Пиргеометр - Pyrgeometer

Пример пиргеометра

А пиргеометр это устройство, которое измеряет приповерхностные инфракрасный радиация спектр в спектре длин волн примерно от 4,5 мкм до 100 мкм.

Он измеряет изменения сопротивления / напряжения в материале, который чувствителен к чистой передаче энергии излучением, которое происходит между ним и его окружением (которое может быть как внутри, так и снаружи). Также измеряя собственную температуру и делая некоторые предположения о природе окружающей среды, он может сделать вывод о температуре местной атмосферы, с которой он обменивается излучением.

Эти инструменты, как правило, не имеют возможности измерения спектра (частоты / длины волны) - они используют одно измерение сопротивления / напряжения (без разрешения по частоте). инфракрасный радиация спектр который простирается примерно от 4,5 мкм до 100 мкм, что исключает основной коротковолновый (солнечный) спектр.

Поскольку длина свободного пробега ИК-излучения в атмосфере составляет ~ 25 метров, это устройство обычно измеряет поток ИК-излучения в ближайшем 25-метровом слое.

Компоненты пиргеометра

Пример пиргеометра, показывающий основные компоненты

Пиргеометр состоит из следующих основных компонентов:

• А термобатарея датчик, чувствительный к излучению в широком диапазоне от 200 нм до 100 мкм
• Силиконовый купол или окно с солнцезащитным фильтрующим покрытием. Он имеет коэффициент пропускания от 4,5 мкм до 50 мкм, что исключает солнечное коротковолновое излучение.
• А Датчик температуры для измерения температуры тела прибора.
• Солнцезащитный экран для минимизации нагрева инструмента из-за солнечного излучения.

Типичный коэффициент пропускания комбинированного окна и солнцезащитного фильтра для пиргеометра модели CGR 4

Измерение длинноволнового нисходящего излучения

Атмосфера и пиргеометр (по сути, его сенсорная поверхность) обмениваются длинноволновым ИК-излучением. В результате получается чистый радиационный баланс в соответствии с:

${\displaystyle \ E_{\mathrm {net} }={\ E_{\mathrm {in} }-\ E_{\mathrm {out} }}}$

Куда:
${\displaystyle E_{\mathrm {net} }}$ - чистая радиация на поверхности датчика [Вт / м²]
${\displaystyle E_{\mathrm {in} }}$ - Полученное из атмосферы длинноволновое излучение [Вт / м²]
${\displaystyle E_{\mathrm {out} }}$ - Длинноволновое излучение, излучаемое поверхностью датчика [Вт / м²]

Пиргеометр термобатарея определяет чистый баланс излучения между входящим и исходящим потоком длинноволнового излучения и преобразует его в напряжение в соответствии с приведенным ниже уравнением.

${\displaystyle \ E_{\mathrm {net} }={\frac {\ U_{\mathrm {emf} }}{S}}}$

Куда:
${\displaystyle E_{\mathrm {net} }}$ - чистая радиация на поверхности датчика [Вт / м²]
${\displaystyle U_{\mathrm {emf} }}$ - термобатарея выходное напряжение [В]
${\displaystyle S}$ - чувствительность / калибровочный коэффициент прибора [В / Вт / м²]

Значение для ${\displaystyle S}$ определяется при калибровке прибора. Калибровка выполняется на заводе-изготовителе с помощью эталонного прибора, привязанного к региональному центру калибровки.^[1]

Чтобы получить абсолютный нисходящий поток длинных волн, необходимо учитывать температуру пиргеометра. Он измеряется с помощью датчика температуры внутри прибора, около холодных спаев термобатарея. Считается, что пиргеометр приближает черное тело. Благодаря этому он излучает длинноволновое излучение в соответствии с:

${\displaystyle \ E_{\mathrm {out} }={\sigma T^{4}}}$

Куда:
${\displaystyle E_{\mathrm {out} }}$ - Длинноволновое излучение земной поверхности [Вт / м²]
${\displaystyle \sigma }$ - Постоянная Стефана-Больцмана [Вт / (м²· K⁴)]
${\displaystyle T}$ - Абсолютная температура детектора пиргеометра [кельвинов]

Из приведенных выше расчетов можно определить приходящее длинноволновое излучение. Обычно это делается путем преобразования приведенных выше уравнений в так называемое уравнение пиргеометра Альбрехта и Кокса.

${\displaystyle \ E_{\mathrm {in} }={\frac {U_{\mathrm {emf} }}{S}}+{\sigma T^{4}}}$

Где все переменные имеют то же значение, что и раньше.

В результате обнаруженное напряжение и температура прибора дают общее глобальное длинноволновое нисходящее излучение.

Применение

Пиргеометры часто используются в метеорология, климатология исследования. Длинноволновая нисходящая радиация атмосферы представляет интерес для исследования долгосрочных изменений климата.

Сигналы обычно обнаруживаются с помощью системы регистрации данных, способной брать пробы с высоким разрешением в диапазоне милливольт.

Смотрите также

• Пиранометр
• Радиометр

использованная литература

1. «IRC-Центр калибровки инфракрасного излучения Давос».