ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Σύγκριση μετρήσεων ηλιακής ακτινοβολίας UV-A ακτινομέτρου με φασματικές μετρήσεις UV φασματοφωτόμετρου Σαράντη Ευαγγελία ΑΕΜ:11952 Επιβλέπων: Μπάης Αλκιβιάδης Θεσσαλονίκη, Ιούνιος 2010

2 Πίνακας περιεχομένων 1.ΕΙΣΑΓΩΓΉ...4 ΑΝΤΙΚΕΊΜΕΝΟ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΉΣ ΕΡΓΑΣΊΑΣ ΗΛΙΑΚΉ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΊΑ ΤΙ ΕΊΝΑΙ Η ΗΛΙΑΚΉ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΊΑ; ΣΎΝΘΕΣΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΉΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΊΑΣ ΗΛΙΑΚΉ ΕΝΈΡΓΕΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΆ ΜΕΤΑΒΟΛΈΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΉΣ ΕΝΈΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟ ΧΏΡΟ ΚΑΙ ΤΟ ΧΡΌΝΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΌΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΉΣ ΕΝΈΡΓΕΙΑΣ ΠΟΥ ΔΈΧΕΤΑΙ Η ΓΗ Η ΗΛΙΑΚΉ ΕΝΈΡΓΕΙΑ ΣΤΟ ΌΡΙΟ ΤΗΣ ΓΉΙΝΗΣ ΑΤΜΌΣΦΑΙΡΑΣ ΖΕΝΊΘΙΑ ΓΩΝΊΑ ΤΟΥ ΉΛΙΟΥ (Θ) ΓΩΝΊΑ ΑΠΌΚΛΙΣΗΣ ΤΟΥ ΉΛΙΟΥ (Δ) ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΈΣ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΈΝΕΣ ΩΡΙΑΊΑ ΓΩΝΊΑ ΕΝΈΡΓΕΙΑ ΑΠΌ ΤΗΝ ΗΛΙΑΚΉ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΊΑ H ΗΛΙΑΚΉ ΕΝΈΡΓΕΙΑ ΣΕ ΚΕΚΛΙΜΈΝΟ ΕΠΊΠΕΔΟ Η ΗΛΙΑΚΉ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΊΑ ΜΈΣΑ ΣΤΗΝ ΑΤΜΌΣΦΑΙΡΑ ΣΦΑΊΡΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΊΑΣ ΚΑΙ ΣΤΕΡΕΆ ΓΩΝΊΑ ΈΝΤΑΣΗ ΚΑΙ ΡΟΉ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΉΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΊΑΣ ΔΙΑΠΕΡΑΤΌΤΗΤΑ, ΑΠΟΡΡΌΦΗΣΗ, ΕΚΠΟΜΠΉ ΚΑΙ ΣΚΈΔΑΣΗ ΌΣΑ ΘΑ ΠΡΈΠΕΙ ΝΑ ΓΝΩΡΊΖΟΥΜΕ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΕΡΙΏΔΗ ΗΛΙΑΚΉ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΊΑ ΓΕΝΙΚΆ ΜΕΤΡΉΣΕΙΣ ΤΗΣ ΥΠΕΡΙΏΔΟΥΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΊΑΣ ΜΟΝΆΔΕΣ ΜΈΤΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΉΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΊΑΣ ΌΡΓΑΝΑ ΜΈΤΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΉΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΊΑΣ ΑΚΤΙΝΌΜΕΤΡΑ (ΑΝΙΧΝΕΥΤΈΣ ΕΥΡΈΩΣ ΦΆΣΜΑΤΟΣ) Πυρανόμετρο UV-ακτινόμετρο MS-212A ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΌΜΕΤΡΑ Φασματοφωτόμετρο Βrewer MK III ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΌΜΕΤΡΑ: ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΆ ΣΦΆΛΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΒΕΒΑΙΌΤΗΤΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ EΠΙΛΟΓΉ ΔΕΔΟΜΈΝΩΝ UV-ΑΚΤΙΝΌΜΕΤΡΟ MS-212A ΕΠΙΛΟΓΉ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΊΑ ΔΕΔΟΜΈΝΩΝ ΑΠΌ ΤΟ ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΌΜΕΤΡΟ BREWER ΜΟΝΤΈΛΟ FASTRT ΑΝΆΛΥΣΗ ΛΆΘΟΥΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΊΑ ΜΕ ΤΟ ΜΟΝΤΈΛΟ FASTRT ΔΙΑΓΡΆΜΜΑΤΑ ΣΎΓΚΡΙΣΗΣ ΣΎΓΚΡΙΣΗ ΑΚΤΙΝΟΜΈΤΡΟΥ ΜΕ ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΌΜΕΤΡΟ Ο ΛΌΓΟΣ R EΠΕΞΕΡΓΑΣΊΑ ΤΩΝ ΜΕΤΡΉΣΕΩΝ ΑΠΌ ΤΟ ΠΥΡΑΝΌΜΕΤΡΟ ΣΥΜΠΕΡΆΣΜΑΤΑ ΠΑΡΆΡΤΗΜΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

3 Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους εκείνους που συνέλαβαν και με βοήθησαν για την διεκπεραίωση αυτής της εργασίας. Ιδιαίτερα ευχαριστώ τον επιβλέποντα Καθηγητή μου κ. Αλκιβιάδη Μπάη, ο οποίος μου έδωσε την ευκαιρία να ξεκινήσω την εργασία αυτή και να την φέρω εις πέρας επιτυχώς. Χωρίς την ουσιαστική βοήθεια του, τις χρήσιμες συμβουλές του, την άμεση συνεργασία του και κυρίως την ευγένεια και την καλοσύνη του η αποπεράτωση αυτής της πτυχιακής εργασίας θα ήταν αδύνατη. Ευχαριστώ επίσης θερμά την Επίκουρο καθηγήτρια κ. Χαρίκλεια Μελέτη για την σημαντική προσφορά της. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους εκείνους που μου παρείχαν είτε άμεσα είτε έμμεσα την αμέριστη συμπαράσταση τους όλο αυτό το χρονικό διάστημα. Σαράντη Ευαγγελία Θεσσαλονίκη Ιούνιος

4 1.Εισαγωγή Αντικείμενο διπλωματικής εργασίας Η διπλωματική αυτή εργασία έχει ως σκοπό τη σύγκριση δυο οργάνων μέτρησης της UVA ακτινοβολίας.πιο συγκεκριμένα η σύγκριση γίνεται ανάμεσα στο ακτινόμετρο UV MS-212A της εταιρείας ΕΚΟ και στο φασματοφωτόμετρο Brewer MK III της εταιρείας Kipp & Zonen. Η επιλογή των μετρήσεων έχει γίνει για τις χρονιές 2001, 2002, 2003 και 2005 και ειδικότερα έχουν επιλεχτεί οι ηλιόλουστες μέρες για το μήνα Ιούνιο και Ιούλιο. Λογω του ότι τα δεδομένα των μετρήσεων για κάθε όργανο είναι σε διαφορετική μορφή, με τις κατάλληλες μαθηματικές διαδικασίες τα μετατρέπουμε σε μια μορφή συγκρίσιμη ώστε να είναι εφικτή η μελέτη τους και η έκβαση των συμπερασμάτων. Στη συνέχεια συγκεντρώνοντας τις απαραίτητες τιμές της έντασης της UVA ακτινοβολίας και μετά την σύγκριση των δυο οργάνων μέσω διαγραμμάτων και πινάκων, εισάγουμε και ένα τρίτο όργανο μέτρησης, το πυρανόμετρο σαν γνώμονα έτσι ώστε να υπάρχει και μια τρίτη επιστημονική «ματιά» επί του θέματος. Τέλος, βλέποντας τις αποκλίσεις των μετρήσεων καταλήγουμε στα σχόλια και στα συμπεράσματα της έρευνας αυτής. 4

5 2.Ηλιακή ακτινοβολία 2.1 Τι είναι η ηλιακή ακτινοβολία; Το φως του ήλιου, με την ευρύτερη έννοια, είναι το συνολικό φάσμα συχνοτήτων της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τον ήλιο. Στη γη, το φως του ήλιου φιλτράρεται μέσω της γήινης ατμόσφαιρας, και η ηλιακή ακτινοβολία είναι εμφανής ως φως της ημέρας όταν ο ήλιος είναι επάνω από τον ορίζοντα.. Το φως του ήλιου χρειάζεται περίπου 8.3 λεπτά για να φθάσει στη γη και είναι ένας παράγοντας κλειδί στη φωτοσύνθεση, μια διαδικασία αποφασιστικά σημαντική για τη ζωή στη γη. Όταν η άμεση ηλιακή ακτινοβολία δεν εμποδίζεται από τα σύννεφα, τότε η κατάσταση αυτή χαρακτηρίζεται ως ηλιοφάνεια, ένας συνδυασμός λαμπρού φωτός και ακτινοβολούμενης θερμότητας Το άμεσο φως του ήλιου έχει μια φωτιστική αποτελεσματικότητα περίπου 93 μονάδων λούμεν(μονάδα έντασης φωτός) ανά Wa της ακτινοβολούμενης ροής, η οποία περιλαμβάνει το υπέρυθρο, το ορατό, και υπεριώδες φως. Εικόνα 1: Ο ήλιος που παρατηρείται από όργανο στο δορυφόρο SOHO στις 2-4 Μαρτίου 1996 Σχεδόν όλη η ενέργεια που παρέχεται στα διάφορα συστήματα (συστήματα κλίματος, οικοσυστήματα, υδρολογικά συστήματα, κ.λπ.) που βρίσκονται στη γη προέρχεται από τον ήλιο. Η ηλιακή ενέργεια δημιουργείται στον πυρήνα του ήλιου όταν τα άτομα υδρογόνου μετατρέπονται σε ήλιο από την πυρηνική τήξη. Για κάθε δευτερόλεπτο αυτής της πυρηνικής διαδικασίας, 700 εκατομμύρια τόνοι του 5

6 υδρογόνου μετατρέπονται σε 695 εκατομμύρια τόνοι του ηλίου. Τα υπόλοιπα 5 εκατομμύρια τόνοι μετατρέπονται σε ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που ακτινοβολεί από την επιφάνεια του ήλιου προς στο διάστημα. Ο πυρήνας καταλαμβάνει την περιοχή από το κέντρο του ήλιου μέχρι περίπου το ένα τέταρτο της ακτίνας του αστεριού. Στον πυρήνα, η βαρύτητα τραβά όλη την μάζα του εσωτερικού ήλιων και δημιουργεί την έντονη πίεση. Αυτή η πίεση είναι αρκετά υψηλή να αναγκάσει την τήξη των ατομικών μαζών. Η ακτινοβολούμενη επιφάνεια του ήλιου, ή αλλιώς φωτόσφαιρα, έχει μια μέση θερμοκρασία περίπου 5800 Kelvin. Το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από την επιφάνεια του ήλιου βρίσκεται στην ορατή ζώνη που κεντροθετείται στα 0.5 µm. Η συνολική ποσότητα της ενέργειας που εκπέμπεται από την επιφάνεια του ήλιου είναι περίπου Wa ανά τετραγωνικό μέτρο (W/m2). Η ενέργεια που εκπέμπεται από τον ήλιο περνά μέσω του διαστήματος έως ότου παρεμποδίζεται από τους πλανήτες και άλλα ουράνια αντικείμενα. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που χτυπά αυτά τα αντικείμενα καθορίζεται από έναν φυσικό νόμο γνωστό ως αντίστροφος τετραγωνικός νόμος. Αυτός ο νόμος μόνο δηλώνει ότι η ένταση της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τον ήλιο ποικίλλει με το τετράγωνο της απόστασης από την πηγή. Ως αποτέλεσμα αυτού του νόμου, εάν η ένταση της ακτινοβολίας σε μια δεδομένη απόσταση είναι μια μονάδα, δύο φορές στην απόσταση η ένταση θα γίνει μόνο ένα τέταρτο. Τρεις φορές στην απόσταση, η ένταση θα γίνει μόνο το ένα ένατο της αρχικής έντασής της, και ούτω καθεξής. Λαμβάνοντας υπόψη το ποσό ενέργειας που ακτινοβολείται από τον ήλιο και τη μέση απόσταση γη-ήλιου η οποία είναι εκατομμύρια χιλιόμετρα, το ποσό ακτινοβολίας που παρεμποδίζεται από τα εξωτερικά όρια της ατμόσφαιρας μπορεί να υπολογιστεί ότι είναι περίπου 1370 W/m2. Για γενικούς λόγους, η ενεργειακή παραγωγή του ήλιου μπορεί να θεωρηθεί σταθερή. Αυτό δεν ισχύει φυσικά στην πραγματικότητα. Οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι η παραγωγή του ήλιου είναι χρονικά μεταβλητή. Μερικοί ερευνητές επίσης έχουν προτείνει ότι η αύξηση στη μέση παγκόσμια θερμοκρασία κατά τη διάρκεια του τελευταίου αιώνα μπορεί να προερχόταν από τον ήλιο. Αυτή η δήλωση, εντούτοις, είναι δύσκολο να αποδειχθεί. 6

7 2.2 Σύνθεση της ηλιακής ακτινοβολίας Σχήμα A-1: Ηλιακό φάσμα ακτινοβολίας πάνω από την ατμόσφαιρα και στην επιφάνεια Το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας του ήλιου είναι περίπου σαν αυτό ενός μέλανος σώματος με μια θερμοκρασία περίπου Κ. Περίπου το μισό βρίσκεται στο ορατό μέρος μικρού μήκους κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και το άλλο μισό συνήθως κοντά στο υπέρυθρο μέρος. Κάποιο κομμάτι βρίσκεται επίσης στο υπεριώδες μέρος του φάσματος. Όταν δεν απορροφάται η υπεριώδης ακτινοβολία από την ατμόσφαιρα ή από κάποιο άλλο προστατευτικό επίστρωμα, μπορεί να προκαλέσει ζημιά στο δέρμα γνωστή ως ηλιακό έγκαυμα ή να προκαλέσει μια προσαρμοστική αλλαγή στην ανθρώπινη χρώση του δέρματος. Το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που χτυπά τη γήινη ατμόσφαιρα είναι από 100 έως 106 νανόμετρα (nm). Αυτό μπορεί να διαιρεθεί σε πέντε περιοχές κατά αυξανόμενη μήκος κύματος: 7

8 Υπεριώδης ακτινοβολία Γ ή (UVC), η οποία εκτείνεται σε ένα εύρος από 100 έως 280 nm. O όρος υπεριώδης ακτίνα αναφέρεται στο γεγονός ότι η ακτινοβολία είναι στην υψηλότερη συχνότητα από το ιώδες φως (και, ως εκ τούτου είναι αόρατη επίσης στο ανθρώπινο μάτι). Εξ αιτίας της απορρόφησης από την ατμόσφαιρα πολύ λίγη ακτινοβολία φθάνει στη γήινη επιφάνεια (Λιθόσφαιρα). Αυτό το φάσμα της ακτινοβολίας έχει μικροβιοκτόνες ιδιότητες, και χρησιμοποιείται σε μικροβιοκτόνους λαμπτήρες. Η υπεριώδης ακτινοβολία Β ή (UVB) εκτείνεται από 280 έως 315 nm. Επίσης απορροφάται πολύ από την ατμόσφαιρα, και μαζί με την UVC είναι αρμόδιες για τη φωτοχημική αντίδραση που οδηγεί στην παραγωγή του στρώματος του όζοντος. Λόγω του ότι η ακτινοβολία UV-Β είναι επιβλαβής στους ζωντανούς οργανισμούς, αποκαλείται «επιβλαβή ακτινοβολία». Υπεριώδης ακτινοβολία Α ή (UVA) βρίσκεται μεταξύ των 315 έως 400 nm. Η UV-Α ακτινοβολία απορροφάται μετά βίας από το στρώμα του όζοντος. Έτσι, η ακτινοβολία UV-Α που φθάνει στη γήινη επιφάνεια δεν επηρεάζεται από το στρώμα του όζοντος. Έχει κρατηθεί παραδοσιακά σαν τη λιγότερο καταστρεπτική ακτινοβολία για το DNA, και ως εκ τούτου έχει χρησιμοποιηθεί στο μαύρισμα και στη θεραπεία PUVA για την ψωρίαση. Ορατή ακτινοβολία ή φως εκτείνεται μεταξύ των 400 έως 700 nm. Όπως φανερώνεται από το όνομα, είναι αυτή που είναι ορατή στο γυμνό μάτι. Υπέρυθρη ακτινοβολία που εκτείνεται από 700 nm σε 106 nm. Είναι αρμόδια για ένα σημαντικό μέρος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που φθάνει στη γη. Διαιρείται επίσης σε τρεις τύπους βάσει του μήκους κύματος: Υπέρυθρη-A: 700 nm σε nm Υπέρυθρη-B: nm σε nm Υπέρυθρη-C: nm σε 1 mm. 3.Ηλιακή ενέργεια 3.1 Εισαγωγικά Ο ήλιος αποτελεί μια από τις σημαντικότερες πηγές ενέργειας στο περιβάλλον, αφού η ηλιακή ακτινοβολία μεταφέρει τεράστιες ποσότητες ενέργειας προς όλες τις κατευθύνσεις στο χώρο. Η γη περιστρέφεται σε ελαφρά ελλειπτική τροχιά γύρω από 8

9 τον ήλιο και δέχεται ένα ποσοστό της ενέργειας αυτής, το οποίο είναι ανάλογο του εμβαδού που προβάλλει η γη στις ηλιακές ακτίνες. Η συνολική ενέργεια που δέχεται ο πλανήτης από τον ήλιο, κατά τη διάρκεια ενός έτους είναι περίπου 5.4x1024 Joules. To 30% περίπου της απορροφημένης από το σύστημα ατμόσφαιρα γη ηλιακής ενέργειας, καταναλώνεται για την εξάτμιση των επιφανειακών υδάτων του πλανήτη στην ατμόσφαιρα. Το 20% περίπου μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια του αέρα (άνεμος), και ένα πολύ μικρό ποσοστό της τάξης του 1% συμμετέχει στην φωτοσύνθεση. Η υπόλοιπη ενέργεια θερμαίνει τον πλανήτη και επανεκπέμπεται στο διάστημα διατηρώντας έτσι την ισορροπία της θερμοκρασίας του. Η μέγιστη ροή ενέργειας που μπορεί να φτάσει στο έδαφος είναι της τάξης του 1kW m-2, και ανήκει στη φασματική περιοχή μεταξύ 300 και 2500nm. Στις κατοικημένες περιοχές της Γης, η ηλιακή ενέργεια που δέχεται ένας τόπος μέσα σε μία ημέρα ανά μονάδα επιφάνειας κυμαίνεται μεταξύ 3 και 30 MJ m-2 day-1, ανάλογα με τον τόπο, την εποχή και τις επικρατούσες καιρικές καταστάσεις. Από θερμοδυναμική άποψη η ηλιακή ενέργεια είναι ενέργεια υψηλής ποιότητας, αφού προέρχεται από πηγή θερμότητας πολύ υψηλότερης από αυτές που συναντούμε στην καθημερινή μας ζωή πάνω στην Γη, εφόσον ο Ήλιος εκπέμπει σαν μέλαν σώμα θερμοκρασίας περίπου Κ. Η ηλιακή ενέργεια είναι χαμηλής πυκνότητας, που σημαίνει ότι απαιτούνται μεγάλες επιφάνειες για τη συλλογή της, και το ότι δεν είναι συνεχώς διαθέσιμη, λόγω της ημερήσιας διακύμανσής της και της επίδρασης των μετεωρολογικών συνθηκών. Σε μήκη κύματος μεγαλύτερα από 2500 nm, η συνεισφορά της ηλιακής ακτινοβολίας είναι αμελητέα. Θα πρέπει να σημειωθεί εδώ ότι η γήινη ακτινοβολία (δηλαδή η θερμότητα που εκπέμπει η Γη προς το διάστημα) εμφανίζεται σε μήκη κύματος πολύ μεγαλύτερα από 2500 nm, πράγμα που επιτρέπει τον διαχωρισμό της από την ηλιακή ακτινοβολία. 3.2 Μεταβολές της ηλιακής ενέργειας στο χώρο και το χρόνο Η ηλιακή ενέργεια στην επιφάνεια της Γης παρουσιάζει σημαντικότερες μεταβολές στον χώρο και τον χρόνο, οι οποίες κατά κύριο λόγο οφείλονται στη συνεχή μεταβολή της σχετικής θέσης της πηγής της (Ήλιος) με τη ΓΗ, τη γεωμετρία που διέπει τη διάδοσή της και τον τρόπο με τον οποίο προσπίπτει σε ένα σώμα, και τέλος τις αλληλεπιδράσεις της με διάφορα συστατικά που συναντά κατά της διάδοσή της. 9

10 3.3 Υπολογισμός της ηλιακής ενέργειας που δέχεται η Γη Η ενέργεια Fs, που εκπέμπεται από τον ήλιο ανά μονάδα επιφάνειας του και ανά μονάδα χρόνου (ροή ενέργειας) μπορεί να υπολογιστεί αν θεωρήσουμε ότι ο ήλιος εκπέμπει ακτινοβολία σαν ένα μέλαν σώμα θερμοκρασίας Teff περίπου Κ, δηλαδή: FS = σ Teff4 = 6.42 kw cm-2 (1) Όπου σ είναι η σταθερά των Sefan Bolzmann ( W cm-2 deg-4) Αν Rs είναι η μέση ακτίνα του ηλίου (περίπου 696 x103 km), τότε η ακτινοβολούμενη ενέργεια ανά μονάδα χρόνου (δηλαδή η ισχύς) από όλη την επιφάνειά του και σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα θα είναι: E sol = Fs 4π Rs2 (2) Η ενέργεια αυτή διαδίδεται σφαιρικά προς όλες τις διευθύνσεις, σχεδόν ισότροπα, και έτσι σε κάποια απόσταση από τον ήλιο κατανέμεται σε μία σφαιρική επιφάνεια, ακτίνας ίσης με την απόσταση αυτή, εφόσον βέβαια δεν συμβαίνει καμία απορρόφηση στο μεσοαστρικό διάστημα. Συνεπώς σε κάποια χρονική στιγμή που η γη βρίσκεται σε απόσταση α από τον ήλιο η ροή ενέργειας στη θέση αυτή θα είναι: E sol R Fa = = Fs s 2 4π α a 2 (3) Η απόσταση όμως της γης από τον ήλιο δεν είναι σταθερή. Αν θεωρήσουμε ότι η μέση απόσταση ηλίου γης είναι dm = 1.496x108 km, τότε στην απόσταση αυτή η ροή της ηλιακής ενέργειας θα είναι : 2 2 R a (4) S = Fs s = Fa dm dm Η S ονομάζεται ηλιακή σταθερά και η μέση τιμή της μέσα σε ένα χρόνο ισούται με περίπου 1367 w m-2, όπως προέκυψε από πειραματικές μετρήσεις από το έδαφος και από δορυφόρους. Η διακύμανση της ηλιακής σταθεράς μέσα σε ένα έτος που οφείλεται στη διακύμανση της εκπεμπόμενης από τον Ήλιο ενέργειας είναι της τάξης του ±1.5%. τελικά η μέση ολική ενέργεια ΕΓολ που δέχεται η Γη στη μονάδα του χρόνου είναι ανάλογη της επιφάνειας που προβάλλει η γη στη δέσμη των ηλιακών ακτινών: 10

11 EΓ ο λ RR = Sπ R = Fs π s Γ dm 2 Γ 2 (5) Όπου RΓ = 6378 km, είναι η μέση ακτίνα της γης, και τελικά: EΓ ο λ RR = π σ T s Γ dm 4 eff 2 (6) Είναι φανερό λοιπόν από την σχέση (6) ότι η ενέργεια που δέχεται η Γη από τον ήλιο εξαρτάται από την θερμοκρασία του ήλιου, τις ακτίνες των δύο σωμάτων και από την απόσταση ηλίου Γης. Λόγω της ελλειπτικής τροχιάς της Γης, η απόσταση αυτή μεταβάλλεται μέσα σε ένα έτος και έχει σαν αποτέλεσμα την διακύμανση της ενέργειας που δέχεται η γη κατά περίπου ±4%. Ο Ήλιος βρίσκεται στην πλησιέστερη θέση προς τη γη κοντά (4 Ιανουαρίου) στο χειμερινό ηλιοστάσιο (21 Δεκεμβρίου) και στην πλέον απομακρυσμένη κατά το θερινό ηλιοστάσιο (21 Ιουνίου). Συνεπώς κατά τον Δεκέμβριο η γη δέχεται περισσότερη ενέργεια από τον ήλιο από ότι τον Ιούνιο, αλλά για λόγους που θα δούμε στα επόμενα δεν γίνεται αυτή η διαφορά εύκολα αντιληπτή από τις ανθρώπινες αισθήσεις. Όπως είδαμε στα προηγούμενα, η ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διάδοση της μέσα από την ατμόσφαιρα εξασθενίζει και τελικά η ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας που φτάνει στο έδαφος και μπορεί να χρησιμοποιηθεί είναι της τάξης των 1000 W m-2. Φυσικά αυτή είναι η μέγιστη τιμή που μπορεί να συναντήσουμε, είναι δηλαδή η ενέργεια για κάθετη πρόσπτωση και κατά το θερινό ηλιοστάσιο. Στην πραγματικότητα η ηλιακή ενέργεια κατά τη διάρκεια του υπόλοιπου έτους είναι πολύ μικρότερη. 3.4 Η ηλιακή ενέργεια στο όριο της Γήινης ατμόσφαιρας Η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας η οποία είναι διαθέσιμη σε έναν τόπο κάποια χρονική στιγμή εξαρτάται κυρίως από την γεωμετρία της θέσης του τόπου σχετικά με τον ήλιο, όπως επίσης και από ατμοσφαιρικούς παράγοντες που έχουν σαν αποτέλεσμα την εξασθένιση της ηλιακής ακτινοβολίας πριν αυτή φτάσει στο έδαφος (π.χ. σύννεφα, αιωρήματα, αέρια και συστατικά). Η γεωμετρία καθορίζει ουσιαστικά την γωνία με την οποία οι ηλιακές ακτίνες διαπερνούν την ατμόσφαιρα και φτάνουν στο έδαφος. 11

12 3.5 Ζενίθια γωνία του Ήλιου (θ) Είδαμε στην προηγούμενη παράγραφο, ότι η ροή της ενέργειας που δέχεται η Γη από τον Ήλιο δίδεται από τη σχέση (3). Αυτή αντιπροσωπεύει και τη μέγιστη δυνατή ροή ενέργειας - κατά τη διεύθυνση διάδοσής της- που θα μπορούσαμε να συναντήσουμε της σε έναν τόπο πάνω στην επιφάνεια της Γης κατά τη συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Αυτό βέβαια θα συνέβαινε μόνον αν δεν υπήρχε καμία εξασθένιση της ακτινοβολίας όταν αυτή διέρχεται μέσα από την ατμόσφαιρα της γης. Ας θεωρήσουμε μία επιφάνεια τοποθετημένη οριζόντια σε έναν τόπο, και ότι η ατμόσφαιρα δεν αλληλεπιδρά με την ηλιακή ακτινοβολία. Γενικά οι ακτίνες του Ήλιου δεν προσπίπτουν στην επιφάνεια κάθετα, αλλά σχηματίζουν με την κατακόρυφο του τόπου (ζενίθ) μία γωνία θ, την οποία και ονομάζουμε ζενίθια γωνία. Εικόνα 2: Απεικόνιση της ζενίθιας γωνίας του Ήλιου Τότε αν Fα η ροή της ενέργειας κάθετα στη διεύθυνση διάδοσής της, τότε η ροή της ενέργειας F στο οριζόντιο επίπεδο δίδεται από τη σχέση: F = Fα cos θ (7) Για να υπολογιστεί λοιπόν η ροή ενέργειας F που δέχεται ένας τόπος σε κάποια χρονική στιγμή, θα πρέπει να είναι γνωστή η ζενίθια γωνία θ του ήλιου στη χρονική αυτή στιγμή. Για τον υπολογισμό της χρησιμοποιούνται μέθοδοι της σφαιρικής αστρονομίας (σφαιρικό τρίγωνο) από τις οποίες προκύπτει ότι η ζενίθια γωνία δίδεται από τη σχέση: Cos θ = sin δ sin φ + cos δ cos φ cos Η (8) Προκύπτει λοιπόν ότι η ζενίθια γωνία θ είναι γενικά συνάρτηση τριών παραμέτρων, της απόκλισης δ, της ωριαίας γωνίας του Ήλιου Η και του γεωγραφικού πλάτους του 12

13 τόπου φ. Στις επόμενες παραγράφους γίνεται μία συνοπτική αναφορά στις παραμέτρους αυτές. 3.6 Γωνία απόκλισης του Ήλιου (δ) Το επίπεδο της τροχιάς της Γης ονομάζεται επίπεδο της εκλειπτικής. Ο άξονας περιστροφής της Γης δεν είναι κάθετος προς την εκλειπτική, αλλά σχηματίζει γωνία 23.5ο περίπου, που ονομάζεται λόξωση της εκλειπτικής. Εξαιτίας της λόξωσης της εκλειπτικής, κατά την ενός έτους η γωνία που σχηματίζει το επίπεδο του ισημερινού της Γης με τον άξονα που συνδέει τα κέντρα της Γης και του Ήλιου μεταβάλλεται μεταξύ +23.5ο και -23.5ο. Η γωνία αυτή ονομάζεται επίπεδο της εκλειπτικής. Ο άξονας περιστροφής της Γης δεν είναι κάθετος προς την εκλειπτική, αλλά σχηματίζει γωνία 23.5ο περίπου, που ονομάζεται λόξωση της εκλειπτικής. Εξαιτίας της λόξωσης της εκλειπτικής, κατά την διάρκεια ενός έτους η γωνία που σχηματίζει το επίπεδο του ισημερινού της Γης με τον άξονα που συνδέει τα κέντρα της Γης και του Ήλιου μεταβάλλεται με +23.5ο και -23.5ο. η γωνία αυτή ονομάζεται απόκλιση και συμβολίζεται με δ. Όταν η γωνία δ είναι θετική, τότε στο βόρειο ημισφαίριο της Γης έχουμε άνοιξη ή καλοκαίρι, ενώ όταν η γωνία δ είναι αρνητική τότε έχουμε φθινόπωρο ή χειμώνα. Η απόκλιση δ μπορεί να υπολογιστεί από την εξής σχέση 360 (284 + n) (9) δ = δ ο sin 365 Θεωρούμενη σταθερή κατά τη διάρκεια μιας συγκεκριμένης ημέρας του έτους. 3.7 Γεωγραφικές συντεταγμένες Γεωγραφικό μήκος ψ ενός τόπου, ονομάζεται η γωνία που σχηματίζεται από τον μεσημβρινό του τόπου και τον μεσημβρινό του Greenwich. Μετρείται πάνω στον ισημερινό και παίρνει τιμές από -180ο δυτικά έως +180ο ανατολικά του Greenwich. Γεωγραφικό πλάτος φ ενός τόπου ονομάζεται η γωνία που σχηματίζεται από τη διεύθυνση της κατακόρυφου του τόπου και ονομάζεται η γωνία που σχηματίζεται από τη διεύθυνση της κατακόρυφου του τόπου και τον ισημερινό. Μετράται πάνω στον μεσημβρινό του τόπου και παίρνει τιμές από 90ο βόρεια έως 90ο νότια του ισημερινού. 13

14 Σχήμα A-2: Γραφική απεικόνιση του γεωγραφικού πλάτους φ και μήκους ψ ενός τόπου Όταν το μεσημβρινό επίπεδο ενός τόπου περιέχει και τον Ήλιο, τότε στον τόπο αυτό έχουμε μεσημέρι (ο Ήλιος μεσουρανεί). Πάνω σε ένα τέτοιο μεσημβρινό επίπεδο, απεικονίζονται στο σχήμα η απόκλιση δ, η ζενίθια γωνία θ και το γεωγραφικό πλάτος φ του τόπου Σ. Σχήμα A-3: Γραφική απεικόνιση της γεωμετρίας που χαρακτηρίζει τον τρόπο με τον οποίο οι ηλιακές ακτίνες προσπίπτουν σε ένα τόπο στην επιφάνεια της Γης, ο οποίος βρίσκεται στο βόρειο ημισφαίριο Παρατηρείστε ότι όταν στο σημείο Σ κινηθεί προς τον Ισημερινό, η γωνία θ μικραίνει, με αποτέλεσμα (λόγω της σχέσης 7) να μεγαλώνει η ροή της ενέργειας που δέχεται ο τόπος. Επίσης παρατηρείται ότι όταν η απόκλιση δ γίνει αρνητική, τότε ο Ήλιος βρίσκεται κάτω από το επίπεδο του Ισημερινού (χειμερινή περίοδος), με αποτέλεσμα η γωνία θ για τον ίδιο τόπο Σ να γίνεται μεγαλύτερη, άρα και η ροή της ηλιακής ενέργειας μικρότερη. Τα αντίθετα φυσικά ισχύουν για έναν τόπο που βρίσκεται στο νότιο ημισφαίριο. 14

15 3.8 Ωριαία γωνία Είναι προφανές, ότι λόγω της περιστροφής της Γης γύρω από τον άξονά της, ο μεσημβρινός ενός τόπου συμπίπτει με τον μεσημβρινό του Ήλιου, μία φορά κάθε 24 ώρες. Σε έναν τόπο και σε κάποια δεδομένη στιγμή, ωριαία γωνία (Η) ονομάζεται η γωνία που σχηματίζει ο μεσημβρινός του τόπου με τον μεσημβρινό του Ήλιου. Η ωριαία γωνία μετράται πάνω στον ισημερινό, με αρχή τον μεσημβρινό του Ήλιου, και μεταβάλλεται από 0ο (μεσουράνηση) μέχρι 360ο εφόσον σε μία ώρα αντιστοιχεί ωριαία γωνία 15ο. Σχήμα A-4 : Γραφική απεικόνιση της ωριαίας γωνίας 3.9 Ενέργεια από την ηλιακή ακτινοβολία Εφόσον η ροή της ηλιακής ακτινοβολίας F εκφράζει την μεταβολή της ενέργειας Ε στην μονάδα του χρόνου, σε ένα διάστημα Δ = 2-1 η συνολικά διαθέσιμη ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας μπορεί να προκύψει από την: de F= E= d 2 Fd (10) H ηλιακή ενέργεια σε κεκλιμένο επίπεδο Τα όσα συζητήθηκαν στις προηγούμενες παραγράφους είχαν σαν αναφορά την ηλιακή ενέργεια σε οριζόντιο επίπεδο. Στην πράξη όμως περισσότερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η ηλιακή ακτινοβολία όταν προσπίπτει σε κεκλιμένες επιφάνειες. Ο λόγος είναι εμφανής αν ληφθεί υπόψη η σχέση (7), από την οποία προκύπτει ότι η F 15

16 γίνεται μέγιστη όταν το cos θ πλησιάζει στη μονάδα, δηλαδή όταν η γωνία πρόσπτωσης θ πλησιάζει στο μηδέν. Επειδή όλους τους τόπους η ζενίθια γωνία του Ήλιου είναι γενικά πολύ μεγαλύτερη του μηδενός, ο τρόπος να ελαττωθεί η θ είναι να μεταβληθεί η κλίση της επιφάνειας ώστε αυτή να γίνει κάθετη προς την διεύθυνση των ακτινών του Ήλιου. Σχήμα A-5: Γραφική απεικόνιση της μεταβολής της ηλιακής ενέργειας ανά μονάδα επιφάνειας που προσπίπτει σε διάφορα κεκλιμένα επίπεδα σε έναν τόπο βορείου γεωγραφικού πλάτους Η ηλιακή ακτινοβολία μέσα στην ατμόσφαιρα Στα προηγούμενα είχε θεωρηθεί ότι η ηλιακή ακτινοβολία φτάνει σε ένα επίπεδο στο έδαφος της Γης χωρίς να ληφθεί υπόψη η ύπαρξη της Γήινης ατμόσφαιρας. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία διέρχεται μέσα από την ατμοσφαιρική μάζα, εξασθενίζει σαν αποτέλεσμα των μηχανισμών απορρόφησης και σκέδασης στα διάφορα συστατικά της ατμόσφαιρας. Το μέγεθος της απορρόφησης εξαρτάται από την φασματική περιοχή της ακτινοβολίας και από το μήκος της διαδρομής που αυτή διανύει. Είναι 16

17 φυσικό ότι όσο μεγαλύτερη είναι η γωνία με την οποία εισέρχεται η ηλιακή ακτινοβολία στην ατμόσφαιρα (ζενίθια γωνία) τόσο μεγαλύτερη θα είναι και η διαδρομή που θα διανύσει. Η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στο έδαφος (αφού διασχίσει την ατμόσφαιρα) γίνεται αισθητή με δύο μορφές: την άμεση και τη διάχυτη. Η πρώτη αναφέρεται στην ακτινοβολία η οποία φτάνει στο έδαφος απευθείας από τον Ήλιο, έχοντας χάσει ένα μέρος της αρχικής της έντασης κυρίως λόγω απορρόφησης και λιγότερο λόγω σκέδασης στα συστατικά της ατμόσφαιρας. Η διάχυτη συνιστώσα προέρχεται από πολλαπλή σκέδαση στα συστατικά της ατμόσφαιρας, και αντιπροσωπεύει στην ουσία ένα μέρος της ηλιακής ενέργειας που αποσύρθηκε από την άμεση. Η διάχυτη συνιστώσα φτάνει στην επιφάνεια της Γης από διάφορες διευθύνσεις χωρίς να είναι συνδεδεμένη με κάποια συγκεκριμένη γωνία πρόσπτωσης. Σε μία ανέφελη ημέρα, η άμεση συνιστώσα είναι αυτή που δημιουργεί σκιά, και για την ηλιακή ακτινοβολία αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο ποσοστό της ολικής, διαθέσιμης ενέργειας, κυρίως όταν η γωνία πρόσπτωσης είναι μικρή (π.χ<60). Όσο μεγαλώνει γωνία πρόσπτωσης, αρχίζει να ελαττώνεται το ποσοστό της άμεσης συνιστώσας υπέρ του ποσοστού της διάχυτης. Αντίθετα η διάχυτη δεν δημιουργεί σκιά και σε συνθήκες πλήρους νεφοκάλυψης αντιπροσωπεύει το 100% της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος. Ο ρόλος των δύο αυτών συνιστωσών της ηλιακής ακτινοβολίας είναι πολύ σημαντικός για την συνολικά συλλεγόμενη ενέργεια και καθοριστικός για την επιλογή του τρόπου και των διατάξεων συλλογής που θα χρησιμοποιηθούν σε κάποια περιοχή. Στις επόμενες τρεις παραγράφους γίνεται μία σύντομη αναφορά σε βασικά θέματα διάδοσης της ηλιακής ακτινοβολίας μέσα από την ατμόσφαιρα Σφαίρα ακτινοβολίας και στερεά γωνία Ας υποθέσουμε ότι στο κέντρο μιας σφαίρας ακτινοβολεί ισοτροπικά ένα απειροστό σώμα. Τότε η ακτινοβολία που διέρχεται από ένα στοιχείο επιφάνειας dα πάνω στη σφαίρα, είναι το κλάσμα dα/α της ολικής ακτινοβολίας. 17

18 Σχήμα A-6:Σφαίρα ακτινοβολίας Η ακτινοβολία μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από μικρές κωνικές δέσμες ακτινών. Το εμβαδό της βάσης του κωνικού στοιχείου είναι dα. Η κωνική δέσμη ακτινών είναι εντός στερεάς γωνίας dω = sin θ dθ dφ, (11) ενώ το θ είναι το ζενίθ και το φ είναι το αζιμούθιο. Το στοιχείο επιφάνειας da = ( rdφ )( Rdθ ) (12) όπου r = R sin θ.οπότε da = R 2 sin θ dθ dφ (13) Η ολική επιφάνεια της σφαίρας είναι A= 2π π dφ R 0 Τότε 2 sin θ dθ = 4π R 2 (14) 0 da 1 = sin θ dθ dφ A 4π (15) Κάθε στοιχείο επιφάνειας μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πολλαπλάσιο του 1/4 Η επιφάνεια της σφαίρας διαιρείται σε μονάδες στερακτινίων (sr), και όλη η επιφάνεια είναι 4 π.(sr). 18

19 3.13 Ένταση και ροή της ηλιακής ακτινοβολίας Ας θεωρήσουμε μία δέσμη ακτίνων που συναντά μία στοιχειώδη επιφάνεια dα και περιορίζεται στη στερεά γωνία dω, σχηματίζει δε γωνία θ με την κάθετη στη στοιχειώδη επιφάνεια. Η ενέργεια dεν, που περιέχεται σε ένα εύρος συχνοτήτων dν και διαπερνά την dα σε χρονικό διάστημα d είναι: de v = I v dvddω da cos θ (16) Η σχέση αυτή εισάγει τον ορισμό της έντασης της μονοχρωματικής ακτινοβολίας στη γενική της μορφή. Iv = de v dvddω da cos θ (17) 3.14 Διαπερατότητα, απορρόφηση, εκπομπή και σκέδαση Η διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας μέσα σε ένα μέσο, όπως η γήινη ατμόσφαιρα, έχει συζητηθεί από πολλούς ερευνητές, όμως η αλληλεπίδραση της με την ύλη ακόμη δεν έχει αποσαφηνιστεί πλήρως. Γενικά ένα μέρος μπορεί να επιδράσει στη διερχόμενη ακτινοβολία, είτε με απορρόφηση είτε με σκέδαση. Επίσης κάθε μέσο εκπέμπει το ίδιο μία ακτινοβολία, είτε λόγω θερμικής διέγερσης των μορίων του, είτε λόγω σκέδασης. 19

20 4. Όσα θα πρέπει να γνωρίζουμε για την Υπεριώδη Ηλιακή Ακτινοβολία 4.1 Γενικά Η υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία (UV) αποτελεί ένα μικρό μέρος του φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στο έδαφος της Γης. Παρά την μικρή της ένταση, ή υπεριώδης ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει σημαντικά προβλήματα στον άνθρωπο, όταν αυτός εκτίθεται παρατεταμένα στον ήλιο. Η πλέον συνηθισμένη, ήπιας μορφής, επίπτωση είναι το κοκκίνισμα του δέρματος. Όμως η υπερβολική και για σειρά ετών έκθεση μπορεί να οδηγήσει σε πιο σοβαρές βλάβες, όπως π.χ. σε γήρανση του δέρματος, καταρράκτη των ματιών, εξασθένιση του ανοσοποιητικού συστήματος, υπό προϋποθέσεις δε, ακόμη και σε ορισμένες μορφές καρκίνου του δέρματος. Στα φυτά, η ενισχυμένη UV έκθεση ακτινοβολίας έχει το οδηγήσει σε ζημία συγκομιδών και σε μειωμένες παραγωγές. Ο χρόνος έκθεσης μέσα στον οποίο η υπεριώδης ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει τα προβλήματα που αναφέρθηκαν διαφέρει από άτομο σε άτομο, και εξαρτάται από τον τύπο του δέρματος ή του οργανισμού γενικότερα, αλλά και από διάφορους παράγοντες, οι σημαντικότεροι των οποίων είναι: ΤΟ ΟΖΟΝ: Η υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται ισχυρά από το όζον που βρίσκεται στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας (στρατόσφαιρα). Η ελάττωση της περιεκτικότητας της ατμόσφαιρας σε όζον έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της υπεριώδους ακτινοβολίας στο έδαφος, και αντίστροφα. Εικόνα 3: Η τρύπα του όζοντος 20

21 ΤΑ ΣΥΝΝΕΦΑ: Η υπεριώδης ακτινοβολία είναι εντονότερη όταν δεν υπάρχουν σύννεφα. Τα σύννεφα γενικά εξασθενίζουν την ηλιακή ακτινοβολία, αλλά το πόσο αποτελεσματικά συμβαίνει αυτό εξαρτάται από το πάχος και τον τύπο των νεφών. Αραιά ή διασκορπισμένα σύννεφα έχουν πολύ μικρή επίπτωση (περίπου 10%), ενώ τα χαμηλά και μαύρα σύννεφα προκαλούν σημαντική εξασθένιση (μέχρι και 80%). Υπό ορισμένες συνθήκες και για πολύ μικρές περιόδους μεμονωμένα και λαμπερά σύννεφα μπορούν να οδηγήσουν σε μικρή αύξηση της ακτινοβολίας. Όταν ο ηλιακός δίσκος είναι ορατός, τότε η εξασθένιση της υπεριώδους από τα σύννεφα είναι σχεδόν αμελητέα. ΤΟ ΥΨΟΜΕΤΡΟ: Η υπεριώδης ακτινοβολία γίνεται ισχυρότερη όσο απομακρυνόμαστε κατακόρυφα από την επιφάνεια της θάλασσας, επειδή η ποσότητα των συστατικών της ατμόσφαιρας που την απορροφούν ελαττώνεται με το ύψος. Μετρήσεις έδειξαν ότι η υπεριώδης ακτινοβολία αυξάνεται κατά περίπου 10% κάθε 1000 μέτρα από το έδαφος. ΑΝΑΚΛΑΣΕΙΣ: Ένα αντικείμενο ή ένα άτομο δέχεται ακτινοβολία απευθείας από τον ήλιο και από τον ουρανό, αλλά και από ανακλάσεις στο έδαφος. Το ποσοστό της ανακλώμενης ακτινοβολίας εξαρτάται από το είδος της επιφάνειας του εδάφους. Τα δένδρα, το γρασίδι, το χώμα και το νερό ανακλούν λιγότερο από το 10% της υπεριώδους ακτινοβολίας, σε αντίθεση με το φρέσκο χιόνι το οποίο ανακλά μέχρι και το 80%, η την στεγνή άμμο που ανακλά περίπου το 20% της ηλιακής ακτινοβολίας. Εξαιτίας των ανακλάσεων, άτομα που βρίσκονται σε χιονισμένες περιοχές, ή σε αμμώδεις παραλίες, δέχονται περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία. ΤΟ ΝΕΡΟ: Περίπου το 95% της υπεριώδους ακτινοβολίας διαπερνά το νερό (π.χ. στη θάλασσα) και το 50% διεισδύει σε βάθος περίπου 3 μέτρων. Όταν λοιπόν κολυμπάμε το σώμα μας βρίσκεται μόλις λίγα εκατοστά κάτω από την επιφάνεια του νερού, και κατά συνέπεια δεν προστατεύεται από την υπεριώδη ακτινοβολία. Η ΚΛΙΣΗ ΤΩΝ ΗΛΙΑΚΩΝ ΑΚΤΙΝΩΝ: Σε μία ανέφελη ημέρα, η υπεριώδης ακτινοβολία είναι ισχυρότερη κατά τις μεσημεριανές από ότι κατά τις πρωινές ή απογευματινές ώρες. Όσο πιο ψηλά βρίσκεται ο ήλιος στον ουρανό, τόσο πιο έντονη είναι η ακτινοβολία (μικρότερη κλίση των ηλιακών ακτινών). Για αυτό το λόγο το καλοκαίρι έχουμε εντονότερη ακτινοβολία από ότι το χειμώνα. 21

22 4.2 Μετρήσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας Εξαιτίας της σοβαρότητας των συνεπειών που μπορεί να προκαλέσει η εκτεταμένη έκθεση σε ακτίνες υπεριώδους ακτινοβολίας, οι επιστήμονες έδωσαν μεγάλη σημασία στην μέτρηση όσο και στον υπολογισμό της ερυθηματογόνου ακτινοβολίας. Έτσι αυτή μετράται με πολλούς τρόπους (από το έδαφος,με μπαλόνια και από δορυφόρους).αν και οι μετρήσεις εκ πρώτης όψεως φαίνονται αρκετά απλές,στην πραγματικότητα κάθε άλλο από εύκολες είναι, πράγμα που θα τεκμηριωθεί στην συνέχεια. Α. Επίγειες μετρήσεις ακτινοβολίας Οι μετρήσεις στην επιφάνεια της γης είναι οι πιο αντιπροσωπευτικές καθώς βρίσκονται εκεί που υπάρχει το πρόβλημα! Τα όργανα που χρησιμοποιούνται για τη λήψη μετρήσεων τέτοιου είδους είναι τα πυρανόμετρα και τα φασματοραδιόμετρα. Τα πρώτα μετρούν την ένταση της UVB ακτινοβολίας σε αναλογία με το ηλιακό φάσμα ενώ τα δευτέρα μετρούν την ένταση κάποιων περιορισμένων φασματικών περιοχών της υπεριώδους ακτινοβολίας. Β. Δορυφορικές εκτιμήσεις της ακτινοβολίας Για τις δορυφορικές μετρήσεις η διαδικασία εξαγωγής της ημερησίας δόσης της ερυθηματογόνου ακτινοβολίας δεν είναι μια απλή υπόθεση. Η εκτίμηση της υπεριώδους ακτινοβολίας από τους δορυφόρους προέρχεται από μετρήσεις της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας από την ατμόσφαιρα και την επιφάνεια της γης. Εικόνα 4: Δορυφόρος της ΝΑSA Σε συγκεκριμένο δορυφόρο η μέτρηση γίνεται σε έξι διαφορετικά μήκη κύματος. Κάθε μια πληροφορία από αυτά τα έξι μήκη κύματος μεταφράζεται σε ποσότητα της στήλης του όζοντος, στην ύπαρξη και στην ποσότητα μορίων διοξειδίου του θείου, στην ύπαρξη και στην ποσότητα αιωρούμενων σωματιδίων,σε ανακλαστικότητα του εδάφους και σε διαπερατότητα 22

23 της ατμόσφαιρας. Όλες αυτές οι πληροφορίες σε συνδυασμό με τους συντελεστές σκέδασης Rayleigh και απορρόφησης καθώς και με τη μέτρηση υψηλής ανάλυσης του ηλιακού φάσματος,επαρκούν για τον υπολογισμό της ημερήσιας δόσης της ερηθηματογόνου ακτινοβολίας στον τόπο που «βλέπει» ο δορυφόρος. Θα πρέπει να αναφερθεί σ αυτό το σημείο ότι η μεταβολή της υπεριώδους ακτινοβολίας λογω των προαναφερθέντων παραγόντων γίνεται με τη χρήση ορισμένων εξισώσεων και παραδοχών. Έτσι για συννεφιασμένο ή όχι ουράνιο θόλο,για παρουσία ή όχι αιωρούμενων σωματιδίων και για μεταβολές της ατμοσφαιρικής στήλης του όζοντος, που επηρεάζουν την ημερήσια δόση, χρησιμοποιούνται και οι κατάλληλοι θεωρητικοί ή εμπειρικοί τύποι με την βοήθεια πολύπλοκων προγραμμάτων. 4.3 Μονάδες μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας Κατά καιρούς έχει χρησιμοποιηθεί μία μεγάλη ποικιλία μονάδων που χαρακτηρίζουν τα διάφορα μεγέθη που σχετίζονται με την ακτινοβολία. Ειδικότερα, όσον αφορά την ηλιακή ακτινοβολία, χρησιμοποιούνται σήμερα συνήθως οι παρακάτω μονάδες. 23

24 Πίνακας A-1 : Μεγέθη και αντίστοιχες μονάδες μέτρησης Μήκος κύματος (μm) 1 μm = 10-4cm (nm) 1nm = 10-7 cm (Ǻ ) 1A = 10-8 cm Ισχύς (W) Ροή Ισχύος 1 W m-2 = 10 7 erg m -2 sec-1 Ροή Ισχύος φασματική 1 W m-2 nm-1 ή erg cm-3 sec-1 Ενέργεια 1 kwh = 3.6MJ 1Bu = J 1 cal = 4.18J 1 kwh m-2 = 3.6 MJ m-2 Ροή ενέργειας 4.4 Όργανα μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας Για την μέτρηση της ενέργειας που μεταφέρει η ηλιακή ακτινοβολία χρησιμοποιούνται διάφορα όργανα, ανάλογα με το είδος και την επιζητούμενη ποιότητα της μέτρησης. Ο σχεδιασμός και η χρησιμοποιούμενη τεχνολογία διαφέρει από τύπο σε τύπο οργάνου. Αναφορικά κάποια όργανα μέτρησης είναι : το πυρηλιόμετρο, το πυρανόμετρο, το πυρακτινόμετρο, το πυργεόμετρο κ.α. Στη συγκεκριμένη εργασία ασχοληθήκαμε με δυο ακτινόμετρα και ένα φασματοφωτόμετρο για τα οποία θα μιλήσουμε στη συνέχεια. 24

25 4.4.1 Ακτινόμετρα (Ανιχνευτές Ευρέως Φάσματος) Τα ακτινόμετρα μετρούν συνολικά την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σε μία ευρεία φασματική περιοχή που προέρχεται από ολόκληρο το άνω ημισφαίριο και προσπίπτει σε μία οριζόντια επιφάνεια. Τα ακτινόμετρα εκτελούν συνεχείς μετρήσεις, είναι εύκολα στην χρήση, και το κόστος τους είναι σχετικά χαμηλό, πλεονεκτήματα που αντισταθμίζουν το γεγονός ότι με αυτά τα όργανα δεν είναι δυνατόν να διερευνηθούν τα φασματικά χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας. Όλα τα ακτινόμετρα δεν ανταποκρίνονται με τον ίδιο τρόπο στις διάφορες φασματικές περιοχές της ηλιακής ακτινοβολίας. Υπάρχουν ακτινόμετρα που μετρούν την ακτινοβολία που προέρχεται μόνο από την UV-B περιοχή του φάσματος ή μόνο από την UV-A ή ολόκληρη την UV ακτινοβολία και ακτινόμετρα που μετρούν την ολική ηλιακή ακτινοβολία, δηλαδή συνολικά την υπεριώδη, την ορατή και την υπέρυθρη ακτινοβολία. Αν και η UV-B αποτελεί μόνο το 0,2% της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας, η φασματική της σύνθεση και η γεωμετρική του διανομή στον ουρανό επηρεάζονται σημαντικά από τις αλλαγές των ατμοσφαιρικών συνθηκών και από το πάχος της αποκαλούμενης ζώνης του όζοντος. Δεδομένου ότι 98.9% της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας βρίσκεται στην περιοχή του ηλιακού φάσματος μήκους κύματος μεγαλύτερου από 315 nm, η ακριβής μέτρηση ακτινοβολίας UV-Β απαιτεί την απόκλιση της υπόλοιπης ακτινοβολία επάνω από 315nm. Είναι επίσης απαραίτητο τα ακτινόμετρα UV-B να κατέχουν καλή απόκριση συνημίτονου- που σημαίνει ότι πρέπει να είναι χωρίς σημαντικές συμπτωματικές γωνιακές επιπτώσεις. Επιπλέον πρέπει να κατέχουν μια φασματική απόκριση που ελαχιστοποιεί τους φασματικούς αποτυχημένους συνδυασμούς με τις μεταβαλλόμενες ηλιακές υπεριώδεις φασματικές διανομές. Ανάλογα με την φασματική τους απόκριση (η σχετική ικανότητα του οργάνου να ανιχνεύει ακτινοβολία κάποιου μήκους κύματος) μπορούν να διαχωριστούν σε ακτινόμετρα που προσομοιώνουν φυσικές, χημικές ή βιολογικές διεργασίες, όπως για παράδειγμα την επίδραση της UV ακτινοβολίας στο ανθρώπινο δέρμα ή στο DNA. Από τις μετρήσεις των οργάνων αυτών μπούμε να πάρουμε πληροφορίες για τη νεφοκάλυψη και να διερευνηθούν χρονικές μεταβολές στην ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σε διάφορες κλίμακες χρόνου. 25

26 Πυρανόμετρο Στην κατηγορία των ακτινομέτρων ανήκει το πυρανόμετρο Χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ολόκληρο το ηλιακό φάσμα, η οποία προσπίπτει σε οριζόντια επιφάνεια και προέρχεται τόσο απευθείας από τον ήλιο, όσο και από σκέδαση στα συστατικά της ατμόσφαιρας. Τοποθετείται πλήρως οριζοντιωμένο και μετρά συγχρόνως την άμεση και τη διάχυτη συνιστώσα της ηλιακής ακτινοβολίας, οι οποίες όμως γίνονται αισθητές σαν το γινόμενο της ροής της ακτινοβολίας και του συνημίτονου της γωνίας πρόσπτωσης, λόγω της κλίσης της αισθητήριας επιφάνειας. Για την καλύτερη αξιοπιστία των παρατηρήσεων, τα πυρανόμετρα πρέπει να τοποθετούνται σε θέση με ελάχιστα εμπόδια, ώστε να δέχεται ακτινοβολία από όσο το δυνατόν μεγαλύτερο τμήμα του ουράνιου θόλου, να έχει δηλαδή ελεύθερο ορίζοντα. Τα πυρανόμετρα είναι τα όργανα που χρησιμοποιούνται κατεξοχήν για μετρήσεις σχετικές με την ηλιακή ενέργεια, λόγω του ότι ανταποκρίνονται σε ολόκληρο το ηλιακό φάσμα, η δε γεωμετρία τους προσομοιάζει τη γεωμετρία πολλών από τις διατάξεις συλλογής της ηλιακής ενέργειας. Συνήθως τα πυρανόμετρα τοποθετούνται οριζόντια, αλλά σε ειδικές περιπτώσεις μπορούν να τοποθετηθούν και υπό κλίση, ανάλογα με τις απαιτήσεις UV-ακτινόμετρο MS-212A Εικόνα 5: UV-ακτινόμετρο MS-212A Ο οίκος EKO προσφέρει διάφορους τύπους UV ακτινομέτρων των οποίων επιλογή εξαρτάται από το σκοπό εφαρμογής και μέτρησης. Στην συγκεκριμένη ερευνητική εργασία ασχοληθήκαμε με μετρήσεις του ακτινομέτρου UVA MS-212A γι αυτό παρουσιάζουμε τη λειτουργία του και τα χαρακτηριστικά του παρακάτω. 26

27 Το ακριβές UVΑ-ακτινόμετρο MS-212A έχει σχεδιαστεί με σκοπό να μετράει ένα ποσό της ακτινοβολίας UV-Α με υψηλή αξιοπιστία βάση του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST). Ο συνδυασμός του καλά σχεδιασμένου φίλτρου και η φωτοδίοδος GaAsP συμβάλλουν στην υψηλή επίδοση της μέτρησης UV-Α μεταξύ 315 και 400nm, το οποίο αποτελεί το 4 με 5% της συνολικής ακτινοβολίας, σε διάφορα ηλιακά-υψόμετρα και σε φάσμα επηρεαζόμενο από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Εφαρμογές - Μετεωρολογία (έλεγχος, τάση του UV) - Επιστήμη των φυτών (Ανάπτυξη των φυτών, επιρροές στα φυτά) -Υλική Διάβρωση (φωτοαποικοδόμηση βιομηχανικών υλικών) -Ιατρική/Βιοεπιστήμη (ηλιακά εγκαύματα, καρκίνος του δέρματος) Ανιχνευσιμότητα Η βαθμονόμηση είναι το θέμα κλειδί για την επιλογή των UV ακτινομέτρων που χρησιμοποιούνται για τη συνεχής μέτρηση της ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας. Τα UV ακτινόμετρα της EKO είναι βαθμονομημένα σύμφωνα με ένα υψηλά ακριβές υπεριώδες φασματοφωτόμετρο καταγραφής, και είναι ανιχνεύσιμα μέσω προτύπων του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (ΝIST) της φασματικής ακτινοβολίας (φασματικά πρότυπα λαμπτήρων). Αρχή Μέτρησης UV-Α Ακτινόμετρο Η ηλιακή περνά μέσα από το θόλο χαλαζία και από το διασκορπιστή από τεφλόν. Η UV-Α ακτινοβολία φτάνει στον ανιχνευτή πυριτίου αφού έχει περάσει από το φίλτρο συνδυασμών UV που διαβιβάζει μόνο τη UV-Α. Μετά το πέρασμα από το φίλτρο το φως φτάνει στον ανιχνευτή πυριτίου. Ο ενσωματωμένος ενισχυτής παράγει την τάση ισχύος που είναι ανάλογη προς τη δύναμη του φθορίζοντος φωτός στον ανιχνευτή πυριτίου. Εικόνα 6: Αρχή λειτουργίας 27

28 UV βαθμονόμηση ακτινομέτρων Η βαθμονόμηση είναι το θέμα κλειδί καθώς επίσης και τα χαρακτηριστικά γνωρίσματά της για την επιλογή των οργάνων, η οποία χρησιμοποιείται για τη συνεχή υπαίθρια μέτρηση. Τα ακριβή UV ακτινόμετρα της Εκο είναι βαθμονομημένα ως εξής: Τα Εκο φασματοφωτόμετρα ακριβείας είναι βαθμονομημένα χρησιμοποιώντας φασματικά πρότυπα λαμπτήρων του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (ΝIST) Η ευαισθησία του ακτινόμετρου Eκο αναφοράς προκύπτει από τη χρήση του βαθμονομημένη φασματοφωτόμετρου. Κατορθώνεται με διαίρεση της τάσης ισχύος από την ενιαία φασματική ακτινοβολία σε εύρος καθορισμένου μήκος κύματος. Η ευαισθησία των οργάνων του προϊόντος καθορίζεται από συγκρίσεις με το ακτινόμετρο αναφοράς υπό το φως του ήλιου Εικόνα 7: Φασματικό πρότυπο λαμπτήρων του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (ΝIST) 28

29 Απόκριση συνημίτονου και απόκριση θερμοκρασίας Η απόκριση συνημίτονου και η απόκριση θερμοκρασίας των UV ακτινομέτρων είναι πολύ σημαντικά χαρακτηριστικά για την μέτρηση της ηλιακής UV ακτινοβολίας. Το ενσωματωμένο κύκλωμα επανόρθωσης της θερμοκρασίας περιορίζει τα λάθη που εξαρτώνται από αυτή σε λιγότερο από το 3% στη λειτουργούσα ζώνη των 60 C. Το UVΑ-ακτινόμετρο MS-212A έχει υιοθετήσει τη θερμοκρασιακή λειτουργία ελέγχου ώστε να αποτρέπει την οπτική επιδείνωση φίλτρων. Σχήμα Α-7: Διάγραμμα απόκρισης συνημίτονου. Σχέση γωνίας και σφάλματος συνημίτονου επί τοις εκατό 29

30 Σχήμα Α-8: Διάγραμμα εξάρτησης θερμοκρασίας.. Σχέση θερμοκρασίας σε βαθμούς Κελσίου και σφάλματος επί τοις εκατό Πίνακας Α-2 : Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του MS-212A Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά MS-212A Χρόνος απόκρισης Μη γραμμικότητα Κατευθυντήριος απόκριση 1 δευτερόλεπτο (90% απόκριση) Λιγότερο από ±2.0% < ± 10% (στο ηλιακό ύψος 20 ) Απόκριση θερμοκρασίας 1.5% (εύρος από -10 μέχρι +40 C) Ισχύ παραγωγής Λειτουργούσα θερμοκρασία 0-1.0V, 0-100W/m² 0-10mV, 0-100W/m² 500Ω (Ισχύ παραγωγής V ), 100Ω (Ισχύ παραγωγής mv) -10 με +50 C Μήκος καλωδίου Εύρος μήκους κύματος 10m nm Παροχή ηλεκτρικού ρεύματος Εναλλασσόμενο ρεύμα V, 47 έως 440 Hz, 30W Χαρακτηριστική αντίσταση 30

31 Εικόνα 8: Τομή και πλάγια όψη του ακτινόμετρου ΜS-212A Φασματοφωτόμετρα Τα φασματοφωτόμετρα είναι όργανα που χρησιμοποιούνται για μετρήσεις του φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας από το έδαφος αλλά και από αεροσκάφη, αερόστατα και δορυφόρους. Τα φασματοφωτόμετρα σε αντίθεση με τα ακτινόμετρα, προσφέρουν τη δυνατότητα λεπτομερών μετρήσεων της ηλιακής ή ατμοσφαιρικής ακτινοβολίας σε διάφορες φασματικές περιοχές οι οποίες μπορεί να είναι τόσο στενές ώστε να αναφερόμαστε σε μετρήσεις σχεδόν μονοχρωματικών ακτινοβολιών. Οι λεπτομερείς μετρήσεις είναι απαραίτητες για τη μελέτη των επιδράσεων της ηλιακής ακτινοβολίας στη σύσταση και δομή της ατμόσφαιρας, στα έμβια όντα, τα φυτά και τα υλικά, για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης διαφόρων ατμοσφαιρικών συστατικών αλλά και για πλήθος άλλων εφαρμογών, όπως η πιστοποίηση της ακρίβειας των υπολογισμών από μοντέλα διάδοσης της ακτινοβολίας και η μελέτη φωτοχημικών διεργασιών στην ατμόσφαιρα. Στο Εργαστήριο της Φυσικής της Ατμόσφαιρας λειτουργούν δυο φασματοφωτόμετρα τύπου Brewer, ένας απλός (τύπος MKII) και ένας διπλός (τύπος MKIIΙ) μονοχρωμάτορας. Το Brewer MKIII αποτελεί εξέλιξη του MKII και εκτελεί φασματικές μετρήσεις με μεγαλύτερη ακρίβεια καθώς είναι κατασκευασμένο έτσι ώστε η ανάλυση του φωτός στα επιθυμητά μήκη κύματος να γίνεται με μεγαλύτερη ακρίβεια. Τα φασματοφωτόμετρα και ΜΚΙΙ μετρούν τη ροή της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε οριζόντιο επίπεδο στη φασματική περιοχή nm και nm αντίστοιχα με βήμα 0.5nm. Είναι τοποθετημένα πάνω σε μία διάταξη παρακολούθησης της πορείας του ήλιου (solar racker) που είναι απαραίτητο κατά την εκτέλεση φασματικών μετρήσεων της άμεσης συνιστώσας της ηλιακής ακτινοβολίας. 31

32 Τα όργανα αυτά μπορούν να εκτελέσουν μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας σε επιλεγμένα μήκη κύματος, από τις οποίες προκύπτουν υπολογισμοί της στήλης του όζοντος και του διοξειδίου του θείου, όπως επίσης και εκτιμήσεις της κατακόρυφης δομής του όζοντος στην ατμόσφαιρα με τη μέθοδο UMKEHR. Οι μετρήσεις της ροής της ακτινοβολίας πραγματοποιούνται μέσω ενός πλακιδίου διάχυσης (diffuser) κατασκευασμένο από Teflon. Το πλακίδιο διάχυσης προστατεύεται από έναν θόλο χαλαζία (quarz) ο οποίος είναι διαπερατός από την UV ακτινοβολία. Εικόνα 9 : Θόλος χαλαζία και κεκλιμένο παράθυρο του φασματοφωτόμετρου Οι μετρήσεις της άμεσης συνιστώσας της ηλιακής ακτινοβολίας πραγματοποιούνται μέσα από το κεκλιμένο παράθυρο χαλαζία με τη χρήση ενός περιστρεφόμενου πρίσματος, το οποίο μπορεί να στοχεύει είτε απευθείας τον ήλιο είτε το ζενίθ του ουρανού. 32

33 Πίνακας Α-3: Μετρήσεις ακτινοβολίας και προϊόντα μετρήσεων Μετρήσεις Φάσμα Ολικής Ακτινοβολίας Προϊόντα μετρήσεων Ερυθηματογόνος Ακτινοβολία Ερυθηματογόνος Δόση Φάσμα Άμεσης Ακτινοβολίας Οπτικό βάθος των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων στη φασματική περιοχή που καλύπτουν οι μετρήσεις της άμεσης ακτινοβολίας Επιλεγμένα μήκη κύματος Ολική συγκέντρωση του διοξειδίου του θείου (SO2) στην ατμόσφαιρα (SO2 column Ολική συγκέντρωση του διοξειδίου του θείου (SO2) στην ατμόσφαιρα (SO2 column) Η εταιρεία και τα ατμοσφαιρικά όργανα επιστήμης Εξελιγμένα όργανα για τη μέτρηση συγκεκριμένων ατμοσφαιρικών παραμέτρων Εικόνα 10: Ηλιακός σταθμός ελέγχου, σπινθηρόμετρο, συστήματα ραντάρ με ακτίνες laser. 33

34 Το σύνολο των ατμοσφαιρικών οργάνων επιστήμης περιλαμβάνει και προϊόντα που κατασκευάζονται από την Kipp & Zonen αλλά και άλλα που έχουν αναπτυχθεί από Φασματοφωτόμετρο Βrewer MK III Χαρακτηριστικά: Υψηλή ακρίβεια μήκους κύματος Κατάλληλο εύρος μήκους κύματος Άριστη μείωση σκορπισμένου φωτός Ανώτερη μακροπρόθεσμη σταθερότητα Εικόνα 11: Το φασματοφωτόμετρο Brewer Το φασματοφωτόμετρο Brewer αποτελείται από ένα φασματοφωτόμετρο απρόσβλητο από καιρικές συνθήκες, έναν ιχνηλάτη αζιμούθιου και μια βάση. Παρέχει σχεδόν ταυτόχρονα παρατηρήσεις της συνολικής στήλης του όζοντος, του SO2(διοξείδιο του Θειου), και των UV φασμάτων. O διπλός άξονας ανίχνευσης, οι κατάλληλες επιλογές φίλτρων, η επί του οργάνου βαθμολόγηση του μήκους κύματος και η καταγραφή στοιχείων ρυθμίζονται μέσω εσωτερικών ηλεκτρονικών συστημάτων και ενός συμβατού υπολογιστή ΙΒΜ. Το λογισμικό ελέγχου για το PC επιτρέπει το 24ωρο σχεδιασμό και τη μακρινή αυτόματη λειτουργία. 34

35 Πίνακας Α-4: Προδιαγραφές φασματοφωτόμετρου Προδιαγραφές προϊόντος Μέθοδος μέτρησης Διπλό φασματόμετρο με τον ανιχνευτή PMT Ανάλυση 0.6 nm Εύρος μήκους κύματος nm nm Σταθερότητα μήκους κύματος 0.01 nm(πάνω από την πλήρη θερμοκρασία εύρους) Παροχή ηλεκτρικού ρεύματος 230 VAC ή 115 VAC Εύρος Θερμοκρασίας λειτουργίας Εύρος Θερμοκρασίας λειτουργίας με κρύα κάλυψη Μέτρηση της συνολικής στήλης Μέτρηση UV -20 ºC σε +40 C -50 ºC σε +40 C Όζον και διοξείδιο του θειου Φασματική,UVA, UVB, UVE, UVI Η υπεριώδης (UV) ακτινοβολία έχει συνδεθεί με τον καρκίνο του δέρματος, τη γήρανση του δέρματος, το καταρράκτη, και την καταστολή του ανοσοποιητικού συστήματος στους ανθρώπους και τα ζώα. Στα φυτά, η ενισχυμένη UV έκθεση ακτινοβολίας έχει το οδηγήσει σε ζημία συγκομιδών και σε μειωμένες παραγωγές. Από την άποψη αξιολόγησης του κινδύνου, η έκθεση στη UV ακτινοβολία αντιπροσωπεύει έναν μεγάλο πιθανό κίνδυνο. Αν και η ανάγκη για την καταγραφή της UV είναι σαφής, η φύση της ακτινοβολίας και η ευαισθησία μας σε αυτήν την θέτουν προκλήσεις στη συλλογή δεδομένων. Εάν αφεθούν αυτές οι προκλήσεις δίχως προορισμό θα μπορούσαν να αφήσουν την κατανόησή των μελλοντικών UV τάσεων και επιδράσεων αβέβαιη. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα με τις μελέτες για την καταστροφική υπεριώδη(duv). Εκτός αν το φάσμα του ηλιακού UV είναι καλά γνωστό, είναι δύσκολο να συσχετίσουμε τις εντάσεις UVA και UVB με τις βιολογικές απαντήσεις. Για την αξιόπιστη ηλιακή φασματική μέτρηση της UV ακτινοβολίας, η ενοργάνωση πρέπει να εκτελεστεί με συγκεκριμένες ιδιότητες. Το φασματοφωτόμετρο Βrewer διαθέτει αυτές τις ιδιότητες 35

36 και παρέχει τα μέσα για να γίνει κατανοητή η ηλιακή UV ακτινοβολία και το τρέχον και μελλοντικό αντίκτυπό της στη βιόσφαιρα. Μk III Brewer -Συστάσεις από το Υπουργείο Περιβάλλοντος του Καναδά Το υπουργείο περιβάλλοντος του Καναδά συστήνει το ΜΚ ΙΙΙ Specrophoomeer ως σημαντικά το ανώτερο φασματοφωτόμετρο συγκριτικά με το MK ΙΙ και MK IV της εταιρίας Κipp & Zonen για τη μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας και του όζοντος στη περιοχή της υπεριώδης (UV) του φάσματος. Αυτό είναι λόγω της πολύ βελτιωμένης απόδοσης του διάχυτου φωτός του διπλού-μονοχρωματικού οπτικού συστήματος που χρησιμοποιείται στο MK ΙΙΙ έναντι του μονουμονοχρωμάτορα του MK ΙΙ και του MK IV.Για αυτόν τον λόγο η Kipp & Zonen δεν παράγει πλέον το MK ΙΙ και το MK IV μοντέλο και για διάφορα έτη έχει κατασκευάσει μόνο το Brewer MK ΙΙΙ. Φυσικά εφεδρείες, υπηρεσίες σέρβις και εργοστασιακή υποστήριξη συνεχίζουν να είναι διαθέσιμες για όλα τα μοντέλα Brewer Φασματοφωτόμετρα: Επιχειρησιακά σφάλματα και αβεβαιότητες Το ολοένα αυξανόμενο διεθνές ενδιαφέρον για την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία κατά την διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών δημιούργησε τις κατάλληλες συνθήκες για την ανάπτυξη μεγάλων ερευνητικών δραστηριοτήτων που αφορούσαν τις μεθόδους και την χρήση των οργάνων που μετρούσαν την ηλιακή πυκνότητα ροής σ αυτή την φασματική περιοχή. Φασματοφωτόμετρα ικανά να μετρούν το φάσμα της ολικής ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης έχουν τοποθετηθεί σε διάφορα σημεία της υφηλίου. Η ποιότητα των δεδομένων που παρέχονται από τα υπάρχοντα όργανα βελτιώνεται χρόνο με τον χρόνο και τα περισσότερα από αυτά είναι τώρα ικανά να λαμβάνουν μετρήσεις με ακρίβεια περίπου ±5%.Παρ όλα αυτά η ανάγκη για πιο αξιόπιστες μετρήσεις,με σκοπό να πετύχουμε ακρίβεια του ±1%, αποτέλεσε στο να γίνονται συνεχείς προσπάθειες ώστε να μειωθούν τα σφάλματα και οι αβεβαιότητες που σχετίζονται με τις μετρήσεις της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας. Οι περισσότερες από αυτές τις πηγές σφαλμάτων είναι ήδη γνωστές στην επιστημονική κοινότητα, αλλά η αποτίμηση της σχετικής τους σημασίας δεν έχει ακόμα τεκμηριωθεί πλήρως. Στην συνέχεια της εργασίας γίνεται μια προσπάθεια να συνοψίσουμε και να κατηγοριοποιήσουμε τις πηγές των σφαλμάτων και να συζητήσουμε την σημασία τους και την επίδραση τους στις μετρήσεις υπεριώδους 36

37 ακτινοβολίας που γίνονται από φασματοφωτόμετρα. Έτσι,λοιπόν οι πηγές των σφαλμάτων έχουν κατηγοριοποιηθεί σε 4 ομάδες σύμφωνα με την προέλευση τους. Ι)Σφάλματα που σχετίζονται με την ποιότητα των οργάνων Αυτά τα σφάλματα και οι αβεβαιότητες προέρχονται από τον κακό σχεδιασμό και κατασκευή των οργάνων ή άλλες ατέλειες που κληρονομούνται φυσικά στις μετρήσεις που γίνονται με τα όργανα αυτά. Πολλά από τα πιο σημαντικά σφάλματα συμπεριλαμβάνονται στην κατηγορία αυτή, όπως το σκεδαζόμενο φως,ακρίβεια στην φασματική βαθμονόμηση, γραμμικότητα του σήματος, εξάρτηση από την θερμοκρασία, μακροχρόνια σταθερότητα, επαναληψιμότητα, ευαισθησία και δυναμική ευθυγράμμιση. Το σκεδαζόμενο φως είναι ανεπιθύμητο σήμα που προέρχεται από φωτόνια διαφορετικού μήκους κύματος από το μετρούμενο οποίο πέτυχε να περάσει από τη σχισμή εξόδου του φασματοφωτόμετρου και έχει καταγραφεί μαζί με το πραγματικό σήμα. Αυτά τα φωτόνια σκεδάζονται από σωματίδια ή ανακλώνται από διάφορα οπτικά μέσα και κινούνται τυχαία μέσα στο φασματόμετρο. Ένα ποσοστό αυτών μπορεί να ανιχνευθεί από τον ανιχνευτή. Το πρόβλημα αυτό εμφανίζεται κυρίως στα απλού μονοχρωμάτορα φασματόμετρα, αφού τα διπλού μονοχρωμάτορα είναι ικανά να απορρίψουν μεγάλο ποσοστό του σκεπαζόμενου φωτός και πρακτικά να μετρήσουν μόνο το σήμα του επιθυμητού μήκους κύματος. Το σκεδαζόμενο φως γίνεται πιο έντονο στην κατώτερη περιοχή του UV-B όπου το πραγματικό σήμα είναι πολύ ασθενές και γι αυτό τα πολυποίκιλα φωτόνια μεγαλύτερων μηκών κύματος που μπαίνουν μέσα στο όργανο μπορούν να επηρεάσουν το μετρούμενο σήμα. Αποκλίσεις από την γραμμικότητα της συσκευής καταγραφής, μπορούν να προκαλέσουν σημαντικά σφάλματα στο μετρούμενο υπεριώδες φάσμα. Καθώς η ένταση του ηλιακού φωτός αυξάνεται με την αύξηση του μήκους κύματος, ένας μη γραμμικός ανιχνευτής μπορεί να παράγει αξιοπρόσεκτη εξάρτηση από το μήκος κύματος. Επίσης η βαθμονόμηση ενός μη γραμμικού φασματοφωτόμετρου είναι σχεδόν αδύνατον να γίνει αφού οι περισσότερες πηγές που χρησιμοποιούνται γι αυτόν τον σκοπό είναι πιο έντονες από το ηλιακό φως στην περιοχή του υπεριώδους και λιγότερο όσο πλησιάζουμε στην φασματική περιοχή του UV-Α. Ο πιο εύκολος τρόπος να ελέγξουμε την γραμμικότητα του φασματοφωτόμετρου είναι να χρησιμοποιήσουμε ένα σετ από ουδέτερα φίλτρα γνωστών χαρακτηριστικών και ισχυρή πηγή φωτός. Τότε ο λόγος των φασματικών μετρήσεων με και χωρίς τα φίλτρα συγκρίνεται με τα γνωστά φασματικά χαρακτηριστικά κάθε φίλτρου. Αυτή η σύγκριση δίνει ένα μέτρο της γραμμικότητας του οργάνου. Οι μεταβολές στην θερμοκρασία μπορούν να είναι πηγή σφαλμάτων στις φασματικές μετρήσεις παρ όλο που η σημασία της ποικίλει από όργανο σε όργανο. Είναι σημαντική κυρίως στα όργανα που χρησιμοποιούν αναλογικούς ανιχνευτές ή διατάξεις διόδων, η λειτουργία των οποίων είναι ακόμα ισχυρά συνδεδεμένη με τις μεταβολές της θερμοκρασίας. Αντιθέτως τα συστήματα καταγραφής φωτονίων δεν είναι τόσο ευαίσθητα. Εκτός από τον ανιχνευτή, μεγάλες και ξαφνικές μεταβολές της θερμοκρασίας μπορεί να εισάγουν μηχανικές πιέσεις στις οπτικές διατάξεις με απροσδιόριστες συνέπειες στις φασματικές τους μετρήσεις. Για να μειωθούν οι επιδράσεις της θερμοκρασίας τα περισσότερα από τα όργανα θα πρέπει να λειτουργούν υπό συνθήκες σταθερής θερμοκρασίας. Σε μερικές 37