Predrag Kolarž Diplomski rad 2 1. Karakteristike sunevog zraenja 1.1. Sunce kao izvor zraenja Sunce je udaljeno od Zemlje oko 149.5 miliona kilometara. Temperatura sunevog jezgra iznosi oko 15⋅10 6 K, a srednja temperatura površine Sunca (fotosfere) iznosi oko 6000 K. Elektromagnetna energija, koja ukljuuje X zrake, UV zraenje, IC zraenje, vidljivo zraenje i radio talase, koja se svakog sekunda emituje sa Sunca iznosi 3.8⋅10 23 KW. Od te ogromne energije na Zemlju padne, u proseku svega oko 1.4 KW/m 2 (ukoliko se Sunce ne nalazi pod uglom veim od 30 o u odnosu na zenitnu osu). Energija koju Sunce zrai ima svoj pik na 470 nm. Zraenje Sunca se u velikoj meri podvrgava Stefan - Boltzmann-ovom zakonu zraenja crnog tela, tj. praktino se i ponaša kao crno telo. Ono spada u zvezde sa izrazito stabilnim režimom zraenja tako da se ono može smatrati konstantnim. Snaga sunevog zraenja koja pristiže u gornje slojeve atmosfere, najveim delom prodire kroz atmosferu (sa izuzetkom relativno malog dela koji se reflektuje ili utroši na sekundarnu emisiju atmosfere i tako transformisan emituje prema slobodnom prostoru ili tlu). U donjim slojevima atmosfere (troposferi) dolazi do znaajnih promena u bilansu snaga zraenja, delimino usled apsorpcije zbog prisustva aerozagaenja (aerosola), a delimino zbog refleksije sa površine oblaka i iz drugih razloga. Snaga zraenja na površini tla zavisi od položaja Sunca, tj. od ugla upada Sunevih zraka na osvetljenu površinu i od karakteristika i stanja atmosfere u okolini obuhvaenoj horizontom nad posmatranom takom na tlu. Opšta toplotna ravnoteža Zemlje održava se zraenjem Zemlje u slobodni prostor Vasione, tako da se može smatrati, za duže vremenske intervale, da se energija koju Sunce preda Zemlji zraenjem vraa u Vasionu takoe zraenjem, ali u drugoj spektralnoj oblasti.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Predrag Kolarž Diplomski rad
2
1. Karakteristike sunevog zraenja
1.1. Sunce kao izvor zraenja
Sunce je udaljeno od Zemlje oko 149.5 miliona kilometara. Temperatura
sunevog jezgra iznosi oko 15⋅106 K, a srednja temperatura površine Sunca (fotosfere)
iznosi oko 6000 K. Elektromagnetna energija, koja ukljuuje X zrake, UV zraenje, IC
zraenje, vidljivo zraenje i radio talase, koja se svakog sekunda emituje sa Sunca
iznosi 3.8⋅1023 KW. Od te ogromne energije na Zemlju padne, u proseku svega oko 1.4
KW/m2 (ukoliko se Sunce ne nalazi pod uglom veim od 30o u odnosu na zenitnu osu).
Energija koju Sunce zrai ima svoj pik na 470 nm.
Zraenje Sunca se u velikoj meri podvrgava Stefan - Boltzmann-ovom zakonu
zraenja crnog tela, tj. praktino se i ponaša kao crno telo. Ono spada u zvezde sa
izrazito stabilnim režimom zraenja tako da se ono može smatrati konstantnim.
Snaga sunevog zraenja koja pristiže u gornje slojeve atmosfere, najveim
delom prodire kroz atmosferu (sa izuzetkom relativno malog dela koji se reflektuje ili
utroši na sekundarnu emisiju atmosfere i tako transformisan emituje prema slobodnom
prostoru ili tlu). U donjim slojevima atmosfere (troposferi) dolazi do znaajnih
promena u bilansu snaga zraenja, delimino usled apsorpcije zbog prisustva
aerozagaenja (aerosola), a delimino zbog refleksije sa površine oblaka i iz drugih
razloga.
Snaga zraenja na površini tla zavisi od položaja Sunca, tj. od ugla upada
Sunevih zraka na osvetljenu površinu i od karakteristika i stanja atmosfere u okolini
obuhvaenoj horizontom nad posmatranom takom na tlu.
Opšta toplotna ravnoteža Zemlje održava se zraenjem Zemlje u slobodni
prostor Vasione, tako da se može smatrati, za duže vremenske intervale, da se energija
koju Sunce preda Zemlji zraenjem vraa u Vasionu takoe zraenjem, ali u drugoj
spektralnoj oblasti.
Predrag Kolarž Diplomski rad
3
1.2. Sunev spektar
Vidljiva površina Sunca naziva se fotosfera i predstavlja oblike usijanih
gasova. Ona je glavni izvor sunevog zraenja, ima gustinu od oko 10-5 kg/m3 i
emituje kontinualni spektar. Najbliži fotosferi i najguši sloj naziva se hromosfera.
Ona ima crvenkastu boju. Trei, najvei i najrazreeniji sloj Suneve atmosfere naziva
se Suneva korona.
Elektromagnetni spektar Sunca se može prouavati raznim metodama:
ekstrapolacijom spektralnih merenja pri razliitim visinama iznad nivoa mora
(raunajui i iznad-atmosferska raketna merenja), indirektnim metodama, npr.
ispitivanjem položaja ozonskog sloja u stratosferi i razliitih slojeva jonosfere i
direktnim radio prijemom sa Sunca. Sunev spektar se obino deli na oblasti talasnih
Sunevo zraenje koje pada na vrh Zemljine atmosfere zove se ekstraterestriko
sunevo zraenje. Oko 99 % sunevog, ili kratkotalasnog, zraenja se nalazi u opsegu
od 300 nm do 3000 nm dok se veina terestrikog zraenja, ili dugotalasnog, nalazi u
opsegu od 3500 do 50000 nm. Deo ekstraterestrikog zraenja prodire do Zemljine
površine, dok se deo rasipa i/ili ga apsorbuju molekuli gasa, estice aerosola, kapi
oblaka i kristali oblaka u atmosferi. Pri talasnim dužinama veim od 3000 nm u
infracrvenoj oblasti sva energija se veinom apsorbuje od strane vodene pare i ugljen
dioksida u atmosferi. U ultraljubiastoj oblasti postoji granina talasna dužina od
Predrag Kolarž Diplomski rad
4
približno 286 nm za zraenje koje dostiže nivo mora, a krae talasne dužine apsorbuje
ozonski sloj u atmosferi.
Terestriko zraenje je dugotalasna elektromagnetna energija koju emituje
Zemljina površina i koja se pomou gasova, aerosola i oblaka delimino apsorbuje u
atmosferi. Za temperaturu od 300 K, 99.9 % snage terestrikog zraenja ima talasne
dužine duže od 3000 nm, a 99 % duže od 5000 nm. Za niže temperature spektar se
pomera ka dužim talasnim dužinama.
Pošto se spektralna raspodela sunevog i terestrikog zraenja samo delimino
preklapa, one se vrlo esto mogu posmatrati kao razdvojene pri merenjima i raunanju.
U meteorologiji se suma oba zraenja zove ukupna radijacija.
1.3. Poreenje sunevog zraenja i zraenja crnog tela
Površina Zemlje u proseku primi oko 17 % svoje toplote direktno od Sunca, 15
% od sunevog zraenja rasutog na oblacima (difuznog zraenja) i 68 % apsorpcijom
IC zraenja emitovanog od atmosfere. Najvei deo energije apsorbuje površina, a od
apsorbovane energije 79 % se vraa u atmosferu u obliku zraenja, sa spektralnim
svojstvima odreenim lokalnom temperaturom tla. Preostali deo, od 21 %, se
transmituje u atmosferu kondukcijom i ciklusom razmene vode. Površina se može
hladiti isparavanjem vode, a toplota se transmituje u vazduh kao para koja se
kondenzuje formirajui oblak i ili kišu ili sneg.
Sunev spektar na vidljivom talasnom podruju je isti kao i kod crnog tela koje
zrai na temperaturi od 5785 K, temperaturi fotosfere sa koje se najvei deo sunevog
zraenja emituje (Slika 1,2).
Zraenje na talasnim dužinama UV i X zraenja se emituje iz spoljašnjih slojeva
suneve atmosfere, hromosfere i korone.
Predrag Kolarž Diplomski rad
5
Talasna du`ina u mikronima
Plankova kriva
6000 KSunce
253 KZemlja
Grafik 2. Sunev spektar zraenja u poreenju sa energijom koju emituje crno telo na
5785 K, (2).
Daemo ukratko pregled zakona zraenja. Prvi je Kirhofov zakon zraenja koji
kaže da je odnos emitovane i apsorbovane energije nekog tela funkcija samo
temperature tela T i talasne dužine. Prema tome:
Eem / Eaps = f (λ,T),
gde je Eem vrednost energije emitovane po jedinici površine u jedinici vremena, a Eaps
je deo upadne energije koja je apsorbovana, tj. nije ni reflektovana ni transmitovana.
Crno telo apsorbuje svu energiju koja na njega pada. Ono poseduje najveu emisivnost
Grafik 1: Spektar zraenja Zemlje posmatran iz svemira prikazuje razliku izme|u reflektovanog Sunevog zraenja i zraenja planeta. Za zemlju se pretpostavlja da emituje energiju kao crno telo na 253 K, (2).
Predrag Kolarž Diplomski rad
6
pri svim talasnim dužinama u poreenju sa drugim telima. Zraenje koje ono emituje
naziva se zraenje crnog tela.
Drugi Planckov zakon bavi se spektralnom energetskom raspodelom zraenja
crnog tela. Prema tom zakonu je:
1Tkch
e
dcos5
2ch
dE
−⋅λ⋅⋅
λ⋅θ⋅λ⋅
=λλ
gde je Eλ⋅dλ vrednost linearno polarizovane energije emitovne sa jedinine površine u
oblast talasnih dužina λ, λ+dλ u jedinici vremena u jedinini prostorni ugao, od strane
crnog tela u termikoj ravnoteži sa svojom okolinom, θ je ugao u odnosu na normalu
na emitujuu površinu, h je Planckova konstanta (6.626⋅10-34 Js), k je Boltzmannova
konstanta (1.3807⋅10-23 J/K), a c je brzina svetlosti (3⋅108 m/s).
Iz Planckovog zakona može se dobiti Wienov zakon pomeranja, koji glasi:
λmax=b/T
"Talasna dužina koja odgovara maksimalnoj energiji u spektru crnog tela obrnuto je
proporcionalna odgovarajuoj apsolutnoj temperaturi". Konstanta b iznosi:
b=2.8972⋅103 mK.
Ukupna energija emitovana po jedinici površine u jedinici vremena od strane
crnog tela data je Stefan-Boltzmannovim zakonom:
Eem =σ⋅T4
gde je σ=5.672⋅10-8 W/m2K4.
Temperatura crnog tela se može odrediti pomou jednog od ovih zakona.
Telo koje emituje zraenje iji je intenzitet manji nego intenzitet zraenja crnog
tela pri istim uslovima i talasnim dužinama naziva se sivo telo.
Temperatura izvedena za sivo telo po Stefan-Boltzmannovom zakonu je niža od
"realne" temperature. Temperatura odreena na ovaj nain naziva se crnom,
efektivnom ili temperaturom zraenja. Druga vrednost koja se koristi za nebeska tela
je temperatura boje i definiše se kao temperatura realnog tela na kojoj crno telo ima
odnos spektralnih gustina zraenja jednak odosu spektralnih gustina zraenja na
stvarnoj temperaturi.
Predrag Kolarž Diplomski rad
7
Postoje izvesne razlike u odreivanju temperature Sunca i temperatura datih
zakonima zraenja:
• Razliite spektralne oblasti podudaraju se za razliite temperature. Npr. u
oblasti blizu 2.4 µm Sunce zrai kao sivo telo na temperaturi od 6000 K sa
emisivnošu 0.999. Izmeu 0.1 i 0.2 µm ono se ponaša kao crno telo na 4500 K, a
izmeu 4 i 10 nm zraenje odgovara crnom telu na 500000 K.
• Na Sunevom disku postoji promena temperature, vidljiva sa Zemlje.
• Sunevo zraenje se emituje istovremeno iz slojeva promenljivih debljina,
temperatura i fizikih osobina.
1.4. Koordinatni sistem Sunca kao nebeskog tela
Za bilo kakva merenja sunevog zraenja (posebno se odnosi na direktno
sunevo zraenje) ili bilo koje komponente zraenja bitno je znati položaj Sunca u
odnosu na Zemlju tj. posmatraa na Zemlji. Položaj take (Sunca) na nebeskoj sferi
odreuje se sfernim koordinatama i može se prikazati pomou horizontskog ili
ekvatorskog koordinatnog sistema. U svakom od ovih sistema položaj take odreuje
se dvema koordinatama, od kojih je jedna ugaono rastojanje u odnosu na ravan nekog
osnovnog kruga (geografska širina), a druga se rauna duž tog osnovnog kruga od
njegove odreene take (geografska dužina).
Horizontske koordinate nebeskog tela neprestano se menjaju sa vremenom, i
zavise od položaja posmatraa na Zemlji. To je zbog toga što se u odnosu na vasionu
ravan horizonta za neko mesto na Zemlji obre zajedno sa njom. U horizontskom
sistemu položaj Sunca je odreen zenitnim rastojanjem (ili njegovim komplementom -
visinom Sunca) i azimutom.
Ekvatorske koordinate su rektascenzija i deklinacija (α,δ). Ugaono rastojanje
nebeskih tela od nebeskog ekvatora naziva se deklinacija (na južnoj polovini nebeske
sfere smatra se negativnom).
Na nebeskoj sferi se za drugu koordinatu uzima rektascenzija - ugao izmeu
ravni polukruga povuenog iz svetskog pola kroz nebesko telo (deklinacija polukruga)
i ravni polukruga povuenog iz svetskog pola kroz taku prolene ravnodnevnice, koja
leži na ekvatoru (poetnog deklinacijskog polukruga). Ova taka se naziva po tome što
Predrag Kolarž Diplomski rad
8
se Sunce u njoj nalazi 21. marta, kada je dan jednak noi. Rektascenzija se obeležava
slovom α i rauna se od take prolene ravnodnevnice suprotno smeru okretanja
skazaljke na asovniku, tj. u susret prividnom dnevnom obrtanju neba.
Geografsku dužinu (ugao izmeu ravni meridijana datog mesta i ravni poetnog
meridijana) i rektascenziju zgodnije je izražunavati ne u stepenima, ve u vremenskim
jedinicama, koristei se time što Zemlja i prividna nebeska sfera za 24 asa naine
jedan pun obrt od 360o. Odatle sledi:
360o=24 h; 15o=1h; 1o=4m; 15'=1m; 15''=1s
Odreenog datuma i trenutka položaj Sunca je odreen visinom i azimutom.
Visinu Sunca u nekom trenutu kada je asovni ugao jednak τ, dobijamo iz izraza:
sinh = sinφ⋅sinδ+cosφ⋅cosδ⋅cosτ
gde je:
φ - geografska širina mesta osmatraa
h - ugao visine Sunca
τ - asovni ugao sunca u datom trenutku: τ=15o⋅(PSV-12),
U trenutku gornje kulminacije Sunca, a to je u podne, kada se ono nalazi u
meridijanu i kada je τ=0 gornji izraz dobija oblik:
h=90o-φ+δ.
Azimut Sunca se izraunava pomou izraza
sinAo=cosδ⋅sinτ/cosh.
Sva merenja zraenja odnose se na lokalno vreme (Lokal Apparent Time, LAT),
odnosno "pravo sunevo vreme" (PSV, True Solar Time, TST), koje se dobija tako što
se službenom vremenu (SEV) doda popravka u minutima. Popravka zavisi od datuma i
od geografske dužine.
Intenzitet direktnog (I) zraenja na površinu normalnu na pravac prostiranja
sunevih zraka raunamo iz formule:
I=Ih/sinh.
Predrag Kolarž Diplomski rad
9
1.5. Uticaj atmosfere na smanjenje snage sunevog zraenja koje pada na površinu Zemlje
Zraenje sa Sunca se pri prolasku kroz Zemljinu atmosferu menja kroz sledee
procese:
• rasejanje na molekulima vazduha i esticama mnogo manjim od talasne dužine
svetlosti Rayleigh-evo rasejanje;
• selektivna apsorpcija od strane atmosferskih gasova, posebno kiseonika, ozona,
ugljen dioksida i vodene pare;
• rasejanje i apsorpcija od oblaka
• rasejanje i difuzna refleksija na esticama reda veliine ili veih veliina od talasne
dužine svetlosti
Atmosfera kiseonikom i ozonom apsorbuje gotovo sve talasne dužine ispod 290
nm. Vidljivi deo spektra se selektivno vrlo malo apsorbuje od strane ozona, kiseonika i
vodene pare, ali se zato neselektivno apsorbuje u veoj meri prašinom i dimom tj.
atmosferskim aerosolima.
1.6. Solarna konstanta
Definiše se kao fluks energije Sunevog zraenja kroz jedininu površinu
normalnu na Sunev zrak pri srednjem rastojanju Sunce - Zemlja. Njena vrednost
iznosi oko 1380 W/m2 ili 1.98 cal/cm2/min ili 137 ergs/m2/sec i tokom vremena se ne
UV zracima kod lica koja se svakodnevno izlažu produženom dejstvu prirodnog ili
veštakog zraenja (mornari, zemljoradnici, radnici koji rade na planinma) nije teško
spreiti nošenjem specijalnih naoara, koje upijaju ili odbijaju UV zrake. Danas su
naoare sa UV filterima osnovni uslov po svim svetskim standardima, i svi
proizvoai naoara ih se strogo pridržavaju.
3.1.2. Dejstvo UV zraenja na kožu
U ovekovoj koži se najvei deo zraenja apsorbuje u epidermu, tj. u
površinskom sloju kože, stoga ošteenje koje je prouzrokovano UV zraenjem zavisi
ne samo od energije zraenja, nego i od propustljivosti epiderma. Dejstvo na kožu
sastoji se u pojavi eritema (crvenilo kože) i edema (otok na koži), posle nekoliko sati
od zraenja. Izvesno vreme nakon poetne upale kože ili pojave eritema, poveava se
Predrag Kolarž Diplomski rad
15
koliina kožnog pigmenta ili melanina, koji služi kao zaštitini sloj protiv UV zraenja.
Koža tada potamni.
Osetljivost kože na Sunce zavisi od njene pigmentacije, tj. od koliine melanina
u epidermu. Ta osetljivost se naziva fotobiološki tip kože, postoji ukupno 6
fotobioloških tipova kože. Na našem podneblju fotobiološki tip kože je izmeu 3 i 4.
Za nastanak Sunevih opekotina presudna je dilatacija krvnih sudova koji se nalaze
upravo ispod tog površinskog sloja i ta dilatacija se manifestuje kao crvenilo kože ili
eritem.
Da bi se na prosenoj koži oveka dobila minimalna primetna eritemska reakcija,
potrebno je izložiti UV-B zraenju od 20 - 70 mJ/cm2, što je u medicini poznato kao
minimalna doza eritema (minimal erythema dose, MED). Zanimljivo je da, ukoliko bi
smo takav efekat hteli da proizvedemo sa UV-A zraenjem, trebala bi nam 600 do
1000 puta vea energija zraenja. Tabela (2) je bazirana na izlaganju od 3 MED-a
nepotamnele kože oveka, koja nije izlagana Suncu, i u njoj su dati opisi fototipova
kože i njeno ponašanje pri osunavanju.
Tabela 3. Fototipovi ljudske kože i njihova reakcija na Sunce, (3).
Fototip kože
Neizložena boja kože
MED opseg (mJ/cm2)
Osetljivost na UV zraenje Pregorevanje ili tamnjenje
I bela 15 - 30 vrlo osetljiva Uvek lako pregori, nikad ne potamni
II bela 25 - 40 vrlo osetljiva Uvek lako pregori, potamni malo uz teškoe
III bela 30 - 50 osetljiva Minimalno pregoreva, tamni postepeno i uniformno
IV svetlo braon 40 - 60 umereno osetljiva
Minimalno pregoreva, uvek dobro potamni
V braon 60 - 90 minimalno osetljiva
Retko pregoreva, obimno tamni (tamno braon)
VI tamno braon ili crna 90 - 150 neosetljiva ili
jedva osetljiva Nikad ne pregoreva, obilno tamni (crna)
Predrag Kolarž Diplomski rad
16
4. Jedinice kojiima se izražava UV zraenje, javni saveti o UV zraenju i potreba njegovog merenja
Postoji više naina na koje nadležne službe pokušavaju stanovništvu, koje živi na
podruijima sa visokim stepenom UV ozraivanja, da ukažu na stepen opasnosti koji
trenutno postoji. U nekim zemljama se daju javni saveti o dužini dnevnog izlaganja
Suncu, zatim šta obui da bi se zaklonili od UV zraenja, koje zaštitne faktore da
koriste, i sl. Dugoroni cilj savetovanja o UV zaenju je da pojedinci mogu da
procene šta ta vrednost ili indeks znai za njih na isti nain kao što procenjuju
temperaturu, i da se u skladu sa tim ponašaju.
U skorije vreme mnoge zemlje su poele da obezbeuju stanovništvu podatke o
UV zraenju. Nažalost, upotrebljavani su mnogi razliiti, ponekad i konfliktni podaci.
WMO (World Meteorological Organisation) je 1994. godine preporuila da se sve
zemlje prilagode standardizovanom UV indeksu. To je bilo bazirano na kalkulaciji
vremenskog izlaganja Suncu. Izlaganje Suncu je proraunato za isto nebo i varira u
odnosu na doba dana i godišnje doba
Sunev UV indeks (Tabela 4.) je vrednost proporcionalana sunevom zraenju u
podne podeljeno sa relativnom svetlosnom efikasnošu na kožu, ukupno po svim
talasnim dužinama u oblasti UV zraenja. Izraunava se prema uputstvu koje je
preporuila WMO. Model za izraunavanje indeksa uzima u obzir sledee ulazne
parametre: totalni sadržaj ozona, oblani pokriva, nadmorska visina, dnevno i
godišnje kretanje Sunca. UV indeks je bezdimenziona skala, pomou koje osobe sa
razliitm tipovima kože i osetljivosti, mogu da uspostave odnos UV indeksa i
individualne reakcije svoje kože. Prognoze i objavljivanje dnevnih vrednosti UV
indeksa daje stanovništvu mogunost da individualno ponašanje u odnosu na Sunce
prilagodi predvienom UV intenzitetu, ime se smanjuje rizik od neželjenih posledica
sunevog (UV) zraenja.
INDEKS STEPEN IZLAGANJA 0 - 2 minimalan 3 - 4 nizak 5 - 6 umeren 7 - 9 visok 10 + ekstremno visok
Tabela 4. UV indeks i stepen izlaganja (5).
Predrag Kolarž Diplomski rad
17
Problem sa konceptom vremena osunavanja je taj što je konverzioni faktor za
energiju vremena osunavanja loše definisan, i varijacije tipa kože znae da
individualno vreme osunavanja može varirati. Preporueni indeksi su bazirani na
standardima, i dati su u eritemalnim težinama ili vremenima izlaganja UV zraenju u
podne.
Jedan Wat UV zraenja po m2 (W/m2) površine na talasnoj dužini od 297 nm
naziva se "er". To je energija izražena u eritemnim jedinicama. Dejstvo UV zraenja
na kožu (doze ozraivanja) izražavaju se u milier asovima po m2 (mer⋅h/m2). Radi
dobijanja praga eritema normalne kože doza UV zraenja (biodoza) iznosi oko 80
mer⋅h⋅m-2. Ova jedinica se upotrebljava prilikom korišenja eritemnih sijalica (talasnih
dužina ispod 320 nm, koriste se u solarijumima, pri leenju nekih kožnih bolesti...)
koje deluju na ljudski organizam skoro kao i UV zraenje Sunca. Za ostale potrebe
koriste se jedinice J/cm2 ili W/m2.
5. Meusobno dejstvo UV zraenja i ozona
Zemljina atmosfera se sastoji iz nekoliko slojeva. Oblast u kojoj se atmosfera
dodiruje sa zemljom naziva se "troposfera". Njena debljina, zbog zavisnosti od
temperature, iznosi do 18 km iznad ekvatora, a iznad polova, 6 - 8 km i ona sadrži 3/4
ukupne mase atmosfere. Ovaj sloj je uzrok svih vremenskih promena kojima smo
izloženi.
Iznad troposfere, do 50 km visine, nalazi se "stratosfera". Odlikuje se
razreenim vazduhom, niskim vazdušnim pritiskom i niskim temperaturama (-40 oC
do -80 oC) do visine 25 - 30 km, a zatim visokim (+80 oC) u pojasu ozona (90 %
ukupnog ozona u atmosferi) ija apsorpcija UV zraenja dovodi do porasta
temperature. Na veim visinama, pri prelasku u stratopauzu tj. mezosferu, temperatura
opada. U tom sloju su prisutna velika vazdušna kretanja. Na veim visinama su
karakteristina razna fotohemijska dejstva na strukturu atmosfere, kao i na
temperaturu, pa dolazi do disocijacije i rekombinacije molekula i atoma, kao i do
jonizacije molekula kiseonika, azota i drugih.
Predrag Kolarž Diplomski rad
18
Kiseonik u stratosferi apsorbuje srazmerno velike koliine UV zraenja. Pri tome
dolazi do disocijacije molekula kiseonika O2 (na talasnim dužinama kraim od 242
nm) na dva atoma kiseonika koji se spajaju sa molekulima O2 u molekule ozona (O3: 3
oksidni atomi).
O2+hν-→O+O
O+O2-→O3
Oni se dalje pod uticajem UV zraenja nešto veih talasnih dužina (kraih od 300
nm) ponovo dekomponuju (O3 se raspada na O2 i O):
O3-→O2+O
što dovodi do hemijske ravnoteže na tim visinama. Ozon u stratosferi formira
pokriva, koji je tanji nad tropima (oko ekvatora) i zbijeniji prema polovima.
Proporcionalno se najvea koliina ozona nalazi u stratosferi (oko 90 %) sa
maksimumom na oko 23 km nad morem na srednjoj geografskoj širini. Samo se oko
10 % atmosferskog ozona nalazi u troposferi (na visini od 0 - 10 km).
Koliina ozona iznad neke take na Zemlji meri se u Dobsonovim jedinicama
(DU).
Slika 3. Ozon iznad izvesne oblasti komprimovan na STP.
Ukupan ozon se definiše tako da bude jednak koliini ozona koja se sadrži u
vertikalnoj stubu (koloni) baze 1 cm2 na standardnoj temperaturi i pritisku (STP,
"standard temperature and pressure", što predstavlja temperatura od 00C i pritisak od 1
Predrag Kolarž Diplomski rad
19
atmosfere). Može se izraziti u jedinicama pritiska, a tipina vrednost je oko 3
atmosferska centimetra. Frekventniji izraz je miliatmosferski centimetar, koji je
takoe poznat kao Dobsonova jedinica (Dobson Unit, DU). Jedna Dobsonova jedinica
odgovara prosenoj atmosferskoj koncentraciji od oko milijarditog dela zapremine (1
ppbv, part per billion by volume) ozona. Prosena koliina ozona je u opsegu od 230
do 500 Dobsonovih jedinica, sa svetskim prosekom od oko 300 DU, mada ozon nije
ravnomerno rasporeen po vertikalnoj koloni.
Jedinica se naziva po G.M.B. Dobsonu, jednom od prvih naunika koji su
istraživali atmosferski ozon (1920-1960). On je konstruisao "Dobsonov spektrometar"
- standardni instrument koji se koristi za merenje ozona sa Zemlje.
Koliina ozona koji štiti Zemlju od UV zraenja opada u proseku oko 3 % tokom
svake dekade. Ovo opadanje ne može biti opravdano prirodnim fenomenima kao što
su: kruženje Sunca, vulkanske aktivnosti ili atmosferska cirkulacija. Trošenje ozona je
primarno prouzrokovano hlorom (Cl) sadržanim u CFC-u (hlorom i fluorom potpuno
supstituisani ugljovodonici, poznatiji kao hlorofluorougljenici), sintetikim
hemikalijama koje se kao posledica industrijalizacije intenzivnije puštaju u atmosferu
poevši od 1940. godine. Te hemikalije imaju vrlo dug život u atmosferi, i kad preu u
stratosferu mogu se fotodisocirati pomou Sunevog zraenja i otpuštati hlor. Postoji
više vrsta CFC-a od kojih su najznaajniji CCl3F (CFC11), CCl2F2 (CFC12), C2Cl3F3
(CFC113), C2Cl2F4 (CFC114) i C2ClF5 (CFC115)... Ovi atomi Cl reaguju katalitiki sa
ozonom u procesu koji regeneriše Cl, tako da svaki atom može da uništi desetine od
hiljada molekula ozona (slika 4).
Predrag Kolarž Diplomski rad
20
Slika 4. Šematski prikaz uništavanja ozona Cl-om otpuštenim iz CFC molekula
Svakih 1 % smanjenja ozona rezultira poveanjem od oko 1.3 % do 1.8 % UV-B
zraenja koje stiže na površinu Zemlje. Zbog toga se smatra da je stanjivanje ozonskog
sloja do sada prouzrokovalo relativno malo poveanje UV-B zraenja (280 - 320 nm)
koje stiže na Zemlju, ne raunajui oblast troposfere.
Od kraja 50 ih godina ovoga veka došlo je do poveavanja troposferskog ozona.
To poveanje je uzrokovano antropogenim emisijama kao što su azotovi oksidi i
hidrokarboni (fotohemijske reakcije). Ipak, ovo prizemno poveanje ozona ne može da
kompenzuje gubitak ozona u stratosferi.
Treba napomenuti da se atmofsera iz godine u godinu ponaša drugaije. ak iako
se isti proces koji dovodi do stanjivnja ozonskog omotaa ponavlja svake godine,
efekat koji on ima na ozon je uslovljen meteorologijom atmosfere, posebno iznad
Antarktika. Ovo je poznato kao varijabilnost atmosfere. Varijabilnost dovodi do
promena u koliini osiromašenog ozona, i vremenu kada to osiromašenje (stanjivanje)
Predrag Kolarž Diplomski rad
21
poinje i kada se završava, što dodatno otežava merenja i praenje ukupnog stanja
ozona u stratosferi.
5.1. Merenje ozona i UV zraenja satelitski nošenim TOMS instrumentom
TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) je spektrometar koji se merenja vrši
iz satelita i koristi se za poboljšanje globalne slike nivoa ozona, UV zraenja i aerosola
u atmosferi. TOMS instrumenti se nalaze na više satelita (Nimbus 7, Meteor 3,
ADEOS, Earth Probe) koji se nalaze na razliitim visinama u orbiti, tako da u skladu
sa atmosferskim kretanjima, mogu da vrše razliita merenja i monitoring sa mnogo
veim razlaganjem nego spektrometri koji merenja vrše sa zemljine površine.
TOMS/Earth Probe meri celokupan ozon tako što meri dolazee zraenje sa
Sunca i povratno rasuto Sunevo zraenje, posebno u UV intervalu. Povratno rasuto
sunevo zraenje dolazi do Zemljine niže atmosfere i onda se na molekulima vazduha
i oblaka rasipa i vraa kroz stratosferu do senzora satelita. Duž puta deo UV zraenja
apsorbuje ozon. Mereni opsezi talasnih dužina su centrirani na 312.5, 317.5, 331.3,
339.9, 360.0 i 380.0 nm. Prve etiri talasne dužine u veoj ili manjoj meri apsorbuje
ozon, a zadnje dve se koriste za procenu reflektivnosti. Raunati nivoi ozona se zovu
“stubovi ozona” (izraženi u DU). Poreenjem koliine rasutog zraenja u odnosu na
dolazee zraenje na identinim talasnim dužinama, naunici mogu da izraunaju
Zemljin albedo. Iz promene reflektivnosti, na odabranim talasnim dužinama, može se
izraunati koliina ozona.
5.2. Šta je uinjeno do sada
Globalni sporazum o smanjenju CFC-a usledio je Bekom konvencijom za
zaštitu ozonskog omotaa, Montrealskim Protokolom (Montreal,1987) u koji je
obuhvatio 5 vrsta CFC-a (11,12,113, 114, 115) njegovim revizijama (London, 1990)
koja je obuhvatila još 10 vrsta CFC-a i zadnja u Kopenhagenu (1992).
Postignut je dogovor o kontroli industrijske proizvodnje mnogih halokarbona do
2030. godine. Posle 1995. godine zemlje potpisnice više nee proizvoditi glavninu
CFC-a, osim ograniine koliine za elementarne potrebe, kao što su medicinski
sprejevi.
Predrag Kolarž Diplomski rad
22
Zemlje Evropske zajednice su usvojile još strože mere nego što su one tražene
Montrealskim protokolom. Prepoznajui svoju odgovornost ka globalnom okruženju
one su se složile da zaustave produkciju glavnine CFC-a do poetka 1995. godine.
Usvojeni su i stroži kriterijumi za upotrebu ostalih komponenti koje uzrokuju
stanjivanje ozonskog omotaa.
Takoe, postignuti su brojni sporazumi kroz Globalno atmosfersko bdenje
(Global Atmosphere Watch, GAW) istraživanja ozona i aktivnosti monitoringa, kao i
na Okvirnoj konvenciji o promeni klime (Framework Convetion on Climate Change),
Konvenciji o transgraninom prenosu zagaenja vazduha (Convention on Long - range
Transboundary Air Pollution) i ostalim konvencijama za zaštitu okoline korišenjem
rezultata projekata GAW-a.
Svetska meteorološka organizacija je procenila do 2045. godine, propisana
ogranienja i aktivnosti, treba da dovedu do oporavka ozonskog omotaa, ali skorašnja
istraživanja su pokazala da je problem mnogo vei nego što je predviano.
6. Svrha merenja UV zraenja
Razliiti fluksevi zraenja ka i od površine Zemlje su meu najvažnijim
promenljivim u toplotnom bilansu Zemlje kao celine i svakog dela njene površine ili
atmosfere posebno. Merenje zraenja se radi u sledee svrhe:
a) Za izuavanje transformacije energije unutar sistema Zemljine atmosfere i
njegove varijacije u vremenu i prostoru.
b) Analiza svojstava i raspodele atmosfere sa osvrtom na njene konstituente kao
što su aerosoli, vodena para, ozon, itd.
c) Izuavanje raspodele i promena dolazee, odlazee i ukupne radijacije.
d) Zadovoljavanje potreba biologa, lekara, agronoma, arhitektonskih i
industrijsih aktivnosti u pogledu zraenja
e) Verifikacija satelitskih merenja radijacije
Predrag Kolarž Diplomski rad
23
6.1. Jedinice i skale
U meteorološkoj praksi jedinice za zraenje usklaene su sa meunarodnim
sistemom jedinica (Si) datim u tabeli (4.a.) i (4.b.)
Tabela 4.a. Fotometrijske veliine, (8).
Ime Simbol Jedinica Koliina svetlosti Qv 1 m⋅s Fluks svetlosti Φv lm Ekscitacija svetlosti Mv lm⋅m-2
Iluminacija Ev lm⋅m-2 = lx Izlagaje svetlosti Hv lm⋅m-2⋅s = lx⋅s Intenzitet svetlosti Iv lm⋅sr-2 = cd Osvetljenje Lv lm⋅m-2sr-1=cd⋅m-2
Intenzitet zraenja (Mv;Ev) Lm⋅m-2
Tabela 4.b. Radiometriske veliine, (8).
Ime Simbol Jedinica Relacija Primedba Energija zraenja (W) J = W⋅s Fluks zraenja (P) J = W/s Φ = dQ/dt Snaga
Intenzitet fluksa zraenja
(M), (E) W/m2 dΦ/dA=d2Q/(dAdt)
Fluks zraenja bilo kog porekla koji prolazi kroz element površine
Pobuda zraenja M W/m2 M = dΦ/dA Fluks zraenja bilo kog porekla koji izlazi sa elementa površine
Ozraivanje E W/m2 E = dΦ/dA Fluks zraenja bilo kog porekla koji pada na element površine
Zraenje L W/m2sr L=(d2Φ/dΩ)⋅dA⋅cosθ Zraenje je konzervativna veliina u optikom sistemu
Izlaganje zraenju H J/m2 H=dQ/dA = 2
1
t
t
Edt Može se koristiti za dnevnu sumu globalnog zraenja, itd.
Intenzitet zraenja I W/sr I = dΦ/dΩ Može se koristiti samo za odlazee zraenje iz takastih izvora
6.2. Meteorološki zahtevi za merenje Sunevog zraenja po preporukama WMO
6.2.1 Podaci za akviziciju
Ozraivanje i izlaganje zraenju su naješe veliine koje treba sakupiti i
arhivirati. Postoji potreba za mnogim podacima i u kraim vremenskim periodima,
Predrag Kolarž Diplomski rad
24
manje od minuta ili 10 sekundi (za neke energetske primene), a esto se koriste i
dnevne ukupne sume zraenja.
Za merenja zraenja uopšte, posebno je važno da se zabeleže i naprave
dostupne informacije o uslovima osmatranja. Ovo ukluuje tip instrumenta, njegovu
istoriju i njegovu lokaciju, izlagajne i održavanje instrumenta.
Zahtevana tanost se najbolje postiže ako se merenja vrše svakog minuta, ak i
ako se krajnji podaci integrišu za period od jednoga sata ili više. Prednost se daje
sistemima sa digitalnim zapisom podataka. Grafiki prikupljeni podaci i druge vrste
integratora su mnogo manje praktini i sa njima je teško održavati adekvatan nivo
preciznosti oitavanja.
6.2.2. Vreme merenja
U svetskoj mreži za merenje zraenja, važno je da podaci budu homogeni ne
samo za kalibraciju, nego i za vremena merenja. Zbog toga sva merenja zraenja treba
da budu usklaena sa “pravim Sunevim vremenom”. Ipak, standardno ili univerzalno
vreme je zgodnije za automatske sisteme zato što je lakše za korišenje, ali je
prihvatljivo samo ukoliko preraunavanje na pravo sunevo vreme ne vodi znaajnom
gubitku podataka.
6.3. Klasifikacija i izbor instrumenata za merenje UV zraenja
Meteorološki instrumenti za zraenje su klasifikovani po raznim
kriterijumima: po tipu parametara koji se mere, oblasti koju instrument vidi,
spektralnom odzivu, glavnoj nameni. Apsolutni instrumenti su samokalibrišui,
zraenje koje pada na senzor zamenjuje se elektrinim signalom, koji može biti
precizno meren. Ta zamena, ipak, ne može biti apsolutno savršena; devijacija od
idealnog sluaja odreuje grešku merenja zraenja.
Ipak, veina instrumenata za zraenje nisu apsolutni i moraju se kalibrisati
pomou apsolutnih instrumenata. Preciznost merenja, zatim, zavisi od prateih faktora,
koji za dobro kalibrisane instrumente treba da budu poznati:
a) Rezolucija, najmanja promena u koliini zraenja koju instrument može da
detektuje;
Predrag Kolarž Diplomski rad
25
b) Dugovremenski poremeaj osetljivosti (stepen izlaznog elektrinog signala
za primenjeno ozraivanje) maksimalna mogua promena za, recimo, godinu dana;
c) Promena osetljivosti u zavisnosti od promene spoljašnjih parametara, kao
što su: temperatura, vlaga, pritisak, vetar,…;
d) Nelinearnost odziva, promene osetljivosti u zavisnosti od promena
ozraivanja.
e) Devijacija spektralnog odziva od zadatog, crnilo prijemne površine,…;
f) Devijacija direktnog odziva od zadatog, kosinusni odziv;
g) Vremenska konstanata instrumenta ili mernog sistema;
h) Nesigurnosti (izvori greške) u dodatnoj opremi;
Instrumenti treba da budu izabrani prema njihovoj krajnjoj upotrebi.
7. Merenje UV zraenja
Intenzitet globalnog sunevog UV zraenja koje dopire do Zemljine površine
zavisi od visine Sunca, sadržaja ozona u atmosferi, albeda površine, oblanosti i
zamuenosti atmosfere. Svi ovi faktori mogu u znatnoj meri da utiu na dnevni i
godišnji hod intenziteta UV sunevog zraenja, a samim tim i na njegovo merenje.
Merenje UV zraenja je teško zbog koliine zraenja koje dospeva na površinu
Zemlje i zavisnosti koju odreuju promene u stratosferskim ozonskim nivoima, i
naglim poveanjem opsega fluksa sa poveanjem talasne dužine. Grafik 4. ilustruje
promene fluksa izmeu 290 nm i 325 nm na vrhu atmosfere i na površini Zemlje u
Wm2/nm.
Predrag Kolarž Diplomski rad
26
Grafik 4. Efekat poveanja nivoa ozona na transmisiju UV-B zraenja kroz atmosferu.
(8)
UV zraenje je pod uticajem takvih atmosferskih pojava kao što su oblaci ili
aerosoli. Znaajan je i uticaj okolne sredine zbog višestrukog rasipanja. Ovo je
pogotovo izraženo na površinama koje su prekrivene snegom.
Teškoe u standardizaciji merenja UV zraenja potiu od promenljivosti namene
zbog koje se merenje vrši. Za razliku od veliine meteoroloških merenja, standardi
bazirani na globalnim potrebama još nisu uspostavljeni. U mnogim zemljama, merenja
UV zraenja ne rade samo meteorološki zavodi, nego i zavodi za zaštitu zdravlja, pa
usaglašavanje rada ovih službi dovodi do teškoa u standardizaciji instrumenata i
metoda osmatranja.
Do ovog trenutka, WMO nije uspostavila standarde koji bi upravljali merenjem
UV zraenja, ni u pogledu karakteristika instrumenata, ni u pogledu metoda merenja.
Zahtevi koji su stavljeni pred WMO Globalni projekat za istraživanje i monitoring
ozona (Global Ozone Reasearch and Monitoring Project) su:
Predrag Kolarž Diplomski rad
27
Tabela 5. Zahtevi za UV-B merenja (WMO, 1996, GUIDE, N06)
UV - B 1. Rezolucija talasne dužine - 1.0 nm ili bolje 2. Vremenska rezolucija - 10 minuta ili bolje 3. Ugaoni smer - razdvajanje u direktnu i difuznu komponentu ili bolje 4. Precizna kalibraciona strategija
Pomoni podaci:
a) Apsolutno neophodno 1. Totalna kolona ozona (u okviru100 km) 2. Optika dubina aerosola 3. Zemljin albedo 4. Oblani pokrov b) Vrlo preporuljivo: 5. Aerosoli, lidarski profil 6. Vertikalna raspodela ozona 7. Kratkotalasno izraivanje (globalana sunana radijacija) 8. Polarizacija zenitnog zraenja 9. Vodena para
8. Instrumenti za merenje UV zraenja
Za merenje UV zraenja postoje tri vrste komercijalnih instrumenata. Instrumenti
prve klase koriste širokopojasne filtere. Ovi instrumenti integrišu zraenje preko celog
UV-B ili UV-A spektra ili cele UV oblasti koja može da utie na ovekovo zdravlje.
Instrumenti druge klase koriste jedan ili više interferentnih filtera da bi integrisali uske
oblasti UV-A ili UV-B spektra. Trea klasa instrumenata su spektrometri koji koriste
Tabela 7. Temperatura sjaja TS[K], spektralna radijancija crnog tela NC(TS,900), emisivnost na (TW,900), radijancija stvarnog tela NS(TW,900), stvarna temperatura