Los Centros Radiométricos Mundiales, Regionales y Nacionales de la OMM, tienen la responsabilidad de calibrar los instrumentos radiométricos. Además, el Centro Radiométrico Mundial de Datos está encargado del mantenimiento de la referencia básica, o sea el Grupo Mundial de Normalización (GMN) de instrumentos, que se utiliza para establecer la Referencia Radiométrica Mundial (RRM). En el curso de las comparaciones internacionales, que se organizan cada cinco años, los instrumentos patrón de los centros regionales se comparan con el GMN, y sus factores de calibración se ajustan a la RRM. Éstos, a su vez, se utilizan para transferir la RRM periódicamente a los centros nacionales, que calibran los instrumentos de su red utilizando sus propios instrumentos de referencia.

DEFINICIÓN DE LA REFERENCIA RADIOMÉTRICA MUNDIAL (RRM)

En el pasado, se utilizaron en meteorología diversas referencias o escalas radiométricas, a saber: la Escala de Ángstrom de 1905, la Escala Smithsoniana de 1913 y la Escala Pirheliométrica Internacional de 1956 (IPS). Gracias al progreso alcanzado en el ámbito de la radiometría absoluta, se ha mejorado mucho la exactitud de las mediciones de la radiación. Los resultados de numerosas comparaciones efectuadas entre 15 pirheliómetros absolutos de 10 tipos diferentes sirvieron de base para definir una RRM. Las antiguas escalas pueden transformarse en la RRM utilizando los siguientes factores de conversión:

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Para verificar los criterios de estabilidad, los instrumentos del GMN se comparan entre sí al menos una vez al año. Estos instrumentos se encuentran en el Centro Radiométrico Mundial, en Davos (Suiza).

CÁLCULO DE LOS VALORES DE LA RRM

Para calibrar un instrumento radiométrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del GMN, o las de otro que se haya calibrado directamente con uno de los instrumentos del Grupo. En las comparaciones internacionales, el valor representativo de la RRM se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del GMN. Los valores de la RRM se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del GMN el factor de corrección que le fue asignado al ser incorporado al Grupo. Para formar parte de este grupo, un radiómetro debe cumplir los siguientes requisitos:

a) La estabilidad a largo plazo debe ser superior a ±0,2 por ciento del valor medido;

b) La exactitud y la precisión del instrumento deben situarse dentro de los límites de incertidumbre de la Referencia Radiométrica Mundial (± 0,3 por ciento);

c) El instrumento ha de ser de diseño distinto al de los otros instrumentos del Grupo Mundial de Normalización.

METODOLOGÍA EN LA CALIBRACIÓN DE RADIÓMETROS

Los radiómetros absolutos se autocalibran, es decir que la radiación que incide sobre el sensor se reemplaza por una corriente eléctrica que puede medirse con exactitud. Sin embargo, como la sustitución no puede ser absolutamente perfecta, la desviación con relación al caso ideal es la que determina el grado de incertidumbre de la medición de la radiación.

No obstante, la mayoría de los sensores empleados para medir la radiación no son absolutos y deben calibrarse con un instrumento absoluto. En ese caso, la exactitud del valor medido depende de los siguientes factores, que deben ser conocidos para un instrumento cuyas características técnicas estén bien establecidas:

1. La resolución, o sea la variación más pequeña de la magnitud de radiación que pueda detectar el instrumento;
2. Las desviaciones de la sensibilidad a largo plazo (es decir, la relación entre la señal eléctrica de salida y la irradiancia aplicada), por ejemplo, la máxima variación posible en un año;
3. Las variaciones de la sensibilidad debidas a alteraciones de variables ambientales como la temperatura, la humedad, la presión, el viento, etc.;
4. La no linealidad de la respuesta, es decir las variaciones en la sensibilidad relacionadas con las variaciones en la irradiancia;
5. La desviación de la respuesta espectral con respecto a un estado inicial, por ejemplo, el ennegrecimiento de la superficie receptora, el efecto de la ventana de abertura, etc.;
6. La desviación de la respuesta direccional con respecto a un valor esperado, es decir, respuesta cosenoidal y la respuesta azimutal;
7. El tiempo de respuesta del instrumento o del sistema de medición;
8. Las incertidumbres en el equipo auxiliar.

Los instrumentos de medida de radiación de primera y segunda clase (actinógrafos, pirheliómetros y píranómetros) se calibran con un patrón secundario, el radiómetro de cavidad absoluta. Los pirheliómetros de primera y segunda clase se deben calibrar, en teoría, cada uno o dos años, durante días muy claros y estables, y de preferencia en estaciones ubicadas a gran altitud.

En la calibración de sensores que miden la radiación directa y global, ya sea pirheliómetros, piranómetros o actinógrafos, se utiliza como referencia un pirheliómetro de Cavidad Absoluta de primer orden de precisión (ver Figura 6 Caracteristicas de la Radiacion Solar), con certificación del Centro Mundial de Referencia de Radiación Solar (WRR) de Davos Suiza y siguiendo las normas ISO. El país cuenta con dos pirheliómetros de este tipo, uno pertenece al IDEAM y el otro pertenece a la Fundación Universitaria Los Libertadores.

En agosto del 2013, se realizó en Cartagena la segunda jornada de calibración de piranómetros (ver Figura 1), evento que fue organizado por el IDEAM y la Fundación Universitaria Los Libertadores, gracias al apoyo económico de la UPME y contó con la participación de 25 técnicos de diferentes entidades que miden la radiación global en el país, como: Cenicaña, Cenicafé, CAR, Universidad Distrital, Universidad de Córdoba, Universidad del Tolima, la Fundación Universitaria Los Libertadores y el IDEAM. En este taller se calibraron algunos piranómetros del IDEAM, estos han servido como subpatrones para calibrar en terreno, los sensores de radiación global que el IDEAM ha instalado en su red de estaciones meteorológicas automáticas satelitales (EMAS).

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Calibración de piranómetros 

La calibración de un piranómetro consiste en determinar un factor K de calibración, que correlacione los datos de radiación solar que mide con los datos de la referencia mundial. El método de calibración se ajustó a las normas establecidas por la Organización Meteorológica Mundial (OMM) y puede llevarse a cabo de la siguiente forma:

- Por comparación con un pirheliómetro patrón (que mide solo la radiación directa) y el piranómetro que tiene un disco oscurecedor movible, de tal forma que el pirheliómetro patrón determina el haz solar directo y el piranómetro la radiación global y difusa en forma alternada, para después determinar la fracción directa.

- Por comparación con un piranómetro subpatrón que previamente haya sido calibrado con el pirhelióme­tro patrón.

En los dos casos los piranómetros deben ser calibrados en la posición normal de uso.

A. Calibración de Piranómetros utilizando un Pirheliómetro Patrón

El método de calibración de un Piranómetro utilizando un pirheliómetro como instrumento patrón (el cual solo mide la radiación solar directa que llega sobre una superficie normal al rayo solar), se basa en determinar la radiación solar que llega de forma perpendicular sobre el piranómetro y que se llama componente vertical de la radiación solar directa, cuyo valor es calculado por la expresión matemática  I_nsenh,  siendo I_n el valor de la radiación directa y senh corresponde a la altura del Sol sobre el horizonte al momento de la medida.

La radiación solar global (R_G) es determinada por la igualdad:

R_G = I_nsenh + R_d

R_d es la radiación que llega a la superficie terrestre después que ha sido difundida por la atmósfera en todas las direcciones y se denomina radiación difusa. Por lo tanto, para calibrar un piranómetro por este método, se realizan tres tipos de medidas: una para medir la radiación directa con el pirheliómetro y dos medidas consecutivas con el piranómetro cada 90 segundos, la primera con el piranómetro completamente libre de sombras y la segunda con un disco de sombra lo suficientemente pequeño que apenas sombree el tamaño del sensor del piranómetro y que va a corresponder a la radiación difusa, tal como se muestra en la Figura 2.

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En la Figura 3 se presenta la geometría de los rayos solares como llegan a los instrumentos de medida: la radiación directa I_n que llega al pirheliómetro y la componente vertical de la radiación directa que llega al piranómetro I_nsenh, sobre una superficie horizontal del horizonte geográfico del sitio de medida.

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Las unidades eléctricas comúnmente usadas cuando se trata de radiómetros son los voltios (V), milivoltios (mV) o microvoltios (µV) y las unidades de irradiancia que por sugerencia de la OMM se vienen empleando desde 1980, son los Watts por metro cuadrado (W/m²).

Después de realizar las tres mediciones, al valor en mV del piranómetro destapado, se le resta el valor medido del piranómetro sombreado; de esta forma la componente directa que recibe el piranómetro queda expresada como ¿mV. Finalmente se correlacionan los pares de valores I_nsenh con ¿mV, ajustando la recta que pase por el origen de tal forma que el valor de la pendiente es el "Factor o Constante de Calibración". La correlación de la Figura 4 corresponde a un piranómetro calibrado en el laboratorio radiométrico de la Fundación Universitaria Los Libertadores y que ha quedado como uno de los subpatrones para calibrar los piranómetros de la red del IDEAM donde están instalados

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Con la constante K (pendiente de la recta) se establece la siguiente igualdad matemática para calcular la radiación solar RG instantánea en W/m², en función de los mV medidos por el piranómetro, así:

RG (W/m²) = K * mV

Donde K es la pendiente (en este ejemplo K es igual a 112,25 y mV son los milivoltios que el piranómetro mide en ese instante o momento en particular).

B. Calibración de Piranómetros en terreno utilizando un Piranómetro subpatrón 

Un piranómetro que haya sido calibrado previamente con un pirheliómetro de Cavidad Absoluta, se denomina piranómetro subpatrón o patrón secundario y puede ser utilizado en la calibración de los piranómetros instalados en las estaciones de campo. Este método es el recomendado por la OMM para calibraciones en terreno, para evitar desmontar los instrumentos de sus estaciones y trasladarlos a los centros nacionales de calibración y de esta forma no se interrumpen las series de medidas que se están realizando.

En la calibración de los piranómetros de las estaciones de campo de la red del Ideam se procede de la siguiente forma:

1) En el laboratorio de Radiometría Solar de la Fundación Universitaria Los Libertadores, se calibró un Piranómetro Eppley espectral de precisión PSP con un pirheliómetro de cavidad absoluta PMO6 adquirido por la universidad al Centro Mundial de Radiación Solar de Davos Suiza en el año 2012 (el cual se volvió a enviar a dicho centro en el 2017 para su calibración).

2) El piranómetro calibrado queda como subpatrón, para ser desplazado a las estaciones de campo y calibrar en terreno el piranómetro allí instalado, en sus condiciones ambientales de funcionamiento.

3) Para el proceso de calibración se realizan medidas simultáneas de las potencias (en W/m²) entre el patrón y la lectura de la pantalla del logosens de la estación correspondiente. Después de un buen número de observaciones simultáneas, se grafican y se efectúa el ajuste lineal por el método de los mínimos cuadrados. La Figura 5 muestra la correlación entre las medidas simultáneas de una calibración realizadas en la estación del aeropuerto de Yopal en el año 2014.

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Calibración de Actinógrafos utilizando un Piranómetro subpatrón

A los Actinógrafos se les determina un factor K de calibración, para convertir las unidades de medida, que son centímetros cuadrados (cm²), correspondientes al área bajo la curva de las gráficas que se generan diariamente a Wh/m² por día.

La radiación solar global diaria (Q) se calcula determinando el área (A) registrada por el actinógrafo, que queda comprendida entre la curva obtenida durante el día y la línea de base determinada por la recta obtenida durante la noche (ver Figura 6). El área puede estimarse utilizando un planímetro o cualquier otro método que permita su correcta medición.

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Como la magnitud de la radiación incidente es proporcional al área bajo la curva, se tiene que:

Q = K x A          

Donde K es la constante del actinógrafo.

Para determinar esta constante de calibración (K), se efec­túan observaciones diarias entre el Actinógrafo a calibrar y un piranómetro calibrado como subpatrón.

Una vez obtenido un número suficientemente grande de obser­vaciones simultáneas, se correlacionan los pares de valores Q obtenido del piranómetro patrón y A de la gráfica, para determinar la constante K.

ANEXO

NOMENCLATURA DE LAS MAGNITUDES RADIOMÉTRICAS Y FOTOMÉTRICAS

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INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS PARA MEDIR LA RADIACIÓN

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