Meteorologia doświadczalna Wykład 2 Pomiary promieniowania

1. Meteorologia doświadczalnaWykład 2Pomiary promieniowania Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

2. Pomiary promieniowaniaTerminy WMO (World Meteorological Organization) • Radiometr – przyrząd do pomiaru promieniowania. • Radiometria (aktynometria) nauka o promieniowaniu Słońca, Ziemi i atmosfery. • Fotoradiometria – nauka o promieniowaniu czynnym fotosyntetycznie PAR (0.4-0.7 m) • Promieniowanie krótkofalowe (słoneczne) <4 m obejmuje promieniowanie ultrafioletowe <400 nm UVA – 315-400 nm UVB – 280-315 nm UVC – 100-280 nm widzialne 400<<700 nm bliska i środkowa podczerwień 0.7<<4 m • Promieniowanie długofalowe (ziemskie) 4<<50 m

3. Podział promieniowania słonecznego • Promieniowanie bezpośrednie – promieniowanie pochodzące z obszaru tarczy słonecznej mierzone na powierzchni prostopadłej do kierunku jego propagacji. Promieniowanie bezpośrednie dochodzące do powierzchni ziemi stanowi część promieniowania, która przeszła przez atmosferę bez oddziaływania lub została rozproszona dokładnie w kierunku do przodu. • Promieniowanie rozproszone –promieniowanie pochodzące z obszaru całego nieboskłonu i związane jest z procesami rozpraszania w atmosferze. • Promieniowanie całkowite –suma promieniowania bezpośredniego oraz rozproszonego.

4. I(,) •  • dyfuzor • detektor • d Podstawowe wielkości radiacyjne • Strumień promieniowania- natężenie promieniowania ilość energii na jednostkę czasu przechodzącej przez jednostkową powierzchni dA dla wąskiego przedziału spektralnego d promieniowania elektromagnetycznego. • Radiancja- ilość energii mierzonej w określonym kierunku w jednostce czasu dt na jednostkę powierzchni poziomej dA, kąta bryłowego d oraz w wąskim przedziale spektralnym d.

5. Stała słoneczna – natężenie promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery padającego na jednostkową powierzchnie ustawiona prostopadle do padania promieniowania. Wynosi ona 1368 Wm2 i zmienia się 3.3% w ciągu roku. Uśredniona po całym globie wartość stałej słonecznej wynosi 342 Wm2. Maksimum energii promieniowania słonecznego przypada zgodnie z prawem przesunięć Wien’a na długość fali około 0.55 m (światło zielone) 38% promieniowania słonecznego przypada na obszar widzialny, 9% na promieniowanie UV oraz 53% na bliską podczerwień.

6. Promieniowanie ziemskie (podczerwone) określone jest przez temperaturę powierzchni ziemi i w przypadku ciała doskonale czarnego wynosi zgodnie z prawem Stefana Boltzmanna F=T4, gdzie  jest stała Stefana Boltzmanna i wynosi 5.67x10-8. Odstępstwo powierzchni ziemi od modelu ciała doskonale czarnego definiuje się przez zdolność emisyjna  ). Jeśli zdolność emisyjna nie zależy od długości fali (ciało doskonale szare) wówczas wzór S. Boltzmanna przyjmuje postać F= T4. Średnia wartość zmienności emisyjnej powierzchni Ziemi zmienia się w przedziale 0.93-0.99 dla promieniowania długofalowego.

7. Przyrządy do pomiaru promieniowania • Pyrheliometr (aktynometr) – przyrząd do pomiarów bezwzględnych bezpośredniego promieniowania słonecznego przy jego padaniu na powierzchnie prostopadłą do kierunku propagacji promieniowania. • Pyranometr (solarymetr) – przyrząd do pomiaru natężenia promieniowania krótkofalowego z obszaru kąta bryłowego 2 (całej półsfery) na powierzchnią poziomą. Umożliwia pomiar promieniowania całkowitego oraz rozproszonego. • Pyrgeometr – przyrząd po pomiaru promieniowania długofalowego • Pyrradiometr – przyrząd do pomiaru sumarycznego (słonecznego i ziemskiego) promieniowania padającego na powierzchnie poziomą • Fotometr słoneczny – przyrząd do pomiaru widmowego rozkładu natężenia promieniowania słonecznego bezpośredniego oraz rozproszonego w wąskim obszarze spektralnym.

8. Czujniki promieniowania • czujniki termoelektryczne – stosowane najczęściej do pomiarów fotooptycznych promieniowania fotosyntetycznie czynnego, promieniowania UV, promieniowania słonecznego w wąskich obszarach spektralnych. Ze względu na kształt charakterystyki czujnika nie mogą być stosowane jako czujniki promieniowania wysokiej jakości. • czujniki bolometryczno-metaliczne (kalometryczne) wykorzystują z własność, która mówi, iż stopień ogrzania czujnika jest bezpośrednio związany z mocą padającego promieniowania. Gdy powierzchnia czujnika jest odpowiednio poczerniona, wskazania miernika są niezależne od długości fali i dlatego mogą być stosowane pomiarów promieniowania poza obszarem widzialnym.

9. Bolometry kompensacyjne • Bolometry kompensacyjne stosuje się jako wzorce absolutne promieniowania bezpośredniego. • Czujnik składa się z dwóch identycznych poczernionych i umieszczonych obok siebie wstążek. Na jedną z nich pada promieniowanie słoneczne a druga jest zacieniona i ogrzewana przez przepływający prąd elektryczny. Różnice temperatur obu wstążek monitoruje się przy pomocy termopary. Promieniowanie absorbowane przez wstążkę przy zaniedbaniu efektów brzegowych i po wyrównaniu temperatur może być wyliczone z zależności: gdzie, a i b jest zdolnością absorpcyjna czujnika dla promieniowania krotko i długofalowego, R opór elektryczny czujnika, I natężenie prądu kompensacyjnego, S i L natężenie promieniowania krótkofalowego i długofalowego. Czujniki tego typu maja charakterystykę liniowa.

10. Pomiar promieniowania bezpośredniego – pyrheliometr.Pomiary bezwzględne Pomiar promieniowania na płaszczyźnie prostopadłej do Słońca.Pyrheliometr umieszcza się na specjalnym urządzeniu (sun tracker) które podąża za Słońcem umożliwiając w ten sposób ustawienie przyrządu w kierunku tarczy Słońca. Pomiar absolutny dokonuje się przy użyciu pyrheliometru Angstrema. Przyrząd ten zbudowany jest z dwóch wyczernionych czujników bolometrycznymi, których temperatury porównywane są za pomocą termopary. Wyrównanie temperatur wstążki ogrzewanej słońcem i prądem elektrycznym pozwala zapisać: S=KI2gdzie:K - stała przyrządu, I - natężenie prądu grzejącego czujnik zacieniony.

11. Pyrheliometr Abota -zasada działania polega na pomiarze różnicy temperatur płytki wystawionej na działanie promieniowania słonecznego T1 względem temperatury otoczenia To C jest pojemnością cieplną płytki, A powierzchnią płytki, t1 zaś czas trwania pomiaru • Pyrheliometr mechaniczny – pyranograf. Służy do rejestracji natężenie promieniowania wykorzystując bimetal z jednym końcem poczernionym a drugim białym odbijającym promieniowanie

14. Źródła błędów pyrheliometrów CH1 Kipp&Zonen • Dokładność pomiarów wielkości elektrycznych • Dokładność wyznaczania stałej pyrheliometru • Dokładność wykonania oporników nastawnych • Wyeliminowanie źródłem błędów termoelementów (termostosów)

15. Pomiar promieniowania słonecznego całkowitego przy użyciu Pyranometeru.Pomiary względne Czujnikiem w pyranometrze jest termopara której jeden koniec jest poczerniony a drugi połączony jest z obudową.Czułość przyrządu wynosi około 10 V/Wm-2stała czasowa około 10 s.

16. Pyranometr czarno-biały • Przyrząd ten ma końcówki termopary pokryte naprzemiennie przez białe i czarne płytki przykryte szklaną kopułą. W obszarze fal długich szkło promieniuje jak ciało doskonale czarne stąd o ile nie ma absorpcji w szkle to ma ono niższą temperaturę od powietrza. Dlatego też pojawia się wymiana cieplna zarówno za pomocą przewodnictwa jak i promieniowania. i=1 dla płytek białych, i=2 dla płytek czarnych.  i  współczynnik wymiany ciepła (przewodzenie i konwekcja) w gazie otaczającym czujniki oraz w metalach i tworzywach pomiędzy czujnikiem i jego otoczeniem, F inny strumień energii promienistej padającej na czujnik, T temperatura otoczenia.

17. Czarne i białe płytki są wystawione na działanie tych samych warunków zewnętrznych więc: Różnica temperatur płytek jest miarą natężenia promieniowania słonecznego S i nie zależy od temperatury kopuły. Wada przyrządu jest starzenie się białych powierzchni oraz niedoskonałości jej powierzchni, która może absorbować 5-10% padającego promieniowania krótkofalowego

18. Pyranometr czarny • Posiadają tylko czarną płytkę wystawiona na działanie promieniowania Rozróżniamy dwa typy pyranometrów: • W pierwszym typie połączenia aktywne połączone są z płytką odbiorczą, zaś pasywne połączone z obudową przyrządu o temperaturze T. Różnica temperatur wynosi: • W drugim typie (stos Molla) aktywne i pasywne połączenia wystawione są na działanie strumienia promieniowania, lecz mają zróżnicowane przewodnictwa temperaturowe do obudowy przyrządu. Różnica temperatur pomiędzy połączeniami a ciałem odniesienia wynosi i=1 dla niskiej przewodności, i=2 dla wysokiej przewodności.

19. Tak, więc w przypadku pyranometrów o ciemnej powierzchni różnica temperatur zależy nie tylko od strumienia promieniowania lecz również od jakiegokolwiek strumienia energii pomiędzy szklana kopuły a płytką odbiorcza. Celem zminimalizowana tego efektu stosuje się dwie współosiowe kopuły. Nawet przy 2 kopułach strumień krótkofalowy może być obciążony błędem rzędu 5-10% przy niskich prędkościach wiatru oraz małych katach elewacyjnych Słońca. Błąd ten w znacznym stopniu może być zredukowany poprzez wymuszoną wentylację.

20. Błędy pyranometrów • Bezwzględny błąd wzorcowania • Błąd przestrzenny: azymutalny i cosinusowy • Błąd reakcji widmowej • Błąd dynamiczny (stale czasowe pyranometrów 1-15s) • Błąd niestabilności długookresowej (dryf charakterystyki) około 1%/rok • Błąd zmiany warunków otoczenia • Błąd nieliniowości • Błąd pochylenia – orientacji pyranometru • Wpływ deszczu • Błędy eksploatacyjne • Błąd przyrządu pomiarowego do którego wchodzą błędy przetworników A/D wzmacniaczy itd. Wynosi on mniej niż 0.5%

21. Błąd cosinusowy • Strumień promieniowania bezpośredniego padającego na powierzchnie jest proporcjonalny do cosinusa kąta zenitalnego • Czujnik, którego odpowiedz z różnych kierunków padania promieniowana ma taka sama zależność nazywa się skorygowanym cosinusowo. • Zależność taka powinna być dodatkowo taka sama dla wszystkich kątów azymutalnych • Błędy cosinusowe podaje się w obszarach kąta zenitalnego i przykładowo dla kąta mniejszego od 80 stopni powinny być mniejsze niż 5% • Błędy cosinusowe mogą znacznie wzrastać w wyniku kondensacji

22. Kipp&Zonen

23. Pomiar promieniowania rozproszonego Pomiar wykonywany przy użyciu pyranometru zainstalowanego w środku pierścienia który rzuca cień na detektor przyrządu lub umieszcza się go na sun trackerze.

25. Pomiar promieniowania długofalowego - pyrgeometry Odcięcie fal krótkich możliwe jest po zasłonięciu czujników czarną folią polietylenową lub specjalną kopułą krzemową z napylonym od wewnątrz filtrem interferencyjnym.

26. Fundamentalne równanie pyrgeometru (1) (2) (3) (4) (5) (1) Padające na pyrgeometr promieniowanie długofalowe (2) Promieniowanie netto (padające minus emitowane) (3) Emitowane przez pyrgeometr promieniowanie długofalowe (4) i (5) czynnik związany z różnicą temperatury czarnej termopary oraz obudowy (kopuła) Vac– napięcie na termoparze wynikająca z różnicy temperatur pomiędzy ciałem czarnym (termopara) a jej chłodnym końcem na kopule pyrgeometru. Tsensor– temperatura radiacyjna termopary detektora Tdome– temperatura radiacyjna kopuły = 5.67x10-8 Wm-2K-4(Stefan-Boltzmann constant), Af– czułość termopary (sensitivity Wm-2 per microvolt) Bf– stosunek zdolności emisyjnej do transmisji kopuły pyrgeometru

27. Albedomierz – pomiar albeda powierzchni ziemi

28. Bilansomierze pomiar bilansu promieniowania słonecznego oraz ziemskiego

29. Pomiar spektralny promieniowania bezpośredniego – Fotometry słoneczne Detektor: spektrometry,fotodiody krzemowe z filtrami interferencyjnymi Zakres spektralny: 300-1100 nmStosuje się do pomiaru ozonu, pary wodnej oraz aerozolu atmosferycznego

30. CIMEL-sunphotometer • Używany w sieci AERONET • Pomiar bezpośredniego promieniowania słonecznego za pomocą aktywnego systemu śledzącego Słońce oraz radiancji nieba (aureola Słońca) • Wyznaczanie teledetekcyjne • 1. Grubość optyczna aerozolu • =[340,380,440,670,870,1020 nm] 2. Albedo pojedynczego rozpraszania 3. Funkcja fazowa • 4. Opad potencjalny

31. Pomiary grubości optycznej aerozolu MICROTOPS- pomiar bezpośredniego promieniowania słonecznego Wyznaczane: 1. Grubość optyczna =380,440,500,675,870,1020 nm] 2. Opad potencjalny 3. Całkowitą zawartość ozonu w pionowej kolumnie powietrza (MICROTOPS OZONOMETER)

32. Shadowband detektory: fotodiody Spektralny pomiar promieniowania całkowitego oraz rozproszonego =[415,500,610,665,862,940 nm] Służy do wyznaczania grubości optycznej aerozolu oraz opadu potencjalnego.

33. Przyrządy do pomiaru promieniowania UV

35. Promieniowanie PAR

36. Spektrofotometr Dobsona Pomiar promieniowania UV oraz całkowitej zawartość ozonu w pionowej atmosferze

37. Pomiar promieniowania na 2 długościach fal (1, 2) w obszarze UVgdzie 1 długość fali dla której promieniowanie jest silnie pochłaniane przez ozon 2 długość fali poza pasmem absorpcyjnym

38. DOBSON • Jednostką używaną do określenia całkowitej zawartości ozonu w atmosferze jest Dobson (1 Dobson [DU]= 0.01mm O3, warunki normalne: 1013hPa, 0oC) • Odpowiada on grubość ozonu jaką otrzymamy po sprężeniu go do ciśnienia panującego przy powierzchni ziemi. Wynosi średnio około 300 DU

39. Filtr przepuszczający UV luminofor zielony filtr fotopowielacz Robertson-Berger pomiar UVB (0.28-0.32 μm) Promieniowanie erytemalne- promieniowanie z przedziału (0.28-0.32 m)Powoduje opalanie skory oraz powstawanie witaminy B

40. Spektrofotometr Brewer’a Pomiar bezpośredniego promieniowania słonecznego przez tracking słońca • Specification Accuracy • ±1 % ( For Direct-sun total ozone) • Resolution • 0.6 nm at 302.2, 302.3, 310.1, 313.5, 316.8, 320.1 nm • Wavelength Stability • ± 0.01 nm (Over operating temperature) • Wavelength Precision • 0.006 ± 0.002 nm step-1 • Wavelength Range • 286.5 to 363 nm • Detector • Low Noise Photo Mulitplier Tube (PMT) • Azimuth Tracking • resolution, 0.02º step-1 • Zenith Tracking • resolution, 0.13º step-1 • Operating Temprature • 0 ºC to +40 ºC (Without Insultated Cold Cover Option)

41. Pomiary usłonecznienia • Usłonecznienie jest pojęciem subiektywnym dotyczący względnej jasności tarczy Słońca na tle otaczającego nieboskłonu. Jest liczbą godzin w czasie, których bezpośrednie promieniowanie słoneczne przekracza progową wartość. • Jednostką usłonecznienia jest godzina. • W 1981 roku WMO wprowadziła progowa wartość promieniowania bezpośredniego 120 W/m2 • Usłonecznienie rzeczywiste – usłonecznienie obserwowane. • Usłonecznienie względne – stosunek usłonecznienia rzeczywistego do maksymalnego jakie może być rejestrowane w danym punkcie globu oraz w danym okresie czasu.

42. Heliograf • urządzenie służące do pomiaru usłonecznienia. Zasada działania opiera się wykorzystaniu efektu cieplnego lub fotochemicznego wywoływanego przez promieniowanie słoneczne. • Heliograf Campbella-Stokesa składa się ze szklanej kuli pełniącej funkcję soczewki, która skupia promienie słoneczne na odpowiednio ukształtowanym pasku papieru (są one zróżnicowane w zależności od pory roku - najdłuższy i najniżej położony pasek letni, pasek średni wiosenno-jesienny i najwyżej wkładany oraz najkrótszy pasek zimowy). Promienie wypalają ślad, którego długość określa czas operowania Słońca z dokładnością do 10 min. Na podobnej zasadzie działają heliografy rejestrujące czas padania promieni słonecznych na papierze światłoczułym.

43. Heliograf Campbella Stokesa

44. Inne konstrukcje (do których nazwy heliograf już się nie stosuje) wykorzystują element światłoczuły albo termoczuły (np. DSU12 firmy Vaisala), wynik pomiaru zapisywany jest elektronicznie z dokładnością rzędu 1 sek. • Rejestrator Fostera- składa się z dwóch identycznych fotoogniw z których jedno jest ocienione za pomocą specjalnego pierścienia, zaś drugie poddawane jest oddziaływaniu promieniowania bezpośredniego. Ogniowa połączone są w układ różnicowy co powoduje, że przy braku promieniowania bezpośredniego sygnał jest zerowy.

45. Obserwatorium wysokogórskie Mauna Loa na Hawajach Kalibracje radiometrów oraz pomiary stałej słonecznej

46. Bilans promieniowania na górnej granicy atmosfery (100 km) B=So-ASo-FOLR gdzie So – Stała słoneczna A – albedo planetarne FOLR- długofalowe promieniowanie ziemskie uciekające w przestrzeń kosmiczna <B>=0 ze względu na równowagę radiacyjna

47. Bilans promieniowania na powierzchni Ziemi B=S+D+Fa-(Rz+Fz) Gdzie S - krótkofalowe promieniowanie bezpośrednie docierające do powierzchni ziemi D – krótkofalowe promieniowanie rozproszone Rz- krótkofalowe promieniowanie odbite od powierzchni ziemi. Rz =Az(S+D) Az - albedo powierzchni ziemi Fz – długofalowe promieniowanie ziemskie Fa - długofalowe promieniowanie zwrotne atmosfery Fz-Fa – nosi nazwę promieniowania efektywnego <B>0 gdyż nie są to bilans energii a jedynie promieniowania