3.12. Основы методики актинометрических измерений
3.12.1. Общая классификация калориметрического метода
Для определения радиационного баланса океана и атмосферы необходимы измерения потоков коротковолнового и длинноволнового излучения. Такие измерения называются актинометрическими.
Принципиальные основы измерения потоков излучения заключаются в использовании различных приемников, реагирующих на воздействие излучения и превращающих его в другие формы: тепловую, электрическую и т. д. При измерении интегральных для всего спектра потоков важнейшими требованиями, предъявляемыми к приемнику излучения, являются высокая чувствительность, отсутствие избирательности, линейность и воспроизводимость результатов. Трем последним требованиям лучше всего удовлетворяют калориметрические приемники в виде черного тела, преобразующего энергию излучения в тепло. Поэтому такие приемники получили широкое распространение, несмотря на относительно низкую чувствительность.
Существуют актинометрические приборы различных типов. В относительных методах наибольшее распространение получили приборы термоэлектрического типа, в которых измеряется разность температур облучаемой поверхности приемника и корпуса прибора (актинометры), либо разность температур между «черным» и «белым» приемником излучения (пиранометры), либо между двумя черными приемниками, находящимися под воздействием различных потоков излучения (пиргеометры и балансомеры). Разность температур и пропорциональная ей ЭДС с достаточным приближением являются линейными функциями от падающих на приемник потоков излучения. Для перевода показаний измеряемой в цепи термобатареи величины тока или напряжения в абсолютные значения потоков излучения термоэлектрические приборы требуют градуировки по эталонным или абсолютным типа компенсационных.
3.12.2. Компенсационный пиргелиометр Ангстрема
В качестве приемника излучения используются две одинаковые манганиновые зачерненные сверху полоски, расположенные в трубке с двумя щелевидными отверстиями, через которые на эти полоски падает поток прямой солнечной радиации. Электрическая схема пиргелиометра состоит из двух цепей: измерительной — для определения равенства температур приемных полосок, и компенсационной — для подогрева той или иной полоски электрическим током.
В измерительную схему входят: термопара, спаи которой через изолирующую прокладку прикреплены к нижней, не подверженной облучению поверхности полосок, и чувствительный гальванометр. Компенсационную цепь составляют: источник питания, переменный резистор и гальванометр, а также переключатель, позволяющий поочередно включать в эту цепь одну или другую приемные полоски пиргелиометра.
При открытых отверстиях в трубке нацеленного на Солнце прибора обе его приемные полоски одинаково нагреваются вследствие поглощения лучистой энергии, о чем можно судить по отсутствию тока в цепи термопары. При этом количество тепла, выделяющегося в каждой из полосок, в стационарном состоянии равно:
где a и b — длина и ширина полосок, δ — коэффициент поглощения зачерненной поверхности, IП — падающий на приемные поверхности поток прямой солнечной радиации, t — время облучения.
Если одну из приемных полосок затенить, закрывая расположенное над ней отверстие в трубке пиргелиометра специальной шторкой, а вторую оставить под действием облучения, то между ними возникнет разность температур, и в цепи термопары пойдет ток. Включая затененную полоску в компенсационную цепь и регулируя силу тока в ней, можно получить стационарное состояние, при котором сила тока в измерительной цепи термоэлемента вновь обращается в нуль. Количество тепла, необходимое для компенсации температуры затененной полоски, легко определяется по величине тока i в компенсационной цепи и сопротивлению r полоски, так что:
Сравнивая (3.12.2.1) и (3.12.2.2), получаем, что искомая величина потока прямой солнечной радиации определяется соотношением:
Коэффициент k = r/δ·a·b называется переводным множителем прибора. Он является постоянной величиной для каждого пиргелиометра и зависит от физических параметров приемных полосок и конструктивных особенностей.
Теория пиргелиометра в общем случае весьма сложна. Поэтому переводные множители пиргелиометров массового изготовления и их поверка с течением времени осуществляются не путем расчета, а сравнением показаний с эталонным образцом.