Conceitos básicos de radiômetros de substituição elétrica para medidas da Irradiância Solar Total

A irradiância solar total (TSI) é definida como a energia emitida pelo Sol por unidade de área e recebida pela Terra. Durante muitos anos essa energia foi considerada constante, no entanto, hoje se sabe que há variações em diferentes escalas de tempo. A medição do valor absoluto da TSI precisar ser realizada em ambiente extraterrestre devido à influência da atmosfera na irradiância solar que atinge a superfície da Terra. Sendo a TSI uma variável imprescindível para quantificar a influência solar nas mudanças climáticas da Terra, a obtenção de medidas com a precisão e estabilidade necessária têm se demonstrado um grande desafio tecnológico. Nesse artigo é descrito o princípio de funcionamento e as particularidades dos radiômetros de substituição elétrica utilizados para medir a TSI no espaço.

Palavras-chave:
radiômetro de substituição elétrica; irradiância solar total; cavidade absorvedora

Autoria

Franciele Carlesso ^**Endereço de correspondência: fccarlesso@gmail.com.

Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Avenida dos Astronautas, 1758, São José dos Campos, SP, BrasilInstituto Nacional de Pesquisas EspaciaisBrasilSão José dos Campos, SP, BrasilInstituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Avenida dos Astronautas, 1758, São José dos Campos, SP, Brasil

https://orcid.org/0000-0002-9165-9489

Jenny Marcela Rodríguez Gómez

https://orcid.org/0000-0002-9860-5096

Luis Eduardo Antunes Vieira

Graziela da Silva Savonov

Luiz Angelo Berni

Lucas Lopes Costa

^*Endereço de correspondência: fccarlesso@gmail.com.

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Figura 1
Diagrama esquemático do balanço energético global média da Terra ^[5][5] M.L. Cain, B.D. Bowman e S.D. Hacker, Ecologia (Artmed Editora, Porto Alegre 2018), p. 691..

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Figura 2
Intensidade do fluxo radiante emitido pelo Sol. Comparação do espectro solar medido fora da atmosfera terrestre, irradiância solar padrão ao nível do mar, espectro de um corpo negro a 5.900K e identificação de regiões espectrais que ocorrem absorção molecular ^[7][7] F.J. Pozzoni, C.T. Pinto, R.A. Lamparelli, J.Z. Junior e M.A.H. Antunes, Calibração de sensores orbitais (Oficina de Textos, São Paulo, 2015), p. 96..

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Figura 3
Diagrama esquemático de um radiômetro de cavidade ativa. Fonte: Autores.

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Figura 4
Saída do detector com o obturador aberto (a) e fechado (f) de um radiômetro absoluto (A) e diferencial (offset) em resposta ao aquecimento devido a uma potência elétrica de valor conhecido (E₁) e a potência radiante desconhecida (R), adaptado de ^[22][22] F. Hengstberger, Absolute Radiometry: Electrically Calibrated Thermal Detectors of Optical Radiation (Academic Press, San Diego, 1989), p. 266..

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Figura 5
Medidas contínuas da TSI de aproximadamente 30 anos, adaptada de ^[25][25] G. Kopp, K. Heuerman, D. Harber e G. Drake, Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers 6677, 67709 (2007).

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Figura 6
Sobreposição temporal das medidas da TSI fornecidas por diferentes instrumentos, adaptada de ^[36][36] G. Kopp, Current SORCE & TCTE data plots, disponível em http://spot.colorado.edu/~koppg/TSI/#current_plots, acessado em 20/01/2018.
http://spot.colorado.edu/~koppg/TSI/#cur... .

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Figura 7
Geometria das cavidades absorvedores. A localização dos aquecedores elétricos é representada pela cor vermelha e os sensores de temperatura pela cor rosa. Modelo de cavidade do (A) ACRIM-III, (B) PMO6V, (C) e DIARAD (D) TIM, adaptada ^[20][20] C. Fröhlich, in: Observing Photons in Space: A Guide to Experimental Space Astronomy, editado por M.C.E. Huber, A. Pauluhn, J.L. Culhane, J.G. Timothy, K. Wilhelm e A. Zehnder (Springer, New York, 2013), 701 p..

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Figura 8
Configuração do TIM (A) e dos demais instrumentos (B). A abertura de precisão localizada na entrada do instrumento permite apenas a entrada da radiação a ser medida. Uma grande abertura na frente do instrumento permite a entrada de 2 a 3 vezes mais radiação solar que se pretenda medir, adaptada de ^[42][42] G. Kopp, A. Fehlmann, W. Finsterle, D. Harber, K. Heuerman e R. Willson, Metrologia 49, S29 (2012)..

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Figura 9
Configuração do instrumento TIM, adaptada de ^[43][43] G. Kopp, G. Lawrence e G. Rottman, SPIE Proc. 5171, 5171-4 (2004)..

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(1)

Figura 1 Diagrama esquemático do balanço energético global média da Terra ^[5][5] M.L. Cain, B.D. Bowman e S.D. Hacker, Ecologia (Artmed Editora, Porto Alegre 2018), p. 691..

Figura 2 Intensidade do fluxo radiante emitido pelo Sol. Comparação do espectro solar medido fora da atmosfera terrestre, irradiância solar padrão ao nível do mar, espectro de um corpo negro a 5.900K e identificação de regiões espectrais que ocorrem absorção molecular ^[7][7] F.J. Pozzoni, C.T. Pinto, R.A. Lamparelli, J.Z. Junior e M.A.H. Antunes, Calibração de sensores orbitais (Oficina de Textos, São Paulo, 2015), p. 96..

Figura 3 Diagrama esquemático de um radiômetro de cavidade ativa. Fonte: Autores.

Figura 4 Saída do detector com o obturador aberto (a) e fechado (f) de um radiômetro absoluto (A) e diferencial (offset) em resposta ao aquecimento devido a uma potência elétrica de valor conhecido (E₁) e a potência radiante desconhecida (R), adaptado de ^[22][22] F. Hengstberger, Absolute Radiometry: Electrically Calibrated Thermal Detectors of Optical Radiation (Academic Press, San Diego, 1989), p. 266..

Figura 5 Medidas contínuas da TSI de aproximadamente 30 anos, adaptada de ^[25][25] G. Kopp, K. Heuerman, D. Harber e G. Drake, Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers 6677, 67709 (2007).

Figura 6 Sobreposição temporal das medidas da TSI fornecidas por diferentes instrumentos, adaptada de ^[36][36] G. Kopp, Current SORCE & TCTE data plots, disponível em http://spot.colorado.edu/~koppg/TSI/#current_plots, acessado em 20/01/2018.
http://spot.colorado.edu/~koppg/TSI/#cur... .

Figura 7 Geometria das cavidades absorvedores. A localização dos aquecedores elétricos é representada pela cor vermelha e os sensores de temperatura pela cor rosa. Modelo de cavidade do (A) ACRIM-III, (B) PMO6V, (C) e DIARAD (D) TIM, adaptada ^[20][20] C. Fröhlich, in: Observing Photons in Space: A Guide to Experimental Space Astronomy, editado por M.C.E. Huber, A. Pauluhn, J.L. Culhane, J.G. Timothy, K. Wilhelm e A. Zehnder (Springer, New York, 2013), 701 p..

Figura 8 Configuração do TIM (A) e dos demais instrumentos (B). A abertura de precisão localizada na entrada do instrumento permite apenas a entrada da radiação a ser medida. Uma grande abertura na frente do instrumento permite a entrada de 2 a 3 vezes mais radiação solar que se pretenda medir, adaptada de ^[42][42] G. Kopp, A. Fehlmann, W. Finsterle, D. Harber, K. Heuerman e R. Willson, Metrologia 49, S29 (2012)..

Figura 9 Configuração do instrumento TIM, adaptada de ^[43][43] G. Kopp, G. Lawrence e G. Rottman, SPIE Proc. 5171, 5171-4 (2004)..

(1)

S = \frac{C}{A} (P_{f e c h a d o} - P_{a b e r t o})

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