АКТИНОМЕТРИЯ

Перейти к: навигация, поиск

Актинометрия (греческий aktis, aktinos — луч и metreō — измеряю) — совокупность методов измерения лучистой энергии. К задачам актинометрии относятся исследование прямой солнечной радиации, поглощение и рассеяние ее молекулами атмосферы, различными твердыми и жидкими примесями, а также определение длинноволнового излучения земли и атмосферы.

В основу методов измерения лучистой энергии положен принцип превращения одного вида энергии в другой. При поглощении лучистой энергии солнца зачерненной поверхностью какого-либо приемника происходит переход лучистой энергии в тепловую. Регистрируя выделяющееся при этом количество тепла или повышение температуры приемной поверхности прибора, можно измерить величину потока солнечной радиации, падающего на прямую поверхность. Подобного рода принципы измерения лучистой энергии положены в основу калориметрического метода. Явление фотоэффекта и фотохимические воздействия использованы в фотоэлектрических и фотографических методах измерения.

При актинометрии применяются приборы, в которых поток лучистой энергии определяется разностью температур приемной поверхности и окружающей среды, которая измеряется величиной тока, возникающего в цепи последовательно соединенных термопар. Такого рода приборы являются относительными и нуждаются в градуировке путем сравнения их показаний с показаниями абсолютных приборов.

Поток лучистой энергии солнца, который проходит за пределами атмосферы в единицу времени (1 мин.) через единицу поверхности (1 см2), перпендикулярной к солнечным лучам и удаленной от Солнца на расстояние, равное среднему радиусу земной орбиты, носит название солнечной постоянной. Международная комиссия по радиации рекомендовала в качестве стандарта принять значение солнечной постоянной, равное 1,98 кал/см2×мин.

По мере прохождения лучистой энергии солнца через атмосферу вследствие поглощения и рассеивания до земной поверхности доходит лишь часть ее — прямая солнечная радиация. Например, по широте Ленинграда получается в среднем 38% суммы радиации от возможной за год.

В средних широтах при идеальной атмосфере, то есть атмосфере, лишенной водяных паров и аэрозолей, в летнее время в околополуденные часы прямая солнечная радиация может достигать 1,65 кал/см2×мин. В условиях же реальной атмосферы на поверхности земли наибольшая измеренная величина была равна 1,51 кал/см2×мин.

Наличие значительной запыленности и задымленности атмосферы в условиях города приводит к существенному уменьшению солнечной радиации по сравнению с сельской местностью. Наиболее значительное влияние запыленности и задымленности атмосферы на поток прямой солнечной радиации было обнаружено в результате актинометрических измерений, выполненных в Берлине. Здесь поток солнечной радиации на перпендикулярную поверхность в городе в среднем на 20% меньше, чем за городом. При малых высотах стояния солнца это различие достигало 50%. Наиболее существенно сказывается влияние запыленности атмосферы города на ослабление солнечной радиации в безветренную погоду, когда над городом скапливается большое количество пыли и дыма.

Земной поверхности достигает не только прямая, но и рассеянная солнечная радиация. Основное отличие рассеянной радиации от прямой состоит в том, что прямая радиация — это направленный поток, тогда как рассеянная идет от всех точек небесного свода. Второе отличие заключается в спектральном составе рассеянной радиации по сравнению с прямой. Так, максимум излучения прямой солнечной радиации падает на волну 556 нм, а рассеянной — на 480 нм. При наличии же облаков максимум рассеянной радиации смещается в сторону более длинных волн (680 нм).

Рис. 1. Пиргелиометр Онгстрема
Рис. 1. Пиргелиометр Онгстрема: 1 — крышка трубы с щелевидными отверстиями; 2 — крючок щитка; 3 и 5 — целик и мушка; 4 — труба прибора; 6 — головка прибора; 7 — переключатель; 8, 9 и 10 — клеммы для подключения прибора к гальванометру и к цепи нагрева; и и 12 — винты для ориентировки прибора на Солнце

Летом рассеянная радиация значительно меньше прямой, осенью и весной она равна ей, а зимой почти в 3 раза больше. Чем меньше прозрачность воздуха, тем значительнее рассеянная радиация, так как в этом случае в атмосфере появляются добавочные центры рассеяния (пылинки или водяные капли). Во время сухих и влажных туманов и при увеличении облачности интенсивность рассеянной радиации поднимается до 0,4—0,6 кал/см2×мин. Особенно велика роль рассеянной радиации для северных и полярных областей, где основная масса тепла на Землю поступает за счет рассеянной радиации. Для бухты Тихой, например, прямая солнечная радиация составляет 30%, а рассеянная — 70%. Для Ташкента отношения прямо противоположные — прямая солнечная радиация составляет 70%, а рассеянная — 30%.

Рис. 2. Пиранометр Янишевского
Рис. 2. Пиранометр Янишевского: 1 — съемная плитка; 2 — стеклянная полусфера; 3 — колпак, используемый при определении места нуля; 4 — винт для направления пиранометра к солнцу; 5 — установочный винт; 6 — клемма для подключения стрелочного гальванометра; 7 — уровень; 8 — экран

В интегральном потоке излучения Солнца отношение рассеянной радиации к прямой составляет 1:9, в ультрафиолетовой области — 4:6 вследствие того, что рассеивание лучей с меньшей длиной волны идет более энергично, чем с большей длиной волны.

Сумма потоков прямой и рассеянной солнечной радиации составляет суммарную радиацию. В случае сплошной или частичной облачности суммарная радиация представляет собой только рассеянную радиацию. Спектральный состав суммарной радиации не зависит от высоты стояния солнца и остается постоянным в течение дня.

В зимние месяцы характерно быстрое уменьшение прихода суммарной радиации от умеренных широт к высоким, причем это распределение является зональным. Летняя половина года характеризуется наличием малых градиентов суммарной радиации на обширных пространствах. В период полярного дня суммарная радиация в северных районах значительно больше, чем в области экватора. Западные районы получают меньше радиации, чем восточные.

Достигнув земной поверхности, часть радиации отражается от нее (альбедо), образуя поток отраженной радиации. Альбедо различных поверхностей неодинаково. Разность между суммарной и отраженной радиацией называется приходящей радиацией, а разность между приходящей радиацией и излучением земли и атмосферы — радиационным балансом, который является основным климатообразующим фактором. Основные закономерности радиационного баланса определяются продолжительностью солнечного сияния, облачностью и прозрачностью атмосферы, характером и состоянием подстилающей поверхности и другое. Максимальные положительные величины радиационного баланса наблюдаются в околополуденные часы, а максимальные отрицательные значения — в ночное время.

В теплую половину года дневная положительная сумма радиационного баланса превосходит ночную отрицательную сумму, и поэтому суточный радиационный баланс оказывается положительным. В зимнее время имеет место обратная картина — суточный радиационный баланс отрицательный.

Рис. 3. Альбедометр Янишевского—Былова (походный альбедометр)
Рис. 3. Альбедометр Янишевского—Былова (походный альбедометр): 1 — головка с термобатареей; 2 — кардановый подвес; 3 — рукоятка; 4 — трубка
Рис. 4. Актинометр Михельсона
Рис. 4. Актинометр Михельсона

Географическое распределение годовых сумм радиационного баланса на территории СССР показывает, что он везде положителен и изменяется от 20 ккал/см2×год на севере до 60 ккал/см2×год на юге. Географическое распределение радиационного баланса является зональным. Актинометрические исследования в Арктике и Антарктике показали, что для большей части Арктики (за исключением ее центральной части) средний годовой радиационный баланс положителен, в центральной Арктике он близок к нулю (0,5 ккал/см2×год). Годовой радиационный баланс Антарктиды, за исключением поверхностей, свободных от льда и снега, отрицателен. Приборы, применяемые при актинометрии. Приборы для измерения интенсивности лучистой энергии называются актинометрами. Различают устройства для измерения интенсивности прямой солнечной радиации. — пиргелиометры (рис. 1), устройства для измерения рассеянной солнечной радиации — пиранометры (рис. 2), устройства для измерения земного (ночного) излучения (пиргеометры), устройства для измерения отраженной от земной поверхности солнечной радиации — альбедометры (рис. 3), устройства для измерения радиации искусственных источников теплового излучения — актинометры (рис. 4 и 5), которые также употребляются и для измерения солнечной радиации. Величину лучистой энергии выражают в малых калориях, поглощаемых за 1 мин. поверхностью в 1 см2, расположенной перпендикулярно к направлению лучей источника инсоляции (кал/см2×мин).

Приборы, применяемые при актинометрии

Рис. 5. Инспекторский актинометр ЛИОТ-Н: 1 — общий вид; 2 — приемная часть
Рис. 5. Инспекторский актинометр ЛИОТ-Н: 1 — общий вид; 2 — приемная часть

Приборы, применяемые при актинометрии, можно разделить на устройства для относительных и абсолютных измерений, которые конструктивно отличаются друг от друга. Абсолютные измерения позволяет осуществлять пиргелиометр.

Прибор состоит из двух трубок, одна из которых зачернена и открыта для прямой солнечной радиации, а другая закрыта. Обе трубки омываются водой. Для уравнивания температуры воды, вытекающей из двух камер, закрытая трубка обогревается током тем большей силы, чем сильнее нагрелась вода, проходящая через открытую для солнечной радиации трубку. Зная количество тепла, выделившегося в первой камере, и площадь приемного отверстия, рассчитывают интенсивность солнечной радиации в абсолютных величинах.

Актинометр обычно регистрирует величину прямой солнечной радиации, предварительно переведя ее в другой вид энергии. Принцип действия актинометра основан на поглощении солнечной радиации зачерненной поверхностью и превращении ее в теплоту, которая или регистрируется непосредственно, или превращается в механическую энергию с регистрацией механических перемещений. Так, в актинометре Михельсона нагревается зачерненная железная часть биметаллической пластинки, изготовленной из железа и инвара. Поскольку зачерненная железная сторона биметаллической пластинки нагревается и удлиняется, а инвар практически не нагревается и, следовательно, не происходит его удлинения, вся биметаллическая пластинка изгибается, выпячиваясь зачерненной нагревающейся и удлиняющейся стороной, причем радиус изгиба пропорционален температуре. Перемещение кварцевой нити, размещенной на краю пластинки, служит мерой интенсивности прямой солнечной радиации. Действие актинометра Янишевского основано на измерении термоэлектрической электродвижущей силы, возникающей от разности нагрева термоэлементов, состоящих из двух зигзагообразно соединенных полосок манганина и константана. Периферийные спаи прикреплены к медному затененному от прямых солнечных лучей кольцу, а центральные спаи прикреплены к центральному серебряному диску, зачерненному, подвергающемуся воздействию прямой солнечной радиации.

Возникающий в результате разности нагрева термопары ток пропорционален разности температур центральных и периферических спаев, которая пропорциональна потоку радиации.

Другие приборы, применяющиеся для проведения относительных и абсолютных измерений солнечной радиации, отличаются конструктивным исполнением их схем и применением других чувствительных элементов.


Библиография: Галанин Н. Ф. Лучистая энергия и ее гигиеническое значение, Л., 1969, библиогр.; Кедроливанский В. Н. и Стернзат М. С. Метеорологические приборы, Л., 1953; Кондратьев К. Я. Актинометрия, Л., 1965; Минх А. А. Методы гигиенических исследований, М., 1971; Янишевский Ю. Д. Актинометрические приборы и методы наблюдения, Л., 1957; Goody R. М. Atmospheric radiation, theoretical basis, Oxford, 1964.


Источник: Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание

Рекомендуемые статьи