Determinarea intensitatii fluxurilor de radiatii din atmosfera

Determinarea intensitatii fluxurilor de radiatii din atmosfera

• Definitie
• Tipurile de radiatii
• Marimile energiei radiante
• Legile energiei radiante
• Instrumente cu citire directa si aparate inregistratoare utilizate pentru determinarea intensitatii fluxurilor radiative din atmosfera

Masurarea radiatiei solare directe

Masurarea radiatiei difuze si globale

Masurarea radiatiei reflectate si a albedoului

Masurarea radiatiei efective

Masurarea bilantului radiativ

Bibliografie:

• Sterie Ciulache, "Meteorologie. Manual practic", Facultatea de Geologie- Geografie, Bucuresti.
• http://images.google.ro

Definitie:

Radiometria este ramura meteorologiei care studiaza atat identificarea fluxurilor de radiatii care se manifesta in atmosfera cat si aspectele ce tin de cuantificarea (masurarea) acestora. In trecut denumirea acestei ramuri era cea de actinometrie.

Tipurile de radiatii:

Atmosfera terestra este spatiul in cuprinsul caruia se manifesta actiunea unei serii largi de fluxuri de radiatii care in cea mai mare parte isi au originea in activitatea de la nivelul Soarelui. Spectrul radiativ solar include mai multe categorii de radiatii: electromagnetice, corpusculare etc. In practica, cele mai folosite notiuni legate de radiatiile de la nivelul atmosferei sunt:

1) Radiatia solara directa (S) reprezinta fractiunea din radiatia furnizata de Soare care strabate nemodificata atmosfera si ajunge la nivelul suprafetei terestre sub forma unui fascicul de raze paralele.

2) Radiatia solara difuza (D) este partea din radiatia solara care dupa ce a fost difuzata (de catre moleculele gazelor din atmosfera si de catre suspensiile atmosferice generate de sursele poluatoare) ajunge la suprafata Pamantului venind din toate partile boltii ceresti.

3) Radiatia globala - radiatia totala sau insolatia - (Q) nu este un flux radiativ in sine ci reprezinta valoarea insumarii algebrice a radiatiei solare directe cu cea difuza.

Q=S+D

4) Radiatia reflectata (Rs) este partea din radiatia globala care dupa ce strabate nemodificata atmosfera si ajunge la nivelul suprafetei active subadiacente este abatuta de la directia initiala fara a suferi modificari de alta natura.

Legata de notiunea de radiatie reflectata este si cea de albedou (A). Albedoul este de fapt un raport intre radiatia reflectata si cea globala exprimat in procente.

Albedoul reda cel mai sugestiv proprietatile de reflectare si de absorbtie pentru radiatii ale diferitelor tipuri de suprafete active.

5) Radiatia atmosferei (Ea) reprezinta fluxul de radiatii pe care-l emite neincetat atmosfera. Se mai numeste contraradiatia atmosferei.

6) Radiatia terestra (Et) este fluxul radiativ continuu emis de catre Pamant.

7) Radiatia efectiva (Eef) este data de diferenta dintre radiatia terestra si cea atmosferica.

Eef= Et -Ea

8) Bilantul radiativ (B) este diferenta dintre suma tuturor fluxurilor radiative (de unda scurta sau lunga) primite (absorbite) de o suprafata oarecare si suma tuturor fluxurilor radiative de unda lunga sau scurta cedate de catre aceasta.

B = (S+D+Ea) - (Rs+Et) = Q-Rs-Eef = Q (1-A) - Eef

Marimile energiei radiante:

Pentru a explica, masura si descrie fluxurile de radiatii din atmosfera si din apropierea acestora a fost nevoie sa se introduca unele notiuni (marimi fizice si unitati de masura aferente):

1) Fluxul radiativ (f) reprezinta raportul dintre cantitatea de energie radianta (E) si unitatea de suprafata care o receptioneaza:

2) Intensitatea fluxului radiativ (I) este fluxul radiativ incident pe o anumita suprafata intr-un interval de timp precizat:

Se mai foloseste ca unitate de masura langley-ul (ly): 1ly = 1 cal/cm²

Legile energiei radiante:

1) Legea lui Kirkhoff - "Orice corp fizic emite si absoarbe radiatii pastrand in acelasi timp un raport constant intre cantitatea de energie primita si cea cedata".

2) Legea Stephan-Boltzmann - "Cantitatea de energie radianta absorbita sau cedata (E) de corpul fizic depinde de temperatura absoluta (T) a acelui corp".

E = Ө·T² , Ө - constanta lui Stephan-Boltzmann

T - temperatura absoluta a corpului masurat

3) Legea lui Wienn - "Lungimea de unda (λ) a radiatiilor absorbite sau eliberate de corpul fizic este invers proportionala cu temperatura (T) acestuia".

λ · T = 2884 (2884, valoare constanta reiesita din calcule)

Instrumente cu citire directa si aparate inregistratoare utilizate pentru determinarea intensitatii fluxurilor radiative din atmosfera:

1) Masurarea radiatiei solare directe este posibila recurgand atat la instrumente cu citire directa cat si la aparate inregistratoare (pirheliografe si radiografe). Dintre instrumente mentionam:

a)     Pirheliometrul cu compensatie electrica tip Angström este format din:

-tubul pirheliometric, un tub care prezinta un capac la un capat, capac prin care patrund razele solare care ajung la doua lamele de manganin; are dimensiuni variabile.

-dispozitivul de fixare este de fapt un suport metalic circular prevazut cu orificii in care se vor fixa suruburile care ajuta la instalare.

-suportul de sustinere are si rolul de a asigura "punerea in statie" a pirheliometrului prin intermediul unui sistem compus din trei suruburi de fixare ce permit orientarea in functie de latitudine, unghiul de inclinare a axei Pamantului si pozitia aparenta a Soarelui pe bolta cereasca in asa fel incat razele solare sa cada perpendicular pe suprafata terestra (pe piesa receptoare).

-piesa receptoare este compusa din doua lamele (placute) extrem de fine si implicit cu o "sensibilitate" sporita in raport cu actiunea radiatiilor solare. Dimensiunile acestora sunt 20x2x0,02 m. Piesa receptoare este montata la partea inferioara a tubului pirheliometric numita capul pirheliometrului. Pe spatele lamelelor se gasesc puncte "de sudura" (lipituri fine) ale unor fire care fac legatura cu bornele unui galvanometru la care pirheliometrul va trebui conectat.

La partea superioara a tubului se poate monta un capac metalic nichelat prevazut cu doua fante longitudinale. Pe spatele capacului este fixata o placuta ce poate fi deplasata astfel incat sa impiedice total sau partial accesul radiatiei solare catre lamelele de manganin. Intregul pirheliometru este vopsit in alb la exterior (pentru a reflecta radiatia solara incidenta) si in negru la interior (pentru a o absorbi).

Modul de functionare: Placuta culisanta se pozitioneaza in asa fel incat radiatia solara sa cada doar pe una dintre cele doua lamele pe care o incalzeste in vreme ce cealalta ramane "umbrita" (la temperatura mediului ambiental). Dupa un timp de expunere foarte scurt (15-25 secunde) intre cele doua lamele va aparea o diferenta de temperatura Δt ce determina aparitia unui curent termoelectric sesizabil prin devierea acului galvanometrului la care pirheliometrul este conectat. Cele doua lamele se noteaza cu M si N pentru a le putea deosebi. Cantitatea de caldura pe care o receptioneaza M poate fi determinata pe baza urmatoarei relatii:

QM = Is · α · S ,  QM - cantitatea de caldura

Is - intensitatea radiatiei solare directe

α - coeficientul de absorbtie

S - suprafata placutei

Necunoscand valoarea Is va trebui creat un circuit de compensatie electrica din care fac parte o sursa de curent, o termobaterie (E), un ampermetru (cu rolul de a masura intensitatea curentului electric din circuitul de compensatie), notata A si o rezistenta (R) ce are rolul de a regla intensitatea curentului electric din circuitul creat.

In momentul in care se pune in functiune E are loc incalzirea "artificiala" a placutei N pana cand aceasta va egala din punct de vedere termic si caloric placuta M. Daca in primul pas pana la crearea circuitului acul galvanometrului era deviat proportional cu Is (si cu a curentului creat), la momentul al doilea acul revine la pozitia zero. Cantitatea de caldura pe care o receptioneaza N este data de relatia:

, c - constanta

r · i² - rezistenta si intensitatea curentului electric din circuit

, (constanta a aparatului) => Is= k · i².

Principiul de functionare a instrumentelor cu care se determina intensitatea fluxurilor de radiatii este acela al producerii unui curent termoelectric datorita incalzirii diferentiate a elementelor ce alcatuiesc piesa receptoare.

b)     Radiometrul (actinometrul) bimetalic Michelson

c)      Radiometrul (actinometrul) model RT-50

Piesa receptoare este data de un disc de argint acoperit cu un strat (2 microni) de negru de fum. Are in componenta "doua randuri de suduri", unele interioare supuse actiunii radiatiilor solare si altele exterioare "umbrite".

Expunerea diferita la radiatie este asigurata de configuratia tubului radiometric in sensul ca acesta se ingusteaza progresiv pe masura apropierii de piesa receptoare. Astfel patrunderea radiatiilor se face prin "punerea in statie a instrumentului" si detasarea capacului (durata expunerii este scurta).

Efectuarea masuratorilor presupune:

- punerea in statie a instrumentului;

- conectarea la bornele galvanometrului;

- montarea capacului metalic si verificarea pozitiei zero a galvanometrului;

- detasarea capacului;

- dupa un timp de expunere (15-25 secunde) se face prima citire la galvanometru;

- se procedeaza la fel si la urmatoarele doua masuratori cu un interval de pauza intre ele de 10-15 secunde;

- la final se pune din nou capacul metalic si se verifica pozitia zero a galvanometrului;

- se face media aritmetica a celor trei citiri care va fi folosita in formula de calcul a radiometrului.

Is = k · n , n - numarul de diviziuni cu care este deviat acul galvanometrului

d)     Radiometrul (actinometrul) termoelectric Savinov-Janisewski

e)     Pirheliometrul calorimetric Michelson

2) Masurarea radiatiei difuze si globale foloseste instrumente care poarta denumirea generica de piranometre, dar si o serie de aparate denumite piranografe. Dintre instrumente amintim:

a)     Piranometrul absolut tip Angström

Piesa receptoare este "asigurata" de patru lamele de mangalin vopsite diferit si protejate de o calota semisferica de sticla. Lamelele sunt vopsite doua cu negru de fum si doua cu alb de magneziu si sunt dispuse alternativ.

Calota de sticla are rol multiplu: protejeaza piesa receptoare de actiunea precipitatiilor, vantului etc. si actioneaza diferentiat asupra radiatiilor solare lasand sa ajunga catre piesa receptoare doar radiatia solara difuza, cea directa fiind reflectata.

Ecranul de umbrire este un disc metalic vopsit in negru si sustinut de o tija.

Formula de calcul este: ID,Q = K · i². Se realizeaza trei masuratori ale D si tot atatea ale Q, media lor introducandu-se in formula de calcul. Trebuie facuta obligatoriu urmatoarea precizare: atunci cand se determina radiatia globala, ecranul de umbrire este detasat, iar anexarea lui se face doar in momentul determinarii intensitatii radiatiei difuze.

b)     Piranometrul termoelectric tip Janisewski

Piesa receptoare este reprezentata de o termobaterie patrata cu latura de 3 cm care, pe partea anterioara, este configurata asemanator unei table de sah. Pe partea posterioara se gasesc sudurile unor termocupluri (87 la numar, pe benzi subtiri de manganin si constantan) care prin intermediul unor borne fac legatura cu galvanometrul la care este conectat piranometrul.

Formula de calcul este: ID,Q = K · n. Trebuie sa se tina seama ca galvanometrul sa se gaseasca la o distanta de cel putin 5 m fata de instrument. Amplasarea instrumentelor si a aparaturii se face exclusiv pe platforma radiometrica. Toate instrumentele se gasesc fixate la capatul liber al unei bucati de lemn (50-60 cm lungime, 5-6 cm latime), fixata la celalalt capat pe un stalp de lemn cu inaltimea de 1,5 m. Fara nici o exceptie, instrumentarul si aparatura sunt vopsite in alb la exterior si in negru la interior.

c)     Piranometrul relativ Arago-Davy-Kalitin

Partea receptoare este reprezentata de doua termometre aproape identice fixate intr-un suport, unul avand rezervorul vopsit cu alb de magneziu, iar celalalt cu negru de fum.

Timpul necesar pentru crearea unei diferente de temperatura substantiala este de 20-23 minute. Diferenta de temperatura astfel creata poate fi introdusa in formula de calcul:

ID,Q = B (Tn-Ta),

B - factor de transformare corespunzator diferentei de 1sC dintre cele doua termometre

Tn, Ta - temperaturile citite la cele doua termometre

3) Masurarea radiatiei reflectate si a albedoului utilizeaza albedometre (portabil, de statie), fotoelementul cu seleniu si solarimetrul Gorezynski.

Albedometrul de statie este un piranometru termoelectric de tip Janisewski

prevazut cu suspensie cardanica (dispozitiv care permite intoarcerea piesei receptoare cu 180s). Atunci cand se determina radiatia globala piesa receptoare va fi indreptata catre bolta cereasca in timp ce la momentul determinarii radiatiei reflectate ea va fi pozitionata catre suprafata terestra.

4) Masurarea radiatiei efective necesita pirgeometre - instrumente cu citire directa.

In tara noastra, la statiile cu program radiometric, cel mai intalnit este pirgeometrul tip Savinov-Janisewki. Acesta are piesa receptoare formata din patru lamele de manganin, vopsite diferit, dispuse alternativ si protejate de o calota semisferica de sticla. O particularitate de constructie este data de prezenta unui termometru.

5) Masurarea bilantului radiativ recurge la bilantometru si galvanometru radiometric tip G.S.R.-1.

Bilantometrul are piesa receptoare compusa din lamele obtinute prin impletirea unor fire innegrite care au suprafata exterioara innegrita si care sunt dispuse astfel incat in timpul determinarii sa fie orientate una catre suprafata terestra, iar cealalta catre bolta cereasca.