Bolometro

VALUTAZIONI TERRESTRI DELLA COSTANTE SOLARE

COSTRUZIONE DI UN BOLOMETRO - ATTIVITA' DIDATTICA SVOLTA DA:
LIDIA NUVOLI E CRISTINA PALICI DI SUNI
Seminario Didattico Fisica Generale Torino

Scuola: Istituto Sociale Torino Corso Siracusa 10
Insegnante di Fisica prof. Stefano Berga
Classe 1 B Liceo Scientifico
Introduzione.
Scopo della nostra esperienza: valutare quale percentuale della costante solare viene assorbita dall'atmosfera. Dai testi di Scienze e di Fisica consultati sappiamo di poter considerare il Sole come un corpo nero che irraggia in modo uguale in tutte le direzioni. Gli scienziati hanno misurato con strumenti mandati fuori atmosfera quanta energia arriva per unità di tempo e di superficie, chiamando questo valore costante solare. Noi vogliamo sperimentare come questo valore cambia in funzione del diverso strato di atmosfera attraversato, delle ore di misurazione diverse nella giornata, dell'inquinamento atmosferico di una città come Torino.
Necessità di costruire un bolometro.
Si è trattato di misurare nelle varie condizioni, locali, stagionali e atmosferiche la quantità di energia primaria che arriva dal Sole fino a noi. Questo ha reso necessario la costruzione di un bolometro: un misuratore della quantità di “cibo” in arrivo minuto per minuto su una unità di superficie esposta alla radiazione.

Abbiamo messo a frutto le nostre conoscenze di calorimetria per misurare l'energia termica assorbita, attraverso una sua faccia, da una certa massa opportunamente annerita, attraverso un innalzamento della sua temperatura:

Q= m x cal.sp x diff. di temperatura
E = Q / superficie e tempo di esposizione

Per realizzare il progetto ci siamo avvalsi della collaborazione dell'Osservatorio di Torino nelle persone del dott. Alberto Cora e dott. Beppe Massone che ringraziamo molto. A loro abbiamo anche posto il problema della scelta del tipo di termometro da usare. Alla fine di una discussione sulla prontezza e sensibilità dei vari tipi di termometri abbiamo optato per l'uso del termometro a mercurio in dotazione nella scuola. Si sono così formati due gruppi che hanno realizzato due bolometri.
Costruzione dei bolometri.
Materiale occorrente:
dischetto di rame o alluminio annerito ,
cilindro di plastica chiuso da un tappo in polistirolo,
mirino per orientare il cilindro in direzione dei raggi solari,
sostegno con un goniometro per indicare l'angolo zenitale,
termometro fatto penetrare in una opportuna cavità del dischetto attraverso un foro laterale praticato nel tubo di plastica, un orologio con indicazione dei secondi.

Cal.spec.rame = 0,389 J/g °C
Massa dischetto rame: 72.2 + 0.1 gr
Diametro dischetto 40 +0,5 mm
Avvertenza: l'orientamento dello strumento si ottiene cercando sul piano del banco di fissaggio l'immagine del Sole, una piccola macchiolina luminosa, ottenuta puntando il mirino verso il Sole, ma guardando, per ovvi motivi di salvaguardia della vista, solo nella direzione opposta.
Dal Newsletter n.1 EAAE pagina 15 Luglio '95.
Misure effettuate e piano di lavoro.

I tempi scolastici e le condizioni climatiche ci hanno portato per ora a fare solo due giornate di misurazioni: una sabato 10 aprile e l'altra lunedì 12 aprile ( la prima con il cielo sereno e l'altra ahimè con il cielo piuttosto nuvoloso).
L'anno prossimo vogliamo vedere come varia l'assorbimento nello stesso posto a circa pari condizioni atmosferiche, andando dal solstizio invernale il 21 dicembre a quello estivo il 21 giugno, quando, diminuendo l'angolo zenitale, diminuisce lo strato di atmosfera attraversato dalla radiazione solare, portando la nostra vita quotidiana alle condizioni della stagione estiva.

Dati sperimentali dei gruppi di lavoro.
Come si vede dalle schede dei nostri lavori di gruppo i risultati sono stati i seguenti:
misura di sabato: E= 605 + 30 W/m2 con un errore del 5%
misura di lunedì E= 140 + 25 W/ m2 con un errore del 18%
Il calcolo dell'errore da noi eseguito prevede un errore di 0,1 su 7,2 gr per la misura della massa del dischetto; di 4 su 480 secondi per la misura del tempo; di 0,5 su 13 gradi Celsius per la differenza di temperatura e di 0,01 su 12,5 cm quadrati per l'area del dischetto. La temperatura è salita di 13° Celsius nelle due prove effettuate sabato a distanza di circa un'ora e mezza una dall'altra e di soli 3 gradi lunedì con il cielo coperto.
Dopo aver elaborato i dati sperimentali che ci hanno portato a valutare il calore che arriva dal Sole al suolo terrestre, abbiamo fatto il confronto con quella che viene indicata costante solare e misurata dagli esperti in 1400 W/m2 fuori della atmosfera.
Nella Newsletter della EAAE (vedi bibliografia) abbiamo trovato una tabella che dà vari valori del rapporto tra la costante solare misurata fuori della atmosfera e il suo valore a terra per diverse latitudini e per diverse condizioni di cielo. Essendo il nostro rilevamento a 45° N di latitudine, i dati di sabato danno per tale rapporto 2,3 che corrisponde ad un cielo mediamente azzurro e per quelli di lunedì il valore 10.
Quindi la nostra esperienza di lunedì con un cielo troppo coperto, non è confrontabile con altre.
Zenith         70d 60d 50d 40d 30d 25d
distance z     eg. eg. eg. eg. eg. eg.
Clear blue     2.5 2.0 1.7 1.5 1.3 1.3
sky            0     0    0    0    5     0
Average sky    4.2 3.5 2.6 2.1 1.8 1.6
Slightly       5.3 4.3 3.2 2.5 2.2 2.0
veiled

Conclusione.

L'esperienza è stata molto interessante. Dalle misure di sabato abbiamo ricavato che l'apparenza di cielo sereno e completamente azzurro nasconde in realtà un problema di assorbimento. Probabilmente si tratta di un problema di inquinamento atmosferico legato alle condizioni di un grande agglomerato urbano quale Torino.

L'interesse di questa nostra attività è stato sia per la costruzione artigianale dello strumento sia per le implicazioni teoriche che la costante solare offre.
Sappiamo infatti che conoscendo la distanza Terra-Sole e considerando che la nostra stella si comporti come un corpo che irraggia in tutte le direzioni allo stesso modo, attraverso la legge di Stefan-Boltzmann si può risalire alla temperatura della fotosfera solare.

                               E = s T4            dove s = 5.672 10 –8
W / m2 K4 .

Per quanto riguarda l'assorbimento dell'atmosfera e la sua influenza sulla vita quotidiana, a parte l'inquinamento e la nuvolosità del cielo, ci ripromettiamo di esaminare altri parametri che possono influire su questo assorbimento: ora della misura (9 del mattino e mezzodì solare), stagione dell'anno (dal solstizio di inverno verso quello estivo).
Vogliamo provare a vedere se si riesce a legare, con i nostri strumenti, l'inclinazione di circa 23° dell'asse terrestre sull'orbita con il diverso calore che mediamente ci arriva nelle diverse stagioni.
Infatti avendo verificato che con una variazione letta sul nostro goniometro di soli 7° non siamo riusciti ad apprezzare una variazione del rapporto       Dq/Dt , ci ripromettiamo di vedere se con esperienze ripetute alla stessa ora in giorni dell'anno completamente diversi, in condizioni il più possibile uguali di cielo, questo rapporto sia invece apprezzabile.
Bibliografia
Proceedings II EAAE International Summer School. Fregene luglio '98. Ed Istituto “Paolo Baffi” Fregene.
Newsletter EAAE n.1 luglio '95 pagina 15
M.Zemansky       Calore e Termodinamica                     Ed Zanichelli Bologna
Mc Laren Rotundo Scalmana.   La Terra La vita L'uomo     Ed La Scuola Brescia.