Пиргелиометр

Пиргелиометр

Название состоит из греческих слов pyr – «огонь» и hellos – «Солнце», и слова «метр». Этот прибор предназначен для измерения интенсивности прямой солнечной радиации, которая падает на перпендикулярную поверхность относительно солнечных лучей. Исследования основаны на количестве тепла, полученного и поглощенного абсолютно черным телом.

Существуют компенсационный пиргелиометр Ангстрема, водоструйный прибор Ч. Аббота, пиргелиометр Виолля, пиргелиометры профессора Хвольсона, изотермический пиргелиометр.

Компенсационный пиргелиометр Ангстрема создан геофизиком Кнутом Юханом Ангстремом. Приемная часть представляет собой две одинаковые очень тонкие манганиновые пластинки, которые сверху зачерняются. Одна пластина нагревается под действием солнечных лучей, другая нагревается электрическим током от постороннего источника и в обязательном порядке защищается от воздействия солнечных лучей. В случае равенства температур двух пластинок термопара, установленная к пластинкам, не дает ток вследствие их полной компенсации. Исследования показывают, что количество тепла, которое выделяется в результате полной компенсации тока во второй пластинке, соответствует количеству тепла, которое получается первой пластинкой от солнечной радиации.

Водоструйный пиргелиометр Ч. Аббота, в который были внесены конструктивные поправки В. М. Шульгиным, создан на основе двух одинаковых трубок, в которые помещаются зачерненные изнутри камеры, омываемые потоками воды. Одна открывается для получения радиации, вторая затеняется и подвергается обогреву током, сила которого должна контролировать и уравнивать температуру потоков воды, выходящих из обеих камер. Контроль при этом осуществляется при помощи термоэлементов. Интенсивность радиации определяется относительно выделяемого в камере количества тепла и площади приемного отверстия камеры.

Показания водоструйного пиргелиометра отличаются на 3,5% в большую сторону от пиргелиометра Ангстрема.

Пиргелиометр Виолля, также называемый актинометром, представляет собой сочетание медного полированного и никелированного снаружи шара и установленного в него концентричного шара меньшего диаметра, который изнутри зачерняется. Пространство между шарами заполняется водой или льдом, оснащается специальным термометром, определяющим температуру помещенной воды или льда. В шары помещаются три трубки таким образом, чтобы они проходили через оба шара. Две трубки представляют собой продолжение друг друга, на их концах устанавливаются диски. Третья трубка выполняет функцию включения в прибор актинометрического термометра. Пиргелиометр устанавливается на подставку и треногу, которые обеспечивают способность прибора производить вращение относительно горизонтальной и вертикальной осей. Это позволяет тени от одного диска правильно и концентрично покрывать больший диск. Солнечные лучи при прохождении сквозь отверстие, расположенное в центре диска, внутрь пиргелиометра попадают на шарик, покрытый сажей, актинометрического термометра, находящегося в центре прибора. В течение 5—6 мин производятся исследования, которые характеризуются последовательными отсчетами термометра в конце каждой минуты. Исследования начинаются с того, что отверстие в диске открыто и направлено в сторону Солнца, солнечные лучи нагревают термометр, и эта часть занимает 2—3 мин. Далее отверстие диска необходимо закрыть, и отслеживается понижение температуры от передачи тепла лучеиспусканием, производимым от термометра к стенкам внутреннего шара. Измерения, производимые каждую минуту, позволяют определить истинное увеличение температуры актинометрического термометра, полученного вследствие воздействия солнечных лучей в единицу времени. Абсолютное количество тепла, полученное термометром в минуту, находится благодаря установленной теплоемкости термометра и потери тепла по его трубке. Количество тепла, полученное в период измерений в минуту на см поверхности, перпендикулярной к солнечному лучу, определяется относительно поверхности отверстия, пропускающего солнечные лучи в пиргелиометр.

Пиргелиометр Хвольсона состоит из двух медных, зачерненных сверху пластинок, которые последовательно нагреваются Солнцем. Температурная разница исследуется при помощи припаивания к серединам пластинок двух проволок, медной и нейзильберной, которые в месте спая образуют термоэлемент. Проволоки присоединяются к гальванометру, отклонения стрелки которого пропорциональны разнице температур обеих пластинок. Медные пластинки поддерживают специальный штатив, предназначенный для фиксирования прибора параллактически. Устройство оснащается двумя легкими экранами, состоящими из трех алюминиевых пластинок, которые позволяют поочередно воздействовать на медные пластины солнечными лучами. Находятся теплоемкость медных пластинок, размер их поверхностей, разница температур в результате нагревания одной пластины в течение заданного времени, количество тепла, полученного нагреваемой пластиной. Значения, полученные при помощи гальванометра, переводятся при помощи отдельного опыта в разницу температур двух пластинок. Конструкция прибора довольно сложна, измерительный процесс должен осуществляться очень осторожно, что делает его недоступным для всех наблюдателей. Пиргелиометр Хвольсона не относится к нормальным приборам, способным производить сопоставления с доступными актинометрами.

Хвольсоном был разработан еще один вариант пиргелиометра, используемый для нахождения относительных измерений, который основан на разности температур двух тел, при этом одно подвергается нагреванию Солнцем, другое должно быть расположено в тени. В качестве тел принимаются термометры с направленными кверху спиральными резервуарами, которые установлены в латунные коробочки, которые заполняются медной жидкостью (коробочки в верхней части необходимо зачернить). Термометры фиксируются к медным полосам, которые при помощи зубчаток и боковых кремальеров передвигаются в направлении вверх и вниз. Прибор обеспечивается передвижной лупой, при помощи которой необходимо произвести отсчет термометров. Также предусмотрены тройные алюминиевые экраны, способные вращаться на стержнях. Коробочки затеняются или на них воздействуют солнечные лучи. Пиргелиометр фиксируется на подставке, которая создана для установления зачерненных поверхностей коробочек в положении, перпендикулярном действующим на них лучам Солнца. Интенсивность солнечного лучеиспускания определяется при помощи разности температур обоих термометров в результате воздействия солнечными лучами на один термометр и при затенении другого термометра через одинаковые интервалы времени.

Новые термометры представляют собой соответственно посеребренную пластинку с черной чертой в интервалах между ними и черную проволочную нить, расположенную чуть выше термометров, пластина с чертой и нить, соединенные с лупой, используются для правильной установки точки отсчета. Одна коробочка освещается, вторая находится в тени, отмечается увеличение температуры при нагревании термометра. Затем переходят к вращению зубчаток, при этом концы ртутных столбиков в термометрах должны располагаться на черной нити. Спустя полминуты исследования останавливают и отмечают отсчет показаний термометров. Далее движение продолжают и спустя полминуты отсчет производят снова. Наблюдения производятся в течение 2,5 мин, поэтому получают 5 разностей температур, в конечном счете предоставляющих два независимых относительно друг друга значения для напряжения солнечного лучеиспускания. В случае сравнения при помощи множителя полученную из отсчетов величину перемножают на множитель, получая при этом количество тепла, исходящее от солнечных лучей, прямо в абсолютной мере (в калориях).

Изотермический пиргелиометр – прибор для нахождения интегральной радиации Солнца, в котором роль коллектора солнечного излучения выполняет сфера с входным окном. В области первичного попадания луча установлен отражатель, который увеличивает коэффициент поглощения внутренней поверхности сферы. При помощи компьютерного проектирования создается отражатель определенной формы, которая служит для равномерного рассеяния по внутренней поверхности сферы потоков излучения. Все эти мероприятия направлены на достижение высокого уровня поглощения излучения Солнца, соответствующего 0,998, во всем спектральном диапазоне излучения, от ультрафиолетовой области до инфракрасной. Изотермический пиргелиометр представляет собой интегрирующий компонент высокой точности энергии излучения Солнца. При этом разогрев регистрируется высокочувствительными дифференциальными термоэлектрическими батареями, которые разработаны из оптимизированного полупроводникового термоэлектрического материала, легированного двумя компенсирующими примесями, способными создать высокую температурную стабильность материала для сохранения его чувствительности. Погрешность прибора приближена к минимальному значению, погрешности определяются теплообменом сферы с окружающей средой, поэтому для сведения их к минимуму пиргелиометр обеспечивается термобатареями Пельтье, сберегаемыми сферическим коллектором практически в изотермическом режиме. Эталонный электрический нагреватель вводится для прецизионного уровня измерения поверхности сферы, при помощи эталонного электрического нагревателя создается градуировка батарей Пельтье. Благодаря электронному прибору автоматически поддерживается приемная сфера с точностью +0,005 °C в изотермическом режиме. Интегральная плотность определяется с погрешностью не более +0,01%, которая отвечает точности самых лучших стандартов интегрального излучения Солнца. Изотермический прибор применяется для нахождения закономерностей социальных, биологических, физико-химических, макроскопических процессов, так как интегральное излучение Солнца представляет собой существенный фактор солнечной активности, которая воздействует на окружающую среду Земли.

Используется в качестве контрольного устройства относительных приборов, называемых актинометрами.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.