Экстраполяция Лэнгли - Langley extrapolation

Прямое солнечное излучение с различными длинами волн, указанными на нанометры по данным измерений в Ниамее, Нигер, 24 декабря 2006 г., с помощью мультифильтрового вращающегося теневого радиометра (MFRSR). Измерения отображаются как функция времени в формате UTC.

Экстраполяция Лэнгли метод определения солнечной сияние в верхних слоях атмосферы с помощью наземных приборов и часто используется для устранения эффекта атмосфера из измерений, например, аэрозоль оптическая толщина или же озон.[1][2] Он основан на повторных измерениях с солнечный фотометр работал в заданном месте в безоблачное утро или полдень в качестве солнце движется по небо. Он назван в честь американского астронома и физика. Сэмюэл Пирпон Лэнгли.

Теория

Это известно из Закон пива что для каждого мгновенного измерения прямое солнечное излучение я связан с солнечное внеземное излучение я0 и атмосферный оптическая глубина по следующему уравнению:

 

 

 

 

(1)

куда м - геометрический фактор, определяющий наклонный путь через атмосферу, известный как фактор воздушной массы.Для плоскопараллельной атмосферы фактор воздушной массы просто определить, если известно солнечное зенитный угол θ: м = 1 / cos (θ). Со временем Солнце движется по небу, поэтому θ и м варьироваться в зависимости от известных астрономический законы.

Прямое солнечное излучение как функция секанса зенитного угла Солнца в Ниамее, Нигер. 24 декабря 2006 г. По данным ARM, по инструменту MFRSR. Указана длина волны в нанометрах. Журнал - это база 10.

Логарифмируя приведенное выше уравнение, получаем:

 

 

 

 

(2)

и если предположить, что атмосферное возмущение не меняется во время наблюдений (которые длятся утром или днем), график lnя против м прямая линия с наклоном, равным . Затем по линейная экстраполяция к м = 0, получаем я0, то есть яркость Солнца, которую можно было бы наблюдать с помощью прибора, расположенного над атмосферой.

Точки представляют собой экстраполяцию Лэнгли к верхней части атмосферы прямого солнечного излучения, измеренного в Ниамее, Нигер, 24 декабря 2006 г. По сравнению с функциями Планка с длиной волны в микрометры.

Требование добра Участки Лэнгли постоянная атмосфера (постоянная ). Это требование может быть выполнено только при определенных условиях, поскольку атмосфера постоянно меняется. Необходимые условия, в частности: отсутствие облаков вдоль оптического пути и отсутствие изменений в атмосферный аэрозоль слой. С аэрозоли имеют тенденцию быть более концентрированными на малой высоте, экстраполяция Лэнгли часто выполняется на высокогорных участках. Данные из НАСА Исследовательский центр Гленна указывает, что точность графика Лэнгли улучшается, если данные взяты выше тропопауза.

Калибровка солнечных батарей

График Лэнгли также можно использовать как метод для расчета производительности солнечные батареи вне атмосферы Земли. На Исследовательский центр Гленна, производительность солнечных элементов измеряется в зависимости от высоты. Путем экстраполяции исследователи определяют их эффективность в космических условиях.[3]

Недорогие светодиодные фотометры

Солнечные фотометры по невысокой цене светодиод (LED) детекторы вместо оптических интерференционные фильтры и фотодиоды иметь относительно широкий спектральный отклик. Их может использовать глобально распределенная сеть студентов и преподавателей для мониторинга атмосферного туман и аэрозоли, и может быть откалиброван с помощью экстраполяции Лэнгли.[4] В 2001 году Дэвид Брукс и Форрест Мимс были среди многих[5][6] предложить подробные процедуры для изменения графика Лэнгли с целью учета Рэлеевское рассеяние, и атмосферный преломление по сферическая земля.

Ди Хусто и Герц составили руководство по использованию Ардуино разработать эти фотометры в 2012 году.[7] Справочник относится к в уравнениях (1) и (2), поскольку АОТ (Атмосферная оптическая толщина ), а справочник относится к I0 как EC (внеземная постоянная). В руководстве говорится, что после создания фотометра пользователь ждет ясного дня с небольшим количеством облаков, без дымки и постоянной влажности.[8] После того, как данные соответствуют уравнению (1) найти я0, в справочнике предлагается ежедневное измерение I.0 и I получаются из тока светодиода (напряжения на чувствительном резисторе) путем вычитания темнового тока:

 

 

 

 

(3)

куда - напряжение, когда светодиод направлен на Солнце, и напряжение, пока светодиод не горит. В инструкции есть опечатка относительно расчета из этой единственной точки данных. Правильное уравнение:[9]

 

 

 

 

(4)

куда был рассчитан в тот ясный и стабильный день с использованием экстраполяции Лэнгли.

Рекомендации

  1. ^ Blumthaler, M .; Ambach, W .; Бласбихлер, А. (1997). «Измерение спектральной оптической толщины аэрозоля с помощью солнечного фотометра». Теоретическая и прикладная климатология. 57 (1–2): 95. Bibcode:1997ThApC..57 ... 95B. Дои:10.1007 / BF00867980.
  2. ^ Адлер-Голден, С. М .; Слюссер, Дж. Р. (2007). «Сравнение методов построения графиков для калибровки солнечного радиометра». Журнал атмосферных и океанических технологий. 24 (5): 935. Bibcode:2007JAtOT..24..935A. CiteSeerX  10.1.1.535.6089. Дои:10.1175 / JTECH2012.1.
  3. ^ Измерение и калибровка солнечных батарей В архиве 2014-11-29 в Wayback Machine. НАСА
  4. ^ Брукс, Дэвид Р. и Форрест М. Мимс. «Разработка недорогого портативного солнечного фотометра на основе светодиодов для программы GLOBE». Журнал геофизических исследований: Атмосфера (1984–2012) 106.D5 (2001): 4733-4740. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2000JD900545/pdf
  5. ^ Адлер-Голден, С. М. и Дж. Р. Слюссер. «Сравнение методов построения графиков для калибровки солнечного радиометра». Журнал атмосферных и океанических технологий 24.5 (2007): 935-938. http://uvb.nrel.colostate.edu/UVB/publications/Alternative_Langley.pdf Они сравнивают традиционный график Лэнгли с графиком, полученным путем сопоставления ln (I) / m с 1 / m.
  6. ^ Роллин, Э. М. «Введение в использование солнечной фотометрии для атмосферной коррекции данных с бортовых датчиков. Деятельность NERC EPFS в поддержку NERC ARSF». Ежегодное собрание ARSF, Кейворт, Ноттингем, Великобритания, 22 стр. 2000 г.http://www.ncaveo.ac.uk/site-resources/pdf/cimel.pdf
  7. ^ Ди Хусто, Патрик и Эмили Герц. Мониторинг атмосферы с помощью Arduino: создание простых устройств для сбора данных об окружающей среде. "O'Reilly Media, Inc.", 2012 г. http://it-ebooks.info/book/1961/ см. страницы 62-63
  8. ^ В руководстве также говорится, что график Лэнгли может быть выполнен при равномерном облачном покрове, хотя и с меньшей точностью.
  9. ^ Обратите внимание, что журнал A - журнал B = ln A - ln B. В руководстве неверно указано: AOT = log (EC) / log (показания светодиодного фотометра) / м