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#White Papers
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Die Bedeutung der Sonneneinstrahlung neben anderen meteorologischen Parametern
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Gemessene Parameter der Meteorologie
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Meteorologische Messungen zur Wettervorhersage und Klimatologie werden seit Jahrhunderten regelmäßig durchgeführt. Die gewonnenen Daten können jedoch erst dann ausgewertet und interpretiert werden, wenn die mittel- und langfristigen atmosphärischen Bedingungen statistisch erfasst wurden.
Ohne diese Daten, die vor allem aus Messungen und Beobachtungen in der bodennahen Atmosphäre (Grenzschicht) gewonnen werden, könnten Verkehr und Kommunikation wie Boden-, Luft- und Schiffsverkehr heute nicht mehr aufrechterhalten werden. Die wichtigsten meteorologischen Parameter in diesem Bereich sind:
- Windgeschwindigkeit und -richtung
- Lufttemperatur
- Luftdruck
- Luftfeuchtigkeit
- Niederschlag
- Dunst und Inhalt der Luft
- Solare und terrestrische Strahlung
Diese Parameter sind auch für Themen wie Luftverschmutzung, Lawinenwarnung, Sonnensimulation, erneuerbare Energiewirtschaft, Land- und Forstwirtschaft, Wasserversorgung und -verteilung, Stadt- und Regionalplanung von Bedeutung. So ist z.B. die Auswertung und Interpretation von Gasemissionsmessungen nur im Vergleich mit zeitgleich erfassten meteorologischen Daten möglich.
Die Struktur der bodennahen Atmosphäre ist für das lokale Klima von großer Bedeutung. Die Kenntnis der Sonneneinstrahlung sowie der Luftfeuchtigkeit und der Lufttemperatur ist notwendig, um chemische Reaktionen von Schadstoffen in der Luft zu bewerten.
Alle meteorologischen Parameter sind kurzfristigen Schwankungen unterworfen, die in der Regel durch Turbulenzen in der Atmosphäre verursacht werden. Alle meteorologischen Parameter werden direkt oder indirekt von der Sonneneinstrahlung beeinflusst, was zu typischen Tages- oder Jahrestrends führt.
Um diese typischen Trends bewerten zu können, müssen die Mittelwerte aus den über einen bestimmten Zeitraum gemessenen Werten berechnet werden. Bei einigen meteorologischen Parametern ist es recht einfach, ihren Tageszyklus zu verstehen. So ist beispielsweise der Temperaturzyklus normalerweise eine einfache Kurve mit einem Minimum kurz nach Sonnenaufgang und einem Maximum am frühen Nachmittag. Der Jahreszyklus eines meteorologischen Parameters kann durch tägliche Messungen ermittelt werden. Der durchschnittliche Jahreszyklus innerhalb einer Klimaregion wird normalerweise durch Messungen über einen Zeitraum von mindestens 30 Jahren ermittelt.
Natürlich müssen die meteorologischen Messungen im Freien durchgeführt werden. Das bedeutet, dass die Sensoren und die dazugehörige Elektronik so ausgelegt sein müssen, dass sie den örtlichen klimatischen Bedingungen standhalten, die von Wüsten bis zur Antarktis extrem sein können.
In der bodennahen Atmosphäre werden die zeitlichen und räumlichen Eigenschaften der Strahlungswerte durch die Eigenschaften der Bodenoberfläche beeinflusst. Die einflussreichsten Faktoren, die die empfangene Strahlung an einem bestimmten Ort beeinflussen, sind:
- Standort auf der Erde
- Datum und Uhrzeit
- Niederschlag (Wolken, Nebel, Regen, Schnee)
- Verengung des Horizonts (Sichtfeld)
- Luftverschmutzung (Aerosole und Gase)
- Albedo
Aufgrund der oben genannten physikalischen Effekte reicht es in vielen Anwendungsbereichen nicht aus, nur die "Globalstrahlung" zu messen, die aus der gesamten Umgebung des Messortes kommt. Es kann auch erforderlich sein, die nur von der Sonne kommende "direkte Strahlung" und/oder die "diffuse Strahlung" (die nicht direkt von der Sonne kommt) zu messen. Auch die "Strahlungsbilanz" der ein- und ausgehenden Strahlung im kurz- und langwelligen Bereich kann erforderlich sein.
Bevor die Sonnenstrahlung den Boden erreicht, wird sie von unserer Atmosphäre und ihren physikalischen Eigenschaften beeinflusst, und ein wesentlicher Parameter ist die Absorption in verschiedenen Wellenlängenbereichen. Die Albedo wird durch Oberflächen mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften beeinflusst, wie z. B. Wasser, Eis, Schnee, Steine, Gras, Pflanzen oder Wälder.
Die unterschiedlichen Wellenlängenbereiche sowie die Eigenschaften der Atmosphäre und der Bodenoberfläche müssen berücksichtigt werden, was die Entwicklung spezieller Sensoren für die einzelnen, sehr komplexen Messaufgaben erforderlich macht.
Um den richtigen Sensor entwickeln zu können, muss vorher festgelegt werden, welcher meteorologische Wert gemessen werden soll und wie er definiert ist.
Die Parameter im kurzwelligen Spektralbereich sind:
Direkte Sonneneinstrahlung S
Diffuse Himmelsstrahlung H
Globale Strahlung G (= S + H)
Reflektierte Globalstrahlung R
Albedo (Reflexionsfaktor) R / (S + H)
Kurzwellige Strahlungsbilanz (S + H) - R
Die Parameter innerhalb des langwelligen Spektralbereichs sind:
Atmosphärische Strahlung A
Emission der Bodenoberfläche
(einschließlich reflektierter atmosphärischer Strahlung) E
Abwärts gerichtete Globalstrahlung S + H + A
Aufwärts gerichtete Globalstrahlung R + E
Langwellige Strahlungsbilanz A - E
Die Strahlungsbilanz über das gesamte Spektrum ergibt sich also aus der Differenz zwischen empfangener und zurückgeworfener Strahlung:
Strahlungsbilanz Q (= S + H - R + A - E)
Diese Parameter stellen die wichtigsten klimatologischen Faktoren dar, für die die folgenden Sensoren entwickelt worden sind.
Direkte SonneneinstrahlungIllustration direkte Sonneneinstrahlung
Sensor Pyrheliometer
Spektralbereich 300nm - 3.000nm
Betrachtungswinkel < 5º
Erforderliches Zubehör Sun Tracker
Globale StrahlungIllustration der globalen Strahlung
Sensor-Pyranometer
Spektralbereich 300nm - 3.000nm
Blickwinkel 180°
Erforderliches Zubehör Keines
Reflektierte GlobalstrahlungIllustration reflektierte Globalstrahlung
Sensor Pyranometer
Spektralbereich 300nm - 3.000nm
Blickwinkel 180°
Erforderliches Zubehör Blendschutzschild zum Schutz vor
nicht reflektierte Strahlung mit geringem Winkel
strahlung
Diffuse HimmelsstrahlungIllustration diffuse Strahlung
Sensor Pyranometer
Spektralbereich 300nm - 3.000nm
Blickwinkel 180°
Erforderliches Zubehör:
Abschattungsvorrichtung
Schattenring
Schattenband
SunTracker/Schattenkugel
Sonnenaufspürer/Schattenscheibe
Atmosphärische StrahlungIllustration Atmosphärische Strahlung
Sensoren Pyranometer und Pyrgeometer
Spektralbereich 300nm - 50µm
Betrachtungswinkel 180°
Erforderliches Zubehör Keines
Emission der BodenoberflächeEmission der Bodenoberfläche
Sensor Pyranometer und Pyrgeometer
Spektralbereich 300nm - 5oµm
Betrachtungswinkel 180°
Erforderliches Zubehör Blendschutzvorrichtungen zum Schutz vor
nicht reflektierte Strahlung mit geringem Winkel
strahlung
StrahlungsbilanzStrahlungsbilanz
Sensor
Netto-Radiometer
2 Pyranometer und
2 Pyrgeometer
Spektralbereich 300nm - 50µm
Blickwinkel 180°
Erforderliches Zubehör Blendschutz für nach unten
nach unten gerichtete Sensoren zum Schutz vor
winkel nicht reflektierter Strahlung
Kombinationen dieser meteorologischen Messungen sind je nach Aufgabe und geforderter Genauigkeit für Wettervorhersagen, Klimatologie und andere oben genannte Anwendungen erforderlich.
Um die Luftverschmutzung zu überwachen und zu minimieren, werden auch Messungen durchgeführt, die den Anforderungen der nationalen Normen für die Bewertung von Emissionen und Luftqualität entsprechen. Diese werden als "Umweltmessungen" bezeichnet.
In der Regel umfassen diese Umweltmessungen die Messung der Globalstrahlung, der Direktstrahlung und der Strahlungsbilanz. Die aus der Globalstrahlung und der Direktstrahlung gewonnenen Daten helfen zusammen mit spezifischen Spektraldaten, die Menge an Gasen und Aerosolpartikeln in der Luft zu bestimmen und geben auch Aufschluss über die photochemische Bildung von Sekundärverunreinigungen. Die Messung der Strahlungsbilanz liefert Informationen über den vertikalen Austausch und die Ausbreitung der Verschmutzung
Ein weiteres Einsatzgebiet für Sonnensensoren ist die Umweltsimulation, bei der die Wirkung auf Materialien unter "künstlichen Sonnen" getestet wird. Um die Testzeit zu verkürzen, werden sehr starke künstliche Strahlungsquellen verwendet, die den natürlichen Höchstwert von 1.367 W/m² (die Solarkonstante) weit übersteigen. Sensoren, die für diese Zwecke eingesetzt werden, sollten Messbereiche haben, die Strahlungsniveaus im Bereich von 2.000 bis 4.000 W/m² zulassen, und sie müssen oft bei hohen Temperaturen (> 100ºC) arbeiten.
Quelle: Sonnenstrahlungsmessung von Reinhold Rösemann