Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy 2013. Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto



Samankaltaiset tiedostot
PYP I / TEEMA 4 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

PYP I / TEEMA 8 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

Hydrologia. Säteilyn jako aallonpituuden avulla

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

15. Sulan metallin lämpötilan mittaus

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

LIITE I. Epäkoherentti optinen säteily. λ (H eff on merkityksellinen vain välillä nm) (L B on merkityksellinen vain välillä nm)

Mikroskooppisten kohteiden

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

Mitä on huomioitava kaasupäästöjen virtausmittauksissa

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2014 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Mustan kappaleen säteily

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

LIITE 2. ALTISTUMISRAJA-ARVOT OPTISELLE SÄTEILYLLE

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Ilmakehän vaikutus havaintoihin. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

LÄMPÖSÄTEILY. 1. Työn tarkoitus. Oulun yliopisto Fysiikan opetuslaboratorio Fysiikan laboratoriotyöt 2

Muita tyyppejä. Bender Rengas Fokusoitu Pino (Stack) Mittaustekniikka

Polarisaatio. Timo Lehtola. 26. tammikuuta 2009

MAA (4 OP) JOHDANTO VALOKUVAUKSEEN,FOTOGRAM- METRIAAN JA KAUKOKARTOITUKSEEN Kevät 2006

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Havaitsevan tähtitieteen pk I, 2012

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus

Aerosolimittauksia ceilometrillä.

Infrapunaspektroskopia

Kuva 1. Valon polarisoituminen. P = polarisaattori, A = analysaattori (kierrettävä).

AURINKOENERGIA. Auringon kierto ja korkeus taivaalla

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, kevät Luento 2, : Ilmakehän vaikutus havaintoihin Luennoitsija: Jyri Näränen

Tuulen viemää. Satelliitit ilmansaasteiden kulkeutumisen seurannassa. Anu-Maija Sundström

DistanceMaster One. Laser 650 nm SPEED SHUTTER

testo 831 Käyttöohje

HARJOITUSTYÖ: Mikropunnitus kvartsikideanturilla

Mustan kappaleen säteily

Luku 3. Ilmakehä suojaa ja suodattaa. Manner 2

Säätilan kehitys ennen Loimaan onnettomuutta

Työn tavoitteita. 1 Teoriaa

RG-58U 4,5 db/30m. Spektrianalysaattori. 0,5m. 60m

Mittaustulosten tilastollinen käsittely

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Radioaktiivisen säteilyn läpitunkevuus. Gammasäteilty.

9. Polarimetria. tähtitieteessä. 1. Polarisaatio. 2. Stokesin parametrit. 3. Polarisaattorit. 4. CCD polarimetria

The acquisition of science competencies using ICT real time experiments COMBLAB. Kasvihuoneongelma. Valon ja aineen vuorovaikutus. Liian tavallinen!

7.4 Fotometria CCD kameralla

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

VESI-SEMENTTISUHDE, VAATIMUKSET JA MÄÄRITTÄMINEN

Sääilmiöt tapahtuvat ilmakehän alimmassa kerroksessa, troposfäärissä (0- noin 15 km).

10. Polarimetria. 1. Polarisaatio tähtitieteessä. 2. Stokesin parametrit. 3. Polarisaattorit. 4. CCD polarimetria

Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

9. Polarimetria. 1. Stokesin parametrit 2. Polarisaatio tähtitieteessä. 3. Polarisaattorit 4. CCD polarimetria

Kosteusmittausten haasteet

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

10.2. Säteenjäljitys ja radiositeettialgoritmi. Säteenjäljitys

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

AurinkoATLAS - miksi mittaustietoa auringosta tarvitaan?

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Näkösyvyys. Kyyveden havainnoitsijatilaisuus Pekka Sojakka. Etelä-Savon elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskus

Vastaa kaikkiin kysymyksiin. Oheisista kaavoista ja lukuarvoista saattaa olla apua laskutehtäviin vastatessa.

1. Kumpi painaa enemmän normaalipaineessa: 1m2 80 C ilmaa vai 1m2 0 C ilmaa?

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 HILA JA PRISMA

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

9. Polarimetria. Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, Syksy 2017 Thomas Hackman (Kalvot JN, TH, MG & VMP)

Länsiharjun koulu 4a

a) I f I d Eri kohinavirtakomponentit vahvistimen otossa (esim.

DEE Tuulivoiman perusteet

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

Toiminnallinen testaus

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Valomylly. (tunnetaan myös Crookesin radiometrinä) Pieni välipala nykyisin lähinnä leluksi jääneen laitteen historiasta.

- ultraviolettisäteilyn (UV) - näkyvän alueen (visible) - infrapuna-alueen (IR)

SMG-4500 Tuulivoima. Toisen luennon aihepiirit VOIMIEN YHTEISVAIKUTUKSISTA SYNTYVÄT TUULET

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Termiikin ennustaminen radioluotauksista. Heikki Pohjola ja Kristian Roine

S OPTIIKKA 1/10 Laboratoriotyö: Polarisaatio POLARISAATIO. Laboratoriotyö

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

DIGIBONUSTEHTÄVÄ: MPKJ NCC INDUSTRY OY LOPPURAPORTTI

Kojemeteorologia (53695) Laskuharjoitus 1

Kosteusmittausyksiköt

Keski-Suomen fysiikkakilpailu

Kaksi yleismittaria, tehomittari, mittausalusta 5, muistiinpanot ja oppikirjat. P = U x I

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

13 KALORIMETRI Johdanto Kalorimetrin lämmönvaihto

Infrapunalämpömittari CIR350

Hakkeen kosteuden on-line -mittaus

Kehät ja väripilvet. Ilmiöistä ja synnystä

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

7. Resistanssi ja Ohmin laki

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

Oikeat vastaukset: Tehtävän tarkkuus on kolme numeroa. Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

2.1 Ääni aaltoliikkeenä

VALAISTUSTA VALOSTA. Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka. Kari Sormunen Kevät 2014

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Transkriptio:

Kojemeteorologia Sami Haapanala syksy 2013 Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Sateen mittaaminen Sademäärä ilmaistaan yksikössä [mm]=[kg m -2 ] Yleisesti käytetään sadeastiaa, johon kerääntynyt vesi tyhjennetään esimerkiksi joka kuudes tunti t 2 h t 1 R t dt

Astiaan kerääntynyt vesimäärä voidaan mitata myös automaattisesti esimerkiksi punnitsemalla koholla kapasitanssin avulla kiikulla paineen avulla Lisäksi sadetta voidaan mitata optisilla sademittareilla pinnan kosteuteen perustuvilla mittareilla mikroaalloilla

Kiikkusademittareissa sadevesi johdetaan suppilolla kiikussa olevaan astiaan. Kun astiassa on tarpeeksi vettä, se kippaa ja lähettää samalla pulssin. Näitä pulsseja lukemalla saadaan sademäärä yhtälöstä h A v v on vesitilavuus jonka saavutettuaan kiikku kippaa, A on keräimen suuaukon pinta-ala ja on pulssien summa. Sademittarin resoluutio riippuu siis kupin kippaustilavuudesta ja keräimen suuaukon pinta-alasta.

Sadeastiaan kerääntyvän veden määrä voidaan lukea myös esimerkiksi kapasitanssin muutoksesta, punnitsemalla tai mittamalla painetta astian pohjalla. Tällaisissa mittareissa laitteen staattista herkkyyttä voidaan lisätä tekemällä keräimen pintaalasta suurempi kuin astian pohjapinta-ala. Punnitsevissa sekä paineeseen perustuvissa sademittareissa astiaan voidaan lisätä jäätymisenestoainetta. Keräinsuppiloa voidaan myös talviolosuhteissa lämmittää, mikä tosin aiheuttaa haihduntavirhettä.

Optiset sademittarit havaitsevat sadepisarat tai lumihiutaleet esimerkiksi lähetetyn valon sironnan tai transmission avulla. Pisarakokospektrin avulla saadaan sademäärä. Eteenpäinsirontaan perustuvilla mittausjärjestelmillä, joihin kuuluu muitakin antureita, saadaan määritettyä säätila. Tällaisia, automaattisia sääantureita, käytetään enenevässä määrin mm. tiesääasemilla.

Distrometreissä anturille putoavat sadepisarat aiheuttavat pisaran liikeenergiaan verrannollisen pulssin Pisaran liike-energia on verrannollinen sen kokoon Distrometrit kehitetty alunperin mittaamaan sateiden pisarakokojakaumaa, mutta niillä voidaan mitata myös sateen intensiteettiä Distrometri

Pinnan kosteuteen perustuvat sademittarit Sadetta voidaan myös havaita kapasitiivisella pinnankosteusmittarilla, jonka lämmitetty mittauspinta osoittaa ylöspäin Sateessa pinnalle putoilee jatkuvasti pisaroita, joiden aiheuttaman kosteuden mittari havaitsee Sateen loppuessa pinta kuivuu nopeasti Tällaiset mittarit eivät yleensä mittaa sademäärää kvantitatiivisesti, vaan korkeinta luokittain (ei sadetta, heikkoa, kohtalaista tai kovaa sadetta)

Sateen mittauksen ongelmakohtia Edustavuusongelma: Kaikkien in-situ sademittarien keräyspintaala on pieni ( 20 cm) verrattuna alueeseen jota ne edustavat ( 10-100 km). Sademäärässä on suuria alueellisia eroja, joten suhteellisen harvasta sademittausverkostosta aiheutuu suuria virheitä alueellisen sateen määrittämiseen Sadetutkalla voidaan mitata sadannan alueellista vaihtelua paremmin

Oheisessa kuvassa näkyy kuinka sadealueita voi jäädä havaitsematta hypoteettiselta noin 40 km hilavälin sadeasemaverkolta.

Sateen mittauksen ongelmakohtia Altistusongelmia: Sademittarin rakenteet vaikuttavat tuuleen ja tyypillisesti kääntävät sitä ylöspäin juuri keräimen yläpuolella aiheuttaen sateen aliarvion Erityisen paha tuulivirhe on lumisateen mittauksissa

Sateen mittauksen ongelmakohtia Tuulen aiheuttamaa virhettä pyritään korjaamaan tuulisuojilla, jotka ohjaavat tuulta sademittarin ympärillä

Sateen mittaus mikroaaltojen avulla Mikroaaltojen heijastuvuuden (=säätutka) lisäksi sadetta voidaan mitata mikroaaltojen vaimenemisen avulla Kun mikroaaltojen aallonpituus on riittävän pieni (~10 mm) tulee vaimennus voimakkaaksi ja vähemmän riippuvaksi pisarakoosta

Säteilyn mittaaminen Käytännössä kaikki ilmakehän ilmiöitä synnyttävä energia tulee auringosta Koska ilma on hyvin läpinäkyvää taajuusalueella jolla aurinko lähettää suurimman osan säteilyenergiaansa, saavuttaa suuri osa energiasta maan pinnan Kaikki kappaleet säteilevät sähkömagneettista säteilyä. Säteilyn taajuusjakauma noudattaa ns. mustan kappaleen säteilyä ja riippuu kappaleen lämpötilasta. Kokonaissäteilyteho saadaan yhtälöstä 4 P T Maksimi teho saadaan aallonpituudella, jonka määrää Wienin siirtymälaki maxt c Missä Stefanin ja Boltzmanin vakio =5,670x10-8 W m -2 K -4 ja c=2,898x10-3 m K

Sähkömagneettisen säteilyn eri komponentit maan pinnalla muodostavat maanpinnan säteilytaseen Maanpinnan säteilytaseen komponentit voidaan mitata S T 4 F A S R ( 1 ) S FA T 4

Määritelmiä Lyhytaaltosäteily: Aallonpituusalue jolla aurinko pääasiallisesti säteilee Pitkäaalto- eli lämpösäteily: Aallonpituus jolla maa ja ilmakehä säteilee Säteilyvuon tiheys eli irradianssi: Pinnan vastaanottama säteilyn teho per pinta-alayksikkö [W m -2 ] Globaali säteily: Vaakasuoralle pinnalle tulevan auringon lyhytaaltosäteilyvuon tiheys [W m -2 ] Suora auringon säteily: Aurinkoon päin osoittavan pinnan suoraan auringosta tuleva säteily Diffuusi säteily: Ilmakehän sirottama auringon säteily Näkyvä valo: n. 400-700 nm UV: 100-400 nm Infrapunasäteily: >730 nm

Säteilyantureita on käytännössä kahta tyyppiä: Termiset anturit, jotka mittaavat säteilystä johtuvia lämpötilaeroja Valosähköiset anturi, jotka muuttavat absorboidun säteily jännitteeksi

Termisissä antureissa käytetään usein lämpötilaeron mittaamiseenlämpöparistoa, jossa jopa satoja lämpöpareja on kytketty sarjaan V V

Anturi Parametri Aallonpi-tuusalue Näkökenttä steradiaania Pyrheliometri suora auringon säteily Kaikki 5x10-3 2,5x10-2 Pyranometri globaalisäteily 0,3-3,0 m 2 Albedometri heijastunut glob.s./glob.s. 0,3-3,0 m 2 x 2 Pyrgeometri pitkäaaltosäteily 3,0-100 m 2 Pyrradiometri kokonaissäteily 0,3-100 m 2 PAR-mittari UV-mittari Nettopyrradiometri Nettokokonaissäteily Fotosynteettisesti aktiivinen säteily Ultravioletti säteily 0,3-100 m 2 x 2 400-700 nm 2 UVA: 315-400 nm 2 UVB: 280-315 nm

Pyrheliometri osoittaa suoraan aurinkoon, nykyään yleensä automaattisesi ohjattuna Putken pohjalla terminen anturi, jossa Pt-RTD tai lämpöpari Absoluuttipyrheliometrissa on lämmitin johon auringonsäteilyn lämmitystehoa voidaan verrata Pyrheliometri

Absuluuttipyrheliometri on primääristandardi jos: Ainakin yksi kappale valmistussarjasta on täysin karakterisoitu Muut kappaleet on verrattu karakterisoituun yksilöön Tarkka kuvaus karakterisoinnista ja vertailusta on saatavana Kalibrointi voidaan jäljittää World Radiation Referenssiin (WRR)

Esimerkiksi lämpöparistolla mitataan lämpötilaeroa mustan pinnan ja referenssin välillä Referenssi voi olla joko valkoinen tai mittarin runko Anturin suojana oleva lasikupu päästää lävitseen mitattavaa aallonpituutta Valosähköisten antureiden vaste riippuu voimakaasti aallonpituudesta, joten kalibrointi pitää tehdä luonnonvalossa Pyranometri

Albedometri Kaksi pyranometria voidaan yhdistää albedometriksi Albedometri mittaa albedoa eli heijastuneen lyhytaaltosäteilyn suhdetta globaaliin lyhytaaltosäteilyyn

Nettopyrradiometri Kaksi pyrradiometria voidaan yhdistää nettopyrradiometriksi eli nettosäteilymittariksi Silikonikupu päästää lävitseen sekä näkyvää valoa että lämpösäteilyä

Säteilymittareiden altistus Anturien pinnat ja kuvut on pidettävä puhtaina ja mahdollisesti huurteettomina käyttäen tuulettimia Anturiin ei saisi langeta varjoja eikä heijastuksia ympäröivistä rakennelmista Anturin tulisi olla tarkoin vaakasuorassa, varsinkin matalilla auringon korkeuskulmilla anturin kaltevuus voi aiheuttaa suuren virheen R m R cos

Edustavuus Sumun, savun yms. esiintyvyys mittauspisteessä tulisi olla alueelle tyypillinen Alaspäin katsovissa antureissa pitää kiinnittää huomiota alustan edustavuuteen Esimerkiksi 3 metrin korkeudella olevan anturin näkemästä alhaalta tulevasta säteilystä 90 % tulee alueelta jonka säde on 9 m

Näkyvyys Näkyvyydellä tarkoitetaan suurinta vaakasuoraa etäisyyttä, jolta ihminen erottaa suuren mustan kappaleen taustataivasta vasten Ilmakehän kaasut ja hiukkaset sirottavat valoa näkösäteelle ja pois siitä, sekä absorboivat valoa Seurauksena kohteen kontrasti heikkenee

Näkyvyys Meteorologiassa näkyvyys määritellään etäisyytenä, josta kohteen ja taustan välinen kontrasti on 5% Yhteyden näkyvyyden V ja ilmakehän ekstinktion σ välille antaa Koschmiederin yhtälö ln K V = σ missä K on valittu kontrastiarvo

Näkyvyyden mittaaminen 1 transmissio kertoo suoraan lähetetyn ja vastaanotetun valon voimakkuuksien suhteen Beerin laista E = E 0 e σx σ = ln (E E0 ) x transmissiometri on hyvä laite mittaamaan heikkoja näkyvyyksiä (< 3 km) lentokentillä käytetään transmissiometrejä 75-450 m jänneväleillä E 0 E x

Näkyvyyden mittaaminen 2 eteenpäin sirontaa voidaan käyttää näkyvyyden määrittämiseen samoin kuin sateen mittaamiseen kalibrointi monimutkaisempaa kuin transmissiometrillä E E 0