5.2. Измерение рассеянной и суммарной радиации

На первый взгляд, измерение рассеянной и суммарной (то есть рассеянной плюс прямой) радиации представляет собой простую задачу – необходимо обеспечить падение на некоторую черную поверхность радиации со всей верхней полусферы. Однако необходимо решить следующие проблемы:

1. Рассеянная радиация имеет максимум в голубой (коротковолновой) части спектра, следовательно, прибор для её измерения должен также иметь максимальную чувствительность в этом диапазоне.

2. Для измерения необходимо исключить попадание радиации на некоторую поверхность, находящуюся рядом с зачерненной пластиной, чтобы далее измерять разность температур между пластиной и этой поверхностью.

Эти трудности решаются комплексно. Основной чувствительный элемент пиранометра (рис. 5.4 а) - прибора для измерения рассеянной и суммарной радиации – показан на рисунке 5.4 (б). Это плоская поверхность, участки которой окрашены в черный и белый цвета. Черные участки закрашены сажей, которая поглощает всю радиацию, белые участки закрашены магнезией, поглощающей только длинноволновую радиацию. Таким образом, между черными и белыми участками появляется разность температур, обусловленная разным поглощением радиации. Значит, коротковолновая радиация, которую поглощает сажа, но не поглощает магнезия, является причиной появления разности температур между участками. Разность температур измеряется с помощью термобатареи, нечетные спаи которой помещены под черными участками, а четные – под белыми. Следовательно, мерой рассеянной радиации является термоток термобатареи, измеряемый с помощью гальванометра.

а) б)

Рисунок 5.4. Внешний вид пиранометра (а);

приемник радиации пиранометра М-80м (б).

Однако поглощательные свойства сажи и магнезии не являются столь идеальными. Магнезия все же поглощает коротковолновую радиацию, хотя и гораздо хуже, чем сажа, а поглощательные свойства сажи и магнезии по отношению к длинноволновой радиации различны. Для выравнивания их поглощательных свойств по отношению к длинноволновой радиации белые поля пропитаны парафином. Для исключения ветровой погрешности, т.е. выравнивания температур черных и белых полей, приемник радиации закрыт прозрачным колпаком (1) (рис. 5.5), пропускающим коротковолновую радиацию. Правда, стеклянный колпак поглощает радиацию в областях 0,3 – 0,4 мкм и 2,5 – 4 мкм, но в этих областях интенсивность прямой и рассеянной радиации очень мала. Для измерения рассеянной радиации следует исключить попадание на пиранометр прямой солнечной радиации. С этой целью предусмотрен теневой экран (5), который привинчивается к специальному стержню и закрепляется на нем винтом. Размеры экрана и стержня рассчитаны так, чтобы от центра приемника радиации пиранометра экран был виден под углом 10⁰. Тогда экран закрывает участок неба вокруг солнечного диска с размером телесного угла 5⁰. Необходимой частью пиранометра является осушитель (6), установленный во внутренней полости стойки. Осушитель заполнен силикагелем - веществом, поглощающим водяной пар.

Таким образом, под колпаком находится сухой воздух, что способствует сохранности термобатареи. В промежутках между измерениями пиранометр закрывают металлической крышкой (7).

Рисунок 5.5. Пиранометр универсальный М-80м.

1 - стеклянный колпак; 2 - приемник радиации; 3 - корпус;

4 – выводы термобатареи; 5 - теневой экран; 6 - осушитель; 7 - крышка.

Суммарная радиация может быть измерена пиранометром точно так же, как и рассеянная, но в этом случае теневой экран не применяется. Практически суммарную радиацию определяют сложением прямой, измеренной по актинометру, и рассеянной, измеренной по пиранометру. Так делают потому, что при измерении суммарной радиации черные поля нагреваются слишком сильно, и происходит перенос тепла с черных на белые поля, что вызывает погрешность в измерениях.

Пиранометр позволяет измерить альбедо подстилающей поверхности (иногда его называют также альбедометром). Это делается с помощью двух последовательных измерений - сначала измеряется (или вычисляется) суммарная радиация, приходящая с верхней полусферы, затем пиранометр поворачивают на 180⁰ и измеряют радиацию, отраженную земной поверхностью. Альбедо вычисляют как отношение этих величин.

Градуировка пиранометра производится путем его сравнения с актинометром или пиргелиометром. Пиранометр помещают в специальную трубу, исключая попадание на него рассеянной радиации, тогда пиранометр превращается, по сути дела, в актинометр. Далее сравнивают его показания с образцовым актинометром. Результатом сравнения является так называемый нормальный переводной множитель. Он действителен для того случая, когда радиация падает на приемник перпендикулярно его поверхности, то есть с зенита. Точно так же, как и для актинометра, переводной множитель (k) определяют при различных температурах прибора, для введения в дальнейшем температурной поправки в показания.

При наклонном падении лучей чувствительность, а следовательно и переводной множитель пиранометра меняются (рис. 5.6). Это происходит из-за того, что поглощательная способность покрытий приемника зависит от угла падения лучей, а также из-за того, что прозрачность применяющихся стеклянных колпаков на различных участках разная. Для учета указанного обстоятельства пиранометры градуируются дополнительно, и определяется зависимость переводного множителя от угла падения лучей.

Рисунок 5.6. Зависимость переводного множителя актинометра

от зенитного угла Солнца.

Если переводной множитель пиранометра известен, то рассеянная радиация вычисляется по формуле, аналогичной формуле (5.7):

, (5.8)

где – показания гальванометра в делениях при измерении;

– показания гальванометра при закрытой крышке (место ноля);

k – переводной множитель, имеющий размерность кВт/м²·дел.