12.5 Радиация

Измерение компонент радиационного баланса называют актинометрическим. Актинометрическая установка включает приборы для измерения коротковолновой приходящей солнечной радиации. Актинометрические наблюдения являются единственным самым точным источником информации о радиационном балансе подстилающей поверхности. Радиационный баланс – это результирующее значение радиационных потоков, поступающих от Солнца, атмосферы и подстилающей поверхности. В общем виде радиационный баланс В выражается формулой 1.3:

B = S + D – R – Bd (1.3)

где S – солнечная радиация, поступающая непосредственно от диска солнца на горизонтальную поверхность (прямая радиация), D – солнечная радиация, рассеянная молекулами воздуха, а также атмосферными примесями и облачностью (рассеянная радиация), R – часть коротковолновой (солнечной) радиации, отраженной земной поверхностью, Bd – разность между длинноволновым (тепловым) излучением земной поверхности и атмосферы (т.е в диапазоне длин волн ). Сумму прямой S и рассеянной D радиации называют суммарной солнечной радиацией Q. Суммарная радиация – это результирующая солнечная энергия, поступающая к земной поверхности. Ее еще называют оротковолновой радиацией (спектр солнечного излучения, котороедоходит до земной поверхности, колеблется в диапазоне 0,1 – 4 ∙ 10–6 м, в него входят ультрафиолет, видимая радиация и та часть инфракрасного спектра, которая по длине волн ближе к видимой, – так называемая ближняя инфракрасная радиация). Величина радиационного баланса B характеризует то количество энергии, которое поглощается подстилающей поверхностью и, соответственно, затрачивается на ее нагревание. Подробнее с вопросами, связанными с переносом лучистой энергии в атмосфере и радиационным балансом подстилающей поверхности, можно ознакомиться в [18,21]. Для измерения прямой солнечной радиации служит актинометр (рис. 1.8, а). Актинометр измеряет прямую солнечную радиацию, поступающую на площадку, перпендикулярную солнечным лучам. Поэтому для того, чтобы получить прямую радиацию S, поступающую на горизонтальную поверхность, необходимо воспользоваться следующей формулой:

S = S0sin(h°) (1.4)

где S0 – прямая солнечная радиация, поступающая на площадку, перпендикулярную солнечным лучам, h° – высота Солнца, которая зависит от географической широты, угла солнечного склонения (который зависит от сезона) и от часового угла (времени суток).

Формула для расчета высоты солнца, а также табличные значения солнечного склонения содержатся в [15]. При определении высоты солнца и вообще сроков актинометрических наблюдений необходимо помнить о так называемом истинном солнечном времени, которое вычисляется как τΘ = τm + Δτ, где τm – среднее солнечное время, которое вычисляется в зависимости от географической долготы (один час среднего солнечного времени соответствует 15° долготы, при этом центральными меридианами являются 0°, 15°, 30° и т. д.; соответственно, 1° равен 4 минутам по времени, 1 угловая минута соответствует 4 секундам по времени и т. д.); Δτ – так называемое уравнение времени, которое представляет собой поправку к среднему солнечному времени). Потоки рассеянной и отраженной солнечной радиации измеряются пиранометром (рис. 1.8, б). При стандартных актинометрических наблюдениях пиранометр затеняется в том случае, если измеряется поток рассеянной радиации, и располагается приемной частью к земной поверхности под углом 90° при измерениях потока отраженной радиации. Отражающая способность подстилающей поверхности, или альбедо, оценивается как отношение потока отраженной радиации к суммарной. Для измерения баланса длинноволновой радиации, исходящей от подстилающей поверхности и от атмосферы, используется балансомер (рис. 1.8, в).

Рис. 1.8. Основные актинометрические приборы: а) актинометр, б) пиранометр,

в) балансомер

Составляющие радиационного баланса измеряются на специальной актинометрической установке над естественной поверхностью на высоте 1 м. Сама же актинометрическая стрела ориентируется в зависимости от положения солнца. Наблюдатель располагается на специальном помосте. Подстилающая поверхность непосредственно в зоне наблюдений должна быть естественной. Для измерения потока рассеянной солнечной радиации, а также длинноволнового баланса применяется затенение. Как было отмечено ранее, на станциях приборы могут быть разными. Главное – придерживаться единой схемы наблюдений и требований точности. На метеорологических станциях Росгидромета используется актинометр АТ-50, пиранометр М-80 и балансомер М-10. Для измерения суммарной, рассеянной и отраженной радиации применяется альбедометр походный (АП-3х3). Принцип действия приборов основан на неравномерном нагревании элементов приемной части, которые выкрашены белой и сажевой краской. В результате возникает ток, который измеряется гальванометром, мультиметром или любым другим прибором,

фиксирующим силу тока, напряжение и сопротивление. Фиксируемые значения переводятся в величины радиационных потоков с помощью специальных переводных множителей.