Взаимодействие солнечного излучения с атмосферой, страница 3

Из-за кривизны атмосферы и процессов рассеяния для корректного расчета  нужно знать вертикальный профиль концентрации поглотителей и рассеивателей на длине волны l. Кроме того, следует учитывать рассеянное излучение, поступающее в рассматриваемый элементарный объем со всех направлений. Это намного осложняет конкретные вычисления. Однако, несмотря на наличие этих «тонкостей», вывод об образовании слоев в атмосфере остается справедливым.

Замечание: не всегда рассеянное излучение слабее прямого. Интенсивность прямого солнечного излучения, распространяющегося через среду по пути 1 на рис. 4.3, ослабляется в  раз, где τ – оптическая толщина среды в вертикальном направлении, z – угол падения излучения. Излучение, распространяющееся по пути 2, ослабляется в  раз, где σ – вероятность рассеяния на верхней границе среды вертикально вниз. Как бы ни была мала эта вероятность (вследствие малой концентрации рассеивателей в верхней атмосфере), очевидно, можно всегда найти достаточно большой угол падения, чтобы ослабление по первому пути стало больше, чем по второму.

4.4. Аппаратура для измерения лучистой энергии в атмосфере

Такие измерения имеют большое значение для мониторинга атмосферы и поступающего в нее солнечного излучения. Абсолютные измерения плотности потока прямой солнечной радиации проводят с помощью пиргелиометров.Дляотносительных измерений используют актинометры. Разница заключается в том, что первые приборы в качестве результата выдают непосредственно мощность излучения, вторые для получения мощности излучения требуют умножения результата измерений на некоторый множитель, который определяется посредством сравнения показаний актинометра с пиргелиометром. В Беларуси в последние годы актинометрические наблюдения  ведутся в Березинском биосферном заповеднике. Балансомеры – измеряют разность между суммарным потоком излучения, падающим на поверхность Земли, и потоком, направленным от неё.

Наибольшее распространение получили две конструкции пиргелиометров:

1.  Водоструйный пиргелиометр, в котором поглощенная радиация идет на нагрев потока воды. О поглощенной радиации далее судят по температуре воды. Водоструйный пиргелиометр является стандартом, в частности, в США.

2.  Пиргелиометр Онгстрема(стандарт в государствах, образовавшихся после распада СССР). Конструкция приборов такого типа (см. рис. 4.4) включает две зачерненные пластины, одна из которых (a) подвергается воздействию солнечного излучения, а другая (b) – нет. Из-за поглощения радиации первая пластина нагревается, тогда вторую пластину подогревают до той же температуры, пропуская через нее электрический ток. Величина потока радиации может быть оценена по затраченной на нагрев второй пластины электрической мощности, пропорциональной, очевидно, квадрату электрического тока, протекающего через пластину.

В течение многих лет существовала разница в показаниях обоих типов приборов, составлявшая около 3.5%. И лишь относительно недавно была достигнута договоренность о согласовании показаний путем изменения калибровки одного из типов приборов.

Может возникнуть естественный вопрос: откуда берется подобная разница, если оба типа приборов являются абсолютными измерителями? Дело в том, что во всех приборах существуют проблемы устранения потерь тепла. Полностью устранить такие потери или точно учесть их весьма затруднительно. Это и порождает разницу в показаниях приборов различных типов.

Очень широкое применение в  приборах для измерения солнечной радиации получили термоэлементы, превращающие тепло в электрический ток.

Для измерения оптического солнечного излучения в отдельных участках спектра используют фотометры и спектрометры. В фотометрах, как правило, нужный достаточно широкий спектральный диапазон выделяется с помощью фильтров. В спектрометрах применяются призмы и дифракционные решетки для разложения излучения в спектр, то есть, пространственного разделения пучка излучения по длинам волн. Когда эта задача решена, мы можем перемещать датчик в разные участки спектра и регистрировать при этом изменения поступающей энергии в зависимости от длины волны излучения.

4.5. Проблема определения солнечного оптического спектра за пределами атмосферы

Проблема: как определить внеатмосферный солнечный спектр, не выходя за пределы атмосферы? Ведь он искажается на пути через атмосферу.