Εκτέλεση και απόλυτη βαθµονόµηση φασµατικών µετρήσεων της ολικής και άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας

Transcript

1 Εργαστηριακές Ασκήσεις και Mετρήσεις Πεδίου Α. Εκτέλεση και απόλυτη βαθµονόµηση φασµατικών µετρήσεων της ολικής και άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας Σκοπός του εργαστηρίου είναι η βαθµονόµηση του φασµατοφωτοµέτρου υπεριώδους ακτινοβολίας Brewer MKIII και η χρήση της συνάρτησης βαθµονόµησης σε µετρήσεις ολικής και άµεσης ακτινοβολίας. Πειραµατική εργασία Παρακολούθηση βαθµονόµησης φασµατοφωτοµέτρου µε πρότυπη λυχνία. Φασµατικές µετρήσεις της απευθείας και της ολικής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια µιας µέρας. Ζητούµενα αποτελέσµατα Υπολογισµός φασµατικής συνάρτησης βαθµονόµησης και αναφορά στη µεθοδολογία και τις παραδοχές που έγιναν. Εφαρµογή της συνάρτησης βαθµονόµησης σε µετρήσεις ολικής και άµεσης ακτινοβολίας Παρουσίαση των βαθµονοµηµένων µετρήσεων κατά τη διάρκεια µιας µέρας µετρήσεων Αναφορά στα πιθανά σφάλµατα κατά την διαδικασία της βαθµονόµησης και της επίδρασής τους στις µετρήσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας. Επικοινωνία: Στέλιος Καζαντζής

2 1. Η υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία Η συνολική ροή της ηλιακής ακτινοβολίας έξω από την γήινη ατµόσφαιρα, η οποία ονοµάζεται και ηλιακή σταθερά έχει τιµή 1368 W. m -2, µε απόκλιση ±3.3% που οφείλεται στην ελλειπτική τροχιά της γης γύρω από τον ήλιο. H µέγιστη τιµή της λαµβάνει χώρα τις πρώτες µέρες του Ιανουαρίου κατά τις οποίες η γη βρίσκεται στην µικρότερη απόσταση από τον ήλιο και η ελάχιστη τον Ιούλιο. Η φασµατική κατανοµή της ηλιακής ενέργειας έξω από την ατµόσφαιρα της γης είναι όµοια µε την εκποµπή µέλανος σώµατος µε θερµοκρασία 6000 ο Κ. Η µέγιστη ένταση αντιστοιχεί περίπου στα 550 nm. Το ποσό της ενέργειας που δέχεται η Γη σε ένα χρόνο είναι περίπου KWh. Το 30% της ενέργειας αυτής ανακλάται πίσω στο διάστηµα (Ζερεφός, 1984, Liou, 1980). Tο υπεριώδες µέρος (100 nm nm) του ηλιακού φάσµατος αποτελεί µόνο το 9% της ολικής ροής της ακτινοβολίας, το ορατό (400 nm nm) το 45% και το υπέρυθρο (740 nm nm) το 46% Παρόλο που η υπεριώδης ακτινοβολία αποτελεί µόνο το 9% της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος, η µελέτη της παρουσιάζει µεγάλο ενδιαφέρον καθώς έχει άµεσες επιδράσεις στα έµβια όντα, στα φυτά και στους θαλάσσιους οργανισµούς. Συνήθως, η υπεριώδης ακτινοβολία διαιρείται σε τρεις φασµατικές περιοχές σύµφωνα µε τα αποτελέσµατά της πάνω στα βιολογικά συστήµατα. Oι περιοχές αυτές είναι: UV-C : Ορίζεται ως η ακτινοβολία που περιλαµβάνει µήκη κύµατος από τα 100 nm έως και τα 280 nm. Η ακτινοβολία αυτή είναι πολύ επικίνδυνη όσον αφορά τις βιολογικές της επιπτώσεις αλλά απορροφάται εξ ολοκλήρου στο ανώτερο στρώµα της ατµόσφαιρας από το όζον (Ο 3 ) και από το µοριακό οξυγόνο (Ο 2 ) στην ανώτερη ατµόσφαιρα και δεν φτάνει στο έδαφος. Η περιοχή αυτή αντιπροσωπεύει το 0.5% του ολικού ηλιακού ενεργειακού φάσµατος. UV-B : Ορίζεται ως η ακτινοβολία που περιλαµβάνει µήκη κύµατος από τα 280 nm έως και τα 320 nm. (Πολλές φορές στη βιβλιογραφία ως ανώτατο όριο χρησιµοποιούνται τα 315 nm). Η ακτινοβολίας αυτή έχει κάποιες θετικές επιπτώσεις, όπως η παραγωγή της βιταµίνης D αλλά προκαλεί και βλάβες στους έµβιους οργανισµούς όπως η πρόκληση ερυθέµατος και καρκίνου στο δέρµα και καταρράκτη στα µάτια. Επίσης, έχει καταστροφικές συνέπειες στα οικοσυστήµατα όπως: η µείωση της φωτοσύνθεσης των φυτών, η αλλοίωση υποθαλάσσιων οργανικών συστηµάτων. Η περιοχή αυτή απορροφάται κυρίως από το στρατοσφαιρικό όζον (Ο 3 )

3 και αποτελεί το 1.5% του ολικού ενεργειακού φάσµατος. Η σχέση της µε την συγκέντρωση του όζοντος αλλά και οι επιπτώσεις της έχουν γίνει αντικείµενο µελέτης της επιστηµονικής κοινότητας τα τελευταία χρόνια (Zerefos et al., 1996; Madronich et al., 1995) UV-A: Ορίζεται ως η ακτινοβολία που περιλαµβάνει µήκη κύµατος από τα 320 nm έως και τα 400 nm.και αποτελεί το 6.3% της συνολικής ηλιακής ροής. Η περιοχή αυτή είναι επικίνδυνη µόνο σε µεγάλες δόσεις και είναι υπεύθυνη για τον σχηµατισµό της βιταµίνης D στον ανθρώπινο οργανισµό. Λόγω της σπουδαιότητας της υπεριώδους ακτινοβολίας για την βιόσφαιρα πλήθος µελετών έχει δηµοσιευθεί µε σκοπό την εξήγηση της διάδοσης της µέσα στη γήινη ατµόσφαιρα και όλων των παραγόντων που την επηρεάζουν (Liu et al., 1991). H υπεριώδης ακτινοβολία που φτάνει στο ανώτατο όριο της ατµόσφαιρας έχει ένταση περίπου 127 W/m 2. Κατά τη διέλευση της ακτινοβολίας µέσα από την ατµόσφαιρα υπόκειται σε µηχανισµούς απορρόφησης και σκέδασης, µε αποτέλεσµα την εξασθένησή της. Η κατανόηση των µεταβολών της υπεριώδους ακτινοβολίας και των παραγόντων που την επηρεάζουν βασίζεται στις επίγειες µετρήσεις της (Bais et al., 1993; Blumthaler et al., 1994; Seckmayer et al., 1995). Στο σχήµα 1 παρουσιάζεται η φασµατική κατανοµή της υπεριώδους ακτινοβολίας όπως φτάνει στο ανώτατο όριο της ατµόσφαιρας, καθώς και η µετρούµενη στο έδαφος ροή της ακτινοβολίας, για κάθετη πρόσπτωση των ηλιακών ακτινών. ΣΧΗΜΑ 1 1E+3 Ροή υπεριώδους ακτινοβολίας (mw.m -2.nm -1 ) 1E+2 1E+1 1E+0 1E-1 Ανώτατο όριο ατµόσφαιρας Έδαφος 1E Μήκος κύµατος (nm) Σχήµα 1: Φασµατική κατανοµή της έντασης της ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας στο όριο της ατµόσφαιρας (συνεχής γραµµή) και στο έδαφος (διακεκοµµένη γραµµή).

4 2. Όργανα φασµατικών µετρήσεων υπεριώδους ακτινοβολίας Τα όργανα µέτρησης της υπεριώδους ακτινοβολίας µπορούν να διαχωριστούν σε τρεις κατηγορίες ανάλογα µε τις απαιτήσεις της επιστηµονικής κοινότητας: τα όργανα φασµατικών µετρήσεων, τα ακτινόµετρα ευρέως φάσµατος και τα δοσίµετρα. Οι δύο πρώτες κατηγορίες περιλαµβάνουν όργανα τα οποία µετρούν και καταγράφουν ένα ηλεκτρικό σήµα σαν αποτέλεσµα της ροής της ακτινοβολίας που δέχονται, είτε σε συγκεκριµένα µήκη κύµατος, είτε σε συγκεκριµένα εύρη µηκών κύµατος. Είναι τα πιο διαδεδοµένα όργανα µετρήσεων της ροής της ακτινοβολίας η οποία προσπίπτει σε µια µοναδιαία οριζόντια επιφάνεια. Τα δοσίµετρα είναι ειδικές συσκευές που µπορούν να τοποθετηθούν σε οποιαδήποτε θέση λόγω των µικρών τους διαστάσεων και είναι σε θέση να καταγράφουν την ροή της ακτινοβολίας προσθετικά καθώς κάποια χαρακτηριστικά τους µεταβάλλονται µε την αύξηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η ευκολία στη χρήση τους έγκειται στο γεγονός ότι µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε περιπτώσεις που απαιτείται η µέτρηση της ακτινοβολίας σε επιφάνειες διαφορετικής κλίσης. Επίσης µπορούν να τοποθετηθούν σε σηµεία όπου άλλα όργανα αδυνατούν, όπως π.χ. πάνω στο ανθρώπινο σώµα ή στα φύλλα των φυτών. Παρόλα αυτά, από τη στιγµή που η έκθεση στην ακτινοβολία έχει ολοκληρωθεί, είναι αναγκαία η ανάπτυξη αξιόπιστων µεθόδων ανάλυσης των αποτελεσµάτων. Το φασµατοφωτόµετρο Brewer Στην παρούσα άσκηση θα πραγµατοποιηθούν µετρήσεις της υπεριώδους Α και Β ακτινοβολίας, µε τη χρήση του φασµατοφωτοµέτρου τύπου Brewer MKIII του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατµόσφαιρας. Το φασµατοφωτόµετρο Brewer είναι ένας διπλός µονοχρωµάτορας ο οποίος λειτουργεί στην περιοχή nm. Μετρά την ολική ροή της ακτινοβολίας η οποία φτάνει στο έδαφος µε βήµα 0.5nm και διακριτική ικανότητα 0.55nm. Είναι τοποθετηµένο πάνω σε ένα αυτόµατο σύστηµα το οποίο παρακολουθεί την πορεία του ήλιου (tracker), το οποίο είναι απαραίτητο για την περίπτωση των φασµατικών µετρήσεων της απευθείας ηλιακής ακτινοβολίας και της συγκέντρωσης του όζοντος. Το όργανο είναι συνδεδεµένο µε ένα υπολογιστή από τον οποίο µπορούν να προγραµµατιστούν το είδος και η ακριβής στιγµή της επιθυµητής µέτρησης. Το µεταλλικό κουτί µέσα στο οποίο υπάρχουν όλα τα ηλεκτρονικά, µηχανικά και οπτικά

5 στοιχεία του οργάνου είναι αδιάβροχο και προστατεύεται από ισχυρά ηλεκτρικά πεδία που µπορεί να προκληθούν από κεραυνούς. Οι µετρήσεις της ολικής ροής της ακτινοβολίας πραγµατοποιούνται µέσω ενός πλακιδίου διάχυσης κατασκευασµένο από τεφλόν. Το πλακίδιο αυτό προστατεύεται από ένα θόλο από quartz σε σχήµα ηµισφαιρίου. Επίσης οι µετρήσεις της απευθείας ηλιακής ακτινοβολίας (direct sun) ή της ακτινοβολίας που προέρχεται από το ζενίθ του ουρανού (zenith sky) πραγµατοποιούνται µέσω ενός παραθύρου από quartz η επιφάνεια του οποίου σχηµατίζει γωνία 45 ο µε το οριζόντιο επίπεδο. Οι µετρήσεις αυτές χρησιµοποιούνται στον υπολογισµό της κατακόρυφης στήλης του όζοντος (Brewer, 1973). Στο πάνω µέρος του οργάνου υπάρχει ένα παράθυρο παρατήρησης το οποίο δίνει την δυνατότητα στους χειριστές του οργάνου να µπορούν να ελέγχουν ανά πάσα στιγµή αν οι ρυθµίσεις που έχουν προγραµµατιστεί µέσω του υπολογιστή είναι οι κατάλληλες για το κάθε είδος µέτρησης. Το λογισµικό που χρησιµοποιείται δίνει τη δυνατότητα καταγραφής και αποθήκευσης όλων των δεδοµένων τα οποία προέρχονται από µετρήσεις ατµοσφαιρικών παραµέτρων είτε από διαδικασίες ελέγχου της καλής λειτουργίας του οργάνου (SCI-TEC, 1985). Επίσης, δίνει τη δυνατότητα ελέγχου της κίνησης των µηχανικών εξαρτηµάτων που χρησιµοποιούνται κατά τη διάρκεια λειτουργίας του φασµατοφωτοµέτρου. Η ολική ροή της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας, προσπίπτει στο πλακίδιο διάχυσης και στη συνέχεια µε τη βοήθεια ενός πρώτου πρίσµατος εισόδου µικρής απορροφητικότητας, κατευθύνεται σε ένα δεύτερο περιστρεφόµενο πρίσµα. Το πρίσµα αυτό µπορεί επίσης να στραφεί προς την διεύθυνση του ηλιακού δίσκου ή προς το ζενίθ του ουρανού κατά τις µετρήσεις της απευθείας ακτινοβολίας ή της ακτινοβολίας που προέρχεται από το ζενίθ. Τέλος, µπορεί να κατευθυνθεί µε διεύθυνση κατακόρυφη και φορά προς τα κάτω για να πραγµατοποιήσει µετρήσεις της ακτινοβολίας µιας λυχνίας αλογόνου (standard lamp) ή µιας λυχνίας υδραργύρου (HG Lamp). Οι πηγές αυτές χρησιµοποιούνται, η πρώτη γα να ελέγχεται η σταθερότητα του οργάνου σε µακροχρόνια βάση και η δεύτερη για την βαθµονόµηση του οργάνου ως προς το µήκος κύµατος, θέµα που θα αναφερθεί λεπτοµερέστερα στη συνέχεια. Το αυτόµατο σύστηµα που περιστρέφει εξ ολοκλήρου το σώµα του οργάνου εξασφαλίζει ότι το όργανο στοχεύει ακριβώς στην διεύθυνση του αζιµουθείου του ήλιου. Το ηλιακό φως από το πρίσµα εστιάζεται σε ένα σηµείο όπου περνά από µια οπή εισόδου (ίριδα) (και στη συνέχεια ανάλογα µε το είδος της µέτρησης διαχέεται

6 από ένα πλακίδιο διάχυσης από quartz). Στη συνέχεια υπάρχουν κάποια φίλτρα γνωστής απορροφητικότητας που βρίσκονται τοποθετηµένα σε ένα κυκλικό δίσκο ο οποίος µπορεί να περιστρέφεται και να παρεµβάλλει το κατάλληλο φίλτρο κατά τη διάρκεια της µέτρησης. Το φως περνά από τη σχισµή εισόδου και ανακλάται σε µια ανακλαστική επιφάνεια πριν καταλήξει σε ένα κινητό διάφραγµα. Για την περίπτωση του διπλού µονοχρωµάτορα ακολουθεί και δεύτερη ανάκλαση και πριν το φως καταλήξει στην είσοδο του φωτοπολλαπλασιαστή περνά από µια κινητή µονάδα που αποτελείται από διαφορετικές σχισµές και από ένα φίλτρο που απορροφά όλο το ορατό φως, το οποίο είναι ανεπιθύµητο στην περίπτωση των µετρήσεων της υπεριώδους ακτινοβολίας. Τα περισσότερα από τα προαναφερθέντα µηχανικά εξαρτήµατα του οργάνου είναι συνδεδεµένα µε µικροµετρικούς κινητήρες που µπορούν να κινούνται κατά συγκεκριµένα βήµατα τα οποία ελέγχονται από τον υπολογιστή. Για παράδειγµα, η ίριδα µπορεί να µετακινηθεί καταλαµβάνοντας δύο διαφορετικές θέσεις (ανοιχτή και κλειστή) οι οποίες καθορίζουν το οπτικό πεδίο σε 2.5 ο και 1.5 ο αντίστοιχα και χρησιµοποιούνται ανάλογα µε το είδος της επιθυµητής µέτρησης. Στην περίπτωση των µετρήσεων της απευθείας ακτινοβολίας η ίριδα είναι κλειστή (1.5 ο ), ενώ η διάµετρος του ηλιακού δίσκου είναι 0.5 ο. Αυτό συµβαίνει για να αποκόπτεται η ανεπιθύµητη ακτινοβολία που προέρχεται από σκέδαση σε διευθύνσεις που σχηµατίζουν µικρές γωνίες µε τις ηλιακές ακτίνες. Η ένταση της ακτινοβολίας που εισέρχεται µέσα στο όργανο ποικίλλει ανάλογα µε την ζενίθεια ηλιακή γωνία και το µετρούµενο µήκος κύµατος. Τα φίλτρα εξασθένησης, που χρησιµοποιούνται, παρεµβάλλονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε το φως που εισέρχεται στον φωτοπολλαπλασιαστή να µην ξεπερνά ένα ορισµένο όριο έντασης πάνω από το οποίο υπάρχει κίνδυνος καταστροφής του φωτοπολλαπλασιαστή. Το πολωτικό φίλτρο µειώνει την διαφορά που υπάρχει µεταξύ ανέφελων µετρήσεων και µετρήσεων που έχουν γίνει παρουσία νεφών. Αυτό γιατί σε µετρήσεις χωρίς την παρουσία νεφών υπάρχει ισχυρή πόλωση του φωτός λόγω της σκέδασης Rayleigh. Τα κινούµενα φράγµατα ανάκλασης είναι συνδεδεµένα µε δύο περιστρεφόµενους κοχλίες που µπορούν να κινούνται µε µικροµετρικές κινήσεις και να κάνουν δυνατή την µέτρηση µιας ανάκλασης από µια συγκεκριµένη διεύθυνση που σηµαίνει ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος του ηλιακού φάσµατος. Ένα βήµα του κοχλία αντιστοιχεί σε περίπου nm του φάσµατος.

7 Ο διπλός µονοχρωµάτορας απεικονίζεται στο ακόλουθο σχήµα: 3. Βαθµονόµηση του φασµατοφωτοµέτρου 3.1. Απόλυτη Βαθµονόµηση Οι φασµατικές µετρήσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας χρησιµοποιούνται για την κατανόηση και έρευνα διαφορετικών ατµοσφαιρικών φαινοµένων που σχετίζονται µε τη δράση της ακτινοβολίας αυτής. Σε µερικές περιπτώσεις είναι αρκετή η ύπαρξη δεδοµένων µε τη µορφή λόγων ροής της ακτινοβολίας σε διαφορετικά µήκη κύµατος, ενώ σε άλλες εφαρµογές είναι αναγκαία η απολύτως ορισµένη ροή της ακτινοβολίας σε W.m -2.nm -1. Στην πρώτη περίπτωση αναφερόµαστε σε σχετικές ενώ στη δεύτερη για απόλυτες µετρήσεις της ροής της ακτινοβολίας. Όσων αφορά τις σχετικές µετρήσεις (µετρήσεις της απευθείας ακτινοβολίας για τον υπολογισµό της στήλης του όζοντος µε τη βοήθεια της µεθόδου της διαφορικής απορρόφησης) πολλά όργανα παγκοσµίως είναι σε θέση να πραγµατοποιήσουν µετρήσεις µε ακρίβεια από 1% έως 5% για µεγάλες χρονικές περιόδους. Αντίθετα, ελάχιστα όργανα έχουν τη δυνατότητα να πραγµατοποιούν µετρήσεις µε ακρίβεια της τάξης του 3-5%. Η προσπάθεια για εξάλειψη των αβεβαιοτήτων των µετρήσεων αυτών είναι άρρηκτα συνδεδεµένη µε την βαθµονόµησή τους αλλά και άλλων επιµέρους σφαλµάτων που υπεισέρχονται κατά την διαδικασία των µετρήσεων. Για την βαθµονόµηση ενός φασµατοφωτοµέτρου χρησιµοποιούνται κυρίως πρότυπες πηγές ακτινοβολίας οι οποίες βαθµονοµούνται αρχικά από κάποια πρότυπα

8 ερευνητικά ινστιτούτα όπως τα: NIST (National Institute of Standards and Technology, USA), PTB (Physicalisch-Technische Bundesanstalt, Germany) και NPL (National Physical Laboratory, UK). Στα εργαστήρια αυτά χρησιµοποιούνται πρότυπες µέθοδοι βαθµονόµησης των πηγών αυτών µε τη χρήση τεχνικών όπως π.χ. το κρυογενικό φασµατοφωτόµετρο το οποίο βασίζεται στη µέτρηση της αύξησης της θερµοκρασίας του υγρού ηλίου κατά την πρόσπτωση σε αυτό µονοχρωµατικής ακτινοβολίας, συγκρίνοντάς την µε το ηλεκτρικό ρεύµα που προκαλεί το ίδιο φυσικό αποτέλεσµα, καθώς και άλλες µέθοδοι. Με τη βοήθεια των µεθόδων αυτών, βαθµονοµούνται πρότυπες πηγές (λυχνίες) που µπορούν να χρησιµοποιηθούν για τη βαθµονόµηση ενός φασµατοφωτοµέτρου Η συνολική αβεβαιότητα που υπεισέρχεται στον χαρακτηρισµό των προτύπων αυτών πηγών είναι της τάξης του ±3%. Αυτό σηµαίνει ότι εξαρχής, και για την φασµατική περιοχή από 280 nm έως και 400 nm υπάρχει ένα όριο στην µέγιστη απόλυτη ακρίβεια που µπορεί να επιτευχθεί, κατά την βαθµονόµηση του εκάστοτε φασµατοφωτοµέτρου. Τα σφάλµατα αυτά µπορεί να γίνουν ακόµη µεγαλύτερα µε τη διαδικασία της γήρανσης της πηγής µετά την χρήση της σε αρκετές βαθµονοµήσεις. Στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατµόσφαιρας και για την βαθµονόµηση του απλού και του διπλού µονοχρωµάτορα Brewer #005 και #086 αντίστοιχα χρησιµοποιούνται πρότυπες λυχνίες τύπου DXW 1000 Watt, οι οποίες χρησιµοποιούνται για βαθµονόµηση των οργάνων περίπου κάθε 4 µήνες. Χρησιµοποιούνται επίσης, δευτερεύουσες λυχνίες 1000 Watt κάθε µήνα. Οι δευτερεύουσες λυχνίες, αρχικά χαρακτηρίζονται φασµατικά χρησιµοποιώντας τις παράλληλα µε τις πρωτότυπες και στη συνέχεια η φασµατική εκποµπή τους λαµβάνεται κανονικά υπόψη για την διενέργεια της βαθµονόµησης. Η χρήση των δευτερευουσών λυχνιών γίνεται µε σκοπό την µείωση των ωρών λειτουργίας των πρότυπων λυχνιών (Μ. Ο. Ζωής είναι γύρω στις 40 ώρες) αφού το κόστος τους είναι πολύ µεγάλο. Τέλος σε εβδοµαδιαία βάση χρησιµοποιούνται 4 λυχνίες 50 Watt οι οποίες παίζουν το ρόλο του ελεγκτή της σταθερότητας και της διαπίστωσης ξαφνικών µεταβολών στα όργανα. Για την βαθµονόµηση του φασµατοφωτοµέτρου Brewer η διαδικασία της τοποθέτησης µιας λυχνίας σε µια συγκεκριµένη απόσταση και η µέτρησή της ροής της ακτινοβολίας που εκπέµπει, αρχικά µπορεί να θεωρηθεί µία απλή διαδικασία. Παρόλα αυτά η προσεκτική προσέγγιση των επί µέρους βηµάτων που ακολουθούνται

9 προκειµένου να υπάρξουν όσο το δυνατόν λιγότερες πηγές σφαλµάτων µπορεί να θεωρηθεί σαν ένας συνδυασµός της εµπειρίας του υπεύθυνου για τη βαθµονόµηση και της τεχνολογικής υποδοµής που διαθέτει το συγκεκριµένο εργαστήριο. Η λυχνία που χρησιµοποιείται ως πηγή ακτινοβολίας τοποθετείται σε απόσταση 50cm ή 70cm (εξαρτάται από το πιστοποιητικό χρήσης της κατασκευάστριας εταιρείας). Στην περίπτωση του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατµόσφαιρας η απόσταση ορίζεται στα 50±0.1cm. Πριν µετρηθεί η ακριβής απόσταση, θα πρέπει η επιφάνεια του φασµατοφωτόµετρου να είναι οριζόντια ως προς το έδαφος και ο άξονας του νήµατος της πηγής απολύτως παράλληλος ως προς το πλακίδιο διάχυσης εισόδου το οργάνου. Αυτό επιτυγχάνεται µε τη βοήθεια µιας σηµειακής πηγής Laser η οποία τοποθετείται ακριβώς επάνω από το σηµείο στήριξης της πηγής και χρησιµεύει επίσης στο να ευθυγραµµιστεί το κέντρο του νήµατος µε το κέντρο του πλακιδίου εισόδου του οργάνου. Η απόσταση πηγής εισόδου παίζει σηµαντικό ρόλο στην επίτευξη της βαθµονόµησης και θα πρέπει να µετράται µε ακρίβεια της τάξης του 1 mm. Η όλη διαδικασία βαθµονόµησης γίνεται σε ένα σκοτεινό θάλαµο στον οποίο όλες οι µεταλλικές και ανοιχτόχρωµες επιφάνειες έχουν αποµονωθεί µε σκοπό τον µηδενισµό των ανακλάσεων, ώστε οι µετρήσεις, του οργάνου να µην επηρεάζονται από το σκεδαζόµενο φως. Μετρήσεις στο σκοτεινό θάλαµο που βρίσκεται στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατµόσφαιρας (καλύπτοντας την απευθείας φωτεινή δέσµη µε χρήση ενός πετάσµατος πολύ κοντά στην πηγή) έδειξαν ότι το σκεδαζόµενο φως που φτάνει στο όργανο είναι ελάχιστο, κοντά στα όρια του υποβάθρου του οργάνου. Ως υπόβαθρο του φασµατοφωτοµέτρου ορίζεται η τυχαία καταµέτρηση µικρού αριθµού φωτονίων από τον φωτοπολλαπλασιαστή που δεν οφείλονται σε, προσπίπτουσα στο πλακίδιο εισόδου ακτινοβολία. Η πρότυπη λυχνία είναι συνδεδεµένη µε τροφοδοτικό συνεχούς τάσης µέσω ενός υπολογιστή. Το τροφοδοτικό τάσης έχει συνδεθεί µε δύο πολύµετρα ακριβείας που ελέγχουν την τάση και την ένταση στα άκρα της λυχνίας καθ όλη τη διάρκεια της διαδικασίας. Επίσης, σε σειρά συνδέεται και µία πρότυπη σταθερή αντίσταση (0.1Ω), η οποία χρησιµεύει για τη συνεχή παρακολούθηση του ρεύµατος που διαρρέει τη λυχνία. Ο έλεγχος της τροφοδοσίας γίνεται µέσω του υπολογιστή ο οποίος καταρχάς είναι υπεύθυνος για το σταδιακό άνοιγµα και κλείσιµο της λυχνίας (Για την αποφυγή απότοµης θέρµανσης και παραµόρφωσης του νήµατός της). Κατά τη

10 διάρκεια των µετρήσεων ο υπολογιστής µε τη βοήθεια αναλογικού-ψηφιακού µετατροπέα ελέγχει την τάση στα άκρα της πρότυπης αντίστασης (και εµµέσως και την ένταση του ρεύµατος) που διαρρέει τη λυχνία, κρατώντας την σταθερή στα 8Α. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγµα της έντασης και της τάσης του ρεύµατος που διαρρέει τη λυχνία στα άκρα της λυχνίας κατά την διάρκεια της βαθµονόµησης παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήµα: ΣΧΗΜΑ 2 Τάση (V) Ένταση (ma) Χρόνος (λεπτά) Σχήµα 2: Ένταση (κάτω) και τάση (επάνω) στα άκρα της πρότυπης λυχνίας κατά τη διάρκεια της βαθµονόµησης. Όπως θα αναφερθεί και στην εξήγηση των σφαλµάτων που υπεισέρχονται κατά την διαδικασία της βαθµονόµησης, σφάλµα της τάξης του 0.1% στο ρεύµα που διαρρέει τη λυχνία µπορεί να προκαλέσει αντίστοιχο σφάλµα 1% στη ροή της ακτινοβολίας που εκπέµπεται από τη λυχνία. Στην περίπτωση της βαθµονόµησης του διπλού αλλά και του απλού µονοχρωµάτορα Brewer, στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατµόσφαιρας η διακύµανση του ρεύµατος της λυχνίας περιορίζεται σε πολύ χαµηλά επίπεδα Κατά τη διάρκεια των 5 τελευταίων χρόνων και κατά τη διαδικασία βαθµονόµησης των οργάνων µέγιστη διακύµανση που έχει παρατηρηθεί είναι 0.05%. Μια τυπική διακύµανση του ρεύµατος, είναι αυτή που παρουσιάζεται στο σχήµα 3 και βρίσκεται

11 στα όρια του 0.01%, ποσοστό ικανοποιητικό για την εξάλειψη σφαλµάτων που θα επηρεάσουν απευθείας τα δεδοµένα των µετρήσεων των οργάνων. Γενικά η βαθµονόµηση ενός φασµατοφωτοµέτρου είναι µια διαδικασία η οποία εγκυµονεί πολλούς κινδύνους εισαγωγής σφαλµάτων. Η επιτυχία της εναπόκειται στη µεθοδικότητα και την προσοχή του κάθε επί µέρους βήµατος που χρειάζεται για την ολοκλήρωσή της. Ο κύριος λόγος των σφαλµάτων που προκύπτουν είναι η αποτυχία στην επιβεβαίωση των αποτελεσµάτων µετά από το τέλος κάθε ενδιάµεσου σταδίου της. Γενικά, η συχνότητα των βαθµονοµήσεων πρέπει να είναι τέτοια ώστε να καθιστά τα δεδοµένα των µετρήσεων έγκυρα. Η χρήση των οργάνων µέτρησης της υπεριώδους ακτινοβολίας θα πρέπει να συνοδεύεται πάντα από ένα ποσοστό αβεβαιότητας που υπεισέρχεται λόγω της διαδικασίας της βαθµονόµησης τους. Η φασµατική απόκριση του οργάνου καθορίζεται από τα φράγµατα ανάκλασης και από τον τρόπο που είναι κατασκευασµένα ώστε να δίνουν τη µέγιστη ανάκλαση σε κάποιο συγκεκριµένο µήκος κύµατος. Ένα παράδειγµα φασµατικών συναρτήσεων βαθµονόµησης του διπλού µνοχρωµάτορα παρουσιάζεται στο σχήµα 3. ΣΧΗΜΑ 3 % διαφορά συνάρτησης βαθµονόµησης Σχετική φασµατική απόκριση Μάιος 94 --> Μάιος 96 Μάιος 96 --> Σεπτέµβριος 99 Σεπτέµβριος 1999 Μάιος 1996 Μάιος Μήκος Κύµατος (Α) Σχήµα 4: Κάτω: Σχετική φασµατική απόκριση του διπλού µνοχρωµάτορα Brewer για τρεις διαφορετικές χρονικές περιόδους λειτουργίας του. Επάνω: Επί τοις εκατό διαφορά της φασµατικής απόκρισης του οργάνου µεταξύ των τριών περιόδων.

12 Η σχετική φασµατική βαθµονόµηση που παρουσιάζεται στο σχήµα 3 αφορά τον αριθµό των κρούσεων των φωτονίων ανά µήκος κύµατος, αφού έχουν διαιρεθεί µε το µέγιστο αριθµό κρούσεων που παρατηρήθηκε. Η µέγιστη σχετική απόκριση παρουσιάζεται στην περιοχή των 310 nm, και στην περιοχή των 290 nm παίρνει την τιµή 0.6. Όπως επίσης παρουσιάζεται στο σχήµα 3, η µεταβολή στη συνάρτηση φασµατικής απόκρισης για την περίοδο των τελευταίων έξι χρόνων έχει µεταβληθεί κατά ένα ποσοστό ± 8%. Η µεταβολή αυτή δεν γίνεται µόνο ως το απόλυτο µέγεθος της ακτινοβολίας, αλλά υπάρχει και σταδιακή αλλαγή στην συµπεριφορά του οργάνου ως προς τα φασµατικά του χαρακτηριστικά. Αλλαγές ως προς την απόλυτη τιµή της φασµατικής απόκρισης µπορεί να προέρχονται από διάφορους παράγοντες, όπως η γήρανση των οπτικών τµηµάτων εισόδου και κυρίως του πλακιδίου διάχυσης εισόδου. Επίσης, φασµατικές αλλαγές της τιµής της οφείλονται σε µετακινήσεις τµηµάτων που σχετίζονται µε την ανάκλαση της ακτινοβολίας στο εσωτερικό του οργάνου και κυρίως των φραγµάτων ανάκλασης. Προβλήµατα αυτού του είδους µπορούν να συµβούν κατά την µη προσεκτική µετακίνηση του οργάνου. Ιδίως στις περιπτώσεις όπου το φασµατοφωτόµετρο θα πρέπει να λάβει µέρος σε µετρήσεις εκτός του χώρου της καθηµερινής λειτουργίας του, ο έλεγχος της φασµατικής απόκρισης είναι αναγκαίο να γίνεται πριν και µετά την µετακίνησή του, αλλά και στο χώρο όπου το όργανο θα εκτελέσει τις επιθυµητές µετρήσεις Φασµατική βαθµονόµηση και διακριτική ικανότητα Ένα σηµαντικό πρόβληµα που µπορεί να εµφανιστεί στις µετρήσεις ενός φασµατοφωτοµέτρου είναι η µετατόπιση του συνόλου ή µέρους των φασµατικών µετρήσεων σε σχέση µε το µήκος κύµατος. Το πρόβληµα αυτό αντιµετωπίζεται µε τη χρήση πηγών υδραργύρου. Οι πηγές αυτές εκπέµπουν ακτινοβολία παρουσιάζοντας κάποια µέγιστα (κορυφές) σε κάποια γνωστά µήκη κύµατος της υπεριώδους περιοχής. Γνωρίζοντας από τη θεωρία τις τιµές των κορυφών αυτών µπορεί εύκολα να βαθµονοµηθεί φασµατικά το όργανο απλώς µετρώντας το φάσµα της πηγής αυτής κατά το διάστηµα µηκών κύµατος που ενδιαφερόµαστε. Το πρόβληµα γίνεται πιο πολύπλοκο µε βάση το γεγονός ότι ένα φασµατοφωτόµετρο δεν κάνει απολύτως µονοχρωµατικές µετρήσεις αλλά η µέτρηση που αντιστοιχεί σε ένα µήκος κύµατος αντιπροσωπεύει ένα εύρος µηκών κύµατος βαρυµένα µε µια συνάρτηση βάρους χαρακτηριστική για κάθε όργανο.

13 Η συνάρτηση αυτή καθορίζει την διακριτική ικανότητα του οργάνου και ονοµάζεται συνάρτηση της σχισµής εισόδου (slit function). Η συνάρτηση αυτή αντιπροσωπεύει την πιθανότητα µέτρησης από το όργανο ενός φωτονίου στην φασµατική περιοχή γύρω από ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος. Για να προσδιοριστεί η συνάρτηση αυτή η είσοδος του φασµατοφωτοµέτρου πρέπει να φωτιστεί οµοιόµορφα από µια πηγή υδραργύρου ή από ένα laser. Καταγράφοντας την ακτινοβολία της πηγής ανά 50 pm σε µία περιοχή ±2.5 nm γύρω από µία ισχυρή γραµµή εκποµπής της πηγής. Στο ακόλουθο σχήµα φαίνεται η συνάρτηση αυτή για το φασµατοφωτόµετρο #086. ΣΧΗΜΑ < > Μήκος κύµατος (nm) Σχήµα 4: Φασµατική συνάρτηση σχισµής εισόδου του διπλού µονοχρωµάτορα Brewer όπως µετρήθηκε για τη γραµµή Hg στο µ.κ nm Η συνάρτηση σχισµής του φασµατοφωτοµέτρου που παρουσιάζεται στο σχήµα 4 έχει µετρηθεί µε βάση τη γραµµή υδραργύρου στα nm. Το πλάτος της συνάρτησης σχισµής εκφράζεται από τη διαφορά των µηκών κύµατος στα οποία παρατηρείται το µισό της µέγιστης ακτινοβολίας (full width at half maximum, FWHM). Για τον διπλό µονοχρωµάτορα το µέγεθος αυτό είναι Η ελάττωση του πλάτους της σχισµής

14 µπορεί αν δώσει ακριβέστερες µονοχρωµατκές µετρήσεις της ακτινοβολίας, αλλά οδηγεί ταυτόχρονα και στην µείωση της ευαισθησίας του οργάνου. Οι ισχυρότερες γραµµές εκποµπής της λάµπας υδραργύρου είναι στα , , και nm. Επίσης, µπορεί να χρησιµοποιηθεί η γραµµή στα 325 nm η οποία εκπέµπεται από το laser καδµίου-ηλίου. Μάλιστα το σήµα στην περίπτωσή αυτή, είναι καλύτερο από αυτό της πηγής υδραργύρου µε αποτέλεσµα να βοηθά περισσότερο κυρίως στον ακριβέστερο προσδιορισµό των άκρων της συνάρτησης. Στην περίπτωση που η συνάρτηση που περιγράφει την διακριτική ικανότητα του οργάνου έχει προσδιοριστεί, ακολουθεί η φασµατική βαθµονόµηση χωρίς να χρειάζονται περαιτέρω µετρήσεις. Πολλές φορές είναι σύνηθες να χρησιµοποιούνται οι γραµµές Fraunhofer του ηλιακού φάσµατος προκειµένου να βαθµονοµηθεί φασµατικά το φασµατοφωτόµετρο. Στην περίπτωση αυτή το ηλιακό φάσµα που φτάνει στο ανώτατο όριο της ατµόσφαιρας πρέπει να είναι διαθέσιµο στην λεπτοµερέστερη δυνατή ανάλυση. Το φάσµα αυτό πρέπει να βαρυνθεί πρώτα µε την συνάρτηση εισόδου του οργάνου για κάθε µήκος κύµατος ώστε να προκύψει το θεωρητικά αναµενόµενο, µετρούµενο από το όργανο, φάσµα. Στη συνέχεια, το φάσµα αυτό συγκρίνεται µε το µετρούµενο. Γενικά ο τρόπος αυτός εγκυµονεί κάποιους κινδύνους οι οποίοι προέρχονται από τη µικρή αβεβαιότητα που προκαλείται από τυχόν προβλήµατα µε τον ακριβή προσδιορισµό του ηλιακού φάσµατος. 4. Σφάλµατα στις φασµατικές µετρήσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας Η πρόοδος των τεχνικών και οργάνων φασµατικών µετρήσεων της υπεριώδους ακτινοβολίας την τελευταία δεκαετία έχει ως αποτέλεσµα την ανάπτυξη νέων µεθόδων σχετικώς µε τις µετρήσεις στην περιοχή αυτή του ηλιακού φάσµατος. Η λειτουργία των οργάνων µέτρησης της υπεριώδους ακτινοβολίας είναι σχετικά απλή και στις περισσότερες περιπτώσεις αυτοµατοποιηµένη. Παρόλα αυτά, γίνονται συνεχώς προσπάθειες προς την κατεύθυνση της βελτίωσης της ποιότητα και της ακρίβειας των µετρήσεων αυτών. Το πρώτο στάδιο είναι η κατανόηση των σφαλµάτων που υπεισέρχονται. Στη συνέχεια αναφέρεται µια απλή κατηγοριοποίηση µε βάση την προέλευσή τους

15 Σφάλµατα που σχετίζονται µε την ποιότητα των οργάνων Τα σφάλµατα αυτά προέρχονται από την µη σωστή σχεδίαση και κατασκευή των οργάνων και σχετίζονται άµεσα µε την ποιότητα των µετρήσεων των συγκεκριµένων αυτών οργάνων. i) Εσωτερικά σκεδαζόµενο φως (Stray Light) Πρόκειται για το ανεπιθύµητο σήµα το οποίο προέρχεται από φωτόνια µε διαφορετική ενέργεια από τα µετρούµενα, τα οποία φτάνουν στον φωτοπολλαπλασιαστή. Τα φωτόνια αυτά προέρχονται από σκέδαση του φωτός στα εσωτερικά οπτικά εξαρτήµατα του οργάνου και καταµετρούνται µε τυχαίο τρόπο από το όργανο. Το πρόβληµα εστιάζεται στους απλούς µονοχρωµάτορες αφού η δεύτερη ανάκλαση που λαµβάνει χώρα στο διπλό φασµατοφωτόµετρο αποκλείει κάθε περίπτωση µέτρησης ακτινοβολίας µε διαφορετικό µήκος κύµατος από το επιθυµητό. Η φασµατική περιοχή όπου το σφάλµα έχει την µεγαλύτερη επίδραση είναι η UV-B περιοχή. Σαν παράδειγµα µπορεί να αναφερθεί πως στα µήκη κύµατος µεταξύ 290 nm και 295 nm το σφάλµα αυτό µπορεί να έχει επίδραση έως και 50% στην τελική τιµή της ροής της ακτινοβολίας. ii) Ακρίβεια στη µέτρηση του µήκους κύµατος Προέρχεται από µηχανικά η οπτικά προβλήµατα των εσωτερικών διατάξεων του οργάνου και έχει ως αποτέλεσµα τα φωτόνια που καταγράφονται από το όργανο να αντιστοιχούν σε άλλο, από το αναγραφόµενο, µήκος κύµατος. Το σφάλµα αυτό µπορεί να οδηγήσει σε µόνιµα προβλήµατα ιδίως στα µικρά µήκη κύµατος όπου η ροή της ακτινοβολίας µεταβάλλεται πολύ γρήγορα ως συνάρτηση του µήκους κύµατος. Αρκετές µελέτες έχουν αναπτυχθεί για τον έλεγχο και τη διόρθωση του προβλήµατος αυτού (Slaper et al., 1992). Συνήθως για την βαθµονόµηση του µήκους κύµατος χρησιµοποιούνται οι γραµµές εκποµπής τεχνητών πηγών ακτινοβολίας (λάµπες Υδραργύρου, Καδµίου, Νέον κ.α.) ή οι γραµµές Fraunhofer του ηλιακού φάσµατος. iii) Αποκλίσεις από τη γραµµικότητα Σηµαντικά σφάλµατα στη µέτρηση της υπεριώδους ακτινοβολίας µπορεί να προκληθούν από τη µη γραµµική απόκριση ενός οργάνου κατά την αύξηση της ροής της ακτινοβολίας, καθώς αυξάνεται το µετρούµενο µήκος κύµατος του προσπίπτοντος φωτός. Η βαθµονόµηση οργάνων µε προβλήµατα αυτού του είδους, είναι πολύ δύσκολη και ένας πιθανός τρόπος ελέγχου είναι η χρήση φίλτρων γνωστής φασµατικής απόκρισης σε συνδυασµό µε µια ισχυρή πηγή ακτινοβολίας.

16 iv) Η θερµοκρασία Οι εποχικές µεταβολές της θερµοκρασίας της ατµόσφαιρας µπορούν αν προκαλέσουν προβλήµατα σε όργανα µέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Ιδίως τα όργανα που χρησιµοποιούν αναλογικούς δέκτες ή φωτοδιόδους έχουν πολλές πιθανότητες να επηρεασθούν από τις θερµοκρασιακές αλλαγές. Όργανα που χρησιµοποιούν µετρητές φωτονίων δεν είναι πολύ ευαίσθητα σε συνήθεις αλλαγές της θερµοκρασίας. Σφάλµατα που οφείλονται σε χαρακτηριστικά των οργάνων i) Η µη απόλυτη µονοχρωµατικότητα Ένα ιδανικό φασµατοφωτόµετρο θα µπορούσε να µετρήσει την ροή της ακτινοβολίας σε ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος χωρίς να επηρεάζεται από φωτόνια που έχουν ενέργεια που αντιστοιχεί σε πολύ κοντινό µήκος κύµατος. Όπως αναφέρθηκε, η διακριτική ικανότητα κάθε φασµατοφωτόµετρου περιγράφεται από µία φασµατική συνάρτηση της σχισµής εισόδου (slit function) η οποία περιγράφει την κατανοµή των φωτονίων γύρω από το κεντρικό µήκος κύµατος σύµφωνα µε την οποία το όργανο καταγράφει την ροή της ακτινοβολίας σε αυτό το συγκεκριµένο µήκος κύµατος. Το σφάλµα γίνεται µεγαλύτερο όσο προχωρούµε προς τα µικρότερα µήκη κύµατος και όσο αυτή η κατανοµή των φωτονίων έχει µεγαλύτερο εύρος. ii) Η γωνιακή απόκριση (cosine response) Καθώς η ροή της ακτινοβολίας µετράται ύστερα από πρόσπτωση των φωτονίων σε µια οριζόντια επιφάνεια (πλακίδιο διάχυσης εισόδου) η µετρούµενη αυτή ροή I θα πρέπει να είναι ανάλογη µε την προσπίπτουσα ακτινοβολία Ιο επί το συνηµίτονο πρόσπτωσης (ζενίθεια γωνία πρόσπτωσης ηλιακών ακτίνων, θο), δηλαδή I = Io cos(θο). Η απόκριση του πλακιδίου εισόδου (σε συνδυασµό µε το οπτικό σύστηµα εισόδου του οργάνου) δεν είναι σε όλες τις περιπτώσεις ανάλογη του συνηµίτονου της γωνίας πρόσπτωσης αλλά παρουσιάζει σηµαντικές διαφορές κυρίως στις περιπτώσεις µετρήσεων που γίνονται σε µεγάλες ζενίθειες γωνίες του ήλιου. Το αποτέλεσµα είναι η υποεκτίµηση της ακτινοβολίας σε ένα ποσοστό που κυµαίνεται έως και 20% για κάποια φασµατοφωτόµετρα µε απόκριση πολύ διαφορετική από την ιδανική. Έχουν αναπτυχθεί διάφορες µέθοδοι διόρθωσης το σφάλµατος αυτού (Bais et al., 1998). Η µέθοδος που χρησιµοποιείται για τα όργανα που λειτουργούν στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατµόσφαιρας θα αναπτυχθεί αναλυτικά στο κεφάλαιο 3.

17 Σφάλµατα που προέρχονται από τις µεθόδους βαθµονόµησης Παρά το γεγονός ότι πολλά φασµατοφωτόµετρα λειτουργούν αυτή τη στιγµή παγκοσµίως, λίγα είναι τα εργαστήρια που διαθέτουν την υλικοτεχνική υποδοµή και την τεχνογνωσία που απαιτείται για την άρτια βαθµονόµησή τους. Όπως αναφέρθηκε, η βαθµονόµηση των οργάνων γίνεται µε τη χρήση πρότυπων πηγών ακτινοβολίας οι οποίες παρασκευάζονται και χαρακτηρίζονται σε διεθνή εργαστήρια. Οι πιο σηµαντικές πηγές σφαλµάτων που προέρχονται από αυτή τη διαδικασία µπορούν να συνοψιστούν ως: i) Η ακρίβεια και η σταθερότητα του ρεύµατος στα άκρα της πρότυπης πηγής Κατά τη διάρκεια της βαθµονόµησης το ρεύµα στα άκρα της πρότυπης πηγής ακτινοβολίας πρέπει να µένει σταθερό. Η διαδικασία επιτυγχάνεται µε τη χρήση Η/Υ ο οποίος ελέγχει την τάση στα άκρα της λάµπας και µε τη χρήση µιας πρότυπης σταθερής αντίστασης. Σφάλµα στην ένταση κατά 0.1% προκαλεί αντίστοιχα σφάλµα 1% στην ροή της ακτινοβολίας. ii) Απόσταση πηγής-οργάνου Όπως είναι γνωστό η ένταση της ακτινοβολίας που προσπίπτει σε οριζόντια επιφάνεια είναι ανάλογη του αντιστρόφου τετραγώνου της απόστασης πηγής - επιφάνειας δέκτη. Η µέτρηση της απόστασης πρέπει να γίνεται µε ακρίβεια χιλιοστού καθώς αβεβαιότητα 1mm προκαλεί σφάλµα 0.5% στη µέτρηση της ακτινοβολίας. iii) Σταθερότητα εξωτερικών συνθηκών Όπως προαναφέρθηκε η επίδραση της θερµοκρασίας επιφέρει σφάλµατα στη µέτρηση της ακτινοβολίας. Το γεγονός ότι κατά τη διάρκεία της βαθµονόµησης αναπτύσσεται σχετικά µεγάλη θερµοκρασία στο γύρω χώρο µπορεί να επιδράσει αρνητικά στην εξαγωγή της σωστής φασµατικής απόκρισης. Γενικά, θα πρέπει ο σκοτεινός θάλαµος βαθµονόµησης να κρατείται σε σταθερή θερµοκρασία καθόλη την διαδικασία της βαθµονόµησης. ιv) Ανακλάσεις Οι ανακλάσεις της εκπεµπόµενης από την πηγή ακτινοβολίας σε µεταλλικά ανοιχτόχρωµα αντικείµενα ή επιφάνειες εντός του σκοτεινού θαλάµου µπορεί να προκαλέσουν ανεπιθύµητα σφάλµατα. v) Οριζόντια τοποθέτηση της λάµπας - πηγής Το εσωτερικό νήµα της πηγής πρέπει να βρίσκεται σε οριζόντια διεύθυνση σε σχέση µε το πλακίδιο διάχυσης εισόδου του οργάνου. vi) Χρόνος ζωής των πρότυπων πηγών

18 Οι πρότυπες πηγές έχουν συγκεκριµένου χρόνο ζωής (που αναφέρεται από τον κατασκευαστή και περιορίζεται σε κάποιες δεκάδες ώρες). Περαιτέρω χρήση τους ενισχύει την πιθανότητα εισαγωγής αβεβαιοτήτων κατά την βαθµονόµηση λόγω της αλλαγής των χαρακτηριστικών της πηγής. Σφάλµατα κατά την λειτουργία των οργάνων Αρκετές φορές, αβεβαιότητες στις φασµατικές µετρήσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας υπεισέρχονται από λάθη στη λειτουργία των οργάνων και συγκεκριµένα από λάθη των χρηστών των οργάνων αυτών. Για παράδειγµα ο µη καθηµερινός καθαρισµός των εξωτερικών (quarz) επιφανειών εισόδου της ακτινοβολίας οδηγεί στην εναπόθεση σκόνης, χιονιού κ.α. τα οποία φυσικά επηρεάζουν µε τυχαίο τρόπο τις µετρήσεις των οργάνων. Τα φασµατοφωτόµετρα είναι πολύ ευαίσθητα όργανα και η µακροχρόνια σταθερότητά τους είναι σε άµεση σχέση µε την βαθµονόµηση και τον ενδιάµεσο έλεγχό τους. Οι φασµατικές µετρήσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας όπως αναφέρθηκε, εµπεριέχουν διάφορες πηγές σφαλµάτων οι οποίες προέρχονται είτε από την ποιότητα του ίδιου του οργάνου, είτε από τις µεθόδους βαθµονόµησης και λειτουργίας. Μία έρευνα πάνω στην επίπτωση που έχουν τα σφάλµατα αυτά στις µετρήσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας παρουσιάζεται στον Πίνακα 1. Η έρευνα αυτή παρουσιάζει το % σφάλµα που υπεισέρχεται στις µετρήσεις ακτινοβολίας πέντε διαφορετικών φασµατοφωτοµέτρων. ΠΙΝΑΚΑΣ 1 Πηγή Σφάλµατος % ATI GRR GBL GBR GRT Αβεβαιότητα πηγής βαθµονόµησης Μεταφορά βαθµονόµησης Σταθερότητα βαθµονόµησης Σφάλµα µήκους κύµατος στην βάρυνση του φάσµατος Σφάλµα διάχυτου φωτός στο <0.1 5 <0.1 5 <0.1 εσωτερικό του οργάνου Συνηµιτονικό σφάλµα Πίνακας 1: Πηγές σφαλµάτων οργάνων φασµατικών µετρήσεων

19 Η ποιότητα των δεδοµένων των φασµατοφωτοµετρικών µετρήσεων έχει βελτιωθεί σε πολύ µεγάλο βαθµό τα τελευταία χρόνια ως αποτέλεσµα της τεχνολογικής ανάπτυξης αλλά και της επιστηµονικής έρευνας πάνω στην κατεύθυνση της εύρεσης των σφαλµάτων και ελάττωση της επίδρασής τους στο τελικό αποτέλεσµα των µετρήσεων. Ένα όργανο το οποίο λειτουργεί σε σωστή επιστηµονική βάση µπορεί να δώσει µετρήσεις σχετικής ακρίβειας έως και ±3% και συγκρινόµενο µε άλλα όργανα, µετρήσεις ακρίβειας της τάξης του ± 5%. Όλα τα παραπάνω σφάλµατα µπορούν να περιοριστούν µε την κατάλληλη εκπαίδευση ειδικευµένου προσωπικού και την χρήση ενός σταθερού πρωτοκόλλου όσων αφορά τις βαθµονοµήσεις και τη γενική συντήρηση του φασµατοφωτοµέτρου στην περιοχή όπου λαµβάνουν χώρα οι µετρήσεις. Σε γενικές γραµµές η καθηµερινή συντήρηση και η οργάνωση πάνω σε θέµατα που αφορούν προβλήµατα των οργάνων κρίνεται ουσιαστική για µια ερευνητική οµάδα που ενδιαφέρεται για φασµατικές µετρήσεις της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας µε τη µέγιστη δυνατή ακρίβεια και αξιοπιστία. 5. Προτεινόµενη βιβλιογραφία Bais A. F., C. S. Zerefos, C. Meleti, I. C. Ziomas and K. Tourpali, Spectral measurements of solar UVB radiation and its relations to total ozone, SO 2, and clouds, J. Geophys. Res., 98, , Bais A. F., C. S. Zerefos and C. T. McElroy, Solar UVB measurements with the double- and single- monochromator Brewer Ozone Spectrophotometers, Geophys. Res. Lett., 23, 8, , Bais A. F., Spectrometers: Operational errors and uncertainties, in Solar Ultraviolet Radiation, Modelling, Measurements and Effects, C. S. Zerefos and A. F. Bais (eds.), NATO- ASI Series, vol.52, , 1997a. Bais A. F., S. Kazadzis, D. Balis, C. Zerefos and M. Blumthaler, Correcting global solar ultraviolet spectra recorded by a Brewer spectroradiometer for its angular response error, App. Opt., 37, 27, , 1998b. Blumthaler M., M. Huber, and W. Ambach, Measurements of direct and global UV spectra under varying turbidity, in Atmospheric Radiation, Knut H. Stamnes, Editor, Proc. SPIE 2049, , 1993a. Blumthaler M., W. Ambach, and R. Ellinger, Increases in solar UV radiation with altitude, J. Photoch. Photob. B: Biology, 39, , 1997a. Brewer, A. W., A replacement of the Dobson Spectrophotometer?, Pure Appl. Geophys., , p. 919, Kerr, J. B., C. T. McElroy, R. A. Olafson, Measurements of Ozone with the Brewer Ozone Spectrophotometer, Proc. Quadr. Ozone Symp., Boulder, Colorado, (ed. J. London), NCAR, 74-79, Liou, K. N, An Introduction to Atmospheric Radiation, Academic Press, New York, 1980.

20 Liu, S. C., S. A. McKeen, and S. Madronich, Effect of Anthropogenic Aerosols on Biologically Active Ultraviolet Radiation, Geophys. Res. Lett., 18, , Madronich S., R. L. McKenzie, M. M Caldwell and L.O. Bjoern, Changes in ultraviolet radiation reaching the Earth's surface, Ambio, 24, 3, , 1995 SCI-TEC Instruments Inc., Brewer Ozone Spectrophotometer Operator s Manual, OM-BA- C05, Revision, Saskatoon, Saskatchewan, Canada, Seckmeyer G., B. Mayer, G. Bernhard, R.L. McKenzie, P.V. Johnston, M. Kotkamp, C.R. Booth, T. Lucas, R. Mestechkina, C.R. Roy, H.P. Gies and D. Tomlinson, Geographical differences in the UV measured by intercompared spectroradiometers, Geophys. Res. Lett., 22, , Slaper, H., H. A. J. M. Reinen, M. Blumthaler, M. Huber, F. Kuik, Comparing ground-level spectrally resolved solar UV measurements using various instruments: a technique resolving effects of wavelength shift and slit width, Geophys. Res. Lett. 22, , Zerefos C. S., Factors influencing the transmission of solar ultraviolet irradiance through the Earth's atmosphere, in Solar Ultraviolet Radiation, Modelling, Measurements and Effects, (eds. C.S. Zerefos and A.F. Bais)- NATO-ASI Series, vol.52, , 1997a. Ζερεφός Χ. Σ., Μαθήµατα Φυσικής της Ατµόσφαιρας και Φυσικής του Περιβάλλοντος, Ζιώµας Ι., και Α. Μπάης, Σηµειώσεις του µαθήµατος Ατµοσφαιρική Τεχνολογία, Θεσσαλονίκη, Μπάης, Α. Φ., Πηγές Ενέργειας στο Περιβάλλον, Θεσσαλονίκη, 1991.