3.8. Лабораторна робота № 8. Вивчення методів визначення характеристик сонячної радіації та їх практичне застосування.

Обладнання: балансомір метеорологічний, актинометр, геліограф, піранометр.

Завдання 1. Замалювати у зошиті будову та описати основні принципи роботи приладів для визначення параметрів сонячної радіації:

• балансоміра метеорологічного,

• актинометра,

• піранометра,

• геліографа-самописця.

Завдання 2. Розв’язати задачі на визначення динаміки та взаємозв’язків показників сонячної радіації.

Завдання 3. За даними середньомісячних показників сонячної радіації на одній з метеостанцій України побудувати графіки регресійної залежності між такими складовими радіаційного потоку:

• прямою сонячною радіацією та сумарною сонячною радіацією,

• сумарною сонячною радіацією та радіаційним балансом.

Завдання 4. Визначити вклад потоку розсіяної сонячної радіації у сумарний потік (у відсотках). Дані обрахунків оформити у вигляді таблиці. За розрахованими показниками побудувати графік вкладу розсіяної радіації в сумарну.

Завдання 5 (висновок). Проаналізувати побудовані графіки, описати виявлені закономірності та взаємозв’язки між показниками сонячної радіації.

Теоретичні відомості до роботи.

Сонячна радіація – це основне джерело енергії та тепла для Землі і її атмосфери.

Виділяють такі якісні складові сонячної радіації, як електромагнітна радіація (електромагнітні хвилі, що поширюються зі швидкістю світла, 300 000км/с) та корпускулярна радіація (потік протонів та електронів, швидкість та енергія яких удесятеро менша, ніж в електромагнітних хвиль).

Найчастіше характеризують електромагнітну радіацію, до якої входить ультрафіолетове, інфрачервоне, рентгенівське випромінювання, гама-промені, світло, радіохвилі.

Виділяють короткохвильову радіацію (з довжиною хвилі менше 4 мкм) та довгохвильову (довжина хвилі 4-120 мкм). Сонячна радіація на 99% є короткохвильовою. Довгохвильові (теплові) електромагнітні хвилі випромінюють всі нагріті тіла, у тому числі земна поверхня та атмосфера.

Залежно від особливостей проходження крізь земну атмосферу потік сонячної радіації ділиться на ряд складових: пряму, розсіяну, сумарну, відбиту, поглинуту, перетворену (ефективне випромінювання землі та атмосфери).

Сонячна радіація має добовий і річний хід у зв’язку із зміною висоти Сонця над земною поверхнею та тривалості сонячного сяяння.

У добовому ході інтенсивність радіації зростає від моменту сходу Сонця до полудня, а потім зменшується до часу заходу Сонця. Відхилення від нормального добового ходу можуть бути пов’язані із зміною прозорості атмосфери та хмарності неба протягом дня.

У річному ході мінімальна інтенсивність сонячної радіації припадає на грудень (помірні широти), коли висота Сонця над лінією горизонту найменша, а максимальна - на весняні місяці (оскільки влітку зростає запиленість атмосфери та вміст у ній водяної пари). Зростання інтенсивності прямої радіації від полюсів до екватора незначне (від 1,3 кал/см²хв до 1,6 кал/см²хв), тому що у цьому ж напрямку зростає запиленість повітря і вміст у ньому вологи. З висотою величина прямої сонячної радіації збільшується, тому що зменшується товща атмосфери, крізь яку вона проходить, розсіюючись у процесі.

Розсіювання сонячної радіації в приземному шарі найбільших значень досягає в Арктиці та Антарктиці, де висота стояння Сонця дуже мала, і відстань до земної поверхні, яку долають сонячні промені, довга. Велика частина потоку сонячної радіації відбивається сніговим покривом назад в атмосферу і розсіюється ще більше.

Метеорологічні спостереження за ходом сонячної радіації називають актинометричними.

Для вимірювання прямої сонячної радіації використовують піргеліометри та актинометри, а для розсіяної – піранометри. Тривалість сонячного сяяння 9в год) вимірюють за допомогою геліографа.

Розподіл сумарної сонячної радіації на верхній межі атмосфери залежить від географічної широти і пори року, обумовлених кулястою формою Землі та похилом площини екватора до площини земної орбіти. За рік на екваторі кількість сумарної радіації становить близько 300 ккал/см² і зменшується до 130 ккал/см² на полюсах. Влітку надходження радіації становить від 160 ккал/см² на екваторі до 133 ккал/см² на полюсі за 6 місяців теплого періоду року, а взимку – від 160 ккал/см² на екваторі до 0 починаючи з 75⁰ широти.

Рис. 18. Піргеліометр.

Рис. 19. Термоелектричний актинометр

Рис. 20. Піранометр Янішевського

Актинометричними називають спостереження за сонячною радіацією. Для вимірювання прямої сонячної радіації використовують піргеліометри і актинометри (рис 18, 19), а для розсіяної— піранометри (рис. 20). Тривалість сонячного сяяння (в годинах) вимірюють за допомогою геліографа (рис. 21).

Рис. 21. Геліограф

Для вимірювання відбитої радіації використовують прилад альбедометр (рис. 22), приймальною частиною якого є голівка піранометра. Всі прилади для вимірювання сонячної радіації термоелектричні.

Рис. 22. Альбедометр польовий

Рис. 23. Термоелектричний балансомір

Задачі до лабораторної роботи № 8.

1. Визначити інсоляцію біля поверхні Землі, якщо відомо, що в даній місцевості та у даний момент часу коефіцієнт прозорості атмосфери становить 0,6, сонце стоїть у зеніті.

2. Визначити інсоляцію біля поверхні Землі, якщо відомо, що в даній місцевості та у даний момент часу коефіцієнт прозорості атмосфери становить 0,5, а маса атмосфери дорівнює 3.

3. Розрахувати величину сумарної радіації біля поверхні Землі, якщо відомо, що в даній місцевості та у даний момент часу альбедо становить 45 %, при цьому відбивається 0,5 кВт/м² сонячного потоку.

4. Визначити величину альбедо біля поверхні Землі, якщо відомо, що у даній місцевості та в даний момент часу відбита сонячна радіація становить 0,6 кВт/м², а сумарна – вдвічі більша.

5. Визначити інсоляцію біля поверхні Землі, якщо відомо, що в даній місцевості та у даний момент часу коефіцієнт прозорості атмосфери становить 0,8, кут падіння сонячних променів дорівнює 90⁰.

6. Визначити інсоляцію біля поверхні Землі, якщо відомо, що в даній місцевості та у даний момент часу коефіцієнт прозорості атмосфери становить 0,75, а маса атмосфери дорівнює 1.

7. Розрахувати величину сумарної радіації біля поверхні Землі, якщо відомо, що в даній місцевості та у даний момент часу альбедо становить 55 %, при цьому відбивається 0,45 кВт/м² сонячного потоку.

8. Визначити величину альбедо біля поверхні Землі, якщо відомо,

що у даній місцевості та в даний момент часу відбита сонячна

радіація становить 0,35 кВт/м², пряма сонячна радіація

0,52 кВт/м², розсіяна сонячна радіація дорівнює 50% від прямої.