Күн радиациясының түрлері және оны өлшейтін аспаптар

Метеорологияда сәулелік энергия ағындары толқын ұзындықтары 0,2-ден 5,0 мкм-ге дейінгі қысқа толқынды радиацияға және толқын ұзындықтары 5,0-ден 100 мкм-ге дейінгі ұзын толқынды радиацияға бөлінеді.

Қысқа толқынды күн радиациясының ағындары :

– тікелей;

– шашыранды (диффузиялық);

– қосынды.

W-күн энергиясы деп электромагниттік толқындармен тасымалданатын энергияны атайды.

Халықаралық бірліктер жүйесінде W сәулелену энергиясының бірлігі болып – 1 джоуль саналады.

Сәулелік ағын – Ф_э келесі формуламен анықталады

Ф_э=W/t, (4.4)

мұндағы W – t уақытындағы сәулелену энергиясы. W=1Дж, t=1с деп шамалай отырып, мынаны аламыз: 1(Ф_э)=1Дж/1 сек=1 Вт.

Сәулеленудің сәулелік ағынының тығыздығы (радиация ағыны-I) келесі формуламен анықталады:

I=Ф_э/S, (4.5)

мұндағы, Ф_э – S жер бетіне біркелкі түсетін сәулелену ағыны.

Ф_э=1Вт, S=1м² деп шамалай отырып, 1(Е_э)=1Вт/ 1 м²=1 Вт/м² аламыз.

I_т тікелей күн радиациясы – күн дискісінен түсетін және жазықтықта өлшенетін, күн сәулелеріне перпендикуляр сәулелену ағыны түрінде болады.

Көлбей бетке түсетін радиация келесі формула бойынша есептеледі;

S^'=I_тsinh, (4.6)

Мұндағы, h – күннің көкжиекпен салыстырғандағы биіктігі.

Тікелей түсетін күн радиациясын өлшеу үшін Савинов-Янишевский актинометрі қолданылады.

Атмосфераға көтерілген атмосфералық газдар молекулаларының, су тамшыларының немесе бұлттардың мұз кристалдары мен қатты бөлшектердің күн радиациясын шашыратуы нәтижесінде көлбей бетке Күн дискісінің радиусы 5⁰ күн төңірегіндегі аймақтан басқа аспан күмбезінің барлық нүктелерінен түсетін радиация шашыранды күн радиациясы D деп аталады.

Толық (Жиынтық) күн радиациясы Q – көлденең бетке түсетін сәулеленудің екі түрін қамтиды: тікелей және диффузиялық;

Q=S^'+D (4.7)

Жер бетіне жеткен жиынтық радиацияның көп бөлігі топырақтың немесе судың жоғары жұқа қабатында жұтылады да, жылуға айналады, ал жартысы шағылады.

Күнмен, Жер бетімен және атмосферамен сәулелендірілетін энергия және оның түрленулері зерттелетін геофизиканың бөлімі актинометрия, ал радиацияның әрқилы түрлерін өлшеуге арналған аспаптар – актинометриялық аспаптар деп аталады.

Савинов-Янишевский актинометрі АТ-50

Актинометр тікелей күн радиациясын өлшеуге арналған және бақылау құралы ретінде қызмет ете алады [6,19,24,25].

Радиация қабылдағыш ретінде күміс фольгадан жасалған қалыңдығы 20 мкм және диаметрі 11 мм жұқа дискі 1 қызмет етеді (4.5-сурет). Дискінің сыртқы жағы (күнге қаратылған) арнайы лакты жабынмен қарайтылған, ал ішкі жағына папирос қағаз арқылы 36 тақ термобатареяның дәнекер жапсарлары 2 жапсырылған. Сыртқы жұп дәнекер жапсарлар 3 біршама ауыр мыс сақинаға 4 бекітілген. Термобатарея мыс сақинамен бірге сыртқы ұшында қабылдағыш саңылау қызметін атқаратын диаметрі 20 мм диафрагмасы бар ұзындығы 116 мм мыс түтікке 7 (4.6-сурет) орналастырылған. Түтіктің ішінде тағы да диаметрі бойынша кеми беретін, диаметрі 10 мм болатын ең кішісі термобатареямен қатар орналасқан диафрагмалар қатары бар. Бұл диафрагмалар қатары Күн дискісі 5⁰ күн төңірегіндегі кеңістікке тең денелік бұрыш құрады. Темробатареядан шығатын сымдар 12 қысқыштар арқылы гальванометрге жалғанады.

4.5-сурет. Актинометрдің термобатареясы: 1 – қабылдағыш пластина; 2 – термобатареялар; 3 – папирос қағазы; 4 – мыс сақина.

Гальванометрдің көрсеткіштері термотоктың күшіне пропоционалды, демек, тікелей күн радиациясының энергетикалық жарықталуына да пропорционалды.

Актинометрдің корпусы тіреуге 10 және көрсеткіш салынған табанға 11 орнатылады, көрсеткіштің көмегімен біз аспапты солтүстікке бағдарлаймыз. Ось 8 ендіктер шкаласы 9 көмегімен әлем осі бойынша орнатылады. Актинометр бойынша бақылау жүргізу үшін оны термобатарея Күнге көзделетін етіп бағдарлау қажет, ол үшін аспаптан қақпағын 1 алып түтіктің кіріс саңылауын Күнге бағыттайды.

4.6-сурет. Савинов-Янишевский актинометрі: 1 – қақпақ; 2, 3 – винттер; 4 – иілулер осі; 5 – экран; 6 – тұтқа; 7 – түтік; 8 – ось; 9 – ендіктер секторы; 10 – тіреу; 11 – табан; 12 – сымдар; 13 – саңылау

Бұл кезде экранда 5 концентрлі көлеңке қалыптасатындай түтіктің орналасуына қол жеткізе отырып, 3 және 6 винттарын басқарып отырады, ал күн сәулесі диафрагма жақтауындағы саңылаудан 13 «күн шұғыласы» түрінде өте отырып экранға салынған қара нүктеге түсуі қажет. Бұл жағдайда аспаптың сезімтал элементі (термобатарея) күн сәулелеріне перпендикуляр бағытталған.

Янишевскидің термоэлектрлік пиранометрі

Бұл аспап аспан күмбезімен қатар жер бетінде орналасқан заттардан да келетін жиынтық және шашыранды радиацияны өлшеуге арналған. Егер бұл аспаптың радиация қабылдағышын созылып жатқан бет жағына қарай бұрса, онда ол шағылған радиацияны тіркейді.

Қазіргі уақытта метеорологиялық станцияларда қолданылатын пиранометрлерде (4.7-сурет) қабылдағыш қызметін шахмат тақтасы тәрізді ақ-қара өрістерге боялған шаршы термобатарея 1 атқарады.

Пиранометрлерде манганин мен константаннан құралған тізбектеле жалғанған термоэлементтер батареясы қолданылады. Термобатареяның беті қара (күйемен) және ақ (магнезиямен) бояумен жабылған, осылайша, жұп дәнекер жапсарлар бір түске, ал тақтары – басқа түске боялады. Бұл жабындардың пайдаланылуы күйе мен магнезияның спектрдің ұзынтолқынды бөлігіндегі жұту қабілеті бірдей болғандығына байланысты. Қысқатолқынды аумақта күйе магнезияға қарағанда қарқындырақ жұтады, міне спектрдің дәл осы бөлігінің есебінен дәнекер жапсарлар арасында температура айырмасы туындайды.

Пиранометрдің термобатареясы 1 оқшаулағыш қабат арқылы аспаптың корпусына бекітілген.

Термобатареяның шеткі термолементтерінен корпустың төменгі жағындағы қысқыштарға өткізгіштер шығады (суретте олар көрінбейді). Шахматтық тәртіпте боялған бүкіл термобатарея өз құраушысы бойында шыны қақпақша бұрандаланатын винттік оймасы 3 бар дискінің шаршылай ойығына 2 бекітіледі. Шыны жартысфера термобатареяны механикалық бұзылудан қорғаныс ретінде ғана емес, сонымен қатар ең әуелі желдің әсерінен құтылу үшін қажет.

Бүкіл термобатарея дискі және шыны жартысферамен бірге 5 мосылы 4 тіреуге винттеледі, мосының көмегімен аспаптың қабылдағышын көлденең деуге болады (4.7-сурет). Дәл осы мосыда аспап қондырғысының көлденеңдігін қадағалауға арналған шартәрізді деңгей бекітіледі (суретте көрсетілмеген).

Тіреуге 4 қысқа металл оқтауша 6 қосарланған, оған винттің 7 көмегімен аспаптың қабылдағыш бетін тікелей күн сәулелерінен көлеңкелеуге және осы уақытта тек шашыранды радиацияны өлшеуге мүмкіндік беретін көлеңкелі экраны 9 бар жеңіл дюральді түтік 8 бекітіледі.

Оқтаушаның ұзындығы экран дискі қабылдағыштың ортасынан 10º бұрыштан көрінетіндей. Қабылдағыштың ашық күйінде жиынтық радиация өлшенеді.

Үш аяқты тірегіш 5 қабылдағышпен және шыны жартысферамен бірге 180º-қа төңкеріле алады, бұл аспапты жер жаққа қарай бағыттап шағылған қысқатолқынды радиацияны өлшеуге мүмкіндік береді (сәулеленудің ұзынтолқынды бөлігін шыны сфера жібермейді). Шыны жартысфераны қорғау үшін аспаптың басушы қақпақшамен жабдықталған.

4.7-сурет. Янишевский пиранометрі: а – басұш; 1 – термобатарея: 2 – диск; 3 – винттік ойма; б – сыртқы түрі.

Бақылау сұрақтары:

1. Күн радиациясының спектрлік бөлінуі.

2. Қара денеден таралатын энергияның толық шамасын анықтау.

3. Квант заңдылығына негізделген абсолюттік қара денеден тарайтын энергияның есептеу.

4. Вин және М.Планк заңы.

5. Күн сәулесінің атмосферада жұтылуы және оған байланысты әрекеттесуі.

6. Жердің магнитосферасы.

7. Күн желінің Жердің магниттік өрісіне әсер етуінен қалыптасатын ғарыштық кеңістіктегі жағдайлар.

8. Тікелей күн сәулелерінің атмосфера арқылы жүріп өткен қашықтығын анықтау. Оптикалық масса.

9. Жылыжайлық әсері және ұзын толқынды сәулелену

10. Күн радиациясының түрлері және оны өлшейтін аспаптар.

11. Савинов-Янишевский актинометрі АТ-50 жұмыс істеу тәртібі.

12. Янишевскидің термоэлектрлік пиранометрі жұмыс істеу тәртібі.

13. Жылжымалы альбедометр. Янишевскидің термоэлектрлік балансомері.