A SUGÁRZÁS ÉS MÉRÉSE

Átírás

1 A SUGÁRZÁS ÉS MÉRÉSE

2 Sugárzási alapismeretek Energia J Évi bejövő sugárzásmennyiség os kínai földrengés 5006 Föld széntartalékának energiája 1952 Föld olajtartalékának energiája 179 Föld gáztartalékának energiája 134 Krioszféra által abszorbeált látens hő 15 Északi-tenger olajtartaléka 3 Éves energiafelhasználás (USA) 0,75 Éves energiafelhasználás (UK) 0,09 Hőfluxus a Föld belsejéből 0,006 A Krakatau 1883-as kitörésekor felszabadult energia 0,00149 A csillagokból érkező össz. sugárzás 0, Energiamennyiségek összehasonlító táblázata

3 Sugárzási alapismeretek Alapismeretek Sugárzások: 1. Részecskesugárzás (korpuszkulásris anyag elektronok, protonok) 2. Elektromágneses sugárzás (zérus nyugalmi tömegű fotonok árama) Elektromágneses sugárzás: Prévost-tétel: Minden test sugároz környezetének hőfokától függetlenül

4 Az elektromágneses sugárzás jellemzői hullámtermészet az energia és a hullámhossz fordított arányban állnak terjedési sebesség (v) (független a hullámhossztól és a sugárzást kibocsátó test tulajdonságaitól). Légüres térben minden elektromágneses sugárzásra ugyanakkora 8 1 (fénysebesség): c 2, ms hullámhossz (l) frekvencia (f) [s 1 ] f v 1 sugárzás erőssége: -sugárzásfluxus (időegység alatt kibocsátott, vagy kapott energia mennyiség: J s 1 = W) -radiancia (egységnyi felület által egységnyi térszögben kibocsátott, vagy kapott sugárzásfluxus: W m 2 steradián) radiancia függ a test anyagi tulajdonságaitól fekete test

5 Az elektromágneses sugárzás

6 Sugárzási törvények Kirchoff-törvény (1860): a kibocsátott és elnyelt sugárzás aránya állandó egy test elnyelése (abszorpciója) és kibocsátása (emissziója) függnek: -hőmérséklet -hullámhossz -test tulajdonságai (felület, szín,...) így az egyes testek abszorpciója és emissziója eltérő, azok aránya viszontállandó: e( l,t) a( l,t) E( l,t) A( l,t) E( l,t) ahol A(l, T) az abszolút fekete test abszopciója = 1. Következmények: -a kisugárzott és elnyelt energiák hányadosa nem függ az anyag minőségétől -a jó elnyelő test egyben jó kisugárzó is

7 Sugárzási törvények Planck-törvény (1900): egy test által kisugárzott energiaspektrumot írja le: E( l,t) e c l 5 1 c2 / lt 1 c c , J m s 2 2 1, m K ez a korábban ismert Rayleigh-Jeans féle képlet (az infravörös tartományban írja le a sugárzás eloszlását) és a Wien-féle képlet (az ultraibolya tartományban írja le a sugárzás eloszlását) egyesítése két fontos megállaptás: Minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a kisugárzott teljes energia Minél magasabb a hőmérséklet, annál kisebb a max. hullámhossz ezeket a Wien-tv. és a S-B-tv. írják le

8 Sugárzási törvények Wien-törvény (1893): a fekete test maximális emisszió képességéhez tartozó hullámhossz (l max ) az abszolút hőmérséklettel fordítva arányos 2884 l max[ m] Tc a konstans csak empirikusan állapítható meg Eltolódási törvénynek is hívják: megadja, hogy a hőmérséklet növekedésével hogyan tolódik el a kisugárzás maximuma az alacsonyabb hullámhossz irányába

9 Sugárzási törvények Stefan-Boltzman-törvény ( ): empirikus, ill. elméleti úton leírt törvény: a fekete test teljes kisugárzott energiája csak a hőmérséklettől függ: fekete testre: E szürke testre: teljes T 4 E teljes T a Stefan-Boltzman-féle állandó: 4 5, W m 2 e a szürkeségi tényező K 4

10 A Nap sugárzása Részecske sugárzás hatásai: sarki fény, rádióhullámok terjedése Elektromágneses sugárzás A Nap elektromágneses sugárzásának 99%-a 0,15 és 4 m közé esik (Rövidhullámú sugárzás) l max 0,474 m ebből a Wien törvény alapján meghatározható a Nap színhőmérséklete: T = 6100 K (valóságban valamivel alacsonyabb, 5800 K, mert a Nap nem tökéletes fekete test) Sugárzás a légkör határán: Mérések alapján a légkör külső határára érkező sugárzás állandó, értéke: S 1390W m 2

11 A felszínre érkező sugárzás tér- és időbeli eloszlása 1. A Nap-Föld távolság változása: -nem idéz elő nagy változást napközel: december, naptávol: június (Az eltérés az átlagoshoz képest 1,67%) Déli félteke nyara napközelben, Északi naptávolban következik be DE mégsem jut a Déli félteke több sugárzáshoz, mert ez az időszak 8 nappal rövidebb, mint a téli szakasz.

12 A felszínre érkező sugárzás tér- és időbeli eloszlása 2. Föld árnyéka: Következmények: -a légkör magasabb rétegeiből egyre kisebb hányad esik a Föld árnyékába -nyári napforduló idején a magassággal együtt nő az a légköri övezet, ahol a Nap állandóan a horizont fölött van (téli napforduló esetén fordítva) -a légkör felső rétegeiben a pólusok fölötti tartomány évi összegben több napsütést élvez, mint az alacsonyabb szélességek Hatások: légkör magasabb rétegeiben a hőmérséklet eloszlása magaslégköri áramlások

13 A felszínre érkező sugárzás tér- és időbeli eloszlása 3. Beesési szög: -erős változást okoz a felfogott sugárzásban -földrajzi övezetesség -domborzat sugárzási viszonyai (irányítottság, sugárzás változása a magassággal)

14 A napsugárzás légköri újra-eloszlása

15 Elnyelések a rövidhullámú tartományban Ózon: a spektrum 0,22 és 0,29 m közötti része kisebb elnyelés 0,5 és 0,7 m között az elnyelés a beérkező energia kb. 2%-át érinti jelentős elnyelés hosszúhullámon, de infravörösben is Vízgőz: hatása leginkább az alsó 5 km-es rétegben érvényesül eloszlása nagyon változékony Szén-dioxid: több elnyelési sáv, eloszlása egyenletesebb

16 Szóródások nem történik energiaátalakulás (sugárzási energiából hőenergia) a sugárzás terjedésének iránya változik molekulák:rayleigh a szóródás mértéke fordítottan arányos a hullámhossz 4-ik hatványával következmény: a látható spektrum kék széle 16-szor jobban szóródik, mint a vörös (ég kék színe, lenyugvó Nap vöröses színe) részecskék: Mie hullámhossz függés jóval kisebb fordítottan arányos a hullámhossz 1,3-ik hatványával következmény: légkör külső határán a max. energiát hordozó sugárzás a 0,474 m-es, a felszínen a 0,555 m-es (a szemünk erre a legérzékenyebb)

17 A Föld hosszúhullámú sugárzása terresztriális sugárzás Föld átlaghőmérséklete: 288K Kisugárzás: 4 és 100 m között, maximum: 10 m-nél Gyengítések: vízgőz, 20 m fölött, 5-8 m között szén-dioxid: 3,5-4 m, m között légköri ablak: 8-13 m között

18 A sugárzási egyenleg komponensei RH sugárzás a felszínen (0,286 4 m hullámhosszúságú sugárzás a Nap sugárzásának 99%-a) Globálsugárzás: a vízszintes síkra a felső féltérből érkező összes rövidhullámú sugárzás. Diffúz sugárzás (szórt, vagy égboltsugárzás): a vízszintes síkra a felső féltérből érkező összes rövidhullámú sugárzás, kivéve ami a Nap korongjának irányából érkezik. Direkt (közvetlen) sugárzás: a Nap korongjának térszögéből a Nap irányára merőlegesen álló felületre belépő rövidhullámú sugárzás. Reflex (visszavert) sugárzás: a vízszintes síkra az alsó féltérből érkező rövidhullámú sugárzás.

19 A sugárzási egyenleg komponensei HH sugárzás (4 80 mm hullámhosszúságú sugárzás a Föld+légkör sugárzásának 99%-a) Légköri visszasugárzás: a vízszintes síkra a felső féltérből érkező összes hosszúhullámú sugárzás. (A felszín által felmelegített légkör energiájának egy részét visszasugározza a felszín felé). Kisugárzás: a vízszintes síkra az alsó féltérből érkező összes hosszúhullámú sugárzás.

20 A sugárzási egyenleg komponensei Rövidhullámú sugárzási egyenleg: a globálsugárzás és a reflex sugárzás különbsége. Hosszúhullámú sugárzási egyenleg: a légköri visszasugárzás és a kisugárzás különbsége. Teljes sugárzási egyenleg: a rövid- és hosszúhullámú sugárzási egyenlegek összege. Albedó: a vízszintes síkról visszavert, illetve oda beérkező rövidhullámú sugárzás hányadosa; értéke 0 és 1 közötti.

21 Albedó Felszín-típus Nyári félév Albedó értékek Téli félév vízfelszín 0,08 0,08 hófelszín - 0,40 0,85 csupasz talaj 0,15 0,15 alacsony vegetáció 0,19 0,23 közepes vegetáció 0,17 0,23 erdő - lombhullató erdő 0,16 0,17 - vegyes erdő 0,14 0,15 - tűlevelű erdő 0,12 0,12 beépített területek 0,18 0,18

22 Rövidhullámú sugárzási egyenleg

23 Hosszúhullámú sugárzási egyenleg

24 Globális sugárzási mérleg

25 Globális energiamérleg

26 Meridionális energiatranszport

27 A SUGÁRZÁS MÉRÉSE

28 Mit mérünk? a sugárzási egyenleg komponenseit, mint a sugárzás erősségét a napfénytartamot, mint a sugárzás mennyiségét A sugárzás erősségét 1 négyzetméterre jutó 1 Watt energia egységben (W m -2 ) A napfénytartamot a napsütéses órák számában adjuk meg.

29 A műszerek elvi felépítés 1. Fotonhatáson alapuló műszerek: A sugárzás befolyásolja az érzékelő elektromos tulajdonságait. Az érzékelő azt használja ki, hogy a sugárzás fotonokból áll, azok elnyelése hatással van az elnyelő anyag elektronjainak állapotára (fotocella, fényelem, fotodióda, fototranzisztor, fotoellenállás, fotoelektronsokszorozó) hátrány: csak keskeny spektrális sávban érzékenyek 2. Hőhatáson alapuló műszerek: A hőhatás eredményeként hőtágulás, vagy elektromos hatás következik be. Ezt számszerűsítve tudjuk meghatározni a sugárzás erősségét. 2.a.: kalorimetrikus érzékelők: 2.b.: termikus érzékelők: -termomechanikus érzékelők -termoelektromos érzékelők

30 Sugárzástani műszerek Pirheliométer: a direkt sugárzás mérésére szolgáló műszer. Létezik spektrális változata is. Piranométer: egy vízszintes síkra a sík feletti féltérből érkező rövidhullámú sugárzás mérésére. Létezik spektrális változata is. Fitopiranométer: a PAR mérésére (szűrőkkel) Pirgeométer: valamely féltérből érkező teljes hosszúhullámú sugárzás mérésére szolgáló műszer. Pirradiométer: egy vízszintes síkra a sík feletti féltérből érkező teljes (rövid + hosszúhullámú) sugárzás mérésére. Sugárzási egyenleg mérő (nettó pirradiométer): A teljes sugárzási egyenleg mérésére szolgáló műszer. Napfénytartam mérő (pirheliográf): a napfénytartam mérésére szolgáló műszer. Nap-fotométer: spektrofotométer, amely a spektrális direkt sugárzás mérésére szolgál.

31 Pirheliométer A közvetlen (direkt) sugárzás intenzitását méri (W/m 2 ) Abszolút műszer: hitelesítésre használják. Nap felé kell mindig fordítani (a Napkorong útját követi a műszer). Általában több manganin lamella van egymás mellett, ezeket váltva árnyékolják. Az árnyékolt lemezeket csak a diffúz (szórt) sugarak érik, a nem árnyékoltakat direktek is. Az árnyékolt lemez hőmérséklete alacsonyabb, mint a nem árnyékolté. Mérési elve: melegíti az árnyékolt lamellát, és hőmérséklet kiegyenlítéshez szükséges áramerősséget mérve megkapjuk a direkt sugárzás intenzitását.

32 Piranométer Globálsugárzás intenzitását méri (W/m 2 ) (direkt + diffúz) = rövid hullámú sugárzás üvegbura Alulról jövő sugárzást az oldalt elhelyezkedő kis tányérok árnyékolják le. Üvegbura szerepe: - kiszűri a hosszúhullámú sugárzást - védi az érzékelőt a környezeti hatásoktól (szél, csap., por) Sugárzás hatására hőmérséklet különbség alakul ki a műszertest, az érzékelő lemez és az üvegbura között - elektromos áram indul meg, melynek intenzitása szoros kapcsolatban van a sugárzás intenzitásával (termoelektromos műszer). Lefelé fordítva a reflex (visszavert rövidhullámú) sugárzás mérhető (albedó meghatározható).

33 Nettó pirradiométer (sugárzási egyenleg mérő) Nettó sugárzást (sugárzási egyenleget) méri (W/m 2 ): a teljes felfelé és lefelé haladó sugárzás különbségét. Egy műszerben helyeznek el felfelé és egy lefelé néző szenzort, és a két felfogó test hőmérséklet-különbségéből származtatják a kimen jelet. A szenzorokat lupolen bura védi, (0,3 60 μm között egyenletesen engedi át a sugárzást). A pontos méréshez arra van szükség, hogy a két szenzor érzékenysége teljesen azonos legyen.

34 Napfénytartam mérő A napfénytartam (órában), azaz a napsütés időtartamának meghatározására (direkt sugarak, a napkelte és a napnyugta időpontja között eltelt időszakban, melynek elméleti napi maximális értékét az adott napi borultság csökkenti). Campbell-Stokes-féle: 96 mm-es üveggömb, a Napból érkező párhuzamos sugárnyalábot 1 pontban fókuszálja, és az átellenes oldalon lévő papírt kiégeti. É D tájolású (Dél felé néz).