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Lexikon der Optik: meteorologische Strahlungsmeßgeräte

meteorologische Strahlungsmeßgeräte, Geräte zur Messung der direkten Sonnenstrahlung, der kurz- und langwelligen, diffusen Himmelsstrahlung, der langwelligen Erdbodenstrahlung, der reflektierten Strahlung sowie von abgeleiteten Strahlungsgrößen. Trotz national unterschiedlicher Konstruktionen der einzelnen m. S. sollten die damit gemessenen Werte international vergleichbar sein. Dies erfordert unter anderem die Kenntnis der systematischen Gerätefehler sowie eine weitgehende Konstanz der Eichfaktoren und der Temperaturkoeffizienten bei den Relativinstrumenten, so daß für langjährige Serienmessungen häufiger thermische Detektoren, z.B. Thermosäulen Verwendung finden. Absolutmessungen der Bestrahlungsstärke der direkten Sonnenstrahlung (in W/m2) werden von wenigen meteorologischen Observatorien mit Absolutpyrheliometern, auch Absolutradiometer genannt, durchgeführt. Es existieren mehrere Typen von Absolutgeräten (PACRAD, ACR, PMO, CROM und SACRAD), deren Meßdaten die internationale meteorologische Strahlungsskala festlegen. Absolutpyrheliometer können nach dem Kompensationsprinzip aufgebaut sein. Dabei wird die Erwärmung eines schwarzen Hohlraumkörpers durch die Sonnenstrahlung verglichen mit der Erwärmung des unbestrahlten Körpers durch elektrische Widerstandsheizung oder mit der Erwärmung eines dazu parallel orientierten, von der Sonne nicht bestrahlten, geheizten Systems. Die Genauigkeit der Messungen beträgt bei diesen Geräten ±0,2%. Da die Messungen mit Absolutgeräten aufwendig sind, werden für Routinemessungen Relativinstrumente eingesetzt wie z.B. das Panzerpyrheliometer nach Sonntag (BRD), das Pyrheliometer nach Sawinoff und Janischewski (GUS) sowie das Eppley-Pyrheliometer (USA). Es handelt sich dabei um Strahlungsmeßgeräte, die unterschiedlich geformte Thermosäulen als Empfänger verwenden. Die Thermosäulen befinden sich am Boden der röhrenförmigen Gehäuse. Tubuslänge und eingebaute Blenden definieren einen Öffnungswinkel, der jedoch aus technischen Gründen merklich größer ist als der Winkel der einfallenden Sonnenstrahlung. Die Geräte erfassen daher – besonders bei stärkerer Lufttrübung – auch gestreutes Sonnenlicht, die Zirkumsolarstrahlung (Halo). Die durch die Eigentemperatur der Gehäuse erzeugte, zusätzlich auf den Empfänger fallende Strahlungsenergie im infraroten Spektralgebiet beeinflußt die Messungen wenig, da der Empfänger fast dieselbe Energie durch Abstrahlung verliert. Die Bestrahlungsstärke der direkten Sonnenstrahlung kann bei hohem Sonnenstand und geringer Lufttrübung für Meßstationen auf Meeresniveau etwa 75% des extraterrestrischen Wertes erreichen. Der aus komplizierten Spektralphotometer- und Pyrheliometermessungen errechnete bzw. von Satelliten direkt gemessene extraterrestrische Wert der Sonnenbestrahlungsstärke beträgt 1373 ±20 W/m2. Relative Strahlungsmeßgeräte sind auch die Pyranographen, welche die Bestrahlungsstärke von auffallender Strahlung mit einer horizontal angeordneten Empfängerfläche registrieren. Je nach Orientierung der Empfängerfläche kann die Strahlung aus dem oberen bzw. unteren Halbraum erfaßt werden. Als Empfänger dienen meist geschwärzte Thermosäulen, die durch Halbkugelschalen aus Polyethylen oder UV-Glas gegen Niederschlag, Staub und Windeinfluß geschützt sind. Pyranographen mit Polyethylenhauben und schwarzen Empfängern können die kurz- und langwellige Sonnen- und die diffuse Himmelsstrahlung sowie die Erdstrahlung und reflektierte Strahlungen im Wellenlängengebiet von 0,3 bis 50 μm erfassen. Für die Ermittlung der wahren Bestrahlungsstärke mit dem Allwellen-Pyranometer muß die Abstrahlung der Empfängerfläche gemäß der Temperaturstrahlung nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz (Strahlungsgesetze) bekannt sein, andernfalls arbeitet das Gerät als Effektivpyranometer, erfaßt also nur die Strahlungsbilanz zwischen auffallender kurz- sowie langwelliger Strahlung und langwelliger Ausstrahlung des Gerätes. In der Nacht – bei fehlender kurzwelliger Einstrahlung – arbeitet ein Effektivpyranometer als Pyrgeometer. Diese Meßsysteme erfassen die Bestrahlungsstärke der langwelligen Effektivstrahlung der Atmosphäre. Soll die Bestrahlungsstärke der langwelligen atmosphärischen Gegenstrahlung mit einem Pyrgeometer erfaßt werden, muß der Einfluß der thermischen Eigenstrahlung des Gerätes auf die Messung eliminiert werden. Pyrgeometermessungen am Tage werden mit spektral unterschiedlich wirkenden Empfängerflächen (schwarz und hochreflektierend) durchgeführt. Mit einem zum oberen Halbraum und einem zum unteren Halbraum gerichteten Pyranographen können Messungen der Strahlungsbilanz durchgeführt werden, d.h. die Differenz der Bestrahlungsstärken der von oben einfallenden Strahlung (die vorwiegend kurzwellige direkte Sonnenstrahlung, die diffuse Himmelsstrahlung sowie die diffuse langwellige Gegenstrahlung der Atmosphäre) und der vom Erdboden kommenden Strahlung (die kurzwellige und die langwellige Reflexstrahlung sowie die langwellige Ausstrahlung des Erdbodens) wird gemessen. Vorteilhaft ist es, die Gerätetemperatur zu registrieren, um die Eigenausstrahlung des Gerätes berücksichtigen zu können. Die Aufstellhöhe des Systems sollte 2 Meter über einer Grasfläche betragen. Werden die Empfängerflächen von Pyranographen mit UV-Glaskugelhalbschalen abgedeckt, so kann die Summe von kurzwelliger Himmelsstrahlung, die Globalstrahlung, gemessen werden. Die kurzwellige Himmelsstrahlung allein wird mit einem die Sonnenstrahlung abdeckenden Schattenring-Pyranographen registriert. Die Sonnenscheindauer kann durch Differenzbildung der Meßwerte eines Globalstrahlungs- und eines Schattenring-Pyranographen oder aber durch Messung mit einem parallaktisch nachgeführten Pyrheliometer oder, mit geringerer Genauigkeit, durch einen Sonnenscheinautographen erfaßt werden.

Für besondere Strahlungsmeßaufgaben, wie etwa Messungen mit hoher spektraler, räumlicher oder zeitlicher Auflösung vom Erdboden, von Flugzeugen oder Satelliten aus, werden unterschiedliche Typen von Strahlungsempfängern eingesetzt. Zunehmend finden auch zweidimensionale, bilderfassende Strahlungsempfänger Verwendung. Meteorologische Routinemessungen von Satelliten aus sind Fernerkundungen mit speziellen Infrarotkameras, die Wolken- und Temperaturverteilungen erfassen. Vertikale Temperaturprofile werden aus Satellitenmessungen mit Fourier-Spektrometern ermittelt. Vertikale Wasserdampf- oder Ozonprofile lassen sich aus Spektralmessungen bestimmen. Spektral- und zeitaufgelöste Strahlungsmessungen mit Laserlicht als Anregungsstrahlung erlauben in der Atmosphäre den Nachweis von Spurengasen und -dämpfen (Lidar).

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