АКТИНОМЕТРИЯ

АКТИНОМЕТРИЯ (греч. aktis, aktinos — луч и metreō — измеряю) — совокупность методов измерения лучистой энергии. К задачам А. 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 А. применяются приборы, в к-рых поток лучистой энергии определяется разностью температур приемной поверхности и окружающей среды, к-рая 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, к-рый 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. Напр., по широте Ленинграда получается в среднем 38% суммы радиации от возможной за год.

В средних широтах при идеальной атмосфере, т. е. 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 п 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: 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, т. к. 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/см¹×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, напр., 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: 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, к-рый является основным климатообразующим фактором. Основные закономерности радиационного баланса определяются продолжительностью солнечного сияния, облачностью и прозрачностью атмосферы, характером и состоянием подстилающей поверхности и др. 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.

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), к-рые также употребляются и для измерения солнечной радиации. Величину лучистой энергии выражают в малых калориях, поглощаемых за 1 мин. поверхностью в 1см², расположенной перпендикулярно к направлению лучей источника инсоляции (кал/см²×мин).

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

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

Прибор состоит из двух трубок, одна из к-рых 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.

Рис. 4. Актинометр Михельсона

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, к-рая 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.

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

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.

Библиогр.: 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.