Determinarea actinometrica a intensitatii fluxurilor radiative din atmosfera

Definiţie:

Radiometria este ramura meteorologiei care studiază atât identificarea fluxurilor de radiaţii care se manifestă în atmosferă cat şi aspectele ce ţin de 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.

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/totala (Q) 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.

A=RsQ

⋅100

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)

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:

f= EScal /cm2

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

timp precizat:

I= fTcal /cm2min

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).

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

-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.

Principiul 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

b) Radiometrul (actinometrul) bimetalic Michelson

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.

d) Radiometrul (actinometrul) termoelectric Savinov-Janisewskie) 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.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 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.

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 Janisewski prevăzut 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.

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.

Durata de strălucire a Soarelui reprezintă o caracteristică meteorologica si climatică importantă a

fiecărei regiuni. Valorile ei prezintă atât importanţă teoretică pentru caracterizarea condiţiilor climatice ale unei regiuni, cât şi o mare valoare aplicativă în agronomie, balneologie, turism. Ea reprezintă timpul real în care Soarele a strălucit pe bolta crească fiind numită durata efectivă de strălucire a Soarelui. În meteorologie, se mai foloseşte şi termenul de durată astronomică sau de durată posibilă de strălucire a Soarelui, ce reprezintă intervalul de timp dintre momentul răsăritului şi apusul Soarelui.Raportul dintre durata efectivă (d) şi durata astronomică (D) a strălucirii Soarelui reprezintă valoarea fracţiei de insolaţie (F).Durata de strălucire a Soarelui se exprimă în ore şi zecimi de oră şi se înregistrează cu ajutorul heliografului. La staţiile meteorologice din România se foloseşte heliograful Campbell – Stockes reprezentat prin trei tipuri : Fuess, Metra şi Universal.

Aparate pentru măsurarea duratei de strălucire a Soarelui

a) Heliograful tip Fuess Piesa receptoare este o sferă masivă de sticlă, cu un diametru de 10 cm, care se fixează pe un suport metalic şi care concentrează razele de lumină solară într-un focar.Diagramele folosite la heliograf pentru înregistrarea duratei de strălucire a Soarelui se numesc heliograme. Pe acestea se imprimă o dungă carbonizată când Soarele străluceşte pe bolta cerească. Heliografele sunt poziţionate diferit în cursul unui an, în raport cu anotimpurile şi în funcţie de înălţimea Soarelui deasupra orizontului (înălţimea Soarelui deasupra orizontului este mare vara şi mică iarna).Astfel, se deosebesc trei feluri de heliograme (lungimea acestora variază în funcţie de lungimea zilei din anotimpul în care sunt utilizate):

•heliograme lungi (de vară) – fixate în perechea inferioară de şanţuri, pentru intervalul de timp cuprins între 21 aprilie-10 septembrie;•heliograme scurte (de iarnă) – fixate în perechea superioară de şanţuri, uzitate între 21 octombrie-10 martie;•heliograme drepte (anotimpurile de tranziţie) – fixate în perechea de la mijlocul monturii, pentru perioadele 11 martie-20 aprilie şi 11 septembrie-20 octombrie.

Heliograful trebuie să fie întotdeauna orientat cu partea interioară a nişei metalice spre sud. Instalarea se face în sudul platformei meteorologice, pe un stâlp de lemn cu înălţimea de 1,50 m. Pe stâlp se montează o scândură de circa 50 cm cu grosimea de 5-6 cm, vopsită în alb, la capătul căreia se montează heliograful.

b) Heliograful tip Metra

Heliograful de tip Metra se deosebeşte de cel de tip Fuess prin două particularităţi constructive: lipsa braţului curbat şi prezenţa unei nivele (cu bulă de aer), care permite orizontalizarea aparatului. Instalarea, îngrijirea şi utilizarea lui sunt identice cu cele de la heliograful de tip Fuess.

c) Heliograful Universal

Se caracterizează prin faptul că montura port-heliogramă este mobilă, el putând fi folosit pentru toate latitudinile. De asemenea, părţile componente ale heliografului sunt fixate pe un suport metalic montat prin intermediul unor şuruburi pe o placă de lemn.

Heliograful Universal utilizează două feluri de heliograme: drepte (1 martie-15 aprilie şi 1 septembrie-15 octombrie) şi curbe (16 aprilie-31 august şi 16 octombrie-28 februarie). Acestea se schimbă de două ori pe zi: o dată la ora 12 şi o dată după apusul Soarelui.

Numărul zilelor cu Soare reprezintă o altă caracteristică climatică ce vine să completeze imaginea asupra duratei strălucirii Soarelui. Se consideră zi cu Soare, ziua în care Soarele a strălucit indiferent de durată. Interesează, de asemenea, numărul cel mai mare de zile cu Soare din fiecare lună şi anul în care s-a realizat. Atunci când se prelucrează datele duratei efective de strălucire a Soarelui, trebuie avută în vedere şi repartiţia geografică a valorilor, repartiţie ce trebuie privită în legătură cu cauzele care o influenţează.

Cuprins

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

Determinarea duratei de strălucire a Soarelui

Introducere

Aparate pentru măsurarea duratei de strălucire a Soarelui

a) Heliograful tip Fuess

b) Heliograful tip Metra

c) Heliograful Universal

Bibliografie:

Sterie Ciulache, „Meteorologie. Manual practic”, Facultatea de Geologie- Geografie, Bucureşti.

http://images.google.ro