Methodical Documents ЗОВР / Методички / Климатология и метеорология / Методчиеское пособие
.pdfМ И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я РО СИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц |
И И |
В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т |
|
У чебноепособи епо курсам
«М етеорологи яи кли матологи я», |
«У чени еобатмосфере» |
Часть I. |
А кти нометри чески еи змерени я |
по спец и альности - «013400 - при родопользовани е», «013600 - геоэкологи я» «012500 - географи я»
( О П Д .Ф .03)
ВО РО Н Е Ж
2003
|
2 |
У тверж дено |
научнометоди чески м советом факультета |
географи и и геоэкологи и № |
9 от26.09.03 |
Состави тели : К ози нВ .В ., П авлова Н .А .
У чебное пособи е подготовлено на кафедре геоэкологи и и мони тори нга окруж аю щ ей среды В оронеж ского государственного уни верси тета.
Рекомендуетсядлястудентов 1и 2 курсов д/о и з/о
|
3 |
|
|
Содерж ани е |
|
В ведени е |
3 |
|
1. |
О сновны еполож ени я |
4 |
2. |
О пи сани епри боров |
8 |
2.1 |
П ри меняемы епри боры |
8 |
2.2 |
А кти нометр |
8 |
2.3 |
У ни версальны й пи ранометр -80 |
12 |
2.4 |
Балансомер -10 |
16 |
2.5 |
Гальванометрстрелочны й акти нометри чески й ГСА – 1 |
20 |
Рекомендуемаяли тература |
23 |
ВВ ЕД ЕНИ Е
Настоящ ееучебноепособи епредставляет собой незначи тельно и зменен-
ную часть Руководства ги дрометеорологи чески м станц и ям по акти нометри чески м наблю дени ям, вы пущ енного ги дрометеорологи чески м и здательством Л е- ни нграда в 1971 году под редакц и ей А .С. А ндреева. Э то связано стем, что в данном наставлени и кратко, доступно и полно и злож ены основны еполож ени я
акти нометри чески х наблю дени й и конструкц и япри боров, |
которы е ш и роко |
распространены на сети ги дрометеорологи чески х станц и й, |
ведущ и х акти но- |
метри чески енаблю дени яв настоящ еевремя. |
|
В данном учебном пособи и рассматри ваю тсяосновны е полож ени я, назначени еи конструкц и яакти нометри чески х при боров.
П рои зводство акти нометри чески х наблю дени й и обработка результатов наблю дени й будетрассмотрена отдельно.
4
1. О С НО В НЫ Е П О Л О Ж ЕНИ Я
А кти нометри чески е наблю дени яна ги дрометеорологи чески х станц и ях и мею т ц ель ю получени еданны х о ради ац и онном реж и ме, необходи мы х для научны х ц елей и практи ческого и спользовани яв разли чны х отраслях народного хозяйства.
Ради ац и онны й реж и м земной поверхности создаетсялучи стой энерги ей, при ходящ ей кземной поверхности и уходящ ей отнее. Д ляземли основны м и с- точни ком лучи стой энерги и являетсясолнц е. Л учи стаяэнерги ясолнц а, проходя через атмосферу, рассеи ваетсяи поглощ ается. В следстви е рассеи вани ялучи - стаяэнерги ясолнц а на уровнеземной поверхности наблю даетсянетолько в ви депараллельного пучка лучей, и дущ и х отсолнц а, но такж еи в ви дерассеянной ради ац и и , падаю щ ей от всех точекнебесного свода. Д ости гаяземной поверхности солнечнаяради ац и ячасти чно отраж ается, в результатечего возни кает отраж еннаяради ац и я. Н еотраж еннаячасть ради ац и и поглощ ается, превра- щ аясь в тепло. Н агретаяповерхность в свою очередь станови тсяи сточни ком собственного и злучени я, направленного к атмосфере. А тмосфера, нагреваю - щ аясяз а счеттеплообмена сземной поверхность ю , такж еявляетсяи сточни ком и злучени я, направленного кземной поверхности и в ми ровоепространство.
П еречи сленны е вы ш е ви ды ради ац и и обладаю т разли чны м спектраль - ны м составом. Спектральны й состав ради ац и и характери зуетсяраспределени ем лучи стой энерги и по дли нам волн. Л учи стую энерги ю , заклю ченную в пределах дли н волн от 0,3 до 4 ми крометров (мкм) (1 мкм=10-3мм=10-6 м), в акти нометри и при нято назы вать коротковолновой, а в области 4 - 100 мкм - дли нноволновой.
Слой земной поверхности , в котором прои сходи тпоглощ ени еради ац и и , назы ваетсядеятельны м слоем.
Т олщ и на деятельного слояв зави си мости от свойств поверхности мож ет бы ть разли чной. Д ляестественной поверхности почвы при отсутстви и расти - тельного и ли снеж ного покрова толщ и на деятельного слоямож ет менятьсяот долей ми лли метра в случаеуплотненной почвы до нескольки х санти метров для разры хленной почвы . Д ляснега эта толщ и на составляет десятки санти метров; дляводы , в зави си мости от еепрозрачности , - метры и десятки метров. Расти - тельны й покров такж есоставляет деятельны й слой, толщ и на которого определяетсявы сотой расти тельности . В метеорологи и в качестверавнозначного терми на пользую тсятерми ном «деятельнаяповерхность », при меняемы м и в даль - нейш ем и злож ени и .
О сновны ми элементами ради ац и онного реж и ма, си стемати чески и змеряемы ми на акти нометри чески х станц и ях, являю тсяпрямаясолнечнаяради а- ц и я, рассеяннаяради ац и янеба, суммарная солнечнаяради ац и я, отраж енная земной поверхность ю ради ац и яи остаточнаяради ац и я, и ли ради ац и онны й балансдеятельной поверхности .
П рям ой сол нечной радиацией назы ваетсяради ац и я, поступаю щ ая к земной поверхности непосредственно отсолнц а и околосолнечной зоны ради у- сом 5° . О на и змеряетсяна поверхности , перпенди кулярной направлени ю сол-
|
|
|
5 |
|
нечны х |
лучей, |
и |
условно обозначается буквой S. |
П рямая |
ради ац и я, |
при ходящ аяна гори зонтальную поверхность (обозначаетсябуквой |
S'), непосредственно неи змеряется, а вы чи сляетсяпо формулеS'=S sin h, где h-вы сота солнц а над гори зонтом.
Рассеянной сол нечной радиацией (и ли просто рассеянной ради ац и ей)
назы ваетсяради ац и я, поступаю щ аяна гори зонтальную поверхность отвсех точекнебесного свода, за и склю чени ем ди ска солнц а и околосолнечной зоны ради усом 50 , в результате рассеяни ясолнечной ради ац и и молекулами атмосферны х газов, водяны ми капельками и ли ледяны ми кри сталлами облаков и тверды ми части ц ами , взвеш енны ми в атмосфере. Рассеяннаяради ац и яусловно обозначаетсябуквой D.
С ум м арной сол нечной радиацией (и ли просто суммарной ради ац и ей)
назы ваетсяобщ и й при ход кгори зонтальной поверхности прямой солнечной и рассеянной ради ац и и , обозначаемой буквой Q. Следовательно, Q= S'+D.
Суммарнаяради ац и я, дош едш аядо деятельной поверхности , нетолько поглощ ается, но части чно и отраж ается. Часть суммарной ради ац и и , отраж еннаяот деятельной поверхности , назы ваетсяотраж енной радиацией и обозначаетсябуквой Rk.
П о вели чи нам суммарной и отраж енной ради ац и и мож етбы ть вы чи слена весьма важ наяради ац и оннаяхарактери сти ка деятельной поверхности - ееал ь- бедо (условное обозначени е А к). А льбедо есть отнош ени е отраж енной от поверхности ради ац и и кпри ходящ ей суммарной ради ац и и , т.е. А к=Rk/Q. В ели - чи на альбедо вы раж аетсяв долях еди ни ц ы и ли в проц ентах.
П ракти чески всялучи стаяэнерги япрямой, рассеянной, суммарной и отраж енной ради ац и и сосредоточена в области спектра от0,3 до 4 мкм. П оэтому перечи сленны евы ш еви ды ради ац и и получи ли названи екоротковолновы х. В не эти х пределов остаетсяменее1 % полного и злучени ясолнц а.
Разность меж ду суммарной и отраж енной ради ац и ей назы ваетсяоста-
точной коротковол новой радиацией, и ли бал ансом |
коротковол новой |
ра- |
диации и обозначаетсяси мволом В к. В ели чи на В к представляетсолнечную |
ра- |
|
ди ац и ю , поглощ енную деятельной поверхность ю : |
|
|
В к = S' + D –Rk = Q - Rk = Q (1 - А к). |
атмосферы назы вается |
|
Т епловое и злучени е деятельной поверхности |
дли нноволновы м, таккакпри обы чны х температурах оно заклю чаетсяв преде-
лах дли н волн 4— 100 м к м . |
Собственное и злучени е деятельной поверхности |
(обозначаетсяЕ з). |
направлено каккземле, таки в ми ровоепростран- |
И злучени еатмосферы |
ство. Часть атмосферного и злучени я, направленнаявни з и поступаю щ аякгори - зонтальной земной поверхности , назы ваетсядл инновол новой радиацией ат- м осферы , проти вои злучени ем атмосферы и ли встречны м и злучени ем (обозна-
чаетсяЕa).
Д ли нноволноваяради ац и яатмосферы части чно отраж атсяземной поверхность ю обратно в атмосферу. Э та часть назы ваетсядл инновол новой от-
раж енной радиацией и обозначается сим вол ом Rд. П о сравнени ю сЕ з вели -
чи на Rд мала и ею обы чно пренебрегаю т.
|
|
6 |
|
Д ли нноволновы е |
потоки |
ради ац и и (Е a и Е з ) неи змеряю тсяна |
|
станц и ях. К освенны м путем определяетсятолько и х разность В д=Е |
a— Е з— Rд, |
||
котораяназы ваетсяостаточной дл инновол новой радиацией и ли |
балансом |
дли нноволновой ради ац и и . В ели чи на В д, взятаясобратны м знаком, назы вается
эффективны м изл учением деятельной поверхности Е ЭФ :
Е з+ Rд –Е а≈ Е з–Е а= Е эф = - В д
Д еятельнаяповерхность в лю бой моментподвергаетсявоздействи ю разли чны х ви дов ради ац и и . П о и х направлени ю (кдеятельной поверхности и ли от нее) мож но разли чи ть при ходны е и расходны есоставляю щ и еради ац и онного реж и ма поверхности . П ри ход ради ац и и кгори зонтальной поверхности состои т и з прямой ради ац и и S', рассеянной D и и злучени яатмосферы Е а. Расход склады ваетсяи з отраж енной ради ац и и Rк и и злучени ядеятельной поверхности Е з (отраж ени едли нноволновой ради ац и и неучи ты вается, т. е. при ни маетсяRд=0).
Разность меж ду всей при ходящ ей ради ац и ей (S'+D+Ea) и всей уходящ ей (Rк+Е з) назы ваетсяостаточной радиацией, и ли ради ац и онны м балансом деятельной поверхности . Э та разность обозначаетсябуквой В . Следовательно,
В = S' + D + Е а - Е з,
и ли
В= В к+ В д.
Вели чи на В получаетсяв результатенепосредственны х и змерени й, дли н- новолновы й ради ац и онны й балансопределяетсявы чи слени ем:
Bд= B –Bк= B - (Q - Rk) = B + Rk - Q.
Ночь ю В к=0 и В =В д, т. е. ради ац и онны й балансстанови тсяравны м балансудли нноволновой ради ац и и .
На ри с.1 при води тсясхема потоков ради ац и и .
Ри с.1.Ради ац и онны й балансдеятельной поверхности а)днем, б) ночью
7
За еди ни ц уи змерени яради ац и и при ни маетсяэнерги яв 1 кал, получаемая(и ли теряемая) 1 см2 поверхности в 1 ми н (размерность -кал/см2 *ми н).
Э та вели чи на назы ваетсяэнергетической освещенностью, обл ученностью п оверх ности, ил и п оверх ностной п л отностью п отокаизл учения. В практи -
ческой акти мнометри и при меняетсяравнозначны й терми н «и нтенси вность ради ац и и ». В меж дународной си стемеС И и нтенси вность ради ац и и вы раж аетсяв
ваттах на 1 м2 (вт/м2 ) и ли ми лли ваттах на 1 см2 (мвт/см2); 1 кал/см2*ми н= 69,8 |
|
мвт/см2 и ли 1 мвт/см2 =0,01433 кал/см2 |
* ми н. |
Т епловоевоздействи епотоков ради ац и и на деятельную поверхность и на |
ж и вы е органи змы характери зуетсяколи чеством обл учения, представляю щ и м прои зведени еоблученности на времяеедействи я. В акти нометри и какси нони м коли чества облучени япри меняетсятерми н кол ичество и ли сум м арадиации. Сумма ради ац и и за определенны й промеж утоквремени вы раж аетсяв кал/см2. О на мож ет бы ть вы раж ена такж ев ми лли ватт-часах на 1 см2 (мвт * час/см2) (1 мвт*чac/cм2 = 0,86l кал/см2) и ли в дж оулях на 1 см2 (дж /см2) (1 дж =0,239 кал). Сумма ради ац и и обозначаетсяпропи сной греческой буквой Σ с добавлени ем условного обозначени яви да ради ац и и и и ндекса, указы ваю щ его, з а какой промеж уток времени определяетсясумма (ч— час, с— сутки , м— месяц , г— год).
Н апри мерΣ S, Σ Q, Σ D и т.д.
ч м г
Н а станц и ях месячны е суммы рассеянной, суммарной и остаточной ради ац и и (ΣмD, ΣмQ и ΣмB) вы чи сляю тсяпо срочны м наблю дени ям. П ри нали чи и акти нометри чески х самопи сц ев по непреры вной запи си ради ац и и вы чи сляю тся часовы есуммы , по которы м подсчи ты ваю тсясуточны еи месячны есуммы .
Н а ги дрометеорологи чески х станц и ях при меняетсятермоэлектри чески й метод и змерени яради ац и онны х потоков. И змеряемаяради ац и япоглощ ается черной при емной поверхность ю при бора, превращ аетсяв тепло и нагреваетакти вны еспаи термобатареи , тогда какпасси вны еспаи ненагреваю тсяради ац и ей и и мею тболеени зкую температуру. В следстви еразли чи ятемпературакти вны х и пасси вны х спаев на вы водах термобатареи возни каеттермоэлектродви ж ущ ая си ла (термоэдсε, пропорц и ональнаяразности температур, котораяв свою очередь пропорц и ональна действую щ ей на при бори нтенси вности ради ац и и I). Т а- ки м образом, ε=KI. К оэффи ц и ент пропорц и ональности К назы ваетсячувстви -
тельность ю |
при емни ка ради ац и и и вы раж аетсяв ми лли вольтах (мв) на кал/см2 |
*ми н. П ри |
и змерени ях и нтенси вности ради ац и и при боры при соеди няю тсяк |
гальванометру, которы м и змеряетсяси ла тока i, возни каю щ его в замкнутой ц е- пи при бора под действи ем термоэдс.
П о законуО ма:
i=ε* (RБ+ Rг)-1 = Kl(RБ+ Rг)-1
где, RБ и Rг - соответственно сопроти влени етермобатареи и гальванометра. П од действи ем тока i стрелка гальванометра откланяетсяна чи сло делени й N, так что i=αN. В ели чи на α назы ваетсяц еной делени ягальванометра к току и и змеряетсяв ми кроамперах (10-6 а) на 1 делени еш калы гальванометра.
|
|
|
8 |
|
|
|
= Kl(RБ+ Rг)-1 |
||
И з |
при веденны х |
соотнош ени й |
следует, что αN |
||||||
откуда и змеряемаяи нтенси вность ради ац и и |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
l= α(K*1000)-1 (RБ+ Rг)*N=aN , |
|
|
|
||||
|
если К вы раж ено в ми лли вольтах на 1 кал/см2 |
* ми ни |
α в 10-6 а. |
||||||
|
В ели чи на a=α(K*1000)-1 (RБ+ Rг) |
назы ваетсяпереводны м множ и телем |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||||
пары |
при емни к— гальванометр, и ли ц еной делени ягальванометра, в калори ях |
||||||||
|
|
|
|||||||
на 1 см2* ми н. Т аккаквели чи ны α, К , RБ и Rгуказы ваю тсяв поверочны х сви де- |
|||||||||
тельствах при боров, то вели чи ну α мож но бы ло бы |
|
вы чи слять . О днако в про- |
|||||||
ц ессе эксплуатац и и |
при боров и х характери сти ки могут и зменятся. Н аи более |
часто и зменяетсячувстви тельность при емни ка К в результатестарени якрася- щ и х покры ти й при емны х поверхностей при боров. Д ляконтроляпостоянства вели чи н К и α они определяю тсяси стемати чески путем сравнени й споказани ями контрольного при бора, поверенного по эталонному при бору – пи ргели ометру.
2. О П И С А НИ Е П РИ БО РО В
2.1 П РИ М ЕНЯ ЕМ Ы Е П РИ БО РЫ
Д ляпрои зводства акти нометри чески х наблю дени й в качествепри емни - ков ради ац и и на станц и ях при меняю тсяследую щ и етермоэлектри чески епри - боры .
Дляи змерени й прямой ради ац и и — акти нометрСави нова— Я ни ш евского
АТ -50.
Д ля и змерени й рассеянной, суммарной |
и отраж енной ради ац и и - |
уни версальны й пи ранометрЯ ни ш евского -80. |
|
Д ляи змерени й ради ац и онного баланса — |
балансомерЯ ни ш евского ти па |
-10.
В качествеэлектрои змери тельного при бора, ккоторому при соеди няю тся термоэлектри чески е при емни ки ради ац и и , при меняетсястрелочны й акти нометри чески й гальванометрГСА -1.
2.2А К ТИ НО М ЕТР
Акти нометрпредназначендляи змерени япрямой солнечной ради ац и и .
АТ -50 состои т и з корпуса спри емни ком, трубки и ш тати ва. П ри емни ком
ради ац и и служ и тди ски з серебряной фольги 1 (ри с. 2), зачерненны й со сторо-
ны , обращ енной ксолнц у. В |
ц ентреди ска вы резано круглоеотверсти е. К дру- |
гой сторонеди ска при клеены |
внутренни е(акти вны е) спаи 2 термобатареи , со- |
стоящ ей и з 36 термоэлементов, соеди ненны х последовательно и располож енны х в ви дезвездочки . Т ермоэлементы состояти з мангани новы х и константановы х полосок и и мею т по два спая: внутренни й и внеш ни й. В неш ни е(пасси в- ны е) спаи 3 термобатареи при клеены кмедному кольц у 4, заж атому в масси в- ном корпусепри бора. Т ермобатареяи золи рована от серебряного ди ска и медного кольц а папи росной бумагой, пропи танной ш еллаком.
П ри и змерени ях зачерненны й серебряны й ди ск поглощ ает солнечную
|
|
9 |
|
ради ац и ю . |
В следстви е |
этого температура ди ска и |
внутренни х |
(акти вны х) |
спаев термобатареи , |
находящ и хсяв тепловом контакте с ди ском, |
повы ш ается. В неш ни е (пасси вны е) спаи и мею т температуру корпуса, которая бли зка ктемпературенаруж ного воздуха. И з -з а разности температур внутренни х и внеш ни х спаев на вы водах термобатареи появляетсянапряж ени е, а при замы кани и внеш ней ц епи термобатареи в ней возни кает термоэлектри чески й ток, и змеряемы й вклю ченны м в ц епь гальванометром.
К орпус акти нометра состои т и з чаш ки 7 (ри с. 3) и втулки 11, которы е сви нчи ваю тсямеж ду собою , а меж ду ни ми заж и маетсямедноекольц о 8. К райни еэлементы термобатареи проводни ками 6, вы веденны ми через отверсти яв задней чаш кекорпуса, соеди няю тсясклеммами 5. К ни м при паяны ги бки еи з о- ли рованны епровода 3 длясоеди нени ясгальванометром. Д ляустранени явли я- ни яветра отверсти яв корпусезали ты и золи рую щ ей замазкой. К орпусзакры т чехлом 2, которы й закрепляетсяви нтом 4. П ередняячасть втулки 11 корпуса вставляетсяв медную трубку 19 и закрепляетсяви нтом 12. В трубкеукреплены ди афрагмы 15, располож енны ев порядкеувели чени яди аметра и х отверсти й по мереудалени яот при емни ка. П оследняяди афрагма ди аметром 20 мм, служ а- щ аяпри емны м отверсти ем акти нометра, соеди нена скольц ом 18 и укрепляется в трубкеви нти ком 17. Четы ревнутренни еди афрагмы укреплены в трубкепосредством распорки 16 и пруж и ной ш айбы 14. М еж ду пруж и ной, ш айбой и передней частью корпусапролож енаплоскаяш айба 13. Н аи меньш аяди афрагма 9 ди аметром 10 мм соеди нена скорпусом. Д и афрагмы вы чернены свнутренней стороны . Т рубка 19 сди афрагмами защ и щ аетпри емни какти нометра ответра и рассеянной ради ац и и . Ц ентральны й уголотверсти яакти нометра равен10°. Э то означает, что ц ентр при емни ка акти нометра получает ради ац и ю от солнц а и
околосолнечной зоны неба ради усом 5°, что соответствует определени ю |
пря- |
мой ради ац и и . Задняячасть трубки заканчи ваетсякольц ом 10 (ри с. 4), |
окра- |
ш енны м в белы й ц вет и служ ащ и м экраном дляпереднего кольц а 18, тень от которого при прави льной наводкеакти нометра на солнц едолж на бы ть конц ентри чна сокруж ностью кольц а 10. Д ляболееточной наводки на солнц ев переднем кольц е10 и меетсяотверсти е9 (ри с. 4), проти в которого на кольц е6 нанесена точка.
Э та точка при наведенном на солнц еакти нометредолж на находи тьсяв ц ентресолнечного «зайчи ка»от луча, прош едш его через отверсти е9 в кольц е 10 (рис . 4). Д лязащ и ты при емни ка отзагрязнени яи дляопределени яместа нулягальванометра при и змерени ях трубка акти нометра закры ваетсякры ш кой 1.
К орпусакти нометра, соеди ненны й струбкой, установленна параллакти - ческом ш тати ве, опи раю щ емсяна столби к15, укрепленны й на основани и футляра. Д ляустановки акти нометра по мери ди ануна основани и нанесена стрелка. Н а ш тати ве и меетсяось 11 (ось ш и рот), наклон которой спомощ ью ви нта 3 мож етрегули роватьсяи закреплятьсяв соответстви и сш и ротой места. Д ляэтого на секторе14 в ни ж ней части параллакти ческого ш тати ва нанесена ш кала, а на столби ке— ри ска 2, по которой прои зводи тсяотсчетугла меж ду осью ш и рот и гори зонтом. Н а ось 11 надет держ атель , в котором ви нтом 4 закреплена ось склонени й 5, несущ аятрубкуакти нометра 8. В ращ ени ееевокругоси 11
10
Ри с. 2. П ри емни ктермоэлектри ческого акти нометра
Ри с. 3. П родольны й разрез трубки термоэлектри ческого акти нометра