DEBRECENI EGYETEM Földhasznosítási, Műszaki és Területfejlesztési Intézet
Agroökológia és agrometeorológia Mezőgazdasági mérnök BSc alapszak (nappali és levelező képzés, partiumi levelező képzés)
Meteorológiai sugárzástan
Alapok Az éghajlati rendszer energia forrása a Napban lejátszódó termonukleáris reakció. A Nap sugárzási teljesítménye 3,8×1026 W. A Nap felszínét elektromágneses és korpuszkuláris sugárzás hagyja el. Minden 0 K-nél magasabb hőmérsékletű test elektromágneses sugárzás hullámokat bocsát ki és nyel el, miközben saját tömegének és energiájának egy része sugárzási energiává alakul. Meteorológiai szempontból napsugárzáson csak a Napból érkező elektromágneses sugárzást értjük.
Elektromágneses sugárzás jellemzői • az elektromágneses sugárzás az elektromágneses mező rezgése • az energiaszállítást az elektromágneses hullámok végzik • az elektromágneses hullám elnyelődésekor a sugárzási energia hőenergiává alakul • minden irányban terjed a forrásából, közvetítő közeg nélkül is • a hőenergiává alakuláshoz anyag szükséges • anyagi és hullámhossz természete is van • a hullámhossz a két szomszédos hullámcsúcs távolsága • a frekvencia az adott idő alatt elhaladó hullámcsúcsok száma • a kettő között fordított arány jellegű kapcsolat áll fenn
Az elektromágneses hullám jellemezhető: • hullámhosszával (λ), • periódus idővel (tp) frekvenciával (v = 1/tp) • terjedési sebességgel (c) (vákuumban c=300 000 km/s) Nagyon széles a spektruma, hullámhossza gyakorlatilag 10-9 µm-től 109 µm-ig terjed (elméletileg 0-tól ∞-ig, 1 µm=10-6 m ). Meteorológiai szempontból ennek a 10-1 µm és a 102 m közé eső része érdekes: az ultraibolya sugárzás, látható fény és az infravörös sugárzás.
A Napból jövő (szoláris) sugárzást rövidhullámú sugárzásnak, a földi sugárzást (terresztriális) hosszhullámú sugárzásnak nevezzük. A napsugárzás a légkörön való áthaladáskor számos módosulást, veszteséget szenved: elnyelődés (abszorpció), szóródás (diffúzió), visszaverődés (reflexió)
1: direkt
2: diffúz 3: visszavert napsugárzás
Meteorológiai sugárzástani paraméterek Spektrum szerint: Mérése:
Rövidhullám (λ < 3.5 μm) PIRANOMÉTER
Hosszúhullám (λ > 10 μm) PIRGEOMÉTER
Teljes sugárzás
Lefelé haladó
1. Globál sugárzás 2. Diffúz sugárzás 3. Direkt sugárzás PIRHELIOMÉTER, AKTINOMÉTER
6. Légköri visszasugárzás
9. Teljes lefelé haladó sugárzási áramsűrűség
Felfelé haladó
4. Visszavert sugárzás
7. Felszíni kisugárzás
10. Teljes felfelé haladó sugárzási áramsűrűség
Egyenleg
5. Rövidhullámú sugárzási egyenleg
8. Hosszúhullámú sugárzási egyenleg
11. Teljes sugárzási egyenleg
Mérése:
PIRRADIOMÉTER
A felszín sugárzási egyenlege • A rövidhullámú sugárzás a légkörben közvetlen (direkt) és szórt (diffúz) sugárzás formájában éri el a felszínt • Globálsugárzás (S) összetevői: közvetlen és szórt sugárzás összege • A beérkező és visszavert rövidhullámú sugárzás hányadosa az albedó. Az albedó (a) 0 és 1 közötti értéket vehet fel. (0 maradéktalan elnyelést) • Rövidhullámú sugárzási egyenleg: a besugárzásból kivonjuk a felszín által visszavert sugárzás mennyiségét. Er = S⋅ (1− a) • Hosszúhullámú sugárzási egyenleg: a légköri visszasugárzás és a kisugárzás különbsége. Eh = Ef - E1 Ef = ε ⋅σ⋅T4 ε = 0.95 az emisszióképesség
Sugárzási törvények 1. 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 2. • Planck törvénye: hullámhosszúsági tartományonként határozza meg a kisugárzott energia mennyiségét. • Kirchoff törvénye: a sugárzás elnyelés és a sugárzás kibocsátás mennyisége közötti összefüggést fejezi ki. A kibocsátott és az elnyelt energia hányadosa nem függ a test anyagi minőségétől, csak a test hőmérsékletétől és a sugárzás hullámhosszától. • Stefan-Boltzmann törvény: kimondja, hogy bármely sugárzó test által kibocsátott energia a test hőmérsékletének negyedik hatványával arányos. • Wien-féle törvény: azaz a sugárzás eltolódási törvény. A test által kisugárzott maximális energiahozamú hullámhossz és a test hőmérsékletének szorzata állandó.
A sugárzás mérése
A sugárzásmérés feladata, fontossága 1. Sugárzás mérése során a teljes sugárzási egyenleg komponenseit (időbeli-területi alakulásukat) és a napfénytartamot határozzuk meg. A sugárzás erősségét W/m2-ben, a napfénytartamot a napsütéses órák számában adjuk meg. 2. A sugárzás alapvető fontosságú a földi élet számára, • adott hely klímájában objektív adottság, • a globális klímaváltozást előrejelző modellek bemenő paraméterei, • megújuló energiaforrás, • műholdas mérések felszíni verifikálásához (ellenőrzéséhez) • elengedhetetlenek, • a spektrális intenzitás mérések információt adhatnak különböző • hullámhossztartományban elnyelő légköri anyagok koncentrációjáról, • pl.: légköri összózon, SO2, aeroszol optikai mélység.
Sugárzás mérés Napsugárzás intenzitás mérés
Napfénytartam mérés
a) Direkt sugárzás
a) Campbell-Stokes
• Pirheliométer - direkt (Abbot-féle, Angström-féle) • Aktinométer – relatív (Michelson-Martin, Linke-Feussner)
b) intenzitás mérésekből
b) Rövidhullámú sugárzás • Piranométer (Kipp&Zonen, Moll-Gorczynski) c) Hosszúhullámú sugárzás • Pirgeométer d) Teljes sugárzás • Pirradiométer
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 keletkezne, ha az a ráeső sugárzást teljesen elnyelné. Mértékegysége: W/m2 Alkalmazott mérési elvek: • Hőmérsékletmérésre vezethető vissza a sugárzásmérés: egy abszolút fekete test hőmérsékletét mérjük. • Feszültség mérésre vezethető vissza: a termoelektromosság jelenségét használja ki. Termoelem → termooszlop
Direkt sugárzás Pirheliométer - direkt Abbot-féle
Angström-féle
Felül nyitott fémhenger, belső fala feketére van festve
A műszer egy teleszkóphoz hasonló és pontosan a Napkorongra kell irányítani.
Ebben diafragmák (1-6) – csak a direkt sugárzást engedik be
Két egymás mellett fekvő fekete fémszalag – termoelem – aktív és passzív forrasztási pontjai
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’)
Az egyik ki van téve napsütésnek, a másik nincs, ez utóbbit az előbbi hőmérsékletére melegítjük fel
A víz mennyisége és fajhője ismert, a felmelegedésből számítható a sugárzás hőegyenértéke
Az ehhez szükséges áram mennyisége egyenlő azzal, amit a napsütötte elnyel, ez A-mérővel mérhető (az áram hőegyenértéke adja a sugárzás erősségét
Abszolút fekete test
Kevésbé tökéletes sugárzáselnyelő
Abbot-féle pirheliométer
Angström-féle pirheliométer
Direkt sugárzás Aktinométerek - relatív Michelson-Martin-féle
Linke-Feussner-féle (Inszolációs hőmérő)
Nemzetközileg elfogadott alapműszer
Közelítő értéket ad, már nem használják
Érzékelője: feketére festett bimetall szalag
Korommal bevont gömbű higanyos hőmérő, ez mutatja az elnyelt sugárzást – maximumhőmérőként működik
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.
Rövidhullámú sugárzás mérése Piranométer • Termoelektromos elven mérnek. • Érzékelőjük vízszintes, üvegburával fedett → szét választja 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
• Érzékelőjük vízszintes és 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 termo-oszlop méri. • Az itt ébredő termo feszültség arányos a beérkező rövidhullámú globálsugárzással.
Moll-Gorczynski-féle sugárzásmérő • Direkt, szórt, globálsugárzás mérésére alkalmas • Felfogó feje egy több, sorba kapcsolt termoelemből álló termo-oszlop • A termoelem aktív (sugárzásnak kitett) és inaktív (leárnyékolt) forrasztási helyei között a sugárzás erősségével arányos feszültségKülönbség keletkezik. Ezt millivolt mérő, vagy pontíró műszer mutatja.
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.
Teljes sugárzás mérése Pirradiométerek • Szerkezetileg hasonlít a piranométerre, azonban lupolen anyagú burája van, amely átengedi a rövid- és hosszúhullámú sugarakat.
Speciális mérések • Az OMSZ-nél Brewer-spektrofotométer segítségével vizsgálható: – a légköri ózontartalom – UV-B sugárzás – SO2-koncentráció – aeroszol optikai mélység •
Nap fotométer - aeroszol optika mélység, - aeroszolok mikrofizikai és sugárzási tulajdonságainak kutatásokhoz - műholdas mérések hibáinak jellemzői, validálása - ezek hatása más adatbázisokra
• Az Országos Meteorológiai Szolgálat 1969 óta végez összózon (troposzférikus + sztratoszférikus) megfigyeléseket
A napfénytartam mérése • A légkör jelenléte és annak folytonosan változó sugárzásátbocsátó képessége miatt szükségesek a folyamatos sugárzásmérések • Napfénytartam mérés egyszerű módon a direkt és szórt sugárzás időtartamának az elkülönítését teszi lehetővé • Napfénytartam függ: – Csillagászati tényezők: földrajzi szélesség, Nap deklinációja - nappal hossza, – Orográfiai tényezők: horizontkorlátozás – Meteorológiai tényezők: felhőzet
Campbell-Stokes-féle
Intenzitásmérésekből
fémállványra szerelt, 96 mm átmérőjű üveggömb
A folyamatos mérésekből a 120 W/m2-nél nagyobb értékek előfordulásának időtartamát kell meghatározni.
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.
Magyarország sugárzási jellemzői
Magyarország területén a napsugárzás évi összege 4200–4600 MJ/m2. Területi eloszlását részben a földrajzi szélesség befolyásolja. A napsütéses órák száma 1700–2200 óra körül alakul. A sugárzás és a napfénytartam értékeit befolyásolja a felhőzet mennyisége, amelynek területi és havonkénti eltérései 35% és 78% között alakulnak. Legderültebb időszakunk a nyár vége, legfelhősebb hónapunk a december. Évi átlagban legkisebb méretű a borultság az Alföld középső részén, ahol az évi középérték alig haladja meg az 50%-ot, míg legborultabb területünk az Alpokalja térsége, ahol az átlagos évi felhőzet 66% körül alakul.
A globálsugárzás (MJ/m2) átlagos évi összege Magyarországon (2000-2009)
A legtöbb besugárzás a Tiszántúl déli területein tapasztalható, Szeged környékén eléri a 4800-4900 MJ/m2 értéket is. Emellett a globálsugárzás nagy területeken meghaladja a 4500 MJ/m2-t. Legkevesebb a besugárzás az Északi-középhegység térségében, itt helyenként 4300 MJ/m2 alatti globálsugárzás összegek is előfordulnak.
Júliusban kapjuk a legtöbb besugárzást - ugyan júniushoz képest ebben a hónapban a nappalok már valamivel rövidebbek, s a Nap delelési magassága kisebb, viszont a felhőzet mennyisége csekélyebb, mint nyár elején. A nagy (az évben a legnagyobb) borultság és a rövid nappalok miatt decemberben a legkisebb a besugárzás.
Évi átlagos napfénytartam (óra) Magyarországon (1971-2000 közötti időszak alapján)
A legtöbb, 2000 óra fölötti évi napsütés a déli, délkeleti országrészben jellemző. A legkevésbé napos területek az ország északi, északkeleti részében valamint az Alpokalján jelennek meg 1800 óránál is kevesebb évi napfényösszeggel. Télen magasabb hegyvidékeink 1,5-szer annyi napfényes órában részesülnek, mint az alföldi területek (gyakori inverziós helyzetek) Nyáron a hegységek borultabb, csapadékosabb időjárása miatt mintegy 10%-al kevesebb a napsütéses órák száma az alacsonyabb fekvésű sík fekvésű területekhez viszonyítva.
A napfénytartam alakulását a földrajzi szélesség határozza meg. A napsütéses órák átlagos száma, legalacsonyabb az Alpokalján: 1950 és az ÉszakiKözéphegység területén ahol 2000 óra/év alatti. Míg a legmagasabb értékek a Duna-Tisza köze D-i részén mérhetők: 2150 óra/év felé is emelkedhet. Hazánkban a lehetséges napfénytartam júniusban a legmagasabb, és decemberben a legalacsonyabb.
Köszönöm a megtisztelő figyelmet!
