено напрям струму. Без сонячного сяйва можна в холодний час визначити додатне відхилення наближенням руки до сторони № 1. При вимірюваннях особливо важливо визначити форму і кількість хмар та їх розташування (біля горизонту, біля зеніту), а також температуру і вологість повітря. Вночі балансомір є хмароміром.

Обробка спостережень. Залишкова радіація знаходиться за формулою , де - відлік по затіненому балансоміру, а якщо вітер мало змінювався, то середня з серії відліків, - відлік місця нуля гальванометра при розімкнутому ланцюгу (вимкненому балансомірі, але з шунтом), - поправковий множник з перевіркового свідоцтва до балансоміру, вибраний в залежності від швидкості вітру, - перевідний множник при штилі, який може бути обчислений за даними перевіркового свідоцтва за формулою , де - паспортна чутливість балансоміра (до сонячної радіації), - опір балансоміра, - стала за струмом (ціна поділки гальванометра з шунтом), - опір гальванометра (з шунтом).

Поправки на нелінійність шкали гальванометра вводяться тільки в тому випадку, якщо вони перевищують ± 2 %.

Потрібно виключити систематичну помилку балансомірів з «чорними» приймачами за рахунок того, що балансомір повірений для прямої сонячної радіації, до якої він на 10 % більш чутливий, ніж до довгохвильового земного випромінення. Отже, потрібно застосовувати менший перевідний множник для сонячної радіації і великий - для довгохвильового випромінення. Тому при паралельних вимірюваннях балансоміром і піранометром можна виключити з показання балансоміра короткохвильову залишкову радіацію , а різницю збільшити на 10 % і знову додати до , застосовуючи більш складну формулу . Вираз з прямих скобках означає зменшене по абсолютному значенню за рахунок низького значення . При похмурій погоді формулу застосовувати не можна, тому що значно більше .

Догляд за балансоміром. Погана герметизація часто приводить до конденсації води, причому не тільки в шарі матово-чорної емалі, але і всередині приладу. В таких умовах показання можуть бути занижені (іноді вдвічі). Щоб уникнути таких викривлень балансоміри прогрівають. Це можна робити як через рукоятку балансоміра, так і пропуском струму безпосередньо через термобатарею під напругою 9 В, що відповідає потужності 2 Вт.

Визначення чутливості балансоміра проводиться двояким чином. Першим способом чутливість до сонячної радіації визначається по методу «сонце-тінь», показання порівнюються з показаннями актинометра, як і у випадку піранометра. Порівняння може бути при нормальному до променя положенні приймача, наприклад, в перевірковій трубі ПО-11. Без труби можна повіряти або при штилі, або в момент, коли напрямок вітру перпендикулярний сонячному вертикалу з точністю до 10º. Менш точніше повірка може бути зроблена при горизонтальному положенні балансоміра. У всіх випадках визначається чутливість кожного з двох приймачів.

Другий спосіб полягає у визначенні чутливості до земного випромінення порівнянням нічних показань балансоміра з різницею двох відліків по піргеометру: з приймачем вверх і приймачем вниз. У цьому випадку перевертаються як піргеометр, так і балансомір.

Реєстрація показань балансоміра проводиться затіненим балансоміром за допомогою тіньового кільця, вірніше, півкільця 1 (рис.9.11, б), де балансомір 2 у відповідності із змінами нахилу пересувається по направляючим 3. Для установки по широті півкільце 1 обертається на шарнірі 5 і за допомогою опор 7 установлюється по небесному екватору. На півночі влітку, де балансомір доводиться ставити нижче меж півкільця, воно доповнюється щитками 8. На час опадів балансомір закривається чохлом 6.

Реєстрація в тіні доцільна тим, що реєстрована величина близька до нуля, а тому поправки на вітер дуже малі. При сніговому покриві доцільна реєстрація без тіні. Реєстрація може проводитися балансографом з поліетиленовими плівками на приймачах, натягнутими на відстані 1 - 2 мм від приймача. Контрольні спостереження по балансоміру без плівкового захисту виключать вплив плівки.

Дата добавления: 2015-10-13