TGBL1116 Meteorológiai műszerek. Meteorológiai sugárzásmérés. Az elektromágneses sugárzás tulajdonságai: Sugárzásmérések. Sugárzási törvények

Átírás

1 TGBL1116 Meteorológiai műszerek Bíróné Kircsi Andrea Egyetemi tanársegéd DE Meteorológiai Tanszék Meteorológiai sugárzásmérés Debrecen, 2007/2008 II. félév Sugárzásmérések Minden 0 K-nél K 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 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. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat /2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 4 Sugárzási törvények 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. 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. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat /2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 6 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. 2007/ /2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat /2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 8 röntgen UV-C Az elektromágneses spektrum meteorológiai felosztása UV-B UV-A ULTRAIBOLYA LÁT- HATÓ rövidhullám (szoláris) INFRAVÖRÖS hullámhossz, µm hosszúhullám (terresztriális) 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 9 mikrohullám A felszín sugárzási egyenlege Globálsugárzás (S) összetevői: direkt (közvetlen) + diffúz (szórt) i egyenleg (λ<3.5µm): jól mérhető Érkező sugárzás - visszavert sugárzás E r = S (1 a) Hosszúhullámú sugárzási egyenleg(λ>10 >10µm): problémásabb Empirikus képletek Felszín kisugárzása - légkör kisugárzása Eh = Ef El 4 Ef = ε σ T ε=0.95 az emisszióképesség Teljes sugárzási egyenleg: E = E E 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 10 t r h A sugárzás mérése 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 Hosszúhullám (λ>10µm) PIRGEOMÉTER 6. Légköri visszasugárzás 7. Felszíni kisugárzás 8. Hosszúhullámú sug-i Teljes sugárzás PIRRADIOMÉTER 9. Teljes lefelé haladó sug-i áramsűrűség 10. Teljes felfelé haladó sug-i áramsűrűség 11. Teljes sugárzási 2007/2008 egyenleg Meteorológiai műszerek egyenleg gyakorlat egyenleg Intenzitás Direkt sugárzás Pirheliométer - direkt (Abbot-féle,Angström-féle) Aktinométer relatív (Michelson-Martin, Linke-Feussner) Piranométer (Kipp&Zonen, Moll-Gorczynski) Hosszúhullámú sugárzás Pirgeométer Teljes sugárzás Pirradiométer Speciális mérések Napfotométer, Dobson spektrofotométer Brewer spektrofotométer 2. Napfénytartam Campbell-Stokes 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 12 intenzitásmérésekből 2

3 A sugárzás 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 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 13 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. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 14 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. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat /2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 16 Termoelektromos pirheliométerek Michelson-Martin Martin-féle aktinométer Rövidhullámú direkt sugárzás 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. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat /2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 18 3

4 Moll-Gorczynski Gorczynski-féle sugárzásmérő direkt, szórt és globálsug. 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 millivoltmérő, vagy pontíró műszer mutatja. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 19 A piranométerek a globál sugárzás 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 érzékel 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 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 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 20 (9), level (11). sugárzást mérik. 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 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat /2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 22 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 elérően 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. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 23 Hosszúhullámú sugárzás mérése - pirgeométerek Valamely féltérből érkező összes hosszúhullámú sugárzás mérésére szolgálnak. Matt fekete szenzorral rendelkeznek (alsó és felső részükön), a szenzor képes felfogni a 0,3 µm a 100 µm spektrumtartományba eső sugárzást. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 24 4

5 Sugárzásmérők elhelyezése Teljes sugárzás mérése - pirradiométerek Szerkezetileg hasonlít a piranométerre, azonban lupolen anyagú burája van, amely átengedi a rövid- és hosszúhullámú sugarakat. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat /2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 26 Pirradiométerek elhelyezése 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat /2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 28 Speciális mérések 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 29 Brewer spektrofotométer segítségével vizsgálható: a légköri ózontartalom, UV-B sugárzás, SO 2 -koncentráció, aeroszol optikai mélység. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 30 5

6 Nap fotométer Speciális mérések aerosol optical, mircrophysical and radiative properties for aerosol research characterization, validation of satellite retrievals, and synergism with other databases. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 31 Az Országos Meteorológiai Szolgálat 1969 óta végez összózon (troposzférikus + sztratoszférikus) megfigyeléseket a pestlőrinci obszervatóriumá- ban 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 32 Campbell-Stokes 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 heliográf 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat /2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 34 Napfénytartam mérés Napfénytartam és földrajzi szélesség 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat /2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 36 6

7 Napi átlagos besugárzás A sugárzásfluxus eloszlása földrajzi szélesség szerint 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat /2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 38 Delelési napmagasság és a nappalok hossza Napfénytartam mérés Intenzitásmérésekből A folyamatos mérésekből a 120 W/m 2 -nél nagyobb értékek előfordulásának időtartamát kell meghatározni. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat /2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 40 Köszönöm a figyelmet! Bíróné Kircsi Andrea kircsia@delfin.klte.hu 7