Tartalomjegyzék 1. Bevezetés 1 2. Tudományos el zmények Az atmoszférikus vízg z mérésének jelent sége Vízg z mérése légkö

Átírás

1

2 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés 1 2. Tudományos el zmények Az atmoszférikus vízg z mérésének jelent sége Vízg z mérése légköri kutatásokban In-situ mérések Légköri folyamatok kísérleti modellezése: az AIDA kamra Légköri vízg z mérésére használt mér eszközök Tükrös harmatpontmér k Lyman-α higrométerek (FISH, FLASH) LIDAR és DIAL mér rendszerek Szilárdtest szenzorok Optikai abszorpciós spektrométerek Vízg zmér rendszerek összehasonlítása Fotoakusztikus mér eszközök Lézerek: a fotoakusztikus rendszerek fényforrásai A fotoakusztikus mér kamra A fotoakusztika alkalmazási területei A diódalézeres fotoakusztikus mér berendezések fejlesztési lehet ségei i

3 Tudományos eredmények Mérési eszközök és módszerek A méréseimhez használt fotoakusztikus rendszer épít elemei A fotoakusztikus rendszerek kalibrálására szolgáló módszerek A lézer m ködési paraméterek optimalizálása A fotoakusztikus mér rendszer érzékenységének javítása Amplitúdó-modulált diódalézer fényforrású rendszer jellemzése A hullámhossz-moduláció hatása az érzékenységre Nyomáskövet hullámhossz-moduláció Hullámhossz-moduláció optimalizálása különböz nyomástartományokra Repül gépre telepíthet fotoakusztikus vízg zmér rendszer érzékenységének vizsgálata A fotoakusztikus rendszer érzékenységének növelését célzó kísérletek eredményeinek összefoglalása A rendszer mérési pontosságának fenntartása változó környezeti körülmények esetén A fotoakusztikus jel nyomásfüggésének gyelembe vétele A fotoakusztikus jel h mérsékletfüggésének gyelembe vétele Eljárás a fotoakusztikus kamra rezonancia-frekvencia változásának követésére Eljárás a diódalézer hullámhosszának stabilizálására fotoakusztikus mérésekhez A fotoakusztikus vízg zmér berendezések tesztelése légköri mérésekhez A fotoakusztikus rendszer érzékenysége és dinamikus mérési tartománya A fotoakusztikus rendszer válaszideje ii

4 Vízg z mérése atmoszférikus modellkísérletekben A mér berendezés szelektivitásának vizsgálata szimulált légköri mérésekben A repül gépre telepített fotoakusztikus mér rendszer Összefoglalás Summary 113 Köszönetnyilvánítás 118 iii

5 1. fejezet Bevezetés Az ENSZ 1992-ben a Rio de Janeiro-ban megtartott Környezet és Fejl dés elnevezés konferencián meghirdette az Agenda 21 nev programot a fenntartható fejl désért. A program a fejl dés minden területére kiterjed, különös tekintettel a környezetvédelem kérdéseire. Az Agenda fejezetében ajánlást fogalmaz meg olyan eljárások kidolgozására, melyekkel az atmoszférában található szennyez dések és az üvegházhatást el idéz gázok koncentrációját folyamatosan gyelemmel lehet kísérni, illetve a globális klímára veszélyes hatással lév kritikus mennyiségét meg lehet határozni. A légkör összetételér l az atmoszféra bonyolult szerkezete és hatalmas mérete miatt igen kevés információnk van. A jelenlegi atmoszféra-kutatások leginkább a fels troposzférikus és alsó sztratoszférikus rétegre irányulnak, ahol azok a legfontosabb zikai és kémiai folyamatok játszódnak le, melyek dönt en befolyásolják a légkör tisztulását és a Föld éghajlatát. Példaként említhet, hogy ebben a légrétegben találhatók az úgynevezett cirrus felh k, melyekben lejátszódó heterogén kémiai reakciók fontos szerepet játszanak az ózon lebontásában. A vízg z a légkör egyik legfontosabb összetev je. Nemcsak az üvegházhatásban és a felh képz désben játszott szerepe miatt van fontos hatással a globális klíma és a helyi id járás alakulására, hanem felel s például az egyes légrétegek közti h cseréjéért is. Ugyanakkor a vízg z nagy pontosságú mérése igen körülményes. Ugyan már a XVIII. században, amikor az id járás meggyelése és el rejelzése az érdekl dés középpontjába 1

6 került, készítettek a leveg páratartalmának meghatározására alkalmas berendezéseket, de a magasabb légköri tartományokban lév kis mennyiség vízg z kimutatása csak az utóbbi évtizedekben vált fontos kutatási témává, ezért általánosan elfogadott, megfelel en pontos és érzékeny vízg zmér rendszer még nem terjedt el a légkörkutatásban. A Szegedi Tudományegyetem Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékén 10 éve folynak kutatások vízg z mérésére alkalmas fotoakusztikus mér berendezés fejlesztésére. A fotoakusztikus mérési technika kutatása a múlt század 70-es, 80-as éveiben történt széles kör felhasználása után visszaesett, majd a diódalézerek elterjedésével vált ismét versenyképes eljárássá különböz gázok kis mennyiségeinek kimutatásához. A dolgozatomban bemutatott kutatások célja fotoakusztikus elven m köd vízg zmér rendszer alkalmassá tétele légköri körülmények közötti mérésekhez. Dolgozatom els részében a légköri vízg zkutatások során leggyakrabban használt mér m szerekr l adok összefoglaló áttekintést, majd a fotoakusztikus eektusról általában, és részletesebben a diódalézeren alapuló fotoakusztikus mér berendezésekr l írok. A tudományos eredményeimet leíró fejezet els részében a fotoakusztikus vízg zmér rendszer légköri mérésekhez szükséges érzékenységének elérését célzó munkámat mutatom be. A fejezet következ részében a fotoakusztikus rendszer mérési pontosságát növel eljárásokat és módszereket írom le. Ezen belül az atmoszférikus mérések során fellép nyomás- és h mérsékletváltozások hatásának kompenzálására, a lézer hullámhossz-stabilitásának javítására és a mér kamra rezonancia-frekvencia változásának követésére általam bevezetett eljárásokról adok áttekintést. Az utolsó részben a rendszer légköri kutatásokban való alkalmazhatóságát demonstrálom szimulált sztratoszférikus körülmények között, különös tekintettel az érzékenységre, a mérési tartományra, a válaszid re és a szelektivitásra. A dolgozatban leírt újeljárások alkalmazásával a fotoakusztikus rendszer alkalmassá vált gyorsan változó légköri körülmények közötti mérések végzésére, és egy, az Európai Únió által támogatott projekt keretében utasszállító repül gép fedélzetére telepítve végez méréseket 2004 decemberét l. 2

7 2. fejezet Tudományos el zmények 2.1. Az atmoszférikus vízg z mérésének jelent sége A látóhatár gyakran még a legver fényesebb napokon is párába vész, a messzi hegyek elmosódott körvonalúaknak és szürkésnek látszanak. A leveg átlátszóságát korlátozó anyag egy része por és más szennyez anyag, legnagyobb része azonban víz. Ha a leveg leh l, a vízg z parányi vízcseppek formájában kicsapódik. Ezek a cseppek alkotják a felh ket, a ködöt és a látóhatárt ködbe borító párát is. A felh - és ködképz dés tanulmányozásához a légkör vízg ztartalmának mérése kiemelt fontosságú feladat, ugyanakkor a vízg z fontos szerepet játszik nagyon sok más, a légkörben lejátszódó kémiai és zikai folyamatban is: a légkör tisztító mechanizmusaiban fontos szerepet játszó OHgyökök forrása [1], közrem ködik a fels és alsó légrétegek közti h cserében, emellett az üvegházhatásban nagy szerepet játszó gáz. [2]. A Föld légkörében a természetes és ipari kibocsátású nyomgázok f ként oxidáció útján bomlanak le. Az oxidáció általában szabad gyök reakciók láncolatán keresztül megy végbe [1]. A légkör legfontosabb oxidánsa az OH, ami leginkább az ózon fotolízisével keletkezik és nagyon sok atmoszférikus gázzal képes reakcióba lépni. Az OH hozzájárul a légkör öntisztulásához, a szennyez gázok lebomlását segíti. Az OH-gyökök a reakciók során nem bomlanak le és t nnek el, hanem a katalitikus ciklusok során újra keletkeznek. A nagy reakcióképesség és az aránylag magas koncentráció teszi az OH-t a légkör egyik legfontosabb reagensévé. 3

8 A troposzférában keletkez OH-gyökök keletkezési folyamatának alapja az ózon 340 nm hullámhossz alatti fotolízise, melynek során elektromosan gerjesztett oxigénatom keletkezik: O 3 + hν O 1 D + O 2 (2.1) Az O 1 D atomok egy része vízg zzel való reakció során hidroxil-gyököt képez: O 1 D + H 2 O OH + OH (2.2) Mivel a troposzférában a vízg z mindenütt jelen van, és a 2.2 reakció sebességi állandója nagy, az O 1 D atomok 10 %-a hidroxil-gyököt képez. Az OH-gyökök légköri tisztító mechanizmusai közül talán a legfontosabb folyamat a szén-monoxid oxidációja. Ennek során a mérgez CO-ból CO 2 keletkezik: CO + OH CO 2 + H (2.3) A keletkez atomi hidrogén O 2 -vel reagálva hiperoxidot (HO 2 ) képez, ami például nitrogén-oxid oxidációján keresztül visszaalakul OH-vá. Az el z höz hasonlóan fontos reakció a metán oxidációja, melynek során az OH felvesz egy hidrogén atomot és víz keletkezik[1]: CH 4 + OH CH 3 + H 2 O (2.4) A szerves vegyületek közül az alkánok és az izopropén is f ként az OH-val való reakció során bomlik le, akárcsak a légkörben lév szervetlen vegyületek. Az NO 2 és az SO 2 oxidációja során például savas molekulák salétromsav és kénsav keletkezik. Ez utóbbi kis g znyomása miatt könnyen adszorbeálódik az aeroszol részecskékre, és a jól ismert savas es k formájában jut vissza a földfelszínre. A vízg z fontos szerepet játszik a légköri energia-transzport folyamatokban is: az óceánok felszínér l elpárolog, energiát von el az óceánból, a felszálló meleg leveg pedig a magasabb légrétegekbe juttatja. Innen függélyes vagy a felszínnel párhuzamos 4

9 légáramlatok útján más, alacsonyabb h mérséklet légrétegekbe kerülve kicsapódik, ami energiafelszabadulással jár. Így a látens h szállításán keresztül a vízg z fontos szerepet játszik az egyes légrétegek közti energiacserében. Mint az egyik legfontosabb üvegházhatásért felel s gáz, a vízg z szerepet játszik a Föld sugárzási egyensúlyának biztosításában. A Föld felszínér l kibocsátott és a légkörb l ténylegesen kilép hosszúhullámú sugárzás intenzitás-különbségének vizsgálata azt mutatta, hogy szoros kapcsolat áll fenn a légkör vízg ztartalma és az üvegházhatás között [2]. Azokon a területeken, ahol az üvegházhatás nagyobb (ilyen például az Egyenlít környéke és az óceánok), nagyobb a légkörben található vízg z koncentrációja, míg azokon a területeken, ahol az üvegházhatás kisebb, mint a pólusok és a szárazföldek, a vízg z koncentrációja is kisebb. Ezek a meggyelések egybevágnak Arrhenius 1896-ban valamint Manabe és Wetherald 1967-ben közzétett elméletével, mely a vízg z pozitív visszacsatoló hatását valószín síti. Err l a hatásról a következ egyszer kép adható. A légkörben található szén-dioxid és más üvegház gázok mennyiségének növekedése a Föld felszínének melegedéséhez vezet, ami sugárzás útján melegíti magát a légkört is. A vízg z telítési g znyomásának h mérsékletfüggése miatt a légkör vízg ztartalma megn a h mérséklet emelkedésével. Azonban így a vízg z által okozott üvegházhatás következtében a melegedés méginkább folytatódik. Ez a pozitív visszacsatolás jelenti az egyik legnagyobb bizonytalalanságot a klímaváltozás el rejelzésében, ami el térbe helyezi a vízg z mérésének fontosságát. Annak ellenére, hogy a vízg z ilyen fontos légköri összetev, mégis igen kevés információnk van légköri eloszlásáról, eloszlásának változásáról és a légköri folyamatokban játszott szerepér l. Ez azért is nagy probléma, mert a Föld éghajlatát el rejelz globális klímamodellek (GCM, azaz Global Climate Models vagy Global Circulation Models) egyik fontos paramétere a vízg z mennyiségének változása, így fontossá vált egy, az egész Földre kiterjed, hosszú távú meggyeléseken alapuló adatbázis létrehozása [3]. 5

10 2.2. Vízg z mérése légköri kutatásokban Az atmoszféra jelenségeinek kutatására alkalmazott mérési módszereket két nagy csoportba sorolhatjuk. Az egyik csoportot alkotják az in-situ mérések végzéséhez használt platformok: a kutatórepül gépek,ballonok,rádiószondák és a meteorológiai m holdak. Az in-situ mérések el nye,hogy a valóban létrejöv jelenségeket,ipari szennyez déseket, globális légköri változásokat folyamatosan monitorozni lehet,ugyanakkor ezen kísérletek mérési paramétereinek kontrollálása,a kísérletek megismétlése természetesen nehézségekbe ütközik. Ez a nehézség küszöbölhet ki a meteorológiai jelenségek modellezésére szolgáló berendezések segítségével,melyek az atmoszféra jelenségeinek kutatásához alkalmazott módszerek másik nagy csoportját alkotják. A modellez berendezések legf bb hátránya, hogy egy lényegében végtelen kiterjedés objektumot próbál modellezni véges térrészben, tehát a mérések határfeltételeit nagyon pontosan ismerni kell; az alkalmazott modell a valóság nagymérték leegyszer sítését jelenti. A légköri jelenségeket modellez berendezésekben végzett vízg zmérések f ként a légköri kutatások egyik kiemelten fontos területét alkotó sarki sztratoszférikus felh k (PSC, Polar Stratospheric Clouds) [4] képz désének tanulmányozását célozzák. A PSC felh k télen,a különösen alacsony h mérséklet sarki alsó-sztratoszférában keletkeznek. Ezen légrétegre jellemz h mérsékleten a salétromsav koncentrációja 5 ppb,a vízg zé 3 ppm, ami a salétromsav laboratóriumi kísérletek alapján származtatott fagyási görbéjét [5] gyelembe véve arra mutat,hogy f ként NAT (nitric acid tri-hydrate,hno 3 3H 2 O) részecskéken kondenzálódott vízg z alkotja a PSC felh ket. A sarki sztratoszférikus felh k a légkör összetételének alakulásában fontos szerepet játszanak azáltal,hogy részecskéik felületén végbemen heterogén reakciók útján részt vesznek az aktív klór és bróm keletkezésében. A sarki ózonréteg csökkenésében nagyrészt ez a két elem játszik szerepet,melyek például a következ cikluson keresztül bontják le 6

11 az ózont (2O 3 3O 2 ): ClO + BrO Cl + Br + O 2 (2.5) Cl + O 3 ClO + O 2 (2.6) Br + O 3 BrO + O 2 (2.7) A PSC keletkezése során a salétromsav abszorbeálása útján nitrogén távozik el a légkörb l, ami megakadályozza az aktív klór ózonbontó hatását azáltal, hogy reakcióba lépve vele inert ClONO 2 molekulává alakítja. A PSC-k keletkezése nagy mértékben függ a h mérséklett l, valamint a vízg z és salétromsav mennyiségét l, emiatt a globális felmelegedés hatására tovább csökkenthetik a légkör ózontartalmát. A kés téli és tavaszi sarki ózoncsökkenés ezek alapján nagymértékben függ a légkör vízg ztartalmának változásától, amit a trópusi felszín h mérsékletének váltakozása okoz [6] In-situ mérések Az atmoszféra-kutatásban a legnagyobb jelent séggel bíró tartomány a fels troposzférikus, alsó sztratoszférikus (UTLS, upper tropospheric/lower stratospheric) réteg, ahol azok a zikai és kémiai folyamatok játszódnak le, melyek dönt en befolyásolják a légkör tisztulását és a Föld éghajlatát. Ez az a légköri tartomány, ahol a troposzférikus és a sztratoszférikus leveg keveredik, így az üvegházhatású gázok a troposzférába, az ózon és a nitrogén-oxidok a sztratoszférába jutnak. Az UTLS tartomány drága m holdakkal történ tanulmányozásának hátránya, hogy csak általános jelleg, integrális információt nyújtanak a légkör szerkezetér l. A részletekr l tájékoztatást a kutató-repül gépek fedélzetén végzett mérések adhatnak, de ezek felszerelése és m ködtetése ugyancsak nagyon költséges. Az utasszállító repül gépek, melyek a km-es magasságokban, tehát éppen a fontos légköri tartományokban 7

12 repülnek, olcsóbb és az egész földgolyóra kiterjed méréssorozatok elvégzését teszik lehet vé. Az Európai Unió által támogatott CARIBIC (Civil Aircraft for the Regular Investigation of the atmosphere Based on an Instrument Container) projekt célja egy utasszállító repül gép rakterébe elhelyezett, mér berendezéseket magába foglaló konténer segítségével az UTLS tartomány tanulmányozása, adatok gy jtése és ezekb l egy adatbázis létrehozása. A projekt során a fels troposzféra és alsó sztratoszféra közti zikai és kémiai kapcsolatok feltérképézése, a felszínr l a fels troposzférába történ függélyes anyagszállítódás uxusának és hatásmechanizmusának, valamint a légkörben található nyomgázok mennyiségi változásának tanulmányozása mellett a légköri aeroszolok mennyiségének, méretének, kémiai összetételének és a felh képz désre gyakorolt hatásának kutatására is sor kerül. A dolgozatomban ismertetett munkám eredményeként lehet vé vált a Tanszékünkön kifejlesztett fotoakusztikus vízg zmér berendezés alkalmazása utasszállító repül gép fedélzetén végzett meteorológiai mérésekhez Légköri folyamatok kísérleti modellezése: az AIDA kamra A fotoakusztikus rendszer meteorológiai mérésekben való alkalmazhatóságának bizonyítása érdekében méréseket végeztem a karlsruhe-i kutatóközpont Meteorológia Intézetében, ahol légköri körülményeket modellez kísérletek során összehasonlítottam a fotoakusztikus vízg zmér rendszert más, a légkörkutatás során alkalmazott mérési eszközökkel. A karlsruhe-i kutatóközpontban a légköri modellkísérletek elvégzésehez, a felh képz dés és a felh kben lejátszódó folyamatok kísérleti vizsgálatához egy 84 m 3 - es alumínium tartály állt rendelkezésre (AIDA (Aerosol Interactions and Dynamics in the Atmosphere) légkörszimulációs kamra [7], 2.1. ábra), melyben a nyomás a légköri nyomástól 0,02 mbar-ig változtatható, a h mérséklet pedig -90 C-ig szabályozható. A tartály alján elhelyezett kever ventillátor segítségével biztosítható a tartályban lév gáz h mérsékletének 0,5 C-on belüli homogenitása. Az AIDA kísérleti berendezés segítségével szimulálhatók az atmoszféra különböz 8

13 FISH, Ly-a higrométer Fotoakusztikus szenzor FTIR és UV/VIS spektrométer Jégkristály detektor Hõmérséklet -90 C-tól +60 C-ig T,p AIDA TARTÁLY Aerosol Elõre és hátra szóródás Ar-ion lézer Felhõrészecske monitor Szintetikus levegõ Vákuumpumpa Cryosztát Folyékony nitrogén 2.1. ábra. Az AIDA légkörszimulációs kamra és a köré telepített mér berendezések vázlata. jelenségei, például a PSC felh k képz désében szerepet játszó egyik legfontosabb folyamat, a túlh tött vizes oldatok homogén fagyása Az atmoszférikus felh kben a túlh lés tágulás és adiabatikus h lés következtében történik, mely az AIDA berendezésben szimulálható. A felh képz dés modellezése konstans fal- és gázh mérsékleten történik, a tartályban a gáz jégkristállyal való telít dését a tartály falán lév vékony jégréteg biztosítja. A tartályban lév leveg kiszivattyúzása révén a tartályban lév nyomást tipikusan a felszíni nyomástól (kb mbar) a sztratoszféra alján uralkodó nyomásig (kb. 180 mbar) csökkentve a gáz kitágulását és emiatt adiabatikus h tést idézhetünk el. A pumpálás segítségével 0,16-6,4 m/s sebesség függ leges légmozgás állítható el, mely 0,1-t l 4 K/perc sebesség adiabatikus h lésnek felel meg. A pumpálás leállítása után körülbelül negyedórán belül a gáz h mérséklete felveszi a tartály falának h mérsékletét. Az AIDA-ban kvázi-atmoszférikus körülmények között végezhet k modellkísérletek akár napokon keresztül is, ami megfelel a aeroszolok tartózkodási idejének a légkörben. 9

14 Ezzel lehet vé válik például az aeroszolok hatásainak vizsgálata a felh képz désre. Az AIDA tetejéhez közel juttathatók be az aeroszolok a tartályba. A légköri jelenségek modellezése közben lejátszódó folyamatokat különböz m szerek segítségével mérik: vízg z mérésére tükrös harmatpontmér t és Lyman-α higrométert használnak [8]; ezen berendezések mellé került elhelyezésre a dolgozatom tárgyát képez fotoakusztikus rendszer is. A kémiai elemek koncentrációját FTIR és UV/VIS spektrométerekkel vizsgálják. Az aeroszol és jégkristály részecskék eloszlását Ar-ion lézer fényének el re- és hátraszórásából mérik. Ezen kívül tömegspektrométert, jégkristály és felh részecske monitorozó berendezéseket is csatlakoztatni lehet az AIDA berendezéshez, ezzel segítve a mind szélesebb körre kiterjed szimulációs méréseket Légköri vízg z mérésére használt mér eszközök A leveg vízg ztartalmának változásából levont következtetések id járás-el rejelzéshez is használhatók, elég csak utalnunk a népszer id jós házikóra (2.2. ábra), mely egy egyszer hajszálas higrométer. Ha a leveg nedves, a hajszál megnyúlik, és féralak jön ki a házból, míg száraz id esetén összehúzódik, és az asszonyalak jön el. Az egyszer, háztartásokban is alkalmazható hajszálas higrométerek tudományos kutatásokhoz használt fajtái már régóta az id járásel rejelzések, meteorológiai mérések fontos eszközei. El zetes kalibráció után meglehet s pontossággal számítható segítségükkel a leveg relatív páratartalma. (A relatív páratartalom azt mutatja meg, hogy a leveg ben lév vízg z mennyisége hány százaléka az adott h mérséklethez és nyomáshoz tartozó telített vízg ztartalomnak. Ha a leveg ben lév vízg z mennyisége nagyobb, mint a telített vízg ztartalom, a vízg z vízcseppek formájában kicsapódik. Az abszolút páratartalom a térfogategységnyi leveg ben lév vízg z tömegét adja.) Már a XVIII. század elejét l kezdve próbálkoztak különböz eszközök építésével, melyekkel a leveg nedvességtartalmát lehetett mérni. Példaként említhet egy mérleg, mely egyik szárának végére nedvszívó papírlapokat függesztettek, míg a másik szára 10

15 2.2. ábra. Id jós házikó. Nedves leveg esetén a hajszálas higrométerben lév hajszál megnyúlik, és a féralak jön el a házból;száraz leveg esetében a hajszál összehúzódása következtében a n i alak jön el. mutatóként szolgálva jelezte a leveg páratartalmát. Kés bb pszichrométereket alkalmaztak a vízg ztartalom mérésére;a legegyszer bb elrendezésben két h mér közül az egyik higanytartályát vízzel nedvesen tartják, míg a másik közvetlenül a leveg t méri. A két h mérséklet különbsége alapján meghatározható a leveg nedvességtartalma [9]. Az egyes id járási jelenségek okainak, a légköri kémiai folyamatok mechanizmusainak feltérképezése nemcsak a földfelszín közvetlen közelében, hanem a légkör magasabb rétegeiben is szükségessé tette a vízg z mennyiségének mérését. A légkört függélyes irányban különböz rétegekre oszthatjuk, melyek h mérséklete és a bennük uralkodó nyomás is változik a magassággal (2.3. ábra). Ugyanakkor a vízg z koncentrációja függ legesen és természetesen a földfelszínnel párhuzamos irányban is er sen változik. A trópusokon az alsó légréteg abszolút vízg ztartalma akár néhány százalékos is lehet, a légkör fels bb rétegeiben a magasság emelkedésével csökken. A tropopauzában a troposzféra fels határán lév 100 ppm-r l a sztratoszféra alsó részén lév 5 ppm-ig gyorsan csökken. Az id járási jelenségek lejátszódásának színtere a troposzféra, mert ez a réteg tartal- 11

16 ábra. A légkör magasság (és nyomás) szerinti vízg ztartalmának átlagos eloszlása és a vízg zméréshez szükséges mérési pontosság ppm értékekben. Az ábrán a tropopauzához tartozómagasságot piros vonallal jelöltem. mazza a legtöbb vízg zt. A kémiai folyamatok tanulmányozása szempontjából a sztratoszféra alsó része a fontos mérési terület. A 2.3. ábráról láthatóan a mérend vízg z mennyisége a légkötben néhány ezer ppm-t l 3-4 ppm-ig (part-per-million, egy-milliomod rész) terjedhet, miközben a nyomás 1000 és 100 mbar között változhat [10]. Bár a leveg vízg ztartalma igen fontos paraméter, nincs olyan mér eszköz, mely légköri körülmények között, különböz magasságokban alkalmas megfelel érzékenység mérések végzésére. Általánosan elfogadott követelmény a leveg vízg ztartalmának meghatározásához alkalmazott mér eszközre vonatkozóan, hogy mérési hibája az adott magasságban jelen lév átlagos vízg z-koncentráció5%-át ne haladja meg. Ez az érték a különböz légköri magasságokon és az azokhoz tartozónyomásokon leolvashatóa 2.3. ábráról. A légköri kutatásokhoz készült mér rendszerrel szembeni követelmények továbbá, hogy a mechanikai rezgésekkel szemben érzéketlennek, automatikus m ködés - 12

17 nek, lehet leg kis méret nek és gyors változások követésére alkalmasnak kell lennie. A következ kben a légköri kutatások során a vízg z mennyiségének meghatározására leggyakrabban használt mér eszközöket mutatom be részletesebben Tükrös harmatpontmér k Hideg felületre a leveg b l vagy más nedves gázból a vízg z lecsapódik, ha a felület h mérsékletéhez tartozó telítési vízg znyomásnál nagyobb a gázban lév vízg z parciális nyomása. Folyékony halmazállapotú vízharmat 0 C fölött, apró jégkristályokból álló dér képz dése pedig 0 C alatt gyelhet meg. Azt a h mérsékletet, amelynél a vízg z a gázból kiválik, harmatpontnak nevezik (az angol terminológiában megkülönböztetik a folyékony és a szilárd kicsapódáshoz tartozó h mérsékletet: ez a dew illetve frost point). A tükrös harmatpontmér ben, melynek általános elrendezése a 2.4. ábrán látható, h tött tükröz fémfelelüteten történ deresedést vizsgálnak egy dióda fényforrás tükör felületére bocsátott és arról visszavert fényét mérve fotodetektorok segítségével. Ha a tükör h mérséklete alacsonyabb, mint a mérend gázban lév vízg z harmatpontja, az el bb említettek szerint a tükör felületén víz csapódik ki, azaz a fotodetektorba érkez fény intenzitása a fényszóródás miatt lecsökken. A fotodetektor jelét vezérl jelként használva a tükör h mérséklete olyan értékre állítható, ahol a deresedés éppen megkezd dik, ez a gázmintában lév vízg z mennyiségére jellemz harmatpont. A 2.4. ábrán látható egy további, a mérend gáztól külön térrészben lév referenciaként szolgáló dióda-fotodetektor pár is, mellyel az esetleges áramingadozásból adódó fényintenzitásváltozást küszöbölik ki. A referencia fotodetektor jelével összehasonlítva a mér fotodetektor jelét a vezérl jel pontosabban beállítható. A tükrös harmatpontmér által mért harmatpontot keverési aránnyá (koncentrációvá) számíthatjuk át a Clausius-Clapeyron egyenlet segítségével: log p = A T + B (2.8) ahol p a vízg z parciális nyomása T Kelvin h mérsékleten; A = 2663,5 K 1 és B = 12,537 13

18 - GÁZÁRAM -72,3 C T kö r-hõ mérséklet szabályzás 2.4. ábra. Tükrös harmatpontmér vázlata kísérletileg meghatározott állandók [11]. Az így kapott parciális nyomásból a teljes nyomás ismeretében a vízg z (térfogat-)koncentrációja ppm egységben meghatározható a c = p/p teljes összefüggés segítségével, ahol p teljes a gázminta abszolút nyomása. Alegérzékenyebb tükrös harmatpontmér k egyike a National Oceanic and Atmospheric Administration Laboratory (NOAA, Amerikai Egyesült Államok) által sztratoszférikus mérésekhez fejlesztett rendszer, amely -80 C alatti harmatpont ± 0,5 C pontosságú mérésére alkalmas. Ez 5 %-os parciális nyomás pontosságnak felel meg -80 C-on és 10 %-osnak -90 C-on. Ezt a berendezést fejlesztette tovább a Buck Research Instruments cég, és hozta kereskedelmi forgalomba CR-2 Cryocooled Hygrometer néven. Ezt a vízg zmér t repül gépes kutatásokhoz gyártják, laboratóriumi körülmények között csak bizonyos átalakítások után használható, ami nehézkessé teszi a rendszer kalibrációját. Atükör h tése egy hidegujj segítségével folyékony héliummal történik. Az arannyal bevont réztükör és a hidegujj közti termális kapcsolatot biztosító rúd köré tekercselt vezet szál segítségével végzik a tükör f tését. Abonyolult h tési-f tési elrendezés miatt a rendszer h szigetelése kritikus, a mérés pontosságát nagyban befolyásolja. Aberendezés specikációja szerint -100 Cés+30 C közötti harmatpont mérésére alkalmas ±0,1 C leolvasási pontossággal az mbar nyomástartományon, válaszideje < 40 s. Egy másik tükrös harmatpontmér eszköz a francia Centre National De Recherche 14