Human Meteorological Vehicle

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Globalstrahlung

Zur Ausstattung des HuMVe gehören zwei Instrumente zur Messung der Strahlung: Netto-Radiometer bzw. Pyradiometer und Pyranometer. Der Name Pyranometer leitet sich aus den griechischen Silben "pyr" für Feuer und "ano" für Himmel ab (siehe auch Wikipedia Stichwort Pyranometer). Folgende Fragen werden näher erläutert:


1. Was wird gemessen?

Strahlung ist Transport von Energie mit Hilfe elektromagnetischer Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Die Lichtgeschwindigkeit ist das Produkt aus Wellenlänge und Frequenz. Die elektromagnetische Strahlung kann in verschiedene Strahlungsarten unterschieden werden, weil die Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung von der Wellenlänge abhängen. Die Übergänge zwischen den unterscheidbaren Wellenlängenbereichen sind fließend. Zur elektromagnetischen Strahlung gehört z. B. das sichtbare Sonnenlicht in einem Bereich von ca. 400nm (Nanometer) bis 760nm, aber auch die für uns Menschen unsichtbare Infrarot-Strahlung oder UV-Strahlung. Das kontinuierliche Spektrum der elektromagnetischen Strahlung erstreckt sich über einen großen Wellenlängenbereich von nahezu 18 Zehnerpotenzen. In der Meteorologie wird zwischen kurzwelliger (solarer) und langwelliger (terrestrischer) Strahlung unterschieden. Die Wellenlängenbereiche für kurzwellige Strahlung liegen etwa zwischen 290nm und 3500nm und für die langwellige Strahlung zwischen 3,5µm (Mikrometer) und 100µm. Die Strahlungsgesetze beschreiben die physikalischen Zusammenhänge zwischen der Oberflächentemperatur (T in Kelvin) eines Körpers und der Strahlungsstromdichte (Energie pro Fläche und Zeit). Diese Gesetze sind in der Klimatologie zum Verständnis von Prozessen an der Erdoberfläche bzw. in der bodennahen Atmosphäre von großer Bedeutung (siehe auch WEBGEO Lernmodul Physik der Wärmestrahlung).

Ein wesentlicher Grund für die Ausbildung verschiedener Klimate ist die räumliche und zeitliche Variation der Sonnenstrahlung die auf die Landoberfläche trifft (siehe auch WEBGEO Lernmodul Tagessumme der Energiezustrahlung). Die Aufgabe des Pyranometer ist es, diese Änderung der kurzwelligen Einstrahlung aus dem oberen Halbraum zu erfassen d.h. das Pyranometer misst die direkte und diffuse Sonneneinstrahlung. Der Begriff Globalstrahlung bezeichnet die Summe aus direkter und diffuser kurzwelliger Strahlung.


2. Wie wird die Messgröße erfasst?

Oft wird die elektromagnetische Strahlung mit Hilfe einer Thermosäule erfasst. Sie absorbiert die kurzwellige Globalstrahlung und setzt diese in ein elektrisches Spannungssignal proportional zur Strahlung um. Diese Pyranometer mit Thermosäule erfassen in etwa Wellenlängen zwischen 280nm und 2800nm, wobei der erfasste Spektralbereich je nach Bauart der Geräte variiert.
Das für das HuMVe verwendete Apogee Pyranometer verwendet keine Thermosäule, sondern einen Silizium-Photovoltaik Sensor. Er funktioniert in etwa wie eine Solarzelle und erfasst Wellenlängen zwischen 300nm und 1100nm. Das Gerät wird vor Auslieferung kalibriert. Bei einem Anstieg der solaren Einstrahlung um 1W/m2 erhöht sich die generierte Spannung des Pyranometers um 0,2mV. Das Messgerät benötigt keine Stromversorgung.


3. Wie erhalte ich aussagekräftige und genaue Messwerte?

Die größten Fehler während der Messung werden oft verursacht durch Verschmutzung des Sensors. Glaskuppeln, welche die einfallende Globalstrahlung durchlassen oder andere Linsen, die den Sensor schützen, sollten regelmäßig gereinigt werden. Das verwendete schwarze Silikon Domgehäuse des Apogee Pyranometers ist bis zu einem gewissen Grad zwar Schmutz abweisend, aber dennoch wird zur Verbesserung der Messung eine regelmäßige Reinigung angeraten. Zudem können bereits kleine Veränderungen in der horizontalen Ausrichtung des Sensors die Messung beeinflussen, weil die Globalstrahlung vom Einstrahlwinkel in Bezug auf die Auffangfläche abhängt (Lambertsches Kosinusgesetz). Das Pyranometer hat einen so genannten Kosinusfaktor (cosine response), um das Lambertsche Kosinusgesetz möglichst gut zu berücksichtigen. Dieser Faktor ist optimiert auf eine genaue horizontale Ausrichtung des Gerätes. Die gemessene Strahlungsstromdichte (Watt pro m2) wird somit auch in Abhängigkeit des Einstrahlwinkels auf den Sensor erfasst (siehe auch Apogee Instruments Inc.). Um die horizontale Ausrichtung zu erleichtern, hat das Gerät eine Nivelliereinrichtung mit Wasserlinse. Eine Ausrichtung des Pyranometers nach Süden verhindert ungewollte Schattenwirkungen durch den Mast. Beim Aufbau der Station sollte die Horizontabdeckung durch topographische oder künstliche Hindernisse dokumentiert werden, um die Messergebnisse besser verstehen und auswerten zu können.

Gerätespezifikationen: Globalstrahlung
Name des Messgerätes: Pyranometer CS300
Name des Herstellers: Apogee Instruments Inc.
Gewicht: 70g (inkl. 3m Kabel)
Größe: 2,4cm Ø, 2.75cm hoch
Energieverbrauch: kein Energieverbrauch, Selbstversorgung
Messfrequenz: 10s Messintervall, abhängig vom Messprogramm und Datenlogger
Sensor Element: Silizium–Photovoltaik Sensor

CS300
Globalstrahlung
Messbereich 0W/m2 bis 2000W/m2
(volles Sonnenlicht 1000 W/m2)
Output 0,2mV pro W/m2
Wellenlängenspektrum 300nm bis 1100nm
Auflösung 0,01W/m2
Genauigkeit ±5% für Tagessumme Globalstrahlung
Kosinus Korrektion bis 80° Einfallswinkel

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Fachgebietsleiter:

Prof. Dr. Dieter Scherer

Postanschrift:

Fachgebiet Klimatologie
Institut für Ökologie
TU Berlin
Rothenburgstraße 12
D-12165 Berlin

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CS300 Strahlungssensor

Pyranometer der Firma Apogee Instruments, Inc.

CS300 Strahlungssensor

Pyranometer montiert und nivelliert