Ю. Посудін. Моніторинг довкілля з основами метрологіїЛекція 8

ПРИРОДНІ ВИПРОМІНЮВАННЯ

Yuriy PosudinEnvironmental Monitoring with Fundamentals of

MetrologyLecture 8 NATURAL RADIATIONS

ПРИРОДНІ ВИПРОМІНЮВАННЯ

До природних випромінювань можна віднести сонячне, атмосферне випромінювання та випромінювання земної поверхні.

СОНЯЧНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

ВИПРОМІНЮВАННЯ ЗЕМНОЇ ПОВЕРХНІ

АТМОСФЕРНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

СОНЦЕ ТА ЙОГО ХАРАКТЕРИСТИКИ

• Спостереження за Сонцем за допомогою піргеліометра супутника Nimbus дали можливість визначити середню інтенсивність сонячного випромінювання (сонячну сталу):

1373 Вт/м2.

ПОТУЖНІСТЬ СОНЯЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

• Потужність сонячного випромінювання на земній поверхні:

Р = 1373 Вт/м2· π RЗ2 =

= 1373·12,75·1013 м2 = = 1,74·1017 Вт.

Сонце Земля

Інтенсивність сонячного випромінювання на поверхні Землі

I = P/S = (1,74∙1017 Вт/5,1∙1014 м2) == 342 Вт/м2.

Середня інтенсивність сонячного випромінювання в Україні

Від 115-145 Вт/м2 (Полісся)

до 185-215 Вт/м2 (Крим)

Загальна сонячна енергія

• Загальна сонячна енергія становить для сфери радіусом d = 1,496·1011 м:

Е = ІS = 1373 Вт/м2 ·4πd2 м2 = = 1373 Вт/м2 ·4·3.14·(1,496·1011)2 м2 =

= 3,88·1026 Вт.

Абсолютна температура Сонця

• Сонце можна розглядати як чорне тіло; відповідно Закону Стефана-Больтцмана:

σТ4 = 3,88·1026 Вт/4πRС2.

Звідси абсолютна температура Сонця дорівнює:

Т = 5770 К.

Короткохвильове випромінювання земної поверхні

• Відповідно Закону Віна λmaxT = 2,898·10–3 м K.

Звідсиλmax(Сонця) =

=(2,898·10–3 м K)/5770 K = =5,02·10–7 м =

=502·10–9 м = 502 нм.

λmax(Землі) = =(2,898·10–3 м K)/300 K =

=10·10–6 м = 10 мкм

Короткохвиольове випромінювання Довгохвильове

випромінювання

Теплове випромінювання Сонця та Землі

Розподіл сонячного випромінювання за інтенсивністю• 19 % прямого сонячного

випромінювання поглинається атмосферою;

• 20 % відбивається хмарами;• 6 % розсіюється атмосферою:

• 4 % відбивається земною поверхнею;• 51 % поглинається земною поверхнею.

Розподіл сонячного випромінювання за інтенсивністю

Випромінювальні властивості Сонця

Випромінювальні властивості Сонця описуються рівнянням:

ЕС =ЕСcos + ЕД

де ЕС – сумарна енергетична освітленість сонячним випромінюванням земної поверхні,

ЕСcos – енергетична освітленість земної поверхні прямим сонячним випромінюванням,

а Е Д – дифузним сонячним випромінюванням.

Діапазони спектра оптичного випромінювання

• Ультрафіолетова областьУФ-С 100280 нмУФ-В 280315 нмУФ-А 315380 нм

• Видима область 380440 нм• Інфрачервона область 7602500 нм

ОЗОНОВИЙ ШАР• Основна маса озону

атмосфери (близько 90 %) міститься в стратосфері на висоті 10–50 км з максимумом на висоті 20–25 км.

Effects of Ultraviolet Radiation

• Kератит • Кон’юнктивіт

Запалення рогівки ока Запалення кон’юнктиви – слизової оболонки ока

Ефекти УФ випромінювання

• Загар • Еритема

Ефекти УФ випромінювання

• Бактерицидна дія • Антирахітична дія

Ефекти УФ випромінювання

Злоякісна пухлина з пігментоутворючої тканини

Поглинання ДНК

• Саме УФ-В область призводить до еритеми, небезпечних генетичних порушень в організмі людини, раку шкіри.

Спектри поглинання білків та амінокислот

Вплив УФ на здоров’я людини

Поглинання УФ озоном

• Слід відмітити, що незважаючи на незначну концентрацію озону, він здатний поглинати ультрафіолетове сонячне випромінювання:

майже все випромінювання УФ-С області ( 200–300 нм ),

та частину випромінювання УФ-В області ( 280–320 нм ).

ВИМІРЮВАННЯ ОЗОНУ

• Загальний озон – Спектрофотометр Добсона, спектрофотометр Брюера

• Поверхневий озон – Хемілюмінесценція, ультрафіолетова фотометрія

• Озонові зонди – Brewer-Mast Ozonesonde, ECC Ozonesonde, Japanese Ozonesonde: KC-68 and RSII-KC79

• Лідари• Супутники

Вимірювання озону• Одиниці Добсона

використовуються для вимірювання «товщини» озонового шару.

• Якщо уявити, що всі молекули озону, які присутні в стратосфері, можна зібрати на поверхні (при нормальних тиску та температурі), то товщина цього шару становитиме 3 мм.

Ця кількість озону відповідає 300 DU

( одиницям Добсона ).

Absorption Spectrum of Ozone

Спектрофотометр Добсона

Спектрофотометр Добсона До недоліків можна віднести вплив

аерозолів та забруднень атмосфери, які поглинають на тих самих довжинах хвиль, на результати вимірювань.

Спектрофотометр Брюера• Вимірювання на

довжинах хвиль 306.3, 310.1, 313.5, 316.8,

320.1 nm.

Спектрофотометр БрюераBrewer Spectrophotometer

Спектрофотометр Брюера

Озоновий зондCourtesy of Prof. M. Ikeda

Озоновий зонд• Озоновий зонд

являє собою прилад, що встановлюється на повітряній кулі з газом, яка підіймається на висоту до 35 км.

Озоновий зонд

Озоновий зонд

• Три основних типи озонових зондів:

• the Brewer-Mast (BM),

• the electrochemical concentration cell (ECC), and

• the Japanese ozonezonde (KC).

Електрохімічна Концентраційна Комірка Озонового Зонду

2KI + O3 + H2O → 2KOH + I2 + O2.

I2 + 2e → 2I-

Ozonezondes

JPL and NOAA scientists launch an ozonesonde from the Table Mountain Facility. Meteorological balloons like this one also provided data

used in the study.

Результати вимірювання озону

ЛІДАР

Lidar Lidar (light detection and

ranging) beams from the tropospheric ozone lidar laboratory at JPL's Table Mountain Facility near Wrightwood, Calif., provided tropospheric ozone data used in the NOAA study.

• The actual beams used in the study were in the ultraviolet (invisible) wavelength.

LIDAR• Light Detection and Ranging

(LIDAR) is an ozone measurement technique that relies on absorption of laser light by ozone.

• A telescope is used to collect ultraviolet light that is scattered by two laser beams - one of which is absorbed by ozone (308 nm) and the other is not (351 nm).

• By comparing the intensity of light scattered from each laser, a profile of ozone concentration vs. altitude is measured from 10 km to 50 km.

Ракетний сенсор

Global Ozone Monitoring Experiment (GOME)

• The Global Ozone Monitoring Experiment (GOME) was launched in 1995 aboard the European Remote Sensing satellite (ERS).

• The objectives of this UV-visible spectrometer cover a wide range of scientific fields, spanning from stratospheric ozone and climate change studies to atmospheric pollution monitoring.

GOME-2 Spectrometer

• Спектральний діапазон 240-790 нм

• Об’єкти вимірювань O3, NO2, BrO, OClO, SO2, HCHO, хмари, аерозолі.

Global Ozone Monitoring Experiment (GOME)

GOME-2•http://www.esa.int/esaLP/SEMTTEG23IE_LPmetop_0.html

GOME-2

Обов’язково треба подивитися анімацію, що пояснює принцип дії GOME-2:

http://www.esa.int/esaLP/SEMTTEG23IE_LPmetop_0.html

Пасивні методи спостереження за озоном

• Пластикові контейнери обладнані пористим тефлоновим екраном, через який поступає за рахунок дифузії озон, який вступає в реакцію з барвником (Indigo Carmine dye), що супроводжується зміною кольору останнього залежно від концентрації озону .

Пасивні методи спостереження за озоном

• Зміна кольору від жовтого до темножовтого

(4 рівня)

• Діапазон концентрацій від < 0.045 ppm до > 0.105 ppm.

Спостереження за озоном

GLOBAL OZONE PASSIVE MONITORING PROJECT

Загальний озон

Озоновий шар

Параметри озонового шару

Площа озонової дірки

Концентрація озону

Періодичність сонячного випромінювання

Сонячні цикли:11 років; 22 роки; 87 років (70-100 років), 210 років та 2300 років

О.Л. ЧИЖЕВСЬКИЙ (18971964)• Видатний біофізик,

засновник геліобіології. Установив залежність між циклами активності Сонця та багатьма явищами в біосфері.

”Physical Factors of The Historical Process’’

•Stalin was aware of Chizhevsky’s research works and he was asked to retract his solar writings but he refused. •He was arrested on account of his solar writings and spent 8 years in a Stalin gulag in Ural, along with millions of others including thousands of scientists.• He was persecuted for his ‘’Physical Factors Of The Historical Process’’ and this is why he stopped his publications on this subject.

Смертність від чуми (Ауґсбурґ, 1501- 1650 рр.) та спалахи сонячної активності (за О. Чижевським,

“Земное эхо солнечных бурь», 1976 г.)

Атмосферне випромінювання• Атмосферне випромінювання спрямоване до

земної поверхні та у космос.

• Енергетична освітленість земної поверхні дорівнює енергетичній світності атмосфери

ЕA = МA

АТМОСФЕРНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

• На земну поверхню діє довгохвильове випромінювання атмосфери, за яке відповідають в першу чергу такі гази як водна пара, двоокис вуглецю та озон.

• Ці компоненти поглинають та випромінюють в області:

• вода - 5–7 мкм, а також на довжинах хвиль, що перевищують 17 мкм;

• двоокис вуглецю – поблизу 4,5 мкм та на довжинах хвиль більших ніж 13,5 мкм;

• озон – поблизу 9,6 мкм. • Крім того, атмосферні аерозолі беруть участь у

тепловому випромінюванні.

АТМОСФЕРНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

Спектр випромінювання атмосфери займає область 5–100 мкм; енергетична світність атмосфери визначається за виразом:

МA = εTA4

де ε – випромінювальна здатнiсть; – стала Стефана-Больцмана ( 5,6710-8 Втм-2К-4 );

TA – температура уявного абсолютно чорного тіла, яким можна моделювати атмосферу.

Вікна прозорості атмосфери

He:Ne-laser

CO2-laser

Вікна прозорості атмосфери

ВИПРОМІНЮВАННЯ ЗЕМНОЇ ПОВЕРХНІ

Енергетична світність земної поверхні визначається за виразом:

М З = TЗ

4,

де - випромінювальна здатність земної поверхні

Земля як сіре тіло

МE = εTE4

Тепловий механізм парникового ефекту

Короткохвильове випромінювання

Довгохвильове випромінювання

Водна параk = 0.599 Вт/м∙K

Повітряk = 0.0257 Вт/м∙K

Ґрунт k = 0.209 Вт/м∙K

ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ СОНЯЧНОГО

ВИПРОМІНЮВАННЯ

Prof. R. Otsuki, Kyushu University, Japan

ПІРГЕЛІОМЕТРИ

Піргеліометри – прилади для вимірювання прямого сонячного випромінювання при умові нормального падіння

Піргеліометр,

Eppley Pyrheliometer Конструкції приладів

передбачають застосування термопар або термобатарей як детекторів.

Точність цих приладів становить 0,4-0,5 %, що обумовлює їх застосування як піргеліометрів першого або другого класів.

Вимірювання дифузного випромінювання

• Прилад для вимірювання дифузного випромінювання обладнаний вузькою кільцеподібною стрічкою, яка затінює детектор від прямого сонячного випромінювання.

• В той же час, ця стрічка повинна бути достатньо вузькою, щоб не заважати реєстрації дифузного випромінювання.

• Кільцеподібна стрічка приєднана до електродвигуна для того, щоб слідкувати за рухом Сонця

ПІРАНОМЕТРИ

• Піранометри – прилади для вимірювання сонячного випромінювання,

що поступає з цілої півсфери

(кут зору 2 ср);

Піранометр

Піранометр• Для вимірювання

сонячного випромінювання, що потрапляє на горизонтальну поверхню з цілої півсфери (кут зору 2 ср) використовують піранометри.

• Термін «піранометр» походить від грецьких слів πῦρ+άνω+μέτρον − вогонь+нагорі+міра.

• Піранометр містить зіркоподібний детектор, чутливими елементами якого є забарвлені у чорний та білий колір термопари.

ПІРАНОМЕТР

• Залежно від чутливості піранометри поділяють на класи: перший

• ( 0,1 %); • другий ( 0,5 %)• та третій ( 1,0 %).

ПІРАНОМЕТР

• Перевагою термоелектричних приймачів є їхня здатність давати відліки в будь-якій ділянці спектра з постійною чутливістю. Прилади характеризуються високою лінійністю і дають відлік в абсолютних одиницях.

• До недоліків належать невисока чутливість і велика інертність. Прилади вимагають також частого контролю чистоти поверхні півсфер та якості осушувальної рідини між ними.

Вимірювання довгохвильового випромінювання • Вимірювання

довгохвильового випромінювання атмосфери та земної поверхні здійснюється за допомогою піргеометра, який являє собою піранометр, в якому скляні півсфери замінені на купол, що виконує функції інфрачервоного фільтра

Спектральна область пропускання цього фільтра становить 0,3100 мкм. Чутливість приладу дорівнює 10 %.

ПІРГЕОМЕТР

Вимірювання сумарного випромінювання

• Для вимірювання сумарного випромінювання (коротко- та довгохвильового), що проходить крізь горизонтальну площину, використовують піррадіометри.

Піррадіометр працює в діапазоні довжин хвиль 0,3 – 3,0 мкм.

Піранометр

Вимірювання альбедо • Альбедо є часткою

сумарного випромінювання, що відбивається природною поверхнею.

• Внаслідок вимірювань визначають відношення відбитого до сумарного випромінювання, тобто альбедо.

∑ = I0 + Iвідб

α = Iвідб/∑

Альбедометр

Вимірювання енергетичного балансу • Для вимірювання енергетичного балансу між вхідним

короткохвильовим та довгохвильовим випромінюванням відносно відбитого від поверхні короткохвильового та вихідного довгохвильового випромінювання застосовують чотириелементний сумарний радіометр

Первинний та вторинний піранометри

Pyranometers: Primary is in the middle and secondary on the left. Pyrgeometer is on right.

Первинний та вторинний піранометри

± 5%•

Спектральна чутливість приладів для вимірювання освітленості (лк), густини потоку фотосинтетичних

фотонів (ГПФФ) та енергетичної освітленості (Вт/м2) (after Nobel, 2005)

Спеціалізовані оцінки випромінювання

• Оптичне випромінювання видимої області спектра (400-700 нм) називається фотосинтетично активним випромінюванням (ФАВ).

ПІГМЕНТИ

Спеціалізовані оцінки випромінювання

• Кількість отриманих фотонів вимірюється в ейнштейнах (символ Е). Енергія одного моля фотонів дорівнює:

1 ейнштейн = 1 Е = NA h = 1 моль фотонів = 6,022·1023 фотонів,

де NA – число Авогадро (6,0231023 моль-1); h – енергія одного фотона.

Спеціалізовані оцінки випромінювання

• Для оцінювання співвідношення оптичного випромінювання з фотосинтетичною активністю рослин використовують густину потоку фотосинтетичних фотонів (ГПФФ), яка має одиницю вимірювання

мкЕм-2с-1 або мкмольм-2с-1.

Співвідношення між одиницями

Співвідношення між одиницями оптичного випромінювання

Е (мкЕм-2с-1), Е (Вт/м2) та Е (лк)

можна знайти на сайті: http://www.fb.u-tokai.ac.jp/WWW/hoshi/env/light.html

Відгук ідеального сенсора та типової рослини

http://envsupport.licor.com/docs/TechNote126.pdf

Silicon-Cell Quantometer

• By combining a photodiode with an interference filter and colored filters, it is possible to create a sensor with a spectral response similar to that of the photosynthetic system in plants

Спеціалізовані оцінки випромінювання

• Квантовий сенсор для вимірювання фотосинтетичного випромінювання складається з кремнієвого фотодіода, набору кольорових скляних фільтрів та інтерференційного фільтра.

Квантовий сенсор для вимірювання ФАР

Ультрафіолетові сенсори

UV Radiometer UM-10

• UM-250 220 nm - 300 nm

• UM-360 310 nm -400 nm

• UM-400 360 nm - 480 nm

Фотоелектронні помножувачі

Квантові детектори

МОНІТОРИНГ СОНЯЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Моніторинг сонячного випромінювання в Європі

Monitoring Solar Ultraviolet Radiation

НОРМОВАНІ ПОКАЗНИКИ ОСВІТЛЕННЯпри загальному освітленні

• Кабінети й робочі місця – 300 лк• Проектні зали і кімнати,• конструкторські бюро – 500 лк• Приміщення для роботи • з дисплеями – 400 лк• Читальні зали – 400 лк• Аналітичні лабораторії –500 лк• Аудиторії навчальні – 400 лк• Фойє – 150 лк

СВІТЛОВЕ ЗАБРУДНЕННЯ• ЗАБРУДНЕННЯ СВІТЛОВЕ - забруднення

фізичне, пов'язане з періодичним або тривалим перевищенням рівня природної освітленості місцевості внаслідок використання джерел штучного освітлення. Характерне для великих міст та індустріальних центрів. Самостійно або в поєднанні з ін. формами забруднення здатне призводити до аномалій в розвитку живих організмів, стати причиною їх виселення в ін. місця.

СВІТЛОВЕ ЗАБРУДНЕННЯ

• Світлове порушення власності – проникнення світла на чужу територію.

• Надмірне освітлення.• Осліплююче світло.• Світловий хаос.• Світлова заграва.

EUROPE

LIGHT POLLUTION

LIGHT POLLUTION

Animals

Конструктивне питання• Які молекули повітря і чому беруть

участь у парниковому ефекті?

• Чому молекула СО2 бере участь в цьому ефекті, а молекула О2 – ні?

Greenhouse Effect• The major

atmospheric constituents (N2 and O2) are not greenhouse gases, because homonuclear diatomic molecules do not absorb in the infrared as there is no net change in the dipole moment of these molecules.

• Typical gas phase values of some chemical compounds in debye units:

• Nitrogen: 0• Oxygen: 0• Carbon dioxide: 0 • Methane: 0

Carbon monoxide: 0.112

• Ozone: 0.53 • Water vapor: 1.85 • Nitrous oxide 0.17

Spectroscopic Mechanisms of Green-House Effect

C O O

O C O

O O

O O

C

C

Molecular structure of Carbon Dioxide

The asymmetric stretch mode

The bending mode

The symmetric stretch mode

The major natural greenhouse gases are:

water vapor (H2O), which in the cloudless case causes about 60-70% of the greenhouse effect on Earth,

•carbon dioxide (CO2) (about 26%) and

•ozone (O3).  (http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring04/atmo451b/pdf/RadiationBudget.pdf)