Hur mäts solskenstid?

Vi påverkas av vädret och då speciellt om det är solsken eller inte. Men vad är solskenstid egentligen? Hur mäts den och vilka problem finns det med mätningarna?

Intresset för solstrålning och dess betydelse för väder och klimat har funnits mycket länge. I slutet av 1800-talet blev det möjligt att mäta det vi kallar solskenstid med heliografer. I Sverige inleddes de första mätningarna med dessa instrument i början av 1900-talet. 

Med åren har ett antal olika instrument använts för att mäta solsken, och tekniken utvecklas ständigt. Men nog så viktigt som instrumentens funktionalitet är placeringen av dem. Solen bör inte vara skymd av till exempel hus, skog eller andra föremål.

Under årens lopp kan förändringar på mätplatsen ha skett, såsom att träd har vuxit upp eller huggits ner. Det händer att instrument byts ut eller flyttas, och de personer som har utvärderat registreringarna har skiftat. Allt detta medför att de längsta mätserierna sällan är homogena.

Antalet stationer har varierat, men över tiden har det funnits cirka 60 stationer med kortare eller längre mätserier. I januari 2013 hade SMHI 19 stationer som mätte solskenstid.

Definitioner

  • Solskenstid = den tid då den direkta solstrålningen är större än 120 W/m². Enheten är ofta timmar.
  • Astronomiskt möjlig solskenstid = tiden från soluppgång till solnedgång.
  • Terrestrisk möjlig solskenstid = tiden solen är över den lokala horisonten.
  • Uppmätt solskenstid = tiden uppmätt med instrument.
  • Relativ solskenstid = den uppmätta tiden dividerad med den astronomiskt eller terrestriskt möjliga.

Heliografen

Under senare delen av 1800-talet utvecklades de första solskenstidsmätarna, heliograferna, av Campbell och Stokes. I en hållare sitter en glaskula, som fungerar som ett brännglas. Ett tidsgraderat papper placeras i fokus för strålarna och när solen inte är dold bakom moln, bränns ett spår allteftersom solen rör sig över himlen.

I efterhand kan man utvärdera brännspårets längd och därmed se hur många timmar solen har lyst tillräckligt starkt för att bränna ett spår. I Sverige startade de första mätningarna med denna typ av instrument på Skansen i Stockholm år 1904.

Instrumentet av Campbell-Stokes typ hade inköpts redan 1882 och varit med på en expedition 1882-1883 till Spetsbergen. Heliografer finns fortfarande i bruk runt om i världen, även i Sverige.

Kring sekelskiftet 1900 utvecklades även några andra typer av solskenstidsmätare baserade på andra principer. De fick dock inte någon större spridning i Sverige.

Felkällor

Den uppmätta solskenstiden påverkas inte bara av att heliografer är olika känsliga utan också av papperskvalité, frost, fukt och utvärderingsmetod.

Utvärderingen av registreringen sker manuellt och anges med en upplösning i tiondels timmar. Speciellt med en snabbt skiftande molnhimmel blir brännspåret svårt att bedöma och resultatet kan bli lite olika beroende på den person som gör utvärderingen.

Standardisering

Under 1970- och 80-talet gjordes ett stort internationellt arbete för att göra olika solskenstidsmätningar jämförbara inbördes mellan olika fabrikat, men även med nya typer av instrument som började komma.

Den världsmeteorologiska organisationen, WMO, beslutade om en fysikaliskt baserad definition på solskenstid som den tid då den direkta solstrålningen är större än 120 W/m².

För att få en god överensstämmelse med äldre mätningar valdes just 120 W/m² baserat på den genomsnittliga känsligheten hos en typisk Campbell-Stokes heliograf.

Pyrheliometern

År 1983 utrustades tolv av SMHIs då omkring 20 heliografstationer med pyrheliometrar och solföljare. Med en pyrheliometer, ett instrument som hålls riktat mot solen med hjälp av solföljare, mäter man den direkta solstrålningen mot en yta orienterad vinkelrätt mot solen.

I praktiken är det ett rör vars öppning är skyddat av ett glasfönster och i andra änden sitter en detektor. Pyrheliometern är kalibrerad så att utsignalen direkt kan omvandlas till W/m² och därmed kan solskenstiden beräknas via nämnda definition. Solskenstiden kan därmed mätas mycket exakt och med hög upplösning i tiden.

Problem som dock kunde uppstå var att det kom smuts på fönstret eller att solföljningen inte var korrekt. På grund av kostnadsskäl (solföljare är dyra) och att tekniken föråldrats avvecklades under 2006 och 2007 flertalet pyrheliometrar. På dessa stationer introducerades nu solskenstidsgivare av kontrasttyp.

Kontrastgivaren

Kontrastgivare, fabrikat Kipp & Zonen CSD2. Två av de vita detektorerna syns. I toppen sitter en torkmedelspatron.

Den nya kontrastgivaren försöker att efterlikna WMO:s definition för solskenstid, men principen är lite annorlunda än för en solföljande pyrheliometer. Den typ av kontrastinstrument som används sedan 2008 har tre sensorer, som ser olika delar av himlen.

Instrumentet placeras med sin axel parallell med jordaxeln. Den sensor som sitter överst kan alltid utsättas för solens strålning om solen skiner och inte är dold. De övriga två är exponerade för solen bara om den står i sydost-nordvästlig riktning respektive nordost-sydvästlig.

Öppningarna exponerar dem för en tredjedel av den himmel som den övre sensorn ser. På bilden syns två av sensorerna (vita), nämligen den övre och den sydost-nordvästliga. Någon av de två undre är alltid skuggad om solen är framme.

Man registrerar skillnaden (kontrasten) i signal mellan den övre och den svagaste signalen multiplicerad med tre. När skillnaden når en viss nivå anses solskenstid råda. Denna typ av givare måste kalibreras mot en solföljande pyrheliometer.

Dess känslighet varierar dock med solens position och molnigheten. Noggrannheten hos en kontrastgivare är därför sämre än hos en pyrheliometer men den är bättre än för en heliograf.