T 2 Determinarea intensităţii fluxurilor de radiaţii din atmosferă

• Definiţie• Tipurile de radiaţii• Mărimile energiei radiante• Legile energiei radiante• Instrumente cu citire directă şi aparate înregistratoare utilizate pentru

determinarea intensităţii fluxurilor radiative din atmosferă Măsurarea radiaţiei solare directe Măsurarea radiaţiei difuze şi globale Măsurarea radiaţiei reflectate şi a albedoului Măsurarea radiaţiei efective Măsurarea bilanţului radiativ

Bibliografie:• Sterie Ciulache, „Meteorologie. Manual practic”, Facultatea de Geologie-

Geografie, Bucureşti.• http://images.google.ro •

Definiţie:

Radiometria este ramura meteorologiei care studiază atât identificarea fluxurilor de radiaţii care se manifestă în atmosferă cat şi aspectele ce ţin de cuantificarea (măsurarea) acestora. În trecut denumirea acestei ramuri era cea de actinometrie.

Tipurile de radiaţii:

Atmosfera terestra este spaţiul în cuprinsul căruia se manifestă acţiunea unei serii largi de fluxuri de radiaţii care în cea mai mare parte îşi au originea în activitatea de la nivelul Soarelui. Spectrul radiativ solar include mai multe categorii de radiaţii: electromagnetice, corpusculare etc. În practică, cele mai folosite noţiuni legate de radiaţiile de la nivelul atmosferei sunt:

1

1) Radiaţia solară directă (S) reprezintă fracţiunea din radiaţia furnizată de Soare care străbate nemodificată atmosfera şi ajunge la nivelul suprafeţei terestre sub forma unui fascicul de raze paralele.

2) Radiaţia solară difuză (D) este partea din radiaţia solara care după ce a fost difuzată (de către moleculele gazelor din atmosferă şi de către suspensiile atmosferice generate de sursele poluatoare) ajunge la suprafaţa Pământului venind din toate părţile bolţii cereşti.

3) Radiaţia globală – radiaţia totală sau insolaţia – (Q) nu este un flux radiativ în sine ci reprezintă valoarea însumării algebrice a radiaţiei solare directe cu cea difuză.

Q=S+D

4) Radiaţia reflectată (Rs) este partea din radiaţia globală care după ce străbate nemodificată atmosfera şi ajunge la nivelul suprafeţei active subadiacente este abătută de la direcţia iniţială fără a suferi modificări de altă natură. Legată de noţiunea de radiaţie reflectată este şi cea de albedou (A). Albedoul este de fapt un raport între radiaţia reflectată şi cea globală exprimat în procente.

100⋅=Q

RsA

Albedoul redă cel mai sugestiv proprietăţile de reflectare şi de absorbţie pentru radiaţii ale diferitelor tipuri de suprafeţe active.

5) Radiaţia atmosferei (Ea) reprezintă fluxul de radiaţii pe care-l emite neîncetat atmosfera. Se mai numeşte contraradiaţia atmosferei.

6) Radiaţia terestră (Et) este fluxul radiativ continuu emis de către Pământ.

7) Radiaţia efectivă (Eef) este dată de diferenţa dintre radiaţia terestră şi cea atmosferică.Eef= Et –Ea

2

8) Bilanţul radiativ (B) este diferenţa dintre suma tuturor fluxurilor radiative (de undă scurtă sau lungă) primite (absorbite) de o suprafaţă oarecare şi suma tuturor fluxurilor radiative de undă lungă sau scurtă cedate de către aceasta.

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

Mărimile energiei radiante:

Pentru a explica, măsura şi descrie fluxurile de radiaţii din atmosferă şi din apropierea acestora a fost nevoie să se introducă unele noţiuni (mărimi fizice şi unităţi de măsură aferente):

1) Fluxul radiativ (f) reprezintă raportul dintre cantitatea de energie radiantă (E) şi unitatea de suprafaţă care o recepţionează:

2/ cmcalS

Ef =

2) Intensitatea fluxului radiativ (I) este fluxul radiativ incident pe o anumită suprafaţă într-un interval de timp precizat:

min/ 2cmcalT

fI =

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

Legile energiei radiante:

1) Legea lui Kirkhoff – „Orice corp fizic emite şi absoarbe radiaţii păstrând în acelaşi timp un raport constant între cantitatea de energie primită şi cea cedată”.

2) Legea Stephan-Boltzmann – „Cantitatea de energie radiantă absorbită sau cedată (E) de corpul fizic depinde de temperatura absolută (T) a acelui corp”.

E = Ө·T² , Ө - constanta lui Stephan-Boltzmann T – temperatura absolută a corpului măsurat

3) Legea lui Wienn – „Lungimea de undă (λ) a radiaţiilor absorbite sau eliberate de corpul fizic este invers proporţională cu temperatura (T) acestuia”.

λ · T = 2884 (2884, valoare constantă reieşită din calcule)

Instrumente cu citire directă şi aparate înregistratoare utilizate pentru determinarea intensităţii fluxurilor radiative din atmosferă:

1) Măsurarea radiaţiei solare directe este posibilă recurgând atât la instrumente cu citire directă cât şi la aparate înregistratoare (pirheliografe si radiografe). Dintre instrumente menţionăm:

a) Pirheliometrul cu compensaţie electrică tip Angström este format din:

3

-tubul pirheliometric, un tub care prezintă un capac la un capăt, capac prin care pătrund razele solare care ajung la două lamele de manganin; are dimensiuni variabile.-dispozitivul de fixare este de fapt un suport metalic circular prevăzut cu orificii în care se vor fixa şuruburile care ajută la instalare.-suportul de susţinere are şi rolul de a asigura „punerea în staţie” a pirheliometrului prin intermediul unui sistem compus din trei şuruburi de fixare ce permit orientarea în funcţie de latitudine, unghiul de înclinare a axei Pământului şi poziţia aparentă a Soarelui pe bolta cerească în aşa fel încât razele solare să cadă perpendicular pe suprafaţa terestră (pe piesa receptoare).-piesa receptoare este compusă din două lamele (plăcuţe) extrem de fine şi implicit cu o „sensibilitate” sporită în raport cu acţiunea radiaţiilor solare. Dimensiunile acestora sunt 20x2x0,02 m. Piesa receptoare este montată la partea inferioară a tubului pirheliometric numită capul pirheliometrului. Pe spatele lamelelor se găsesc puncte „de sudură” (lipituri fine) ale unor fire care fac legătura cu bornele unui galvanometru la care pirheliometrul va trebui conectat.

La partea superioară a tubului se poate monta un capac metalic nichelat prevăzut cu două fante longitudinale. Pe spatele capacului este fixată o plăcuţa ce poate fi deplasată astfel încât să împiedice total sau parţial accesul radiaţiei solare către lamelele de manganin. Întregul pirheliometru este vopsit în alb la exterior (pentru a reflecta radiaţia solară incidentă) şi în negru la interior (pentru a o absorbi).

4

Modul de funcţionare: Plăcuţa culisantă se poziţionează în aşa fel încât radiaţia solară să cadă doar pe una dintre cele două lamele pe care o încălzeşte în vreme ce cealaltă rămâne „umbrită” (la temperatura mediului ambiental). După un timp de expunere foarte scurt (15-25 secunde) între cele două lamele va apărea o diferenţă de temperatură Δt ce determină apariţia unui curent termoelectric sesizabil prin devierea acului galvanometrului la care pirheliometrul este conectat. Cele două lamele se notează cu M şi N pentru a le putea deosebi. Cantitatea de căldură pe care o recepţionează M poate fi determinată pe baza următoarei relaţii:

QM = Is · α · S , QM – cantitatea de căldură Is – intensitatea radiaţiei solare directe α – coeficientul de absorbţie S – suprafaţa plăcuţei

Necunoscând valoarea Is va trebui creat un circuit de compensaţie electrică din care fac parte o sursă de curent, o termobaterie (E), un ampermetru (cu rolul de a măsura intensitatea curentului electric din circuitul de compensaţie), notată A şi o rezistenţă (R) ce are rolul de a regla intensitatea curentului electric din circuitul creat.

În momentul în care se pune în funcţiune E are loc încălzirea „artificială” a plăcuţei N până când aceasta va egala din punct de vedere termic şi caloric plăcuţa M. Dacă în primul pas până la crearea circuitului acul galvanometrului era deviat proporţional cu Is (şi cu a curentului creat), la momentul al doilea acul revine la poziţia zero. Cantitatea de căldură pe care o recepţionează N este dată de relaţia:

S

ircQn ⋅

⋅⋅⋅=α

260, c – constantă

r · i² - rezistenţa şi intensitatea curentului electric din circuit

S

ircI s ⋅

⋅⋅⋅=α

260,

S

rck

⋅⋅⋅=

α60

(constantă a aparatului) => Is= k · i².

Principiul de funcţionare a instrumentelor cu care se determină intensitatea fluxurilor de radiaţii este acela al producerii unui curent termoelectric datorită încălzirii diferenţiate a elementelor ce alcătuiesc piesa receptoare.

b) Radiometrul (actinometrul) bimetalic Michelson

5

c) Radiometrul (actinometrul) model RT-50

Piesa receptoare este dată de un disc de argint acoperit cu un strat (2 microni) de negru de fum. Are în componenţă „două rânduri de suduri”, unele interioare supuse acţiunii radiaţiilor solare şi altele exterioare „umbrite”.

Expunerea diferită la radiaţie este asigurată de configuraţia tubului radiometric în sensul că acesta se îngustează progresiv pe măsura apropierii de piesa receptoare. Astfel pătrunderea radiaţiilor se face prin „punerea în staţie a instrumentului” şi detaşarea capacului (durata expunerii este scurtă).

Efectuarea măsurătorilor presupune:- punerea în staţie a instrumentului;- conectarea la bornele galvanometrului;- montarea capacului metalic şi verificarea poziţiei zero a galvanometrului;- detaşarea capacului;- după un timp de expunere (15-25 secunde) se face prima citire la galvanometru;- se procedează la fel şi la următoarele două măsurători cu un interval de pauza între ele de 10-15 secunde;- la final se pune din nou capacul metalic şi se verifică poziţia zero a galvanometrului;- se face media aritmetică a celor trei citiri care va fi folosită în formula de calcul a radiometrului.

Is = k · n , n – numărul de diviziuni cu care este deviat acul galvanometrului

6

d) Radiometrul (actinometrul) termoelectric Savinov-Janisewski

e) Pirheliometrul calorimetric Michelson

2) Măsurarea radiaţiei difuze şi globale foloseşte instrumente care poartă denumirea generică de piranometre, dar şi o serie de aparate denumite piranografe. Dintre instrumente amintim:

a) Piranometrul absolut tip Angström

Piesa receptoare este „asigurată” de patru lamele de mangalin vopsite diferit şi protejate de o calotă semisferică de sticlă. Lamelele sunt vopsite două cu negru de fum şi două cu alb de magneziu şi sunt dispuse alternativ.

Calota de sticlă are rol multiplu: protejează piesa receptoare de acţiunea precipitaţiilor, vântului etc. şi acţionează diferenţiat asupra radiaţiilor solare lăsând să ajungă către piesa receptoare doar radiaţia solară difuză, cea directă fiind reflectată.

7

Ecranul de umbrire este un disc metalic vopsit în negru şi susţinut de o tijă.Formula de calcul este: ID,Q = K · i². Se realizează trei măsurători ale D şi tot

atâtea ale Q, media lor introducându-se în formula de calcul. Trebuie făcută obligatoriu următoarea precizare: atunci când se determină radiaţia globală, ecranul de umbrire este detaşat, iar anexarea lui se face doar în momentul determinării intensităţii radiaţiei difuze.

b) Piranometrul termoelectric tip Janisewski

Piesa receptoare este reprezentată de o termobaterie pătrată cu latura de 3 cm care, pe partea anterioară, este configurată asemănător unei table de şah. Pe partea posterioară se găsesc sudurile unor termocupluri (87 la număr, pe benzi subţiri de manganin şi constantan) care prin intermediul unor borne fac legătura cu galvanometrul la care este conectat piranometrul.

Formula de calcul este: ID,Q = K · n. Trebuie să se ţină seama ca galvanometrul să se găsească la o distanţă de cel puţin 5 m faţă de instrument. Amplasarea instrumentelor şi a aparaturii se face exclusiv pe platforma radiometrică. Toate instrumentele se găsesc fixate la capătul liber al unei bucăţi de lemn (50-60 cm lungime, 5-6 cm lăţime), fixată la celălalt capăt pe un stâlp de lemn cu înălţimea de 1,5 m. Fără nici o excepţie, instrumentarul şi aparatura sunt vopsite în alb la exterior şi în negru la interior.

c) Piranometrul relativ Arago-Davy-Kalitin

Partea receptoare este reprezentată de două termometre aproape identice fixate într-un suport, unul având

8

rezervorul vopsit cu alb de magneziu, iar celălalt cu negru de fum. Timpul necesar pentru crearea unei diferenţe de temperatură substanţială este de 20-23 minute. Diferenţa de temperatură astfel creată poate fi introdusă în formula de calcul:

ID,Q = B (Tn-Ta),B – factor de transformare corespunzător diferenţei de 1ºC dintre cele două termometreTn, Ta – temperaturile citite la cele două termometre

3) Măsurarea radiaţiei reflectate şi a albedoului utilizează albedometre (portabil, de staţie), fotoelementul cu seleniu şi solarimetrul Gorezynski.

Albedometrul de staţie este un piranometru termoelectric de tip Janisewskiprevăzut cu suspensie cardanică (dispozitiv care permite întoarcerea piesei receptoare cu 180º). Atunci când se determină radiaţia globală piesa receptoare va fi îndreptată către bolta cerească în timp ce la momentul determinării radiaţiei reflectate ea va fi poziţionată către suprafaţa terestră.

4) Măsurarea radiaţiei efective necesită pirgeometre – instrumente cu citire directă.

În ţara noastră, la staţiile cu program radiometric, cel mai întâlnit este pirgeometrul tip Savinov-Janisewki. Acesta are piesa receptoare formată din patru lamele de manganin, vopsite diferit, dispuse alternativ şi protejate de o calotă semisferică de sticlă. O particularitate de construcţie este dată de prezenţa unui termometru.

9

5) Măsurarea bilanţului radiativ recurge la bilanţometru şi galvanometru radiometric tip G.S.R.-1.

Bilanţometrul are piesa receptoare compusă din lamele obţinute prin împletirea unor fire înnegrite care au suprafaţa exterioară înnegrită şi care sunt dispuse astfel încât în timpul determinării să fie orientate una către suprafaţa terestră, iar cealaltă către bolta cerească.

10