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: toth.z@met.hu
W/(m 2 nm) A napsugárzás spektrális eloszlása a légkörön kívűl és a földfelszínen a 300 és 1100 nm-es hullámhosszok között 2.5 2 extraterresztriális spektrum 1.5 1 spektrum a földfelszínen 0.5 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 nm
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 Δ λ: a spektrális sáv félszélessége Kvázi-monokromatikus intenzitás:: I q I d ahol: q I λ : kvázi-monokromatikus intenzitás I λ : elméleti monokromatikus intenzitás λ: a spektrális sáv centrumának hullámhossza
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. L α, H α )
Sugárzásátvitel: fotonok kölcsönhatása közeggel Az s irányba haladó radiancia megváltozásával írható le. Sematikusan: di B ( T) F ( s' ) ahol: di λ : az s irányba haladó sugárzás radianciájának megváltozása ζ ελ : emissziós koefficiens B λ (T): forrásfüggvény (gerjesztési élettartam, relaxációs idő) F λ (s ): szórásfüggvény (megadja, hogy az s irányból érkező sugárzásból mekkora rész szóródik hozzá az s irányúhoz ζ aλ : abszorpciós koefficiens ζ sλ : szórási koefficiens a I s I Sugárzásátviteli egyenlet: 1 di ds I B ( T)
Optikai mélység: Elektromágneses sugárzás gyengülése adott közegben - általános sugárzásátvitel speciális esete (Beer-Bougert-Lambert): dx vastagságú réteg esetén a λ hullámhosszúságú I λ0 belépő monokromatikus irradiancia a dx út megtétele utáni -di λ csökkenése arányos az I λ0 -lal és a dx-szel, tehát: di e I 0dx ahol ζ eλ extinkciós koefficiens csak a közeg anyagi minőségétől és a λ hullámhosszúságtól függ (ha a közegben az abszorpciós koefficiens ζ aλ,, és a szórási koefficiens ζ sλ, akkor: ζ eλ = ζ aλ + ζ sλ ) I 0 e ahol I λ az irradiancia d út megtétele után I di e I 0dx e d
Optikai mélység: Ebből az extinkciós koefficiens: e 1 d ln I I 0 Légkörre alkalmazva > optikai mélység: azt jellemzi, hogy λ hullámhosszúságú sugárzás milyen mértékben gyengül, ha a világűrből a z magasságú pontba jut, vagy a z magasságú pontból 1 I 0 e ln d I ( z) ( z') dz' e z a világűrbe (földfelszíni napspektrofotométeres méréseknél így nyilván praktikusan z = 0). Ezért az optikai mélységet úgy definiáljuk, hogy az extinkciós együtthatót z magasságtól végtelenig integráljuk: z ( z) ( z') dz' e
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 g 1, g 2,...g n gáz is abszorbeál, összmennyiségeik: x 1, x 2, x n > abszorpciós koefficienseik: ζ aλ, (g 1 ) ζ aλ (g 2 ),.... ζ aλ (g n ) kiszámíthatóak az abszorpció miatti optikai mélységeik: δ aλ (g 1 ) = x n ζ aλ (g 1 ), δ aλ (g 2 ) = x n ζ aλ (g 2 ),. δ aλ (g n ) = x n ζ aλ (g n ) Az adott hullámhosszon a légkör teljes optikai mélysége: δ λ = δ aλ (g 1 ) + δ aλ (g 2 ),..+ δ aλ (g n ) + δ Aλ + δ Rλ ahol δ a (λ ) az aeroszol optikai mélység, δ R (λ ) pedig a Rayleighszórás (szóródás a légköri molekulákon) optikai mélysége
Légköri gáz légoszlopban lévő összmennyiségének (x g ) meghatározása (Dobson módszere): Egyszerűsített sugárzásátviteli egyenlet megoldása egy adott λ hullámhosszon: I 0 M ( x g 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 ( ) ag x g ( ) ( )) trükk: két különböző hullámhosszra kell fölírni I e A R
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: 1 I0( ) P A( ) ln ( R( ) O3( )) M I( ) S P ahol: δ A (λ): aeroszol optikai mélység I 0 (λ): extraterresztriális irradiancia közepes naptávolságnál 1 I0( ) P ) ln ( R( ) ( ) M I( ) S P 0 A( 0 0 I(λ): irradiancia az észlelési pontban S: a naptávolságra vonatkozó korrekciós faktor (a Föld mérési időpontban érvényes és közepes naptávolságának a hányadosát jelenti M: relatív optikai légtömeg δ O3 (λ): az ózon abszorpció optikai mélysége: δ O3 (λ) = x O3 α O3 (λ) ahol: α O3 (λ): ózon abszorpciós koefficiens, x O3 : összózontartalom P, P 0 : aktuális nyomás és standard tengerfelszíni nyomás
aeroszol optikai mélység Hullámhossz exponens nem konkrét méreteloszlást ad meg, hanem a méreteloszlásra jellemző értéket Kétféleképpen definiálhatjuk: 1. ln( ) A 380 A500 ln(0.5 0.38) 0.8 0.7 0.6 0.5 Jellemző aeroszol spektrum (a LI-1800 méréseiből számítva) 0.4 2. Angström-formula: A A 0.3 0.2 0.1 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 hullámhossz (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.
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 (10 12 -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 O 3, SO 2 : 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: O 3, SO 2, 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. Légoszlop teljes ózontartalma 2. Légoszlop teljes kén-dioxid tartalma 3. Aeroszol optikai mélység 9 látható hullámhosszon 4. Aeroszol optikai mélység az UV-ben 5. 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 = I BBR /I BREWER hálózati detektorok kalibrálása a broad band referenciához párhuzamos mérések > szorzószám: C = I BB /I BBR - 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 PAR Voltage PAR Voltage A LI-1800 spektroradiométr és a LI PAR mérő által mért PAR Sep 29, 2011 1600 9 1400 8 1200 1000 800 600 400 200 LI-1800 LI-190SB 7 6 5 4 3 2 1 0 Time 0 1400 Oct 3, 2011 9 1200 1000 800 8 7 6 5 600 400 200 LI-1800 LI-190SB 4 3 2 1 0 Time 0
PÉLDÁK: PAR érzékelő kalibrálása 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 1 55 3 57 5 59 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 A LI-1800 spektroradiméterrel mért és modellezett PAR Mért és modellezett PAR, 2011-10-03 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 PAR_LI-1800 PARMOD_M<4 PARMOD_M<5 400,0 200,0 Mért és modellezett PAR, 2011-09-30 0,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 PAR_LI-1800 PARMOD_M<4 PARMOD_M<5 600,0 400,0 200,0
PÉLDÁK: PAR mérő kalibrálása A kalibrációs faktor függése a relatív optikai légtömegtől a nappálya felszálló ágára (A), leszálló ágára (B) és együttesen (C) 175 170 A 180 170 B 165 160 160 155 150 150 140 145 130 140 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 120 1,5 2,5 3,5 4,5 175 170 165 160 155 150 145 140 135 130 1,5 2,5 3,5 4,5 C
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!!!
relative sensitivity Important problem: calibration of broad band UV detectors Spectral response of different type UV detectors: 1,2 1 0,8 0,6 LASTEM ERYTHEM SKYE SOLAR LIGHT 0,4 0,2 0 290 320 330 wavelength (nm)
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 1995 2000 2005 2010-2 -4-6 -8-10 év
A teljes ózontartalom nyári átlagos eltérései a sokévi átlagtól, Budpaest, 1970-2012 8,0 3,0 1969 1974 1979 1984 1989 1994 1999 2004 2009-2,0-7,0-12,0
Havi ózon eltérések az adott hó sokévi átlagától, Budapest, 2007-2012
mw/(m 2 nm) mw/(m 2 nm) Brewer spektrofotométerrel mért UV spektrumok 12 10 8 6 4 2 0 biológiai spektrum fizikai spektrum 400 300 200 100 0 286 324 363 nm 900 800 700 600 500
sepktrális RAF 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 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 295 300 305 310 315 320 325 hullámhossz
A légkör UV-B áteresztése (felhőtlen égboltra = 1) 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 0,8 0,6 0,4 0,2 A borúltság és a légkör UV-B áteresztésének kapcsolata napmagasság > 30 gyengítés áteresztés 0 0 50 100 % 1,2 A borultság és a légkör UV-B áteresztésének kapcsolata napmagasság < 30 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 gyengítés áteresztés 0 50 100 %
UV-B irradiancia 3500 A biológiailag effektív UV sugárzás évi összegeinek változása Magyarországon 1995 és 2011 között 3000 2500 2000 Budapest Kékestető Sármellék Kecskemét 1500 1000 1996 1998 2000 2002 200 4 2006 2008 2010 év Növekedés: kb. 6 % 10 év alatt
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 0.000 1967 1969 1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 év
UV-B irradiancia opt. mélység év Budapest, 1995-2003 360 A teljes ózontartalom változása évi átlagai 1995 és 2003 között 340 320 300 280 Ózontartalom 260 240 220 200 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 A légkör optikai mélységének évi átlagai, Budapest, 1995-2003 0.350 0.300 0.250 Optikai mélység 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 2600.0 2400.0 2200.0 2000.0 1800.0 UV-B évi összegek, 1600.0 1400.0 1200.0 1000.0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 év
aeroszol optikai mélység aeroszol optikai mélység OMSZ, Marczell Görgy Főobsz.: δ A500 : 0.28 (belvárosi, ipari területek: > 0.3, háttér: < 0.2 α : 1.53 (átlag: 1.3) Köv: peremvárosi szituáció, az átlagnál kisebb részecskékkel Jellemző aeroszol spektrum (a LI-1800 méréseiből számítva) Aeroszol optikai mélység spektrum a LI-1800-zal mért irradiancákból számítva 0.8 0.7 0.6 1.20000 1.00000 0.5 0.4 0.3 0.2 0.80000 0.60000 0.40000 0.1 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 hullámhossz (nm) 0.20000 0.00000 300 500 700 900 1100 hullámhossz (nm)
WROD A szélessávú optikai mélység (látható - közeli infravörös) és az aeroszol optikai mélység közötti kapcsolat 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Az 500 nm-es aeroszol optikai mélység és széles sávú optikai mélység kapcsolata 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 AOD (500) 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Abszorpciós sávok a spektrumban - 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 C0 WR C1 XV C2 XO C 3 3 ahol: δ Aλ : aeroszol optikai mélység a λ hullámhosszon δ WR : szélessávú optikai mélység X V : összes kihullható víz (rádiószondás mérésekből) X O3 : a légoszlop teljes ózontartalma C 0λ, C 1λ, C 2λ, C 3λ : meghatározandó konstansok Számítás: 500 nm-re Eredmény: δ Aλ és δ WR 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 DIF_DIR Fig. 14. Values of DIF_DIR at different aerosol optical depths 600 400 200 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-200 -400-600 aerosol optical depth for 500 nm
ALADIN sugárzási outputjainak verifikációja: Előrejelzett és mért diffúz sug. különbségének függése az 500 nm-es aeroszol optikai mélységtől DIF_DIF Fig. 15. Values of DIF_DIF at different aerosol optical depths 300 200 100 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-100 -200-300 -400 aerosol optical depth for 500 nm
ALADIN sugárzási outputjainak verifikációja: Előrejelzett és mért globálsug. különbségének függése az 500 nm-es aeroszol optikai mélységtől DIF_GL Fig. 16. Values of DIF_GL at different aerosol optical depths 400 300 200 100 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-100 -200-300 -400-500 aerosol optical depth for 500 nm
transzmisszió (%) UV transzmisszió (%) transzmisszió (%) transzmisszió (%) A fóliák eredeti (UV expozíció előtti) transzmissziós spektruma az UV-B és UV-A tartományon 90 A fóliák transzmissziós spektruma az UIV-B és UV- A tartományon 2003. aug. 7-én 90 80 80 70 70 60 50 40 30 20 kontrol F5% F20% L5% L20% 60 50 40 30 20 kontrol F5% F20% L5% L20% 10 10 0 286.5 311 329 363.5 hullámhossz (nm) 0 286.5 311 329 363.5 hullámhossz (nm) A fóliák transzmissziós spektruma az UV-B és UV- A tartományon 2003. okt. 14-én A különböző fóliák átlagos UV transzmissziójának változása a vizsgált időszak alatt 90 90 80 80 70 70 60 50 40 30 kontrol F5% F20% L5% L20% 60 50 40 30 kontrol F5% F20% L5% L20% 20 20 10 10 0 286.5 311 329 363.5 hullámhossz (nm) 0 06.24. 07.02. 08.07. 09.18. 10.14. idő
aeroszol optikai mélység aeroszol optikai mélység OMSZ Marczell Görgy Főobszervatórium.: δ A500 : 0.28 (belvárosi, ipari területek: > 0.3, háttér: < 0.2 α : 1.31 (átlagos helyzet: 1.3) Köv: peremvárosi szituáció átlagos részecskemérettel Jellemző aeroszol spektrum (a LI-1800 méréseiből számítva) Aeroszol optikai mélység spektrum a LI-1800-zal mért irradiancákból számítva 0.8 0.7 0.6 1.20000 1.00000 0.5 0.4 0.3 0.2 0.80000 0.60000 0.40000 0.1 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 hullámhossz (nm) 0.20000 0.00000 300 500 700 900 1100 hullámhossz (nm)
1 14 27 40 53 66 79 92 105 118 131 144 157 170 183 196 209 222 235 248 261 274 287 300 313 326 339 352 365 AOD napi átlaga 500 nm-en hullám hossz exponens napi átlaga Az 500 nm AOD és a hullámhossz exponens napi átlagértékeinek évi menete Budapesten 1 2 0,9 0,8 1,8 1,6 0,7 1,4 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 az év napjai AOD-500 napi átlaga α napi átlaga
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 0,8 1 AOD 500 nm-en
KAPCSOLAT A LÉGKÖR SPEKTRÁLIS SUGÁRZÁS- ÁTBOCSÁTÁSA ÉS AZ AEROSZOL MÉRETELOSZLÁSA KÖZÖTT méreteloszlás KING-MÓDSZER: AOD-spektrumok aeroszol méreteloszlás 100 10 1 0.3483 0.745115 1.12639 1.51288 1.90249 0.1 0.01 0.1 1 részecskeméret (mikrométer)
db részecske / négyzetmikrométer db részecske / négyzetmikrométer db részecske / négyzetmikrométer Az eroszol méreteloszlása magas hullámhossz exponens értékek esetén (c) Az aeroszol méreteloszlása átlagos hullámhossz exponens értékek esetén (b) 10 100 1 0,1 1,8098 1,81786 1,84774 1,85151 1,89441 1,90249 10 1 0,1 1,29967 1,30047 1,30069 1,30097 1,30125 1,30136 0,01 0,1 1 0,01 0,1 1 részecskeméret (mikrométer) részecskeméret (mikrométer) Az aeroszol méreteloszlása alacsony hullámhossz exponens értékek esetén (a) 100 10 1 0,1 0,3483 0,35845 0,402866 0,416487 0,431148 0,49603 0,01 0,1 1 részecskeméret (mikrométer)
AOD-500 AOD összefüggése a HB makroszinoptikus helyzetekkel 0,9 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 1516 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Hess-Brezowsky-féle kód Kis AOD: 4 (szögletszerű nyugati helyzet) 5 (anticiklonáris délnyugati helyzet) 8 (ciklonáris északnyugati helyzet) Nagy AOD: 22 (Közép-Eur fölé kiterjeszkedő anticiklon, kp: Észak tenger) 26 (anticiklonáris déli helyzet)
α ALFA összefüggése a HB makroszinoptikus helyzetekkel 2 1,8 1,6 1,4 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 2.5 2.0 SSA=0.6 SSA=0 SSA=1.0 2.5 2.0 1 =0.4 1 = 1 =2.0 E d /E b 1.5 1.0 AOD 500 =0.3, =1.3 SZA=20 O E d /E b 1.5 1.0 AOD 500 =0.3, SSA=0.9 SZA=60 O 0.5 0.5 0.0 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Wavelength, ( m) 0.0 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Wavelength, ( m)
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)
OD A Rayleigh-atmoszféra optikai mélység spektruma A Rayleigh-légkör optikai mélység spektruma 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 36 412 45 50 61 675 77 86 38 hullámhossz (nm)
A Rayleigh-atmoszféra optikai mélység spektruma és egy extrémen tiszta légkör aeroszol optikai mélység spektruma (OMSZ, Marczell György Obszervatórium) OD A Rayleigh-légkör OD spektruma és egy budapesti extrémen tiszta légkör OD spektruma 0,6 0,5 0,4 0,3 Rayleigh-légkör aeroszol 0,2 0,1 0 368 412 450 50 61 675 778 862 38 hullámhossz (nm)
OD 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 0,3 Rayleigh-légkör aeroszol teljes OD 0,2 0,1 0 368 412 380 450 500 610 675 778 862 hullámhossz (nm)
Hányszor nagyobb a légkör teljes optikai vastagsága a Rayleigh-atmoszféra optikai vastagságánál? HH (nm) Legtisztább Legszenny. 368 1,24 3,1 380 1,20 3,36 412 1,29 4,18 450 1,29 5,19 500 1,22 6,64 610 1,47 10,92 675 1,46 14,07 778 2,00 20,18 862 2,50 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