Εργαστηριακή Άσκηση 2

Transcript

1 Εργαστηριακή Άσκηση 2 Μέτρηση της ολικής στήλης του Όζοντος Μοντελοποίηση 2.1 Σκοπός Σκοπός της άσκησης αυτής είναι η επίγεια µέτρηση της ολικής στήλης του ατµοσφαιρικού όζοντος, η σύγκριση των λαµβανόµενων αποτελεσµάτων µε δορυφορικές µετρήσεις και η µοντελοποίηση της κατακόρυφης κατανοµής του όζοντος. 2.2 Γενικά Παρακάτω δίνονται οι κυριότερες έννοιες για το ατµοσφαιρικό όζον, καθώς και για την απορρόφηση της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας από αυτό. 1) Ατµοσφαιρικό όζον Το ατµοσφαιρικό όζον αποτελεί βασικό συστατικό της ατµόσφαιρας, τόσο στην τροπόσφαιρα, όσο και στην στρατόσφαιρα. Στην στρατόσφαιρα µάλιστα παρουσιάζει και τη µεγαλύτερή του αριθµητική πυκνότητα (περίπου γύρω στα χλµ. ύψος, το λεγόµενο στρώµα του όζοντος) ανάλογα µε το γεωγραφικό πλάτος και την εποχή του χρόνου. Το όζον εκτείνεται από το έδαφος έως τα 50 χλµ. ύψος περίπου πάνω από τη µέση στάθµη της θάλασσας (ΜΣΘ). Τα µόρια του όζοντος απορροφούν έντονα την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, µε µήκος κύµατος λ<320nm, σύµφωνα µε την παρακάτω χηµική αντίδραση, παράγοντας ατοµικό οξυγόνο: Ο 3 + ηλιακή ακτινοβολία (180 nm <λ< 320 nm) Ο 2 + Ο Επίσης το όζον απορροφά και στην φασµατική περιοχή των 9.1 και 9.6 µm, περιοχή εκποµπής της γήινης υπέρυθρης ακτινοβολίας. Εποµένως, το όζον παίζει σηµαντικότατο ρόλο στο φαινόµενο του θερµοκηπίου. Η συνολική ποσότητα όζοντος σε µια κατακόρυφη ατµοσφαιρική στήλη µετράται σε µονάδες Dobson (DU: Dobson Units). Ειδικότερα, 1 D.U. αντιστοιχεί σε πάχος 0.01 mm ολικής στήλης όζοντος συµπιεσµένης στο επίπεδο του εδάφους σε κανoνικές συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας (STP) (Τ=0 o C και P=1013 hpa). Έτσι, ένα πάχος ολικού όζοντος 5 mm αντιστοιχεί σε 500 D.U. Οι φυσιολογικές τιµές της ολικής στήλης του όζοντος στα µέσα γεωγραφικά πλάτη κυµαίνεται από DU, ανάλογα µε την εποχή του έτους. Συνήθως, οι υψηλότερες τιµές ολικού όζοντος παρατηρούνται κατά την χειµερινή περίοδο και την αρχή της άνοιξης. H ολική στήλη του όζοντος µετράται µε τη βοήθεια των επίγειων φασµατοφωτοµέτρων (τύπου Dobson, SAOZ, MicroTops II, ή Brewer) ή µε φασµατοφωτόµετρα σε δορυφόρους σε τροχιά γύρω από τη γη (πχ. TOMS, OMI, κλπ.). 2) Υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία Η υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διάδοσή της στη γήινη ατµόσφαιρα απορροφάται κυρίως από το στρατοσφαιρικό όζον, στη φασµατική περιοχή από 180 έως 320 nm. Ειδικότερα, το όζον απορροφά εντονότατα τις επικίνδυνες Γ-υπεριώδη ( nm) και τη Β-υπεριώδη ( nm) ηλιακές ακτινοβολίες. Η λιγότερη επικίνδυνη Α-υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία ( nm) απορροφάται λιγότερα έντονα από το όζον. Η µείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος γύρω από τον

2 2 πλανήτη µας στα µέσα γεωγραφικά πλάτη και κυρίως στους πόλους, συνεπάγεται την αύξηση της επικίνδυνης Β-υπεριώδους ακτινοβολίας στο επίπεδο του εδάφους. Ταυτόχρονες µετρήσεις ολικού όζοντος και Β-υπεριώδους ακτινοβολίας που πραγµατοποιούνται σε πολυάριθµα σηµεία του πλανήτη µας κατέδειξαν τη σχέση µεταξύ µείωσης του στρατοσφαιρικού όζοντος και αύξησης της επικίνδυνης Β-υπεριώδους ακτινοβολίας. Βέβαια η σχέση αυτή επηρεάζεται άµεσα από διάφορους παράγοντες, όπως η ζενίθεια γωνία του ήλιου, η νέφωση και η ατµοσφαιρική ρύπανση. Γενικά, η υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία µεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της ηµέρας, και µεγιστοποιείται, υπό ανέφελες ατµοσφαιρικές συνθήκες, κατά το τοπικό µεσηµέρι. 2.3 Μέθοδος Για τη µέτρηση της ολικής στήλης του όζοντος στην επιφάνεια του εδάφους, θα χρησιµοποιηθεί ένα φορητό όργανο (φασµατοφωτόµετρο τριών µηκών κύµατος) υψηλής ακρίβειας µέτρησης (µοντέλο MICROTOPS II της εταιρείας Solar Light Company, Inc. Πληροφορίες στην ιστοσελίδα: Επίσης, θα χρησιµοποιηθούν µετρήσεις της ολικής στήλης του όζοντος από το φασµατοφωτόµετρο TOMS της NASA Πειραµατική ιάταξη Στην Εικόνα 1 παρουσιάζεται το όργανο µέτρησης της ολικής στήλης του όζοντος, µοντέλο MICROTOPS II. Το όργανο αυτό είναι εφοδιασµένο µε µια σειρά φίλτρων συµβολής (από 3 έως 5) που επιτρέπουν την επιλεκτική διέλευση συγκεκριµένων τµηµάτων του υπεριώδους και υπερύθρου τµήµατος του ηλιακού φάσµατος. Τα υπεριώδη τµήµατα του ηλιακού φάσµατος χρησιµοποιούνται για τον υπολογισµό της ολικής στήλης του όζοντος, ενώ τα υπέρυθρα τµήµατα για τον υπολογισµό της ολικής στήλης των υδρατµών και των αιωρούµενων σωµατιδίων. Το πεδίο παρατήρησης της ηλιακής ακτινοβολίας σε κάθε µήκος κύµατος είναι 2.5 µοίρες. Κουµπιά πλοήγησης SUN TARGET SCAN/ESCAPE ON/OFF MENU/ENTER Εικόνα 1: Όργανο µέτρησης της ολικής στήλης του όζοντος (µοντέλο MICROTOPS II) Αρχή λειτουργίας του οργάνου Όταν το όργανο είναι στραµµένο προς τον ήλιο και σωστά ευθυγραµµισµένο η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει στα πέντε οπτικά διαφράγµατα που διαθέτει το όργανο αυτό. Τα διαφράγµατα αυτά καλύπτονται από ένα προστατευτικό παράθυρο κατασκευασµένο από ΒΚ7, ώστε να είναι διαπερατό και από την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία. Στην Εικόνα 2 παρουσιάζεται το οπτικό παράθυρο µαζί µε το προστατευτικό του πέτασµα.

3 3 ιάφραγµα ευθυγράµµισης Προστατευτικό παράθυρο Εικόνα 2: Οπτικό παράθυρο του MICROTOPS II µε το προστατευτικό του πέτασµα. Πίσω από τα πέντε οπτικά διαφράγµατα που διαθέτει το MICROTOPS II είναι τοποθετηµένα στενά οπτικά φίλτρα συµβολής ώστε να επιτρέπουν την διέλευση ηλιακής ακτινοβολίας συγκεκριµένου µήκους κύµατος (πχ. στο υπεριώδες και στο υπέρυθρο). Πίσω από κάθε οπτικό φίλτρο, του οποίου το κεντρικό µήκος κύµατος παρουσιάζεται στον Πίνακα 2.1, ευρίσκεται τοποθετηµένη µία φωτοδίοδος, η οποία ανιχνεύει την προσπίπτουσα άµεση ηλιακή ακτινοβολία στο συγκεκριµένο µήκος κύµατος. Το σήµα εξόδου (ηλεκτρικό σήµα σε mv) της κάθε φωτοδιόδου αφού ενισχυθεί µετατρέπεται σε ψηφιακό σήµα µέσω ενός µετατροπέα A/D. Τα λαµβανόµενα σήµατα καταγράφονται στην µνήµη του οργάνου και χρησιµεύουν στον υπολογισµό της ολικής στήλης του όζοντος, αφού πρώτα µετατραπούν σε αντίστοιχα σήµατα ισοδύναµης ηλιακής ακτινοβολίας (solar irradiance). Έτσι, η ηλιακή ακτινοβολία (irradiance εκφρασµένη σε W/m 2 ) υπολογίζεται σε 3 διαφορετικά µήκη κύµατος (προκειµένου να ελαχιστοποιηθεί το προκαλούµενο σφάλµα από τα αιωρούµενα σωµατίδια) στο υπεριώδες φάσµα (κανάλι 1: 305 nm, κανάλι 2: 312 nm και κανάλι 3: 320 nm) και υπολογίζεται µέσω της εξίσωσης: Irradiance [W/m 2 ] = signal [mv] * cal_factor [W/m 2 /mv] λαµβάνοντας υπόψη το σήµα εξόδου (signal) της φωτοδιόδου (εκφρασµένο σε mv) σε κάθε µήκος κύµατος, ξεχωριστά και τον αντίστοιχο συντελεστή βαθµονόµησης (εκφρασµένο σε W/m 2 /mv). Τα κεντρικά µήκη κύµατος στα οποία υπολογίζεται η ολική στήλη του όζοντος παρουσιάζονται στον Πίνακα 2.1, παράλληλα µε το φασµατικό εύρος των χρησιµοποιούµενων οπτικών φίλτρων (FWHM). Πίνακας 2.1: Τεχνικά Χαρακτηριστικά του ΜΙCROTOPS II ιαθέσιµα µήκη κύµατος 305.0±0.3nm, 2.4±0.4 nm (FWHM) 312.5±0.3nm, 2.4±0.4 nm (FWHM) 320.5±0.3nm, 2.4±0.4 nm (FWHM) Πεδίο παρατήρησης 2.5 ( ο ) Ακρίβεια µέτρησης 1-2 % Επίσης, το όργανο διαθέτει και ένα επιπλέον οπτικό διάφραγµα (διάφραγµα ευθυγράµµισης) για την ευθυγράµµιση του συστήµατος µε την θέση του ηλίου κατά τη διάρκεια της µέτρησης (Εικόνα 2). Όλες οι ενδείξεις του οργάνου παρουσιάζονται σε µια οθόνη υγρών κρυστάλλων στην εµπρόσθια όψη του οργάνου. Ο υπολογισµός της ολικής στήλης του όζοντος στην ατµόφαιρα απαιτεί τη µέτρηση της έντασης της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας στο έδαφος σε επιλεγµένα µήκη κύµατος στη Β-φασµατική περιοχή ( nm). Ο υπολογισµός αυτός βασίζεται στη χρήση του νόµου των Beer-Lambert και στην συνεισφορά της σκέδασης Rayleigh. Είναι δε ακριβέστερος εαν ληφθούν υπόψη η συνεισφορά των αερολυµάτων (σκέδαση Mie) καθώς και άλλων ρύπων (πχ. SO 2 ) που απορροφούν στην UV-B περιοχή.

4 4 Στην περίπτωση αυτή ο νόµος των Beer-Lambert γράφεται ως εξής: I(λ) = Ι 0 (λ) e -α(λ)µω-mβ(λ)p/p0 (2.1) όπου, I(λ) και Ι 0 (λ), είναι οι εντάσεις της ηλιακής ακτινοβολίας στο µήκος κύµατος λ στην κορυφή της ατµόσφαιρας (ΤΟΑ) και στο έδαφος, αντίστοιχα. Ω είναι η ολική στήλη του όζοντος, α(λ) ο συντελεστής απορρόφησης του όζοντος, β(λ) ο συντελεστής οπισθοσκέδασης Rayleigh, µ=α 2 Α 3 /Β 2 Β 3 είναι ο λόγος του οπτικού δρόµου της ηλιακής ακτινοβολίας διαµέσου του στρώµατος του όζοντος (Α 2 Α 3 ) προς τον αντίστοιχο δρόµο όταν η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει κάθετα στον τόπο µέτρησης (Β 2 Β 3 ) (βλ. Εικόνα 3), P είναι ατµοσφαιρική πίεση σε mbar, P 0 είναι η κανονική πίεση ( mbar) και m είναι η λεγόµενη «ατµοσφαιρική µάζα» (airmass) για την οποία ισχύει: m=α 1 Α 4 /Β 1 Β 4, δηλ. το m είναι ο λόγος του οπτικού δρόµου της ηλιακής ακτινοβολίας διαµέσου της ατµόσφαιρας (Α 1 Α 4 ) προς τον αντίστοιχο δρόµο όταν η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει κάθετα στον τόπο µέτρησης (Β 1 Β 4 ). Όταν το m<2 τότε τα m και µ είναι περίπου ίδια. Β 4 Β 3 Β 2 Β 1 Α 1 ΓΗ Α 2 Α 3 Α 4 Στρώµα του όζοντος Εικόνα 3: ιάδοση της ηλιακής διαµέσου του στρώµατος του όζοντος. Η περίπτωση της σκέδασης από τα αιωρούµενα µόρια (σκέδαση Rayleigh) έχει ληφθεί υπόψη στην εξίσωση (2.1) µέσω του συντελεστή οπισθοσκέδασης β(λ). Αντίθετα, στον υπολογισµό της ολικής στήλης του όζοντος τα αιωρούµενα σωµατίδια δεν παίζουν σηµαντικό ρόλο ακόµα και σε συνθήκες ελαφράς οµίχλης. Στην περίπτωση αυτή οι µετρήσεις του όζοντος παρουσιάζουν σφάλµα το πολύ 5-7%, σύµφωνα µε τους Basher and Thomas (1979). Οι αντίστοιχες εκφράσεις για τα µ και m δίνονται από τις παρακάτω εξισώσεις (Komhyr, 1980): m = secz (secz-1) (secz-1) (secz-1) 3 (2.2) secz=1/cosz (2.3) (Z είναι η ηλιακή ζενίθεια γωνία) µ = (R+h)/[(R+h) 2 (R+r) 2 sin 2 Z] 0.5 = [(1-v sin 2 Ζ)] -0.5 (2.4) όπου, v είναι ένας γεωµετρικός παράγοντας που σχετίζεται µε το ύψος του στρώµατος του όζοντος στον εκάστοτε τόπο µέτρησης: 2 ( R + r) v = 2 ( R + h) (2.5)

5 5 όπου, R είναι η µέση ακτίνα της γης (R=6371 km) r = το υψόµετρο του τόπου µέτρησης σε σχέση µε τη µέση στάθµη της θάλασσας (ΜΣΘ), h = ύψος του στρώµατος του όζοντος σε σχέση µε τη ΜΣΘ. h[km] = [γεωγραφικό πλάτος σε µοίρες ( ο )] (2.6) Ακολούθως, πραγµατοποιείται ο υπολογισµός της ολικής στήλης του όζοντος Ω (σε DU) µε τη χρήση 3 µηκών µηκών κύµατος λ 1 =305 nm, λ 2 =312 nm και λ 3 =320 nm, µε βάση την ακόλουθη εξίσωση που βασίζεται στην εξίσωση (2.1): O 3 (corr) = Ω(DU) = 1000 [ln( I / I ) ln( I / I )] [ln( I 02 / I 03 ) ln( I 2 / 3)] [( β ( λ11 ) β ( λ2 )) ( β ( λ2 ) β ( λ3 ))] ( α( λ ) α( λ )) ( α( λ ) α( λ )) µ I Εκτέλεση Προσοχή! Μην κοιτάτε ποτέ τον ήλιο έστω και µε προστατευτικά γυαλιά! Για την εκτέλεση του πειράµατος ακολουθήστε πιστά τα παρακάτω βήµατα (βλ. και την Εικόνα 1): BHMA 1 Πιέστε απαλά το κουµπί ON/OFF για 0.5 δευτερόλεπτα. Το όργανο τίθεται σε λειτουργία και αυτοβαθµονοµείται (εµφανίζονται οι ενδείξεις Hardware test και Initialization-Keep covered. Ακολούθως, στην οθόνη των υγρών κρυστάλλων εµφανίζεται η ένδειξη: RDY Manual ID=0, καθώς και η ηµεροµηνία και η ώρα (σε ώρα Greenwich) της µέτρησης. RDY Manual: σηµαίνει πως το όργανο είναι έτοιµο να πραγµατοποιήσει µετρήσεις µε χειροκίνητο τρόπο. Σηµείωση: Όλα τα στοιχεία του MICROTOPS II είναι προσβάσιµα µέσω ενός MENU που είναι οργανωµένο µε δενδριτική δοµή tree-organized, στην κορυφή του οποίου ευρίσκεται το Ready mode. Ο κωδικός ID χρησιµοποιείται για την είσοδο δεδοµένων σχετικά µε την νέφωση (πολλαπλάσια του 1/8) του ουράνιου θόλου κατά την περίοδο της µέτρησης. Έτσι, εάν ο ουράνιος θόλος καλύπτεται κατά 2/8 από νέφη, τότε κωδικός ID τίθεται ίσος 2 (ID=2). Για να µεταβάλλουµε τον κωδικό ID µετακινούµαστε µε τα κάθετα βέλη (δυνατό µόνον στη θέση ready mode). Με τη χρήση του κουµπιού MENU/ENTER έχει πραγµατοποιηθεί ήδη η ρύθµιση των διαφόρων παραµέτρων του οργάνου, όπως είναι: η ακριβής ώρα (ώρα Greenwich), οι γεωγραφικές συντεταγµένες και το υψόµετρο του τόπου όπου πραγµατοποιείται η µέτρηση, και τέλος, η ατµοσφαιρική πίεση που επικρατεί την ώρα της µέτρησης. ΒΗΜΑ 2 Βεβαιωθείτε ότι το επάνω ορθογώνιο κάλυµµα του οργάνου είναι κλειστό. Ακολούθως, εφόσον η οθόνη υγρών κρυστάλλων παρουσιάζει την ένδειξη Ready Manual, ανοίγετε το ορθογώνιο κάλυµµα του οργάνου και στρέφετε το όργανο προς τον ήλιο. Επιλέγετε τον κατάλληλο προσανατολισµό ώστε το είδωλο του ηλίου να εµφανίζεται στο µικρό παράθυρο (Sun target) που υπάρχει στην εµπρόσθια όψη του οργάνου, και ειδικότερα, στο κέντρο του παραθύρου αυτού. Προσπαθήστε να

6 6 σταθεροποιήσετε το είδωλο του ηλίου στο κέντρο του παραθύρου για τουλάχιστον 5 δευτερόλεπτα στηρίζοντας κα που το χέρι σας (η βέλτιστη µέτρηση µε τυπική απόκλιση <0.18% επιτυγχάνεται όταν το είδωλο του ήλιου παραµένει «κεντραρισµένο» καθ όλη τη διάρκεια της µέτρησης). Όταν το επιτύχετε πιέζετε το κουµπί µε την ένδειξη SCAN/ESCAPE κρατώντας πάντοτε το είδωλο του ηλίου σταθερό, στο κέντρο του παραθύρου, για τουλάχιστον 15s. Παράλληλα, στην οθόνη υγρών κρυστάλλων εµφανίζεται η ένδειξη: SCAN XXX Point at the sun O αριθµός XXX αντιστοιχεί στον αύξοντα αριθµό της λαµβανόµενης µέτρησης. Tο όργανο ξεκινά να καταγράφει το ηλιακό φάσµα σε 3 επιλεγµένα µήκη κύµατος του υπεριώδους φάσµατος: κανάλι 1: 305 nm, κανάλι 2: 312 nm και κανάλι 3: 320 nm. Όταν η µέτρηση ολοκληρωθεί (ένας συνολικός χρόνος µέτρησης 15s αντιστοιχεί στη λήψη 32 δειγµάτων) ακούγεται ένας χαρακτηριστικός διπλός ήχος τερµατισµού και εµφανίζεται στην οθόνη υγρών κρυστάλλων η ένδειξη: Ready Manual Να επαναλάβετε προσεκτικά και πιστά το ΒΗΜΑ 2 για τουλάχιστον 5 ακόµα συνεχόµενες µετρήσεις (λήψη συνολικά 6 µετρήσεων ανά οµάδα φοιτητών). ΒΗΜΑ 3 Καταγράψτε προσεκτικά τα αποτελέσµατα που λάβατε συµπληρώνοντας τον Πίνακα Μετρήσεων 2.2. Μπορείτε να πλοηγηθείτε στις µετρήσεις που λάβατε µε χρήση του δεξιού-οριζόντιου κουµπιού πλοήγησης (χρώµατος γκρι-µωβ) στο επίπεδο του Ready Manual (Εικόνα 1). Πίνακας 2.2: Πίνακας Μετρήσεων Α/Α Ωρα UT hh:mm:ss ΜΕΣΟΣ ΟΡΟΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Ο 3 (corr) DU O 3 (1/2) DU O 3 (2/3) DU SZA (o) Solar nm (W/m 2 ) Solar nm (W/m 2 ) Solar nm (W/m 2 ) Signal 305 nm (mv) Signal 312 nm (mv) Signal 320 nm (mv) Τ ( ο C) όπου: A/A: Ο αύξων αριθµός της µέτρησης. O 3 (corr): H διορθωµένη στήλη του όζοντος (σε Dobson Units) O 3( 1/2): H υπολογιζόµενη στήλη του όζοντος που προκύπτει από τον λόγο των σηµάτων της ηλιακής ακτινοβολίας στο κανάλι 1 και 2 (σε Dobson Units). Ο 3 (2/3): H υπολογιζόµενη στήλη του όζοντος που προκύπτει από τον λόγο των σηµάτων της ηλιακής ακτινοβολίας στο κανάλι 2 και 3 (σε Dobson Units). SZA: Ηλιακή ζενίθεια γωνία (σε µοίρες) Solar Irradiance@305 nm (W/m 2 ): H ένταση της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας στα 305 nm σε W/m 2.

7 7 Solar nm (W/m 2 ): H ένταση της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας στα 305 nm σε W/m 2. Solar Irradiance@320 nm (W/m 2 ): H ένταση της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας στα 305 nm σε W/m 2. Signal 305 nm : Tο καταγραφόµενο ηλεκτρικό σήµα (σε mv) στα 305 nm. Signal 312 nm : Tο καταγραφόµενο ηλεκτρικό σήµα (σε mv) στα 312 nm. Signal 320 nm : Tο καταγραφόµενο ηλεκτρικό σήµα (σε mv) στα 320 nm. T( o C): Η θερµοκρασία του ατµοσφαιρικού περιβάλλοντος σε βαθµούς C. BHMA 4 Tέλος, κλείνετε το όργανο, αφού περάσετε από το βήµα Ready mode, πατώντας το κουµπί ON/OFF. 2.6 Επεξεργασία των µετρήσεων - Συµπεράσµατα Με χρήση των µετρήσεων του Πίνακα Μετρήσεων (2.2) υπολογίστε τα παρακάτω µεγέθη: 1) Υπολογίστε την ηλιακή ζενίθεια γωνία SZA (Z) για κάθε ώρα µέτρησης και συγκρίνατέ την µε αυτήν που δίνει το όργανο. Αναφέρατε και σχολιάστε τυχόν παρατηρούµενες διαφορές. Υπολογίστε τις τιµές των µ, m, h και sec Z για την περίπτωση των µετρήσεων στην Αθήνα (r=220 m), όπου secz=1/cosz. Παρατηρείτε διαφοροποίηση µεταξύ των τιµών των µ, secz και m, και εαν ναι, που οφείλεται αυτή; 2) Συµπληρώστε την τελευταία γραµµή (οριζόντια στήλη) των µετρήσεων υπολογίζοντας τον µέσο όρο των µετρήσεων. Σχολιάστε τα λαµβανόµενα αποτελέσµατα. 3) Συγκρίνατε µεταξύ τους τις τιµές της έντασης της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας στα 305, 312 και 320 nm και σχολιάστε τις παρατηρούµενες διαφορές (που οφείλονται, κλπ.). Τι ποσοστό αποτελούν οι εντάσεις αυτές στα 305, 312, 320 nm (θεωρήστε ένα φασµατικό εύρος της τάξης των 3 nm), σε σχέση µε την µετρούµενη ολική ηλιακή ακτινοβολία στο έδαφος; (βλ. Επίσης, συγκρίνατε τις εντάσεις αυτές στα 305, 312, 320 nm µε εκείνες που παρουσιάζονται στην Εικόνα 2β της Εργαστηριακής Άσκησης 1 και σχολιάστε τις ενδεχόµενες διαφορές. 4) Συγκρίνατε την µέση ποσότητα της ολικής στήλης του όζοντος που µετρήσατε µε αυτήν που µετράται από το όργανο TOMS της NASA, στην περιοχή της µέτρησής σας (γεωγραφικές συνταταγµένες της πόλης των Αθηνών) ( Τι ρόλο παίζει η τιµή της ηλιακής ζενίθειας γωνίας Ζ στην προκύπτουσα τιµή της ολικής στήλης του όζοντος; Τι ρόλο παίζουν οι διάφοροι ρύποι της ατµόσφαιρας και η ενδεχόµενη ύπαρξη νεφών στις µετρήσεις του MICROTOPS II; 5) Χαράξτε, τέλος στο Excel, στο Origin ή στο Matlab την κατακόρυφη κατανοµή του όζοντος [άξονας Χ: µερική πίεση του όζοντος (nbar), άξονας Υ: ύψος (km)] στην ατµόσφαιρα, θεωρώντας τις παρακάτω παραδοχές: α) στο έδαφος η µερική πίεση του όζοντος είναι 30 nbar. β) στην περιοχή 0-5 km η µερική πίεση του όζοντος αυξάνεται µε ρυθµό 5 nbar/km γ) στην περιοχή 5-15 km η µερική πίεση του όζοντος µειώνεται µε ρυθµό 2.5 nbar/km δ) στην περιοχή km η µερική πίεση του όζοντος αυξάνεται µε ρυθµό nbar/km ε) στην περιοχή km η µερική πίεση του όζοντος µειώνεται µε ρυθµό 5 nbar/km Για την κατανοµή αυτήν υπολογίστε την προκύπτουσα συνολική ποσότητα του ατµοσφαιρικού όζοντος (σε DU, όπου 1 DU=10-2 atm mm ή 1 DU= mol/cm 2 ) στην ατµόσφαιρα. Πώς αυτή συγκρίνεται µε την µέση ποσότητα που µετρήσατε µε το όργανο MICROTOPS II; Εάν η διαφορά

8 µεταξύ των ολικών ποσοτήτων είναι µεγαλύτερη από 10%, «προσαρµόστε» κατά την κρίση σας την κατακόρυφη κατανοµή του όζοντος, ώστε η συνολική ποσότητα αυτού να διαφέρει λιγότερο από 10% από αυτήν που µετρήθηκε από το MICROTOPS II. 8

9 9 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ Basher E., and R. Thomas, Appl. Opt., 18, , Evans, W., I. Asbridge, J. Kerr, C. Mateer, R. Olafson, The effects of SO 2 on Dobson and Brewer total ozone measurements, Proceedings of the Quadrennial International Ozone Symposium, 1, 48-56, Köhler, U. and W. Attmannspacher, Long-time intercomparison between Brewer and Dobson spectrophotometer at the Hohenpeissenberg, Beitr. Phys. Atmosph., 59, 85-96, Komhyr, W., and R. Grass, and R. Leonard, Dobson Spectrophotometer 83: a standard for total ozone measurements, , J. Geophys. Res., 94, D7, , Michalsky, J.J., J.C. Liljegren, L.C. Harrison, A comparison of sun photometer derivations of total column water vapor and ozone to standard measures of the same at the Southern Great Plains Atmospheric Radiation Measurement site, J. Geophys. Res., 100, D12, , Microtops II, User s Guide, version 2.43, Solar Light Company Inc., 2001 (

10 10 Παράρτηµα ΙV Υπολογισµός Ζενίθειας Γωνίας του Ήλιου Ισχύουν οι παρακάτω εξισώσεις (σηµ. οι γωνίες είναι εκφρασµένες σε µοίρες): cosθ = ηµδ ηµφ + συνδ συνφ συνh Η = [15 ( tz ± 12hr)] + ( ψ ψ z ) 360 (284 + n) δ = δ 0 [ ηµ ( )] TD (+ όταν ο ήλιος ευρίσκεται δεξιά από την κατακόρυφο του τόπου) όπου: θ = ζενίθεια γωνία του ήλιου δ = απόκλιση ηλίου (-23.5 ο <δ<23.5 ο ), δηλ. η γωνία που σχηµατίζει ο ισηµερινός της γης και το επίπεδο περιστροφής της γης γύρω από τον ήλιο. [πχ. δ=23.5 ο στην θερινή ισηµερία (21/06), δ=-23.5 ο στις 12/12, δ=0 ο (στις 21/03 και 21/09)] δ 0 =23.5 ο φ = γεωγραφικό πλάτος τόπου ψ = γεωγραφικό µήκος τόπου Η = ωριαία γωνία του ηλίου [0 ο < Η < 360 ο για µια ολόκληρη ηµέρα] είναι η γωνία που σχηµατίζει ο µεσηµβρινός του ήλιου µε τον µεσηµβρινό του τόπου. Όταν το µεσηµβρινό επίπεδο του τόπου περιέχει και τον ήλιο έχουµε το τοπικό µεσηµέρι (Η=0 ο ) t z = τοπική ώρα ψ z = άτρακτος τόπου που αντιστοιχεί σε ωριαία άτρακτο (πχ. 30 ο για την Ελλάδα) n = αύξων αριθµός ηµέρας του έτους Τ D =ο συνολικός αριθµός ηµερών ενός έτους Μεταβολή της απόκλισης του ήλιου σαν συνάρτηση µε την ηµέρα του έτους: Απόκλιση ήλιου Σηµείωση 1: Η µεταβολή της επιτάχυνσης της βαρύτητας µε το γεωγραφικό πλάτος φ δίνεται από την σχέση: g φ = [ (cos2φ) (cos 2 2φ)] Σηµείωση 2: Γεωγραφικές Συντεταγµένες Αθήνας: φ=37.9 ο (Βόρειο), ψ=23.6 ο (Ανατολικό).

11 11 Παράρτηµα V Μονάδες Φυσικές Σταθερές Συνετελεστές Μετατροπής Μονάδων Mήκος 1 mile=1609 m 1 inch= m 1 foot= m 1 noutical mile=1852 m Γωνία 1 rad = 57 o 18 1 rad of latitude =6129 km 1 degree of latitude = km T( o C)= T(K)-273 Πίεση 1 hpa=100 Pa 1bar=10 5 Pa 1 mbar=100 Pa 1mmHg(Torr)=133.3 Pa Φυσικές Σταθερές Μέση ακτίνα της γης R Γ = m Μάζα της γης M Γ = Kg Μάζα της ατµόσφαιρας M A = Kg Επιτάχυνση της βαρύτητας (φ=45 ο ) g 0 = ms -2 Γωνιακή ταχύτητα της γης Ω Γ = (radians)s -1 Μέση απόσταση γης-ηλίου R 0 = m Mέγιστη απόσταση γης-ηλίου R αφ = m Ελάχιστη απόσταση γης-ηλίου R πε = m Μέση απόσταση γης-σελήνης R ΓΣ = m Σταθερά του Planck h= J s Σταθερά του Boltzmann k= J /K Ηλιακή σταθερά Ι 0 =1370 Wm -2 Σταθερά του Wien c= m K Σταθερά των Stefan-Boltzmann σ= W/m 2 K 4 Παγκόσµια σταθερά των αερίων R*= J/mole K Σταθερά των αερίων ανά µονάδα µάζας R=287 J K -1 kg lt ατµοσφαιρικού αέρα (ΚΣ) Μ α =0.029 Kg/mole Ειδική θερµότητα του αέρα σε σταθερή πίεση c p = J / Kg K Ειδική θερµότητα του αέρα σε σταθερό όγκο c v =718 J / Kg K Κατακόρυφη ξηρή αδιαβατική θερµοβαθµίδα 9.76 C/km Πίεση της ατµόσφαιρας (ΜΣΘ) 1atm= kpa = mb= hpa

12 12 Αριθµός του Avogadro Παράµετρος Coriolis Ν Α = 6.023x10 23 µόρια / mole f = 2Ωηµφ