Измерение радиационного баланса. Балансомер м-10м.

Радиационный 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 интегральный радиационный баланс и проводить непрерывную запись результатов.

Балансомер М-10м состоит из термобатареи, укрепленной между двумя черными пластинами, помещенными одна под другой (рис. 5).

Пластины устанавливаются горизонтально. Верхняя пластина нагревается потоками радиации с верхней полусферы, а именно: 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 нагретая пластина нагревается потоком тепла, приходящим с более нагретой пластины. Обе пластины обмениваются теплом с окружающим воздухом в результате излучения и конвективного теплообмена.

Поперечное сечение отдельной секции термобатареи представлено на рис. 6. Термобатарея состоит из ленты константана (1), намотанной на медный брусок (2). Половина витков гальваническим путем покрыта тонким слоем серебра (3). Вторая половина витков (4) зачернена. Места окончания серебряного слоя – термоспаи, которые располагаются поочередно на верхней и нижней поверхности 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 – серебро”. 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 ( ), рассеянная солнечная радиация ( ) и длинноволновые потоки радиации – главным образом, излучение атмосферы ( ) поглощаются верхней приемной поверхностью, а уходящее от земной поверхности излучение в виде коротковолновой отраженной радиации ( ), длинноволновой отраженной радиации ( ) и длинноволновой радиации Земли ( ) 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:

(3)

где - радиационный баланс земной поверхности (кВт/м²),

- прямая солнечная радиация, падающая на горизонтальную поверхность,

- рассеянная радиация,

, - длинноволновые потоки радиации, излученной атмосферой и земной поверхностью,

, - 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 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 (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.