Лабораторна робота №1 Вимірювання сонячної радіації

Сонячна радіація – це промениста енергія Сонця, яка досягає земної поверхні у вигляді невидимої (ультрафіолетової та інфрачервоної) і видимої радіації.

Частина променистої енергії Сонця, яка приходить до земної поверхні від видимого диска Сонця у вигляді паралельних променів, називається прямою сонячною радіацією. Розрізняють дві характеристики прямої сонячної радіації: інтенсивність (S) – це пряма сонячна радіація, яка поступає на перпендикулярну абсолютно чорну поверхню і вимірюється актинометром Янішевського, інсоляція (S′) – величина приходу прямої сонячної радіації на горизонтальну поверхню, яку можна обчислити за такою формулою:

S′=S • sinh_о.

При визначенні величини інсоляції прямої сонячної радіації на південний або північний схили користуються такими формулами:

S′ _{пд. схилу} = S • sin(h_о + α); S′ _{пн. схилу} = S • sin(h_о – α),

де: h_о – висота Сонця над горизонтом; а – крутизна схилу, в градусах.

Частина сонячної радіації, що після розсіювання в атмосфері поступає на горизонтальну поверхню, називається розсіяною радіацією (Д).

Сумарна радіація (Q) являє собою суму прямої (S′) і розсіяної (Д) радіації, тобто:

Q=S′+Д, або Q=S • sinh_о+Д.

Відбита радіація (R_к) – частина сонячного випромінювання, яке відбивається земною поверхнею. Відбиту радіацію (R_к) найчастіше характеризують безрозмірною величиною – відбитною здатністю або альбедо тієї чи іншої поверхні, на яку падає сонячна радіація.

Альбедо (А_к) – відношення відбитої радіації до сумарної, виражається в частинах одиниці (з точністю до сотих) або у відсотках. Альбедо розраховується за формулою:

А_к=R_к •100 : Q.

Частина сумарної радіації, яка поглинається земною поверхнею, називається поглинутою радіацією (R_п).

R_п=Q-R_к або R_п=Q (1-А_к : 100).

Витрати променистої енергії (крім відбитої радіації) відбуваються також за рахунок ефективного випромінювання (Е_еф). Воно являє собою різницю між власним випромінюванням земної поверхні (Е_з) і зустрічним випромінюванням атмосфери (Е_а)

Е_еф=Е_з-Е_а .

Різницю між надходженням і витратами радіації називають радіаційним балансом, або залишковою радіацією (В). Рівняння радіаційного балансу має такий вигляд:

В=S′+Д-R_k –Е_з +Е_a або В=Q(1-А_к : 100)-Е_еф

У процесі фотосинтезу рослини використовують частину сонячної радіації в інтервалі довжин хвиль 0,38 – 0,71 мкм (мікрометри), або 380-710 нм (нанометр). Ця радіація називається фотосинтетичноактивною радіацією (ФАР). Для визначення сум ФАР за відповідними сумами прямої та розсіяної радіації використовують формулу Росса і Тоомінга:

Q_фар=0,43S′+0,57Д.

Найбільш інтенсивно листя рослин поглинає синьо-фіолетові (0,40-0,48мкм) і оранжево-червоні (0,65-0,69 мкм) промені.

У міжнародній системі одиниць (СІ) енергетична освітленість радіації вимірюється у Вт/м², а для сум радіації використовують Дж/м²с.

1,0 кал/см²хв=698 Вт/м²=700Дж/м²с

Прилади для вимірювання сонячної радіації

Для вимірювання усіх видів сонячної радіації на метеорологічних станціях та в польових умовах застосовують актинометричні прилади.

Актинометр Янішевського (рис.1) – для вимірювання інтенсивності прямої сонячної радіації (S). Він має провідник – послідовно спаяні стрічки манганіну і константану—складений у вигляді зірочки. Непарні спаї розміщені навколо центру, парні - на периферії. Перші підклеєні до нижнього боку тонкого зачорненого

Рис.1. Актинометр Янішевського.

срібного диска. Кінці провідника виведені і підключаються до гальванометра. Спай установлений у трубку. В широкій частині трубки знаходиться мідне кільце; якщо трубку спрямувати на сонце, то сріблястий диск освітлюється прямими сонячними променями, а мідне кільце залишається в тіні.

Непарні спаї більше нагріваються, ніж парні. Різниця температур буде тим більшою, чим сильніша сонячна радіація. Термострум, що виникає, вимірюють за допомогою гальванометра.

Піранометр (рис.2) – для вимірювання розсіяної і сумарної радіації. Термобатарея піранометра складена із скріплених смужок манганіну (1) і константану (2), розташованих у горизонтальній площині. Парні та непарні термоспаї розміщені групами і пофарбовані білою і чорною фарбою, в результаті утворюється пластинка – приймач із

	чергуванням білих та чорних квадратів, яка зверху закрита скляним ковпаком (3). Якщо на пластинку падають сонячні промені, то в провіднику виникає термострум, сила якого пропорційна інтенсивності діючої радіації. Таким чином вимірюється сумарна радіація (Q). Якщо приймач затінити від дії прямого сонячного випромінювання, то на нього діятиме тільки розсіяна радіація (Д).
Рис. 2. Піранометр.

Альбедометр (рис.3) – для вимірювання відбитої радіації (R_к).

Рис.3. Альбедометр.

Альбедометр – це піранометр, конструктивно пристосований для вимірювання падаючої і відбитої сонячної радіації. Падаючу (Q) радіацію вимірюють при спрямуванні приймача вгору, а відбиту – при спрямуванні вниз. За формулою обчислюють альбедо (Ак).

Балансомір (рис.4) – для вимірювання радіаційного балансу (В). Приймач балансоміра складається з двох тонких пластинок – мідної та

Рис.4. Балансомір.

пофарбованої в чорний колір фольги. Пластинки розміщені паралельно, приклеєні відповідно до парних і непарних спаїв термобатареї і зачорненими поверхнями спрямовані в протилежні сторони.

Встановлюють балансомір горизонтально (поверхня однієї пластинки спрямована вверх, а другої - вниз).Різницю між потоками радіації зверху і знизу, тобто радіаційний баланс діяльного шару, покаже гальванометр, до якого прикріплений балансомір.

Геліограф (рис.5) – для вимірювання тривалості сонячного сяйва в годинах. Він складається з масивної скляної кулі (1), закріпленої на підставці (2), яка фокусує падаючі на неї сонячні промені. Фокус переміщується за рухом сонця. На шляху руху точки фокуса закріплена картонна стрічка (3) з поділками на години, яка встановлюється у пази чашки на підставці. Сонячні промені збираються у фокус і залишають пропалини на стрічці. За пропалинами визначають тривалість сонячного сяйва.

Люксметр (рис.6) – вимірює освітленість у люксах (лк). В ньому встановлений фотоелемент, змонтований разом з магнітно- електричним вимірювачем. Фотоелемент перетворює сонячну енергію

Рис.5. Геліограф.

Рис.6. Люксметр.

безпосередньо в електричну, і вона по проводу передається на стрілку люксметра, яка рухається за шкалою.