Enkele metingen betreffende de diffuse straling en de spectrale verdeling van de zonnenstraling

Ô J 2 / /

ENKELE METINGEN BETREFFENDE DE DIFFUSE STRALING EN DE SPECTRALE VERDELING VAN DE ZONNESTRALING

D. Bokhorst C.A. Ammerlaan

Inhoud

1 . I n l e i d i n g

2 . Enkele faktoren d i e een r o l spelen 2 . 1 De globale s t r a l i n g

2 . 2 De zonshoogte

2 . 3 De gevoeligheid van de meter 2 . 4 De s p e c t r a l e verdeling

3» Uitvoering en verwerking van de metingen k . Resultaten

5 . Slotopmerkingen 6 . Samenvatting

Aanhangsel

ENKELE METINGEN BETREFFENDE DE DIFFUSE STRALING EN DE SPECTRALE VERDELING VAN DE ZONNESÏBALING

1 . I n l e i d i n g

De s t r a l i n g d i e van de zon komt wordt,voorzover het de kortgolvige s t r a l i n g en het nabije infrarood (300 . . . 3000 nm) b e t r e f t , gewoonlijk

de globale s t r a l i n g genoemd. Bij betrokken l u c h t i s deze s t r a l i n g g e ­ heel diffuus en heeft de s t r a l i n g vanuit elke r i c h t i n g een gelijke s t e r k t e . S t r i k t genomen i s het l a a t s t e n i e t geheel waar, maar voor ons doel v o l s t a a t het de hemelbol b i j geheel betrokken hemel a l s een gelijkmatig s t r a l e n d oppervlak t e z i e n .

Als de zonnestraling n i e t door wolken tegengehouden en verspreid wordt kotat e r een p o r t i e g e r i c h t e s t r a l i n g bij. De s t r a l i n g d i e u i t de r i c h t i n g van de zon komt heet de d i r e k t e s t r a l i n g . De som van de d i f f u s e en de d i r e k t e s t r a l i n g i s dan de globale s t r a l i n g . Ze wordt i n de r e g e l uitgedrukt i n W/m^ a l s het om b e s t r a l i n g s s t e r k t e gaat en i n J/cm2 a l s het een stralingssom b e t r e f t . Ook worden wel de een­ heden J/(cm2.h) en kJ/m^ g e b r u i k t . I n oudere l i t e r a t u u r vindt men meestal cal/Ccm^.min) en kcal/(m2.h) voor b e s t r a l i n g s s t e r k t e en cal/cm^ en kcal/m^ voor een stralingshoeveelheid.

Het aandeel d i f f u s e en het aandeel d i r e k t e s t r a l i n g i n de globale s t r a l i n g gedurende een bepaalde tijd ( u u r , dag of maand) hangen vooral af van de r e l a t i e v e zonneschijnduur en van de mate waarin de d i r e k t e s t r a l i n g v e r s t r o o i d wordt door water, aerosolen enz. i n de atmosfeer. Onder r e l a t i e v e zonneschi jnduur verstaan we de tijd waarin de zon werkelijk geschenen h e e f t i n verhouding t o t de tijd waarin de zon had kunnen schijnen i n d i e periode, a l s e^ geen be­ wolking opgetreden was. Het aandeel van de d i f f u s e s t r a l i n g i s n i e t elk seizoen h e t z e l f d e en verandert ook i n de loop van de dag. Hoe l a g e r de zon s t a a t , hoe s t e r k e r de v e r s t r o o i i n g van de s t r a l i n g i s #

De vraag naar het aandeel d i f f u s e s t r a l i n g komt o . a . naar voren bij berekeningen omtrent de l i c h t d o o r l a t i n g van kassen. Ook bij gevallen van schaduwgevende Objekten kan het van belang zijn t e weten, wat de lichtvermindering door schaduwwerking i s . Meestal wordt gesproken over beschaduwing i n verband met de d i r e k t e s t r a l i n g . Voor een j u i s ­ t e oordeelsvorming i s het e c h t e r wel nodig geïnformeerd t e zijn over h e t aandeel van de d i r e k t e s t r a l i n g .

Voorzover ons bekend zijn e r voor het Westland geen cijfers bekend over het aand&el d i f f u s e s t r a l i n g i n het geheel. Het leek ons daarom n u t t i g , over het gehele j a a r verdeeld, een reeks metingen d i e wat meer i n z i c h t i n deze materie geven, u i t t e voeren. I n d i t rapport zullen we i n het k o r t aandacht besteden aan enkele faktoren d i e bij de metingen meespelen. Ook de methodiek en de verwerking van de meetgegevens, benevens enkele r e s u l t a t e n zullen besproken worden.

2

-2» Enkele faktoren d i e een r o l spelen 2i1>_De_globale_straling

De globale s t r a l i n g wordt gemeten met een s o l a r i m e t e r . Dit i n s t r u ­ ment wordt exakt horizontaal opgesteld; zodoende i s u i t het uitgangs­ s i g n a a l d i r e k t de s t e r k t e van de s t r a l i n g af t e l e i d e n . We gebruiken de solarimeter d i e op de weertoren van het p r o e f s t a t i o n s t a a t en waarvan het s i g n a a l door de c e n t r a l e computer verwerkt wordt. Voor ons onderzoek g e e f t de computer de s t r a l i n g elke t i e n minuten i n J/(cm2.h). Dit moet omgerekend worden naar W/m^ ( = J / ( m 2 , s ) ) .

1J/(C

»

-

= Î^BH

ISK *

De door de computer gegeven waarde voor de betreffende 10 minuten moet dus vermenigvuldigd worden met 2,77778 •

2 . 2 De zonshoogte

De d i r e k t e zonnestraling wordt gemeten met een pyrheliometer, d i e tijdens de meting exakt op de zon g e r i c h t moet zijn. De meter ontvangt dan de s t r a l i n g op een voeler d i e een e l e k t r i s c h s i g n a a l a f g e e f t . De g r o o t t e hiervan i s . e v e n r e d i g met de s t e r k t e van de ontvangen s t r a ­ l i n g • Nu i s het duidelijk, dat een stralenbundel d i e onder een hoek, k l e i n e r dan 90° op aarde v a l t , zijn energie over een g r o t e r e opper­ v l a k t e moet verdelen, dan een stralenbundel d i e loodrecht op de a a r ­ de v a l t ' ( f i g . 1 ) .

Figuur 1 . Een ronde stralenbundel met doorsnede d wordt v e r ­ b r e i d over een oppervlakte met een l a n g s t e doorsnede a .

•

Wat we meten met de pyrheliometer i s de b e s t r a l i n g s s t e r k t e loodrecht op de bundel. Al naar de zonshoogte moet zodoende nog een c o r r e c t i e -f a k t o r aangebracht worden. Deze c o r r e c t i e -f a k t o r i s gemakkelijk t e b e ­ palen a l s we f i g u u r 2 bezien.

Uit deze figuur blijkt: s i n h = — . a

De s t e r k t e van de s t r a l i n g i s omgekeerd evenredig met de g r o o t t e van de oppervlakken waarover ze verdeeld wordt. Noemen we de s t e r k t e van de s t r a l i n g op a Ia en de s t e r k t e van de s t r a l i n g op d l d , dan g e l d t :

= — = s i n h ofwel Ia = Id#sin h J-d a

3

-h = zons-hoogte

i = invalshoek = 90°-h d = loodrechte doorsnede

stralenbundel

a = doorsnede van bundel met horizontaal vlak

Figuur 2 . Zonshoogte en s t r a l i n g

I n p l a a t s van met de zonshoogte wordt ook veel gewerkt met de i n v a l s ­ hoek van de s t r a l i n g . De invalshoek i s de hoek tussen de normaal, dat i s een lijn loodrecht op een vlak, en de r i c h t i n g van de stralenbundel op dat v l a k . Wordt met de invalshoek ( i ) gewerkt dan i s de verhouding d / a de cosinus van de invalshoek en op dezelfde wijze a l s boven met de zonshoogte gedaan i s , vinden we:

Ia = ld»cos i

Op de pyrheliometer zijn een gradenboog en een voorziening d i e het wa­ t e r p a s s t a a n van het instrument c o n t r o l e e r t , aanwezig. De invalshoek kan daarmee d i r e k t afgelezen worden en zo i s tevens de zonshoogte b e ­ kend. Sinus en cosinus van de betreffende hoeken zijn u i t een t a b e l gehaald.

Als tijd en p l a a t s van waarneming bekend zijn i s de zonshoogte ook u i t diagrammen t e halen of t e berekenen. Vooralsnog leek ons de gevolgde methode d i r e k t e r en eenvoudiger.

2 . 3 De gevoeligheid van de meter

De gevoeligheid van de meter tijdens de metingen moet ook nog berekend worden. Volgens de meegeleverde ijkgegevens i s de gevoeligheid 1 1 , 3 mV per cal/Ccm^.min) bij 20 °C. De temperatuurgevoeligheid i s - 0 , 2 % per graad C e l s i u s .

De huistemperatuur van de meter kan afgelezen worden;, we noemen deze temperatuur T. Bij een temperatuur T i s de gevoeligheid dan:

11,3(1 - 0,002(T - 20) ) mV per cal/(cm2«min), ook t e schrijven a l s 11,752 - 0,0226

T IEV

1 mV komt dan overeen met n ^ 0 022& cal/(cm20min) . (1) Vau de n i e t meer geldige eenheid cal/Ccm^.min) maken we W/m^ dat i s J/(ra2.s) .

1 c a l = 4,1868 J.; 1 cm2 = 0,0001 m^; 1 min = 60 s ; dus

„ c a l 1 c a l 4,1868J 1cm2 „ 1min _ c a n a w / „ 2 ( -n cm^.min ~ Icm^. 1min 1 c a l x O^OOlm^ 60s 1

Uit (1) en (2) volgt voor de gevoeligheid van de meter: 1 mV komt overeen met • 697.8

if

-By 20 °C i s de gevoeligheid 61,75 W/m2 per m i l l i v o l t . Voor overige waarden z i e t a b e l 1 . Bij deze t a b e l moet opgemerkt worden, dat het geven van waarden t o t op twee cijfers achter de komma geen fysische betekenis h e e f t . I n het algemeen hebben we echter zo weinig moge­ lijk afrondingen tijdens de berekeningen gebruikt en i s pas de eind­ waarde van de berekeningen op hele g e t a l l e n afgeronc|>

Tabel 1 . Gevoeligheid pyrheliometer bij verschillende temperaturen.

° c W/m2 ° c W/m2 °C W/m2 per mV ° c per mV °C per mV

0 59,38 15 61,14 30 63,01 1 59,49 16 61,26 31 63,14 2 59,61 17 61,38 32 63,27 3 59,72 18 61,51 33 63,40 4 59,84 19 61,63 34 63,53 5 59,95 20 61,75 35 63,66 6 60,07 21 61,88 36 63,79 7 60,19 22 62,00 37 63,93 8 60,30 23 62,12 38 64,06 9 60,42 24 62,25 39 64,19 10 60,54 25 62,38 40 64,33 ' 11 60,66 26 62,50 41 64,46 12 60,78 27 62,63 42 64,59 13 60,90 28 62,76 43 64,73 14 61,02 29 62,88 44 64,87 2 . 4 De s p e c t r a l e verdeling

De globale s t r a l i n g b e s t a a t u i t s t r a l i n g van verschillende g o l f ­ l e n g t e n . Het deel tussen 400 en 700 nm i s de zichtbare s t r a l i n g d i e we l i c h t noemen. Zoals bekend i s n i e t elke g o l f l e n g t e even s t e r k vertegenwoordigd en bovendien i s de onderlinge verhouding tussen de verschillende componenten n i e t altijd dezelfde. Anders gezegd: i n h e t zichtbare gebied van het spectrum i s de verhouding tussen het aan­ deel blauw l i c h t en het aandeel rood l i c h t n i e t c o n s t a n t . Dat geldt zowel voor de globale s t r a l i n g a l s de d i r e k t e s t r a l i n g . Door van g e ­ s c h i k t e f i l t e r s gebruik t e maken i s de verhouding tussen de compo­ nenten t e bepalen.

Bij onze meter zijn een kwartsglas f i l t e r (doorlatend van 250 t o t 4000 nm), een g e e l f i l t e r (doorlatend van 525 t o t 2800 nm) en een r o o d f i l t e r (doorlatend van 630 t o t 2800 nm) aanwezig. Zie ook f i g u u r 3< -Sen meting zonder f i l t e r g e e f t de d i r e k t e s t r a l i n g .

Dé s t r a l i n g beneden de 525 nm (blauw en v i o l e t ) kan berekend worden u i t de d i r e k t e s t r a l i n g minus de s t r a l i n g d i e door het g e e l f i l t e r doorgelaten wordt. De hoeveelheid aan rode plus i n f r a r o d e s t r a l i n g i s t e bepalen door de s t r a l i n g d i e door het r o o d f i l t e r doorgelaten wordt t e meten. Deze metingen geven een i n d i k a t i e over de v e r s t r o o i ­ i n g van het l i c h t i n de atmosfeer. Deze v e r s t r o o i i n g hangt onder meer af van de weglengte van de s t r a l i n g door de atmosfeer, vandaar

5

-2,0 3,2 s* X ( p m ) Figuur 3 . Doorlatendheid (D) van s t a n d a a r d f i l t e r s b i j v e r s c h i l ­ lende golflengten (A). g e e l f i l t e r , r o o d f i l t e r . De grens van het zichtbare gebied i s met een s t i p p e l l i j n aangegeven.

de rode zon bij zonsopkomst en zonsondergang. S t r a l i n g van k o r t e golflengten wordt namelijk meer v e r s t r o o i d dan s t r a l i n g van langere golflengten. Wellicht ten overvloede zij e r nog op gewezen dat de hoeveelheid "blauw" of "rood", d i e we met deze methode bepalen, n i e t betrekking h e e f t op de gehele globale s t r a l i n g , maar op de d i r e k t e s t r a l i n g . Alleen bij de stralingsmetingen d i e betrekking hebben op de d i r e k t e s t r a l i n g gebruiken we f i l t e r s .

Hiervoor i s g e s t e l d dat bijvoorbeeld het g e e l f i l t e r doorlaatbaar i s voor s t r a l i n g van 525 t o t 2500 nm. Dat wil zeggen dat i n d i t gebied de doorlatendheid 100 % geacht wordt. I n werkelijkheid i s dat n i e t het geval; a l l e e n a l door r e f l e k t i e aan de twee oppervlakken gaat een 10 % van de s t r a l i n g voor de meting v e r l o r e n . Om vergelijkingen t e trekken tussen de metingen met en zonder f i l t e r en om de waar­ nemingen om t e rekenen naar een standaard, moeten de uitkomsten van* de metingen met f i l t e r nog met een f i l t e r f a k t o r vermenigvuldigd worden. Deze faktoren zijn 1,072 voor h e t k w a r t s f i l t e r , 1,10^ voor h e t g e e l f i l t e r en 1,089 voor het r o o d f i l t e r . Figuur 3 b e t r e f t dan ook naar de standaard gecorrigeerde waarden.

Het aandeel blauw plus v i o l e t wordt t e n s l o t t e berekend a l s " d i r e k t " - " g e e l f i l t e r " i n n<>/

" d i r e k t " x 1 0 0

Evenzo volgt voor het aandeel rood p l u s infrarood dat d i t gelijk i s " r o o d f i l t e r "

fa n " d i r e k t " x 1 0 0

Het het k w a r t s f i l t e r zijn t e r controle wel metingen uitgevoerd, a l ­ thans i n het begin. Ze blijken echter weinig of geen e x t r a informa­ t i e t e geven, zodat deze metingen verder buiten beschouwing g e l a t e n zijn.

6

-3» Uitvoering en verwerking van de metingen

Een reeks metingen wordt i n het algemeen gedurende 10 minuten u i t ­ gevoerd. I n d i t tijdsbestek kunnen ruimschoots d r i e à vijf waarne­ mingsreeksen voltooid worden. Het gemiddelde van deze metingen wordt dan, na verwerking, met de opgave van de s t r a l i n g zoals d i e door de solarimeter op de weertoren gemeten i s , vergeleken. Deze l a a t s t e be­ s t r a l i n g s s t e r k t e gedurende de betreffende t i e n minuten wordt door de computer berekend u i t 10 waarnemingen om de minuut. De metingen met de pyrheliometer vinden p l a a t s op het meteoveldje van het p r o e f ­ s t a t i o n .

Tot nu toe zijn a l l e e n zeer zonnige dagen a l s meetdagen gekozen. Er treden dan geen s n e l l e veranderingen op i n de s t r a l i n g en zo kan ook een indruk van de reproduceerbaarheid van de metingen verkregen worden.

Waargenomen worden: het tijdstip van meten, de temperatuur van het meterhuis, de invalshoek en de r i c h t i n g waarin de zon s t a a t , en h e t a a n t a l m i l l i v o l t s dat de meter met en zonder f i l t e r s a f g e e f t . Deze spanning wordt gemeten met een d i g i t a l e universeelmeter. Bij de metingen moet het instrument s t e e d s met de hand op de zon g e ­ r i c h t worden.

Berekend worden nu:

a . de gemiddelde metertemperatuur (°C) b . de gemiddelde zonshoogte ( ° ) c . de globale s t r a l i n g (W/m^) d . de d i r e k t e s t r a l i n g (W/m^) e . h e t aandeel d i f f u s e s t r a l i n g i n de globale s t r a l i n g (.%) f . h e t aandeel d i r e k t e s t r a l i n g i n de globale s t r a l i n g (%) g . h e t aandeel v i o l e t + blauw i n de d i r e k t e s t r a l i n g (%)

h . h e t aandeel rood + infrarood i n de d i r e k t e s t r a l i n g (%) . Het aandeel d i f f u s e s t r a l i n g wordt berekend a l s

"globaal" - " d i r e k t " 1 0 0* "globaal" x 100/6.

En op dezelfde wijze natuurlijk het aandeel d i r e k t e s t r a l i n g u i t " d i r e k t "

"globaal" x 100% .

De overige berekeningen zijn i n het voorgaande reeds voldoende t o e ­ g e l i c h t .

De waarnemingen zijn vrij tijdrovend en eveneens kost h e t rekenwerk v e e l tijd. Het leek ons daarom economisch wat tijd u i t t e trekken om een BASIC-programma voor deze metingen t e ontwerpen. Daarmee kunnen de verwerkingen door een computer uitgevoerd worden. Dit l e i d t t o t een zienlijke tijdsbesparing en bovendien i s de kans op f o u t e i k l e i n e r . Voor geïnteresseerden i s het programma a l s aan-Ii^273ccl toegevoegd. Het programma i s voorzien van vele opmerkingen

4 . Resultaten

De r e s u l t a t e n van de waarnemingen en berekeningen zijn i n t a b e l 2 v e r ­ meld. De waarnemingen werden i n het algemeen gedurende t i e n minuten uitgevoerd; a l s tijd i s dein de gemiddelde tijd aangegeven. De tijd 12 25 i n de t a b e l s l a a t dus op de waarnemingen d i e van 12 20 . . . 12 29 u i t ­ gevoerd zijn. Het a a n t a l waarnemingen i n d i e t i e n minuten varieerde van 2 t o t 7 ; gemiddeld waren het 4 , 7 waarnemingen op grond waarvan de ge­ gevens u i t de t a b e l berekend zijn. Soms i s maar één waarneming gedaan, maar deze waarnemingen zijn n i e t i n de t a b e l verwerkt. De tijden zijn i n MET, met uitzondering van de tijden i n september. Deze zijn i n ME Z I . De vermelde temperatuur i s de temperatuur van het meterhuis. Deze i s n i e t dezelfde a l s de luchttemperatuur, maar ze g e e f t wel een i n d i k a t i e of de metingen tijdens r e l a t i e f warme of r e l a t i e f koude dagen gedaan zijn. De thermometer d i e op h e t meterhuis z i t i s erg moeilijk af t e l e z e n . Er werd daarom op hele graden Celsius afgelezen. In t i e n minuten v e r ­ andert de temperatuur n i e t v e e l . Vandaar dat verreweg de meeste waarden ook op hele graden Celsius uitkomen.

De zonshoogte spreekt voor z i c h z e l f . Toch moet nog op een k l e i n e moei­ lijkheid gewezen worden. Al eerder i s opgemerkt dat de voet van de me­ t e r exakt horizontaal opgesteld moet worden. Door middel van een l i b e l op het instrument wordt d i t gecontroleerd. Kleine afwijkingen zijn ech­ t e r mogelijk, zowel door afleesfouten en afrondingen a l s door systema­ t i s c h e fouten, inherent aan het instrument. De aflezingen blijken wel goed reproduceerbaar t e zijn. Bezien we twee opeenvolgende dagen, 22 en 23 oktober, naar de zonshoogte om 11 45 uur, dam lezen we af 28,1 en 27,7 °» Om 13 45 uur vinden we 26,6 en 2 6 , 2 ° • I n deze periode van het jaar komt de zon elke dag wat l a g e r . Dit elke dag wat l a g e r zijn l i g t i n dezelfde orde van g r o o t t e a l s ook h i e r met de metingen gevon­ den i s . De zonshoogten van 6 september ' s morgens geven wat g r o t e r e afwijkingen. Door onervarenheid met het fijnregelmechanisme i s h i e r wat grover afgelezen. De vermelde zonshoogte i s de gemeten zonshoogte. De astronomische zonshoogte i s wat l a g e r . Tengevolge van de s t r a a l ­ breking i n de atmosfeer zien we de zon wat hoger dan hij i n werkelijk­ heid i s . Het v e r s c h i l hangt af van de temperatuur van de dampkring, de luchtdruk en de weglengte van de zonnestralen vein de atmosfeer. Als de zon n i e t dicht bij de kim s t a a t i s het v e r s c h i l t e verwaarlo­ zen.

De globale s t r a l i n g b e l i e p ruwweg 100 t o t 700 W/m^, de d i r e k t e s t r a ­ l i n g 11 t o t 514 W/m2 tijdens de metingen.Bij de l a g e waarden van de d i r e k t e s t r a l i n g kunnen vrij g r o t e meetfouten ontstaan zijn. Tot nu t o e i s gebruik gemaakt van een d i g i t a l e universeelmeter, die t o t op 0 , 1 m i l l i v o l t af t e lezen i s . Uit t a b e l 1 blijkt dat 0 , 1 mV met onge­ veer 6 W/m^ overeenkomt. Het lijkt e r dus op dat bij een d i r e k t e s t r a ­ l i n g van 60 W/m^ e r a l een fout vein 10 % ontstaan kan. I n werkelijk­ heid v a l t h e t wat mee, doordat de d i r e k t e s t r a l i n g loodrecht op de r i c h t i n g van de zonnestraling gemeten wordt, maeir l a t e r omgerekend moet •«:•i-de*' naar een horizontaal v l a k . De 6 W/m2 moet nog met de s i ­ nus van de zonshoogte vermenigvuldigd worden. Tabel 3 g e e f t een i n ­ druk van de onnauwkeurigheid bij verscheidene zonshoogten. De 10% onnauwkeurigheidsgrens voor de afzonderlijke waarnemingen l i g t , zoals u i t de t a b e l b l i j k t , voor een zonshoogte van 3 0 ° bij 30 W/m^ en bij 2 0 ° bij 21 W/m2, De werkelijke waarden van de d i r e k t e s t r a l i n g zijn bij deze zonshoogten i n de r e g e l vele malen g r o t e r . Bij een zonshoogte van 1 5 ° i s echter wel 17 W/m2 gevonden, dein z i t t e n we wel i n de

8

-Tabel 2 . Resultaten van metingen van september 1979 t o t en met f e b r u a r i 1980. datum ttfd _{r a t u u r} tempe­ (°C) zons­ hoogte ( ° ) s t r a l i n g s t r a l i n g aandeel v i o l e t +blauw (#) aandeel rood + infrarooc (96) datum ttfd _{r a t u u r} tempe­ (°C) zons­ hoogte ( ° ) globaal _(W/m2) d i r e k t _(W/m^) diffuus _(%) d i r e k t _(%) aandeel v i o l e t +blauw (#) aandeel rood + infrarooc (96) O6-O9 12 25 22,0 46,0 661 474 28 72 17 71 12 35 22,0 46,0 653 469 28 72 16 71 12 45 22,0 46,0 664 511 23 77 17 70 12 55 22,0 46,0 683 514 25 75 17 71 1305 22,0 46,0 672 511 24 76 17 70 15 05 22,0 37,5 536 376 30 70 14 74 1515 22,0 36,5 519 353 32 68 14 74 15 25 22,0 35,3 494 348 30 70 14 74 15 35 21,6 33,8 483 340 30 70 14 73 15 45 22,0 32,3 456 304 33 67 12 75 22-10 11 15 15,0 26,8 431 388 10 90 18 69 11 25 1 4 , 3 27,2 442 393 11 89 17 69 11 35 14,0 27,7 450 404 10 90 17 69 11 45 13,3 28,1 456 410 10 90 17 69 1155 13,0 28,4 461 417 10 90 18 69 1205 13,0 28,5 467 415 11 89 17 68 12 15 13,0 28,6 467 419 10 90 18 69 1225 13,0 28,7 467 420 10 90 18 69 1307 13,0 28,3 458 411 10 90 18 69 1315 13,0 28,0 450 408 9 91 18 69 1325 13,8 . 27,5 442 400 10 90 17 69 1335 14,0 27,1 433 390 10 90 17 69 1345 14,0 26,6 422 383 9 91 17 69 1355 14,0 26,1 4o8 369 10 90 17 70 1405 14,0 25,4 386 356 8 92 17 69 14 15 14,0 24,8 378 340 10 90 16 70 14 25 14,0 24,0 364 327 10 ?0 16 71 23-10 10 45 14,8 24,7 367 321 13 87 14 72 11 45 12,0 27,7 436 376 14 86 16 71 12 45 13,0 28,2 444 381 14 86 15 71 13^5 13,0 26,2 ₃₉₇ 341 14 86 16 72 14 45 11,0 21,7 300 245 18 82 13 75 15 45 13,0 15,5 183 140 23 77 10 80 16 45 12,0 7 , 9 67 4o 41 59 5 90 29-11 9^5 10,0 11,4 108 40 63 37 3 87 10 45 8 , 0 14,1 186 84 ₅₅ 45 13 77 11 ' ö 10,0 16,8 214 70 67 33 19 71 12 45 10,0 1 7 , 2 189 51 73 27 18 73 19-12 10 45 13,0 12,0 139 11 92 8 14 85 11 45 10,0 15,2 200 17 91 9 18 76 12 45 10,0 1 6 , 3 194 14 93 7 14 74

9

-Tabel 2 . Resultaten van metingen van september 1979 t o t en met

f e b r u a r i 1980 (vervolg). _

datum tijd tempe­ r a t u u r (°c) zons­ hoogte ( ° ) s t r a l i n g s t r a l i n g aandeel v i o l e t +blauw ( % ) aandeel rood + infrarood ( % ) datum tijd tempe­

r a t u u r (°c) zons­ hoogte ( ° ) globaal _(W/m2) d i r e k t _(W/m^) diffuus _{( % )} d i r e k t _{( % )} aandeel v i o l e t +blauw ( % ) aandeel rood + infrarood ( % ) 18-01 10 25 - 1 , 6 12,0 122 37 69 31 5 90 11 25 - 4 , 0 16,5 206 79 61 39 6 88 12 25 - 3 , 0 18,8 219 64 71 29 .6 88 1325 - 2 , 0 19,0 211 90 57 43 7 88 14 25 - 1 , 0 16,5 167 59 64 36 5 92 1525 - 1 , 0 11,0 89 23 75 25 4 • 94 19-02 9 35 5 , 0 14,9 167 128 23 77 8 82 10 35 ^ , 5 21,1 292 232 20 80 12 77 1135 5 , 6 25,7 389 311 20 80 14 74 1235 7 , 1 27,9 444 342 23 77 14 74 13 35 8 , 0 27,8 442 315 29 71 14 74 14 35 9 , 0 24,9 378 269 29 71 13 77 15 35 9 , 0 19,8 244 134 45 55 10 82 1635 7 , 5 13,1 94 23 76 24 -

-Tabel 3 . De onnauwkeurigheid d i e aflezen op 0 , 1 mV bij diverse zonshoogten veroorzaakt.

zonshoogte (o) • onnauw­ keurigheid (W/ra2) zonshoogte ( ° ) onnauw­ keurigheid (W/m2) 50 4 , 6 25 2,54 45 4 , 2 20 2,05 40 3 , 9 15 1 , 5 5 35 3 , 4 10 1 , 0 4 30 3 , 0 5 0,52

buurt van de 10 % onnauwkeurigheid. Door h e t middelen over een a a n t a l waarnemingen wordt de fout i n het algemeen k l e i n e r ; wat gezegd i s g e l d t voor de afzonderlijke waarnemingen. Voor toekomstige metingen bij l a g e zonnestanden z a l geprobeerd worden met een gevoeliger analoge millivoltmeter t e werken. Ook deze meters hebben echter hun bezwaren. Er kunnen g r o t e r e af l e e s f o u t en gemaakt worden, de aanwijzing i s vaak wat onrustiger en de meetnauwkeurigheid i s bovendien k l e i n e r dan de afleesnauwkeurigheid.

ü t r a l i n g i s tevens onderverdeeld i n d i f f u s e s t r a l i n g en d i r e k t e s t r a l i n g , uitgedrukt i n procenten van de globale s t r a l i n g . Als de zon stijgt gedurende de ochtend, kan men een afnemend aandeel d i f f u s e s t r a l i n g verwachten; i n de i n l e i d i n g i s daar a l op geduid, ' s Middags komt de zon l a g e r en dan verwachten.we een toenemend percentage.

10

-Ook u i t de meetresultaten blijkt d i t het geval t e zijn, soms zeer d u i ­ delijk, soms met wat goede w i l . Zo i s e r op 22 oktober weinig v a r i a t i e i n het percentage d i f f u s e s t r a l i n g . Toen i s e r echter ook maar geme­ t e n van 11 10 t o t 1^30 u u r . De zonshoogte i s i n d i t tijdsbestek weinig veranderd (van 26,8 over 28,7 naar 2 k ° ) » Het blijkt dat e r van dag t o t dag een g r o t e v a r i a t i e i n het percentage d i f f u s e s t r a l i n g kan op­ t r e d e n , ongeacht de zonshoogte. Zo zijn bij zonshoogten van 11 t o t 13° a l s percentages gevonden: 63 (29 nov), 92 (19 dec), 69 en 75 (18 jan) en 76 (19 f e b ) . Op 23 oktober z a l het ongeveer 32 % geweest zijn. De weersomstandigheden spelen dus ook een belangrijke r o l . C i r r u s s t r a t u s -bewolking, byvoorbeeld, l a a t nog wel d i r e k t e s t r a l i n g door, maar g e e f t een s t e r k e diffundering. De som van de percentages d i f f u u s en d i r e k t moet per d e f i n i t i e op 100 procent uitkomen, maar k l e i n e a f r o n -dingsfouten zijn mogelijk.

Dat de som op 100 procent uitkomt i s n i e t het geval bij de som van de aandelen v i o l e t plus blauw en rood plus infrarood i n de d i r e k t e s t r a ­ l i n g . Deze som v a r i e e r t van 85 t o t 98% bij onze metingen. Dit komt doordat het aandeel v i o l e t plus blauw de s t r a l i n g beneden de 525 nm b e t r e f t en het aandeel rood plus infrarood de s t r a l i n g boven de 630 nm. Het deel van de d i r e k t e s t r a l i n g tussen 525 en 630 nm, dat meestal een 13 t o t 17% bedraagt, i s zodoende n i e t meegerekend. Het v a l t op dat de som vooral bij l a g e waarden (< 100 W/m2) van de d i r e k t e s t r a l i n g 90% of meer bedraagt. Dit kan n i e t s t e e d s a l s r e ë e l gezien worden. Wat hierboven opgemerkt i s over de gevolgen van het n i e t nauw­ keuriger dan op 0 , 1 mV kunnen a f l e z e n , g e l d t voor d i t onderdeel i n nog s t e r k e r e mate, doordat we met l a g e r e waarden t e maken hebben. Aan de hand van een voorbeeld zullen we d i t duidelijk maken.

We nemen hiervoor een waarneming u i t de s e r i e van 19 december. Waar­ genomen i s toen: tijd 11 ^7 a a n t a l mV zonder f i l t e r 1 , 1 metertemperatuur 10 °C met r o o d f i l t e r 0 , 7 invalshoek 7^» 7 ° met g e e l f i l t e r 0 , 8 globale s t r a l i n g 72 J/(cm^,h) Dit g e e f t a l s uitkomsten o . a . : globale s t r a l i n g 200 W/m2 aandeel d i f f u u s 91 % d i r e k t e s t r a l i n g 18 W/m^ aandeel d i r e k t 9% aandeel viol» + b l . 20% aandeel rood + i . r . 69% Wordt nu de a f l e z i n g zonder f i l t e r ( 1 , 1 mV) veranderd i n 1 , 0 mV, dan zouden de uitkomsten geweest zijn:

globale s t r a l i n g 200 W/m^ aandeel d i f f u u s 92% direktfe s t r a l i n g 16 W/m^ aandeel d i r e k t 8% aandeel v i o l . + b l . 12% aandeel rood + i . r . 76% Was i n p l a a t s van de a f l e z i n g 1 , 1 mV zonder f i l t e r , de a f l e z i n g voor het r o o d f i l t e r ( 0 , 7 mV) verlaagd met 0 , 1 mV dan waren de uitkomsten voor de aandelen "blauw" en "rood" veranderd i n achtereenvolgens 20 en 5 9 % . Het percentage rood plus infrarood zou dan gedaald zijn van 69 naar 59 procent. Het i s dus duidelijk dat bij geringe b e s t r a ­ l i n g s s t e r k t e s n i e t t e v e e l waarde gehecht moet worden aan de percen­ t a g e s blauw en rood. Het i s z e l f s mogelijk dat e r een negatief p e r ­ centage voor blauw u i t de berekeningen r o l t . Dit gebeurde i n f e i t e

11

-op 19 f e b r u a r i eenmaal. Deze waarde i s i n de t a b e l -opengelaten. Ook h i e r g e l d t dat i n het algemeen het middelen over meer waarnemingen de r e s u l t a t e n betrouwbaarder maakt.

V/aar de waarnemingen wat betrouwbaar geacht kunnen worddn blijkt dat h e t aandeel rood plus infrarood toeneemt met afnemende zonshoogte; voor het aandeel blauw geldt het tegenovergestelde. Dat i s ook wel l o g i s c h , doordat de mate van v e r s t r o o i i n g i n de atmosfeer afhangt van de weglengte van de s t r a l e n door de dampkring en bovendien s a ­ menhangt met de golflengte van het l i c h t . Hoe k l e i n e r de g o l f l e n g t e , hoe s t e r k e r de v e r s t r o o i i n g . Onder punt 2 . 4 i s h i e r a l eerder over _ gesproken.

De v a r i a t i e van dag t o t dag i n de aandelen blauw en rood i n de d i ­ r e k t e s t r a l i n g vertoont minder grote, schommelingen dan de v a r i a t i e i n het aandeel difuse s t r a l i n g i n de globale s t r a l i n g .

5 . Slotopmerkingen

De globale s t r a l i n g vertoont vrij grote v e r s c h i l l e n i n de verhouding d i f f u u s en d i r e k t l i c h t , z e l f s bij zonnig weer. Tot nu toe i s op zonnige dagen gemeten. Een moeilijkheid bij de planning van de meet­ dagen i s dat pas op zeer k o r t e termijn geweten kan worden of een dag zonnig z a l zijn. Het komt ook voor dat een zonnige dag voorspeld wordt en halverwege de dag de hemel gaandeweg b e t r e k t . Van een onverwacht zonnige dag kan vaak geen gebruik gemaakt worden i n verband met de planning van andere werkzaamheden.

De verhoudingen d i e berekend worden veranderen maar langzaam geduren­ de de dag. Het blijkt voldoende om eenmaal per uur een meetcyclus van een t i e n minuten u i t t e voeren. Het i s dan wel aan t e bevelen i n deze t i e n minuten een 5 t o t 7 waarnemingen t e doen. I n de waarnemingen van z o ' n cyclus z i t onderling wel een k l e i n e spreiding en door het herha­ l e n wordt de invloed van t o e v a l l i g e fouten verkleind. Op systematische fouten, zoals afwijkingen i n de millivoltmeter i n het l a g e b e r e i k ,

h e e f t het herhalen u i t e r a a r d geen invloed.

Het i s ook mogelijk de d i f f u s e s t r a l i n g t e meten met behulp van een s o l a r i m e t e r , waarbij de baan van de zon door een r i n g afgeschermd wordt. Deze r i n g moet verschoven worden a l naar de hoogste zonnestand i n de loop van h e t jaar verandert, om de schaduwbaan van de r i n g op de voe­ l e r van de éolarimeter t e houden. Bij deze methode o n t s t a a t een k l e i n e f o u t doordat ook dat deel van de zonnebaan, waar de zon op een bepaald moment n i e t s t a a t , afgeschermd wordt. Ook i s de r i n g wat breder dan voor een precieze beschaduwing nodig i s , om de r i n g n i e t a l t e f r e ­ quent t e hoeven t e verschuiven. Er wordt zodoende wat t e weinig dif?-fuus l i c h t gemeten. De metingen met een dergelijke o p s t e l l i n g kunnen met de meetgegevens van een normaal opgestelde solarimeter vergeleken worden. Het v e r s c h i l van deze twee geeft dan de d i r e k t e s t r a l i n g . Een dergelijk instrument i s van het IMAG geleend en we z u l l e n proberen het apparaat h i e r opgestsid t e krijgen.

Door vergelijken van de uitkomsten d i e met de twee methodieken v e r k r e ­ gen worden hopen we ook nauwkeuriger uitkomsten t e krijgen. Overigens i s het wel een onderzoek van langere duur. Het a a n t a l zonnige dagen i s s p e c i a a l i n het w i n t e r h a l f j a a r n i e t bijster g r o o t . Het onderzoek i s e c h t e r j u i s t i n de wintermaanden van belang. Het l i c h t i s dan i n het minimum voor de t e e l t e n , de o r i ë n t a t i e vein de kas i s dan het belang­ rijkst bij v e e l d i r e k t e s t r a l i n g en de schaduwen zijn i n de winter het

12

-l a n g s t . Er i s nu nog n i e t genoeg cijfermateriaa-l voorhanden om een u i t s p r a a k t e doen over de verhouding tussen d i r e k t e en d i f f u s e s t r a l i n g voor een gehele maand.

6 . Samenvatting

Het rapport behandelt enkele aspekten van het bepalen van de d i f f u s e en de d i r e k t e s t r a l i n g , waar de globale s t r a l i n g i n onderverdeeld i s . De verhouding tussen deze twee t e kennen i s van belang bij berekeningen omtrent de l i c h t d o o r l a t i n g van kassen en bij schaduwbepalingen.

Gemeten i s tijdens zonnige dagen. Bij zonshoogten boven de 20° v a r i e e r ­ de het percentage d i f f u s e s t r a l i n g van 8 t o t 33%• Beneden de 15° zonshoogte werden hiervoor waarden van A-1 t o t 93% gevonden. Met b e ­ hulp van f i l t e r s i s tevens naar de verhouding tussen kortgolvige en langgolvige s t r a l i n g i n de d i r e k t e s t r a l i n g gekeken. Ook deze verhou­ ding i s afhankelijk van o . a . de toestand van de atmosfeer. Bij l a g e zonnestand, d.w.z. bij een l a g e waarde van de b e s t r a l i n g s s t e r k t e wordt h e t meetsignaal zo zwak, dat vrij grote meetfouten kunnen o n t s t a a n . Het'aandeel d i f f u s e s t r a l i n g over een maand gerekend, hangt af van de verhouding d i f f u u s / d i r e k t tijdens zon en van de r e l a t i e v e zonneschijn-duur. De metingen zullen langer voortgezet moeten worden om h i e r b e ­ trouwbare uitspraken over t e doen. Mede met behulp van een i n s t r u ­ ment d a t van het IMAG geleend i s , hopen we het onderzoek voort t e z e t t e n .

Naaldwijk April 1980

A1

Programma voor het verwerken van de metingen

50 PRINT CHR$(12)

100 PRINT TAB(9); "PROGRAMMA DIFFUSE STRALING" 110 PRINT TAB(9); » = = = =: = = = = = =: = = = = = = =: = = = = = = = =:=:» 120 PRINT:PRINT:PRINT

130 INPUT "HET AANTAL WAARNEMINGEN IS";A 135 PRINT

140 REM XXX SOLARIMETER WEERTOREN, NAAR W/M2 (S) 150 W=500: INPUT "DE WEERTOREN GEEFT IN J/(CM2.H)"; W

I6O I F W=INT(W) AND W>0 AND W<360 GOTO 185 IVO PRINT "INVOERFOUT, NIET GEACCEPTEERD" 180 GOTO 150 185 S=2.77778XW 190 PRINT 200 REM XXX METERTEMPERATUUR (T) 210 H=0 220 FOR J=1 TO A

23O PRINT "METERTEMPERATUUR, AFLEZING";J; 240 T=100: INPUT T

25O I F T<0 OR T>40 GOTO 280

26O H=H+T

27O GOTO 3OO

28O PRINT "INVOERFOUT, NIET GEACCEPTEERD"

290 GOTO 230 3OO NEXT J

310 T=H/A

340 REM XXX BEREKENEN GEVOELIGHEID METER (G) 350 REM XXX D.W.Z. AANTAL W/M2 PER MILLIVOLT 360 G=697.8/(11.752-.0226XT)

370 PRINT

390 REM XXX.INVALSHOEK ( I ) EN ZONSHOOGTE (Z) 400 H=0

410 FOR J=1 TO A

420 PRINT "INVALSHOEK, AFLEZING";J; 430 1=100: INPUT I

440 I F I<25 OR I>90 GOTO 470 450 H=H+I

460 GOTO 490

47O PRINT "INVOERFOUT, NIET GEACCEPTEERD" 480 GOTO 420

49O NEXT J 500 I=H/A 510 Z=90-I

520 REM XXX COSINUS INVALSHOEK (C), EERST RADIALEN (RAD) 530 RAD=IX,G17453

540 C-COS(RAD) 550 PRINT

A2

560 REM XXX DIREKTE STRALING, EERST MILLIVOLT, DAN W/M2 (D) 570 H=0

58O FOR J=1 TO A

590 PRINT "GEEN FILTER, AFLEZING»;J;

6OO MD=100: INPUT MD

61O I F MDCO OR MD>30 GOTO 640

620 H=H+MD 63O GOTO 66O

640 PRINT "INVOERFOUT, NIET GEACCEPTEERD" 65O GOTO 590

66O NEXT J 67O MD-H/A 68O D=MDXGXC

69O PRINT

700 REM XXX ROODFILTER, EERST MILLIVOLT, DAN W/M2 (R)

710 H=0

720 FOR J=1 TO A

730 PRINT "ROODFILTER, AFLEZING";J;

7^0 MR=100Ï INPUT MR

750

IF MR

OR MR

GOTO

770 GOTO 8OO

78O PRINT "INVOERFOUT, NIET GEACCEPTEERD" 790 GOTO 730

8OO NEXT J

8IO MR=H/A

820

R=MRXGXCXI

830 PRINT

850 REM XXX GEELFILTER, EERST MILLIVOLT, DAN W/M2 (Y)

86O H=0

870 FOR J=1 TO A

88O PRINT "GEELFILTER, AFLEZING";J;

89O MY=100: INPUT MY

900 I F MY<0 OR MY>30 GOTO 930 910 H=H+MY

920 GOTO 950

930 PRINT "INVOERFOUT, NIET GEACCEPTEERD" 940 GOTO 88O

95O NEXT J

960 MY=H/A

970 Y=MYXGXCX1.104

1000 REM XXX AANDEEL DIFFUUS, DIREKT, BLAUW EN ROOD+INFRAROOD 1010 DF=INT(100X(S-D)/S+,5)

1020 PD=INT(100XD/S+.5) IO3O PB=INT(100X(D-Y)/D+,5) 1040 PR=INT(100XR/D+.5)

IO5O PRINT:PRINT

1100 REM XXX NU DE GEWENSTE GEGEVENS UITPRINTEN 1105 PRINT CHR$(12)

1110 PRINT "DE METERTEMPERATUUR IS";INT(l0XT+.5)/l0;" GR. CELSIUS" 1120 PRINT

1130 PRINT "DE ZONSHOOGTE IS ";INT(10XZ+.5)/lO;" GRADEN" 1140 PRINT

1150 PRINT "DE GLOBALE STRALING IS";INT(S+.5)î" W/M2" 1160 PRINT

1170 PRINT "DE DIREKTE STRALING IS";INT(D+.5)î" W/M2" 1180 PRINT

1190 PRINT "HET AANDEEL DIFFUUS IS";DF5" 1200 PRINT

1210 PRINT "HET AANDEEL DIREKT IS ";PD;" %" 1220 PRINT

1230 PRINT "HEx AANDEEL VIOLET+BLAUW IS";PB;" 12/fO PRINT

12§0 PRINT "HET AANDEEL ROOD+INFRAROOD IS";PR;" %" 1260 PRINT 1270 PRINT 1280 PRINT INT(lOXT+.5)/lO;SPC(3);INT(10XZ+.5)/10;SPC(3) 1290 PRINT INT(S+.5);SPC(3);INT(D+.5);SPC(3);DF;SPC(3); 1300 PRINT PD ; SPC(3);PB; SPC(3)5 PR 1310 PRINT:PRINT:PRINT

I32O INPUT "NOG EEN SERIE WAARNEMINGEN"5Al I33O I F LEFTS (AS, 1 ) = "N" THEN 1^f00

I35O PRINT CHR$(12) I37O GOTO 120