NAGYFELBONTÁSÚ NAPSPEKTROFOTOMETRIA ÉS KESKENYSÁVÚ NAPSUGÁRZÁSMÉRÉSEK AZ ORSZÁGOS METEOROLÓGIAI SZOLGÁLATNÁL: UV SUGÁRZÁS, TELJES ÓZONTARTALOM, AEROSZOL OPTIKAI PARAMÉTEREK
Tóth Zoltán Országos Meteorológiai Szolgálat Légkörfizikai és Méréstechnikai Osztály Budapest, Gilice tér 39. 1181 E-mail:
[email protected]
A napsugárzás spektrális eloszlása a légkörön kívűl és a földfelszínen a 300 és 1100 nm-es hullámhosszok között
2.5
extraterresztriális spektrum
1.5
2
W/(m nm)
2
1
spektrum a földfelszínen
0.5 0 300
400
500
600
700
nm
800
900
1000
1100
1. A probléma fizikája
2. A mérés fizikai elve 3. Méréstechnika 4. Mérőberendezések az OMSZ-nál 5. WMO VI. Regionális Napsugárzási Központ, Budapest 6. Eredmények, nemzetközi együttműködések
Elektromágneses spektrum vagy színkép: Valamely elektromágneses sugárzás energiájának hullámhossz (frekvencia) szerinti felbontása Spektrofotometria: spektrálisan felbontott sugárzások meghatározása, mérése, így fontos része az atom- és molekulaspektrumok meghatározásának. Ha a vizsgált elektromágneses sugárzás forrása a Nap: napspektrofotometriának hívjuk
Wollaston (1802): finom sötét vonalak a Nap színképében Fraunhofer (1814): ezek hidegebb gázok abszorpciós vonalai Folytonos színkép, vonalas színkép Vonalak: atommag körüli elektronátmenetek Sávok: molekulák vibrációs és rotációs átmeneteiből származó vonalak összessége Részletes magyarázat: atomfizika > kvantumelektrodinamika
gamma: 0.01 nm alatt röntgen: 0.01 - 50 nm ultraibolya: 50 - 380 nm UV-C: 50 - 280 nm UV-B: 280 - 320 nm UV-A: 320 - 380 nm látható: 380 - 760 nm infravörös: 760 - 420 000 nm rádió: 420 000 nm fölött
- elmélet: monokromatikus mennyiségek (absztrakció, hiszen nulla szélességű energiaintervallumhoz nem tartozhat nullától különböző radiancia) - méréstechnika: kvázi-monokromatikus mennyiségek
Kvázi-monokromatikus intenzitás::
I q
I d
ahol: q Iλ : kvázi-monokromatikus intenzitás Iλ: elméleti monokromatikus intenzitás λ: a spektrális sáv centrumának hullámhossza Δ λ: a spektrális sáv félszélessége
Spektrális irradiancia mérésének célja lehet információt kapni: - a sugárforrásról (pl. Nap)magáról (pl. asztrofizika) - ismert emissziójú sugárforrás (pl. Nap)és a detektor közti térrészről (pl. légkörfizika) „spektrális”:
- szélesebb tartományok (NOAA látható: 100 nm, infravörös: 375 nm, csillagászati többszínfotometria: 30-40 nm) - kvázi-monokromatikus (1 - 5 nm) - vonal (0.01 - 0.001 nm, pl. Lα, Hα)
Sugárzásátvitel: fotonok kölcsönhatása közeggel Az s irányba haladó radiancia megváltozásával írható le. Sematikusan:
dI B (T ) F (s' ) a I s I ahol: dIλ: az s irányba haladó sugárzás radianciájának megváltozása ζελ : emissziós koefficiens Bλ(T): forrásfüggvény (gerjesztési élettartam, relaxációs idő) Fλ (s’): szórásfüggvény (megadja, hogy az s’ irányból érkező sugárzásból mekkora rész szóródik hozzá az s irányúhoz ζaλ : abszorpciós koefficiens ζsλ : szórási koefficiens Sugárzásátviteli egyenlet:
1 dI I B (T ) ds
Optikai mélység: Elektromágneses sugárzás gyengülése adott közegben - általános sugárzásátvitel speciális esete (Beer-Bougert-Lambert): dx vastagságú réteg esetén a λ hullámhosszúságú Iλ0 belépő monokromatikus irradiancia a dx út megtétele utáni -dIλ csökkenése arányos az Iλ0-lal és a dx-szel, tehát:
dI e I 0 dx dI e I 0 dx
ahol ζeλ extinkciós koefficiens csak a közeg anyagi minőségétől és a λ hullámhosszúságtól függ (ha a közegben az abszorpciós koefficiens ζaλ,, és a szórási koefficiens ζsλ, akkor: ζeλ = ζaλ+ ζsλ)
I I 0e e d ahol Iλ az irradiancia d út megtétele után
Optikai mélység: Ebből az extinkciós koefficiens:
e
1 I0 ln d I
Légkörre alkalmazva > optikai mélység: azt jellemzi, hogy λ hullámhosszúságú sugárzás milyen1 mértékben gyengül, ha I ln d I a világűrből a z magasságú pontba ( z ) jut, ( z ' )dz ' vagy a z magasságú pontból a világűrbe (földfelszíni napspektrofotométeres méréseknél így nyilván praktikusan z = 0). Ezért az optikai mélységet úgy definiáljuk, hogy az extinkciós együtthatót z magasságtól végtelenig integráljuk: 0
e
e
z
( z ) e ( z ' )dz ' z
Optikai mélység: Így kiszámítható minden adott λ hullámhosszra az adott komopnens abszorpciója és szórása miatti gyengítés mértéke, amelyet az optikai mélységgel adunk meg. λ hullámhosszon g1, g2, ...gn gáz is abszorbeál, összmennyiségeik: x1, x2, …xn > abszorpciós koefficienseik: ζaλ, (g1) ζaλ (g2),.... ζaλ (gn) kiszámíthatóak az abszorpció miatti optikai mélységeik: δaλ (g1) = xn ζaλ (g1), δaλ (g2) = xn ζaλ (g2), …. δaλ (gn) = xn ζaλ (gn) Az adott hullámhosszon a légkör teljes optikai mélysége: δλ = δaλ (g1) + δaλ (g2), …..+ δaλ (gn) + δAλ + δRλ ahol δa (λ ) az aeroszol optikai mélység, δR (λ ) pedig a Rayleighszórás (szóródás a légköri molekulákon) optikai mélysége
Légköri gáz légoszlopban lévő összmennyiségének (xg) meghatározása (Dobson módszere): Egyszerűsített sugárzásátviteli egyenlet megoldása egy adott λ hullámhosszon:
I I 0e
M ( ag ( ) x g A ( ) R ( ))
xg kifejezhető, de 1 egyenlet, 2 ismeretlen ismert: 1. extraterresztriális irradiancia, 2. irradiancia az észlelési pontban 3. gáz abszorpciós kofficiense 4. relatív optikai légtömeg 5. Rayleigh-szórás (légköri molekuláris szórás) optikai mélysége nem ismert: 1. gáz összmennyisége 2. aeroszol optikai mélység trükk: két különböző hullámhosszra kell fölírni
feltétel: a két hullámhossz essen olyan közel egymáshoz, hogy a (hullámhosszal lassan változó) aeroszol optikai mélység a két hullámhosszon csak elhanyagolható mértékben különbözzön célszerű: két vagy több hullámhossz-párt választani
OMSZ: ózon és kén-dioxid tartalom meghatározása
Optikai mélység: Ezek alapján az aeroszol optikai mélység:
I 0 ( ) P 1 A ( ) ln ( R ( ) O3 ( )) M I ( ) S P0 ahol: δA(λ): I0(λ): I(λ): S:
aeroszol optikai mélység extraterresztriális irradiancia közepes naptávolságnál I ( ) P 1 ( ) ln ( ( ) ( ) M I ( ) S P irradiancia az észlelési pontban a naptávolságra vonatkozó korrekciós faktor (a Föld mérési időpontban érvényes és közepes naptávolságának a hányadosát jelenti M: relatív optikai légtömeg δO3(λ): az ózon abszorpció optikai mélysége: δO3(λ) = xO3 αO3(λ) ahol: αO3(λ): ózon abszorpciós koefficiens, xO3: összózontartalom P, P0: aktuális nyomás és standard tengerfelszíni nyomás A
0
R
0
0
Hullámhossz exponens nem konkrét méreteloszlást ad meg, hanem a méreteloszlásra jellemző értéket Kétféleképpen definiálhatjuk:
2. Angström-formula:
A
A
Jellemző aeroszol spektrum (a LI-1800 méréseiből számítva) 0.8 0.7
aeroszol optikai mélység
1.
ln( A380 A500) ln(0.5 0.38)
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 300
400
500
600
700
800
hullám hossz (nm )
ln A ln ln Az illesztett görbe meredeksége lesz a hullámhossz exponens. α átlagos értéke 1.3, nagyobb értékei a kis részecskék relatíve nagyobb gyakoriságát jelentik az r > 0.5 μm átmérőjű nagy részecskékhez képest.
900
1000
1100
Spektrofotométer vázlatos felépítése:
Spektrofotométer vázlatos felépítése: 1..Bemeneti optika - egyszerű apertúra - koszinusz receptor (a beesési szög koszinuszának megfelelően szórja a különböző irányból érkező fotonokat az optikai rendszerbe (Lambert-féle koszinusz-törvény) 2. Előszűrő(kerék) - nem éppen a mért spektrumtartományba tartozó fotonok (straight light) kiszűrése - dark reading (sötétreferencia) - „előgyengítés”
Spektrofotométer vázlatos felépítése: 3. Monokromátor: a filterkerékről érkező polikromatikus sugárzást szűk hullámhosszokra osztja, azaz kvázi-monokromatikus sugárzássá alakítja (diffrakció) 1. belépőnyílás 2. (holografikus) optikai rács 3. kilépőnyílás (minél szűkebb a rés, annál nagyobb felbontás érhető el, viszont ezzel együtt csökken a detektort érő fotonok száma)
Spektrofotométer vázlatos felépítése: 4. Detektor a beérkező sugárzással arányos áramot produkál - fotoelektronsokszorozó (fotomultiplier) - gyenge jel estén (1012-szeres erősítés > jel-zaj viszony javítása - Si-dióda fontos paraméter: noise equivalent irradiance 4. Belső kompjuter 5. Vezérlő kompjuter
Kalibráció, visszakövethetőség (traceability) - abszolút kalibráció (Langley-módszer): sugárforrás: Nap 1500 m felett, egész nap stabilan teljesen tiszta égbolt - standard sugárforrások (National Bureau of Standards, vagy közvetlenül ott működtetett sugárforráshoz kalibrált sugárforrások), utazóstandardok - hullámhossz-szinkronizáció (látható, IR: kiválaszott hullámhosszhoz, UV: Hg emissziós vonala 302.2 nm) Időszakos rutinellenőrzések (speciális, spektrofotométer felépítésétől függő)
Brewer MKIII spektrofotométer (Budapest - 1998. 03) gyártó: SCI-TEC, inc., Saskatoon, Kanada
jelenleg az UV-tartományban a világon a leg jobb, kb. 180 db - UV mérési tartomány: 286.5 - 363 nm - felbontás: 0.5 nm; individuális sávok O3, SO2: 306.3, 310.1, 313.5, 316.8, 320.1. - hullámhossz stabilitás: 0.003 nm - teljesen automatikus üzemmód, automatikus napkövetés, mérési program tetszés szerint - mérési program: O3, SO2, fizikai és biológiai UV spektrumok
LI-1800 spektroradiométer (Budapest - 1995.06.)
gyártó: LI-COR, inc., Lincoln, USA - mérési tartomány: 300 - 1100 nm, - felbontás: 1 nm - hullámhossz stabilitás: 0.2 nm - spektrális globál irrad., spektrális direkt irrad. (> aeroszol optikai mélység)., PAR, spec. mérések pl. reflektancia stb.) - fál-automatikus üzemmód: csillagászati távcsőmechanika, óragép (reggel-este beés kikapcsolás) - mérés program: UV-A, látható- és közeli IR spektrumok (a spektrális irradianciákból a megfelelő hullámhosszokon aeroszol optikai mélység és hullámhossz exponens számítása)
NAGYPONTOSSÁGÚ NAPSOEKTROFOTOMETRIA: SZÁMÍTOTT FIZIKAI MENNYISÉGEK: 1. 2. 3. 4. 5.
Légoszlop teljes ózontartalma Légoszlop teljes kén-dioxid tartalma Aeroszol optikai mélység 9 látható hullámhosszon Aeroszol optikai mélység az UV-ben Hullámhossz exponens (vagy Ångström exponens) (a domináns részecskeméretet jellemzi 6. Számított aeroszol méreteloszlás a King módszer alkalmazásával (AOD spectrumok > aeroszol méreteloszlás) – nem operatív
Broad-band UV-Biométer (Budapest, Keszthely, Kékes, K-puszta, Siófok) 1994 -
- gyártó: Solar Light, inc. Philedelphia, USA - mérési sáv: 280 - 400 nm (integrált) - adatgyüjtőhöz ill. automata állomáshoz csatlakoztatva folyamatos üzemmód - mérési program: biológiailag effektív UV dózis
SP02 Napfotométer (Budapest, Kékestető), 2010 -
- speciális mérőeszköz az aeroszol optikai mélység meghatározására - gyártó: Midleton-Solar, Ausztrália - mérési hullámhosszok: 412, 500, 675, 862 nm - adatgyüjtőhöz ill. automata állomáshoz csatlakoztatva folyamatos üzemmód -mérési program: aeroszol optikai mélység
Kalibráció Brewer spektrofotométer: 2 évente az utazó világetalonhoz - párhuzamos mérések a különböző méréstípusokkal - laborellenőrzések (pl. Cd 9 emissziós vonalának reprodukálása, nagy teljesítményű standard lámpa nagypontosságú precíz referencia tápegységgel) havi rutintesztek - standard lámpa készlet (eltérés a referencia-spektrumtól)
napi automatikus rutintesztek optika, elektronika és mechanika ellenőrzése (pl. beépített standard lámpa, Hg-lámpa, fotoelektronsokszorozó deadtime-ja, nagyfeszültsége, mikrométer és slit mask motor pozíciói stb.)
Mérés pontossága akkora, amennyire a laboratóriumi standard sugárforrások pontosak (tápegység pontossága, stabilitása) - Detektor pontosságának ellenőrzése: standard lámpák
- Hullámhossz kiválasztás pontosságának ellenőrzése: higany-lámpák (milyen pontossággal találja meg a Hg emissziós vonalának vonalcentrumát kadmium-lámpák (milyen pontossággal reprodukálja az elméletileg atomfizikából számítható vonalalakot)
Kalibráció LI-1800 spektroradiométer: Hathavonta: optikai sugárzási kalibrátorral (két gyári munkastandardhoz hitelesített nagypontosságú kvarc-halogén sugárforrás) - 10 referencia spektrum felvétele (eltérés az eredeti gyári response function-től) Esetenként: abszolút kalibráció (Langley-módszer)
Kalibráció Broad band UV-Biométerek
4 hálózati detektor, 1 broad band referencia - sötétben tartva, csak kalibrációhoz elővéve) Broad band referencia kalibrálása a Brewer spektrofotométerhez, más detektor, de jóval nagyobb pontosság és hosszú távú stabilitás) párhuzamos mérések > szorzószám v. korrekciós faktor: C = IBBR/IBREWER hálózati detektorok kalibrálása a broad band referenciához párhuzamos mérések > szorzószám: C = IBB/IBBR - nyári időszak (nagy UV irradianciák) előtt és közben még egyszer- kétszer, ha szükséges)
Kalibráció SP02 Napfotométerek
- kalibráció: Langley módszer - ellenőrzés: LI-1800
WMO REGIONÁLIS NAPSUGÁRZÁSI KÖZPONT, BUDAPEST, WMO VI. Alaptevékenység: nemzetközi sugárzási skála (World Radiation Reference) reprezentálása, átadása Idővel szélesedő spektrumú tevékenység: különböző spektrális berendezések, keskenysávú sugárzásmérők kalibrálása
WMO REGIONÁLIS NAPSUGÁRZÁSI KÖZPONT, BUDAPEST, WMO VI. NAGYPONTOSSÁGÚ NAPSPEKTROFOTOMETRIA Kalibrálható mérőeszközök: - Spektrofotométerek - Spektroradiométerek - Filteres radiométerek - Napfotométerek - Broad band UV detektorok - Biológiailag effektív UV sugéárzást mérő broad band UV detektorok - Speciális spektrális mérőeszközök (PAR mérők, megvilágítás mérők, személyi UV doziméterek, különböző szűrők, biológiában használt speciális detektorok (pl. levél reflexióját és sug. áteresztését mérő eszközök stb.)
PÉLDÁK: PAR érzékelő kalibrálása
A LI-1800 spektroradiométr és a LI PAR mérő által mért PAR Sep 29, 2011 1600
9
1400
8
1200
7
4
600 LI-1800 LI-190SB
400
3 2
200
1
0
0
Oct 3, 2011
Time 1400
9 8
1200
7
1000
6
800 600 400
5 LI-1800 LI-190SB
4 3 2
200
1
0
0 Time
Voltage
PAR
PAR
5
800
Voltage
6
1000
PÉLDÁK: PAR érzékelő kalibrálása
A LI-1800 spektroradiméterrel mért és modellezett PAR Mért és modellezett PAR, 2011-10-03 1400,0
1200,0
1000,0
800,0 PAR_LI-1800 PARMOD_M<4 PARMOD_M<5
600,0
400,0
Mért és modellezett PAR, 2011-09-30
59
57
55
51
1400,0 49
1200,0
1000,0 PAR_LI-1800 PARMOD_M<4 PARMOD_M<5
800,0
600,0
400,0
43
41
39
37
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
3
200,0
1
47
45
43
41
39
37
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
15
13
9
11
7
5
3
1
0,0
53
200,0
PÉLDÁK: PAR mérő kalibrálása A kalibrációs faktor függése a relatív optikai légtömegtől a nappálya felszálló ágára (A), leszálló ágára (B) és együttesen (C) 180
175
A
170
B
170
165
160
160
150
155
140
150 145
130
140 1,5
120
2
2,5
3
3,5
4
1,5
4,5
2,5
175 170 165 160 155 150 145 140 135 130
C
1,5
2,5
3,5
4,5
3,5
4,5
PÉLDÁK: Broad band UV detektorok kalibrálása (fontos probléma!) Kaotikus helyzet: UV mérések „divatba jöttek”: sok különböző gyártó jelent meg az UV detektor piacon – UV mérésben és elméletben való jártasság nélkül Elrettentő példák: ugyanazt a fizikai mennyiséget mérő UV detektorok spektrális response-a számottevően különbözik, vagy – nem is hasonlít!!!
Important problem: calibration of broad band UV detectors
Spectral response of different type UV detectors: 1,2
relative sensitivity
1
0,8 LASTEM ERYTHEM
0,6
SKYE SOLAR LIGHT
0,4
0,2
0 290
wavelength (nm)
320
330
Fontos probléma: broad band UV detektorok kalibrálása Javaslat minden intézménynek agy nemzeti met. Szolgálatnak, ahol nincs még hosszútávú gyakorlat UV mérésben:
CSAK JÓL ISMET GYÁRTÓTÓL SZÁRMAZÓ BROAD BAND UV DETEKTORT HASZNÁLJ! (Solar Light, Kipp&Zonen, YES stb) - hosszú instrument history - gyengék (pl. műszerről műszerre változó hosszútávú stabilitás) jól ismertek - response nagyon közel van a CIEE szabványként elfogadott McKinlay-Diffey függvényhez)
A Magyar Vöröskereszt személyi UV dozimétereinek kalibrálása
A Magyar Vöröskereszt személyi UV dozimétereinek kalibrálása
SPECIÁLIS MÉRÉSEK:
-
Különböző speciális anyagok sug. transzmissziós jellemzői hosszú távú változásának meghatározása (mezőgazdasági fóliák, polikarbonátok (természetes világítású tetők), stb.) Sugárforrás: - Látható tartomány: LI-1800-02 Optical Calibrator (két a National Bureau of Standards referencia sugárforrásaihoz közvetlen traceabilityvel rendelkező standard lámpával - UV tartomány: A Brewer spektrofotométer 3 gyári standard lámpája (közvetlen traceability a NBS referencia sugárforrásaihoz)
Polikarbonát tetők és falak - Hosszú idejű használat utáni spektrális vagy széles tartományú sug. áteresztés változás (főleg UV) - UV szűrő anyagot tartalmazó polikarbonát minta hosszú távú UV expozíció hatására történő spektrális és széles tartományú UV transzmisszió változása
Polikarbonát: Exponálatlan minta transzmissziós spektruma
Polikarbonát: Hosszabb UV expozíció után mért tramszmissziós spektrum
JÖVŐ?
- Növekvő érdeklődés más tudományterületekről (növénybiológia, agrártudományok, daylighting stb.) - Lemodernebb méréstechnika - CCD-s diódasoros spektroradiométerek tesztelése előnyök: - nagy gyorsaság - nagy spektrális felbontás - nincs mozgórész (számos, a mérésbizonytalanságot növelő hibaforrás megszűnt) -De: sok probléma még megoldatlan, így a pontosság és megbízhatóság jelenleg számottevően alatta van a hagyományos monokromátoros spektrométereknek – fejlesztések nagy erővel (pl. World Radiation Centre, Davos, Svájc)
A teljes ózontartalom évi átlagainak eltérése a sokévi átlagtól Budapest fölött az 1969-2011 időszakra
6 4 2 0
%
1970
1975
1980
1985
1990
-2 -4 -6 -8 -10
év
1995
2000
2005
2010
A teljes ózontartalom nyári átlagos eltérései a sokévi átlagtól, Budpaest, 1970 - 2012
8,0
3,0
1969 -2,0
-7,0
-12,0
1974
1979
1984
1989
1994
1999
2004
2009
Havi ózon eltérések az adott hó sokévi átlagától, Budapest, 2007 - 2012
Brewer spektrofotométerrel mért UV spektrumok
12 biológiai spektrum
2
8 6
fizikai spektrum
4 2 0 286
324 nm
mW/(m2 nm)
mW/(m nm)
10
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 363
Radiation Amplification Factor (RAF): 1 % ózontartalom csökkenés hatására hány % a biológiailag effektív UV sugárzás növekedése Broad band RAF ~1.17 Spektrális RAF: Brewer spektrofotométeres mérésekből meghatározott spektrális RAF értékek függése a hullámhossztól 5 4.5 4
sepktrális RAF
3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 295
300
305
310 hullám hossz
315
320
325
A borúltság és a légkör UV-B áteresztésének kapcsolata napmagasság > 30°
A légkör UV-B áteresztése (felhőtlen égboltra = 1)
1 0,8 0,6 0,4
gyengítés áteresztés
0,2 0
0
50
100
%
A borultság és a légkör UV-B áteresztésének kapcsolata napmagasság < 30°
A légkör UV-B áteresztése (felhőtlen égboltra = 1)
Relationship between cloud coverage and UV transmittance of the atmosphere (Németh P., Tóth Z., Nagy Z., 1996)
1,2 1 0,8 0,6 gyengítés
0,4
áteresztés
0,2 0
0
50 %
100
A biológiailag effektív UV sugárzás évi összegeinek változása Magyarországon 1995 és 2011 között 3500
UV-B irradiancia
3000
2500 Budapest Kékestető Sármellék Kecskemét 2000
1500
1000 1996
1998
2000
2002
200 4
2006
2008
Növekedés: kb. 6 % 10 év alatt
2010
év
Az aeroszol optikai mélység átlagos évi menete Budapest, Marczell György Főobszervatórium 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
hónap
Az aeroszol optikai mélység évi átlagai 1967 és 2003 között Budapest, Marczell György Főobszervatórium 0.400 0.350 0.300 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050
19 67 19 69 19 71 19 73 19 75 19 77 19 79 19 81 19 83 19 85 19 87 19 89 19 91 19 93 19 95 19 97 19 99 20 01 20 03
0.000
év
Budapest, 1995-2003
A teljes ózontartalom változása évi átlagai 1995 és 2003 között 360 340
Ózontartalom
320
év
300 280 260 240 220 200
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
A légkör optikai mélységének évi átlagai, Budapest, 1995-2003 0.350
Optikai mélység
opt. mélység
0.300
0.250
0.200
0.150
0.100
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003 év
A biológiailag effektív UV sugárzás változása Budapesten 1995 és 2003 között 3000.0 2800.0
UV-B évi összegek,
UV-B irradiancia
2600.0 2400.0 2200.0 2000.0 1800.0 1600.0 1400.0 1200.0 1000.0 1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003 év
OMSZ, Marczell Görgy Főobsz.: δA500: 0.28 (belvárosi, ipari területek: > 0.3, háttér: < 0.2 α : 1.53 (átlag: 1.3) Köv: peremvárosi szituáció, az átlagnál kisebb részecskékkel
Aeroszol optikai m élység spektrum a LI-1800-zal m ért irradiancákból szám ítva
Jellemző aeroszol spektrum (a LI-1800 méréseiből számítva) 0.8
1.20000
1.00000
0.6
aeroszol optikai mélység
aeroszol optikai mélység
0.7
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 300
0.80000
0.60000
0.40000
0.20000 400
500
600
700 hullám hossz (nm )
800
900
1000
1100
0.00000 300
500
700
900 1100 hullám hossz (nm )
A szélessávú optikai mélység (látható - közeli infravörös) és az aeroszol optikai mélység közötti kapcsolat Abszorpciós sávok a spektrumban
Az 500 nm-es aeroszol optikai mélység és széles sávú optikai mélység kapcsolata
WROD
1.6
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4
0
0.2
0.4
0.6 AOD (500)
0.8
1
1.2
0.2 0
- számított aeroszol optikai mélység értékek előállítása szélessávú optikai mélység értékekből. - vizsgálat: 500 nm-re - eltérés fő okozói: vízgőz és ózon abszorpciós sávjai
A szélessávú optikai mélység (látható - közeli infravörös) és az aeroszol optikai mélység közötti kapcsolat
Parametrizáció:
A C0WR C1 X V C2 X O C3 3
ahol: δAλ : aeroszol optikai mélység a λ hullámhosszon δWR : szélessávú optikai mélység XV : összes kihullható víz (rádiószondás mérésekből) XO3 : a légoszlop teljes ózontartalma C0λ, C1λ , C2λ , C3λ : meghatározandó konstansok Számítás: 500 nm-re Eredmény: δAλ és δWR közötti korrelációs együttható kb. 30 %-kal növekedett
További fontosabb eredmények: - empirikus formula előállítás a megvilágítás és a globálsugárzás kapcsolatára (LI-1800) - ALADIN model sugárzási outputjainak verifikációja (LI-1800 + piranometria, pirheliometria, ill. az outputok jóságának vizsgálata a légkör szennyezettsége függvényében): - Suntest UV indikátor tesztelése - speciális UV-fénycső által kibocsátott sugárzás irányfüggésének vizsgálata - UV-védelem nélküli és UV-szűrő anyaggal ellátott mezőgazdasági fóliák spektrális áteresztésének, valamint az áteresztés természetes UV sugárzásnak való hosszú távú kitettség hatására történő változásának vizsgálata - AOD mérés bizonytalansága (folyamatban) - AOD hiba függése a napracélzás pontatlanságától függően
ALADIN sugárzási outputjainak verifikációja: Előrejelzett és mért direktsug. különbségének függése az 500 nm-es aeroszol optikai mélységtől Fig. 14.
Values of DIF_DIR at different aerosol optical depths
600
400
DIF_DIR
200
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
-200
-400
-600
aerosol optical depth for 500 nm
0.5
0.6
0.7
ALADIN sugárzási outputjainak verifikációja: Előrejelzett és mért diffúz sug. különbségének függése az 500 nm-es aeroszol optikai mélységtől Fig. 15. Values of DIF_DIF at different aerosol optical depths 300
200
DIF_DIF
100
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
-100
-200
-300
-400
aerosol optical depth for 500 nm
0.5
0.6
0.7
ALADIN sugárzási outputjainak verifikációja: Előrejelzett és mért globálsug. különbségének függése az 500 nm-es aeroszol optikai mélységtől Fig. 16. Values of DIF_GL at different aerosol optical depths 400
300
200
DIF_GL
100
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
-100
-200
-300
-400
-500
aerosol optical depth for 500 nm
0.5
0.6
0.7
A fóliák transzmissziós spektruma az UIV-B és UVA tartományon 2003. aug. 7-én
A fóliák eredeti (UV expozíció előtti) transzmissziós spektruma az UV-B és UV-A tartományon 90 80
80
70
transzmisszió (%)
70 kontrol
60
F5%
50
F20%
40
L5%
30
L20%
transzmisszió (%)
90
kontrol F5%
50
F20% 40
L5% L20%
30 20
20
10
10 0
60
286.5
311
329
0
363.5
286.5
90
80
80
70
70
60
kontrol F5%
50
F20% 40
L5% L20%
30
UV transzmisszió (%)
transzmisszió (%)
90
40 30 20 10
329
hullám hossz (nm )
363.5
kontrol F5% F20% L5% L20%
50
10 311
363.5
60
20
286.5
329
A különböző fóliák átlagos UV transzmissziójának változása a vizsgált időszak alatt
A fóliák transzmissziós spektruma az UV-B és UVA tartományon 2003. okt. 14-én
0
311 hullám hossz (nm )
hullám hossz (nm )
0
06.24.
07.02.
08.07.
09.18.
idő
10.14.
OMSZ Marczell Görgy Főobszervatórium.: δA500: 0.28 (belvárosi, ipari területek: > 0.3, háttér: < 0.2 α: 1.31 (átlagos helyzet: 1.3) Köv: peremvárosi szituáció átlagos részecskemérettel
Aeroszol optikai m élység spektrum a LI-1800-zal m ért irradiancákból szám ítva
Jellemző aeroszol spektrum (a LI-1800 méréseiből számítva) 0.8
1.20000
1.00000
0.6
aeroszol optikai mélység
aeroszol optikai mélység
0.7
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 300
0.80000
0.60000
0.40000
0.20000 400
500
600
700 hullám hossz (nm )
800
900
1000
1100
0.00000 300
500
700
900 1100 hullám hossz (nm )
Az 500 nm AOD és a hullámhossz exponens napi átlagértékeinek évi menete Budapesten 0,9
1,8
0,8
1,6
0,7
1,4
0,6
1,2
0,5
1
0,4
0,8
0,3
0,6
0,2
0,4
0,1
0,2
a z év na pjai AOD-500 napi átlaga
α napi átlaga
365
352
339
326
313
300
287
274
261
248
235
222
209
196
183
170
157
144
131
118
105
92
79
66
53
40
27
0 14
0
hullám hossz exponens napi átlaga
2
1
AOD napi átlaga 500 nm -en
1
hullámhossz exponens
A hullámhossz exponens függése az aeroszol optikai mélységtől 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0
0,2
0,4
0,6
AOD 500 nm-en
0,8
1
KAPCSOLAT A LÉGKÖR SPEKTRÁLIS SUGÁRZÁSÁTBOCSÁTÁSA ÉS AZ AEROSZOL MÉRETELOSZLÁSA KÖZÖTT KING-MÓDSZER: AOD-spektrumok aeroszol méreteloszlás 100
méreteloszlás
10 0.3483 0.745115 1.12639
1
1.51288 1.90249 0.1
0.01 0.1
1 részecskeméret (mikrométer)
Az aeroszol méreteloszlása átlagos hullámhossz exponens értékek esetén (b)
Az eroszol méreteloszlása magas hullámhossz exponens értékek esetén (c) 100
1,81786 1,84774 1,85151 1,89441
0,1
1,90249
db részecske / négyzetmikrométer
1,8098
1
10
1,29967 1,30047 1,30069
1
1,30097 1,30125 1,30136
0,1
0,01
0,01 0,1
1
0,1
1 részecskeméret (mikrométer)
részecskeméret (mikrométer)
Az aeroszol méreteloszlása alacsony hullámhossz exponens értékek esetén (a) 100 db részecske / négyzetmikrométer
db részecske / négyzetmikrométer
10
10
0,3483 0,35845 0,402866
1
0,416487 0,431148 0,49603
0,1
0,01 0,1
1 részecskeméret (mikrométer)
AOD összefüggése a HB makroszinoptikus helyzetekkel 0,9
AOD-500
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Hess-Brezowsky-féle kód
Kis AOD:
4 5 8 Nagy AOD: 22 26
(szögletszerű nyugati helyzet) (anticiklonáris délnyugati helyzet) (ciklonáris északnyugati helyzet) (Közép-Eur fölé kiterjeszkedő anticiklon, kp: Észak tenger) (anticiklonáris déli helyzet)
ALFA összefüggése a HB makroszinoptikus helyzetekkel 2 1,8 1,6 1,4
α
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Hess-Brezow sky-féle kód
Nagy ALFA: 14 (Közép-Eur felé kiterjeszkedő Északi-tengeri kp-ú anticiklon) 16 (Kp-jával a Brit szigetek fölötti anticiklon) 8 (ciklonáris északnyugati helyzet) ??? Kis ALFA: 22 (Közép-Eur fölé kiterjeszkedő anticiklon, kp: Észak tenger) Feltűnően nagy szórás: 4 (szögletszerű nyugati helyzet)
Spektrális diffúz-direkt arány hullámhossz függése különböző zenittávolság és egyszeres szórási albedo értékekre (AOD500 = 0,3) (D.G. Kaskaoutis (University of Ioannina), H.D. Kambezidis (National Observatory of Athens Solar Radiation Research Institute), Z. Tóth (OMSZ)):
3.0
3.0 SSA=0.6 SSA=0 SSA=1.0
2.5
AOD500=0.3, =1.3
1.5
Ed/Eb
Ed/Eb
1= 1=2.0
2.0
2.0
O
SZA=20
1.0
AOD500=0.3, SSA=0.9
1.5
SZA=60
1.0
O
0.5
0.5 0.0 0.3
1=0.4
2.5
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Wavelength, (m)
0.9
1.0
0.0 0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Wavelength, (m)
0.9
1.0
AZ UV TARTOMÁNY – MINT AZ VÁRHATÓ – EXTRÉMEN ÉRZÉKENY A SZENNYEZETTSÉG VÁLTOZÁSÁRA: SPEKTRÁLIS DIFFÚZ ÉS DIREKT SUG. ARÁNYA AZ UV-BEN TÖBBSZÖRÖSE A LÁTHATÓBAN MÉRTNEK (1.3 részecskeátmérő esetén: (D / I)300 nm / (D / I)500 nm = 8 0.6 részecskeátmérő esetén: (D / I)300 nm / (D / I)500 nm = 13)
A Rayleigh-atmoszféra optikai mélység spektruma
A Rayleigh-légkör optikai mélység spektruma 0,6
0,5
OD
0,4
0,3
0,2
0,1
0
36 38
412
45
50
61 hullámhossz (nm)
675
77
86
A Rayleigh-atmoszféra optikai mélység spektruma és egy extrémen tiszta légkör aeroszol optikai mélység spektruma (OMSZ, Marczell György Obszervatórium) A Rayleigh-légkör OD spektruma és egy budapesti extrémen tiszta légkör OD spektruma 0,6
0,5
OD
0,4
Rayleigh-légkör aeroszol
0,3
0,2
0,1
0
368 38
412
450
50
61 675 hullámhossz (nm)
778
862
A Rayleigh-atmoszféra OD, egy extrémen tiszta légkör OD, és a teljes OD (Rayleigh + aeroszol + ózon) Rayleigh-légkör OD, egy extémen tiszta budapesti légkör OD, és a teljes OD
0,6
0,5
0,4
OD
Rayleigh-légkör aeroszol teljes OD
0,3
0,2
0,1
0
368 380
412
450
500
610 675 hullámhossz (nm)
778
862
Hányszor nagyobb a légkör teljes optikai vastagsága a Rayleigh-atmoszféra optikai vastagságánál?
HH (nm) 368 380 412 450 500 610 675 778 862
Legtisztább 1,24 1,20 1,29 1,29 1,22 1,47 1,46 2,00 2,50
Legszenny. 3,1 3,36 4,18 5,19 6,64 10,92 14,07 20,18 26,23
FONTOSABB NEMZETKÖZI EGYÜTTMŰKÖDÉSEK: -Joint Research of UV-B (görög-lengyel-magyar-izlandi) - World Ozone and Ultraviolet Data Center - COST 713 („UV forecasting”) 1997-2001: UV előrejelzési módszerek európai harmonizációja - EU/FP5 „ICAROS-NET” (légkörben lévő aeroszol részecskefajták megállapítása műholdfelvételekből, real-time információ) - műholdas spektrométer validálása: ground truth szimultán mérések műholdas spektrométerekkel műholdátvonuláskor Athénban és Budapesten (2001 – 2005)
NEMZETKÖZI EGYÜTTMŰKÖDÉSEK: - COST726 (Long term changes and climatology of UV over Europe) – WG4: QA/QC Procedures 1. Practical Guide to Operating Broadband Instruments Measuring Erythemally Weighted Irradiance c. kiadvány elkészítése. Részletesen ismerteti a broadband UV detektorok és azokból álló mérőhálózatok működtetését 2. A WG4 a WMO Scientific Advisory Group for UV Measurements testülettel együtt a broadband UV mérésekre vonatkozó standard működtetési procedúra (SOP – Standard Operating Procedure) kifejlesztése. Erythemával súlyozott UV sugárzásméréseket végző nemzeti és regionális hálózatok működésének harmonizálása. 3. Broad band detektor kalibráció a WRC-ben, kalibrációs számítások
NEMZETKÖZI EGYÜTTMŰKÖDÉSEK: -EMRP SRT-ENV-09: Traceability for surface spectral solar ultraviolet radiation (koordinátor: World Radiation Centre, Davos, Svájc) 2011 fő cél: nagypontosságú gyors diódasoros spektrométerek fejlesztése
