9.2 Вимірювання прямої сонячної радіації.

Приймач піргеліометра і актинометра знаходиться в глибині трубки з діафрагмами. Найбільша з них - вхідна радіусом (рис.9.2) - обмежує кут отвору (апертури), від якого залежить частка біля сонячної радіації від ореолу навколо сонячного диска.

Ця радіація залежить від мутності атмосфери і висоти Сонця. Найменша діафрагма радіусом обмежує потік випромінення. Довжина трубки визначає три кути: - центральний, при відхиленні на який показання актинометра падає вдвічі, - кут скосу, який визначає необхідну точність націлювання, тому що при ньому приймач за найменшою діафрагмою входить в напівтінь, і - кут граничної чутливості. Рис.9.2 Апертурні кути піргеліометра (актинометра): - радіус вхідного вікна; - радіус найменшої діафрагми (приймача)

Ці кути прийняті , і .

Піргеліометр компенсаційний Онгстрема (рис.9.3). Цей прилад служить зразковим для вимірювання прямої сонячної радіації.

Рис.9.3 Компенсаційний піргеліометр Онгстрема: а – прийомна головка (вигляд ззаду); б - зовнішній вигляд; в - схема з’єднань головки з панеллю управління; 1 і 2 - прийомні смуги; 3 і 5 – спаї термоелемента; 4 – ебонітова рамка; 6 – ебонітова втулка головки; 7 і 8 - виводи; 9 – перемикач; 10 і 12 - клеми термоелемента; 11 і 13 – клеми; 14 і 16 - верньєри; 15 – штатив; 17 - вхідна діафрагма; 18 - рукоятка; 19 і 21 - цілики; 20 - трубка з діафрагмами.

Приймач - дві тонкі (0,01 мм) смуги з манганіну 1, 2 розміром 0,2×2 см ², кінці яких припаяні до латунних сегментів на ебонітовій рамі 4. Зі сторони, що обернена до Сонця, смуги зачорнені платиновою черню і закопчені сажею з коефіцієнтом поглинання . Із зворотної сторони до середини кожної смужки наклеєні по спаю термоелемента 3, 5 з константану і міді. До клем термоелемента 10 і 12 підключається гальванометр, який замикає термоелектричний ланцюг, що дає можливість порівняти температуру смужок. Смужки мають загальний 13 і окремі 8, 7 виводи, через які за допомогою перемикача 9 і клеми 11 можна пропустити струм від батареї. Ебонітова втулка 6 головки вставляється в трубку 20, яка націлюється на Сонце за допомогою верньєрів так, щоб промінь світла через отвір в цілику попав в хрестик на цілику 21. Тоді через вхідну діафрагму 17 розміром 5×23 мм ² одна з смужок виявиться опроміненою (незважаючи на положення екрану, що керується рукояткою 18). Цей екран заслоняє сонячний промінь на шляху через іншу діафрагму до другої смужки. В затінену смужку через клеми 11 і 13 направляється струм від батареї (рис.9.3, б), в ланцюг якої включені: вимикач, міліамперметр класу 0,2 з межею 0,75 А і три реостати з межею 2 А (грубий на 10 Ом, якщо напруга батареї 2,3 В, плавний на 1 Ом и запобіжний на 5 Ом). Струм батареї регулюється реостатами так, щоб температура обох смужок виявилася однаковою. Це визначається за нульовим показанням гальванометра. Ємність батареї акумулятора береться не менше 20 А·год, а елементів - 60 А·год. Якщо напруга більша, то запобіжний реостат вибирається так, щоб максимальна сила струму відповідала максимальному опроміненню 140 мВт/см ², або 2 кал/(см ²·хв), а грубий - вибирається у відповідності з струмом при найменшому опроміненні (0,7 кал/(см ²·хв), при якому допустимі контрольні спостереження. Гальванометр в термоелектричному ланцюзі застосовується дзеркальний, низькоомний, з ціною поділки не більше А, з критичним опором, який відповідає опору термоелемента (не більше 0,5 Ом).

Установка піргеліометру проводиться в укритому від вітру місці, тому що в трубці всього 2 - 3 проміжних діафрагм, які захищають приймач від вітру і паразитних відбивань радіації всередині трубки. Крім того, з’єднання втулки 6 з трубкою 20 не герметичне. Потрібно слідкувати, щоб в межах вертикального граничного кута апертури вище і нижче сонячного диску не було ні темних, ні блискучих предметів. Амперметр і батарея повинні знаходитися в тіні. Гальванометр установлюється на стійкій основі. При низькій температурі повітря піргеліометр з вставною головкою виноситься на місце спостережень в футлярі, щоб уникнути обриву або розтягнення смужок через швидке охолодження.

Вимірювання починають з визначення місця нуля гальванометра, для чого піргеліометр з нейтральним положенням екрану (рукояткою 18 вперед) націлюється на Сонце, при цьому опромінюються обидві смужки. Струм в ланцюзі батареї розірваний вимикачем. Сонячне тепло випаровує воду, яка поглинена чорною краскою на смужках. Через 2 хв проводять відлік по гальванометру для визначення місця нуля. Потім, як наведено на рис.9.3, б, затінюють ліву смужку і в неї ж направляють струм, сила якого регулюється реостатами так, щоб гальванометр знову показав місце нуля. Після відліку за шкалою амперметра рукоятку 18 і перемикач 9 одночасно повертають вправо і повторюється регулювання реостатами і відлік за амперметром. Такі парні спостереження проводять 4 – 5 разів. Крім того, відмічаються температура і вологість повітря, хмарність, колір неба і в балах оцінюється ореол навколо сонячного диску и метеорологічна дальність видимості. Перед кожним відліком контролюється націлювання піргеліометру на сонячний диск.

Обробка починається з введення поправок до відліків за амперметром, обчислення сили і потужності компенсуючого струму. Права (опромінена) смужка отримує кал/хв, де - шукане опромінення, - поглинальна здатність черні на смужках, а - площа смужки, що дорівнює 0,4 см ². Ліва (затінена і нагріта струмом) смужка отримує при компенсуванні ту ж потужність, що дорівнює кал/хв, де кал/ерг, - опір смужки в омах (0,1 Ом), - сила компенсую чого струму в амперах. Порівнюючи обидві величини, отримаємо

,

де - перевідний множник піргеліометру.

На практиці таке обчислення проводиться тільки для міжнародного еталону, а для інших піргеліометрів визначають шляхом порівнянь з еталоном в Міжнародному радіаційному центрі кожні 4 – 5 років.

Обробка відліків за амперметром в поділках шкали проводиться за формулою , де - ціна поділки в амперметрах, визначається як частка від ділення номінальної межі (0,75 А) на кількість поділок (150), - поправка до відліків в поділках, - відлік по міліамперметру в поділках шкали. (Бажано знати залежність від температури).

Спостереження по піргеліометру звичайно проводяться тільки для повірки актинометрів, а тому виконуються при стійкій радіації і при висоті Сонця не менше 20°. Отримані по кожному відліку дані осереднюються з однаковою вагою для правих і лівих смужок. Спеціально для повірки актинометрів випускаються піргеліометри типу М-59 з круглими вхідними діафрагмами. В них застосовано по три термобатареї під кожним з приймачів, що дозволяє використовувати стрілкові гальванометри типу М-263/3. На показання М-59 не впливає вітер, а результати повірок актинометрів не залежать від висоти Сонця і мутності атмосфери.

Актинометр термоелектричний М-3 (АТ-50). Прилад (рис.9.4) призначений для вимірювань прямої сонячної радіації, крім того, використовується як зразковий прилад для визначення чутливості піранометру і балансомірів.

Для спостережень трубку 7 установлюють за допомогою штативу 10 – 11, який орієнтують стрілкою на північ, потім ослаблюють гвинт 2 і ставлять сектор широт 9 по широті. Ослабляючи гвинт 3 і, обертаючи трубку 7 і рукоятку 6, націлюють трубку на Сонце. Рис.9.4 Актинометр термоелектричний М-3: 1 – кришка; 2 і 3 – гвинти; 4 – вісь нахилень; 5 – екран; 6 – рукоятка; 7 – трубка; 8 – вісь світу; 9 – сектор широт; 10 – стояк; 11 – основа.

Вісь 8 штативу і рукоятки 6 розташовані по осі світу, і тому, обертаючи рукоятку 6, можна вести трубку за Сонцем, тільки зрідка поправляючи нахил трубки по нахилу обертанням на осі 4. Націлювання проводиться за допомогою екрану 5 на нижньому кінці трубки, де повинна концентрично розташовуватися тінь від оправи вхідного вікна. Кришка 1 одягається на трубку для контролю місця нуля.

Приймачем актинометра служить зачорнений диск 1 (рис.9.5, а), з сусального срібла товщиною 0,003 мм і діаметром 11 мм. Звернена до Сонця сторона покрита матово-чорною емаллю, а до зворотної сторони приклеєний папіросний папір 3 товщиною 0,009 мм і 26 спаїв термобатареї 2 з константана і манганіну у формі стрічок з перерізом 0,025×0,3 мм ², розташованих зіркоподібно. Зовнішні спаї приклеєні через паперову ізоляцію до мідного кільця 4, затисненого в корпусі між чашкою 9 (рис.9.5, б) і втулкою 10 з міді. В трубці є сім діафрагм 11 – 13, з яких найбільша 13 діаметром 20 мм і найменша 11 – 10 мм визначають при довжині трубки 114 мм апертуру актинометра , і . Шнури від виводів 7, 8 термобатареї з’єднуються з гальванометром або потенціометром. Чутливість актинометра мВ на 1 кал/(см ²·хв), опір термобатареї Ом, інерція 25 с.

Для роботи з актинометром призначений стрілочний гальванометр типу ГСА-1М, з ціною 1 поділки мкА, в якому знаходиться термометр для вибору перевідного множника в залежності від температури гальванометра. При відносній вологості менше 30 % на склі можуть виникати заряди, що викривляють показання. При використанні гальванометра з додатковим опором, що перетворює його в мілівольтметр з межею 10 мВ і з опором Ом, перевідний множник, або ціна поділки , зростає на 1 – 7 % при підвищенні температури на 10ºС.

Рис.9.5 Термобатарея актинометра (а) і продольний розріз трубки (б): 1 – прийомна пластинка; 2 – термобатарея; 3 - цигарковий папір; 4 – мідне кільце; 5 – кожух; 6 – гайка кріплення кожуха; 7 і 8 - вивідні клеми і провідники; 9 – чашка; 10 - стулка; 11 – найменша діафрагма; 12 - проміжні діафрагми; 13 - вхідна діафрагма.

Вимірювання. Перед спостереженням відкрита трубка націлюється на Сонце на 2 хв для просушки черні на приймачі. Потім кришка одягається і через 25 с відраховується місце нуля. Через 25 с після зняття кришки проводять спостереження. Націлювання трубки рукояткою повторюється кожні 5 хв або частіше. Місце нуля визначається кожні 20 хв. Запис про стан неба такий же, як і при спостереженнях по піргеліометру.

Обробка. За необхідний інтервал часу знаходиться середній відлік, вводиться поправка на не лінійність шкали гальванометру і віднімається місце нуля. Різниця множиться на перевідний множник, вибраний за температурою гальванометра.

Контроль чутливості актинометра проводиться паралельними спостереженнями по піргеліометру Онгстрема або по добре повіреному зразковому актинометру.

Спостереження з фільтрами можливі по актинометру, у якого проміжні діафрагми 12 (рис.9.5, б) злегка вигнуті у вигляді конуса на 1 - 2° в сторону Сонця. При плоских діафрагмах з’являються паразитні відбивання від діафрагм, а потім від фільтру на приймач. Для оцінки мутності атмосфери застосовуються скляні фільтри: КС-13 з межею пропускання 0,63 мкм (червоний) і ОС-11 з межею 0,53 мкм (оранжевий), товщина яких відповідно 2 і 3 мм. Для виділення фотосинтетичної активної радіації застосовуються: БС-8 з межею 0,38 при товщині 3 мм і КС-19 з межею 0,71 при товщині 5 мм.

Реєстрація актинометром. Самопис, що складається з актинометра на геліостаті (рис.9.6) і гальванографа або реєструючого потенціометру, називається актинографом.

На геліостаті актинометр 6 обертається годинниковим механізмом 4 на осі 5, розташованою по осі світу. Основа 1 геліостата установлюється за рівнем 2 гвинтами 9. Дуга 3 ставиться в меридіональній площині обертання навколо вертикальної осі в межах прорізів під двома гвинтами основи, а нахил осі 5 установлюється за шкалою широт. Рис.9.6 Геліостат актинографа: 1 – основа; 2 – рівень; 3 - коло широт; 4 – годинниковий механізм; 5 – вісь; 6 – актинометр; 7 і 8 - верньєри; 9 – гвинт нівелювання.

Верньєром 7 поправляється положення трубки за нахилом Сонця, а верньєром 8 - за часом.

Самописом може служити пірометричний мілівольтметр на 15 мВ або електронний потенціометр зі шкалою 20 мВ. Швидкість протяжки стрічки 40 мм/год. Для мілівольтметра чутливість регулюється додатковим опором або шунтом, в залежності від критичного опору. Бажано контролювати чутливість щоденними спостереженнями по повіреному актинометру. Від забруднення актинометр захищається фільтром БС-3 або БС-5.