Методы измерения радиации

Для измерения интенсивности прямой и рассеянной солнеч­ной радиации и эффективного излучения (а также альбедо, осве­щенности и пр.) существует много приборов как с визуальными отсчетами, так и с автоматической регистрацией. Ограничимся здесь указанием на общие принципы их построения.

Приборы для измерения прямой солнечной радиации назы­вают пиргелиометрами и актинометрами, для измерения рассе­янной радиации — пиранометрами, для измерения эффективного излучения — пиргеометрами, для измерения радиационного баланса — балансомерами. Названия самопишущих приборов окан­чиваются на «граф» (актинограф, пиранограф).

Для измерения радиации применяется зачерненная металли­ческая пластинка, которая по своим поглощательным свойствам практически идентична абсолютно черному телу, т. е. поглощает и превращает в тепло всю падающую на нее радиацию. Во мно­гие приборы входят, кроме того, пластинки с белой или полиро­ванной поверхностью, почти полностью отражающие падающую радиацию.

В компенсационном пиргелиометре Ангстремазачерненная металлическая пластинка выставляется на солнце, а другая та­кая же пластинка оставляется в тени. Между пластинками воз­никает разность температур. Эта разность температур передается спаям термоэлемента, приклеенным (с изоляцией) к пластин­кам, и тем самым возбуждает термоэлектрический ток. Через затененную пластинку пропускается ток от батареи, пока пла­стинка не нагреется до той же температуры, до которой нагре­лась солнечными лучами первая пластинка; тогда термоэлек­трический ток исчезает. По силе пропущенного «компенсирую­щего» тока можно определить с помощью закона Джоуля—Ленца количество тепла, полученное второй пластинкой. Оно равно ко­личеству тепла, полученному от солнца первой пластинкой. От­сюда можно определить интенсивность солнечной радиации. Есть и другие типы пиргелиометров.

В биметаллическом актинометре Михельсонаприменяется маленькая и тонкая биметаллическая пластинка, например из меди и платины. Нагреваясь под действием радиации, она изгибается вследствие различия коэффициентов расширения металлов. По величине этого изгиба заключают об интенсивности радиации. Для этого прибор нужно проградуировать путем сравнения с аб­солютным пиргелиометром, например Ангстрема, т. е. найти его переводный множитель. Применяя фильтры из цветного стекла, можно измерять интенсивность радиации в различных участ­ках спектра.

В термоэлектрическом актинометре Савинова—Янишевскогоприемная часть представляет собой тонкий металлический за­черненный диск. К нему через изоляцию приклеены нечетные спаи термобатареи. Четные 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. Для этого нужно знать переводный множитель прибора, который определяется путем сравнения с абсолютным пиргелиометром.

В пиранометреприемная часть чаще всего представляет со­бой батарею термоэлементов, например из манганина и константина, с зачерненными и белыми спаями. Прибор выстав­ляется приемной частью в горизонтальном положении, чтобы вос­принимать рассеянную радиацию со всего небесного свода. От прямой солнечной радиации он затенен, а от встречного излуче­ния атмосферы защищен стеклянным колпаком. Под действием рассеянной радиации черные и белые спаи нагреваются неоди­наково и возникает термоэлектрический ток, по силе которого определяют интенсивность радиации (опять-таки заранее опреде­лив переводный множитель прибора). При измерениях суммар­ной радиации пиранометр не затеняют от прямых солнечных лучей.

В пиргеометреиспользуется то обстоятельство, что эффектив­ное излучение блестящих (никелированных) металлических пла­стинок очень мало по сравнению с излучением зачерненных пла­стинок. Когда прибор выставляют ночью под открытым небом, зачерненные пластинки в нем принимают более низкую темпера­туру, чем блестящие. По этой разности температур (точнее, по силе возбужденного ею термоэлектрического тока или же ком­пенсационным методом, как в пиргелиометре Ангстрема) опреде­ляют эффективное излучение черных пластинок, которое отож­дествляют с эффективным излучением земной поверхности.

Радиационный баланс определяется балансомером, в котором одна зачерненная приемная пластинка направлена вверх, к небу, а другая — вниз, к земной поверхности. Разница в нагревании пластинок позволяет определить величину радиационного ба­ланса. Ночью она равна величине эффективного излучения.

Для автоматической регистрации измерений термоэлектриче­ский ток, возникающий в актинометре, пиранометре, пиргео­метре, подают на самопишущий гальванометр (гальванограф). Изменения силы тока, таким образом, записываются на движу­щейся бумажной ленте. При этом актинометр должен автомати­чески вращаться так, чтобы его приемная часть следовала за солнцем, а пиранометр должен быть всегда затенен от прямой радиации особой кольцевой защитой.

Распределение радиации «на границе атмосферы»

Для климатологии представляет существенный интерес во­прос о распределении притока и отдачи радиации по Земному шару. Рассмотрим сначала распределение солнечной радиации на горизонтальную поверхность «на границе атмосферы». Можно было бы также сказать: «в отсутствии атмосферы». Этим мы до­пускаем, что нет ни поглощения, ни рассеяния радиации, ни от­ражения ее облаками. Распределение солнечной радиации на границе атмосферы является простейшим. Оно действительно существует на высоте нескольких десятков километров. Указанное распределение называют по традиции солярным климатом.

Из параграфа 5 нам известно, как меняется в течение года солнечная постоянная и, стало быть, количество радиации, при­ходящее к Земле. Если определять солнечную постоянную для фактического расстояния Земли от Солнца, то при среднем годо­вом значении 1,98 кал/см² мин она будет равна 2,05 кал/см² мин в январе и 1,91 кал/см² мин в июле.

Стало быть, северное полу­шарие за летний день получает на границе атмосферы несколь­ко меньше радиации, чем юж­ное полушарие за свой летний день.

Количество радиации, получаемое за сутки на гра­нице атмосферы, зависит от времени года и широты места. Под каждой широтой время года определяет продолжи­тельность дневной части суток и, стало быть, продолжитель­ность притока радиации. Но под разными широтами про­должительность дневной части суток в одно и то же время разная. По-разному меняется она и в течение года (рис. 14).

Рис. 14. Продолжительность дневной части суток в самый короткий зим­ний и в самый длинный летний день под разными широтами.

На полюсе солнце летом не заходит вовсе, а зимой не восхо­дит в течение 6 месяцев. Между полюсом и полярным кругом солнце летом не заходит, а зимой не восходит в течение периода от полугода до одних суток. На экваторе дневная часть суток всегда продолжается 12 часов. От полярного круга до экватора дневное время суток летом убывает и зимой возрастает.

Но приток солнечной радиации на горизонтальную поверх­ность зависит не только от продолжительности дня, а еще и от высоты солнца. Количество радиации, приходящее на границе атмосферы на единицу горизонтальной поверхности, пропорцио­нально синусу высоты солнца. А высота солнца не только ме­няется в каждом месте в течение дня, но зависит и от времени года. Максимальная (в полдень) высота солнца в день летнего солнцестояния равна 90° — φ + 23,5°, где φ — широта места. Наи­меньшая высота солнца — в день зимнего солнцестояния: 90°— φ — 23,5°; в дни равноденствий высота солнца равна 90° — φ. Таким образом, высота солнца на экваторе меняется в течение года от 90 до 66,5°, на тропиках — от 90 до 43°, на полярных кру­гах — от 47 до 0° и на полюсах от 23,5 до 0°.

Итак, шарообразность Земли и наклон плоскости экватора к плоскости эклиптики (23,5°) создают сложное распределение притока радиации по широтам на границе атмосферы и его измене­ния в течение года. Поскольку это распределение зависит лишь от астрономических факторов, его можно рассчитать по точным формулам (здесь они не приво­дятся), приняв известную вели­чину солнечной постоянной. На основании таких расчетов на рис. 15 представлен приход ра­диации в северном полушарии на границе атмосферы в кило­грамм-калориях на каждый квад­ратный сантиметр горизонталь­ной поверхности за год и за каж­дое полугодие. Из рисунка видно, что за год количество приходящей солнечной радиации меняется от 318 ккал на экваторе до 133 ккал на полюсе.

Зимой приток радиации очень быстро убывает от экватора к по­люсу, летом — гораздо медленнее. При этом максимум летом наблю­дается на тропике, а от тропика к экватору приток радиации не­сколько убывает. Малая разница в притоке радиации между тро­пическими и полярными широ-

тами летом объясняется тем, что хотя высоты солнца в полярных широтах летом ниже, чем в тропиках, но зато велика продолжи­тельность дня. В день летнего солнцестояния полюс поэтому по­лучал бы в отсутствии атмосферы больше радиации, чем экватор. Однако у земной поверхности в результате ослабления радиации атмосферой, отражения ее облачностью и пр. летний приток ра­диации в полярных широтах существенно меньше, чем в более низких широтах.

Рис. 15. Приток солнечной ра­диации на горизонтальную по­верхность в отсутствии атмо­сферы (в ккал/см²) в зимнее и летнее полугодия и за весь год в зависимости от географиче­ской широты.

Расчеты показывают, что на верхней границе атмосферы вне тропиков имеется в годовом ходе один максимум радиации, приходящийся на время летнего солнцестояния, и один минимум, приходящийся на время зимнего солнцестояния. Но между тро­пиками приток радиации имеет два максимума в году, прихо­дящиеся на те сроки, когда солнце достигает наибольшей полу­денной высоты. На экваторе это будет в дни равноденствий, в других внутритропических широтах — после весеннего и перед осенним равноденствием, отодвигаясь тем больше от сроков рав­ноденствий, чем больше широта. Амплитуда годового хода на экваторе мала, внутри тропиков невелика; в умеренных и высо­ких широтах она значительно больше.

Это можно видеть из таблицы, помещенной ниже, где приток солнечной радиации на единицу горизонтальной поверх­ности на верхней границе атмосферы указан для дней равноден­ствий и солнцестояний по широтным зонам северного полушария. Радиация выражена в таблице в калориях на квадратный санти­метр в среднем за одну минуту соответствующих суток; иными словами, дается средняя суточная интенсивность радиации. В этой же таблице приводятся соответствующие значения пря­мой и рассеянной радиации у земной поверхности.

Средний приток солнечной радиации в северном полушарии на горизонтальную поверхность (в кал/см² мин) для дней равноденствий и солнцестояний

Дни	Широта, град.
0-10	10-20	20-30	30-40	40-50	50-60	60-90
На верхней границе атмосферы
21/ХII	0,549	0,465	0,373	0,274	0,173	0,079	0,006
21/III	0,619	0,601	0,553	0,509	0,441	0,358	0,211
21/VI	0,579	0,629	0,664	0,684	0,689	0,683	0,703
23/IX	0,610	0,562	0,556	0,503	0,435	0,353	0,208
Прямая радиация у земной поверхности
21/ХII	0,164	0,161	0,134	0,082	0,036	0,013	0,001
21/III	0,191	0,224	0,206	0,161	0,116	0,098	0,055
21/VI	0,144	0,170	0,216	0,233	0,183	0,159	0,133
23/IX	0,170	0,162	0,201	0,183	0,131	0,079	0,028
Рассеянная радиация у земной поверхности
21/ХII	0,091	0,079	0,066	0,052	0,034	0,016	0,001
21/III	0,108	0,105	0,099	0,093	0,083	0,066	0,047
21/VI	0,105	0,114	0,124	0,125	0,126	0,122	0,153
23/IX	0,107	0,104	0,097	0,091	0,081	0,065	0,048

Дата добавления: 2015-07-13