Тема 8. Методи вимірювання природних випромінювань
Вид заняття: лекція
Час: 2 години
Навчальні питання:
1. Параметри оптичного випромінювання.
2. Закони теплового випромінювання.
3. Параметри сонячного випромінювання.
4. Атмосферне випромінювання та випромінювання земної поверхні.
5. Методи вимірювання природних випромінювань.
Література
1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища. - К.: Світ, 2003.- 288 с.
2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища. - К.: Світ, 2000.- 303 с.
3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.
4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.
1. Параметри оптичного випромінювання
Згідно з уявленнями хвильової оптики, оптичне випромінювання (світло в широкому значенні слова) - електромагнітні хвилі, довжини яких містяться в діапазоні від кількох нанометрів до десятих часток міліметра. Ці хвилі поширюються у просторі у вигляді взаємозв’язаних коливань електричних і магнітних полів, вектори напруженості яких завжди перпендикулярні один до одного і до напрямку поширення хвилі. Швидкість поширення світла у вакуумі – 3 · 108 м/с. Розрізняють ультрафіолетове (λ < 400 нм), видиме (λ = 400...700 нм) та інфрачервоне (λ > 700 нм) випромінювання.
Сукупність електромагнітних хвиль з різними довжинами хвиль або частотами, що входять до складу сонячного випромінювання, є спектром сонячного випромінювання. Водночас, згідно з квантовою теорією, світло розглядається як потік елементарних світлових частинок - квантів електромагнітного випромінювання або фотонів.
Величини, за допомогою яких оцінюють оптичне випромінювання, діляться на енергетичні (які характеризують випромінювання безвідносно до його дії на приймачі випромінювання) та світлові (які характеризують випромінювання щодо умовного приймача - середнього людського ока).
Енергетичні величини
Потік випромінювання Фе - потужність, що посилається, переноситься або отримується у вигляді випромінювання. Одиниця потоку випромінювання - ват [Вт].
Сила випромінювання Ie - відношення потоку випромінювання, що виходить від джерела або елемента джерела в даному напрямку, усередині елементарного тілесного куга, який містить даний напрямок, до цього елементарного тілесного кута. Одиниця сили випромінювання - ват на стерадіан [Вт/ср].
Енергетична яскравість Le в точці поверхні і в заданому напрямку - відношення сили випромінювання елемента поверхні до площі ортогональної проекції цього елемента на площину, перпендикулярну до цього напрямку. Одиниця енергетичної яскравості – ват на стерадіан – квадратний метр [Вт /ср ∙ м2].
Енергетична освітленість Ее в точці поверхні - відношення потоку випромінювання, що падає на елемент поверхні, до площі цього елемента. Одиниця енергетичної освітленості - ват на квадратний метр [Вт /м2].
Енергетична світність Ме в точці поверхні - відношення потоку випромінювання, що виходить від елемента поверхні, до площі цього елемента. Одиниця енергетичної світності - ват на квадратний метр [Вт/м2].
Світлові величини
Світловий потік Фс. Одиниця світлового потоку - люмен [лм].
Сила світла Іс. Одиниця сили світла - кандела [кд] = [лм /ср].
Яскравість Lc в точці поверхні і в даному напрямку - відношення інтенсивності світла елемента поверхні до площі ортогональної проекції цього елемента на площину, перпендикулярну до даного напрямку.
Одиниця яскравості - кандела на квадратний метр [кд/м2].
Освітленість Ес в точці поверхні - відношення світлового потоку, що падає на елемент поверхні, до площі цього елемента.
Одиниця освітленості - люкс [лк] = [лм/м2].
Світність Мс в точці поверхні - відношення світлового потоку, що виходить з елемента поверхні, до площі цього елемента.
Одиниця світності - люмен на квадратний метр [лм /м2].
1.1. Спеціалізовані оцінки випромінювання
У біології серед деяких специфічних фотохімічних процесів, таких як фотосинтез, завдяки якому відбувається перетворення світлової енергії в хімічну, або транспірація, що супроводжується втратою водяної пари рослиною, оптичне випромінювання видимої області спектра (400...700 нм) відіграє панівну роль. Випромінювання даної області спектра називається фотосинтетично активним випромінюванням (ФАВ). Для оцінки цього випромінювання вимірюють повну кількість фотонів, отриманих чи поглинутих у певній спектральній області, або загальну енергію випромінювання.
Кількість отриманих фотонів вимірюється в ейнштейнах (символ Е). Енергія одного моля фотонів дорівнює:
1 ейнштейн = 1 Е = 1 моль фотонів (8.1)
У літературі для оцінки співвідношення оптичного випромінювання з фотосинтетичною активністю рослин використовують густину потоку фотосинтетичних фотонів (ГПФФ), що має одиницю вимірювання моль/м2·с.
Для сонячного випромінювання існує фактор перетворення цієї одиниці в фотометричну:
моль/м2·с≈51 лк
2. Закони теплового випромінювання
Теплове випромінювання - електромагнітне випромінювання, що утворюється речовиною за рахунок її внутрішньої енергії.
Теплове випромінювання підпорядковується таким законам:
Закон зміщення Віна: довжина хвилі λтах, що відповідає максимальному значенню енергетичної світності чорного тіла, обернено пропорційна його термодинамічній температурі Т.
Закон Стефана - Больцмана: енергетична світність чорного тіла пропорційна четвертому ступеню його термодинамічної температури.
Закон випромінювання Планка дає спектральну залежність випромінювальної здатності чорного тіла, функція якої, віднесена до одиничного інтервалу частот.
3. Параметри сонячного випромінювання
Сонце є основним зовнішнім джерелом світла й енергії для Землі та її атмосфери, завдяки якому існує життя на планеті. Сонце має вигляд розжареної кулі радіусом 6,96 ∙108м, маса якої становить 1,991 ∙ 1030 кг. Відстань між Сонцем і Землею - 1,496 ∙1011 м. Склад сонячного середовища - водень (64%), гелій (32%) і суміш важких елементів (4%). Температура Сонця у центрі – 2 ∙ 107°С, на поверхні - 6000°С. За такої високої температури відбувається іонізація молекул сонячного середовища та ядерні реакції. Ці процеси супроводжуються виділенням великої кількості енергії. Щорічне енергія Сонця, що приймається Землею, становить 5,5 ∙ 1024 Дж; потужність - 1,5 ∙ 1018 кВт за годину. Сонце можна порівняти з абсолютно чорним тілом, температура якого дорівнює 6000 К. Спектральна область сонячного випромінювання становить 200...5000 нм; максимум випромінюванню припадає на 500 нм. Спектр сонячного випромінювання, ще досягає земної поверхні, складається з ультрафіолетової (200...400 нм), видимої (400...700 нм) та інфрачервоної (>700 нм) частин. На ультрафіолетову частину спектра припадає 5%, видиму - 35% і на інфрачервону - 60% сонячного випромінювання.
Спектр зовнішнього сонячного випромінювання нагадує спектр випромінювання абсолютно чорного тіла при температурі 6000 К з максимумом близько 0,5 мкм. Після проходження крізь земну атмосферу сонячне випромінювання істотно поглинається на певних довжинах хвиль (озоном у ультрафіолетовій області спектра, водяною парою та двоокисом вуглецю - в інфрачервоній). На зміну характеру сонячного спектра впливають також процеси розсіювання світла малими за розмірами молекулами повітря (розсіювання Релея) та великими частинками пилу, диму та аерозолів (розсіювання Мі). Крім того, на характер спектра сонячного випромінювання впливають висота стояння Сонця, хмарність неба, склад атмосфери.
Сонячне випромінювання розподіляється таким чином: близько 17% поглинається хмарами, водяною парою, двоокисом вуглецю, що сприяє безпосередньому нагріванню атмосфери; близько 30% відбивається від хмар, атмосферних газів та частинок; близько 53% досягає земної поверхні: дві третини у вигляді прямого сонячного світла, одна третина у вигляді розсіяного світла.
4. Атмосферне випромінювання та випромінювання земної поверхні
На земну поверхню діє довгохвильове випромінювання атмосфери, за яке відповідає насамперед водяна пара, зокрема двоокис вуглецю та озон. Ці компоненти поглинають та випромінюють в області: вода – 5...7 мкм, а також на довжинах хвиль, що перевищують 17 мкм; двоокис вуглецю - близько 4,5 мкм та на довжинах хвиль, більших ніж 13,5 мкм; озон - близько 9,6 мкм. Крім того, атмосферні аерозолі беруть участь у тепловому випромінюванні. Загалом, спектр випромінювання атмосфери займає область 5...100 мкм.
Справді, атмосферне теплове випромінювання залежить від концентрації водяної пари в межах перших кількох кілометрів, особливо перших сотень метрів.
Завдяки енергетичній світності атмосфери земна поверхня освітлюється; енергетична освітленість земної поверхні дорівнює енергетичній світності атмосфери. Слід зазначити, що атмосферне випромінювання спрямоване як до земної поверхні, так і вгору.
Земна поверхня діє як сіре тіло з температурою 288 К. Спектральна область випромінювання - 4...50 мкм з максимумом 10 мкм. Випромінювання земної поверхні майже повністю поглинається атмосферою (зокрема водяною парою, двоокисом вуглецю та озоном), за винятком своєрідних спектральних ділянок - так званих «вікон прозорості», через які випромінювання здатне проходити в космос.
5. Методи вимірювання природних випромінювань
Класифікація радіометрів
Прилади, призначені для вимірювання природних випромінювань, називають радіометрами. Сенсори радіометрів можна поділити на два типи: теплові й квантові детектори.
Теплові детектори
В основі дії сенсорів цього типу лежить поглинання випромінювання та його перетворення на теплову енергію такої форми, яку можна вимірювати. До основних типів теплових детекторів відносять:
- калориметри, в яких реєструються зміни температури матеріалу детектора;
- термопари та термобатареї, в яких реєструється електрорушійна сила (напруга) в електричному ланцюзі, що складається з послідовно з’єднаних різнорідних провідників, контакти яких мають різну температуру;
- болометри, принцип дії яких полягає в реєстрації залежності опору провідника, напівпровідника або надпровідника від температури;
- піроелектричні детектори, в основі яких лежить використання залежності поляризації піроактивного кристалу від зміни його температури при опромінюванні; струм, що проходить через кристал, реєструється.
Радіометри з тепловими детекторами класифікуються на:
- піргеліометри - прилади для вимірювання прямого сонячного випромінювання за нормального падіння;
- піранометри - прилади для вимірювання сонячного випромінювання, що надходять з цілої півсфери;
- піргеометри - прилади для вимірювання низхідного (атмосферного) або висхідного (земної поверхні) довгохвильового випромінювання в межах цілої півсфери;
- піррадіометри - прилади для вимірювання сумарного випромінювання (коротко та довгохвильового), що проходить крізь горизонтальну площину.
Квантові детектори
Ці сенсори ґрунтуються на поглинанні енергії фотона, звільненні електронів та утворенні електричного струму. Кінцевим параметром, що реєструється, може бути напруга, зміна швидкості посилання електронів або провідність сенсора. Залежно від цього радіометри з квантовими детекторами поділяють на:
- фотогальванічні детектори, в яких реєструється напруга, що виникає на фотоелементі під впливом зовнішнього випромінювання;
- фотовипромінювальні детектори, принцип дії яких полягає в перетворенні енергії оптичного вимірювання в електричну за зовнішнього (фотоелектронні помножувачі) або внутрішнього (фотодіоди) фотоефекту;
- фотопровідні детектори, які використовують аналіз залежності електропровідності матеріалу детектора від потоку випромінювання, що потрапляє на цей матеріал.
Вимірювання прямого сонячного випромінювання
Для вимірювання прямого сонячного випромінювання використовують піргеліометр, поверхня детектора якого орієнтована перпендикулярно до потоку випромінювання. Прилад складається з металевого циліндра, на дні якого встановленого детектор (калориметр), системи діафрагм для потрапляння на детектор лише прямого сонячного випромінювання та металевих заслінок. Калориметр обладнаний ванною, по якій циркулює рідина. Вимірювання температури рідини на вході та виході ванни дає змогу оцінити швидкість теплового потоку і, таким чином, поглинуту сонячну енергію.
Вимірювання сумарного випромінювання
Для вимірювання сонячного випромінювання, що потрапляє на горизонтальну поверхню з цілої півсфери використовують піранометри. Розрізняють два типи таких приладів - з реєстрацією вертикальної теплової різниці між поверхнею детектора та його оточенням або горизонтальної теплової різниці між чорною та білою поверхнями елементів детектора, розміщених в одній площині.
Залежно від чутливості піранометри поділяють на класи: перший (±0,1%); другий (±0,5%) та третій (±1,0%).
Прилади характеризуються високою лінійністю і дають відлік в абсолютних одиницях. До недоліків відносять невисоку чутливість і велику інерційність. Прилади потребують також частого контролю чистоти поверхні півсфер та якості осушувальної рідини між ними.
Вимірювання сумарного випромінювання можна здійснювати піранометрами, що містять квантові детектори. Класичним прикладом такого детектора є кремнієвий фотодіод. Принцип дії цього детектора полягає в перетворенні енергії оптичного вимірювання в електричну завдяки внутрішньому фотоефекту. Перевагами фотодіодів є невисока вартість, стабільність показників та їх слабка залежність від температури. Точність вимірювань піранометрів з квантовими детекторами - ±5%.
Вимірювання альбедо
Альбедо є часткою сумарного випромінювання, що відбивається природною поверхнею. Для вимірювання альбедо необхідно два піранометри - один спрямований догори і вимірює сумарне випромінювання, тоді як інший спрямований до земної поверхні для вимірювання відбитого випромінювання. Конструктивно обидва піранометри можуть бути об’єднані на одній механічній оправі.
Така система називається альбедометром (або балансометром). Детектор цього приладу містить термобатарею. Для запобігання впливу роси й вітру детектор обдувають повітряним потоком за допомогою вентилятора. Звичайно альбедометри розмішують на висоті 1...2 м над земною поверхнею.
Вимірювання довгохвильового випромінювання
Вимірювання довгохвильового випромінювання атмосфери та земної поверхні здійснюють за допомогою піргеометра. Це піранометр, в якому скляні півсфери замінено на купол, що виконує функції інфрачервоного фільтра. Спектральна область пропускання цього фільтра - 0,3...100 мкм. Звичайно використовують поліетиленову плівку або інтерференційні фільтри. Термопари приладу не фарбують. Чутливість приладу дорівнює ±10%.
Піроелектричні методи. Суть цих методів полягає у використанні залежності поляризації піроактивного кристалу від зміни його температури при опромінюванні. Активною речовиною є сегнетоелектрики. Піроелектричні прилади характеризуються швидкодією, високою чутливістю та великим діапазоном енергії, що вимірюється.
Фотоелектричні методи. Принцип дії цих приладів полягає в перетворенні енергії оптичного вимірювання на електричну завдяки зовнішньому (фотоелектронні помножувачі) або внутрішньому (фотодіоди).
Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»