Långvågsstrålning
Långvågsstrålningen är förvånansvärt konstant över dygnet men varierar lite med årstiden. Nu i april har vi ca 280 W/m2 enligt er sida om solstrålning. Jag har köpt en IR-termometer (Fluke 62 MAX e=0.95) och roade mig med att mäta lite i trädgården. Klockan var 22.00, i stort sett klar himmel och lite blåsigt. Lufttemperatur 2-3 grader och min FLUKE visade ca 0 C på gräsmattan och runt +1 C på trädgårdsplattorna. Jag la ut en frigolitskiva på gräsmattan och då visade IR-termometern -13 C. Borde inte den nedåtriktade långvågiga strålningen ha värmt upp min frigolitskiva, 280 W/m2 är en rätt avsevärd effekttäthet?
MVH P-A Johnsson
MVH P-A Johnsson
Följ inlägget
0
följare
Ja, jämfört med solstrålningen så är långvågsstrålningen förhållandevis "konstant" över dygnet, den följer till stor del den genomsnittliga lufttemperaturen i de nedersta luftlagren.
På sätt och vis kan man säga att den nedåtriktade långvågsstrålningen värmer upp jordytan, och de olika material som placeras därpå, exempelvis en frigolitskiva. Men man får ju inte glömma att alla material också själva sänder ut långvågsstrålning som gör att de kyls av. Jordytan och saker på marken är normalt sett varmare än luften och molnen ovanför. Därför blir långvågsstrålningsbalansen också oftast negativ. Utan atmosfär och moln skulle långvågsstrålningsbalansen bli väldigt mycket mer negativ så ett annat sätt att se på det är att den inkommande långvågsstrålningen minskar (strålnings-)avkylningen.
Intressant med -13 grader C på frigolitskivan. Frigolit har ganska låg emissivitet jämfört med många andra naturliga ytor. Du skriver e=0.95 om din IR-termometer, men du har väl ställt om den till ett lägre värde vid mätningen på frigolit? På nätet hittar ett ungefärligt värde på 0.60.
Frigolit leder ju värme väldigt dåligt så det allra översta skiktet borde kunna bli ordentligt kallt en klar natt. Men som sagt, emissiviteten är inte så hög som för nysnö, t.ex., som har hög emissivitet nära 1, och som kyls ned väldigt mycket under klara nätter, jämfört med temperaturen en bit ner i snön eller i luften några meter upp.
Tack för ett raskt och omfattande svar.. Jag provade i kväll att ändra e till 0.60 men då visade IR-termometern --- dvs < -30 C. Med e=0.95 visade mätningen -12 C.
Jag tycker att "Earth energy budget" (t.ex. Wiki Outgoing Longwave Radiation) är lite egendomlig då inkommande solstrålning är klart mycket mindre än nedåtriktade långvågiga strålningen, 168 W/m2 resp 324 W/m2. Visserligen är strålningen som lämnar jorden 492 W/m2 vilket ger balans. Jag vet att det är ett medelvärde över dygn, även år och jordytan (tror jag).
MVH P-A Johnsson
Synd att det inte verkade hjälpa att sätt e till 0.60 på IR-termometern. Tyvärr har jag och mina närmsta kollegor på SMHI ingen erfarenhet av mätningar med IR-termometer.
Jo, det kan ju tyckas märkligt att det globala medelvärdet av den nedåtriktade långvågsstrålningen (ca 342 W/m2 enl. IPCCs senaste rapport) vid jordytan är betydligt högre än den inkommande solstrålning (ca 161 W/m2). Den är till och med av samma storleksordning som den inkommande solstrålningen vid toppen av atmosfären. Det hela har helt enkelt att göra med atmosfärens så kallade växthuseffekt. Moln, vattenånga och andra växthusgaser absorberar en stor del av värmestrålningen som sänds ut från jordytan. Det sker även viss absorption i atmosfären av solstrålning. Atmosfärens moln och växthusgaser värms alltså och sänder i sin tur ut värmestrålning (både uppåt och nedåt) som hjälper till att värma jordytan ytterligare, och så vidare. Slutresultatet är att jorden blir en beboelig planet för oss.
Det hela är egentligen tämligen komplicerat. Lite mer info finns här: https://www.smhi.se/kunskapsbanken/klimat/klimatpaverkan/vaxthuseffekten-1.3844
Tack för återigen ett raskt svar. En IR-termometer fungerar på samma som de Pyrgeometrar ni använder för att mäta återstrålning. De är baserade på en "Thermopile" som ger en spänning som är en funktion av temperaturskillnaden mellan (som sade förr) kalla och varma lödstället. Sedan får man räkna om spänningsskillnaden till en temperaturskillnad då det ena lödställets temperatur är känd. Jag antar att man använder teorin för svartkroppsstrålning men med ett epsilon < 1 för att räkna om till W/m2. Sen undrar jag om man kan använda gråkroppsstrålning för gaser som emitterar i specifika band.
Jag har ytterligare en fråga: Från vilken medelhöjd anses återstrålningen komma från? (antagligen årstidsvarierande, men på ett ungefär)
MVH
P-A Johnsson
Jag har inte hört någon siffra på en medelhöjd som den nedåtriktade långvågsstrålningen kan uppskattas att härröra från. Däremot brukar man säga att 80 %, eller drygt det, av långvågsstrålningen kommer från de närmaste 500 metrarna över marken. Jag tror detta gäller vid klart väder. Vid mulet väder, och särskilt med låga täta moln blir förhållandena förstås annorlunda.
P-A Johnsson
Jag har tittat lite på hur Pyrgeometrar används bl.a. från tillverkarna Hukseflux och Kipp&Zonen. Man mäter inte nedåtriktat strålning utan man använder en formel från WMO (1996):
Lned = U/S + Sigma*T^4 (W/m^2)
Där U/S är det mätvärde pyrgeometern ger (vanligen negativ) och den sista termen är Stefan-Boltzmanns lag: Temperaturen T är omgivningstemperaturen vanligen på 2 m höjd. Den sista termen är alltså den nedåtriktade strålningen från volymen strax ovan mark. Man bryr sig tydligen inte om strålning från högre höjder för då skulle man inte använt omgivningstemperaturen i formeln.
Pyrgeometern mäter den strålning som smiter ut i 8-14 um då resten av IR-bandet är spärrat av vattenånga och CO2. Mer smiter ut i klart väder och mindre vid molntäcke.
Vilket fabrikat och typ av pyrgeometer har ni och fungerar de på liknande sätt?
MVH
P-A Johnsson
Det är inte omgivningens lufttemperatur som används i pyrgeometerformlerna utan det är instrumentkroppens temperatur vilken man måste ta hänsyn till för dess utstrålade energi. Så mätningen är inte direkt kopplad till luftens temperatur eller en lufttemperaturmätning. Men den har förstås stor inverkan på vilken temperatur pyrgeometern har. Strålningsbalansen för pyrgeometerns sensoryta är praktiskt taget alltid negativ. Vid mulet väder (låga moln) är den närmare noll och vid klart väder blir strålningsbalanser mer negativ.
SMHI använder pyrgeometrar från Kipp & Zonen (modellerna CG4 och CGR4).
Tack för ett raskt svar men jag har ändå lite svårt för Sigma*T^4 -termen. Jag har använt lasereffektmätare som arbetar enligt samma princip, termostapel. Där använder man bara U/S -termen och resultatet blir i [W] eftersom hela laser-spotten ryms på sensorn. Mätaren har en känslighet bättre än mikro-watt så om jag skulle lägga till en term på 440 W/M2 (Sigma*T^4 vid +25C) som med sensorns 1 cm2-yta skulle ge 44 mW. Signalen skulle drunkna i den biasen.
Sedan undrar jag om inte Sigma*T^4 -termen ska kompletteras med emissivitet då instrumentkroppen knappast kan betraktas som en svartkroppsstrålare? Vidare så är väl instrumentkroppen rundstrålande (kanske 4pi) medan sensorn maximalt har 2pi i acceptansrymdvinkel?
Jag tittade på manualen för CGR4 men där anges samma formel. Däremot så säger de att man kan använda två pyrgeometrar en uppåtriktad och en nedåtriktad för att mäta strålningsnettot. Fördelen med två pyrgeometrar är att Sigma*T^4 termen försvinner då de bägge mätarna förutsätts ha samma temperatur.
Det är ju ändå strålningsnettot som är intressant då det är strålningsnettot som kyler markytan (förutom konvektion och andra processer).
MVH P-A Johnsson
Jag vet inte hur lasereffektmätning går till. Men för lasrar med synligt ljus så kommer de väl fungera som en "vanlig pyranometer" med termostapel, och då kan jag tänka mig att man inte behöver ta hänsyn till eventuella IR-effekter. För lasrar i IR-området känner jag mig mer osäker. Men om jag får gissa så har väl ändå den smala laserstrålen så mycket högre radians än vad eventuella temperatur skillnader hos sensor och omgivning runt laser ger upphov till. Men laser-experter finns det säkert gott om på annat håll, t.ex. RISE (för detta SP).
Pyrgeometersensorn ser "bara" nära 2 pi, och det är sensorytan man beräknar energibalansen för. Själva sensorytan har nog faktiskt en emissivitet som är nära ett för de flesta våglängder av intresse (ca 3.5-50 mikrometer). Den skyddande kupolen (som blockerar bort solstrålning) har ju inte perfekt transmission i IR men det kalibreras väl in i instrumentets känslighet (S). Den använda formeln är inte perfekt och det finns mer noggranna formler. Men de kräver mer detaljerad kalibrering och i flera fall även en sensor för kupolens temperatur.
För att mäta strålningsnettot över markytan (tyvärr gör inte SMHI det någonstans idag) används i de flesta fall två pyrgeometrar. Vid klart väder kommer det uppåtriktade instrumentet bli något kallare än det nedåtriktade instrumentet så man använder den specifika temperaturen för varje instrument.
Åter tack för ett snabbt svar. Den effektmätare som jag har använt är en Scientech med mäthuvud AC2500 som har "flat response" 0.25 - 35 um.
Men nu tror jag - genom lite fåtöljforskning - att jag vet var T^4-termen kommer ifrån. Den har ingenting med instrumentet att göra. I "Principles of enviromental physics" 4 th edition av Monteith och Unsworth (2013) så finns ekvationen Ld = εσ Ta^ 4 (5.22). Där Ta är temperaturen nära marken och ε är "apparent emissivity".
Det finns lite olika ekvationer för ε där man har försökt anpassa ε till begränsade mätvärden. Man kommer fram till att "net loss" ligger på ca 100 W/m2 för klart väder, rätt oberoende av temperatur. Siffran 100 W/m2 anger även Hukseflux för sina pyrgeometrar från -20C till +30C.
(Även i min gamla "The Infrared Handbook" så finns ekvationen med men där är ε ersatt med ett rätt komplicerat uttryck, Idso-Jackson formula)
För en helt molntäckt himmel gäller ekvation (5.29). Med lite approximationer och införandet av δT = T(amb) -T(cloud) hamnar man i ekv.(5.30). För låga moln nära Oxford har man kommit fram till δT = 11K med +/- 2K i säsongsvariation. Alltså marken förlorar energi även vid molntäckt himmel.
Jag tycker att det är en förenkling att använda marktemperaturen (2m höjd) eftersom återstrålning sker från ett antal hundra meter upp i atmosfären där temperaturen avtar med höjd. Men nära marktemperaturen är ju rätt lätt att mäta.
MVH P-A Johnsson
Nu har jag förstått hur du menade. Jag läste väl lite slarvigt och missade att det är sensorytans emissivitet som ingår i formeln. Jag hittade en beskrivning av kalibrering av pyrgeometrar med en förklarande figur.
Som du nämner så är formeln inte helt perfekt. Tillverkare av beröringsfria temperatursensorer - som använder samma formel - anser t.o.m att T^4 inte gäller då våglängdsområdet är begränsat. De använder ett värde strax under 4 som måste kalibreras fram.
Den nedåtriktade irradiansen har väl ett hål i våglängdsområdet vid 8-14 um då vattenånga och CO2 inte strålar där?
MVH P-A Johnsson
Bra att du själv hittade svar på dina funderingar då jag inte hunnit svara tidigare.
Och ja, det är till stor del det "atmosfäriska fönstret" mellan 7.5-14 mikrometer vid klart väder som ger ett "hål" i långvågsspektrum och ger upphov till variationen i den nedåtriktade/inkommande långvågsstrålningen mellan mulet och klart väder.