TGBL1116 Meteorológiai műszerek. Meteorológiai sugárzásmérés

Átírás

1 TGBL1116 Meteorológiai műszerek Bíróné Kircsi Andrea Egyetemi tanársegéd DE Meteorológiai Tanszék Debrecen, 2008/2009 II. félév Meteorológiai sugárzásmérés Sugárzásmérések Minden 0 K-nél magasabb hőmérsékletű test sugárzást bocsát ki magából elektromágneses hullámok formájában, és ezzel energiát ad le. A Napból érkező sugárzás: részecskesugárzás + elektromágneses (EM) sugárzás Jellemezhető: hullámhossz, frekvencia, terjedési sebesség. Az elektromágneses sugárzás tulajdonságai: Minden irányban terjed a forrásából, a légüres térben is, azaz közvetítő közeg nem szükséges. A hőenergiává alakuláshoz anyag szükséges. Anyagi y g és hullámhossz természete is van. A hullámhossz a két szomszédos hullámcsúcs távolsága. λ [µm] A frekvencia az adott idő alatt elhaladó hullámcsúcsok száma. A kettő között fordított arány jellegű kapcsolat áll fenn. Sugárzási törvények Minden sugárzási törvény az úgynevezett abszolút fekete test állapotra készült, ami annyit jelent hogy a testet idealizálva tekintjük, azaz úgy vesszük, hogy a test az összes elnyelt sugárzást maradéktalanul vissza is sugározza. Ilyen test nincs, de ezen állapotot megközelítő test sok van, illetve a számításainkhoz elegendő az ilyen pontosság. Sugárzási törvények Plank törvény: A Plank törvény kimondja, hogy az adott hullámhosszhoz tartozó energia a hullámhossz és a hőmérséklet függvénye. Kirchoff törvény: Kimondja azt hogy ha valamely test T hőmérsékleten és λ hullámhosszon e(λ T)mennyiségű bocsát ki magából és ugyanilyen feltételek mellett a(λ T) mennyiségű energiát nyel el. Stefan-Boltzmann törvény: Stefan-Boltzmann törvény szerint a kisugárzott összes energiamennyiség csak a sugárzó test abszolút hőmérsékletétől függ, annak negyedik hatványával arányos. Wien-féle törvény: Azaz a sugárzás eltolódási törvény szerint a maximális sugárzás hullámhossza a rövidebb vagy hosszabb hullámhossz-tartományokba tolódik el a sugárzó test hőmérsékletének függvényében. 1

2 Sugárzásmérések célja 1.A teljes sugárzási egyenleg és komponenseinek meghatározása, időbeli-területi alakulásának vizsgálata. 2. Alapvető fontosságú a a földi élet számára, Az adott hely klímájában objektív adottság, A globális klímaváltozást előrejelző modellek bemenő paraméterei, Alternatív energiaforrás, Műholdas mérések felszíni verifikálásához (ellenőrzéséhez) elengedhetetlenek, A spektrális intenzitás mérések információt adhatnak különböző hullámhossztartományban elnyelő légköri anyagok koncentrációjáról, pl.: légköri összózon, SO 2, aeroszol optikai mélység. Az elektromágneses spektrum meteorológiai felosztása A felszín sugárzási egyenlege Globálsugárzás (S) összetevői: direkt (közvetlen) + diffúz (szórt) röntgen UV-C -B UV-A ULTRAIBOLYA LÁT- HATÓ rövidhullám (szoláris) INFRAVÖRÖS hullámhossz, µm UVhosszúhullám (terresztriális) mikrohullám Rövidhullámú sugárzási egyenleg (λ<3.5µm): jól mérhető Érkező sugárzás - visszavert sugárzás E r = S (1 a) Hosszúhullámú sugárzási egyenleg(λ>10µm): problémásabb Empirikus képletek Felszín kisugárzása - légkör kisugárzása Eh = Ef E 4 l Ef = ε σ T ε=0.95 az emisszióképesség Teljes sugárzási egyenleg: E = E E t r h A sugárzás mérése Spektrum szerint: Irány szerint: haladó haladó Egyenleg Rövidhullám (λ<3.5µm) PIRANOMÉTER 1. Globál sugárzás 2. Diffúz sugárzás 3. Direkt sugárzás PIRHELIOMÉTER, AKTINOMÉTER 4.Visszavert sugárzás 5. Rövidhullámú sugárzási egyenleg Hosszúhullám (λ>10µm) PIRGEOMÉTER 6. Légköri visszasugárzás 7. Felszíni kisugárzás 8. Hosszúhullámú sug-i egyenleg Teljes sugárzás PIRRADIOMÉTER 9. Teljes lefelé haladó sug-i áramsűrűség 10. Teljes felfelé haladó sug-i áramsűrűség 11. Teljes sugárzási egyenleg A sugárzás mérése 1. Napsugárzás intenzitása [W/m 2 ] Direkt sugárzás Pirheliométer - direkt (Abbot-féle,Angström-féle) Aktinométer relatív (Michelson-Martin, Linke-Feussner) Rövidhullámú sugárzás Piranométer (Kipp&Zonen, Moll-Gorczynski) Hosszúhullámú sugárzás Pirgeométer Teljes sugárzás Pirradiométer Speciális mérések Napfotométer, Dobson spektrofotométer Brewer spektrofotométer 2. Napfénytartam [=ra] Campbell-Stokes Intenzitás mérésekből 2

3 A napsugárzás intenzitásának mérése A sugárzás erőssége jellemezhető azzal a hőmennyiséggel, amely akkor keletkezik, ha a sugárzást egy tökéletesen elnyelő testtel elnyeletjük. A sugárzás mértéke az a hőmennyiség, amely a sugárzás irányára merőlegesen állított egységnyi felületen egységnyi idő alatt keletkeznék, ha az a ráeső sugárzást teljesen elnyelné. Mértékegysége: W/m 2 Alkamazott mérési elvek: Hőmérsékletmérésre vezethető vissza a sugárzásmérés egy abszolút fekete test hőmérsékletét mérjük. Feszültség mérésre vezethető vissza a termoelektromosság jelenségét használja ki. Termoelem termo-oszlop Direkt sugárzás - pirheliométerek Abbot-féle pirheliométer Felül nyitott fémhenger, belső fala feketére van festve, Ebben diafragmák (1-6) csak a direkt sugárzást engedik be, A henger falán spirál alakban, ismert sebességgel víz áramlik, ez felmelegszik, hőmérsékletét a henger falával való érintkezés előtt (A), majd a falától való távozáskor mérik (A ), A víz mennyisége és fajhője ismert, a felmelegedésből számítható a sugárzás hőegyenértéke, Abszolút fekete test. Angström-féle pirheliométer A műszer egy teleszkóphoz hasonló és pontosan a Napkorongra kell irányítani. Általában más műszerek hitelesítésére használják másodlagos standard. Direkt sugárzást mérik. Angström-féle kompenzációs pirheliométer, amiben található egy termoelem melyre a fényt ráengedve elektromos áram indukálódik Angström-féle pirheliométer két egymás mellett fekvő fekete fémszalag termoelem aktív és passzív forrasztási pontjai, az egyik ki van téve napsütésnek, a másik nincs, ez utóbbit az előbbi hőmérsékletére melegítjük elektromos árammal, az ehhez szükséges áram mennyisége egyenlő azzal, amit a napsütötte elnyel, ez A-mérővel mérhető (az áram hőegyenértéke adja a sugárzás erősségét) Kevésbé tökéletes sugárzáselnyelő. Termoelektromos pirheliométerek Michelson-Martin-féle aktinométer Rövidhullámú direkt sugárzás relatív műszere Nemzetközileg elfogadott alapműszer, Érzékelője: feketére festett bimetall szalag, Ez meggörbülve kvarcszálat mozgat, ezt nagyítón keresztül olvashatjuk le egy skálán, Teljes színkép és egy-egy tartományból érkező sugárzás mérhető. A mérés menete: az érzékelő részt t ideig sugárzásnak tesszük ki, ekkor T hőmérsékletre melegszik. Ezután t ideig árnyékoljuk, ekkor T1 hőmérsékletre hűl. T-T1 arányos a sugárzás erősségével. 3

4 Moll-Gorczynski-féle sugárzásmérő direkt, szórt és globálsugárzás mérésére is alkalmas Felfogó feje egy több, sorba kapcsolt termoelemből álló termooszlop A termoelem aktív (sugárzásnak kitett) és inaktív (leárnyékolt) forrasztási helyei között a sugárzás erősségével arányos feszültségkülönbség keletkezik, ezt millivolt-mérő, műszer mutatja. Rövidhullámú sugárzás mérése - Piranométer A piranométerek a globálsugárzás mérésére szolgálnak, azaz a Nap és az égbolt együttes sugárzását mérik. Érzékelőjük vízszintes és az érzékelő felületét a teljes félgömbi tartományból érkező sugárzás szabadon éri. Az érzékelő két koncentrikus ezüstgyűrűből áll, a belső feketére, a külső fehérre van festve; a két gyűrű hőmérsékletkülönbségét egy úgynevezett termooszlop méri. Az itt ébredő termofeszültség arányos a beérkező rövidhullámú globálsugárzással. Direkt és szórt sugárzást mérik. thermopile sensor(1), domes (2), glass dome (2, 3), radiaton screen (4), signal cable (5), gland(6), leveling feet (7), printed circuit board(8), desiccant (9), level (11). Rövidhullámú sugárzás mérése - Piranométer Rövidhullámú sugárzás mérése - Piranométer Termoelektromos elven mérnek. Érzékelő üvegburával fedett ez választja szét a rövid és hosszúhullámú sugárzást, Az érzékelő által meghatározott féltérből érkező rövidhullámú sugárzást méri, Alkalmas szórt és globálsugárzás, lefelé fordítva a felszín kisugárzásának rövidhullámú részének mérésére. Kipp&Zonen-féle piranométer Rövidhullámú sugárzás mérése - Piranométer A szórt sugárzás mérésére olyan piranométereket alkalmaznak, melyen a megfelelő szögben egy 4 szélességű árnyékoló gyűrűt szerelnek fel, ami kitakarja a napot. Ha még egy ugyanilyen piranométert szerelünk fel az előzőtől eltérően úgy hogy érzékelője a felszín felé néz, akkor az azáltal felfogott értékek megegyeznek a felszínről visszavert napsugárzás értékeivel. A kettő különbsége adja a napsugárzás vagy a rövidhullámú sugárzás egyenlegét. Ezt más néven albedométernek is nevezhetjük. A fent említett két elem hányadosa az albedó, így egyazon műszerekkel már ez is mérhetővé vált. Hosszúhullámú sugárzás mérése - pirgeométerek Hosszúhullámú sugárzás mérésére szolgálnak: légkör visszasugárzása, vagy a felszín kisugárzása Matt fekete szenzorral rendelkeznek (alsó és felső részükön), a szenzor képes felfogni a 0,3 µm a 100 µm spektrumtartományba eső sugárzást. 0&pri=1&sm0=&dti=2&tfi=0 4

5 Teljes sugárzás mérése - pirradiométerek Sugárzásmérők elhelyezése Szerkezetileg hasonlít a piranométerre, azonban lupolen anyagú burája van, amely egyaránt átengedi a rövid- és hosszúhullámú sugarakat. Sugárzásmérők elhelyezése Pirradiométerek elhelyezése =1&sm0=&dti=2&tfi=0 instruments/radiation/instrument/instrument index.html Sugárzásmérők elhelyezése 5

6 Sugárzásmérők kalibrációja World Radiation Centre (WRC) Davos, Switzerland Legalább 3 stabil abszolút pirheliometer 95%-os megbízhatósággal, kevesebb, mint 1 Wm-2 bizonytalansággal a World Radiometric i Reference-hez. 5 évente összehasonlítás. Regional Radiation Centres (RRC) 700W/m 2 felett 95% megbízhatósággal 1 méréssel 6W/m 2 belül. Műszerpark, laborháttér, megfelelő személyzet Speciális mérések Brewer spektrofotométer segítségével vizsgálható: a légköri ózontartalom, UV-B sugárzás, SO 2 -koncentráció, aeroszol optikai mélység. Nap fotométer Aeroszol optikaimélység, Aeroszolok mikrofizikai és sugárzási tulajdonságai kutatásokhoz Műholdas mérések hibáinak jellemzői, validálása Ezek hatása más adatbázisokra Speciális mérések Az Országos Meteorológiai Szolgálat 1969 óta végez összózon (troposzférikus + sztratoszférikus) megfigyeléseket a pestlőrinci obszervatóriumában Napfénytartam mérés Napfénytartam függ: A légkör jelenléte és annak folytonosan változó sugárzásátbocsátóképessége miatt szükségesek a folyamatos sugárzásmérések Napfénytartam mérés egyszerű módon a direkt és szórt sugárzás időtartamának az elkülönítését teszi lehetővé 1. Csillagászati tényezők: földrajzi szélesség, Nap deklinációja - nappal hossza, 2. Orográfiai tényezők: horizontkorlátozás 3. Meteorológiai tényezők: felhőzet 6

7 Delelési napmagasság és a nappalok hossza Napi átlagos besugárzás Napfénytartam és a földrajzi szélesség A sugárzásfluxus eloszlása földrajzi szélesség szerint Campbell-Stokes-féle napfénytartam mérő fémállványra szerelt, 96 mm átmérőjű üveggömb, Ez a direkt sugárzást egy gyújtópontban gyűjti össze, A napsugarak napi irányváltásai miatt egy gyújtófelületet adnak, A gömböt körülfogó gömbhéj-részlet belső oldalán lévő papírszalagot pörkölik meg a direkt sugarak. Napfénytartam mérés Árnyékolásmentes elhelyezés Talapzat vízszintezve Égetés nyoma párhuzamos a szalag széleivel el Adott hely délkörére tájoljuk (valódi napidőben délben a 12 vonalat égeti) A gömbhéjt a földrajzi szélességnek megfelelően rögzítjük heliográf 7

8 Napfénytartam mérés Téli szalag: X.12.-II.28. Átmeneti szalag: III.1.-IV.11. és IX.1.-X.11. Nyári szalag: IV.12.-VIII.31. Szalagcsere napnyugta után Napfénytartam mérés Heliográffal végzett napfénytartam mérés pontosság a 0,1 óra. Észlelő személyzet szükséges Intenzitásmérésekből A folyamatos mérésekből a 120 W/m 2 -nél nagyobb értékek előfordulásának időtartamát kell meghatározni. Köszönöm a figyelmet! Bíróné Kircsi Andrea kircsia@delfin.klte.hu 8