Тема 2: солнечная радиация. Приборы для измерения солнечной радиации.

Лучистая энергия Солнца, или солнечная радиация, служит основным источником энергии, приходящейся на деятельную поверхность Земли. Солнечная радиация необходима для создания органического вещества в процессе фотосинтеза и оказывает влияние на рост и развитие растений, на продолжительность вегетации, в конечном счете определяет урожайность растений.

Солнечная радиация состоит из трех составляющих: прямой солнечной радиации, рассеянной и суммарной .

Прямая солнечная радиация – S – это поток солнечных лучей, непосредственно падающих на поверхность Земли. Её интенсивность измеряется в калориях на см². в минуту. Она зависит от высоты солнца и состояния атмосферы (облачность, пыль, водяной пар). Это коротковолновая часть спектра. Измеряется она актинометром.

S^/ = S sin h_o

Где S^/ - вертикальная составляющая прямой солнечной радиации, S – прямая солнечная радиация на перпендикулярную поверхность, Вт/м²; h_o – высота солнца над горизонтом, град.

Рассеянная радиация – D – часть солнечной радиации в результате рассеяния атмосферой уходит обратно в космос, но значительная ее часть поступает на Землю в виде рассеянной радиации. Измеряется прибором пиранометром, затененным от прямой радиации. Это коротковолновая часть спектра. Длина волны 0.17-4мк.

Суммарная радиация- Q- состоит из рассеянной и прямой радиации на горизонтальную поверхность. Q= D+S

Суммарная радиация в пасмурную погоду состоит из одной рассеянной радиации. Измеряется пиранометром без его затенения.

Отраженная солнечная радиация –R_k –часть суммарной радиации, которая отразилась деятельной поверхностью. Измеряется прибором альбедометром.

Отражательную способность любой поверхности можно характеризовать величиной ее альбедо (Ак), под которым понимают отношение отраженной солнечной радиации к суммарной. Альбедо обычно выражают в процентах:

А = R_k / Q * 100%.

Тепловое излучение земли (деятельной поверхности) Е_з – длинноволновая лучистая энергия, испускаемая деятельной поверхностью и направленная вверх, в атмосферу.

Тепловое излучение атмосферы Е_а – часть теплового излучения атмосферы, направленного к земле и поступающего на горизонтальную поверхность.

Разность между собственным излучением поверхности Земли и встречным излучением атмосферы называют эффективным излучением: Е_эф.

Е_эф= Е₃-Е_а

Радиационный баланс деятельной поверхности В – разность между приходом и расходом лучистой энергии:

В= S^/ + D+ Е_а - R_k - Е₃ (Для ясной погоды).

В= D+ Е_а - R_k - Е₃ (При пасмурной погоде).

В= Е_а - Е₃ (В ночное время суток).

Часть лучистой энергии солнца, которую растения усваивают в процессе фотосинтеза, называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР). ФАР располагается в волновом диапазоне от 0,38 до 0,71 мкм.

Приборы для измерения солнечной радиации.

Измерение прямой солнечной радиации. Для измерения этого потока лучистой энергии применяют как абсолютные, так и относительные приборы. К абсолютным приборам относят различные виды пиргелиометров конструкции К. Онгстрема, А. Н. Бойко, Н. В. Кучерова, В. А. Михельсона—Аббота и др.; к относительным — биметаллические актинометры Михельсона, Михельсона— Мартена, Калитина, Протасова. Наиболее часто пользуются термоэлектрическим актинометром конструкции Ю. Д. Янишевского (относительный).

Актинометр термоэлектрический М-3 (АТ-50) (Практикум Виткевич, стр. 37.) Прибор предназначен для измерения интенсивности прямой солнечной радиации. Актинометр соединяют или с гальванометром стрелочным актинометрическим (ГСА-1), или с самопишущим потенциометром.

Устройство. В нижней широкой части трубы находится приемник радиации в виде тонкого серебряного диска, зачерненного со стороны, обращенной к Солнцу. С другой стороны к диску приклеены внутренние нечетные спаи термобатареи, составленной из манганиновых и константановых полосок, расположенных в виде звездочки. Четные же внешние спаи находятся за краем диска и подклеены к медному кольцу. Прямая солнечная радиация, проникающая через отверстие трубы к диску, нагревает его, а с ним и приклеенные к нему нечетные внутренние спаи звездочки. Четные же спаи остаются при этом в тени и сохраняют температуру воздуха. Разность температур внутренних и внешних спаев вызывает термоток, пропорциональный интенсивности радиации. Этот ток измеряется при помощи гальванометра, присоединенного к актинометру.

Установка, измерение, обработка наблюдений. На горизонтальной площадке. Нацеливают на солнце, закрепляют, открывают крышку, провода присоединяют к клеммам гальванометра. Если стрелка уходит за «0», провода меняют местами. На концах трубки есть кольца для нацеливания на солнце. На одном отверстие, на другом – точка. Пучок света проходит через отверстие и точно попадает на точку. Крышку закрывают и берут отсчет (n⁰ ₁ ). Затем снимают крышку и с интервалом 10-15 сек снимают показания (n¹ , n² , n³ ). Записывают время наблюдения. После отсчетов берут отсчет места нуля (n⁰ ₂ ) и t⁰по гальванометру.

Вычисляют среднее значение n и среднее нулевое показание. В среднее показание вводят поправку из поверочного свидетельства гальванометра и получают исправленное показание. Затем находят фактическое отклонение разности исправленного и нулевого. Чтобы получить в калориях/см². в минуту умножают на переводной множитель (из поверочного свидетельства).

Для измерения интенсивности суммарной радиации, приходящей к горизонтальной поверхности, служит пиранометр Янишевского (Практикум Виткевич, стр. 42.). При помощи пиранометра можно определить также интенсивность одной только рассеянной радиации. Для этого нужно затенить его от действия прямой солнечной радиации небольшим экраном. Приемником радиации служит термобатарея, составленная из чередующихся манганиновых и константановых полосок. С внешней стороны четные спаи окрашены окисью магния в белый цвет, нечетные – сажей в черный цвет. Спаи чередуются по окраске в шахматном порядке. Для защиты от ветра и осадков над приемником установлен полусферический стеклянный колпак.

Установка, измерение, обработка наблюдений. Прибор устанавливают на площадке так, чтобы номер на головке был повернут к солнцу. Горизонтальность проверяют по уровню. Нулевое положение отсчета берут при закрытой крышке (n⁰). Крышку открывают и снимают три показания с интервалом в 10-15 сек. Сначала берут отсчеты при затененном для определения рассеянной радиации(n¹ n²), затем суммарной (n³ n⁴ n⁵). Затем снова ставят щиток и берут отсчеты для рассеянной радиации (n⁶ и n⁷). Закрывают головку и берут вторичный отсчет нуля (n⁰ ₂ ) и t⁰.

Сначала находят среднее значение рассеянной радиации и суммарной. Затем вводят поправки и получают исправленное значение Q. Находят фактическое отклонение и с учетом переводного множителя из поверочного свидетельства получают окончательное значение.

Пиранометр, приспособленный для измерения отраженной радиации называется альбедометром (Практикум Виткевич, стр. 46.). Приемник прибора – головка пиранометра., устанавливается на высоте 1м. Имеется рукоятка с помощью которой приемник может быть повернут вверх и вниз. Подсоединяют к гальванометру.

Измерения и обработка данных аналогична пиранометру.

Для непосредственного измерения и регистрации радиационного баланса служит балансомер. Приемником прибора являются две зачерненные с наружной стороны пластинки, расположенные параллельно. К внутренней стороне пластинок приклеены спаи термоэлектических батарей. Подсоединяется к гальванометру. Устанавливают на деревянной рейке на высоте 1,5 м от земли. Отсчеты аналогичны.

Для регистрации продолжительности солнечного сияния служит – гелиограф (Практику Виткевич, стр. 14.). Принцип действия гелиографа основан на прожигании бумажных синих лент солнечными лучами, собранными в фокусе стеклянного шара.. На обороте каждой ленты отмечают год, месяц, дату и время установки и снятия ленты. Прожог ленты гелиографа происходит, когда интенсивность прямой солнечной радиации составляет 0,2...0,4 кал/см² • мин (140...280Вт/м²).

Задание к занятию

1. Определить время восхода и захода солнца и продолжительность сумерек на широте г. Ставрополя ( 45°) по таблице на стр. 15 Практикум Виткевич, Построить график.

2. Обработка лент гелиографа.

3. На сколько больше тепла поглощает поверхность влажного парового поля (Ак =…..%) по сравнению с сухим (Ак=…..%), если суммарная радиация составляет ….. Вт/м² (солнце в зените)

4. Определить количество солнечной энергии, которое получит пшеница в начальные фазы развития (Ак=….%) при энергетической освещенности суммарной радиацией равно ……Вт /м ² (солнце в зените).

5. Вычислить поглощенную радиацию за час свежевспаханным черноземом ( Ак =……%) и песчаной почвой (Ак =….%), если суммарная радиация в среднем за этот час составляет ….. Вт/м²

6. Вычислить отраженную радиацию, если суммарная (Q)= …..Вт/м ², эффективное излучение (Еэф)=….. ВТ/м², альбедо поверхности Ак=…%.

7. Вычислить радиационный баланс используя формулу:

B=Q-Rk–Eэф, произведя промежуточные расчеты: Q= S+D

S =S . sin h Rk =AQ / 100

Пример: ho = 19° sin 19° = 0.31 S =0.80 Вт /м²

D =0,07 Вт /м ² Еэф =0,10 Вт / м² А =18%

8. Высота солнца 45°, инсоляция (или прямая радиация) при перпендикулярном падении лучей …….Вт/м², рассеянная радиация =…..% от инсоляции, эффективное излучение = ….Вт/м². Определить радиационный баланс картофельного поля, если Ак= …..%.

9. Вычислить суммарную радиацию Q для каждого часа наблюдений и по этим значениям определить ФАР, используя формулу : ФАР = 0,52 Q