Πειραματική διερεύνηση της φασματικής επίδρασης της νέφωσης στα επίπεδα της ηλιακής ακτινοβολίας στο έδαφος
Creators: name: Καραγιάννης, Δημήτρης Παύλου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2007
Subjects: Νέφωση
Ηλιακή ακτινοβολία
Φασματική εξάρτηση
Cloudiness
Solar radiation
Spectral dependency

description: Η νέφωση είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας, σε σχέση με άλλες ατμοσφαιρικές παραμέτρους, στον καθορισμό της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στο έδαφος. Ο προσδιορισμός της επίδρασής της είναι ιδιαίτερα δύσκολος, λόγω της μεγάλης ποικιλίας των σχημάτων και του μεγέθους των νεφών, καθώς και της ύπαρξης ποικιλίας παραγόντων που επιδρούν άμεσα ή έμμεσα στα επίπεδα της ακτινοβολίας στο έδαφος. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την μεγάλη διαφοροποίηση στα επίπεδα της ακτινοβολίας λόγω της νέφωσης, ειδικά σε μικρές κλίμακες χρόνου.Στην παρούσα εργασία μελετήσαμε πειραματικά την φασματική επίδραση των νεφών στα επίπεδα της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στο έδαφος. Η μελέτη έγινε με την χρήση του παράγοντα της τροποποίησης που προκαλούν τα νέφη στην ηλιακή ακτινοβολία (Cloud Modification Factor, CMF), που ορίζεται ως ο λόγος της ακτινοβολίας με νεφελώδη ουρανό προς την ακτινοβολία με καθαρό ουρανόΤα σύννεφα επιδρούν με τα φωτόνια, είτε απορροφώντας τα, είτε σκεδάζοντάς τα με σκέδαση Mie. Ο συνδυασμός της απορρόφησης και της σκέδασης έχει διπλή επίδραση. Πρώτον εμποδίζουν φωτόνια να φτάσουν στο σημείο παρατήρησης, τα οποία θα έφταναν αν δεν υπήρχαν σύννεφα (αποκοπή ακτινοβολίας). Η αποκοπή μπορεί να οφείλεται είτε στην σκέδαση, είτε στην απορρόφηση. Δεύτερον τα νέφη, μέσω σκέδασης, στέλνουν φωτόνια στο σημείο παρατήρησης, τα οποία δεν θα έφταναν αν δεν υπήρχε νεφοκάλυψη (ανάκλαση ακτινοβολίας). Και οι δυο μηχανισμοί επιδρούν τόσο στην άμεση, όσο και στην έμμεση συνιστώσα της ακτινοβολίας. Έτσι κατασκευάσαμε την παρακάτω εξίσωση, που μας δίνει την ένταση της ακτινοβολίας στο έδαφος: όπου ΙC η ένταση της ακτινοβολίας στο έδαφος για νεφελώδη ουρανό, Ι0 η ένταση της ακτινοβολίας στο έδαφος για καθαρό ουρανό, CA η ένταση της άμεσης ακτινοβολίας που αποκόπτεται (Cutoff), RA η ένταση της άμεσης ακτινοβολίας που ανακλάται (Reflectance), CΔ η ένταση της διάχυτης ακτινοβολίας που αποκόπτεται, RΔ η ένταση της διάχυτης ακτινοβολίας που ανακλάται, ΑΔ η ένταση της διάχυτης ακτινοβολίας που υφίσταται επιπλέον απορρόφηση από αέρια απορροφητές (Absorption) και λ το μήκος κύματος. Διαιρώντας με την ένταση της ακτινοβολίας για καθαρό ουρανό Ι0 , παίρνουμε τον λόγο των φασμάτων (CMF) : Τα πειραματικά δεδομένα που επεξεργαστήκαμε σε αυτή την εργασία, προήλθαν από μετρήσεις με ακτινόμετρα πολλαπλών καναλιών NILU-UV και ένα φασματοφωτόμετρο CCD 34464 και φωτογραφίες τραβηγμένες από φωτογραφική μηχανή ουράνιου θόλου Canon IXUS II. Οι μετρήσεις έγιναν στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας του Α.Π.Θ. Η γενική μεθοδολογία που ακολουθήσαμε ήταν να βρίσκουμε τον λόγο του μετρημένου φάσματος με συνθήκες νεφοκάλυψης προς το λόγο του μετρημένου φάσματος με καθαρό ουρανό, υπολογίζοντας έτσι το CMF για κάθε μήκος κύματος. Παρήγαμε έτσι διαγράμματα με το φάσμα του CMF στα μήκη κύματος που μετρούσε το εκάστοτε μηχάνημα. Για κάθε μετρούμενο φάσμα υπήρχε και μια φωτογραφία από την φωτογραφική μηχανή ουράνιου θόλου, τραβηγμένη την ίδια χρονική στιγμή με την ώρα μέτρησης του φάσματος. Με βάση τις φωτογραφίες επιλέξαμε τα στιγμιότυπα που μας ενδιέφεραν να μελετήσουμε και σε συνδυασμό με τα διαγράμματα εξάγαμε τα συμπεράσματα. Παράλληλα με τις μετρήσεις ηλιακής ακτινοβολίας υπήρχαν και ημερήσιες μετρήσεις της στήλης του όζοντος από φασματοφωτόμετρο Brewer για τις πιο πολλές μέρες. Αυτές χρησιμοποιήθηκαν παράλληλα με τα φάσματα και τις φωτογραφίες για να ερμηνεύσουμε καλύτερα τα αποτελέσματα στην περιοχή του UVB. Φτιάξαμε 240 διαγράμματα για αντίστοιχα στιγμιότυπα νέφωσης. Μελετήσαμε διάφορες καταστάσεις νέφωσης, με πλήρη ή μερική νεφοκάλυψη, με τον ηλιακό δίσκο καλυμμένο ή μη, για διάφορους τύπους νεφών, σε διάφορες ζενίθειες γωνίες του ηλίου, σε διάφορες εποχές του έτους. Μελετήσαμε τόσο την ολική ακτινοβολία, όσο και την άμεση συνιστώσα της. Είδαμε ότι τα νέφη μπορούν τόσο να αυξήσουν, όσο και να μειώσουν την ένταση της ακτινοβολίας. Το κυριότερο όμως συμπέρασμα της μελέτης αυτής είναι ότι η επίδραση των νεφών εξαρτάται σημαντικά από το μήκος κύματος. Αυτό μπορεί να γίνει είτε με ανακατανομή της άμεσης και διάχυτης συνιστώσας της ακτινοβολίας, όπως είδαμε και στις μετρήσεις ολικής ακτινοβολίας από τα NILU-UV, είτε μέσω σκέδασης Mie η οποία παρουσιάζει έντονη εξάρτηση από το μήκος κύματος, όπως είδαμε στις μετρήσεις άμεσης ακτινοβολίας από το CCD. Ειδικά στην περίπτωση της ολικής, η φασματική επίδραση της νέφωσης μπορεί να παρουσιάζει διάφορες συμπεριφορές. Μπορεί να έχουμε ταυτόχρονη αύξηση ή μείωση σε όλα τα μήκη κύματος, ή την ίδια χρονική στιγμή να έχουμε ενίσχυση σε κάποια μήκη και αποδυνάμωση σε άλλα. Μπορούμε επίσης με συνδυασμό διαφόρων μηχανισμών να έχουμε εμφάνιση κάποιου μέγιστου ή ελάχιστου, ενώ άλλες φορές είδαμε συμπεριφορές όπου ο CMF είναι γνησίως αύξουσα ή γνησίως φθίνουσα συνάρτηση του μήκους κύματος. Όσον αφορά την άμεση συνιστώσα της ακτινοβολίας, που μελετήσαμε στα δεδομένα που πήραμε από το CCD, είδαμε ότι σχετικά μικρά συνήθη νέφη αποκόπτουν πλήρως την άμεση ακτινοβολία. Μόνο για πολύ λεπτά και αραιά νέφη έχουμε ένα σεβαστό ποσοστό της άμεσης που καταφέρνει και φτάνει στο έδαφος
description: Cloudiness is the most important factor in the determination of solar irradiance levels on ground. The determination of clouds effect is extremely difficult because of the big variability of clouds shapes and sizes, and because the variety of factors affecting direct or indirect solar irradiance ground levels. As a result, there is a great differentiation on irradiance levels because of cloudiness, especially in short time scales.In this study we investigated experimentally the cloudiness spectral effect on solar irradiance ground levels. For the study we used the Cloud Modification Factor (CMF), which is the ratio of irradiance under cloudy sky to the irradiance under clear sky.Clouds are interacting with photons either absorbing them or either scattering them (Mie scattering). The combination of absorption and scattering has a double effect. First, it prevents the photons from reaching the observation point, while those photons should reach it, if there were no clouds (irradiance cutoff). Second, clouds through scattering are reflecting photons to the observation point, where under a clear sky there shouldn’t be such an effect (irradiance reflectance). Both functions are affecting both direct and indirect irradiance. So we created the following equation that describes the irradiance ground levels: where ΙC the irradiance on ground under cloudy conditions, Ι0 the irradiance on ground under clear sky, CA the direct irradiance that is cut off, RA the direct irradiance that is reflected, CΔ the indirect irradiance that is cut off, RΔ the indirect irradiance that is reflected, ΑΔ the extra absorbed irradiance caused by the multiplied role of gas absorbers and λ the wavelength. Dividing with Ι0 we get the CMF: The experimental data were taken by multiple channel NILU-UV and a CCD spectrometer and pictures taken by a Canon IXUS II sky camera. The measurements were done in Laboratory of Atmospheric Physics in Aristotle University of Thessaloniki. The method we followed was to find the ratio of a measured spectrum under cloudy sky to the measured spectrum under a clear sky, computing in that way the CMF for every wavelength and we created CMF spectral graphs. For every measured spectrum there was a photo from the sky camera, taken at the same time with the measurement. Using the pictures, we choose the cloud fields that we wanted to study and together with the spectrums we made our conclusions. Along with the solar irradiance measurements, we also had daily measurements of ozone from a Brewer spectrometer that were used for a better determination in the UVB era. We created about 240 graphs. We studied a variety of cloud conditions, with full or partly covered sky, in many solar zenith angles, in different seasons. We studied both global and direct irradiance. We found that clouds can both attenuate and enhance irradiance levels. The most important was that clouds effectiveness depends significantly from wavelength. That happens because of the redistribution of direct and indirect irradiance, as we saw from NILU-UV data, and because of Mie scattering, as we saw from CCD data. There can be simultaneously attenuation or enhancement at all wavelengths or at the same moment there can be attenuation in a spectrum era and an enhancement in another. By the combinations of different functions we can have the creation of a maximum or minimum, and some times CMF may be continuously decreasing or increasing with respect to wavelength. For the direct beam, we found that a small relatively cloud can fully cut it off. Only for very thin clouds there is an important percentage of irradiance that reaches ground