MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2011
IVA MERTOVÁ
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav agrosystémů a bioklimatologie
Analýza chodu UV-B a globální radiace na PPS Ţabčice v období 2007-2009 Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Petr Hlavinka, Ph.D.
Vypracovala: Iva Mertová
Brno 2011
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma Analýza chodu UV-B a globální radiace na PPS Ţabčice v období 2007-2009 vypracovala samostatně a pouţila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne ………………………………………. podpis ……………………….
Upřímné poděkování patří vedoucímu mé bakalářské práce Ing. Petru Hlavinkovi, Ph.D., který mne svým důsledným a velkorysým přístupem vedl během celého zpracování daného tématu. Byl mi fundovaným rádcem a ochotným pomocníkem. Svými názory a připomínkami dokázal citlivě projevit svou odbornost a pod jeho vedením se z běţné spolupráce stal pozitivní dialog.
ABSTRACT The analysis of operation of UV-B and global radiation in the Experimental field station in Ţabčice Between the period 2007 - 2009. Aim of this bachelor work was the analisys of UV-B and global radiation in the Experimental field station in Ţabčice (179 m asl, 49 ° 10' N, 16 ° 37' E) in the period 2007 - 2009. Due to an availability of datas has been work extended to 2010. At this station si UV-B monitored by UV-biometer Model 501 Version 3, which is a device of Solar light company Inc. The global radiation is measured here by pyranometer Kipp CM 6B, which was made by Kipp & Zonen company. The datas of measured UV-B and the global radiation from the station in Ţabčice were processed. Then were these datas addend with measured values of ozone. The values of ozone were obtained from the Solar and ozone observatory in Hradec Králové. The missing datas of UV-B were calculated with a model of UV-B radiation. The first model uses a global and extraterrestric radiation, ozone and altitude; the second one uses a global radiation in conjunction with KT index. Furthermore, an analysis of running of ozone the in period 2007 – 2009 was performed. Next evaluation was focused on the UV-B during the summer months of the years 2004 – 2010. The highest values of the average daily amount of global radiation were achieved in 2007 (12,58 MJ.m-2.day-1), the lowest in 2010 (11,82 MJ.m-2.day-1). The highest values of the average daily amount of UV-B were achieved in 2007 (1324,9 J.m-2.day-1), the lowest in 2010 (1057,2 J.m-2.day-1). The highest average ozone values were achieved in 2010 (349 D.U.). The highest values of UV-B radiation, in evaluating of the summer months, showed the month of July (up to 3200 J.m-2.day-1), at least UV-B was in August, when the average value does not exceed 2600 J.m-2.day-1.
KEY WORDS: UV-B radiation, global radiation, extraterrestric radiation, ozone
ABSTRAKT Analýza chodu UV-B a globální radiace na PPS Ţabčice v období 2007-2009 Cílem bakalářské práce byla analýza UV-B a globální radiace na Polní pokusné stanici Ţabčice (179 m n. m., 49°10´ N, 16°37´ E) v období 2007 aţ 2009. Vzhledem k dostupnosti dat byla práce rozšířena také o rok 2010. Na této stanici se UV-B monitoruje UV-biometrem Model 501 Verze 3, coţ je přístroj firmy Solar light company Inc. Globální radiace se zde měří pyranometrem Kipp CM 6B, který byl vyroben firmou Kipp & Zonen. Byla zpracována data naměřené UV-B a globální radiace ze stanice v Ţabčicích. Poté byla tato data doplněna o hodnoty naměřeného ozonu. Hodnoty ozonu byly získány ze Solární a ozonové observatoře v Hradci Králové. Chybějící data UV-B byly dopočteny pomocí modelu UV-B radiace. První model vyuţívá globální a extraterestrickou radiaci, ozon a nadmořskou výšku; druhý model vyuţívá globální radiaci ve spojení s KT indexem. Dále byla provedena analýza chodu ozonu v období 2007-2010. Další vyhodnocení bylo zaměřeno na UV-B letních měsíců roku 2004 aţ 2010. Nevyšších hodnot průměrné denní sumy globální radiace bylo dosaţeno v roce 2007 (12,58 MJ.m-2.den-1), nejniţších v roce 2010 (11,82 MJ.m-2.den-1). Nejvyšších hodnot průměrné denní sumy UV-B bylo dosaţeno v roce 2007 (1324,9 J.m-2.den-1), nejniţších poté v roce 2010 (1057,2 J.m-2.den-1). Nejvyšší průměrné hodnoty ozonu byly dosaţeny v roce 2010 (349 D.U.). Nejvyšší hodnoty UV-B záření, při hodnocení letních měsíců, vykazoval měsíc červenec (aţ 3200 J.m-2.den-1), oproti tomu, nejméně UV-B bylo v srpnu, kdy průměrná hodnota nepřesáhla 2600 J.m-2.den-1.
KLÍČOVÁ SLOVA: UV-B radiace, globální radiace, exktraterestriská radiace, ozon.
OBSAH: 1. ÚVOD .............................................................................................................10 2. LITERÁRNÍ PŘEHLED ..............................................................................11 2.1 Slunce a sluneční záření …...................................................................................11 2.2 Radiace ….........................................................................................................12 2.2.1 Dělení radiace dle vlnové délky …................................................................12 2.2.2 Dělení radiace dle schopnosti vnímání lidským okem …...................................13 2.3 Extraterestrická radiace …...................................................................................14 2.4 Globální radiace ….............................................................................................15 2.5 Ultrafialová radiace …........................................................................................16 2.5.1 Faktory ovlivňující UV radiaci ….................................................................16 2.5.2 Účinky UV-B radiace …..............................................................................17 2.5.2.1 Vliv UV-B záření na mořský plankton ………………………….........17 2.5.2.2 Vliv UV-B záření na vegetaci ……………………………………….18 2.5.2.3 Důsledky působení zvýšeného mnoţství UV-B na člověka ……………...19 2.5.3 UV-Index …..............................................................................................20 2.6 Charakteristika a vlastnosti ozonu ….....................................................................22 2.6.1 Látky poškozující ozonovou vrstvu …...........................................................22 2.6.2 Měření ozonu ….........................................................................................23
3. CÍLE PRÁCE …............................................................................................24 4. METODIKA …..............................................................................................25 4.1 Pouţitá data …...................................................................................................25 4.1.1 Měření globální radiace na PPS Ţabčice ….....................................................25 4.1.2 Měření UV-B radiace na PPS Ţabčice …........................................................25 4.1.3 Výpočet extraterestrické radiace …................................................................26 4.1.4 Databáze mnoţství stratosférického ozonu …..................................................26 4.2 Metody vyuţívající se pro odhad UV-B radiace …...................................................27 4.2.1 Metoda vyuţívající globální a extraterestrickou radiaci, stratosférický ozon a nadmořskou výšku …...............................................................................................27
4.2.2 Metoda vyuţívající KT index a globální radiaci ……………………………..28 4.2.3 Metoda vyuţívající globální radiaci ………………………………………...28 4.2.4 Výpočet globální radiace …………………………………………………..28 4.3 Stanovení závislosti denních sum UV-B radiace a globální radiace …………………29 4.4 Stanovení mnoţství UV-B radiace v letních měsících ……………………………..29
5 VÝSLEDKY …...…………………………………………………………....30 5.1. Vyhodnocení globální radiace a UV-B radiace na PPS Ţabčice ………………….....30 5.1.1 Vyhodnocení měření globální radiace na PPS Ţabčice v letech 2007-2010 ……..30 5.1.2 Vyhodnocení měření UV-B radiace na PPS Ţabčice v letech 2007-2010 ……….30 5.2 Vyhodnocení měření ozonu získaného z SOO Hradec Králové v letech 2007-2010 ......31 5.3 Stanovení závislosti mezi UV-B radiací a globální radiací v letech 2007-2010 ……....31 5.4 Vyhodnocení mnoţství UV-B radiace v letních měsících ………………………......33
6 DISKUSE …………………………………………………………………...36 7 ZÁVĚR ……………………………………………………………………...37 8 SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY ……………………………………..38 9 PŘÍLOHY …………………………………………………………………...40
1
ÚVOD Mezi významné globální problémy patří bezesporu poškozování ozonové vrstvy Země.
V důsledku sníţení stratosférického ozonu se zvyšuje mnoţství ultrafialového záření dopadajícího na zemský povrch (LIPPERT, 1995). Jednou z hlavních příčin úbytku ozonu je přítomnost sloučenin chlόru, brόmu a fluόru ve stratosféře. Tyto sloučeniny se dostávají do ovzduší převáţně v podobě freonů a halonů. Jedná se tedy o lidský faktor. Mezi další faktory ovlivňující mnoţství ozonu ve stratosféře lze řadit vulkanickou činnost či lety nadzvukových letadel, kdy se do ovzduší dostávají zplodiny spalování (KOZUBEK a KOZUBEK, 1993). Ultrafialové záření (UV) dopadající na zemský povrch je v malém mnoţství pro organismy ţádané. Biologicky nejaktivnější UV záření je určitě UV-B záření. Neţádoucí mnoţství UV-B vyvolává řadu poškození jako poškození nukleových kyselin a proteinů v buňkách, poškození zraku a kůţe. Také způsobuje vznik zhoubných melanomů (rakoviny). U rostlin jde převáţně o morfologické poškození či narušení fotosyntézy. Mezi pozitivní účinky UV-B patří zejména tvorba vitamínu D a produkce melaninů. (KOZUBEK a KOZUBEK, 1993). V České republice je sluneční záření monitorováno v rámci Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ). Jedná se o radiační síť, která se skládá z 16 stanic a je řízena ze Solární a ozonové observatoře (SOO) v Hradci Králové (www.chmi.cz). Cílem předkládané bakalářské práce je vyhodnotit chod UV-B a globální radiace, jejichţ údaje byly zaznamenávány na agroklimatické stanici v Ţabčicích (179 m n.m., 49°10' N, 16°37' E) pro období 2007 aţ 2009. Zpracovaná databáze se oproti původnímu plánu rozšířila o rok 2010. Chybějící hodnoty UV-B a globální radiace bylo třeba dle dostupných metod doplnit.
10
2
LITERÁRNÍ PŘEHLED
2.1
Slunce a sluneční záření Slunce je středně stará hvězda, leţící ve středu naší sluneční soustavy. Je tvořena ze 74 %
vodíkem, 23 % héliem a 3 % ostatních prvků. Průměr Slunce je 1 392 00 km, stáří 4,6 · 109 let, teplota v jádru Slunce je 5 - 16 mil. K, teplota na povrchu činí 5 700 - 6 000 K a zářivý výkon má v současné době rozmezí 3,35 - 4,1026 W.s-1 (ROŢNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 2000). Zdrojem energie slunečního záření je termonukleární přeměna vodíku na helium nazývaná proton- protonový cyklus, který probíhá při teplotách vyšších jak 107 K a uvolňuje 97 % z veškeré zářivé energie Slunce. Tok zářivé energie Slunce, dopadající kolmo na jednotku plochy horní hranice atmosféry Země za jednotku času při střední vzdálenosti Země od Slunce, se nazývá sluneční (solární) konstanta. Nepřesnější výpočet solární konstanty je 1 368,31 W.m-2 (ROŢNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 2000). Sluneční záření je rozhodujícím činitelem většiny atmosférických procesů, formuje globální klima, ovlivňuje ţivotní prostředí a je důleţitým obnovitelným energetickým zdrojem (TOLASZ a kol., 2007). Sluneční záření se měří radiometry, které se dělí na pyrheliometry, měřící přímé záření a na pyranometry pouţívané k měření globálního záření, rozptýleného (difúzního) záření nebo odraţeného záření zemským povrchem (TOLASZ a kol., 2007). Sluneční záření je téměř krátkovlnným zářením, tzn. ţe jeho vlny se pohybují v rozpětí 1000 aţ 4000 nm. Pouze 1 % slunečního záření patří do menších, či větších vlnových délek neţ je délka krátkovlnného záření. Procentuální sloţení slunečního záření je: Ultrafialové záření 7 % Viditelné záření 46 % Infračervené záření 47 %
(ŠPÁNIK a kol., 2004).
11
2.2
Radiace Radiací neboli zářením nazýváme šíření energií formou uspořádaného pohybu částic
v prostoru. Intenzita záření kaţdého tělesa ve vesmíru je závislá na teplotě tělesa. V meteorologii je hlavním předmětem studie záření ve formě elektromagnetického pole (vlnění), okrajově potom forma toků hmotných částic atmosférou (korpuskulární záření). Energie záření je přenášena elementárními kvanty energie (tzv. fotony). Fotony můţeme charakterizovat kvalitativně (převáţně vlnovou délkou, frekvencí, spektrálním sloţením) a kvantitativně (mnoţstvím kvant, intenzitou zářivého toku, sumou záření za čas apod.). Meteorologie studuje zejména přenos a přeměnu energie v soustavě Země - atmosféra. Fyzikální zákonitosti přenosu a přeměny energie jsou studovány pomocí tzv. černého tělesa, jehoţ vlastností je, ţe pohlcuje veškeré dopadající elektromagnetické záření. Jako kaţdé jiné těleso, i černé těleso při povrchové teplotě větší neţ je absolutní nula (- 273,16 °C), vyzařuje radiaci. Jako základní veličinu radiace pouţíváme intenzitu záření, to je mnoţství zářivé energie procházející za jednotku času jednotkou plochy (W.m-2) (ROŢNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 2000).
2.2.1
Dělení radiace dle vlnové délky
Radiaci můţeme rozdělit podle její vlnové délky na krátkovlnnou a dlouhovlnnou. Vlnová délka krátkovlnné radiace je v rozmezí 100 – 4000 nm. Kvalitativně se tato radiace dělí na tři formy záření: přímé, rozptylové a odraţené. Přímé záření je tok rovnoběţných slunečních paprsků dopadajícího na Zemi. Maxima tohoto záření se u nás dosahuje v poledních hodinách koncem jara. Rozptýlené záření, dříve označováno jako všesměrné, je takové záření, které na zemský povrch dopadá ze všech směrů. Intenzita záření roste s oblačností troj- aţ čtyřnásobně. Odraţené sluneční záření je část záření, která se odráţí od aktivního povrchu zpět do atmosféry. Intenzita odraţeného záření závisí na vlastnostech dopadajícího záření a na odrazivé schopnosti povrchu. Dlouhovlnné záření má vlnovou délku nad 4000 nm a dělí se na: vyzařování aktivního povrchu, zpětné záření atmosféry a odraţené dlouhovlnné záření. Vyzařování (emisivita) aktivního povrchu definujeme jako tok záření od aktivního povrchu (např. povrchem půdy). Vyzařování je závislé na teplotě aktivního povrchu a na jeho vyzařovacích schopnostech. Zpětné záření atmosféry představuje tok záření vyzařovaný jednotlivými sloţkami atmosféry. 12
Intenzita zpětného záření stoupá s klesající nadmořskou výškou a je výrazně ovlivňována oblačností. Odraţené dlouhovlnné záření je část odraţeného dopadajícího dlouhovlnného záření od povrchu zpět do atmosféry. Tento dlouhovlnný odraz je ve srovnání s krátkovlnným odrazem malý a jeho měření je takřka nemoţné (ROŢNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 2000).
2.2.2
Dělení radiace dle schopnosti vnímání lidským okem
Nejpouţívanější dělení radiace je podle vnímání zrakem. Z tohoto hlediska se radiace dělí na tři části: ultrafialové, viditelné a infračervené záření. Ultrafialové (UV) záření – Vlnová délka UV radiace je do 400 nm. Na horní hranici atmosféry tvoří 5 - 7 % sluneční radiace. Na zemský povrchu dopadá pouze asi 1 % UV. UV záření je pro lidské oko neviditelné. Způsobuje různá poškození ţivých organismů. Dle biologických vlivů se UV rozděluje do tří skupin: UV-A, UV-B a UV-C. V této práci je UV radiaci věnována samostatná kapitola. Viditelné (VIS) záření – Vlnová délka VIS je od 400 do 700 nm. VIS záření tvoří na horní hranici atmosféry asi 44 - 49 % sluneční radiace. Toto záření nazýváme světlo. Nejcitlivěji reaguje lidské oko na světlo v rozmezí 510 aţ 610 nm. Viditelné záření se skládá z jednotlivých monochromatických záření, která vnímáme jako barvy: fialová (400-430 nm), modrá (450-485 nm), zelená (515-520 nm). ţlutá (575-590), červená (620-700 nm). Infračervené (IR) záření – Vlnová délka IR je od 700 do 4000 nm. Představuje na horní hranici atmosféry asi 45-49 % energie záření dopadajícího na povrch Země. Pro lidské oko je IR záření stejně jako UV záření neviditelné. IR záření se dělí na IR-A (700-1400 nm), IR-B (1400-3000 nm) a IR-C (nad 3000 nm). IR-A má účinky na vegetaci, především na morfologii. IR-B a IR-C mají hlavně tepelný účinek (ROŢNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 2000).
13
2.3
Extraterestrická radiace Touto radiací je chápáno sluneční záření, které dopadá na horní hranici atmosféry, není
tedy atmosférou ovlivněno. Výpočet extraterestrické radiace je závislý na zeměpisné šířce, čase a datumu. Denní sumy lze vypočítat pomocí vztahu (1) (ALLEN a kol., 1998):
∙ Gse ∙ dr ∙ *ωs ∙ sin(φ) ∙ sin(δ) + cos(φ) ∙ cos(δ) ∙ sin(ωs)]
RA
kde
RA je denní suma extraterestrické radiace (MJ∙m-2∙den-1), Gsc je solární konstanta = 0,0820 MJ∙m-2∙den-1, dr je proměnlivá relativní vzdálenost Země-Slunce (-) dle vzorce, ωs je hodinový úhel zapadajícího slunce (rad) dle vzorce, φ je zeměpisná šířka (rad), δ je solární deklinace (rad) vypočtená dle rovnice.
dr = 1 + 0,033 cos (
δ = 0,409 sin (
kde
J)
J – 1,39)
J je pořadové číslo dne v roce.
ωs = arccos[– tg(φ) tg(δ)]
14
(1)
2.4
Globální radiace Jde o součet přímého (I') a difúzního (D) slunečního záření dopadajícího na vodorovnou
plochu. Přímé sluneční záření je tok rovnoběţných paprsků slunečního záření, který dopadá na zemský povrch. Na horách můţe jeho hodnota dosahovat aţ 1 100 W.m-2. Difúzní sluneční záření vzniká rozptylem, proto je nazýváno také jako záření rozptylové. Toto záření s oblačností roste aţ čtyřnásobně, ale zpravidla nepřesahuje 500 W.m-2. Hodnota globálního záření je závislá na výšce Slunce nad obzorem, na oblačnosti a znečistění atmosféry. Při jasné obloze je přímé záření nejvyšší, s oblačností jeho intenzita klesá. Při zcela zataţené obloze, před východem Slunce a po jeho západu je globální záření tvořeno pouze difúzním zářením. Nejniţších hodnot globální radiace se dosahuje v zimních měsících (listopad, prosinec, leden), nejvyšších v červnu kolem poledne, kdy měřené hodnoty mohou dosáhnout aţ 1 100 W.m-2. V případě výskytu oblaků s vysokou odrazivostí, mohou být uváděny hodnoty globální radiace aţ 1 367 W.m-2 (ROŢNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 2000).
15
2.5
Ultrafialová radiace Ultrafialové záření (od ulta-violet radiation) je část elektromagnetického vlnění
nacházející se mezi viditelným světlem a rentgenovým zářením. Vlnová délka UV radiace je v rozmezí 400 – 10 nm. Vzhledem k biologickým účinkům se UV radiace dělí na tři úseky dle vlnových délek a to na UV-A, UV-B a UV-C (LIPPERT, 1995). UV – A (300 - 400 nm) je nejméně pohlcováno ozonosférou. Při opalování, za společného působení UV-A a UV-B, dochází k tvorbě vitamínu D a také k hnědnutí pokoţky. UV – B (280 - 320 nm) částečně prochází ozonosférou. Oproti UV-A má silnější erytemální účinek (zčervenání pokoţky). K jeho účinkům patří i germicidní účinek (ničící mikroorganismy). V menším mnoţství přispívá k látkové přeměně. UV – C (180 - 280 nm) je zcela pohlcováno ozonosférou. V přízemní vrstvě atmosféry se nachází pouze z umělých zdrojů. Tato část UV radiace má škodlivé účinky na zrakové ústrojí (ROŢNOVSKÝ, HAVLÍČEK, 2000).
2.5.1
Faktory ovlivňující UV radiaci Intenzita UV záření je závislá na řadě faktorů jako jsou:
roční doba
meteorologické faktory
ozon
nadmořská výška
stav znečištění ovzduší
vulkanizmus
kouř
exhalace a aerosoly z průmyslu, dopravy apod. (LIPPERT, 1995).
16
2.5.2
Účinky UV-B radiace
2.5.2.1 Vliv UVB záření na mořský plankton Díky vědeckému zkoumání bylo zjištěno, ţe UV-B záření je pro mořské ţivočišstvo škodlivé. Nárůst UV-B záření způsobuje změny v mořských ekosystémech. Tyto změny mohou mít vliv na biologický proces ve všech trofických sférách a tím mohou významně změnit biochemické cykly, které ovlivňují globální klima. Přesný dopad UV-B záření na mořské ţivočišstvo je nejistý. UV-B je silně ovlivňováno hloubkou a biotickými a abiotickými komponenty vodního sloupce. Světelné klima v mořském prostředí je heterogenní. Na mnoţství dopadajícího světla na hladinu moře mají vliv změny v zeměpisné šířce, oblačnost, sezonní a denní výkyvy slunečního záření. Světelné klima v mořském prostředí můţe být ovlivněno vzájemným zastíněním fytoplanktonu, rozptylem a absorpcí částic a rozpuštěných materiálů, zpětnou odrazivostí z ledu, sněhu a mořské hladiny. Účinky záření jsou mnohem větší v krátkých vlnových délkách (tzn. pod 350 nm). Energie z UV-B záření je absorbována proteiny, včetně enzymů, DNA, RNA, nukleovými kyselinami, hormony, membránovými komponenty a fotosyntetickými pigmenty. Tím působí škodlivě na fotochemické reakce, které ovlivňují buněčné syntézy, strukturu, funkci, regulaci a replikaci buněk. Dokonce nízké toky nebo krátké expozice UV-B můţe v některých organismech vyvolat mutagenní a letální reakce. Kromě toho určité ţivotní fáze některých mořských ţivočichů mohou být zvláště citlivé na UV-B záření. Někteří ţivočichové jsou schopni určité adaptace či zmírnění dopadu zvýšeného UV-B záření. UV-B můţe také sníţit produkci fytoplanktonu, růst biomasy, druhovou rozmanitost a výţivovou hodnotu. Citlivost fytoplanktonu je dána také biotickými faktory ţivotního prostředí, jako je slanost a koncentrace ţivin. I malé sníţení produktivity fytoplanktonu můţe ovlivnit planktonní organismy a proces koloběhu uhlíku v mořském prostředí. Organismy jako jsou bakterie, korýši, ryby hrají zásadní ekologické a biochemické role v mořských vodách. Ukázalo se, ţe v místě UV-B záření se sníţila činnost bakterioplanktonu o 40 % v pobřeţních vodách mírného pásma. To sniţuje přeţití bakterií a bakteriálních spor, buněčnou výrobu a enzymatickou aktivitu. Nadále je však neznámo, do jaké míry
17
bakterioplankton bude schopen přeţít zvýšení UV-B. Téţ virová úmrtnost se v důsledku nárůstu UV-B záření zvyšuje, coţ můţe sníţit bakteriální mortalitu. Jakékoli zvýšení UV-B v povrchových vodách vede ke sníţení recyklace ţivin a rozkladu rozpuštěného organického uhlíku, který je jedním z největších rezervoárů uhlíku na Zemi. Změny bakterioplanktonní činnosti a fotolýzy v důsledku zvýšení UV-B toku můţe ovlivnit globální cyklus uhlíku a dostupnost ţivin fytoplanktonu. Rozsah těchto změn a jejich dopad je v současné době neznámý. Kromě toho není nic známo, i přes jejich důleţitou roli v dynamice uhlíku, o účincích UV-B na mikroheterotrofy. Informace o účincích UV-B na bakterie, viry a mikroheterotrofy jsou povaţovány za nezbytné. UV-B záření je také škodlivé pro rybí larvy, jikry, pro larvy i dospělce korýšů, včetně krevet a krabů. Mnozí z těchto organismů mají vajíčka a larvy, které se vyskytují v blízkosti povrchu moře, kde jsou vystaveny zvýšenému UV-B výsledkem poškozování ozonové vrstvy. Citlivost bezobratlých mořských ţivočichů na UV-B se druh od druhu značně liší. Úmrtnost těchto druhů závisí i na fyzikálních parametrech prostředí (př. jasné nebe) (DAVIDSON, 1997).
2.5.2.2 Účinky UV záření na vegetaci Účinky UV záření na rostliny byly poprvé zkoumány v roce 1911, kdy se ukázalo, ţe rostliny ozařované dlouhovlnným UV zářením hůře rostou. Vzhledem k tomu, ţe účinky UV záření závisí na přítomnosti denního světla, docházelo k pokusům v polních podmínkách s pouţitím umělého zdroje UV-B záření. Zjistilo se, ţe citlivost rostlin závisí na jejich druhu. Docházelo k růstovým změnám, měnil se vzhled a stavba rostlin a u některých rostlin docházelo i k poškozené reprodukci či zpomalení fotosyntézy. UV-B záření indukuje syntézu některých látek (flavonoidy, anthokyanidiny), které mohou poskytovat rostlinám ochranu před tímto zářením (KOZUBEK a KOZUBEK, 1993). Pokud se zaměříme na zemědělskou produkci, bylo zjištěno, ţe mezi nejcitlivější plodiny na UV-B záření patří okurky. Růst sazenic je silně ovlivněn uţ malými intenzitami UV-B záření. Plocha listů a výška rostlin se zmenšují, stejně tak i hmotnost a sušina (KOZUBEK a KOZUBEK, 1993). Působení UV-B záření na řepku olejnou ovlivňuje růst rostliny a její fyziologii. Sniţuje výšku stonku, plochu listu, také se sniţuje obsah sušiny a vosku. Podle výzkumu však UV-B nemá značný vliv na obsah kyseliny abscisové v plodině. Koncentrace chlorofylu a, karotenoidu a, flavonoidu a se s rostoucí intenzitou záření zvyšuje (SANGTARASH a kol., 2009). Jedna ze studií, zabývající se dopady UV-B záření na rostliny, 18
zkoumala, zda má záření vliv na činnost průduchů rýţe seté. Výsledek ukázal, ţe po dvou týdnech kdy byla plodina vystavena UVB záření, nevykazovala ţádné změny v hmotnosti ani stavbě, ale významně se sníţila hustota průduchů. Po čtyřech týdnech jiţ rostlina vykazovala změny v rozlohách listů a celkové hmotnosti a dále se významně sniţovala činnost průduchů (DAY a kol., 1995). Jak uvádí studie od KOZUBEK a KOZUBEK, je zřejmé, ţe zvýšená intenzita UV-B záření můţe mít negativní vliv na zemědělskou produkci. Na tento problém poukazují i další z uvedených studií.
2.5.2.3 Důsledky působení zvýšeného mnoţství UV-B záření na člověka Sluneční ultrafialové záření patří mezi významné faktory ţivotního prostředí ovlivňující zdraví člověka. Kromě příznivých účinku UV záření,jako je tvorba vitamínu D a adaptace na sluneční záření, můţe mít expozice UV také nepříznivé následky na zdraví lidí (SLEIFFERS a kol., 2002). Z hlediska zdraví člověka působí zvýšené mnoţství UV-B radiace negativně především na zrak a lidskou pokoţku. Působením UV-B radiace můţe dojít k urychlení vzniku očního zákalu, zvaném katarakta, který se vyvíjí v důsledku poškození buněk oka. UV-B záření proniká rohovkou a je absorbováno asi z 30 % nitrooční tekutinou a ze 70 % oční čočkou. Neproniká však hlouběji do oka a tím nepoškozuje zadní segment, zejména sítnici. Protoţe jde o dlouhodobé působení, rozsah poškození předního segmentu oka, zejména oční čočky, lze jen obtíţně určit (KOZUBEK a KOZUBEK, 1993). Rakovina kůţe je souhrnný pojem pro dvě různá rakovinová onemocnění. První forma je tzv. maligní (zhoubný) melanom, druhou formou je benigní (nezhoubný) nádor. Epidemiologickými studiemi a pokusy na zvířatech se prokázalo, ţe zvýšená expozice UV záření zvyšuje riziko vzniku nezhoubných nádorů a rovněţ ukazuje na podpůrný vliv při vzniku melanomu. Nezhoubné nádory jsou výrazně lépe léčitelné, lze je poměrně snadno operativně vyjmout a nedochází většinou k recidivitě (opakovanému onemocnění). Zhoubný melanom je jedním z nejnebezpečnějších rakovinových onemocnění vůbec. Projevuje se např. zvětšováním či zmenšováním drobné pigmentové skvrny. Později můţe dojít k mokvání postiţeného místa, nehojícímu se krvácení nebo vzniku vřídku. Zákeřnost melanomu spočívá v tom, ţe jeho buňky se záhy uvolňují z místa prvotního vzniku nádoru a jsou krví roznášena po celém těle, kde zakládají další rakovinová loţiska (metastázy). Melanonem více trpí lidé ţijící ve vyšších zeměpisných šířkách, tedy blíţe k pόlům. Studie ukazují, ţe vznik melanomu je velmi pravděpodobně spojen s UV zářením v dětství. Kůţe je nejcitlivější po narození,
19
s věkem citlivost klesá. Více jsou ohroţeni lidé s větším sklonem k úpalu (se světlejší pletí) a s větším mnoţstvím junkčních a atypických névů (pigmentových skvrn) (LIPPERT, 1995). UV záření má pravděpodobně příznivé účinky na některé koţní onemocnění (př. lupénka), na některé alergie a některé autoimunitní choroby jako je roztroušená skleróza. Na jedné straně bylo prokázáno, ţe UV-B hraje klíčovou roli v procesu karcinogeneze kůţe, na druhou stranu také UV-B expozice poškozuje odolnost vůči bakteriálním, virovým, parazitárním a plísňovým infekcím. Skutečné důsledky UV záření na infekční nemoci nejsou u člověka známé. Riziko dopadů UV na člověka bylo provedeno prostřednictvím extrapolace údajů získaných na zvířatech. Tento odhad uvádí, ţe UV dávky související s venkovní expozicí mohou narušit imunitní systém natolik, ţe dojde k narušení odolnosti organismu vůči infekcím. Nicméně očkování proti infekčním onemocněním vyvolává podobné imunitní reakce jako patogen a tím poskytuje příleţitost změřit UV radiaci na imunitní systém a odhad moţných důsledků (SLEIFFERS a kol., 2002).
2.5.3
UV-index
UV-index je nástrojem měření erytemového slunečního záření. Jde o mezinárodně uţívanou bezrozměrnou veličinu, jeţ je měřena na konkrétním místě a konkrétním čase. UVindex je určen k informování obyvatel o moţném negativní vlivu UV na lidský organismus, o maximálních hodnotách UV-indexu, o optimální době pobytu na slunci bez pouţití ochranných prostředků. Uvedené doby oslunění mohou být ovlivněny odrazem od povrchu (př. odraz sněhu zvyšuje intenzitu záření aţ o 60-80 %), tím se doba oslunění krátí (http://www.meteoshop.cz, ověřeno 2011). Hodnota UV-indexu je dána intenzitou dopadajícího UV záření. Při překročení hodnoty minimální erytemové dávky (1 MED), se v kůţi začne tvořit erytém a kůţe se opaluje. Existují čtyři koţní fototypy, které udávají způsob hnědnutí kůţe: Fototyp I. - vţdy rudne, nikdy nezhnědne Fototyp II. - obvykle rudne, málo hnědne Fototyp III. - vţdy hnědne, někdy rudne Fototyp IV. - vţdy hnědne, nikdy nerudne
20
Obr. 1: Dle koţních fototypů se doporučuje určité hodnoty slunečního ochraného faktoru pro první opalovaní (http://www.daylong.sk/czech/index_UV.html, ověřeno 2011):
V naší geografické oblasti se UV-index pohybuje v rozmezí od 0 do 9. Všebecně platí, ţe čím výše je Slunce nad obzorem (za jasného počasí), tím větší je UV-index (http://www.meteoshop.cz, ověřeno 2011).
21
2.6
Charakteristika a vlastnosti ozonu Ozon je modifikací kyslíku, jehoţ molekula je tvořena třemi atomy (O3). Za normálních
podmínek je ozon plynná látka o hustotě 1,65 kg/m3, která je poměrně málo rozpustná ve vodě. V přírodě vzniká ozon v ovzduší z dvouatomového kyslíku různými fotochemickými procesy, vlivem slunečního záření či při přirozených elektrických výbojích. Jen asi 10-6 aţ 10-5 objemových procent vzdušného obalu Země je tvořeno ozonem. Z toho asi 80-90 % ozonu se nachází ve stratosféře a zbývajících 10-20 % se nachází ve výškách do 10 km v atmosférické vrstvě zvané troposféra. I přes jeho nepatrnou koncentraci ve stratosféře (cca 10 ppm) chrání ţivou přírodu před škodlivým UV- zářením Slunce, převáţně před zářením o vlnových délkách 320 aţ 240 nm. Ozon nemá jen pozitivní účinky na ţivou hmotu. Jedná se o toxickou látku, která dráţdivě působí na oči a sliznici, při vdechnutí způsobuje krvácení z nosu, bronchitidu, plicní edém. Krajně škodlivá je i při působení na rostliny, u nichţ dochází k rozrušování chlorofylu (LIPPERT, 1995).
2.6.1
Látky poškozující ozonovou vrstvu
Látky poškozující ozonovou vrstvu lze většinou přiřadit mezi freony nebo halony. Freony jsou nízkomolekulární alifatické či cykloalifatické uhlovodíky, jejichţ atomy vodíku jsou nahrazeny atomy chlóru či fluóru. Pokud tyto látky obsahují brom, mluvíme o halonech. Freony tvoří bezbarvé snadno zkapalnitelné plyny. Jsou relativně málo toxické, vyznačují se nízkým bodem varu a nízkou viskozitou. Vzhledem k jejich dlouhé střední době ţivotnosti (pomalému odbourávání) dochází u nich vlivem atmosférického proudění k rovnoměrnému rozšíření v ovzduší po celé planetě. Dostávají se do stratosféry, kde se působením ultrafialového záření rozkládají. Vznikají sloučeniny chlóru a fluóru, které pak narušují ozonovou vrstvu. K rozkladu ozonu můţe přispět i vulkanická činnost, kdy částice ze sopečných výbuchů můţe urychlit přeměnu neškodných sloučenin chlóru na sloučeniny narušující ozon. Mezi méně významné plyny, narušující ozonovou vrstvu, řádíme oxidy dusíku (LIPPERT, 1995), (KOZUBEK a KOZUBEK, 1993).
22
2.6.2
Měření ozonu
Měření ozonu v globálním měřítku bylo započato v roce 1978 za pomoci druţic NIMBUS 7. Druţice má na palubě přístroj zvaný TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer), který slouţí k měření celkového mnoţství O3 v atmosféře. TOMS měří rozptyl slunečního záření v atmosféře v několika intervalech spektra. Mnoţství celkového ozonu se vyjadřuje v tzv. Dobsonových jednotkách (D. U. – Dobson unit). Jestliţe v určitých oblastech klesne ozon pod 225 D. U., hovoříme o tzv. ozonové díře (http://www.sci.muni.cz/~dobro/ozon_1.htm).
23
3
CÍLE PRÁCE
Hlavní cíle předkládané práce jsou:
Zpracování literárního přehledu o problematice měření UV-B radiace
Zpracování literárního přehledu o problematice měření globální radiace
Analýza databáze měřené UV-B a globální radiace na PPS Ţabčice v období 2007-2009
Pomocí dostupných metod doplnit chybějící hodnoty UV-B a globální radiace
24
4
METODIKA
4.1
Pouţitá data
4.1.1 Měření globální radiace na PPS Ţabčice Data, pouţitá v rámci této bakalářské práci, byla měřena na PPS (polní pokusné stanici) v obci Ţabičce (viz. Příloha A) (http://web2.mendelu.cz/af_217_multitext/meteo/zabcice/char.htm,
ověřeno
2011).
Tato
stanice (179 m n.m., 49°10' N, 16°37' E) je součástí Školního zemědělského podniku Mendelovy univerzity v Brně. Snímání globální radiace zde probíhá jiţ od roku 1994. Globální radiace je na PPS v Ţabčicích monitorována pomocí pyranometru Kipp CM 6B firmy Kipp & Zonen (viz. Příloha B). Tento pyranometr měří globální radiaci ve spektrálním rozsahu 300 – 2800 nm. Jeho výhodou je dlouhodobá citlivost čidla s odchylkou menší neţ 0,020 W ∙ m-2 (http://www.campbellsi.ca/Catalogue/CM6B.html, ověřeno 2011). V rámci bakalářské práce se vychází z měření globální radiace v období od 1.1.2007 do 31.12.2010. Do 28.1.2010 byla radiace snímána v 15-ti minutových krocích, od 29.1.2010 do 31.12.2010 ve 30-ti minutových krocích.
4.1.2 Měření UV-B radiace na PPS Ţabičce Agroklimatická stanice v Ţabčicích je vybavena UV-biometrem Model 501 Verze 3 (viz. Příloha C), který slouţí k monitorování UV-B radiace na stanici od roku 2001. Přístroj byl vyroben firmou Solar light Copany Inc. Díky regulaci vnitřní teploty zajisťuje UV-biometr 501 vyšší stupeň přesnosti snímání (http://www.solarlight.com/products/501.html, ověřeno 2011). Citlivost biometru ve srovnání s erytémovým akčním spektrem uvádí obr. 2. Čidlo biometru měří UV-B v jednotkách MED/HR (Minimum Erythemal Dose per Hour). Zarudnutí pokoţky po jedné hodině ozařování vyvolá jiţ 1 MED/HR. K přepočtu naměřené biologicky aktivní ultrafialové radiace z MED/HR na W.m-2 (pro 1 MED = 250 J.m-2 účinné dávky) byl pouţit vztah (2):
1 [MED/HR] = 0,06944 [W.m-2]
(2)
(http://meteo.lcd.lu/papers/calib/uvab.html, ověřeno 2011).
25
Obr. 2: Etytémové akční spektrum (1) ve srovnání se spektrální citlivostí UV-Biometru Model 501 (2) (http://www.photobiology.com/UVR98/wongrew/index.htm, ověřeno 2011).
Naměřená data UV-B záření byla získána opět z agroklimatické stanice v Ţabčicích. Bakalářská práce vychází z dat měřených v období od 1.1.2007 do 31.12.2011, které byly zaznamenány v 15-ti krocích a poté po 30-ti krocích. Ze vztahu, uvedeného výše (2), byly vypočteny denní sumy UV-B radiace (J.m-2.den-1).
4.1.3 Výpočet extraterestrické radiace Pro potřeby bakalářské práce byly denní sumy extraterestrické radiace vypočteny pomocí vztahu (1) (ALLEN a kol., 1998).
4.1.4 Databáze mnoţství stratosférického ozonu Denní hodnoty stratosférického ozonu (v jednotkách D. U. – Dopson unit) poskytla pro účely této bakalářské práce Solární a ozonová observatoř (SOO) v Hradci Králové (278 m n.m., 50,17° N, 15,83° E).
26
4.2
Metody vyuţívající se pro odhad UV-B radiace
4.2.1 Metoda vyuţívající globální a extraterestrickou radiaci, stratosférický ozon a nadmořskou výšku V rámci bakalářské práce byla pro odhad chybějících hodnot UV-B radiace ze dne 14.10., 19.10. a 26.10.2010 pouţita metoda vyuţívající globální a extraterestrickou radiaci, stratosférický ozon a nadmořskou výšku. Hodnoty globální radiace byly měřeny na stanici v Ţabčicích, extraterestrická radiace vypočtena pomocí vztahu (1) (ALLEN akol, 1998). Metoda vyuţívá mnoţství stratosférického ozonu, které bylo měřeno na SOO v Hradci Králové. Nadmořská výška stanice byla stanovena na 193 m n.m. Pro výpočet UV-B radiace byl pouţit vztah (3) (HLAVINKA a kol., 2007): UV-B = a + b ∙ RG ∙ RA + c ∙ RG ∙ Alt + d ∙ TO2 – e ∙ RG2 + f ∙ RG – g ∙ RG ∙ TO – h ∙ TO – i ∙ Alt2 + j ∙ RA ∙ Alt – k ∙ RA2 + l ∙ RA – m ∙ RA ∙ TO
kde
RG = globální radiace
(3)
(MJ.m-2.den-1)
RA = extraterestrická radiace
(MJ.m-2.den-1)
Alt = nadmořská výška
(m)
TO = celkový ozon
(D.U.)
a až m = empirické koeficienty a = 311,6368
h = 4,2594
b = 4,3597
i = 1,256 ∙ 10-5
c = 1,245 ∙ 10-2
j = 1,631 ∙ 10-3
d = 9,19086 ∙ 10-3
k = 0,6273
e = 1,2346
l = 47,0864
f = 99,75
m = 7,7833∙ 10-2
g = 0,316348h = 4,2594
27
4.2.2 Metoda vyuţívající KT index a globální radiaci Chybějící hodnoty UV-B radiace ze dne 28.1. a 29.1.2010 byly dopočteny pomocí KT indexu a globální radiace. Naměřené denní sumy radiace byly na stanici v Ţabčících rozděleny do skupin dle KT indexu. První skupinou byly dny, které měly KT index niţší neţ 0,3. Druhou skupinu tvořily dny s KT indexem v rozmezí 0,301 – 0,5. Třetí skupina byla tvořena dny s indexem vyšším neţ 0,501. Kaţdá z uvedených skupin měla stanovenou rovnici, pomocí nichţ byly spočteny sumy UV-B radiace (J.m-2.den-1). KT index vychází ze vztahu (4):
KT = RG/RA
kde
(4)
RG je globální radiace RA je extraterestrická radiace
pro 1. skupinu UV-B = 3,5641 ∙ RG2 + 106,31 · RG – 45,504 pro 2. skupinu UV-B = 2,335 ∙ RG2 + 96,882 · RG – 167,6 pro 3. skupinu UV-B = 2,2568 ∙ RG2 + 77,246 · RG – 266,98 (HLAVINKA a kol., 2005).
4.2.3 Metoda vyuţívající globální radiaci Jednou z moţných metod slouţících pro odhad UV-B záření je metoda, která vyuţívá globální radiaci měřenou na stanici v Ţabčících. Tato metoda vyuţívá rovnici (5), která byla stanovena přímo pro podmínky stanice: UV-B = 2,0119 ∙ RG2 + 73,824 · RG – 10,661
(J.m-2.den-1) (HLAVINKA a kol., 2005).
(5)
4.2.4 Výpočet globální radiace Pro chybějící hodnoty globální radiace ze dne 10.8.2007 byla na základě srovnávací studie (TRNKA a kol., 2005) pouţita metoda dle Hargreaves (HARGREAVES a kol., 1985). Tato metoda vyuţíva denní maximální a minimální teploty vzduchu. Je dána vztahem (6):
Q = Q0 ∙ Ah √
+ Bh
(6) 28
kde
Q = denní suma globální radiace
(MJ.m-2.den-1)
Q0 = denní suma extraterestrické radiace
4.3
(MJ.m-2.den-1)
Tmax = maximální denní teplota vzduchu
(°C)
Tmin = minimální denní teplota vzduchu
(°C)
Ah = empirická konstanta – pro Ţabčice rovna 0,16
(°C-0,5)
Bh = empirická konstanta – pro Ţabčice rovna -0,8
(MJ.m-2.den-1)
Stanovení závislosti denní sumy UV-B radiace a globální radiace Stanovení závislosti denních sum UV-B radiace na denních sumách globální radiace bylo
vyhodnoceno z hodnot měřených na stanici PPS Ţabčice a to pro rok 2007-2010. K vyhodnocení závislosti byl vyuţit program Microsoft Excel.
4.4
Stanovení mnoţství UV-B radiace v letních měsících V rámci bakalářské práce bylo provedeno hodnocení mnoţství UV-B radiace pro měsíc
červen, červenec a srpen v letech 2004-2010. Data z roku 2004-2006 vychází ze zpracování v rámci práce SAMLÍKOVÁ 2010. K výpočtu statistických parametrů a k tvorbě grafů byl opět vyuţit program Microsoft Excel.
29
5
VÝSLEDKY
5.1
Vyhodnocení globální radiace a UV-B radiace na PPS Ţabčice
5.1.1
Vyhodnocení měření globální radiace na PPS Ţabčice v letech 2007 aţ 2010
V rámci bakalářské práce se vycházelo z měření globální radiace na polní pokusné stanici v Ţabčicích. Do 28.1.2010 byla data zaznamenávána v 15-ti minutových krocích (W.m-2), od 29.1.2010 do 31.12.2010 ve 30-ti minutových krocích. Tyto naměřené hodnoty byly pro další účely vyhodnocení přepočteny na denní sumy globální radiace (MJ.m-2.den-1). Celkem bylo v databázi zahrnuto 1461 denních sum. Vzniklá databáze byla v rámci bakalářské práce vyhodnocena a statisticky popsána (viz. Tab. 1). Nejniţšího průměru globální radiace bylo dosaţeno v roce 2010 (11,82 MJ.m-2.den-1), nejvyššího v roce 2007 (12,58 MJ.m-2.den-1). Nejniţších denních sum globální radiace bylo dosaţeno 17.2.2008 (0,51 MJ.m-2.den-1). Nejvyšší hodnoty denních sum byly 13.6.2009 (31,7 MJ.m-2.den-1).
Tab. 1: Vyhodnocení databáze denních sum globální radiace na PPS Ţabčice v letech 2007 aţ 2010
Rok Počet prvků Průměr Medián Směr. odchylka Minimum Maximum Rozdíl max-min
Jednotka den MJ.m-2.den-1 MJ.m-2.den-1 MJ.m-2.den-1 MJ.m-2.den-1 MJ.m-2.den-1 MJ.m-2.den-1
2007 365 12,58 11,38 8,93 0,52 31,3 30,78
2008 366 11,87 10,05 8,39 0,51 30,63 30,12
2009 365 11,92 10,09 8,71 0,55 31,7 31,15
2010 365 11,82 9,93 8,26 1,09 31,68 30,59
5.1.2 Vyhodnocení měření UV-B radiace na PPS Ţabčice v letech 2007 aţ 2010 Pro vyhodnocení denních sum UV-B radiace byla vyuţita opět naměřená data ze stanice v Ţabčicích. Jednalo se taktéţ o 1461 dní (denních sum). Hodnoty denních sum UV-B radiace (J.m-2.den-1) byly následně vyhodnoceny a popsány (viz. Tab. 2). Databáze UV-B radiace byla poté zpracována pomocí Microsoft Excel i graficky (viz. Příloha D). Z grafu je patrný pokles intenzity UV-B, který můţe být způsoben vyšší oblačností, ale i zvýšením mnoţství ozonu ve stratosféře. Oproti roku 2007, kdy průměrná hodnota ozonu byla 331 D.U., stoupla hodnota ozonu v roce 2010 na 349 D.U. (viz. Tab. 3). 30
V roce 2007 bylo dosaţeno průměrné hodnoty UV-B 1324,9 J.m-2.den-1, v roce 2010 průměr UV-B záření klesl o 267,7 J.m-2.den-1 na hodnotu 1057,2 J.m-2.den-1. Minima denních sum UV-B bylo dosaţeno 29.12.2007, maxima 7.7.2007. Tab. 2: Vyhodnocení databáze denních sum UV-B radiace na PPS Ţabčice v letech 2007 aţ 2010
Rok Počet prvků Průměr Medián Směr. odchylka Minimum Maximum Rozdíl max-min
5.2
Jednotka den J.m-2.den-1 J.m-2.den-1 J.m-2.den-1 J.m-2.den-1 J.m-2.den-1 J.m-2.den-1
2007 365 1324,9 971,2 1181,5 28,7 4444,5 4415,8
2008 366 1261,1 839,7 1109,7 30,2 4257,5 4227,3
2009 365 1307,6 957,2 1167,6 32,0 4248,7 4216,7
2010 365 1057,2 746,7 946,7 44,0 3495,8 3451,8
Vyhodnocení ozonu získaného z SOO Hradec Králové v letech 2007 aţ 2010 Denní hodnoty stratosférického ozonu poskytla pro účely této bakalářské práce Solární a
ozonová observatoř (SOO) v Hradci Králové. Databáze byla vyhodnocena podobně jako data UV-B a globální radiace (viz. Tab. 3). Počet analyzovaných dní byl opět 1461. Nejvyšších průměrných hodnot ozonu bylo dosaţeno v roce 2010 (349 D.U.). Na základě dostupnosti potřebných dat ze Solární a ozonové observatoře v Hradci Králové byly hodnoty ozonu zpracovány i graficky (viz. Obr. 3) a to od roku 2004 do 2010. Chybějící hodnoty ozonu k určitému dni byly dopočteny jako průměr hodnot předchozího a následujícího dne. V případě většího počtu chybějících dat po sobě jdoucích dní, byly hodnoty získány pomocí grafu (viz. Příloha E) dlouhodobého průměru denního ozonu, který byl analyzován v rámci ČHMÚ (Českého hydrometeorologického ústavu) (http://www.chmi.cz/portal/dt?menu=JSPTabContainer/P10_0_Aktualni_situace/P10_1_ Pocasi/P10_1_1_Cesko/P10_1_1_11_Ozon_a_UV&last=false, ověřeno 2011). V rámci této bakalářské práce se jednalo o měsíc srpen 2005. V grafu (Obr. 4) jsou znázorněny směrodatné odchylky, poukazující na variabilitu denních sum (např. v roce 2006 směrodatná odchylka dosáhla 50 D.U.). Jak je z grafu patrno, variabilita denních sum ozonu se v období 2004-2010 značně neliší.
31
Tab. 3: Vyhodnocení ozonu z SOO Hradec Králové v letech 2007-2010 (v D.U. – Dobson unit)
Rok Počet prvků Průměr Medián Směr. odchylka Minimum Maximum Rozdíl max-min
Jednotka den Dobson unit Dobson unit Dobson unit Dobson unit Dobson unit Dobson unit
2007 365 331 328,1 39,9 233,8 519,1 285,3
2008 366 325,0 316,8 42,6 236,6 470,1 233,5
2009 365 335,2 330,1 40,4 250,7 444,4 193,7
2010 365 349,0 343,5 42,6 258,8 484,5 225,7
množství ozonu (Dobson unit)
Denní sumy ozonu pro období 2004-2010 500
400
300
200 1/1/yyyy 27/10/yyyy 23/8/yyyy 19/6/yyyy 15/4/yyyy
9/2/yyyy
5/12/yyyy 1/10/yyyy 28/7/yyyy
Obr. 3: Denní sumy ozonu pro období 2004-2010 (v D.U. – Dobson unit)
Průměrné roční sumy ozonu pro rok 2004-2010 ozon (Dobson unit)
405 355 305 255 205 2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
Rok
Obr. 4: Průměrné denní sumy ozonu pro období 2004-2010 (v D.U. – Dobson unit) (úsečky znázorňují ± hodnotu směrodatné odchylky)
32
5.3
Stanovení závislosti mezi UV-B radiací a globální radiací v letech 2007 aţ 2010 Závislost mezi UV-B zářením a globální radiací v období 2007 aţ 2010 je patrná z obr. 5.
Koeficient determinace (popisující úroveň vysvětlené variability) dosáhl hodnoty 0,9154. Tato hodnota ukazuje na poměrně vysokou (pozitivní) korelaci denních sum UV-B a globální radiace.
Vztah denních sum UV-B a globální radiace
UV-B radiace (J.m-2.den-1)
5000 4500
y = 1,6135x2 + 78,452x - 60,503 R² = 0,9154
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0
5
10
15
20
25
30
35
Globální radiace (MJ.m-2.den-1)
Obr. 5: Závislost denních sum UV-B (J.m-2.den-1) a globální radiace (MJ.m-2.den-1) měřených na stanici v Ţabčicích pro rok 2007 aţ 2010
5.4
Vyhodnocení mnoţství UV-B radiace v letních měsících V rámci bakalářské práce bylo provedeno detailní hodnocení mnoţství UV-B radiace pro
měsíc červen, červenec a srpen v letech 2004-2010. V grafech (Obr. 6, 7, 8) jsou znázorněny směrodatné odchylky, které poukazují na variabilitu naměřených dat (např. v červnu r. 2004 směrodatná odchylka dosáhla hodnoty 1000 J.m-2.den-1, v červnu roku 2007 hodnoty 500 J.m-2.den-1). Z grafů také vyplývá, ţe nejvyšší hodnoty UV-B záření vykazuje měsíc červenec (aţ 3200 J.m-2.den-1), oproti tomu, nejméně UV-B je v srpnu, kdy průměrná hodnota nepřesáhla 2600 J.m-2.den-1.
33
UV-B (J.m-2.den-1)
Červen 2004-2010 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
Rok
Obr. 6: Průměrné denní sumy UV-B (J.m-2.den-1) radiace za červen 2004-2010 (úsečky znázorňují ± hodnotu směrodatné odchylky)
UV-B (J.m-2.den-1)
Červenec 2004-2010 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
Rok
Obr. 7: Průměrné denní sumy UV-B (J.m-2.den-1) radiace za červenec 2004-2010 (úsečky znázorňují ± hodnotu směrodatné odchylky)
34
UV-B (J.m-2.den-1)
Srpen 2004-2010 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
Rok
Obr. 8: Průměrné denní sumy UV-B (J.m-2.den-1) radiace za srpen 2004-2010 (úsečky znázorňují ± hodnotu směrodatné odchylky)
35
6
DISKUSE Průměrné denní maximum globální radiace na PPS (polní pokusné stanici) v Ţabčicích
dosáhlo v období 2007-2010 hodnoty 31,7 MJ.m-2.den-1, to je o něco více neţ uvádí TOLASZ a kol. (2007). Denní maximum globální radiace dle TOLASZ a kol. (2007) je stanoveno na 30 MJ.m2.den-1. Dále byla hodnocena míra závislosti denních sum UV-B radiace na denních sumách globální radiace (v období 2007-2010), kdy koeficient determinace dosáhl hodnot 0,9154. Tato hodnota ukazuje na poměrně vysoko korelaci denních sum UV-B a globální radiace. Pro srovnání je moţno uvést koeficient determinace z období 26.4.2002-29.2.2004, kdy hodnota determinace vyšla 0,9446 (HLAVINKA, 2005). Z těchto výsledků je moţné odvodit, ţe denní sumy globální radiace by mohly slouţit k odhadu denních sum UV-B radiace. Z vyhodnocení databáze denních sum UV-B záření byl patrný pokles mnoţství UV-B ve sledovaném
období.
V roce
2007
byla
průměrná
hodnota
denních
sum
UV-B
1324,9 J.m-2.den-1, v roce 2010 klesla na 1057,2 J.m-2.den-1. Tento pokles UV-B radiace by mohl být způsoben zvýšením ozonu v atmosféře, kdy v roce 2010 dosáhl průměrné hodnoty 349 D.U. (Dobson unit) oproti roku 2007 (331 D.U.). V rámci bakalářské práce byly podrobněji vyhodnoceny data UV-B pro měsíce červen, červenec a srpen pro rok 2004 aţ 2010. Z hodnocení vyplynulo, ţe nejvyšší průměrnou hodnotu denních sum UV-B radiace vykazuje měsíc červenec (3200 J.m-2.den-1), oproti tomu nejmenších průměrných denních sum dosáhl měsíc srpen (2600 J.m-2.den-1).
36
7
ZÁVĚR V rámci překládané bakalářské práce bylo provedeno hodnocení UV-B a globální radiace,
měřené na polní pokusné stanici v Ţabčicích. Měření probíhalo v letech 2007 aţ 2010. K dané problematice byl také sepsán literární přehled. Na základě získaných databází byla odvozena závislost mezi UV-B a globální radiací. V rámci práce proběhlo i hodnocení ozonu získaného ze Solární a ozonové observatoře v Hradci Králové. Bylo provedeno i detailní hodnocení UV-B radiace pro měsíc červen, červenec a srpen v letech 2004-2010. Na základě výsledků, uvedených v této bakalářské práci, bylo odvozeno, ţe pokles intenzity UV-B můţe být způsoben nejen zvýšenou oblačností, ale i zvýšením mnoţství ozonu v atmosféře. Ze závislosti mezi globální radiací a UV-B zářením, uvedené v této práci, bylo odvozeno potencionální vyuţití denních sum globální radiace k odhadu denních sum UV-B záření.
37
8
SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY
ALLEN, R.G. – PEREIRA, L.S. – RAES, D. – SMITH, M., 1998. Crop evapotranspiration (guidelines for computing crop water requirements). FAO Irrigation and Drainage Peper No. 56, 300 s.
DAY, T.A. – RUHLAND, C.T. – GROBE, C.W. – WIONG, F., 1999. Growth and reproduction of Antarctic vascular plants in response to warming and UV radiation reductions in the field. Oecologia, 24-35 s.
DAVIDSON, A.T., 1997. The impact of UVB radiation on marine plankton. Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis, 119-129 s.
HAGREAVES, G.L. – HARGREAVES, G.H. – RILEY, P., 1985. Irrigation water requirement for the Senegal River Basin. J.Irrig. Drain. Eng. ASCE 111, 265-275 s.
HLAVINKA, P. a kol., 2005 (Hlavinka, P. – Trnka, M. – Ţalud, Z. – Eitzinger, J. – Weihs, P. – Simic, S.). Strana: Využití globální radiace ke stanovení UV-B záření. Transport vody, chemikálií a energie v systéme póda – rostlina – atmosféra. Bratislava: Ústav hydrologie SAV, 196-202 s.
HLAVINKA, P. – TRNKA, M. – SEMERÁDOVÁ, D. – ŢALUD, Z. – DUBROVSKÝ, M. – EITZINGER, J. – WEIHS, P. – SIMIC, S. – BLUMTHALER, M. – SCHREDER, J., 2007. Empirical model for estimating daily erythemal UV radiation in the Central European region. Meteorologische Zeitschrift, sv. 16, č. 2, 183-190 s.
KOZUBEK, S. – KOZUBEK, M. 1993. Ozónová díra – ohrožení pro lidstvo?. Biofyzikální ústav ČSAV Brno, 95 s.
LIPPERT, E. a kol., 1995. Ozonová vrstva Země. Vesmír a MŢP ČR, Praha, 160 s. 38
ROŢNOVSKÝ, J. – HAVLÍČEK, V., 2000. Bioklimatologie. Mendelova univerzita, Brno, 155 s.
SANGTARASH, M.H. – QADERI, M.M. – CHINNAPPA, C.C. – REID, D.M. 2009. Differential sensitivity of canola (Brassica Napus) seedlings to ultraviolet-B radiation, water stress and abscisic acid. Enviromental and Experimental Botany, 212-219 s.
SLEIJFFERS, A. – GARSSEN, J. – LOVEREN, H.V., 2002. Ultraviolet radiation, resistence to infectious disease and vaccination responses. Academic press, 111-121 s.
ŠPÁNIK, B. – ŠIŠKA, B. a kol., 2004. Biometeorológia. Nitra, 227 s.
TOLASZ, R. a kol., 2007. Atlas podnebí Česka. Český hydrometeorologický ústav, Praha, 240 s.
39
9
PŘÍLOHY
PŘÍLOHA A: Polní pokusná stanice v Ţabčících PŘÍLOHA B: Pyranometr Kipp CM 6B PŘÍLOHA C: UV-Biometr 501 PŘÍLOHA D: Denní sumy UV-B za období 2007-2010 PŘÍLOHA E: Dlouhodobý průměr denního ozonu
40
PŘÍLOHA A:
41
PŘÍLOHA B:
42
PŘÍLOHA C:
43
PŘÍLOHA D:
UV-B radiace (J.m-2.den-1)
Celková databáze UV-B pro období 2007 až 2010 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
44
PŘÍLOHA E:
45
46
47
