La radiazione solare globale massima attesa a Milano

“Radiazione solare globale”?

Una delle grandezze maggiormente utili, e di difficile misura, in ambiente urbano è la “radiazione solare globale”. Vediamo, intanto, cos’è e come la si misura.

Per definizione, la radiazione solare “globale” è la parte di spettro solare che arriva in un punto del suolo.

La maggior parte di questa radiazione è costituita da luce visibile, ma non mancano importanti contributi nelle parti infrarossa ed ultravioletta.

La radiazione solare globale si misura con il piranometro, di cui vediamo un esemplare nella figura qui sotto.

Esempio di radiometro globale: il modello SPP (Standard Precision Pyranometer) di Eppley Laboratory Inc.

Radiazioni “diretta” e “diffusa”

Per come sono costruite le sue cupole, il pirometro “conteggia” la radiazione globale che gli arriva da tutte le parti.

Secondo le indicazioni del Rapporto no.8 WMO, il piranometro andrebbe posizionato in modo da non risentire di ombreggiature e riflessioni – ma di questo problema delicato vedremo più avanti.

In primissima approssimazione, di giorno ed a cielo sgombro, le cose vanno circa così:

 

Ciò che vede un piranometro: condizioni ottimali: radiazione diretta e diffusa

La radiazione “riflessa”

Quando le condizioni non sono ideali, e ci sono nubi nel cielo, tutto dipende da quante sono queste, e messe dove.

Se la copertura nuvolosa è totale, o comunque nella direzione del Sole, allora  la radiazione diretta è quasi del tutto interrotta, ed al suolo giunge un’enorme quantità di radiazione diffusa.

Se ci sono poche nubi nel cielo, e poste in modo da non interrompere l’arrivo della radiazione diretta, assistiamo alla comparsa di una riflessione: dalle nubi, verso il radiometro.

Ciò che vede un piranometro: condizioni non ottimali per la presenza di nubi nel cielo; radiazione diretta però non intercettata; compare una nuova quota riflessa dalle nubi

In casi come questo, la radiazione che giunge al suolo (e, quindi, la lettura del piranometro) è più alta di quella che sperimenteremmo a cielo sereno. La radiazione in più si manifesta nei dati istantanei, dove di solito è visibile per “picchi”, di durata proporzionale al tempo che la nube ha impiegato a sfilare nel cielo.

Vrbanitas…

Nei siti urbani, tutto è più complicato.

A quanto abbiamo già visto si sommano ombreggiature e riflessioni da parte degli edifici e degli altri manufatti urbani, oltre che dagli alberi (sperando ve ne siano), animali…

Ciò che vede un piranometro: caso urbano

“Ma la notte, no!”

Per noi, abitanti dei Paesi temperati, la “notte” è quella parte del giorno durante la quale “il Sole non c’è”.

Il passaggio tra dì e notte, in realtà, avviene in modo graduale attraverso fasi di crepuscolo più o meno avvertibili.

Indubbiamente, comunque, a cavallo della mezzanotte in condizioni naturali assisteremmo al “profondo della notte”. E lì, decisamente, il Sole nel cielo non si vede.

Ciò vuol forse dire che non c’è luce, di notte? No:

Sulla superficie della Terra il buio assoluto è un fenomeno rarissimo, praticamente inesistente. Anche nella notte più oscura c’è un certo chiarore, dovuto alla presenza delle stelle nel cielo, ed alla fosforescenza rilasciata, alla superficie, da un’infinità di creature. In casi particolari, poi, ci sono fonti artificiali (lampade, incendi, …) e naturali (vulcani in eruzione, …)

La radiazione solare globale massima al suolo di Milano (se Milano non esistesse…)

Con ciò che abbiamo visto, l’idea di stimare la radiazione globale massima al suolo sembra di una complessità non comune.

E pure, esistono numerosi modelli adatti allo scopo, più o meno sofisticati.

Un esempio è il modello ASCE, reperibile in [ASCE_2005] in due forme, una indicativa ed una maggiormente accurata.

Sono, questi, modelli “non rifrattivi”, che cioè non tengono conto della rifrazione esercitata dalla distribuzione verticale dell’atmosfera.

La loro applicazione permette di ottenere una stima, che dipende dal tempo e dalla posizione (in misura minore dalla pressione, temperatura ed umidità relativa).

Si tratta, appunto, di una stima, e non di una previsione. Si fonda infatti sull’ipotesi, molto aggressiva, che il cielo sia completamente sgombro da nubi e che non vi siano riflessioni.

Vale, inoltre, al livello del mare.

Ipotizzando una temperatura (all’incirca annua!) di 20 °C, un’umidità relativa “annua” del 70%, ed una pressione di 1013 hPa, se calcoliamo la stima della radiazione globale e ne prendiamo i valori massimi giornalieri, otteniamo questo grafico (per il 2019):

Andamento dei massimi giornalieri della radiazione globale che vi sarebbe in assenza di nubi e di riflessioni. La curva superiore è stata calcolata in atmosfera limpida, mentre la inferiore con una concentrazione di polveri rappresentativa del Nord Italia

La natura di stima fa sì che le due curve del grafico siano puramente indicative. E comunque, vediamo che a Milano, a inizio Maggio, non fossimo in ambiente urbano, in una bella giornata potremmo aspettarci tra circa 780 e 820 W/mq (molto probabilmente più vicino a 780 che ad 820 a causa della presenza pervasiva di polvere nell’atmosfera.

Una vera tecnica di validazione?

I modelli di radiazione, che tentano di riprodurre un fenomeno molto complicato riducendolo alla sola posizione del Sole in un’atmosfera standardizzata priva di nubi, danno inevitabilmente solo indicazioni di prima approssimazione.

Le figure all’inizio dell’articolo, che mostrano l’andamento in condizioni reali, indicano alcuni altri elementi che andrebbero considerati, nell’ipotesi di un modello maggiormente sofisticato, od anche soltanto al fine di validare le misure.

Quello della validazione delle misure radiometriche, comunque, è un problema, e di non poco conto. Il piranometro, alla fin fine, è composto da una schiera di termocoppie, sensori notoriamente delicati, affacciate a superfici di differente colore o tonalità.

Le caratteristiche di questi toni, o colori, possono cambiare nel tempo, e così le caratteristiche delle termocoppie e della catena di acquisizione. Quest’ultima è particolarmente a rischio, i segnali elettrici prodotti dal piranometro essendo molto piccoli (dell’ordine di 15 microvolt per Watt al metro quadro).

Molto difficile, quindi, che il coefficiente di risposta si possa considerare costante nel tempo. Per conoscerne il valore, occorre una opportuna procedura di calibrazione.

Ma, rispetto a che cosa? Ad un sensore in campo? Magari, per quanto di riferimento, mai calibrato da anni? Oppure…

Insomma: una brutta gatta da pelare – per la quale gli istituti meteorologici ed i centri di ricerca senza dubbio hanno definito procedure opportune (alcuni produttori, ad esempio Eppley, offrono servizi di calibrazione).

Di fronte a questa difficoltà di ordine pratico, mi chiedo, ha senso validare i dati di radiazione? Oppure, è più percorribile la via di compiere dei controlli di plausibilità più o meno approfonditi, ma indicativi?

Riferimenti

[ASCE_2005] R.G. Allen, I.A. Walter, R.L. Elliott, T.A. Howell, D. Itenfisu, M.E. Jensen, R.L. Snyder (eds),  The ASCE Standard Reference Evapotranspiration Equation, ASCE, ISBN 9780784408056

 

 

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