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

TGBL1116 Meteorológiai műszerek

Meteorológiai sugárzásmérés

Bíróné Kircsi Andrea Egyetemi tanársegéd DE Meteorológiai Tanszék Debrecen, 2007/2008 II. félév

Az elektromágneses sugárzás tulajdonságai:

Sugárzásmérések Minden 0 KK-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. 2007/2008

Meteorológiai műszerek gyakorlat

3

Sugárzási törvények


2007/2008


4

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. 2007/2008

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.

5

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


6

1

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.: 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 7 légköri összózon, SO2, aeroszol optikai mélység.

Az elektromágneses spektrum meteorológiai felosztása

0.38

0.76

4.0

Rövidhullámú sugárzási egyenleg (λ<3.5µ <3.5µm):

100

– jól mérhető – Érkező sugárzás - visszavert sugárzás

UV-A

ULTRAIBOLYA

LÁTHATÓ

INFRAVÖRÖS hosszúhullám (terresztriális)

rövidhullám (szoláris)

8

Globálsugárzás (S) összetevői: direkt (közvetlen) + diffúz (szórt)

mikrohullám

röntgen

UV-C

0.32 UV-B

0.28


A felszín sugárzási egyenlege

hullámhossz, µm 0.2

2007/2008

E r = S ⋅ (1 − a ) Hosszúhullámú sugárzási egyenleg( egyenleg(λ>10µ >10µm): problémásabb – Empirikus képletek – Felszín kisugárzása - légkör kisugárzása

Eh = Ef − El E f = ε ⋅ σ ⋅ T 4 ε=0.95 az emisszióképesség

Teljes sugárzási egyenleg: 2007/2008


9

A sugárzás mérése Spektrum szerint: Irány szerint: ↓ haladó

Egyenleg 2007/2008

Et = E r − E h


1. Intenzitás

Rövidhullám (λ<3.5µm)

Hosszúhullám (λ>10µm)

Teljes sugárzás

PIRANOMÉTER

PIRGEOMÉTER

PIRRADIOMÉTER

Direkt sugárzás

9. Teljes lefelé haladó sug-i áramsűrűség

Rövidhullámú sugárzás

1. Globál sugárzás 2. Diffúz sugárzás 3. Direkt sugárzás

6. Légköri visszasugárzás

4.Visszavert sugárzás

10

A sugárzás mérése

– Pirheliométer - direkt (Abbot-féle,Angström-féle) – Aktinométer – relatív (Michelson-Martin, Linke-Feussner) – Piranométer (Kipp&Zonen, Moll-Gorczynski)

Hosszúhullámú sugárzás

PIRHELIOMÉTER, AKTINOMÉTER ↑ haladó

2007/2008

– Pirgeométer

7. Felszíni kisugárzás

5. Rövidhullámú 8. Hosszúhullámú sugárzási sug-i egyenleg Meteorológiai műszerek egyenleg gyakorlat

10. Teljes felfelé haladó sug-i áramsűrűség 11. Teljes sugárzási egyenleg

Teljes sugárzás

– Pirradiométer

Speciális mérések

– Napfotométer, – Dobson spektrofotométer – Brewer spektrofotométer

2. Napfénytartam 11

– Campbell-Stokes Meteorológiai műszerek gyakorlat – intenzitásmérésekből

2007/2008

12

2

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/m2 Alkamazott mérési elvek:

Hőmérsékletmérésre vezethető vissza a sugárzásmérés

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.

– egy abszolút fekete test hőmérsékletét mérjük.

Feszültség mérésre vezethető vissza – a termoelektromosság jelenségét használja ki. Termoelem→ termo-oszlop 2007/2008


13

Angström-féle pirheliométer

14

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.

Angström-féle kompenzációs pirheliométer, amiben található egy termoelem melyre a fényt ráengedve elektromos áram indukálódik Meteorológiai műszerek gyakorlat


Angström-féle pirheliométer

A műszer egy teleszkóphoz hasonló és pontosan a Napkorongra kell irányítani. Általában más műszerek hitelesítésére használják – másodlagos standard. Direkt sugárzást mérik.

2007/2008

2007/2008

15

Termoelektromos pirheliométerek

2007/2008


16

Michelson-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


17

2007/2008


18

3

Moll-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


Rövidhullámú sugárzás mérése - Piranométer

19



2007/2008


22

Hosszúhullámú sugárzás mérése - pirgeométerek

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. Meteorológiai műszerek gyakorlat

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 20 (9), level (11).


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. 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat 21 Kipp&Zonen-féle piranométer

2007/2008

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 2007/2008 Meteorológiai műszerek gyakorlat globálsugárzással. Direkt és szórt sugárzást mérik.

23

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

Sugárzásmérők elhelyezése

Teljes sugárzás mérése pirradiométerek Szerkezetileg hasonlít a piranométerre, azonban lupolen anyagú burája van, amely átengedi a rövid- és hosszúhullámú sugarakat.

2007/2008


25

2007/2008


26

27

2007/2008


28

http://www.awi.de/de/infrastruktur/stationen/neumayer_station/observatorien/meteorologisches_observatorium/strahlungsmessungen/

Pirradiométerek elhelyezése

2007/2008


http://www.imdpune.gov.in/surface_instruments/radiation/instrument/instrument_index.html


2007/2008


29

Brewer – spektrofotométer segítségével vizsgálható: a légköri ózontartalom, UV-B sugárzás, SO2-koncentráció, aeroszol optikai mélység.

2007/2008


30

http://arhiv.zevs.si/viewtopic.php?t=33&sid=739bfeb0ecf290a2e496ed3460d54887

5

Nap fotométer


aerosol optical, optical, mircrophysical and radiative properties for aerosol research characterization, characterization, validation of satellite retrievals, retrievals, and synergism with other databases. databases. 2007/2008

Az Országos Meteorológiai Szolgálat 1969 óta végez

összózon

(troposzférikus + sztratoszférikus) sztratoszférikus) megfigyeléseket a pestlőrinci obszervatóriumáobszervatóriumában


31

2007/2008


32

http://daac.ornl.gov/BOREAS/bhs/Sites/NSA-YJP.html

Campbell-Stokes-féle napfénytartam mérő

Napfénytartam mérés

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.

2007/2008


33


2007/2008


34


Napfénytartam és földrajzi szélesség

Napfénytartam mérés

2007/2008

heliográf

35

2007/2008


36


6

A sugárzásfluxus eloszlása földrajzi szélesség szerint

Napi átlagos besugárzás

2007/2008


37

Delelési napmagasság és a nappalok hossza

2007/2008


38

Napfénytartam mérés Intenzitásmérésekből A folyamatos mérésekből a 120 W/m2-nél nagyobb értékek előfordulásának időtartamát kell meghatározni.

2007/2008


39

2007/2008


40

Köszönöm a figyelmet! Bíróné Kircsi Andrea [email protected] http://meteor.geo.klte.hu

7

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

Recommend Documents