Methodical Documents ЗОВР / Методички / Климатология и метеорология / Методчиеское пособие

У чебноепособи епо курсам

по спец и альности - «013400 - при родопользовани е», «013600 - геоэкологи я» «012500 - географи я»

( О П Д .Ф .03)

ВО РО Н Е Ж

2003

Состави тели : К ози нВ .В ., П авлова Н .А .

У чебное пособи е подготовлено на кафедре геоэкологи и и мони тори нга окруж аю щ ей среды В оронеж ского государственного уни верси тета.

Рекомендуетсядлястудентов 1и 2 курсов д/о и з/о

ВВ ЕД ЕНИ Е

Настоящ ееучебноепособи епредставляет собой незначи тельно и зменен-

ную часть Руководства ги дрометеорологи чески м станц и ям по акти нометри чески м наблю дени ям, вы пущ енного ги дрометеорологи чески м и здательством Л е- ни нграда в 1971 году под редакц и ей А .С. А ндреева. Э то связано стем, что в данном наставлени и кратко, доступно и полно и злож ены основны еполож ени я

В данном учебном пособи и рассматри ваю тсяосновны е полож ени я, назначени еи конструкц и яакти нометри чески х при боров.

П рои зводство акти нометри чески х наблю дени й и обработка результатов наблю дени й будетрассмотрена отдельно.

4

1. О С НО В НЫ Е П О Л О Ж ЕНИ Я

А кти нометри чески е наблю дени яна ги дрометеорологи чески х станц и ях и мею т ц ель ю получени еданны х о ради ац и онном реж и ме, необходи мы х для научны х ц елей и практи ческого и спользовани яв разли чны х отраслях народного хозяйства.

Ради ац и онны й реж и м земной поверхности создаетсялучи стой энерги ей, при ходящ ей кземной поверхности и уходящ ей отнее. Д ляземли основны м и с- точни ком лучи стой энерги и являетсясолнц е. Л учи стаяэнерги ясолнц а, проходя через атмосферу, рассеи ваетсяи поглощ ается. В следстви е рассеи вани ялучи - стаяэнерги ясолнц а на уровнеземной поверхности наблю даетсянетолько в ви депараллельного пучка лучей, и дущ и х отсолнц а, но такж еи в ви дерассеянной ради ац и и , падаю щ ей от всех точекнебесного свода. Д ости гаяземной поверхности солнечнаяради ац и ячасти чно отраж ается, в результатечего возни кает отраж еннаяради ац и я. Н еотраж еннаячасть ради ац и и поглощ ается, превра- щ аясь в тепло. Н агретаяповерхность в свою очередь станови тсяи сточни ком собственного и злучени я, направленного к атмосфере. А тмосфера, нагреваю - щ аясяз а счеттеплообмена сземной поверхность ю , такж еявляетсяи сточни ком и злучени я, направленного кземной поверхности и в ми ровоепространство.

П еречи сленны е вы ш е ви ды ради ац и и обладаю т разли чны м спектраль - ны м составом. Спектральны й состав ради ац и и характери зуетсяраспределени ем лучи стой энерги и по дли нам волн. Л учи стую энерги ю , заклю ченную в пределах дли н волн от 0,3 до 4 ми крометров (мкм) (1 мкм=10-3мм=10-6 м), в акти нометри и при нято назы вать коротковолновой, а в области 4 - 100 мкм - дли нноволновой.

Слой земной поверхности , в котором прои сходи тпоглощ ени еради ац и и , назы ваетсядеятельны м слоем.

Т олщ и на деятельного слояв зави си мости от свойств поверхности мож ет бы ть разли чной. Д ляестественной поверхности почвы при отсутстви и расти - тельного и ли снеж ного покрова толщ и на деятельного слоямож ет менятьсяот долей ми лли метра в случаеуплотненной почвы до нескольки х санти метров для разры хленной почвы . Д ляснега эта толщ и на составляет десятки санти метров; дляводы , в зави си мости от еепрозрачности , - метры и десятки метров. Расти - тельны й покров такж есоставляет деятельны й слой, толщ и на которого определяетсявы сотой расти тельности . В метеорологи и в качестверавнозначного терми на пользую тсятерми ном «деятельнаяповерхность », при меняемы м и в даль - нейш ем и злож ени и .

О сновны ми элементами ради ац и онного реж и ма, си стемати чески и змеряемы ми на акти нометри чески х станц и ях, являю тсяпрямаясолнечнаяради а- ц и я, рассеяннаяради ац и янеба, суммарная солнечнаяради ац и я, отраж енная земной поверхность ю ради ац и яи остаточнаяради ац и я, и ли ради ац и онны й балансдеятельной поверхности .

П рям ой сол нечной радиацией назы ваетсяради ац и я, поступаю щ ая к земной поверхности непосредственно отсолнц а и околосолнечной зоны ради у- сом 5° . О на и змеряетсяна поверхности , перпенди кулярной направлени ю сол-

S'), непосредственно неи змеряется, а вы чи сляетсяпо формулеS'=S sin h, где h-вы сота солнц а над гори зонтом.

Рассеянной сол нечной радиацией (и ли просто рассеянной ради ац и ей)

назы ваетсяради ац и я, поступаю щ аяна гори зонтальную поверхность отвсех точекнебесного свода, за и склю чени ем ди ска солнц а и околосолнечной зоны ради усом 50 , в результате рассеяни ясолнечной ради ац и и молекулами атмосферны х газов, водяны ми капельками и ли ледяны ми кри сталлами облаков и тверды ми части ц ами , взвеш енны ми в атмосфере. Рассеяннаяради ац и яусловно обозначаетсябуквой D.

С ум м арной сол нечной радиацией (и ли просто суммарной ради ац и ей)

назы ваетсяобщ и й при ход кгори зонтальной поверхности прямой солнечной и рассеянной ради ац и и , обозначаемой буквой Q. Следовательно, Q= S'+D.

Суммарнаяради ац и я, дош едш аядо деятельной поверхности , нетолько поглощ ается, но части чно и отраж ается. Часть суммарной ради ац и и , отраж еннаяот деятельной поверхности , назы ваетсяотраж енной радиацией и обозначаетсябуквой Rk.

П о вели чи нам суммарной и отраж енной ради ац и и мож етбы ть вы чи слена весьма важ наяради ац и оннаяхарактери сти ка деятельной поверхности - ееал ь- бедо (условное обозначени е А к). А льбедо есть отнош ени е отраж енной от поверхности ради ац и и кпри ходящ ей суммарной ради ац и и , т.е. А к=Rk/Q. В ели - чи на альбедо вы раж аетсяв долях еди ни ц ы и ли в проц ентах.

П ракти чески всялучи стаяэнерги япрямой, рассеянной, суммарной и отраж енной ради ац и и сосредоточена в области спектра от0,3 до 4 мкм. П оэтому перечи сленны евы ш еви ды ради ац и и получи ли названи екоротковолновы х. В не эти х пределов остаетсяменее1 % полного и злучени ясолнц а.

Разность меж ду суммарной и отраж енной ради ац и ей назы ваетсяоста-

дли нноволновы м, таккакпри обы чны х температурах оно заклю чаетсяв преде-

ство. Часть атмосферного и злучени я, направленнаявни з и поступаю щ аякгори - зонтальной земной поверхности , назы ваетсядл инновол новой радиацией ат- м осферы , проти вои злучени ем атмосферы и ли встречны м и злучени ем (обозна-

чаетсяЕa).

Д ли нноволноваяради ац и яатмосферы части чно отраж атсяземной поверхность ю обратно в атмосферу. Э та часть назы ваетсядл инновол новой от-

раж енной радиацией и обозначается сим вол ом Rд. П о сравнени ю сЕ з вели -

чи на Rд мала и ею обы чно пренебрегаю т.

7

За еди ни ц уи змерени яради ац и и при ни маетсяэнерги яв 1 кал, получаемая(и ли теряемая) 1 см2 поверхности в 1 ми н (размерность -кал/см2 *ми н).

Э та вели чи на назы ваетсяэнергетической освещенностью, обл ученностью п оверх ности, ил и п оверх ностной п л отностью п отокаизл учения. В практи -

ческой акти мнометри и при меняетсяравнозначны й терми н «и нтенси вность ради ац и и ». В меж дународной си стемеС И и нтенси вность ради ац и и вы раж аетсяв

ж и вы е органи змы характери зуетсяколи чеством обл учения, представляю щ и м прои зведени еоблученности на времяеедействи я. В акти нометри и какси нони м коли чества облучени япри меняетсятерми н кол ичество и ли сум м арадиации. Сумма ради ац и и за определенны й промеж утоквремени вы раж аетсяв кал/см2. О на мож ет бы ть вы раж ена такж ев ми лли ватт-часах на 1 см2 (мвт * час/см2) (1 мвт*чac/cм2 = 0,86l кал/см2) и ли в дж оулях на 1 см2 (дж /см2) (1 дж =0,239 кал). Сумма ради ац и и обозначаетсяпропи сной греческой буквой Σ с добавлени ем условного обозначени яви да ради ац и и и и ндекса, указы ваю щ его, з а какой промеж уток времени определяетсясумма (ч— час, с— сутки , м— месяц , г— год).

Н апри мерΣ S, Σ Q, Σ D и т.д.

ч м г

Н а станц и ях месячны е суммы рассеянной, суммарной и остаточной ради ац и и (ΣмD, ΣмQ и ΣмB) вы чи сляю тсяпо срочны м наблю дени ям. П ри нали чи и акти нометри чески х самопи сц ев по непреры вной запи си ради ац и и вы чи сляю тся часовы есуммы , по которы м подсчи ты ваю тсясуточны еи месячны есуммы .

Н а ги дрометеорологи чески х станц и ях при меняетсятермоэлектри чески й метод и змерени яради ац и онны х потоков. И змеряемаяради ац и япоглощ ается черной при емной поверхность ю при бора, превращ аетсяв тепло и нагреваетакти вны еспаи термобатареи , тогда какпасси вны еспаи ненагреваю тсяради ац и ей и и мею тболеени зкую температуру. В следстви еразли чи ятемпературакти вны х и пасси вны х спаев на вы водах термобатареи возни каеттермоэлектродви ж ущ ая си ла (термоэдсε, пропорц и ональнаяразности температур, котораяв свою очередь пропорц и ональна действую щ ей на при бори нтенси вности ради ац и и I). Т а- ки м образом, ε=KI. К оэффи ц и ент пропорц и ональности К назы ваетсячувстви -

гальванометру, которы м и змеряетсяси ла тока i, возни каю щ его в замкнутой ц е- пи при бора под действи ем термоэдс.

П о законуО ма:

i=ε* (RБ+ Rг)-1 = Kl(RБ+ Rг)-1

где, RБ и Rг - соответственно сопроти влени етермобатареи и гальванометра. П од действи ем тока i стрелка гальванометра откланяетсяна чи сло делени й N, так что i=αN. В ели чи на α назы ваетсяц еной делени ягальванометра к току и и змеряетсяв ми кроамперах (10-6 а) на 1 делени еш калы гальванометра.

часто и зменяетсячувстви тельность при емни ка К в результатестарени якрася- щ и х покры ти й при емны х поверхностей при боров. Д ляконтроляпостоянства вели чи н К и α они определяю тсяси стемати чески путем сравнени й споказани ями контрольного при бора, поверенного по эталонному при бору – пи ргели ометру.

2. О П И С А НИ Е П РИ БО РО В

2.1 П РИ М ЕНЯ ЕМ Ы Е П РИ БО РЫ

Д ляпрои зводства акти нометри чески х наблю дени й в качествепри емни - ков ради ац и и на станц и ях при меняю тсяследую щ и етермоэлектри чески епри - боры .

Дляи змерени й прямой ради ац и и — акти нометрСави нова— Я ни ш евского

АТ -50.

-10.

В качествеэлектрои змери тельного при бора, ккоторому при соеди няю тся термоэлектри чески е при емни ки ради ац и и , при меняетсястрелочны й акти нометри чески й гальванометрГСА -1.

2.2А К ТИ НО М ЕТР

Акти нометрпредназначендляи змерени япрямой солнечной ради ац и и .

АТ -50 состои т и з корпуса спри емни ком, трубки и ш тати ва. П ри емни ком

ради ац и и служ и тди ски з серебряной фольги 1 (ри с. 2), зачерненны й со сторо-

стоящ ей и з 36 термоэлементов, соеди ненны х последовательно и располож енны х в ви дезвездочки . Т ермоэлементы состояти з мангани новы х и константановы х полосок и и мею т по два спая: внутренни й и внеш ни й. В неш ни е(пасси в- ны е) спаи 3 термобатареи при клеены кмедному кольц у 4, заж атому в масси в- ном корпусепри бора. Т ермобатареяи золи рована от серебряного ди ска и медного кольц а папи росной бумагой, пропи танной ш еллаком.

П ри и змерени ях зачерненны й серебряны й ди ск поглощ ает солнечную

повы ш ается. В неш ни е (пасси вны е) спаи и мею т температуру корпуса, которая бли зка ктемпературенаруж ного воздуха. И з -з а разности температур внутренни х и внеш ни х спаев на вы водах термобатареи появляетсянапряж ени е, а при замы кани и внеш ней ц епи термобатареи в ней возни кает термоэлектри чески й ток, и змеряемы й вклю ченны м в ц епь гальванометром.

К орпус акти нометра состои т и з чаш ки 7 (ри с. 3) и втулки 11, которы е сви нчи ваю тсямеж ду собою , а меж ду ни ми заж и маетсямедноекольц о 8. К райни еэлементы термобатареи проводни ками 6, вы веденны ми через отверсти яв задней чаш кекорпуса, соеди няю тсясклеммами 5. К ни м при паяны ги бки еи з о- ли рованны епровода 3 длясоеди нени ясгальванометром. Д ляустранени явли я- ни яветра отверсти яв корпусезали ты и золи рую щ ей замазкой. К орпусзакры т чехлом 2, которы й закрепляетсяви нтом 4. П ередняячасть втулки 11 корпуса вставляетсяв медную трубку 19 и закрепляетсяви нтом 12. В трубкеукреплены ди афрагмы 15, располож енны ев порядкеувели чени яди аметра и х отверсти й по мереудалени яот при емни ка. П оследняяди афрагма ди аметром 20 мм, служ а- щ аяпри емны м отверсти ем акти нометра, соеди нена скольц ом 18 и укрепляется в трубкеви нти ком 17. Четы ревнутренни еди афрагмы укреплены в трубкепосредством распорки 16 и пруж и ной ш айбы 14. М еж ду пруж и ной, ш айбой и передней частью корпусапролож енаплоскаяш айба 13. Н аи меньш аяди афрагма 9 ди аметром 10 мм соеди нена скорпусом. Д и афрагмы вы чернены свнутренней стороны . Т рубка 19 сди афрагмами защ и щ аетпри емни какти нометра ответра и рассеянной ради ац и и . Ц ентральны й уголотверсти яакти нометра равен10°. Э то означает, что ц ентр при емни ка акти нометра получает ради ац и ю от солнц а и

ш енны м в белы й ц вет и служ ащ и м экраном дляпереднего кольц а 18, тень от которого при прави льной наводкеакти нометра на солнц едолж на бы ть конц ентри чна сокруж ностью кольц а 10. Д ляболееточной наводки на солнц ев переднем кольц е10 и меетсяотверсти е9 (ри с. 4), проти в которого на кольц е6 нанесена точка.

Э та точка при наведенном на солнц еакти нометредолж на находи тьсяв ц ентресолнечного «зайчи ка»от луча, прош едш его через отверсти е9 в кольц е 10 (рис . 4). Д лязащ и ты при емни ка отзагрязнени яи дляопределени яместа нулягальванометра при и змерени ях трубка акти нометра закры ваетсякры ш кой 1.

К орпусакти нометра, соеди ненны й струбкой, установленна параллакти - ческом ш тати ве, опи раю щ емсяна столби к15, укрепленны й на основани и футляра. Д ляустановки акти нометра по мери ди ануна основани и нанесена стрелка. Н а ш тати ве и меетсяось 11 (ось ш и рот), наклон которой спомощ ью ви нта 3 мож етрегули роватьсяи закреплятьсяв соответстви и сш и ротой места. Д ляэтого на секторе14 в ни ж ней части параллакти ческого ш тати ва нанесена ш кала, а на столби ке— ри ска 2, по которой прои зводи тсяотсчетугла меж ду осью ш и рот и гори зонтом. Н а ось 11 надет держ атель , в котором ви нтом 4 закреплена ось склонени й 5, несущ аятрубкуакти нометра 8. В ращ ени ееевокругоси 11

10

Ри с. 2. П ри емни ктермоэлектри ческого акти нометра

Ри с. 3. П родольны й разрез трубки термоэлектри ческого акти нометра