Организация и проведение актинометрических наблюдений во время солнечного затмения

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ

ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРОВЕДЕНИЕ АКТИНОМЕТРИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ ВО ВРЕМЯ СОЛНЕЧНОГО ЗАТМЕНИЯ

Подготовил:

Юрий Москаленко

Задачей актинометрических наблюдений, проводимых во время солнечного затмения, является изучение тех изменений радиационного режима атмосферы и земной поверхности, которые вызываются затмением. Являясь следствием изменения притока солнечной радиации к верхней границе атмосферы, изменение радиационных условий само служит причиной возникновения многих явлений и изменений физического состояния атмосферы, также наблюдаемых во время затмения. Этим фактом вполне определяется геофизическое значение актинометрических наблюдений.

Для того чтобы наблюдения во время затмения могли дать наиболее ценные результаты, к проведению их нужно тщательно и заблаговременно подготовиться. Прежде всего, в зависимости от имеющихся возможностей, должна быть точно установлена программа наблюдений.

Полная программа актинометрических наблюдений во время затмения включает измерения всех основных элементов радиационного режима: прямой солнечной радиации, рассеянной радиации, длинноволновой радиации атмосферы, уходящей от земной поверхности радиации и радиационного баланса. Минимальная программа состоит из измерений интенсивности прямой солнечной радиации.

Предназначенные для наблюдений приборы должны быть приведены в порядок, испытаны и проградуированы. Для обеспечения наибольшей точности наблюдений желательно, чтобы все приборы были сверены с контрольными незадолго до времени затмения и вторично - после затмения. Во всяком случае, необходимо провести такую проверку для приборов, градуируемых на месте по методу Солнце - тень, т.е. для пиранометров, эффективных пиранометров и балансомеров.

Точно так же должны быть проверены по радио часы, с которыми будут производиться наблюдения. Отсчёты времени, как и вообще при геофизических наблюдениях, должны иметь точность не менее 1/2 мин.

Непрерывные отсчёты по актинометрическим приборам должны начинаться за 15 минут до начала затмения и заканчиваться через 15 минут после его окончания. В течение часа до начала непрерывных отсчётов и после их окончания следует производить измерения с промежутками в 10-15 минут с целью получения кривой хода радиации, невозмущённого затмением.

Прямая солнечная радиация может измеряться новыми термоэлектрическими актинометрами системы Янишевского или пластинчатыми биметаллическими актинометрами системы Михельсона или Михельсона - Калитина, имевшими широкое распространение в СССР до 1950 г. Эти приборы наиболее удобны в обращении и дают наиболее надёжные и точные результаты. Однако за неимением таких актинометров не следует пренебрегать приборами более старых конструкций, если с их помощью можно произвести хотя бы относительные измерения интенсивности радиации. Для любительских и школьных наблюдений можно использовать даже "актинометр" наиболее простой конструкции, состоящий из пары одинаковых термометров, у одного из которых вычернен резервуар.

Ценность измерений прямой солнечной радиации значительно возрастает, если измеряется не только общая интенсивность радиации, но и получаются некоторые данные о её спектральном составе. Такие данные наиболее просто могут быть получены путём проведения измерений со светофильтрами, пропускающими радиацию только в определённом диапазоне длин волн. Применяемые светофильтры должны иметь резкую границу пропускания и их спектральная характеристика должна быть известна. Этому условию удовлетворяют стандартные фильтры Шотта марок OG₁ и RG₂, пропускающие лучи с длинами волн, большими соответственно 525 и 625 mμ. Такими фильтрами было снабжено значительное число актинометров Михельсона и Михельсона - Калитина, выпускавшихся у нас в период 1930-1940 гг. Наблюдения, произведённые поочерёдно с этими фильтрами и без фильтров, дают возможность измерить интенсивность радиации в трёх участках спектра: от 290 до 525 mμ (разность интенсивностей радиации, измеренных без фильтра и с фильтром OG₁), от 525 до 625 mj* (разность интенсивностей, измеренных с фильтрами OG₁ и RG₂) и от 625 до 2000 mμ (интенсивность радиации, пропускаемой фильтром RG₂).

При обработке наблюдений со светофильтрами в измеренную величину радиации, пропущенной фильтром, необходимо ввести поправку на отражение некоторой части падающей радиации стеклянными поверхностями фильтра, а также на неполное пропускание радиации в области пропускания. Для определения этой поправки необходимо знать не только марку фильтра, но и его толщину с точностью до 0,1 мм. Большая часть актинометров, снабжённых фильтрами, имеет фильтры OG₁ толщиной 1,6 мм и фильтры RG₂ толщиной 2,1 мм. Для таких фильтров величину поправочного множителя (на который нужно умножать измеренную с фильтром величину интенсивности) можно принять равной 1,16 для жёлтого фильтра OG₁ и 1,19 для красного фильтра RG₂.

Кроме фильтров Шотта, при измерениях могут быть применены светофильтры марок ЖС и КС, выпускавшиеся Изюмским заводом оптического стекла.

Наконец, наблюдения можно производить и с обычными фотографическими светофильтрами, которые также изготовляются из оптического стекла, большей частью марок ЖС (жёлтые) и ОС (оранжевые). Такие светофильтры до или после проведения наблюдения должны быть исследованы для установления их спектральных характеристик и определения поправок на отражение и неполное пропускание радиации.

Если для наблюдений используется биметаллический актинометр, то при непрерывных измерениях радиации отсчёты с закрытой и открытой крышкой чередуются через каждые 30 секунд. При наблюдениях с фильтрами смена фильтров должна производиться вслед за каждым отсчётом при открытой крышке. Если наблюдения производятся с двумя фильтрами, то при таком порядке отсчётов значения интенсивности радиации для каждой измеряемой области спектра будут получаться с промежутками в 3 минуты. Такая частота отсчётов вполне достаточна для уверенного построения непрерывной кривой изменения интенсивности радиации во время затмения.

На измерениях радиации пластинчатым актинометром во время затмения будет занят один наблюдатель, который будет полностью загружен этой работой и уже не сможет принять участие в других наблюдениях.

В качестве примера формы записи наблюдений приводится следующая выписка из записной книжки наблюдателя (в книжку внесены также результаты первичной обработки полученных данных):

Дата: 9 июля 1945 г.

Место наблюдения: Карадаг, Судакского района, Крымской обл.

Широта: 44°54´. Долгота: 35° 12'.

Прибор: Актинометр Михельсона № 50509.

Цена деления шкалы актинометра: 0,03 кал/см² мин.

Значения радиации вычислены здесь с учётом поправок на отражение и неполное пропускание.

При наблюдениях с актинометром без фильтров запись соответственно упрощается.

Наблюдения с термоэлектрическими актинометрами могут производиться и записываться совершенно так же, как было указано выше, если измеряется только одна прямая радиация. Но в том случае, когда одновременно наблюдаются и другие элементы радиационного режима, порядок работы существенно изменяется. Вызывается это изменение тем, что для всех термоэлектрических приёмников радиации измерение силы тока обычно производится одним и тем же гальванометром, к которому поочерёдно присоединяются приёмники, используемые для измерений. В этом случае один из наблюдателей должен производить и записывать только отсчёты по гальванометру, все же необходимые манипуляции с приёмниками, переключения и дополнительные наблюдения должны выполняться другими наблюдателями. При этом отсчёты для одного и того же измеряемого элемента желательно разделять промежутками не более 3 минут, так как при более редких отсчётах будет затруднено построение кривых, выражающих ход соответствующих элементов радиационного режима.

В качестве примера наблюдений прямой солнечной радиации на рис.43 представлены графически результаты измерений, произведённых в Карадаге во время частного затмения Солнца 9 июля 1945 г. Так как наблюдения производились с фильтрами RG₂ и ОG₁ то отсчёты без фильтров отделены друг от друга промежутками в 3 минуты. Условия наблюдения были не вполне благоприятны, так как небо в стороне Солнца было покрыто тонкими перистыми облаками, которые во время затмения несколько раз находили на Солнце и понижали (хотя и не очень значительно) интенсивность радиации. Наряду с понижениями на кривой хода радиации можно видеть и небольшие аномальные повышения интенсивности (в промежутке 17 ч.30 м. - 17 ч.40 м), вызванные появлением в поле зрения актинометра ярких облаков, не закрывавших солнечного диска, но проходивших поблизости от него.

Отдельные точки на графике соответствуют результатам измерений. Сплошная кривая интерполирована по этим данным и представляет ход интенсивности радиации, каким он должен был бы получиться при отсутствии облаков. Пунктирная кривая представляет нормальный дневной ход радиации, который наблюдался бы без затмения. График наглядно показывает, что влияние затмения на интенсивность радиации может быть установлено со вполне удовлетворительной точностью, несмотря на искажения, внесённые влиянием облачности.

Аналогичные графики могут быть построены для участков спектра 290-525 mμ, 525-625 mμ и 625 - 2000 mμ.

При окончательной обработке наблюдений величины интенсивности радиации интересно сопоставить с величиной фазы и радиирующей площадью солнечного диска. Для такого сопоставления можно использовать не только абсолютные величины радиации, но и относительные. При этом под относительной величиной в данном случае понимается отношение измеренной при данной фазе интенсивности к той интенсивности, которая наблюдалась бы без затмения при неизменных прочих условиях. Интенсивность при открытом Солнце в этом случае может быть определена графической интерполяцией дневного хода радиации, как это сделано на рис. 1.

Большой интерес с геофизической точки зрения представляет выяснение вопроса об изменении прозрачности атмосферы во время затмения. Причиной изменения прозрачности может быть, например, усиление конденсационных процессов в атмосфере в полосе затмения, благодаря чему может возрасти количество и размеры помутняющих атмосферу водяных капелек и ледяных кристалликов. С другой стороны, в условиях ясного летнего дня в полосе затмения должны ослабевать восходящие конвективные потоки нагретого воздуха и вместо поднятия может даже происходить опускание охлаждённого воздуха. Такие процессы должны вызывать ослабление конденсации в атмосфере и увеличение её прозрачности. Окончательный результат может оказываться различным при различных состояниях атмосферы, и для полного выяснения вопроса необходимо проведение достаточного количества наблюдений.

Обычное определение характеристик прозрачности атмосферы перед началом затмения и после его окончания не даёт ответа на вопрос, как менялась прозрачность во время самого затмения. Но изменения прозрачности можно обнаружить по изменениям спектрального состава радиации. Правда, он меняется в течение дня и при неизменной прозрачности в результате изменения длины пути солнечных лучей в атмосфере (чем ближе к горизонту Солнце, тем большей относительной энергией в спектре обладают лучи длинных волн - красные и инфракрасные). Но этот дневной ход получается очень правильным и плавным, и влияние его легко исключить. Оставшиеся неисключёнными изменения спектрального состава будут свидетельствовать о наличии в атмосфере процессов, изменяющих её прозрачность. Так, уменьшение количества водяных паров в воздухе уменьшает поглощение радиации в длинноволновой части спектра и повышает долю этой части спектра в общем потоке солнечной радиации. Такое же действие должно оказывать уменьшение размеров и числа частиц конденсационной мутности, сильно рассеивающих длинноволновую радиацию. Процессы, идущие в противоположном направлении, должны приводить к относительному повышению энергии коротковолновой радиации.

Конкретный пример изменений спектрального состава солнечной радиации во время затмения даёт рис.2, на котором представлены результаты измерений в Карадаге во время того же частного затмения 9 июля 1945 г., о котором говорилось ранее. Верхняя кривая даёт изменение длинноволновой части спектра (625-2000 mμ), нижняя - коротковолновой (290-525 mμ). Ординаты обеих кривых представляют интенсивности радиации данного участка спектра, выраженные в процентах по отношению к интенсивности общего потока радиации. Пунктирные кривые представляют нормальный ход изменения спектрального состава в зависимости от высоты Солнца, установленной по многолетним данным. При вычислениях приняты во внимание все упоминавшиеся ранее поправки.

Как показывает график, наступление затмения действительно вызывает значительные изменения спектрального состава, которые не могут быть объяснены ни изменением высоты Солнца, ни влиянием облачности (это последнее при обработке наблюдений исключено путём сглаживания кривых хода радиации, подобно тому как это сделано на рис.1). Особенно обращает на себя внимание относительное увеличение интенсивности длинноволновой радиации, наблюдавшееся всё время, пока Луной было закрыто более 35% радиирующей площади солнечного диска и достигшее максимума во время наступления наибольшей фазы (которая для Карадага составляла 0,74). Представляет интерес также заметное повышение интенсивности коротковолновой радиации во второй половине затмения. Насколько общий характер имеют особенности изменения спектрального состава, обнаруживающиеся на рис.44, сказать пока трудно за отсутствием данных, обработанных подобным образом. Поэтому тщательно проведённые наблюдения над спектральным составом прямой солнечной радиации представляют большую ценность.

Рассеянная радиация неба, падающая на горизонтальную поверхность, наблюдается пиранометром Янишевского. При этих наблюдениях термобатарея пиранометра должна защищаться экраном от воздействия прямой солнечной радиации.

Отсчёты интенсивности рассеянной радиации во время затмения достаточно производить с промежутками в 2-3 минуты, начиная и заканчивая непрерывные отсчёты одновременно с отсчётами прямой солнечной радиации.

При отсутствии актинометра необходимо измерять пиранометром не только рассеянную, но и суммарную радиацию Солнца и неба. В этом случае отсчёты рассеянной и суммарной радиации делаются попеременно с промежутками в одну минуту, причём после каждого отсчёта рассеянной радиации экран убирается, и термобатарея пиранометра полностью освещается Солнцем. После каждого отсчёта суммарной радиации батарея снова затеняется экраном. Разность величин суммарной и рассеянной радиации даёт величину прямой солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность.

Непрерывные измерения одной рассеянной радиации может вести один наблюдатель. Если же будет измеряться и суммарная радиация, то потребуется участие второго наблюдателя, в задачу которого будет входить только установка и убирание экрана.

Наблюдения остальных элементов радиационного режима - длинноволновой радиации атмосферы, уходящей от земной поверхности радиации и радиационного баланса - представляют особенный интерес, так как до сих пор эти элементы во время затмений не наблюдались.

Длинноволновая радиация атмосферы меняется во время затмения вследствие понижения температуры нижнего слоя атмосферы. На её величину может оказывать также влияние ослабление или усиление конденсационных процессов, изменение количества водяного пара в воздухе, изменение запылённости и т.д. Таким образом, атмосферная радиация является чувствительным индикатором происходящих в атмосфере процессов, и её измерения могут дать очень интересные результаты.

Уходящая от земной поверхности радиация определяется прежде всего температурой излучающей поверхности деятельного слоя и должна во время затмения уменьшаться вместе с последней. Она зависит также и от свойств самой поверхности. Поэтому при измерениях уходящей радиации приборы следует располагать над поверхностью, наиболее характерной для данного типа ландшафта.

Результативными обобщающими показателями изменений общего потока лучистой энергии во время затмения служат величины приходящей радиации и радиационного баланса. Эти величины могут быть подсчитаны по их составляющим. Величины радиационного баланса могут быть получены и путём непосредственных измерений.

Атмосферная радиация, уходящая радиация и радиационный баланс могут измеряться одним и тем же прибором - эффективным пиранометром, представляющим собой балансомер, установленный над чёрной поверхностью. Этот прибор измеряет так называемую эффективную радиацию, т.е. разность между интенсивностью радиации, падающей извне на термобатарею, и собственным излучением прибора. Это последнее вычисляется по температуре корпуса прибора, которая измеряется при наблюдении. Прибавление к измеренной эффективной радиации величины собственного излучения прибора даёт интенсивность радиации всех длин волн, падающей на термобатарею. Если эффективный пиранометр установлен горизонтально и обращен приёмной поверхностью к небесному своду, то на него будут действовать совместно солнечная, рассеянная и атмосферная радиации. Влияние первой можно исключить, затеняя термобатарею экраном. Рассеянная радиация измеряется обычным пиранометром и исключается из общей радиации путём вычитания.

Таким образом, величина длинноволнового излучения атмосферы получается из наблюдений с эффективным пиранометром, обращенным вверх.

Если повернуть эффективный пиранометр приёмной поверхностью вниз, то аналогичным образом можно измерить интенсивность радиации, отражаемой и излучаемой тем участком земной поверхности, над которым расположен прибор.

Наконец, поворачивая эффективный пиранометр приёмной поверхностью попеременно вверх и вниз и взяв разность измеренных величин, можно определить радиационный баланс поверхности, находящейся под прибором.

Для непрерывных измерений всех трёх перечисленных выше элементов эффективный пиранометр должен быть смонтирован над участком однородной поверхности на поворотном бруске, позволяющем быстро осуществлять переворачивание прибора. Если вместо эффективного пиранометра имеется только балансомер, то более целесообразно превратить его в эффективный пиранометр, вставив балансомер в оправу, которая без особых затруднений может быть изготовлена на месте по указаниям, содержащимся в упомянутом выше "Наставлении по производству актинометрических наблюдений", стр.123-125 (см. примечание на стр.182).

В случае невозможности выбрать открытый участок с однородной поверхностью достаточных размеров, эффективным пиранометром наблюдается только атмосферная радиация, и прибор всё время остаётся обращенным к небесному своду.

При наблюдениях с эффективным пиранометром для последующей обработки наблюдений необходимо непрерывно отмечать температуру прибора и скорость ветра на уровне пиранометра. Для измерения скорости ветра лучше всего использовать ручной анемометр Фусса, отмечая показания счётчика оборотов при каждом отсчёте по гальванометру. Отсчёты температуры могут делаться с пятиминутными промежутками.

Если для наблюдений с эффективным пиранометром имеется отдельный гальванометр, то отсчёты по нему следует производить через каждую минуту, переворачивая пиранометр после каждого отсчёта. Тогда отдельные измерения каждого элемента будут сделаны с двухминутными промежутками. Если прибор не переворачивается, то достаточно делать отсчёты через каждые 2 минуты. При таком порядке измерений необходимо участие двух наблюдателей, один из которых производит отсчёты по гальванометру, а другой находится у приёмника и делает отсчёты температуры прибора и скорости ветра. Этот же наблюдатель переворачивает прибор,

Если для всех измерений имеется только один гальванометр, то поочерёдно производятся отсчёты: прямой радиации (или, при отсутствии актинометра, - суммарной радиации), рассеянной радиации, эффективной радиации "вверх" и эффективной радиации "вниз" - всего четыре отсчёта. При таком порядке измерений от всех наблюдателей требуется чёткая, слаженная и быстрая работа. Если окажется возможным, желательно подготовить одного-двух запасных наблюдателей и предоставить основным наблюдателям возможность хотя бы кратковременного отдыха, так как проведение непрерывных наблюдений во время затмения требует очень напряжённой работы в течение 2-3 часов.

Радиационный баланс обращенной к небу поверхности во время затмения дважды переходит через нуль, становясь из положительного отрицательным в первой половине затмения и совершая обратный переход во второй половине. При обработке наблюдений необходимо установить время этого перехода. Оно должно определяться фазой затмения и высотой Солнца. Выяснение этой зависимости представляет большой интерес с геофизической точки зрения.

В программу актинометрических наблюдений, кроме чисто радиационных измерений, включаются обычно и наблюдения над освещённостью горизонтальной поверхности прямыми лучами Солнца и рассеянным светом атмосферы. Освещённость характеризует интенсивность видимой части потока лучистой энергии (400 - 760 mμ), оцениваемую по её воздействию на человеческий глаз, т.е. по световому ощущению, и выражается в люксах. Измерения освещённости представляют особенный интерес в полосе полного затмения, где имеется возможность исследовать освещённость, создаваемую солнечной короной и заревым кольцом, и выяснить её зависимость от условий облачности, а при безоблачном небе - от состояния атмосферы.

Измерения освещённости могут производиться любым проверенным фотометром или люксметром. Для относительных измерений можно приспособить селеновые фотоэлементы. При этом элемент, предназначенный для измерения освещённости от прямых солнечных лучей, монтируется в металлической или даже картонной трубке, и для понижения его чувствительности (которая в этом случае оказывается избыточной) покрывается нейтральным светофильтром или просто матовым или молочным стеклом, помещённым на надлежащем расстоянии от фотоэлемента. Фотоэлемент, служащий для измерения диффузной освещённости, также покрывается матовым или молочным стеклом и располагается горизонтально. При этом необходимо предусмотреть возможность использования максимальной чувствительности фотоэлемента во время полной фазы.

Наблюдения над освещённостью проводятся и обрабатываются аналогично наблюдениям суммарной и рассеянной радиации.

Измерения рассеянной радиации, излучения атмосферы, уходящей радиации, радиационного баланса и освещённости следует проводить и в том случае, если Солнце во время затмения остаётся полностью покрытым облаками.

Литература

1. А. Михайлов. Солнечные затмения и их наблюдение. М., 1974.