Instrumente utilizate în determinarea actinometrică și presiunii

Instrumente utilizate în determinarea actinometrică și presiunii atmosferice Definiție: Actinometria (greacă „aktin”= rază, „metron”= măsură) este o ramură a meteorologiei ce se ocupă de măsurarea intensității tuturor fluxurilor radiative (radiaţia solară, atmosferică şi terestră) absorbite, difuzate, reflectate, directe, globale, elective dar și a bilanțului radiativ. Fluxul energiei radiative reprezintă energia radiantă primită de o suprafață în unitatea de timp și se exprimă în cal/cm2/min. Radiația care provine de la Soare este considerate radiație de undă scurtă iar cea emisă de atmosferă și de suprafața terestră radiație de undă lungă. Din radiate de undă scurtă face parte radiația solară direct, radiația difuză, radiația globală și radiația reflectată, iar fluxurile radiative de undă lungă cuprind: radiația terestră, radiația atmosferei și radiația efectivă. Rolul cel mai însemnat în procesul complex de slăbire a intensității radiației și în modificarea radiației spectrale, îl are procesul de difuzie a radiaților solare, care reprezintă de fapt o reflexive în toate direcțiile. Difuzia radiațiilor solare are loc în od diferit, fiind produsă de moleculele cu dimensiuni inferioare lungimii lor de undă sau de particule cu dimensiuni superioare acestora. De asemenea, se apreciază că, din cantitatea totală de energie radiantă solară recepționată de sistemul Pământ-atmosferă, o parte este reflectată și difuzată spre spatial cosmic (circa 30%), altă parte este absorbită de atmosferă (17-19%) iar restul (51-53%) est eabsorbită de suprafața terestră, care la rândul său o emite (o radiază) înapoi spre atmosferă. În practica de specialitate se urmărește determinarea cantității de energie radiantă (F) F incidentă pe o anumită suprafață (S). Raportul reprezintă densitatea superficială a fluxului S care se numește și intensitatea radiației, exprimându-se în cal/cm2/min sau în Langley (ly), știindu-se că 1 ly = 1 cal/cm2 (1 ly – 0,6976 . 106 erg/cm2 ∙ s = 0,0697 watt/cm2). Deoarece în meteorologie se folosesc, în marea majoritate a cazurilor, unități de măsură calorice pentru definirea fluxurilor radiative, principiul de construcție al instrumentelor utilizate în actinometrie se bazează pe o serie de metode prin care se numără: metoda calorimetrică, metoda termometrică, metoda curentului de apă și metoda de compensare a efectului caloric. 1. Metoda calorimetrică este bazată pe efectul caloric datorat influenței radiației solare și transformării energiei calorice în energie electrică prin intermediul unor termoelemente sau termobaterii. Astfel, atunci când există o intensitate constantă a radiației, creșyterea temperaturii este aproximativ proporțională cu timpul, iar viteza te creștere este proporțională cu intensitatea radiației. 2. Cea de-a doua metodă este bazată pe creșterea temperaturii unui receptor, cu regim staționar, sub influența radiației solare. Cedarea căldurii prin radiație este proporțională cu temperatura absolută a receptorului la puterea a patra.

Concluzionând, creșterea temperaturii, măsurată cu aparatele bazate pe principiul descris mai sus, este proporțională cu intensitatea fluxului radiativ. 3. Principiul care stă la baza metodei curentului de apă constă în determinarea diferenței de temperatură a receptorului cu regim staționar. Căldura cedata receptorului este înlăturată, în timpul procesului respectiv, printr-un curent de apă care îl udă neîncetat. Prin măsurarea debitului curentului de apă pe unitatea de timp și diferenței de temperatură a apei înainte și după curgerea ei peste receptor se determină cu exactitate căldura cedată astfel. 4. Metoda compensării efectului caloric se bazează pe diferența de temperatură ce ia naștere între două receptoare absolut identice ca suprafață și coeficient de absorbție. Unul dintre ele este expus radiației de măsurat până când temperatura lui devine constantă, iar celălalt se aduce la aceeași temperatură prin intermediul unui curent electric cunoscut, produs pe cale electrică. Astfel, ambele receptoare primesc cantități egale de căldură într-o unitate de timp. Deoarece cantitatea de căldură primită de la cel de-al doilea receptor se cunoaște, pentru aflarea intensității fluxului de radiație pe care-l primește primul receptor se uzitează relația: I =

cri2 ∙ T ∝∙ S

În care: c – o constantă de transformare; r – rezistența curentului de compensație; i – intensitatea curentului de compensație; ∝ - coeficientul de absorbție a receptorului; T – timpul de expunere exprimat în secunde; S – suprafața receptorului.

1.Măsurarea intensității radiației solare directe Intensitatea radiației solare directe se definește ca fiind cantitatea de căldură, exprimată în calorii, pe care o primește , în timp de un minut, o suprafață egală cu 1 cm2, dispusă perpendicular pe direcția razelor, deosebită valoric esențial de aceea recepționată de aceiași suprafață, în aceiași unitate de timp la limita superioară a atmosferei, adică corespunzătoare noțiunii de constantă solară. Valoarea constantei solare este aproape constantă, de 1,94 cal/cm2/min., cu mici variații de 1% determinată de variația în cursul anului a distanței dintre Soare și Pământ și, de activitatea solară. Cu toate acestea valoarea sa nu coboară sub 1,9 cal/cm2/min. și nici nu depășește 2,1 cal/cm2/min.

Tipurile de radiaţii

Figura 1.

Măsurarea intensității radiației solare directe

Instrumente

1.Pirheliometrul calorimetric de tip Michelson

2.Actinometrul bimetalic Michelson

3.Actinometrul thermoelectric AT-50

4.Pirheliometrul cu compenatie electrica Angström

Piesa receptoare

Tub metallic de forma literei “U”

Lama bimetalica de 0,07 mm grosime, 2 mm latime si 13 mm lungime

Disc subtire de argint, prevazut cu un orificiu central de forma circulara

2 lamele identice de manganin, lungi de 20 de mm, late de 2 mm, groase de 0,2 mm.

1)Radiaţia solară directă (S) reprezintă fracţiunea din radiaţia furnizată de Soare carestrăbate nemodificată atmosfera şi ajunge la nivelul suprafeţei terestre sub forma unuifascicul de raze paralele. 2)Radiaţia solară difuză (D) este partea din radiaţia solara care după ce a fost difuzată(de către moleculele gazelor din atmosferă şi de către suspensiile atmosferice generate desursele poluatoare) ajunge la suprafaţa Pământului venind din toate părţile bolţii cereşti. 3)Radiaţia globală – radiaţia totală sau insolaţia – (Q) nu este un flux radiativ în sine cireprezintă valoarea însumării algebrice a radiaţiei solare directe cu cea difuză.Q=S+D 4)Radiaţia reflectată (Rs) este partea din radiaţia globală care după ce străbatenemodificată atmosfera şi ajunge la nivelul suprafeţei active subadiacente este abătută dela direcţia iniţială fără a suferi modificări de altă natură.Legată de noţiunea de radiaţie reflectată este şi cea de albedou (A). Albedoul este defapt un raport între radiaţia reflectată şi cea globală exprimat în procente. 100⋅= Q Rs A Albedoul redă cel mai sugestiv proprietăţile de reflectare şi de absorbţie pentru radiaţiiale diferitelor tipuri de suprafeţe active. 5) Radiaţia atmosferei (Ea) reprezintă fluxul de radiaţii pe care-l emite neîncetatatmosfera. Se mai numeşte contraradiaţia atmosferei. 6) Radiaţia terestră (Et) este fluxul radiativ continuu emis de către Pământ. 7) Radiaţia efectivă (Eef) este dată de diferenţa dintre radiaţia terestră şi cea atmosferică. Eef = Et –Ea2  8)Bilanţul radiativ (B) este diferenţa dintre suma tuturor fluxurilor radiative (de undăscurtă sau lungă) primite (absorbite) de o suprafaţă oarecare şi suma tuturor fluxurilor radiative de undă lungă sau scurtă cedate de către aceasta.B = (S+D+Ea) – (Rs+Et) = Q-Rs-Eef = Q (1-A) – Eef.

Instrumente utilizate în determinarea actinometrică La stațiile actinometrice din România intensitatea radiației solare directe se măsoară cu diferite tipuri de pirheliometre (piros – foc; helios – Soare; metron – măsură;) și actinometre (radiometre). Cele mai utilizate sunt: actinometrul termoelectric AT- 50, pirheliometrul calorimetric Michelson, actinometrul bimetalic Michelson și pirheliometrul cu compensație electrică Angström. A) Actinometrul termoelectric AT – 50

Definiție: Este un instrument radiometric simplu care funcționează pe principiul producerii unui curent termoelectric prin încălzirea diferențiată, sub influența radiațiilor solare, a termosudurilor care alcătuiesc piesa lui receptoare Alcătuire: 1. Piesa receptoare este alcătuită dintr-un disc de argint prevăzut cu un orificiu înnegrit cu negru de fum pe partea expusă spre Soare, pentru a putea absorbi, în totalitate, razele solare directe. De partea lui inferioară sunt fixate termosudurile internecentrale ale celor 36 de termoelemente care alcătuiesc bateria termoelectrică a

radiometrului termodudurile pericerice sunt prinse de un inel de cupru, care face corp comun cu tubul actinometric, care are aceeași temperatură cu a mediului în care se află instrumentul. Acțiunea directă a radiațiilor solare asupra termosudurilor centrale va determina o temperatură mai ridicată a acestora, față de cele periferice, ce va genera un curent termoelectric. 2. Tubul actinometric este vopsit în negru la interior, unde se găsesc 4 diagrame care au menirea de a ekimina influența vântului și a împiedica reflexia razelor solare. Aceste diafragme sunt nichelate sau aurite pe suprafața exterioară iar pe partea interioară diafragmele sunt înnegrite, astfel încât radiațiile solare să fie absorbite în totaliate. 3. În vederea efectuării determinărilor, actinometrul se instalează astfel încât razele solare să cadă perpendicular pe discul receptor de argint, iar operațiile care conduc la măsurarea intensității radiației solare directe încep prin acoperirea tubului cu capacul metalic. Apoi se așteaptă 15 secunde și se citește poziția zero a acului galvanometrului. În continuare observațiile vizează următoarele aspecte: a) Se scoate capacul metalic de pe tubul actinometric; b) Se efectuează trei citiri consecutive la intervale de câte 10 secunde, obținânduse valoarea medie (N) a deviației acului galvanometric; c) Tubul radiometric se acoperă din nou cu capul metalic și se citește poziția zero a acului galvanometrului care se mediază cu prima. d) Intensitatea radiației solare directe (I) rezultă din înmulțirea numărului de diviziuni (N) cu care deviază acul galvanometrului cu factorul de transformare K (5MA = 1 cal/cm2.min): I = N.K Actinometrul termoelectric AT - 50

Actinometrul termoelectric AT – 50 este un instrument relativ, deoarece Figura 2.în comparație cu instrumentele absolute, care măsoară intensitatea fluxului relativ direct în cal/cm2 sau în langley, acest a obține o anumită unitate convențională care se înmulțește ulterior cu un factor de transformare. Acest intrument radiometric se amplasează pe stativul complexului actinometric, 1,5 m înălțime, iar la 1 m se instalează galvanometrul. B)

Pirheliometrul calorimetric Michelson

Definiție: Constituie unul din cele mai vechi tipuri de pirheliometre, fiind un instrument radiometric absolut alcătuit dintr-un tub sub forma literei „U”, înnegrit în interior prin care circulă un curent de apă. Alcătuire: Pe partea sa interioară există o serie de diafragme, care au rolul de a micșora suprafața orificiului de pătrundere a razelor solare, făcându-le să cadă sub forma unui flux radiativ. În interiorul tubului se găsesc extremitățile unor conductori de platină legate în circuitul unui termometru electric. În ideea de a limita influențele mediului înconjurător, tubul pirheliometrului este introdus într-un tub Dewar, cu pereții dubli, argintați, din care s-a scos

aerul. Acesta la rându-i se introduce într-un tub de lemn, care are pereții căptușiți cu material termoizolator (vată de sticlă, plută). Deoarece tubul pirheliometric înnegrit se expune razelor solare directe, acesta se comportă ca un corp absolut negru absorbindu-le în totalitate. Corpul absolut negru este un corp ipotetic, care nu există în natură, ce absoarbe întreaga cantitate de energie radiantă ce cade pe suprafața sa. Capacitatea lui de absorbție este egală cu 1 iar cea de reflexie este 0 ( k = 0, a = 1). În realitate, în natură, cel mai aproape de caracteristicile corpului absolut negru este negrul de fum și negrul de platină, care au capacitatea de absorbție egală cu 0,9. C) Actinometrul bimetalic Michelson Definiție: Este un instrument relativ, care, pentru a afla intensitatea radiației solare directe în valori absolute (cal/cm2.min sau ly/cm2.min), înmulțește valorile citite pe scara micrometrică cu un factor de transformare.

Alcătuire: a) Piesa receptoare – este protejată de tubul actinometric fiind formată dintr-o lamă bimetalică cu o grosime de 0,07 mm și o lățime de 2 mm, obținută prin laminarea la cald a două foițe metalice – una de fier și cealaltă de invar. Această lamelă, pe partea alcătuită din fier, este acoperită cu negru de fum, fixat prin îmbibare cu alcool. b) Tubul radiometric – este înnegrit cu negru de fum în interior, și are căldura specifică și coeficientul de conductibilitate termică mult mai mare decât lama bimetalică. Deoarece corpul actinometrului este nichelat, acesta reflectă totalitatea fluxurilor radiative incidente pe suprafața sa. c) Microscopul – este plasat la unul din capetele tubului actinometric, iar la celălalt capăt se instalează piesa receptoare. Pe carcasa tubului actinometric sunt plasate două deschideri, una pentru luminarea oglinzii, în care se formează imaginea firului de cuarț și alta mai mare, pentru pătrunderea razelor solare. d) Suportul instrumentului. Actinometrul bimetalic Michelson

Actinometrul bimetalic Michelson

Figura 3.

D) Pirheliometrul cu compensaţie electrică tip Angström Alcătuire: a ) Tubul pirheliometric – un tub care prezintă un capac la capăt, capac prin care pătrund razele solare care ajung la două lamele de manganin; are dimensiuni variabile.-dispozitivul de fixare este de fapt un suport metalic circular prevăzut cu orificii în carese vor fixa şuruburile care ajută la instalare. b ) Suportul de susţinere – are şi rolul de a asigura „punerea în staţie” a pirheliometrului prinintermediul unui sistem compus din trei şuruburi de fixare ce permit orientarea în funcţiede latitudine, unghiul de înclinare a axei Pământului şi poziţia aparentă a Soarelui pe bolta cerească în aşa fel încât razele solare să cadă perpendicular pe suprafaţa terestră (pe piesa receptoare). c ) Piesa receptoare – este compusă din două lamele (plăcuţe) extrem de fine şi implicit cu o„sensibilitate” sporită în raport cu acţiunea radiaţiilor solare. Dimensiunile acestora sunt 20x2x0,02 m. Piesa receptoare este montată la partea inferioară a tubului pirheliometric numită capul pirheliometrului. Pe spatele lamelelor se găsesc

puncte „de sudură” (lipiturifine) ale unor fire care fac legătura cu bornele unui galvanometru la care pirheliometrul va trebui conectat. La partea superioară a tubului se poate monta un capac metalic nichelat prevăzutcu două fante longitudinale. Pe spatele capacului este fixată o plăcuţa ce poate fideplasată astfel încât să împiedice total sau parţial accesul radiaţiei solare către lamelele de manganin. Întregul pirheliometru este vopsit în alb la exterior (pentru a reflectaradiaţia solară incidentă) şi în negru la interior (pentru a o absorbi).

Pirheliometrul cu compensaţie electrică tip Angström

Figura 4.