Me&methodik

Bei den Messungen zur Hangbestrahlung stand das Ziel vor Augen, in den wichtigsten Reliefsituationen der Versuchsfläche die Globa1strahlung für beliebige Tangential-flächen einer Halbkugel mit horizontaler Grundfläche zu ermitteln, um für die mannigfaltigen Hang1agen des Kartierungsgebietes die nötigen Strahlungsgrund-lagen zur Verfügung zu haben. Es galt, eine Meßanordnung einzuführen, die diese Aufgabe rationell und verläßlich zu lösen gestattet. Von vorneherein war klar, daß das Untersuchung,sziel zuerst auf die Verhältnisse bei wolkenfreiem Wetter abgestellt sein mußte, um so mehr, als die relative Strahlungsverteilung im Gelände bei diesen Wetterbedingungen auch für die Verhältnisse bei mittlerer Bewölkung und für den Gesamtstrahlungsumsatz erhalten bleibt (Abschnitt 24).

Zunächst wurde eine einfache Vorrichtung skizziert, die es gestattet, Azimut und Neigung eines Pyranometers schnell auf vorbestimmte Werte einzustellen.

Dieser «Pyranometertheodolit» (Abbildung 13) wurde nach unseren Angaben von Herrn W. Put r e, Chef der Metallwerkstätte der EAFV, aus einer Aluminium-legierung ( «Anticorodal») gebaut. Neigungen von 0 bis 90 Grad in Schritten von je 15 Grad und Azimute von 0 bis 360 Grad in Schl'itten von je 22,5 oder 45 Grad lassen sich sekundenschnell einstellen und verändern, indem federnde keilförmige Zungen in entsprechende Kerben am vertikalen Neigungsquadranten und im horizontalen Azimutalkreis einrasten. Mit Hilfe eines Kugelgelenkes und einer justierten und geeichten Dosenlibelle läßt sich das Gerät auf einem einfachen Dreifuß befestigen und horizontieren. Zwei Stifte mit Kegelspitzen auf der Grund-p1atte mit der Azimutalteilung dienen zum Einnorden derselben. Der Neigungs-quadrant ist auf dieser Grundplatte um eine vertikale Achse drehbar gelagert, während der Pyranometerträger um eine horizontale Achse am Neigungsquadranten drehbar ist. Das Pyranometer selbst besitzt •innerhalb der Glaskalotte neben der Empfängerplatte eine Dosenlibelle, so daß es mittels Stellschrauben auf der

Träger-11 Bd. 42, Heft 3, 1966 141

platte leicht horizontiert werden kann. Bei der Konstruktion wurde darauf geachtet, daß auch bei vertikaler Lage der Pyranometer-Empfangsfläche der Strahleneinfall durch die Vorrichtung nicht gestört werden kann, daß vor allem keine unerwünschten Reflexionen von der Grundplatte zur Geltung kommen.

Sodann wurde aus einer Serie von 16 Sternpyranometern der Firma Ph. Schenk, Wien, jenes ausgewählt, das die Forderungen hinsichtlich Anzeigegenauigkeit am besten erfü1lte (Sternpyranometer Nr. 371). Bei diesem Instrumententyp handelt es sich um elektrische Schwarz-Weiß-Pyranometer der Entwicklungslinie A. An g · s l r ö m - F. L i n k e - F. S a u b e r e r - 1. D i r m h i r n ; eine eingehende Prüfung hat das Gerät durch 1. Dir m h i r n (1958) erfahren.

Will man Vergleichsmessungen der Globalstrahlung bei schnell wechselnder Exposition der Empfangsfläche durchführen, muß in besonderem Maße gewährleistet sein, daß das Meßgerät das Cosinusgesetz weitgehend erfüllt, daß es sich schnell und sicher auf den neuen Strahlungswert einstellt und daß es keine Abhängigkeit vom Azimut und von der Neigung aufweist. Bei Kontrollmessungen an 16 Stern·

pyranomelern hal sich gezeigt, daß einzelne dieser Geräte aus der Fertigungsreihe Nr. 302-402 bezüglich jener Eigenschaften einigermaßen unterschiedlich reagieren.

Abbildung 14 zeigt zwei Beispiele für Abweichungen von der Einhaltung des Cosinusgesetzes. Die Messungen wurden mit Hilfe des oben beschriebenen Pyrano·

metertheodolits vor Sonne ausgeführt, indem Himmels- und Reflexstrahlung in der Weise ausgeschaltet wurden, daß einmal die Globalstrahlung und unmittelbar darauf die diffuse Zustrahlung allein (bei Abhaltung der Sonnenstrahlung) gemessen und die direkte Sonnenstrahlung durch Differenzbildung ( G-D) ermitlelt wurde.

Die einzelnen Meßreihen bei Veränderung der Empfangsflächenneigung mußten sehr schnell innerhalb weniger Minuten vorgenommen werden, um jene unliebsamen Schwankungen der Sonnenstrahlungsintensität zu vermeiden, die auf veränderlicher Weglänge durch die Atmosphäre und veränderlicher Lufttrübung beruhen. Es wurden nur jene Meßreihen ausgewertet, bei denen mit bestimmter Pyranometerneigung nahezu sonnensenkrechter Strahleneinfall miterfaßt wurde (Einfallswinkel z nahe Null). Die Darstellung in Abbildung 14 zeigt, daß beim Pyranometer Nr. 340 95

%

einen sehr flachen Kegel von 2 bis 3 Grad Neigung bildet. Die Cosinus-Charakteristik von Sternpyranometer Nr. 371 ist nach Vergleichungen bei 1. Dir m h i r n (1958) etwas besser als beim Durchschnitt der bis dahin untersuchten Eppley• und Moll-Gorczynski-Pyranometer, jedoch nicht so gut wie bei dem in jener Arbeit näher untersuchten Sternpyranometer Nr. 301. Die Cos-Charakteristik einiger weiterer von uns geprüfter Sternpyranometer ist im Vergleich zu den beiden gezeigten Beispielen intermediär.

Abbildung 13 Sternpyranometer-Stativ zur schnellen Veränderung von Azimut und Neigung des Strahlungsmessers, rechts mit Ablesegerät (mV-Kompensator Honeywell)

Abbildung 14

Abweichung vom Cosinus-Gesetz bei den Sternpyranometern Nr. 340 und Nr. 371. Dargestellt ist der Pyranometerstrom bei verschiedenen Strahlen-Einfallswinkeln z in Prozenten des Soll-wertes S (S = I' cos z, wobei I' = Pyranometerstrom bei Strahlungsintensität auf die Fläche normal

zur Strahlenrichtung)

¼ von l'.cos z (100¼= Sollwert)

105 • - - - Sternpyranometer Nr. 340

- - - - Sternpyranometer Nr. 371

'._,

90 _ _ __ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _,__ _ _ _ -+-_ _ \ - - - - ,

.r

_\

a 5 - - - -- ---;;----+----,

ao.__ _ _._ __ _._ __ _._ _ __. __ _._ __ _.___,___.___..__._ __ ^~

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90°

Strahleneinfallswinkel z

Weitere Prüfungen betrafen die Einstel1dauer und die Nul1punktskonstanz. Dazu wurde mittels einer Glühlampe, deren Stromversorgung konstant gehalten wurde, durch entsprechende Distanz zur Pyranometer-Empfangsfläche und bei vertikalem Strahleneinfall eine Einstrahlungsintensität von etwa 1 cal cm-² min-¹ hergestellt.

Die verfügbaren Sternpyranometer wurden nacheinander dieser Bestrahlung aus-gesetzt und der Einstellvorgang mit einem Kompe.nsations-Linienschreiber «Speedo-max G» der Firma Leeds & Northrup, Philadelphia (Meßbereich O bis 2 m V, Papiervorschubgeschwindigkeit 7,7 mm/min= 18 Zoll/h) registriert, indem jedes Pyrnnometer period•isch bestrahlt und beschattet wurde. Zwei typische Beispiele unterschiedlicher Einstellung sind in Abbildung 15 dargestellt. Acht von 16 Pyrano-metern zeigten vor Erreichen des Endausschlages und des Nullpunktes Überhöhungen

(bzw. Depressionen) von 0,5 bis 2,5

%,

eines sogar von 7 % ; die übrigen stellten sich aperiodisch ein. Die Einstelldauer auf 99,5 % des Endwertes betrug bei 7 Pyranometern 15 bis 30 Sekunden, bei den übrigen 30 bis 120 Sekunden.

Die Anzeigeüberhöhungen gehen vermutlich darauf zurück, daß die Temperatur-differenz zwischen schwarzen und weißen Plättchen wegen dickerem Anstrich letzterer zunächst stärker ansteigt, bevor die Konvektionsvorgänge eine Depression und Gleichgewichtslage dieser Differenz herbeiführen.

Das für die Geländemessungen ausgewählte Sternpyranometer Nr. 371 stellte sich innerhalb von 20 Sekunden aperiodisch auf den Endwert ein, den es gleich-mäßig beibehielt. Es zeigte bei Drehung in horizontaler Lage und bei einem Einfalls-winkel von etwa 70 Grad keine Abhängigkeit vom Azimut. (Bei letzterer Prüfung wurde bemerkt, daß die Orientierung der Empfängerfläche nicht bei jedem

Pyrano-Abbildung 15

Registrierung des Einstellvorganges bei den Sternpyranometern Nr. 368 und Nr. 371 bei plötzlicher Bestrahlung und Beschattung (m V-Kompensations-Linienschreiber «Speedomax»). Für Messungen bei schneller Lageveränderung des Pyranometers wurde das Instrument Nr. 371 eingesetzt, das

keine Überhöhungen und Nullpunktsdepressionen beim Einstellvorgang zeigt

Sternpyranometer Nr. 368 Sternpyranometer Nr. 371

ca( cm² min¹

meter exakt mit der Anzeige der . neben dieser Fläche angebrachten Dosenlibelle übereinstimmt.)

Als Anzeigeinstrument bei den mit diesem Pyranometer vorgenommenen Einzel-messungen diente zuerst ein Norma-Galvanometer (Modell 181 G, 0 bis 40 Skt., 5.10-⁶ A/Skt.). Im Verlaufe der Messungen erwies es sich als vorteilhafter, ein leistungslos arbeitendes Kompensations-m V-Potentiometer zu verwenden (Abbil-dung 13), das praktisch keine Abhängigkeit vom Widerstand des Meßsystems und von der Temperatur aufweist, so daß auch mit größeren Meßleitungslängen gearbeitet werden konnte, ohne die Güte der Messung zu beeinträchtigen. Es handelt sich um ein Nullabgleich-Millivolt-Meter, Modell 2705, der Firma Honeywell (Empfindlichkeit 0,01 m V pro Skalen teil, kleinster Meßbereich O bis 2,2 mV) . Die Thermosäule des Sternpyranometers Nr. 371 erzeugt pro cal cm·² min·¹ eine EMK von 1,505 m V, das entspricht 150,5 Skalenteilen am verwendeten Kompensator.

Dieser Eichwert wurde durch Vergleichsmessungen mit dem am Physika1isch-Meteorologischen Observatorium Davos mit Hilfe des Michelson-Pyrheiiometers Nr. 5100 geeichten Sternpyranometers Nr. 184 in Verbindung mit einem mV-Meter ( 4m V = 100 Skt.) der Firma Schenk bestimmt. Es ist die Internationale Pyrhelio-meterskala 1956 zu Grunde gelegt.

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Weitere vier geprüfte Sternpyranometer wurden zu Registrierungen der hang-normalen Einstrahlung in verschiedenen Reliefsituationen benützt, wobei ein Sechs-farben-Punktschreiber von Hartmann & Braun zum Einsatz kam.

Die folgenden Darstellungen der globalen Hangbestrahlung bei wolkenfreiem Wetter (Abbildungen 16 bis 22) gründen sich auf Messungen mit Hilfe des be-schriebenen Pyranometer-Expositionsstativs (Abbildung 13) in der Mitte der Versuchsfläche (Bereich der großen Hangrinne, 2150 m), wo pro Vegetations-periode 60 % Sonnenscheinmöglichkeit besteht. Das Pyranometer wurde etw_a jede halbe Minute in eine andere der durch das Stativ vorgegebenen 49 Expositionen des oberen Halbraums eingestellt und der Meßwert bestimmt, nämlich für die horizontale Ebene und für Neigungen von 15 zu 15° bis zu 90° in jeder der acht Himmelsrichtungen. Der Meßwert für horizonta1e Exposition wurde nach jeder Meßreihe pro Richtung neu bestimmt. Das ergab pro Meßtag je nach Tageslänge 1300 bis 1800 Meßwerte, und auf jede der erfaßten Expositionen entfiel jede halbe Stunde, auf die horizontale Ebene alle 3 bis 4 Minuten, ein Meßwert. Derartige Messungen erfolgten an folgenden wolkenfreien oder nahezu wolkenfreien Tagen der Vegetationsperiode 1965: 19. Juni, 5. und 6. Juli, 4. und 19. August sowie am 8., 15., 16., 17. und 23. September. Außer im erwähnten Geländeabschnitt wurden solche Messungen an einzelnen Tagen auch im unteren (2060 m) und im oberen Teil (2200 m) der Versuchsfläche durchgeführt, um die durch unter-schiedliiche Höhenlage bedingten Variationen, vornehmlich der diffusen Zustrahlung, zu erfassen.

52 Ergebnisse

521 Tagesgang der Globalstrahlungsintensitäten bei wolkenfreiem Wetter für verschiedene Hanglagen

In den Abbildungen 16a und 16b ist der tägliche Gang der globalen Bestrahlung jener Hanglagen zusammengestellt, die für die Versuchsfläche, entsprechend ihrer Expositionsgl,iederung, von besonderer Bedeutung sind, und zwar a) für einen Tag nahe der Sommersonnenwende (6. Juli) und b) für die Tagundnachtgleiche (23. September). Abszisse ist die wahre Sonnenzeit, Ordinate die globale Be-strahlungsintensität. Die strich1ierten Kurvenabschnitte vom lokalen Sonnenunter-gang in Versuchsflächenmitte (S. U. 1) bis zu dem spätesten Sonnenuntergang

( S. U. 2) , der ,innerhalb der Versuchsfläche möglich ist, beruhen auf Messungen im westlichsten Teil der Versuchsfläche mit der höchstmöglichen Sonnenschein-dauer von 79 % (d. astr. mögl.) pro Vegetationsperiode.

Entsprechend der wolkenlosen Witterung sind die dargestellten Tagesgänge überwiegend von der Wirkung des Cosinus-Gesetzes geprägt, aber in jenen Hang-lagen, die zeitweise keine direkte Sonnenstrahlung genießen, kommt deutlich der Gang der diffusen Zustrahlung z.um Ausdruck; je stärker solche Hänge geneigt sind, um so höheren diffusen Strahlungsgenuß haben sie, weil die Oberfläche der

um-Abbildung 16a

Tagesgänge der Globalstrahlungsintensität am wolkenlosen 6. Juli 1965 auf die 0, 15, 30, 45, 60, 75 und 90 Grad geneigten und N-, NE- und E-gerichteten Flächen

cal crn² min¹ 6. VII. NORD+HORIZONTAL

1,0

4 6 8 10 12 14 16 18h WSZ

cal cm² min¹ 6. VII. NORDOST

4 6 8 10 12 14 16 18h WSZ

cal cri? min¹ 6. VII. OST

S.U.2

1,0

0

4 6 8 10 12 14 16 18h WSZ

146

Abbildung 16b

liegenden Landschaft stärker reflektiert, als der blaue Himmel strahlt. Die maximalen diffusen Intensitäten erscheinen schon lange vor dem wahren Mittag - eine Wir-kung der Exposition des Haupthanges, der ab den letzten Vormittagsstunden zu-nehmende Selbstbeschattung zeigt und verringerte hangnormale Einstrahlung erhält

( vgl. die Bestrahlungsverhältnisse für die NE-Lagen). Alle nördlichen Expositionen von 45° Neigung und darüber sind stark vom Gang der diffusen Zustrahlung geprägt.

522 Summen der globalen Hangbestrahlung bei wolkenfreiem Wetter für einzelne Tage und für die Vegetationsperiode

Einen Überblick über den jahreszeitlichen Gang der Globalstrahlungs-Tages-summen für dieselben Expositionen bietet Abbildung 17, an der besonders auffällt, daß ,in Nordlage ungemein größere Bestrahlungsunterschiede zwischen den praktisch wichtigen Neigungen auftreten als in Ostlage. Die Wirkung der Hangreflexstrahlung zeigt sich wieder besonders deutlich in den steilen Nordlagen, die mit abnehmender Sonnendeklination in immer größeren relativen Strahlungsgenuß gegenüber ge-ringeren Neigungen kommen.

Abbildung 17

Jahreszeitlicher Gang der Globalstrahlungs-Tagessummen bei wolkenfreiem Wetter auf die 0, 15, 30, 45, 60, 75 und 90 Grad geneigten und N-, NE- und E-gerichteten Flächen, gültig für schneefreie Hänge, Mitte der Versuchsfläche Stillbergalp, örtlich mögliche Sonnenscheindauer

60 0/o der astronomisch möglichen pro Vegetationsperiode

cal cm² d-¹ 750

500

250

0

Im Dokument in der subalpinen Stufe (Seite 41-49)