ГМИ методичка

Рис. 8.2. Термоэлектрический актинометр М-3 (АТ-50): 1 – зачерненный диск, 2 – медное кольцо, 3 – термобатарея, 4 – последовательно сужающиеся диафрагмы, 5 – металлический цилиндр (корпус),

6 – отверстие в диске для наведения актинометра на солнце

довательно. Четные спаи термобатареи подклеены через изолирующую прокладку к медному кольцу (2). Элементы термобатареи состоят из манганиновых и константановых полосок, изолирующие прокладки сделаны из папиросной бумаги, пропитанной шеллаком. Выводытермобатареисоединеныпроводамисгальванометром.Вся эта конструкция помещена в металлический кожух (5) – цилиндр, внутри которого вставлены последовательно сужающиеся диафрагмы (4), благодаря которым световой поток падает только на зачерненный диск (1).

Для нацеливания актинометра на солнце предусмотрено отверстие в ободке трубы (6) и точка на корпусе прибора. При точной наводке световой луч, пройдя через отверстие (6), должен попасть в точку.

Установка актинометра осуществляется поворотом винтов штатива, на котором закреплен сам актинометр. Иногда для автоматического поворота актинометра при движении солнца по небу применяется гелиостат (см. ниже).

Градуировка актинометра проводится вместе с гальванометром или без него. Во втором случае в паспорте прибора указывается величина его чувствительности, т. е. изменение ЭДС термобатареи при единичном изменении (на 1 кВт/м2) потока радиации. В первом случае обычно указывают переводной множитель актинометра – k, зная который можно по показаниям гальванометра определить величину прямой солнечной радиации S по формуле:

91

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. 8.4), 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 10°. Тогда экран закрывает участок неба вокруг солнечного диска с размером телесного угла 5°. Необходимой частью пиранометра является осушитель (6),

Рис. 8.4. Пиранометр универсальный М-80: 1 – стеклянный колпак; 2 – приемник радиации; 3 – корпус; 4 – выводы термобатареи; 5 – теневой экран; 6 – осушитель; 7 – крышка

93

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).

Суммарная радиация может быть измерена пиранометром точно так же, как и рассеянная, но в этом случае теневой экран не применяется. Практически, однако, суммарную радиацию предпочитают определять 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 180° 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, т. е. с зенита. Точно так же, как и для актинометра, переводной множитель 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. 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 (подробнее см. в книге [1]).

94

Если переводной множитель пиранометра известен, то рассеяннаярадиацияD вычисляетсяпоформуле,аналогичнойформуле(8.1):

гдеN –показаниягальванометравделенияхприизмерении,N0 – показания гальванометра при закрытой крышке (место нуля), k – переводной множитель, имеющий размерность кВт/м2дел.

Измерение радиационного баланса. Балансомер М-10м. Радиа-

ционный баланс определяется как алгебраическая сумма всех видов излучения, приходящих на данный участок атмосферы, причем излучение с верхней полусферы считается положительным, а с нижней – отрицательным.

Для измерения радиационного баланса используется балансомер М-10м в комплекте с одним из приборов – гальванометром, интегратором или самописцем типа КСП-4. Часто проводят измерения с одним гальванометром, что не дает возможности определять интеграль­ ный­ радиационный баланс и проводить непрерывную запись результатов.

Балансомер М-10м состоит из термобатареи, укрепленной между двумя черными пластинами, помещенными одна под другой (рис.8.5-а).Пластиныустанавливаютсягоризонтально.Верхняяпла- стина нагревается потоками радиации с верхней полусферы, аименно: прямой солнечной радиацией, рассеянной радиацией, излучением самой атмосферы. Нижняя пластина нагревается потоками радиации с нижней полусферы: отраженной земной поверхностью прямой солнечной радиацией, рассеянной радиацией (если балансомер помещен на некоторой высоте над землей), излучением нижележащего слоя атмосферы и излучением земной поверхности. Кроме того, менее теплая пластина нагревается потоком тепла, приходящим с более теплой пластины. Обе пластины обмениваются теплом с окружающим воздухом в результате излучения и конвективного теплообмена.

Рис. 8.5. Балансомер М-10м:

а – внешний вид балансомера М-10м; б – отдельная секция термобатареи

95

Поперечное сечение отдельной секции термобатареи представлено на рис. 8.5-б. Термобатарея состоит из ленты константана (1), намотаннойнамедныйбрусок(2).Половинавитковгальваническим путем покрыта тонким слоем серебра (3). Вторая половина витков

(4) зачернена. Места окончания серебряного слоя – термоспаи, которыерасполагаютсяпоочереднонаверхнейинижнейповерхности бруска. Выводы секции также выполнены из константана и все секции соединены между собой последовательно так, что общая ЭДС термобатареи равна сумме 320–330 ЭДС термопар «константан–се- ребро». Для выравнивания чувствительности приемников имеются компенсирующие термобатареи. Для соединения с гальванометром к крайним термоэлементам припаяны концы мягких проводов, которые выведены через рукоятку. Внутренняя полость балансомера герметизирована. Балансомер крепится к стойке с помощью шарнира.

Как уже говорилось, принцип действия термоэлектрического балансомера основан на том, что все виды приходящей к земной поверхности радиации: прямая солнечная радиация, приходящая на горизонтальную поверхность (S'), рассеянная солнечная радиация (D) и длинноволновые потоки радиации – главным образом, излучение атмосферы (Ea) поглощаются верхней приемной поверхностью, а уходящее от земной поверхности излучение в виде коротковолновой отраженной радиации (Rk), длинноволновой отраженной радиации (RD) и длинноволновой радиации Земли (EЗ) поглощаются нижней приемной поверхностью.

Разностью собственных излучений верхней и нижней приемных пластин можно пренебречь. Таким образом, можно принять, что разность температур обеих пластин пропорциональна разности между потоками радиации сверху и снизу, т. е. радиационному балансу. Формула радиационного баланса имеет вид:

где B – радиационный баланс земной поверхности (кВт/м2), S' – прямая солнечная радиация, падающая на горизонтальную поверхность, D – рассеянная радиация, Ea, EЗ – длинноволновые потоки радиации, излученной атмосферой и земной поверхностью, Rk, RD – коротковолновые и длинноволновые отраженные потоки радиации.

Таким образом, ЭДС термобатареи пропорциональна разности температур между верхней и нижней пластинами, обусловленной радиационным балансом. Для измерения радиационного баланса

96

регистрируют ток через гальванометр, соединенный с выводами термобатареи. Легко понять, что связь радиационного баланса с показаниями гальванометра может быть выражена через переводной множитель формулой, аналогичной формуле (8.1).

Упомянем о ветровой погрешности балансомера – выравнивание температур верхней и нижней пластин при обдуве воздушным потоком. Эта погрешность не может быть ликвидирована с помощью стеклянного колпака, как это делалось в пиранометре, так как при этом будет потеряна значительная часть излучения. Поэтому поступают по-другому – балансомер делают тонким, увеличивая теплообмен между пластинами за счет теплопроводности внутреннего слоя, содержащего термобатарею. Этот теплообмен, в отличие от ветрового теплообмена, может быть рассчитан и не зависит от каких-либо погодных условий. Разумеется, тонкий балансомер имеет меньшую чувствительность, но это та цена, которую приходится заплатить за уменьшение ветровой погрешности.

Гелиостат служит для обеспечения автоматического слежения актинометра за солнцем. При непрерывных наблюдениях с записью показаний с помощью интегратора или самописца актинометр устанавливается на гелиостат. Затем проводится предварительная установка гелиостата и наведение актинометра на солнце. После этого гелиостат поворачивает актинометр по эклиптике. Не будем здесь приводить конструкцию гелиостата во всех деталях, упомянем лишь главные его части.

В качестве движущего механизма у гелиостата используется электромагнит, приводящий в движение редуктор, который передает вращение на ось гелиостата. Редуктор рассчитан таким образом, чтоприпропусканиичерезэлектромагнитимпульсовэлектрического тока с частотой один импульс в минуту, выходная ось гелиостата совершает один оборот в сутки. Электрический сигнал управления гелиостатом подается на электромагнит от контактных часов, которые вырабатывают импульсы с необходимой частотой.

Первоначальнаяустановкаактинометранагелиостатепроизводится в следующей последовательности:

1.Установитьгелиостатнагоризонтальнуюповерхностьиориентировать его на север, пользуясь компасом (буссолью) и стрел- кой-указателем на металлическом основании гелиостата.

2.Отгоризонтировать гелиостат по встроенному уровню, пользуясь установочными винтами в основании гелиостата.

97

3.Поворачивая корпус гелиостата в вертикальной плоскости, установить на специальном лимбе географическую широту места наблюдения.

4.Выставить местное среднесолнечное время начала наблюдения, повернув лимб, установленный на верхней панели гелиостата.

5.Навести актинометр на Солнце согласно методике, изложенной ранее. Включить гелиостат, подав минутные импульсы с контактных часов.

8.2. Порядок выполнения работы

Для выполнения работы необходим лабораторный макет (рис. 8.6), включающий в себя следующие приборы:

––актинометрическая стойка, оборудованная актинометром, пиранометром, балансомером;

––осветитель, имитирующий солнечную радиацию;

––ЛАТР;

––гальванометр;

––самописец.

Для создания светового потока в лаборатории используется мощный осветитель, дающий направленный световой пучок. Поэтомуприработесактинометрическимприборомнеобходимонаправить световой поток на него, затем провести все необходимые эксперименты с этим прибором, а после этого перейти к исследованию следующего прибора, направив на него световой поток.

1.Включите осветитель. Изменяя с помощью ЛАТРа на максимальную мощность (250 В) и изменяя его угол наклона, направьте световой пучок на актинометр. Поставьте переключатель S1 (рис.8.7)вположение«А»–актинометр,апереключательS2 вположение«ГальванометрВКЛ.».Затемнаведитеактинометрнаосветитель. В лабораторных условиях невозможно сделать это, используя изложенную ранее методику, так как световой пучок от осветителя не является параллельным. Поэтому сначала наведите актинометр лишь примерно. Затем, поворачивая установочные винты, настройте актинометр на осветитель так, чтобы стрелка гальванометра была в диапазоне от 80 до 100 – это означает, что актинометр точно наведен на осветитель.

2.Убедитесь, что в самописец КСП-4 заправлена лента. Затем

спомощьютумблеровнапереднейпанелиприборавключитеКСП-4.

98

Рис. 8.6. Лабораторный макет «Актинометрическая стойка»

Рис. 8.7. Пульт управления лабораторной установкой

3.УстановитенаЛАТРенапряжение~0Визафиксируйтеместо нуля N0 (необходимо дождаться полной остановки стрелки гальванометра). Затем установите на ЛАТРе рабочее напряжение ~50 В и проведите отсчет по гальванометру. Не изменяя напряжения, поставьтепереключательS2 вположение«Самописецвкл.»ипроведите отсчет по самописцу. После остановки пера самописца верните переключатель S2 в положение «Гальванометр ВКЛ.».

Внимание! В течение времени проведения всех опытов с актинометром (также как и с другими актинометрическими приборами) угол наклона осветителя не изменять! Это вызовет изменения светового пучка, что сделает невозможным сравнение результатов измерений.

4.Далее установите на ЛАТРе напряжения 100, 150, 200, 250 В

ипроделайте операции по п. 3 (не забывайте переключать тумблер S2 с гальванометра на самописец). Показания гальванометра записывайте в рабочей тетради, показания самописца записывать не надо – отчетным документом является диаграммная лента. Поэтому делайтерабочиепометкикарандашомпрямоналенте–вчастности, около каждой точки необходимо записывать соответствующее напряжение ЛАТРа (рис. 8.8). По окончанию работы с актинометром, закройте его металлическим колпачком.

5.Теперь направьте пучок света на пиранометр, изменив угол наклона осветителя. Поставьте переключатель S1 в положение «П»

Рис. 8.8. Примерный вид записи на диаграммной ленте с карандашными пометками

100