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Radiazione

Cos'è la radiazione? Quali tipi di radiazioni ci sono?

La radiazione è la propagazione di particelle o onde. In meteorologia, viene fatta una distinzione tra radiazione solare a onde corte e radiazione terrestre a onde lunghe. Minore è la lunghezza d'onda, maggiore è l'energia trasportata. La luce visibile fa parte della radiazione a onde corte. Esempi di radiazioni a onda lunga sono raggi infrarossi o radiazioni termiche o radio e microonde. Nella Figura 1, la radiazione solare a onda corta è mostrata in giallo e la radiazione terrestre a onda lunga in rosso.

Figure 1: Overview on irradiation on earth

La radiazione è differenziata in:

  • Radiazione globale (onde corte verso il basso (KW ↓))
  • Radiazioni dirette e diffuse (sparse)
  • Riflessione della radiazione a onde corte (onde corte verso l'alto (KW ↑))
  • Radiazione terrestre (onda lunga verso l'alto (LW ↑)
  • Contro-radiazioni atmosferiche (onda lunga verso il basso (LW ↓)) (chiamato anche "effetto serra")

In relazione alla radiazione ad onde corte ci sono anche alcune definizioni importanti:

Radiazione globale (GHI): Radiazione globale si riferisce all'intera radiazione a onda corta che colpisce la superficie (orizzontale) della terra. Questa può essere suddivisa nelle sue componenti: radiazione diretta e diffusa.

Radiazione diffusa (DIF): Viene misurata solo la luce diffusa del cielo con un piranometro, coprendo il sole con un proiettore ombra.

Radiazione diretta (DIR): Radiazione orizzontale diretta, solitamente non è misurata ma calcolata da radiazione diffusa e globale.

Irraggiamento normale diretto (DNI): Radiazione normale diretta, si riferisce alla radiazione che colpisce lo strumento ad angolo retto, cioè la radiazione diretta su una superficie perpendicolare alla posizione del sole. Questa radiazione è misurata da un pireliometro e può essere un multiplo della radiazione diretta su una superficie orizzontale, specialmente quando il sole è debole (vedi strumenti di misura).

Come viene misurata la radiazione?

La radiazione viene misurata in unità di watt per metro quadrato (W/m2). A tale scopo, nella maggior parte degli strumenti di misura viene utilizzata una termopila. Consiste in un materiale nero conduttivo che assorbe tutta la radiazione incidente e la converte in calore. Maggiore è la radiazione che colpisce la termopila nera, più calda diventa. Il materiale utilizzato deve anche avere una conduttività proporzionale alla temperatura. Pertanto, la radiazione totale può essere determinata dalla differenza di tensione al valore 0. Il principio è simile a quello di un termometro elettrico.

Come deve essere installato un dispositivo di misurazione della radiazione?

Per tutti gli indicatori che misurano le radiazioni, la cosa più importante è che il cielo non sia oscurato in nessuna direzione. I dispositivi devono essere posizionati in modo da avere una linea diretta verso il sole in qualsiasi momento della giornata e in tutte le stagioni, in modo che la radiazione possa colpire gli strumenti di misura senza alcuna interferenza, cioè il sensore non sarà mai ombreggiato tutto l'anno. Inoltre, è necessario prestare attenzione per garantire che non ci siano pareti o oggetti luminosi o vetrati nelle vicinanze, poiché riflettono la luce (cioè la radiazione) e possono quindi falsificare la misurazione.

Difficoltà nella misurazione delle radiazioni

Figure 2: <a href="http://www.kippzonen.com/Product/14/CMP21-Pyranometer#.W4Ztu5MzbXQ">Pyranometer</a>

In luoghi con molta neve, direttamente sul mare o vicino a facciate vetrate, la luce riflessa può influenzare radicalmente le misurazioni della radiazione. Anche l'ombreggiamento è spesso una fonte significativa di errore vicino ad alberi o edifici.

Il problema più grande con le misurazioni di radiazioni è l'inquinamento dei sensori da parte di polvere o altre particelle. Poiché i sensori sono molto sensibili e anche il più piccolo sporco può assorbire o riflettere la radiazione, il risultato della misurazione è fortemente distorto. I dispositivi pertanto richiedono molta manutenzione, poiché devono essere puliti manualmente su base regolare.

Quali strumenti di misurazione vengono utilizzati per quale tipo di radiazione?

Radiazione a onde corte (sia ↑ che ↓, diretta e diffusa):

  • Piranometro: Misura tutta la radiazione ad onde corte su una superficie orizzontale. Di solito ci sono due dispositivi usati, uno per la radiazione globale e uno per l'albedo (riflesso sulla superficie terrestre).

Figure 3: Pyrheliometer

SW ↓ diretta:

  • Pireliometro: Il Pireliometro è installato su un Sun Tracker (inseguitore solare) e segue sempre la posizione del Sole, in modo da catturare solo la radiazione normale diretta (sempre ad angolo retto rispetto al Sole).

SW ↓ diffusa:

  • Piranometro con un proiettore ombra. Il proiettore d'ombra è anche collegato a un Sun Tracker ed è sempre diretto tra il Sole e la termopila. Pertanto, nessuna radiazione diretta ma solo diffusa può raggiungere il misuratore.

Radiazione a onda lunga (sia ↑ che ↓):

  • Pirgeometro: Misura tutte le radiazioni a onda lunga su una superficie orizzontale. Anche qui vengono utilizzati due dispositivi, uno per la radiazione della terra e uno per il riflesso di questa radiazione attraverso l'atmosfera ("effetto serra").

La combinazione di 2 piranometri e 2 pirgeometri è denominata pirradiometro. Misura la completa radiazione a onda lunga e corta e quindi l'intero bilancio di radiazione.

Figure 4: Weather station in Davos

Il Servizio Meteorologico Nazionale della Svizzera, così come gran parte del BSRN (Baseline Solar Radiation Network) utilizzano piranometri e pirgeometri di Kipp e Zonen, che vengono installati orizzontalmente e quindi misurano la radiazione globale e la radiazione terrestre.

A causa del crescente utilizzo di sistemi di energia solare, sensori sempre più economici come ad es. celle fotovoltaiche sono disponibili e abbastanza diffuse. Tuttavia, a causa della mancanza di qualità, questi sono piuttosto inadatti per l'uso a scopi meteorologici.

Quante stazioni di misurazione ci sono?

MeteoSwiss gestisce 133 stazioni meteorologiche automatiche che misurano la radiazione. Su scala globale, c'è il BSRN, che gestisce 68 stazioni di misurazione a controllo qualità in tutto il mondo e raccoglie ed elabora i dati. Queste stazioni sono state selezionate perché rappresentano molto bene la regione in cui sono installati e hanno dimostrato di soddisfare elevati standard di qualità. Rispetto ad altri parametri meteorologici, ci sono molte meno stazioni di misurazione perché i sensori sono molto costosi e l'operazione richiede una grande quantità di personale, il che significa che anche molti dati misurati non sono affidabili.

meteoblue utilizza i dati di circa 200 stazioni di misurazione distribuite in tutto il mondo per scopi di validazione e calibrazione.