Cryogenic Solar Absolute Radiometer (CSAR)

• Forschungsstelle: METAS
• Projektnummer: 5116.09.FP.075
• Projekttitel Englisch: Cryogenic Solar Absolute Radiometer (CSAR)

Schlüsselwörter (Deutsch)

Totale solare Bestrahlungsstärke, Solarkonstante, kryogene Radiometer, optische Strahlungsmessung

Schlüsselwörter (Englisch)

Total solar irradiance, TSI, solar constant, cryogenic radiometer, optical radiation measurement

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die meisten dynamischen Prozesse in der Erdatmosphäre werden durch die Sonnenstrahlung bestimmt. Die totale solare Bestrahlungsstärke (englisch: total solar irradiance, [TSI]=W/m²) ist in diesem Zusammenhang die grundlegende Messgrösse. Trotz dieses fundamentalen Einflusses der Sonnenstrahlung auf das Klimasystem beziehen sich heutige Strahlungsmessungen nach wie vor auf eine 1977 eingeführte Konventionalreferenz, die sogenannte World Radiometric Reference (WRR), welche mit einer Absolutunsicherheit von 0.6% (k=2) behaftet ist. Die WRR ist definiert durch den Mittelwert von einer Gruppe von 6 Raumtemperatur-Pyrheliometer (World Standard Group, WSG). Sie wird betrieben durch das des World Radiation Center (WRC) des Physikalisch-Meteorlogischen Observatoriums in Davos (PMOD). Die Nachteile von einer Konventionalreferenz sind offensichtlich: Es ist schwierig die Langzeitstabilität der Skala zu garantieren. Auch ist die WRR nur indirekt ans SI rückverfolgbar.

Im Laborbereich werden kryogene Radiometer (Kryoradiometer) als Primärrealisierung eingesetzt. Sie arbeiten bei Temperaturen von einigen Kelvin und haben eine Absolutgenauigkeit von einigen Tausendstel Prozente (einige 10^-5). METAS betreibt seit rund 3 Jahren ein eigenes Kryoradiometer. Das Ziel des Projektes ist es ein neuartiges Kryoradiometer zu bauen, welches die integrierte Bestrahlungsstärke der Sonne über das gesamte Wellenlängenspektrum messen kann. Als Absolutgenauigkeit werden 0.01% angestrebt.

Das Projekt wird hauptsächlich durch das PMOD und das National Physical Laboratory, UK, durchgeführt. Ein Teil des Projektes wird durch den Schweizerischen Nationalfonds (SNSF Projekt 116090) finanziert. Zudem ist das Projekt Gegenstand einer EURAMET-Forschungszusammen­arbeit (Projekt 1048).

Teil METAS:  Fertigung der komplexen mechanischen Bauteile des Prototyps;  Bestimmung der Fläche der Eintrittsblenden mittels µCMM;  Optische Charakterisierungen des CSARs mit Hilfe der neuen durchstimmbaren Laserquelle (SYLAC) und Messvergleich mit METAS-Kryoradiometer.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Most of the dynamical processes of the earth atmosphere are driven by the optical radiation of the sun. The fundamental quantity in this context is the total solar irradiance TSI ([TSI] = W/m²). Despite of the fundamental importance of that quantity all measurements of TSI are traceable to a conventional reference (World Radiometric Reference, WRR) introduced in 1977. The WRR is maintained by group of 6 ambient temperature pyrheliometers (the World Standard Group, WSG) disclosing an absolute measurement uncertainty of 0.6 % (k = 2). The reference is operated by the Physikalisch-Meteorlogischen Observatoriums in Davos (PMOD). The disadvantages of a conventional reference are obvious: There is no guaranteed long term stability of the scale and the traceability to the SI is only possible indirectly.

In the field of classical (laboratory) radiometry the scale is realized by primary standards based on cryogenic radiometers. They are operated at a temperature of a few Kelvin’s and have an absolute measurement uncertainty of a few parts in 10^-5. The goal of the project is to realize a new type of cryogenic radiometer (“Cryogenic Solar Absolute Radiometer”, CSAR) measuring the total solar irradiance with an absolute uncertainty of 0.01%.

The project is mainly conducted by the PMOD and the National Physical Laboratory (NPL). A major fraction of the project is financed through the Swiss National Science Project (no 116090).

Work at METAS: Manufacturing of the complex mechanical parts of the prototype; Determination of the area of the precision input apertures; Optical characterization of the instrument using the tuneable laser facility and cryogenic radiometer of METAS.

Projektziele (Deutsch)

Ziel des Projektes ist ein neuartiges kryogenes Radiometer zu entwickeln und zu realisieren, welches die integrierte Bestrahlungsstärke (W/m²) der Sonne über das gesamte Wellenlängenspektrum messen kann. Als Absolutgenauigkeit werden 0.01% angestrebt. Mit diesem Messgerät soll am nächsten internationalen Pyrheliometer Vergleich (IPC-XI) (ursprünglich geplant für Oktober 2010) in Davos erfolgreich teilgenommen werden.

Projektziele (Englisch)

The goal of the project is to realize a new type of cryogenic radiometer. The radiometer should be able to measure the total solar irradiance (integrated over the whole optical wavelength spectrum) with an absolute uncertainty smaller than 0.01%. The instrument shall participate successfully at the next international comparison of pyrheliometers (IPC) in Davos, scheduled originally for October 2010.

Abstract (Englisch)

The aim of the project was to construct a cryogenic absolute radiometer which measures the total irradiance (W/m²) of the sun over the entire wavelength spectrum. With the absolute radiometer a significant reduction of the uncertainty to the current conventional reference (World Radiation Reference, WRR) at Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos PMOD/WRC was reached and an important contribution made to the long-term stability of the solar measurements, and finally to the climate research. The project was mainly carried out by the PMOD/WRC and National Physical Laboratory (NPL). The contribution of METAS was limited to selected areas such as the manufacture of mechanical parts of the prototype project and a comparison with the cryogenic radiometer METAS. The project is registered as EURAMET (http://www.euramet.org ) project No. 1048.

The most important uncertainty contributions where characterized prior the assembly of the device including the absorption of the cavity, electronic linearity, and window transmittance. Furthermore a laser power measurement comparison was carried successfully between CSAR and the cryogenic radiometer of METAS.

An important milestone in the project was the participation at the international comparison of pyroheliometer (IPC-XI) in September 2010. The device performed well “under sun". The signal to noise ratio was much smaller, and the reproducibility better than originally planned. So far, all observations strongly suggest that the CSAR is targeted to fulfill its original purpose. However, no definitive judgment of the scientific results from the IPC-XI is possible as not all test data are analyzed completely.

Furthermore a reduction in uncertainty is possible by additional characterizations of the device.

Umsetzung und Anwendungen (Englisch)

The project provides an important contribution to a current topic (climate, environment). Scientifically, the project will have a big impact: All radiation measurements in area of meteorology are currently supported on a conventional reference (comparable to prototype kilograms). CSAR represents an actual SI primary implementation responding the resolution 11 of the 23th General Conference on Weights and Measures.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

André Fehlmann, Wolfgang Finsterle, Werner Schmutz, Rainer Winkler, Nigel Fox, Eric Usadi, Peter Blattner, Monitor to determine the Integrated Transmittance (MITRA) of Windows, 10th International Conference on New Developments and Applications in Optical Radiometry, October 13-16, 2008, Daejeon, Korea, MO_P_13

Wolfgang Finsterle, Peter Blattner, André Fehlmann, Nigel Fox, Werner Schmutz, Eric Usadi, and Rainer Winkler, „The Cryogenic Solar Absolute Radiometer (CSAR) and the future of the World Radiometric Reference (WRR)”, 10th International Conference on New Developments and Applications in Optical Radiometry, October 13-16, 2008, Daejeon, Korea, TU_O_03

Rainer Winkler, Nigel Fox, Eric Usadi, André Fehlmann, Wolfgang Finsterle, Werner Schmutz, Peter Blattner, „Design of a new standard for ground-based and space-borne measurements of Total Solar Irradiance (TSI) and radiant power”, 10th International Conference on New Developments and Applications in Optical Radiometry, October 13-16, 2008, Daejeon, Korea, WE_P_22