Что такое пиргелиометр и для чего он нужен
Пиргелиометр — это специальный метеорологический прибор, предназначенный для точного измерения интенсивности прямой солнечной радиации. Его название происходит от греческих слов «пир» (огонь), «гелиос» (Солнце) и «метр» (измерить). Принцип работы основан на регистрации количества тепла, поглощаемого абсолютно чёрным телом, расположенным перпендикулярно солнечным лучам. Это позволяет получать данные о мощности солнечного излучения, достигающего Земли.
Основные типы пиргелиометров
Существует несколько конструкций этого прибора, разработанных разными учёными. К ним относятся: компенсационный пиргелиометр Ангстрема, водоструйный прибор Чарльза Эббота (модифицированный В.М. Шульгиным), пиргелиометр Виолля (актинометр), пиргелиометры профессора Хвольсона и современный изотермический пиргелиометр.
Компенсационный пиргелиометр Ангстрема
Этот прибор, созданный геофизиком Кнутом Ангстремом, использует принцип электрической компенсации. В нём две одинаковые зачернённые манганиновые пластинки: одна нагревается солнцем, а другая — электрическим током. С помощью термопары и регулировки тока добиваются равенства их температур. Количество тепла, которое нужно подать на вторую пластинку для компенсации, в точности равно энергии, полученной первой от солнца. Это и есть измеряемая интенсивность радиации.
Водоструйный пиргелиометр Эббота-Шульгина
В этой конструкции используются две трубки с зачернёнными камерами, через которые протекает вода. Одна камера открыта для солнца, другая затенена и нагревается электрическим током. Силу тока регулируют до тех пор, пока температуры выходящих потоков воды не сравняются (контролируется термоэлементами). Интенсивность излучения вычисляется по затраченной электрической энергии и площади приёмного отверстия. Интересно, что показания этого прибора традиционно примерно на 3,5% выше, чем у пиргелиометра Ангстрема.
Пиргелиометр Виолля (актинометр)
Этот прибор имеет сложную конструкцию из двух концентрических шаров. Внутренний шар зачернён, а пространство между шарами заполнено водой или льдом. Солнечные лучи через специальное отверстие попадают на актинометрический термометр в центре. Измеряется скорость нагрева термометра при открытом отверстии и скорость его остывания при закрытом. На основе этих данных, зная теплоёмкость системы, вычисляют абсолютное количество полученной тепловой энергии.
Пиргелиометры Хвольсона
Профессор Хвольсон разработал несколько моделей. Одна из них использует две медные зачернённые пластинки, которые поочерёдно освещаются солнцем с помощью экранов. Разность их температур измеряется термопарой, подключённой к гальванометру. Другая, более простая версия, предназначенная для относительных измерений, использует два термометра в зачернённых коробочках. Один освещается, другой находится в тени. Интенсивность излучения определяется по разности их показаний через равные промежутки времени. Эти приборы требовали очень аккуратной работы и не стали массовыми.
Современный изотермический пиргелиометр
Это высокоточный прибор для измерения интегральной (суммарной) солнечной радиации. Его ключевой элемент — сфера-коллектор с особым отражателем внутри, который равномерно рассеивает излучение по внутренней зачернённой поверхности, обеспечивая поглощение до 99,8%. Нагрев регистрируется высокочувствительными дифференциальными термобатареями из специальных полупроводниковых материалов. Для минимизации погрешности от теплообмена с окружающей средой сфера поддерживается в практически изотермическом режиме с помощью батарей Пельтье, а калибровка осуществляется эталонным нагревателем. Точность измерения достигает ±0,01%, что соответствует лучшим мировым стандартам. Такие приборы используются не только в метеорологии, но и для изучения влияния солнечной активности на биологические, социальные и физико-химические процессы на Земле.
Применение пиргелиометров
Пиргелиометры служат в качестве эталонных устройств для поверки и калибровки более простых относительных приборов — актинометров, которые широко используются в метеорологических сетях по всему миру.