АКТИНОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Цель работы: Ознакомление с устройством и принципом действия основных актинометрических приборов, используемых для определения интенсивности солнечной радиации и продолжительности солнечного сияния.

Оборудование: термоэлектрический актинометр Савинова-Янишевского (АТ-50), пиранометр Янишевского (М-80), альбедометр, гальванометр ГСА - 1, гелиограф, балансомер (М - 10).

ОСНОВНЫЕ АКТИНОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Интенсивность лучистой энергии в практической актинометрии выражается количеством тепла в калориях, поступающего в 1 мин на 1 см² поверхности (кал/см²-мин), в Международной системе единиц СИ — в ваттах на 1 м² (Вт/м²) или в милливаттах на 1 см² (мВт/см²): 1 кал/см²∙ мин = 69, 8 мВт/см², а 1 мВт/см² = 0.01433кал/см² мин.

Продолжительность солнечного сияния — время, в течение которого земная поверхность освещается прямой солнечной радиацией, — выражается в часах за сутки, а также в процентах от наибольшей величины, т. е. от продолжительности дневного времени в данный период.

Приборы для измерения лучистой энергии

Основными актинометрическими приборами являются: актинометр, пиранометр (альбедометр), балансомер. Все эти приборы основаны на общем принципе. Лучистая энергия, поглощённая чувствительным элементом (обычно зачернённая пластинка), преобразуется в тепловую энергию с последующим преобразованием посредством термопары в электрическую энергию (ЭДС), измеряемую гальванометром. В итоге об интенсивности лучистой энергии судят по величине отклонения стрелки гальванометра.

Приемником термоэлектрических приборов служат термобатареи из спаев двух металлов (рис. 4, 5).

Рис. 4 Схема термоэлектрического приемника	Рис. 5. Схема термозвездочки актинометра.

Разность температур спаев создается в результате различной поглотительной способности спаев или помещения спаев в разные радиационные условия. В первом случае (рис. 4) спай 1 покрывается платиновой чернью или сажей, а спай 2— окисью магния (белый цвет). В результате различного нагревания возникают разности температур спаев, благодаря чему образуется термоток. Его измеряют гальванометром 3. Во втором случае (рис. 5) разность температур спаев достигается путем затенения одних (спай 3) и облучения других (спай 2) солнечной радиацией. Так как разность температур спаев обусловливается приходящей солнечной радиацией, то интенсивность ее будет пропорциональна силе термоэлектрического тока.

Термоэлектрический актинометр АТ - 50 (рис. 6) предназначен для измерения интенсивности прямой солнечной радиации на перпендикулярную к лучам поверхность.

Чувствительность актинометра АТ-50 составляет 8 - 11мВ на 1 кВт/м². Инерция – 25 с. Актинометр рассчитан на работу при температуре окружающего воздуха от – 60 до + 60 °С.

Рис. 6. - Актинометр Савинова-Янишевского АТ-50 1 — крышка; 2, 3 —винты; 4 — ось склонений; 5 —экран; б—рукоятка; 7 —трубка; 8 — ось мира; 9 — сектор широт; 10 — стойка; 11— основание.

В термоэлектрическом актинометре Савинова—Янишевского приемная часть представляет собой трубку, в колпаке которой находится приемник радиации, выполненный в виде диска диаметром 11 мм из серебряной фольги, зачерненной со стороны, обращенной к Солнцу. К нему через изоляцию приклеены нечетные активные спаи термобатареи. Четные пассивные спаи термобатареи приклеены также через изоляцию к медному кольцу в корпусе прибора. Под влиянием солнечной радиации возникает электрический ток, по силе которого определяют интенсивность радиации.

Возникающий термоэлектрический ток, пропорциональный разности активных и пассивных спаев, измеряется гальванометром (рис. 7).

Рекомендации по проведению изменений:

1. Установить прибор для наблюдений с ориентацией стрелки на север.

2. Ослабить винт 2 и установить широту Воронежа на секторе широт.

3. Ослабить винт 3 и вращением рукоятки 6 нацелить измерительную трубку 7 на Солнце. Далее вращением рукоятки вести трубку за Солнцем.

Ось 8 и рукоятка 6 ориентированы по оси мира, и поэтому вращением рукоятки 6 можно вести трубку за Солнцем.

4. Подсоединить гальванометр к актинометру.

5. Определить место нуля на гальванометре, для чего надеть на трубку 7 актинометра крышку 1 и через 25сек взять отсчет на гальванометре.

6. Снять крышку с трубки и произвести отсчеты (2 -3) по шкале гальванометра с интервалом в 10—15 с (N₁, N₂, N₃) и температуру по гальванометру. После наблюдений прибор закрывают крышкой футляра.

7. Внести поправки и вычислить исправленный отсчет по шкале гальванометра: Nисп = Nср + Δ N + N0 + Nt (1)

где Nср - средний отсчет, Δ N - шкаловая поправка, N0 - место нуля, Nt - поправка на температуру гальванометра.

Поправки берутся из поверочного свидетельства.

8. Определить интенсивность прямой солнечной радиации на перпендикулярную к лучам поверхность определяется:

S = a Nисп, (2)

где а – переводной множитель (из поверочного свидетельства).

Стрелочный актинометрический гальванометр ГСА - 1 (рис. 7).

Рис. 7. Стрелочный актинометрический гальванометр ГСА - 1

Значение интенсивности прямой радиации измеренной актинометром определяют по шкале гальванометра, для чего число делений шкалы при помощи коэффициента переводят в калории на см2 в мин или в Вт/м2. Коэффициент берется из специальной таблицы, прилагаемой к прибору. Для получения более правильного измерения по гальванометру делают от 3 до 5 отсчетов с интервалом между ними в 20-25 секунд (закрывая на это время трубу актинометра крышкой). Отсчеты проводятся с точностью до 0, 1 деления.

Для измерения интенсивности суммарной и рассеянной солнечной радиации служит пиранометр Янишевского М-80 (рис. 8). Чувствительность головки пиранометра составляет 10-16 мВ на 1кВт/м². Инерция – 40с. Пиранометр рассчитан на работу при температуре воздуха от – 60 до + 60°С. Основной частью прибора является пиранометрическая головка 1, в которой находится приёмник радиации в виде пластинки с чёрными и белыми полями наподобие шахматной доски. Для защиты от ветра и осадков над приемником закреплен полусферический стеклянный колпак. С обратной стороны пластинки к чёрным и белым полям приклеены спаи термобатареи. Чёрные и белые поля по-разному поглощают поступающую лучистую энергию, и соответственно этому, чёрные поля приобретают более высокую температуру, чем белые. В результате, между чёрными и белыми спаями термобатареи образуется электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная интенсивности радиации. ЭДС измеряется гальванометром.

Рис. 8. Пиранометр Янишевского М-80М: 1- головка М-115М; 2 – стопорная пружина; 3 – шарнир затенителя; 4 – установочный винт; 5- основание; 6 – шарнир откидного штатива; 7 - уровень; 8 – винт; 9 – стойка с осушителем внутри.

Установка. Пиранометрическая головка устанавливается горизонтально по уровню с помощью винтов 4. К Солнцу пиранометр поворачивают всегда одной и той же стороной, отмеченной номером на головке. Для поворота головки пиранометра номером к Солнцу винт 4 слегка ослабляют и в таком положении закрепляют.

Для измерения рассеянной солнечной радиации исключают прямую солнечную радиацию затенением термоприёмника. Затенитель - это диск диаметром 85 мм, укреплённый на стержне длиной 485 мм так, что образуемый диском телесный угол составляет 10°.

Суммарную радиацию измеряют при незатенённом приёмнике радиации. При затенении приемника пиранометра теневым экраном измеряется рассеянная радиация.

Для определения нулевого положения стрелки гальванометра, а также для защиты стеклянного колпака от повреждения головку пиранометра закрывают металлической крышкой.

Рекомендации по проведению изменений:

1. Установить пиранометрическую головку горизонтально с помощью винтов по уровню.

2. Подсоединить гальванометр к пиранометру.

3. Измерить суммарную радиацию при незатененном приемнике.

4. Измерить рассеянную радиацию, для чего закрыть термоприемник затенителем.

5. Измерить отраженную радиацию от подстилающей поверхности. Для этого повернуть головку пиранометра вниз. При этом поверхность приемника должна находиться на высоте 1, 5 м над подстилающей поверхностью, а наклон последней по отношению к плоскости прибора должен быть не более 2°.

6. Вычислить альбедо подстилающей поверхности:

A = R/Q (3)

7. Вычислить интенсивность прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность (инсоляцию). Она определяется как разность показаний открытого и затененного пиранометра (альбедометра):

S' = Q – D (4)

Походный альбедометр (рис. 9) предназначен для измерения тех же актинометрических характеристик, что и пиранометр М-80, имеет такую же пиранометрическую головку, но установленную на самоустанавливающемся карданном подвесе, обеспечивающим горизонтальное положение плоскости приёмника, как при положении вверх, так и вниз.

	Карданный подвес состоит из двух металлических колец 1 и 2. Внутреннее кольцо 1 через полуоси 5 и 6 имеет свободу вращения внутри внешнего кольца 2. В свою очередь полая трубка 7, на которой закреплена головка пиранометра 8, имеет свободу вращения на полуоси 3 и 4, смещенных относительно полуосей 5 и 6 на 90 градусов.
Рис. 9. Альбедометр походный: а - положение вверх; б - положение вниз

Чтобы трубка была в отвесном положении, внутри нее на стержне скользит специальный груз, который при поворотах прибора всегда передвигается вниз. Таким образом, альбедометр имеет двойную степень свободы вращения, что приводит к его автоматическому горизонтальному положению под действием силы тяжести. Головка альбедометра 8 навинчивается на трубку 7, которая по пазам может скользить вверх-вниз внутри кольца 1. В разобранном виде прибор крепится на основании металлического футляра.

Поворотом рукоятки на 180° приемник может быть обращен вверх для измерения приходящей коротковолновой радиации и вниз для измерения отраженной длинноволновой радиации.

Наблюдения по походному альбедометру производятся так же, как и по пиранометру.

Для измерения радиационного баланса используется термоэлектрический балансомер (рис. 10). Чувствительность балансомера 5-6 мВ на 1кВт /м². Инерция – 12 с. Балансомер рассчитан на работу при температуре воздуха от – 60 до + 60 °С.

Рис. 10. Термоэлектрический балансомер

Приемником балансомера служат две зачерненные тонкие медные пластинки 1 и 2, имеющие форму квадрата со стороной 48мм. С внутренней стороны к ним приклеены через бумажные прокладки спаи 3, 4 термобатареи. Спаи образованы витками намотанной на медный брусок 5 константановой ленты. Каждый виток ленты наполовину посеребрен. Начало и конец серебряного слоя служат термоспаями. Четные спаи, подклеены к верхней пластинке, а нечетные — к нижней. Вся термобатарея состоит из десяти брусков, на каждый из которых намотано 32—33 витка.

Приемник балансомера помещен в корпус 6, имеющий форму диска диаметром 96мм и толщиной 4мм. Корпус соединен с рукояткой 7, через которую пропущены выводы 8 от термобатареи.

Балансомер с помощью шаровых шарниров 9 устанавливается на панельке 10. К панельке присоединяется также на шарнирах стержень 11с экраном 12, который защищает приемник от прямых солнечных лучей, что повышает точность измерений. В этом случае, интенсивность прямой солнечной радиации необходимо измерять отдельно актинометром. Чехол 13 защищает балансомер от осадков и пыли.

Установка. Прибор прикрепляют панелькой к концу деревянной рейки на высоте 1, 5м от земли. Приемник его устанавливают горизонтально всегда одной и той же приемной стороной вверх, отмеченной на приборе цифрой 1. Выводы из термобатарей подключают к гальванометру.

Гелиограф универсальный ГУ (рис. 11) служит для регистрации продолжительности солнечного сияния, т. е. промежутков времени, в течение которых светило Солнце. Принцип действия гелиографа основан на прожигании бумажных лент (рис. 12) солнечными лучами, собранными в фокусе стеклянного шара.

Основной частью гелиографа является стеклянный шар диаметром 98мм, укрепленный в дугообразном держателе сферическими шайбами и винтом с контргайкой. На расстоянии главного фокуса от шара на дугообразном держателе укреплена сферическая чашка, на внутренней стороне которой имеется три пары пазов для закладывания бумажных лент с разметкой на часы и получасы. В верхнюю пару пазов закладываются конические (зимние изогнутые) ленты с 16 октября до конца февраля. В среднюю – прямые ленты, которые используют с 1 марта по 15 апреля и 1 сентября по 15 октября. В нижнюю пару пазов конические (летние изогнутые) ленты закладываются с 16 апреля по 31 августа. Лента прокалывается иглой на штифте, который вставляется в специальное отверстие на чашке; этим фиксируется правильное положение ленты.

Рис. 11. Гелиограф

Рис. 12. Ленты гелиографа

Ленту меняют, даже если на ней не окажется следов прожога (пасмурные дни). Во время смены лент шар гелиографа затеняют. На обороте каждой ленты отмечают порядковый номер (начиная с 1-го числа каждого месяца), название метеостанции, год, месяц, число, время в часах и минутах, когда лента была установлена и вынута.

Обработка лент. Продолжительность солнечного сияния определяют по прожогу лент гелиографа за каждый час в десятых долях часа и заносят в соответствующие таблицы. Если прожог распространился на все деление, записывают целый час, если на половину деления, записывают 0, 5 ч. Суммируя продолжительность солнечного сияния за каждый час, получают суточную продолжительность солнечного сияния. Зная количество часов солнечного сияния за отдельные дни, можно определить продолжительность солнечного сияния за любой период (декаду, месяц, вегетационный период, год).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3