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Piranometri, pirgeometri e pireliometri

Piranometri e pirgeometri misurano rispettivamente l'irradianza globale a onde corte e lunghe a banda larga, mentre i pireliometri misurano l'irradiamento solare normale diretto (DNI). A Lampedusa vengono utilizzati dal 2004 diversi modelli di piranometri e pirgeometri.

Piranometri

I piranometri Eppley Precision Spectral Pyranometer (PSP), Kipp&Zonen CMP21 e CMP22 e YES Inc. TSP-7000 sono utilizzati per misurazioni a lungo termine e per scopi di calibrazione. La stazione meteorologica è dotata di un piranometro Kipp e Zonen CM 11.

Il PSP è un radiometro WMO di buona qualità; il sensore è una termopila, ricoperta da due cupole in vetro Schott. Questa configurazione produce una risposta spettrale uniforme in tutta la regione 0.28-2.8 micron.

Il CMP21 è un radiometro di alta qualità, con termopila come elemento sensibile racchiuso in una cupola di vetro e risposta nell'intervallo spettrale da 0.31 a 2.8 micron. È caratterizzato da un offset termico inferiore rispetto al PSP.

I piranometri CMP22 hanno una cupola in quarzo, con offset termico trascurabile e migliore risposta direzionale rispetto ai modelli CMP21 con cupola in vetro. L'intervallo spettrale di questo modello di alta qualità è 0.2-3.6 μm.

La risposta direzionale dei piranometri CMP21 e CMP22 è determinata dalla fabbrica e fornita all'utente. I modelli CMP21 e CMP22 sono dotati di un termistore per la misurazione della temperatura interna, utilizzata per correggere la sensibilità dello strumento determinata a +20 °C.

Il piranometro TSP-700, a differenza di altri modelli, utilizza una superficie di ricezione della radiazione solare che è legata termicamente a termometri a resistenza al platino a film sottile per effettuare le misurazioni della variazione della temperatura. Quindi nominalmente ha un'eccellente risposta coseno.

Il CM 11 è un piranometro standard secondario. Il sensore è coperto da due cupole in vetro ed è sensibile alla radiazione compresa tra 0.3 e 2.8 micron.

Il seguente diagramma di Gantt mostra i periodi di funzionamento di alcuni modelli di piranometro disponibili a Lampedusa.

Piranometri installati a Lampedusa, con modello e numero di serie. Le aree grigie rappresentano i periodi di installazione per le misure di irradianza globale, mentre le aree gialle i periodi di installazione sull'inseguitore solare per le misure di irradianza diffusa. Le aree verdi rappresentano il periodo di installazione sulla torre meteorologica per la componente di irradianza riflessa.

Pirgeometri

Il Precision Infrared Radiometer (PIR) della Eppley viene utilizzato per la misura della radiazione infrarossa a banda larga. Il PIR è sensibile alla radiazione compresa tra 4 e 50 micron. È costituito da un sensore a termopila, ricoperto da una cupola in silicone, internamente rivestita da un filtro interferenziale con un campo di trasmissione compreso tra 3,5 e 50 micron circa. La misura del sensore è corretta per l'emissione termica del corpo dello strumento e della cupola: a tale scopo il PIR è dotato di un termistore per la misura della temperature del corpo e di uno per la misura della temperatura della cupola.

Il modello del pirgeometro Kipp & Zonen CGR4 ha un sensore a termopila ricoperto da una cupola in silicio a forma di menisco rivestita esternamente da carbonio e internamente da un filtro interferenziale che blocca la radiazione solare e trasmette solo quella compresa tra 4,5 e 42 μm. L'effetto di riscaldamento della cupola è molto basso rispetto agli altri pirgeometri, eliminando così la necessità di compensare questo effetto utilizzando formule correttive e la misura della temperature della cupola.

Il seguente diagramma di Gantt mostra i periodi di funzionamento di alcuni modelli di pirgeometro disponibili a Lampedusa.

Pirgeometri installati a Lampedusa, con modello e numero di serie. Le aree grigie rappresentano i periodi di installazione sul tavolo, mentre le aree gialle i periodi di installazione sull'inseguitore solare. Le aree verdi rappresentano il periodo di installazione sulla torre meteorologica per la misura dell'irradianza LW emessa dalla superficie.

Pireliometro

Il pireliometro CHP1 misura la componente diretta dell'irradianza solare. Lo strumento ha un campo di vista limitato a 5°. L'apertura frontale è dotata di una finestra al quarzo per proteggere lo strumento e che funge da filtro che fa passare la radiazione solare compresa tra 0.2 e 4 micron.

Setup

Le misure di irradianza verso il basso SW e LW con piranometri e pirgeometri, rispettivamente, sono iniziate nel giugno 2004.

Piranometri e pirgeometri sono tutti ventilati e possono anche essere riscaldati per ridurre al minimo l'effetto delle variazioni della temperatura esterna e per prevenire la formazione di rugiada e/o il deposito di polvere sulle cupole.

Nel marzo 2006 è stato installato un inseguitore solare 2AP Kipp&Zonen per ospitare piranometri e pirgeometri con le cupolette in ombra e fino a due pireliometri. Il piranometro ombreggiato misura la componente SW diffusa, poiché quella diretta è bloccata. Il pirgeometro ombreggiato fornisce una misurazione più accurata dell'irradianza LW verso il basso rispetto al pirgeometro sul tavolo, poiché la piccola componente infrarossa dell'irradianza SW è bloccata.

Inoltre, nel giugno 2011 è stato installato un pireliometro Kipp&Zonen CHP1 sull'inseguitore solare.

Recentemente è stato messo in funzione un radiometro Delta-T SPN1. Questo particolare strumento è in grado di misurare simultaneamente l'irradianza SW globale e diffusa senza parti in movimento, grazie ad una maschera e sette sensori disposti in modo che almeno uno sia esposto alla radiazione solare diretta e uno alla sola radiazione diffusa.

Vista dei radiometri sul tetto del laboratorio, inclusi quelli installati sull'inseguitore solare.
 
Foto dei due pireliometri installati sull'inseguitore solare
Foto del radiometro SPN1 vicino al piranometro CMP22
 

A maggio 2016 sono stati installati un PSP e un PIR sulla torre meteorologica a circa 2,5 metri dal suolo per misurare la componente verso l'alto della radiazione solare ed infrarossa, rispettivamente.

Tali misure consentono di studiare il bilancio radiativo superficiale e di monitorare i cambiamenti nell'albedo superficiale a banda larga.

Le calibrazioni periodiche presso il centro PMOD/WRC e/o le intercalibrazioni a Lampedusa di tutti i radiometri garantiscono l'accuratezza e l'affidabilità delle misure di irradianza solare ed infrarossa.

Serie temporale della irradianza solare globale media giornaliera nel periodo 2004-2021.
Serie temporale della irradianza infrarossa media giornaliera nel periodo 2004-2021.
 
Serie temporale dell'albedo superficiale media mensile nel periodo 2016-2021.