ΟΡΓΑΝΟ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΔΙΑΧΥΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ

ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΑΚΤΙΝΟΜΕΤΡΟΥ YE S- UVB 1 ΤΗΣ ΩΣ ΟΡΓΑΝΟ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΔΙΑΧΥΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Αρβανίτη Βιργινία Α.Μ 11 7 9 9 Προπτυχιακή Φοιτήτρια Πτυχιακή Εργασία στον τομέα : Εφαρμογές Φυσικής και Φυσική Περιβάλλοντος Επιβλέπων: Μελέτη Χαρίκλεια, Επίκουρος Καθηγητής Τμήμα Φυσικής Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Θεσσαλονίκη, Σεπτέμβριος 20 1 0 1

Κατάλογ ος π εριεχ ο μ έ ν ω ν Προπτυχιακή Φοιτήτρια... 1 1. Ηλιακή ακτινοβολία και υπεριώδες...4 1. 1 Ηλιακή ακτινοβολία... 4 1. 1. 1 Το φάσμα στην επ ιφάνεια της θάλασσας...7 1. 1. 2 Οι συνιστώσες της ακτινοβολίας...10 1. 1. 3 Μεταβολές στο γήινο φάσμα...1 1 1.2 Υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία...12 1.2. 1 Παράγοντες που επηρεάζουν αποκλειστικά την υπεριώδη ακτινοβολία...14 2. Όργανα μέτρησης και βαθμονόμηση...17 2. 1 Όργανα μέτρησης ακτινοβολίας γενικά...17 2.2 Ακτινόμετρο... 18 2.3 Πυρανόμετρο... 19 2.3. 1 Γενικά για τα πυρανόμετρα... 19 2.3.2 Σχεδίαση τρόπος λειτουργίας...20 2.3.3 Χρήσεις πυρανόμετρων... 22 2.4 Φασματοφωτόμετρο... 23 2.5 Βαθμονόμηση... 23 2.5. 1 Βαθμονόμηση με πρότυπα όργανα...24 2.5.2 Βαθμονόμηση με γνωστές πηγές ακτινοβολίας...26 3. Επεξεργασία των μετρήσεων...28 3.1 Επιλογή και συγχώνευση των μετρήσεων...32 3.2 Διαγράμματα για τις αρχικές μετρήσεις...33 3.3 Μετρήσεις ανά πεντάλεπτο... 38 3.3. 1 Έλεγχος με βάση τη ζενίθια γωνία ή την ημέρα του έτους...43 4. Καθαρισμός των μετρήσεων με σύγκριση των τιμών ανά έτος...48 5. Καθαρισμός των μετρήσεων βασιζόμενοι στο λόγο CIE/ D I F...61 2

6. Συμπεράσματα...69 7. Αναφορές...71 Παράρτημα Ι...72 Παράρτημα II...75 Παράρτημα III...78 3

1. Ηλιακή ακτινοβολία και υπεριώδες 1.1 Ηλιακή ακτινοβολία Με τον όρο φως εννοούμε την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που μπορούμε να δούμε με τα μάτια μας. Συχνά, ο όρος χρησιμοποιείται λίγο ευρύτερα, για να περιλάβει και την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που βρίσκεται λίγο έξω από την περιοχή που μπορούμε να δούμε, δηλαδή την υπεριώδη και την υπέρυθρη ακτινοβολία. Ο όρος ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αναφέρεται σε ένα φυσικό φαινόμενο που περιγράφει τη μεταφορά ενέργειας απο μια θέση σε μια άλλη, και χαρακτηρίζεται από ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό πεδίο που μεταβάλλονται σε συνάρτηση με το χρόνο. Εναλλακτικά, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από σωματίδια, τα φωτόνια, τα οποία μεταφέρουν ενέργεια σε ευθείες διαδρομές μέσα στο χώρο. Η ενέργεια ακτινοβολίας που παράγεται αρχικά κατά τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στον ήλιο,μεταφέρεται στη γη με ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Δηλαδή με φωτόνια ενέργειας που είναι ανάλογη της συχνότητας και αντιστρόφως ανάλογη του μήκους κύματος: Ε=hv=hc/ λ όπου h η σταθερά του Planck. Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων των φωτονίων, τόσο πιο ενεργό είναι το φωτόνιο. Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα είναι η κατανομή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ανάλογα με την ενέργεια. Η ενέργεια των φωτονίων καλύπτει θεωρητικά ένα πολύ μεγάλο εύρος τιμών. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μπορεί να έχει άπειρο αριθμό πιθανών μηκών κύματος. Προκύπτει ότι ακτινοβολίες που έχουν παρόμοια μήκη κύματος προκαλούν παρόμοιες αλληλεπιδράσεις με την ύλη. Για αυτό θεωρήθηκε κατάλληλο να διαιρεθεί το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα σε χωριστές φασματικές περιοχές, ανάλογα με τις αλληλεπιδράσεις της ακτινοβολίας κάθε περιοχής με την ύλη. Οι φασματικές λοιπόν περιοχές στις οποίες χωρίστηκε είναι οι ακτίνες γάμμα, οι ακτίνες Χ, η υπεριώδης ακτινοβολία, η ορατή ακτινοβολία, η υπέρυθρη ακτινοβολία και τα ραδιοκύματα. 4

Στην εν λόγω εργασία θα ασχοληθούμε με τη φύση του φωτός που ακτινοβολεί ο Ήλιος και κυρίως με την υπεριώδη ακτινοβολία. Η ακτινοβολία που φτάνει στο άνω όριο της γήινης ατμόσφαιρας προέρχεται σχεδόν εξ ολοκλήρου από τον ήλιο. Στον πυρήνα του ήλιου η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή. Η βαρυτική έλξη του πυρήνα του Ήλιου που ασκείται στα υλικά που βρίσκονται γύρω του προκαλεί πολύ υψηλή πίεση μέσα στον πυρήνα. Σε αυτές τις μεγάλες θερμοκρασίες και πιέσεις, οι πυρήνες των ατόμων συγκρούονται μεταξύ τους με πολύ υψηλή ταχύτητα. Μερικές από αυτές τις συγκρούσεις οδηγούν κάποιους πυρήνες σε σύντηξη, διαμορφώνοντας έτσι ένα βαρύτερο πυρήνα με παράλληλη απώλεια ενέργειας, συχνά υπό μορφή ακτίνων γάμα. Επειδή το υλικό στο εσωτερικό του ήλιου είναι πολύ πυκνό, οι ακτίνες γάμα συγκρούονται συχνά με τους πυρήνες και τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε αυτό το μέσο και μέσω μια φυσικής διεργασίας (σκέδαση Compton) μετατρέπονται σε χαμηλότερης ενέργειας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μεταδίδοντας πρόσθετη κινητική ενέργεια στα μόρια. Ως εκ τούτου, καθώς οι ακτίνες γάμα διαδίδονται από τον πυρήνα του ήλιου προς τα έξω, η ενέργειά τους μειώνεται σταδιακά από τις διαδοχικές συγκρούσεις, αποτιθέμενη στα ηλεκτρόνια και τους πυρήνες που συναντούν. Το φάσμα της εξερχόμενης ακτινοβολίας από την ηλιακή επιφάνεια έχει μια αρκετά ομαλή κατανομή ως προς το μήκος κύματος, τυπικό ενός μέλανος σώματος σε θερμοκρασία περίπου 5700 Κ. Όμως επάνω από την επιφάνειά του, ο ήλιος έχει μια ατμόσφαιρα ατόμων,ιόντων και περιστασιακά μορίων τα οποία απορροφούν μέρος της εξερχόμενης ακτινοβολίας, επιλεκτικά σε κάποια μήκη κύματος, ενώ σε κάποια άλλα προσθέτουν ακτινοβολία μέσω εκπομπής, κάνοντας το φάσμα της ακτινοβολίας που φτάνει στη γήινη ατμόσφαιρα πολύ σύνθετο. 5

Η ακτινοβολία του ήλιου έξω από την ατμόσφαιρα, όταν ο ήλιος και η γη απέχουν μια ηλιακή σταθερά (η μέση απόσταση γη-ήλιου είναι 140.5 9 7. 8 9 0 k m) καλείται ηλιακή Εικόνα 1 : Φάσμα ηλιακής ακτινοβολίας έξω από την ατμόσφαιρα και στην επιφάνεια της θάλασσας. Η συνεχόμενη γραμμή είναι το φάσμα μαύρου σώματος σταθερά. Ο Παγκόσμιος Μετεωρολογικός Οργανισμός (WMO) δίνει την τιμή 13 6 7W/m 2. Η ηλιακή σταθερά είναι το συνολικό εμβαδόν ολόκληρου του φάσματος ακτινοβολίας όπως φαίνεται στην Εικόνα 1. Το φάσμα αυτό περιλαμβάνει μήκη κύματος από 200 έως 250 0 n m τα οποία και αποτελούν το 96,3 % της ακτινοβολίας. Το υπόλοιπο 3,7 % αφορά μεγαλύτερα μήκη κύματος. Η ακτινοβολία του ήλιου μεταβάλλεται κατά ένα ποσοστό 6,6 % κατά την διάρκεια του έτους λόγω της μεταβολής στην απόσταση γης-ήλιου.εφόσον η γήινη τροχιά είναι ελλειπτική με τον ήλιο να καλύπτει τη μία εστία της, έχουμε μέγιστη και ελάχιστη απόσταση μεταξύ ηλίου-γης. Η μέγιστη ονομάζεται αφήλιο και η ελάχιστη περιήλιο. Η ροή της ακτινοβολίας είναι ανάλογη του 1/ d 2 όπου d η απόσταση γηςήλιου. Κατά συνέπεια η ροή ακτινοβολίας στο αφήλιο είναι περίπου 7 % μικρότερη απ ότι στο περιήλιο. Η ηλιακή δραστηριότητα δηλαδή η περιστροφή του ήλιου γύρω από τον άξονά του,οι σχεδόν κυκλικές μεταβολές στη δραστηριότητα και τη 6

θερμοκρασία της ηλιακής επιφάνειας καθώς και τα επεισοδιακά γεγονότα όπως οι ηλιακές εκλάμψεις, επίσης μεταβάλουν την ακτινοβολία κατά 1 % 1. 1. 1 περίπου. Το φάσμα στην επιφάνεια της θάλασσας Η ακτινοβολία που φτάνει τελικά στην επιφάνεια της γης είναι αρκετά διαφορετική λόγω των παραγόντων που την επηρεάζουν, αρχικά λόγω της απορρόφησης ή της σκέδασης από τα συστατικά της ατμόσφαιρας. Σκέδαση είναι το φαινόμενο κατά το οποίο η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αλλάζει διεύθυνση όταν προσπίπτει σε σωματίδια ή σε μόρια αερίων και διαχέεται προς όλες τις κατευθύνσεις (κυρίαρχη προτίμηση προς τα εμπρός). Το ποσοστό σκέδασης της ακτινοβολίας εξαρτάται από πολλούς παράγοντες μεταξύ των οποίων είναι: α. Το μήκος κύματος λ της ακτινοβολίας, β. Η συγκέντρωση και το είδος σωματιδίων ή μορίων και γ. Το μήκος διαδρομής της ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα. Οι τρεις κυριότεροι τύποι σκέδασης είναι: α.σκέδαση Rayleigh: Αυτή προκύπτει όταν το μήκος κύματος της ακτινοβολίας είναι πολύ μεγαλύτερο από τις διαστάσεις του σωματιδίου στο οποίο προσπίπτει. Σε αυτόν τον μικρότερα τύπο μήκη σκέδασης τα Σκεδάσεις κύματος σκεδάζονται περισσότερο γιατί η σκέδαση είναι ανάλογη του λ-4. Τα σωματίδια που μπορούν να προκαλέσουν σκέδαση Rayleigh είναι μικρά μόρια σκόνης, μόρια Ο2 και Ν2. Αυτού του είδους η σκέδαση είναι ο κυρίαρχος μηχανισμός σκέδασης στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Το ατομικό και μοριακό οξυγόνο αλλά και το άζωτο απορροφούν πολύ μικρά μήκη κύματος με αποτέλεσμα να αποκόπτουν το φάσμα κάτω από 19 0 n m. Τα μόρια του οξυγόνου (Ο2 ) πολύ ψηλά στην ατμόσφαιρα απορροφούν ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος, διασπώμενα σε μεμονωμένα άτομα οξυγόνου(ο). Χαμηλότερα στην ατμόσφαιρα τα άτομα (Ο) αυτά μπορούν να συνενωθούνμε μόρια οξυγόνου (Ο2 ) και να 7

παράγουν όζον (Ο3 ). Το όζον απορροφά έντονα μεγαλύτερα μήκη κύματος στην περιοχή των 200-300 nm και ελαφρά την ορατή ακτινοβολία του υπεριώδους με αποτέλεσμα να μας προστατεύει από όση ακτινοβολία δεν απορροφήθηκε από το οξυγόνο υψηλότερα στην ατμόσφαιρα. Το στρώμα όζοντος της στρατόσφαιρας απορροφά εντελώς τα μήκη κύματος μέχρι 280n m και μαζί με το σκεδασμό μεταβάλει δραματικά τη μορφή του φάσματος που φτάνει στη γη. β.σκέδαση Mie : Αυτό το είδος σκέδασης προκύπτει όταν το μήκος κύματος της ακτινοβολίας είναι συγκρίσιμο με τις διαστάσεις του σωματιδίου στο οποίο προσπίπτει. Και σ' αυτή την περίπτωση σκέδασης τα μικρότερα μήκη κύματος σκεδάζονται περισσότερο από τα μεγαλύτερα, αλλά σε μικρότερη αναλογία γιατί η σκέδαση είναι ανάλογη του λ-α, όπου 0 < α < 4. Σωματίδια σκόνης, γύρης, καπνού και υδρατμών είναι υπεύθυνα για τη σκέδαση Mie, ενώ τα μεγαλύτερα μήκη κύματος υφίστανται σε μεγαλύτερο ποσοστό τέτοια σκέδαση. Εμφανίζεται στα χαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας λόγω της ύπαρξης μεγαλύτερων σωματιδίων εκεί και κυριαρχεί όταν υπάρχουν συνθήκες πλήρους νεφοκάλυψης. Συνεπώς, τα υπόλοιπα συστατικά της ατμόσφαιρας όπως οι υδρατμοί, το διοξείδιο του άνθρακα και λιγότερο το οξυγόνο, απορροφούν επιλεκτικά περιοχές του υπερύθρου. γ.μη επιλεκτική σκέδαση : Η μη επιλεκτική σκέδαση λαμβάνει χώρα όταν το μήκος κύματος της Εικόνα 2: Μεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της ημέρας ακτινοβολίας είναι πολύ μικρότερο από τις διαστάσεις του σωματιδίου στο οποίο προσπί πτει. Σ' αυτό το είδος σκέδασης, όλα τα μήκη κύματος σκεδάζονται σχεδόν ισόποσα. Οφείλεται στην παρουσία μεγάλων σωματιδίων σκόνης και μεγάλων σταγόνωνυδρατμών. Η σκέδαση Rayleigh αλλά και η σκέδαση από άλλα σωματίδια όπως αεροζόλ ή ακόμη και οι σταγόνες της βροχής, επίσης επηρεάζουν το φάσμα που φτάνει στη γη(και χρωματίζουν τον ουρανό μπλε). Σε μια τυπική καλοκαιρινή ημέρα χωρίς σύννεφα και 8

με μηδενική ζενίθια γωνία, τα 13 6 7W/m 2 που φτάνουν έξω από την ατμόσφαιρα, μειώνονται στα 1 1 2 0W/m 2 (με μόλις τα 10 0 0W/m 2 περίπου να αφορούν την άμεση ακτινοβολία) στην επιφάνεια της θάλασσας. Συνεπώς το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στη γήινη ατμόσφαιρα το επηρεάζει και η ζενίθια γωνία που εκφράζει ποσοτικά την κλίση των ηλιακών ακτίνων (εικόνα 2). Η ζενίθια γωνία είναι η γωνία που σχηματίζει η διεύθυνση των ακτίνων με την κατακόρυφο. Αύξηση της γωνίας συνεπάγεται αύξηση της πιθανότητας απορρόφησης ή σκέδασης της ακτινοβολίας, λόγω της επιμήκυνσης της διαδρομής που θα ακολουθήσει η δέσμη φωτός, που τελικώς οδηγεί στην εξασθένισή της. Επομένως για αυτό σε ανέφελη ημέρα (και τα νέφη σκεδάζουν την υπεριώδη ακτινοβολία με σκέδαση Mie λόγω του ότι το μέγεθος των υδροσταγονιδίων είναι πολύ μεγαλύτερο από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας αυτής) η ακτινοβολία είναι ισχυρότερη κυρίως τις μεσημεριανές ώρες διότι τότε βρίσκεται πιο ψηλά στον ουρανό ο ήλιος (μικρότερη κλίση ηλιακών ακτίνων). Εκτός από αυτούς που μόλις σχολιάστηκαν, άλλοι παράγοντες που επιδρούν στην ηλιακή υπεριώδη ακτινοβολία είναι το υψόμετρο του σταθμού μέτρησής της και η ανακλαστικότητα του εδάφους. Στην παρούσα εργασία δε θα υπάρξει αναφορά στις παραμέτρους αυτές διότι λόγω της τοποθεσίας του Εργαστηρίου Φυσικής Ατμόσφαιρας, όπου και πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις που θα αναλυθούν, δεν αναμένεται να κατέχουν σημαντικό ρόλο στις μακροχρόνιες τάσεις των μετρήσεων της υπεριώδους ακτινοβολίας. Συγκεκριμένα, το υψόμετρο του εργαστηρίου είναι μόλις 60 m από την επιφάνεια της θάλασσας, ενώ είναι γνωστό ότι η υπεριώδης ακτινοβολία ενισχύεται με την αύξηση του υψόμετρου κατά 5 % με 8 % ανά χιλιόμετρο. Επομένως, στην περίπτωση του Εργαστηρίου Φυσικής Ατμόσφαιρας, δεν υπάρχει αυτού του είδους η επίδραση στις μετρήσεις. Επίσης, ο περιβάλλων χώρος του εργαστηρίου αποτελείται από κτίρια και μερικά δέντρα, με αντιπροσωπευτική τιμή ανακλαστικότητας περίπου 0.03. Η ανακλαστικότητα του εδάφους δε μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια του έτους, άρα δεν αναμένεται να συνεισφέρει και στη μεταβλητότητα των μετρήσεων της UVακτινοβολίας που πραγματοποιούνται εκεί. 9

1. 1. 2 Οι συνιστώσες της ακτινοβολίας Γενικά η ακτινοβολία του ήλιου που φτάνει στην επιφάνεια αποτελείται από δύο συνιστώσες (Εικόνα 3). Η μία είναι η άμεση συνιστώσα που προέρχεται απευθείας από τον ήλιο και η άλλη η διάχυτη, η οποία προέρχεται από σκέδαση στον περιβάλλοντα χώρο. Εικόνα 3: Συνιστώσες της ηλιακής ακτινοβολίας Επιπλέον ακτινοβολία από ανάκλαση σε αντικείμενα κοντά στο σημείο που βρισκόμαστε, εξαρτάται από την τοπική γεωμετρία του χώρου και προσμετράται στη διάχυτη ακτινοβολία. Άμεση θεωρούμε μόνο αυτή που έχει κατεύθυνση κάθετη στο υποθετικό επί πεδο παρατήρησης (μέσα σε μια γωνία 0.53 ο που είναι η γωνία που βλέπουμε τον ηλιακό δίσκο στην επιφάνεια της γης). Η συνολική ακτινοβολία στο έδαφοςκαι των δύο συνιστωσώνλέγεται ολική ηλιακή ακτινοβολία. 1. 1. 3 Μεταβολές στο γήινο φάσμα Η απορρόφηση και η σκέδαση μεταβάλλονται όταν μεταβάλλεται η σύσταση της ατμόσφαιρας. Τα σύννεφα είναι το π ιο χαρακτηριστικό παράδειγμα. Μπορούν να αποκόψουν εντελώς την άμεση ακτινοβολία. Εποχιακές μεταβολές και μεταβολές στο στρώμα του όζοντος επίσης έχουν σοβαρή επίδραση στο φάσμα, τουλάχιστον του υπεριώδους. Η ακτινοβολία εξαρτάται από το πάχος της ατμόσφαιρας που πρέπει να διανύσουν οι ακτίνες του ήλιου. Ένας παράγοντας που το επηρεάζει είναι το υψόμετρο, όπως επίσης η εποχή του χρόνου καθώς μεταβάλλεται το ύψος του ήλιου από τον ορίζοντα κατά τη διάρκεια του έτους. Ο σημαντικότερος όμως παράγοντας είναι η περιστροφή της γης γύρω από τον εαυτό της. Κατά τη διάρκεια της ημέρας η απόσταση που πρέπει να διανύσουν οι ακτίνες μέσα στην ατμόσφαιρα αλλάζει δραστικά. Έτσι δεν μεταβάλλεται μόνο η ένταση της ακτινοβολίας κατά την διάρκεια της ημέρας (καταλήγοντας στο 10

μηδέν τη νύχτα) αλλά μεταβάλλεται και το φάσμα της ακτινοβολίας λόγω διαφορετικής σκέδασης και απορρόφησης. Εικόνα 4: Τυπική ημερήσια μεταβολή ολικής ηλιακής ακτινοβολίας σε ημέρα χωρίς σύννεφα Εικόνα 5: Το ίδιο με την εικόνα 4 αλλά για ημέρα με μεταβλητές συνθήκες Στην Εικόνα 4 φαίνεται μια τυπική μεταβολή στην ολική ακτινοβολία κατά τη διάρκεια της ημέρας για καλοκαιρινή ημέρα χωρίς σύννεφα και στην Εικόνα 5 το ίδιο για μια ημέρα με μεταβλητές καιρικές συνθήκες. 1. 1. 4 Οι ζώνες του ηλιακού φάσματος Όλη η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στο εξωτερικό της ατμόσφαιρας έχει ένα μεγάλο εύρος μηκών κύματος από 10 0 έως 10 6 nm. Το φάσμα αυτό διαιρείται σε ζώνες ανάλογα με το μήκος κύματος. Η Ζώνη Μήκος κύματος Ακτίνες Χ λ< 1 0 n m Υ περιώδες 10-400n m Ορατό 400-750n m Υπέρυθρο 750-3000 n m Εικόνα 6: Οι ζώνες του ηλιακού φάσματος διαίρεση περιλαμβάνει τρεις μεγάλες ζώνες (ορατό, υπέρυθρο και υπεριώδες) και δύο μικρότερες (ακτίνες Χ και μικροκύματα). Περίπου η μισή ροή της ηλιακής ακτινοβολίας (42 %) ανήκει στη ζώνη του ορατού και η άλλη μισή (49 %) στο υπέρυθρο. Ένα μικρό ποσοστό (9 %) ανήκει στην ζώνη του υπεριώδους. Στις άλλες δύο ζώνες, των ακτίνων X και των μικροκυμάτων περιέχεται ελάχιστη ροή ακτινοβολίας. 11

Η ατμόσφαιρα της γης είναι σχεδόν διαφανής στις σημαντικότερες ζώνες του ορατού και υπερύθρου και αδιαφανής στις ακτίνες Χ. Στο υπεριώδες απορροφάται σημαντικό ποσοστό και τελικά φτάνει στην επιφάνεια ένα μικρό μόνο μέρος. Οι τέσσερις ζώνες του φάσματος και τα αντίστοιχα μήκη κύματος φαίνονται στην εικόνα 6. 1.2 Υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία Είναι το μέρος του φάσματος μεταξύ 10 και 400n m ή ισοδύναμα ενέργειας 3-12 4 ev. Γνωστή για το μαύρισμα που προκαλεί το καλοκαίρι, παρόλο που έχει πολλές άλλες επι πτώσεις τόσο ευεργετικές όσο και καταστροφικές στον άνθρωπο. Η υπεριώδης ακτινοβολία χωρίζεται σε υποπεριοχές με δύο διαφορετικούς τρόπους. Ο π ιο συνηθισμένος είναι στις τρεις γνωστές ζώνες Α,Β και C, με την Α να αντιστοιχεί στα μεγαλύτερα μήκη κύματος κοντά στο ορατό και την Β και C σε μικρότερα μήκη κύματος. Ο τρόπος αυτός διαίρεσης έγινε με κριτήριο τα βιολογικά αποτελέσματα της ακτινοβολίας και είναι αυτό που τελικά επικράτησε. Οι τρεις αυτές περιοχές με τα βιολογικά τους αποτελέσματα περιγράφονται συνοπτικά παρακάτω: UVA(3 1 5 nm- 40 0 n m) Το μεγαλύτερο μέρος της υπεριώδους που φτάνει στην εξωτερική ατμόσφαιρα από τον ήλιο ανήκει σ' αυτή τη ζώνη. Αντι προσωπεύει το 6,3 % της συνολικής ηλιακής ενέργειας και το 76 % της συνολικής υπεριώδους. Το στρώμα του όζοντος είναι σχεδόν διαφανές για την UVAκαι έτσι το μεγαλύτερο μέρος φτάνει στην επιφάνεια της γης. Είναι ακίνδυνη για του ζωντανούς οργανισμούς. UVB (28 0 n m- 31 5 n m) Περιέχεται σε ποσοστό 1,5 % στη συνολική ηλιακή ακτινοβολία. Απορροφάται σημαντικά από το στρώμα του όζοντος κι έτσι φτάνει ελάχιστα στην επιφάνεια της γης. Προκαλεί το γνωστό κοκκίνισμα και μαύρισμα του δέρματος αλλά και γενικά βιολογικές μεταλλάξεις. Η επίδραση στους ζωντανούς οργανισμούς είναι τόσο ευεργετική όσο και καταστροφική. UVC (10n m- 28 0 n m) Α ποτελεί μόλις το 0,5 % της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας και το 6 % της υπεριώδους. Εξαιρετικά επικίνδυνη για τους ζωντανούς οργανισμούς αφού προκαλεί 12

πολύ εύκολα μεταλλάξεις. Ευτυχώς απορροφάται έντονα από το στρώμα του όζοντος αλλά και από το ατμοσφαιρικό οξυγόνο και άζωτο κι έτσι φτάνει ελάχιστα έως καθόλου στην επιφάνεια της γης. Ένα δεύτερος τρόπος διαίρεσης προτείνεται από το ISO-DIS-2 1 3 4 8 σε τρεις περιοχές πάλι για την ηλιακή υπεριώδη, σε ονόματα Near Ultraviolet, Middle Ultraviolet και Far Ultraviolet. Συναντάται πιο συχνά σε επιστημονικά άρθρα. Όλες οι ζώνες του υπεριώδουςμαζί με τις συντομογραφίες φαίνονται στην Εικόνα 7 Όνομα Συντ. Μήκος Κύματος Ενέργεια UVA 400n m 3 1 5 n m 3. 10 3. 9 4 ev NUV 400n m 3 0 0 n m 3. 10 4. 1 3 ev UVB 315n m 2 8 0n m 3.94 4.43 ev MUV 300n m 2 0 0 n m 4.13 6. 2 0 ev UVC 280n m 1 0 0 n m 4.43 1 2. 4 ev Far FUV 200n m 1 2 2 n m 6.20 1 0. 2 ev Vacuum VUV 200n m 1 0 0 n m 6.20 1 2. 4 ev Low LUV 10 0 n m 8 8 n m 1 2.4 1 4. 1 ev Super SUV 150 n m 1 0 n m 8.28 1 2 4 ev Extrem e EUV 121n m 1 0 n m 10. 2 1 2 4 ev Ultraviolet A ή long wave ή black light Near Ultraviolet B ή mediu m wave Middle Ultraviolet C ή short wav e ή ger mi cidal Εικόνα 7: Οι ζώνες της υπεριώδουςακτινοβολίας με φθίνουσα σειρά μήκους κύματος. Οι τρεις τελευταίες δεν περιλαμβάνονται στην ηλιακή ακτινοβολία. 1.2. 1 Παράγοντες που επηρεάζουν αποκλειστικά την υπεριώδη ακτινοβολία Το όζον Η υπεριώδης ακτινοβολία απορροφάται έντονα από το όζον της στρατόσφαιρας κι έτσι ελάττωση του στρώματος προκαλεί αύξηση της υπεριώδους. 13

Τα σύννεφα Τα σύννεφα απορροφούνέντονα την ηλιακή ακτινοβολία και λιγότερο την υπεριώδη. Το πόσο αποτελεσματικά συμβαίνει αυτό εξαρτάται από το είδος και το πάχος των νεφών. Αραιά και διάσπαρτα σύννεφα μπορεί να προκαλέσουν μία μείωση της τάξης του 10 % ενώ πυκνά μαύρα και χαμηλά μπορεί να αποκόψουν το 80 % της ακτινοβολίας. Όταν ο ηλιακός δίσκος είναι ορατός τότε η εξασθένιση της υπεριώδουςαπό τα σύννεφα είναι σχεδόν αμελητέα. Το υψόμετρο Η υπεριώδης ακτινοβολία γίνεται ισχυρότερη όσο απομακρυνόμαστε κατακόρυφα από το επί πεδο της θάλασσας, επειδή η ποσότητα των συστατικών της ατμόσφαιρας που την απορροφούνελαττώνεται με το ύψος. Η ακτινοβολία αυξάνεται περίπου κατά 10 % για κάθε 10 0 0 m πάνω από την επ ιφάνεια της θάλασσας. Ανακλάσεις Ένα αντικείμενο δέχεται άμεση ακτινοβολία από τον ήλιο και διάχυτη από τον ουρανό, αλλά και από ανακλάσεις από το έδαφοςκαι τα υπόλοιπα αντικείμενα στον περιβάλλοντα χώρο. Το ποσοστό της ανακλώμενης ακτινοβολίας εξαρτάται από το είδος της επιφάνειας του εδάφους. Τα περισσότερα αντικείμενα όπως χώμα, γρασίδι, δέντρα ανακλούν λιγότερο από το 10 % της ακτινοβολίας που δέχονται ενώ το φρέσκο χιόνι ανακλά μέχρι και το 80 %. Το νερό Το 95 % της υπεριώδουςδιαπερνά το νερό και το 50 % φτάνει μέχρι βάθος 3m. Η θέση του ήλιου Όσο ψηλότερα βρίσκεται ο ήλιος από τον ορίζοντα τόσο ισχυρότερη είναι η ακτινοβολία. Τυπικά το ύψος του ήλιου από τον ορίζονται μετριέται με την ζενίθια γωνία, τη γωνία δηλαδή που σχηματίζει με την κατακόρυφη στο επί πεδο της γης όπως προανέφερα. Άλλες δύο γωνίες που χρησιμοποιούνται για να καθορίσουν τη θέση του ήλιου στον ουρανό είναι το ύψος που είναι συμπληρωματική γωνία της ζενίθιας και η αζιμούθια γωνία (από τον βορρά), όπως φαίνονται στην Εικόνα 8. 14

Εικόνα 8: Η θέση του ήλιου στον ουρανό 15

2. Όργανα μέτρησης και βαθμονόμηση 2.1 Όργανα μέτρησης ακτινοβολίας γενικά Η ανίχνευση και μέτρηση της υπεριώδους ακτινοβολίας διαφέρει ανάλογα με το μέρος του φάσματος που θέλουμε να μετρήσουμε. Υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία οργάνων που μπορούν να μετρήσουν την ηλιακή ακτινοβολία. Άλλα απ' αυτά είναι πολύπλοκα και άλλα ιδιαίτερα εκλεπτυσμένα και υψηλής τεχνολογίας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα απλότητας και με ιστορική σημασία είναι το ραδιόμετρο του Crookes το οποίο κατασκευάστηκε το 187 3, πριν ακόμη γίνει γνωστή η φύση του φωτός. Το όργανο ανεμόμυλος ήταν που απλώς αντί για ένας αέρα χρησιμοποιούσε το φως. Ένας αριθμός από πτερύγια που η μία πλευρά τους ήταν λευκή και η άλλη μαύρη μπορούν να περιστρέφονται ελεύθερα. Όταν εκτεθούν σε φως τότε η σκοτεινή πλευρά απορροφά τα φωτόνια και η φωτεινή τα ανακλά και η ανισομετρία στην πίεση των δύο πλευρών προκαλεί Εικόνα 9: Το ραδιότρο του Crookes περιστροφή. Η όλη διάταξη τοποθετείται μέσα σε γυάλινο, κενό από αέρα δοχείο για να μην υπάρχουν ρεύματα αέρα και αντίσταση. Η ταχύτητα περιστροφής μας δείχνει την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας κι έτσι το όργανο δε λειτουργεί μόνο σαν ανιχνευτής, αλλά μπορεί να κάνει και μετρήσεις. Η αιτία που προκαλούσε την περιστροφή των πτερυγίων, είχε προκαλέσει μεγάλη συζήτηση την εποχή που κατασκευάστηκε. Ακόμη κατασκευάζονται τέτοιες συσκευές και κυκλοφορούν στο εμπόριο ως διακοσμητικά. 16

Τα σημερινά όργανα βέβαια είναι περισσότερο ευαίσθητα και ακριβή. Όλα μετρούν τη ροή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, την ισχύ δηλαδή που μεταφέρει η ακτινοβολία ανά μονάδα επιφάνειας W/m 2 σε υποπολλαπλάσια των χιλιοστών συνήθως. Υ πάρχουν όργανα που μετρούν ένα μεγάλο φάσμα ακτινοβολίας από το υπέρυθρο μέχρι τις ακτίνες X και άλλα που μπορούν να μετρούν συγκεκριμένα φάσματα. Τυπικά ο όρος ραδιόμετρο σήμερα χρησιμοποιείται για όργανα που μπορούν να μετρούν το υπέρυθρο μέχρι και το ορατό φάσμα. Τα ραδιόμετρα μικροκυμάτων είναι ευαίσθητα στην ακτινοβολία κάτω από το υπέρυθρο. Για τα μικρότερα μήκη κύματος από το ορατό φως έχει καθιερωθεί ο όρος ακτινόμετρο (actino m et er ). Ενώ το πυρανόμετρο (pyrano m et er ) είναι και αυτό ακτινόμετρο αλλά μετράει μόνο τη διάχυτη ακτινοβολία επειδή πάνω από το όργανο τοποθετείται ένα σκιάδιο το οποίο αποκόπτι την άμεση συνιστώσα της ηλιακής ακτινοβολίας. Επίσης υπάρχει και το φασματοφωτόμετρο. Θα δούμε συνοπτικά τα βασικά χαρακτηριστικά αυτών των οργάνων. 2.2 Ακτινόμετρο Είναι όργανα που μετρούν τη θερμική ισχύ της ακτινοβολίας. Συνήθως η περιοχή στην οποία είναι ευαίσθητα καλύπτει την υπεριώδη ακτινοβολία και μέρος της ορατής ή ολόκληρη την ορατή. Αν θέλουμε να περιορίσουμε το φάσμα τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε φίλτρα με ό,τι αυτό συνεπάγεται για την ακρίβεια των μετρήσεων. Χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, τα χημικά και τα φυσικά. Λέγοντας χημικά εννοούμε ότι ο τρόπος λειτουργίας τους στηρίζεται σε κάποια χημική αντίδραση. Με τη μέτρηση των προϊόντων της χημικής αντίδρασης (που είναι ευαίσθητη στην υπεριώδη ή στην ορατή ακτινοβολία) παίρνουμε την τιμή της ακτινοβολίας. Ο τρόπος λειτουργίας δε διαφέρει από τον τρόπο λήψης των κλασσικών φωτογραφιών με το φιλμ. Από τον τρόπο λειτουργίας τους είναι φανερό ότι χρειάζονται τακτική ανανέωση των χημικών υλικών για να λειτουργήσουν,διαφορετικά είναι μιας χρήσης. Το πλεονέκτημα είναι ότι δε χρειάζονται εξωτερική ισχύ (ηλεκτρικό ρεύμα) για να λειτουργήσουν. Διαλέγοντας διάφορα χημικά μπορούμε να κατασκευάσουμε ακτινόμετρα ευαίσθητα σε συγκεκριμένες περιοχές ακτινοβολίας. 17

Τα ακτινόμετρα όμως που μπορούν να δώσουν ακρίβεια και συνέχεια στις μετρήσεις είναι αυτά που στηρίζουν τη λειτουργία τους σε φυσικό κι όχι χημικό φαινόμενο. Τα ακτινόμετρα αυτού του τύπου έχουν επικρατήσει να λέγονται πυρανόμετρα και θα εξετασθούν συνοπτικά στην επόμενη παράγραφο. 2.3 Πυρανόμετρο 2.3. 1 Γενικά για τα πυρανόμετρα Είναι τύπος ακτινομέτρου που στηρίζει τη λειτουργία του σε αισθητήρα. Ο αισθητήρας είναι είτε φωτοδίοδος είτε θερμοπύλη. Σε κάθε περίπτωση το τελικό ζητούμενο είναι τα φωτόνια της ακτινοβολίας να μετατραπούν σε διαφορά δυναμικού στα άκρα του αισθητήρα. Εμείς μετρώντας την, βρίσκουμε το μέγεθος της ροής ακτινοβολίας. Πρακτικά τα πυρανόμετρα χρησιμοποιούν μια φωτοδίοδο (photodi od e ) ή θερμοπύλη (thorm o pile ) για να λειτουργήσουν. Το όνομά του προέρχεται από δύο ελληνικές λέξεις πυρ και άνω. Μετρά τη θερμότητα που έρχεται από επάνω (τον ήλιο) και έχει επικρατήσει σα διεθνής όρος (pyrano m eter). Τυπικά ούτε αυτά χρειάζονται εξωτερική ισχύ για να λειτουργήσουν. Υ πάρχουν πυρανόμετρα που μετρούν όλο το φάσμα της ακτινοβολίας από το υπέρυθρο μέχρι το υπεριώδες και άλλα ευαίσθητα σε ένα μέρος του φάσματος. Σε κάθε περίπτωση θέλουμε ε π ί π εδη ανταπόκριση από το όργανο στην περιοχή του φάσματος που μετράει, πράγμα που δεν είναι πάντα εύκολο να επ ιτευχθεί. Με απλά λόγια θέλουμε όλα τα μήκη κύματος της ακτινοβολίας να διεγείρουν τον αισθητήρα με την ίδια ένταση (με μόνο ίσως κριτήριο την ενέργεια των φωτονίων τους). Τα πυρανόμετρα μετρούν την ολική ακτινοβολία που πέφτει πάνω του (διάχυτη και άμεση). Έτσι εκτός από την επί πεδη ανταπόκριση σε όλο το φάσμα λειτουργίας του θέλουμε και ομοιόμορφη κατευθυντήρια ανταπόκριση. Αυτό σημαίνει ότι σε πλήρες σκοτάδι, αν πέσει πάνω στο πυρανόμετρο μια λεπτή δέσμη ακτινοβολίας θα πρέπει να προκαλέσει στο όργανο ροή ακτινοβολίας (ή ένταση ακτινοβολίας) ανάλογη με το συνημίτονο της ζενίθιας γωνίας. Η ακτίνα προσομοιάζει στον ήλιο. Όταν η ακτίνα πέφτει κάθετα στην επιφάνεια του πυρανόμετρου (ζενίθια γωνία 0 ο) τότε έχουμε τη μέγιστη ένταση, ενώ όταν πέφτει οριζόντια (ζενίθια γωνία 90 ο) τότε η ένταση πρέπει να μηδενίζεται. Η ροή ακτινοβολίας 18

του πυρανόμετρου πρέπει να είναι ανάλογη με το cos θ όπου θ η ζενίθια γωνία της ακτίνας (ή του ήλιου). Μια τέτοια συμπεριφορά λέγεται συνημιτονική ανταπόκριση. 2.3.2 Σχεδίαση τρόπος λειτουργίας Υ πάρχουν δύο μεγάλες κατηγορίες στη σχεδίαση των πυρανομέτρων. Στη μία κατηγορία έχουμε αυτά που στηρίζουν τη λειτουργία τους σε θερμοπύλες. Ο αισθητήρας είναι μια θερμοπύλη με μαύρη επικάλυψη (περίβλημα). Η επικάλυψη θερμαίνεται από την ακτινοβολία και η θερμοπύλη μετρά την άνοδο της θερμοκρασίας και την μετατρέπει σε διαφορά δυναμικού. Το μαύρο περίβλημα έχει μεγάλο εύρος ανταπόκρισης στην ακτινοβολία από 300 έως 5.000n m. Σκεπάζουμε όμως τος αισθητήρα με γυάλινους θόλους (ένα ή περισσότερους) και μειώνουμε το εύρος ευαισθησίας κόβοντας τα μήκη κύματος πάνω από 2.800 n m. Ταυτόχρονα διατηρούμε το πεδίο δράσης του οργάνου στις 18 0. Οι γυάλινοι θόλοι προστατεύουν το ο όργανο από τις εξωτερικές καιρικές Εικόνα 1 0: Ένα σύγχρονο πυρανόμετρο (Hukseflux SR11) συνθήκες και συναντώνται σε όλα τα πυρανόμετρα, ανεξάρτητα από τον τρόπο λειτουργίας τους (τουλάχιστον σ' αυτά που μετράν την ολική ακτινοβολία). Με χρήση περαιτέρω φίλτρων μπορούμε να μειώσουμε το φάσμα που μετράει το όργανο. Ένας τέτοιος τύπος πυρανόμετρου Εικόνα 1 1 : Κάθετη (1) αισθητήρας (2,3) Εικόνα 1τομή 2: Τοπυρανόμετρου πυρανόμετρο. YES-UVB1 γυάλινοι θόλοι φαίνεται στην Εικόνα 10. Το τεχνικό σχέδιο του οργάνου φαίνεται στην Εικόνα 1 1. Στη δεύτερη μεγάλη κατηγορία ανήκουν αυτά που λειτουργούν με φωτοδίοδο. Η 19

σχεδίαση και η φιλοσοφία είναι όμοια με τα πυρανόμετρα θερμοπυλών. Απλώς στη θέση της θερμοπύλης βρίσκεται μια επαφή ημιαγωγών pn ή κάποιος άλλος συνδυασμός ημιαγωγών. Η φωτοδίοδος μπορεί να είναι καλυμμένη με υλικό που λειτουργεί σα φίλτρο ή σα μετατροπέας της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο όργανο. Στην κατηγορία αυτή ανήκει το πυρανόμετρο με τη βαθμονόμηση του οποίου ασχολείται αυτή η εργασία. Το πυρανόμετρο που βαθμονομούμε είναι το YES-UVB1 της εταιρίας Yankee Enviro nmental Systems (εικόνα 1 2). Το πυρανόμετρο στηρίζεται σε μια φωτοδίοδο που ανταποκρίνεται στο ορατό φως. Η φωτοδίοδος είναι επικαλυμμένη με φθορίζοντα φώσφορο ο οποίος μετατρέπει την προσπίπτουσα υπεριώδη ακτινοβολία σε ορατή, την οποία τελικά μετράμε. Η επικάλυψη εμποδίζει την πρωτογενή ακτινοβολία να φτάσει στη φωτοδίοδο, η οποία μετρά μόνο την ακτινοβολία που παράγει ο φώσφορος. Η διάχυτη λοιπόν συνιστώσα μπορεί να μετρηθεί με τη χρήση του σκιαδίου. Το σκιάδιο αποτελείται από μια κυκλική μεταλλική ταινία, εύρους δύο περίπου φορές μεγαλύτερου από τη διάμετρο του παραθύρου εισόδου του οργάνου η οποία τοποθετείται έτσι ώστε το επί πεδό της να συμπίπτει με το επί πεδο της εκλει πτικής.το όργανο τοποθετείται στο κέντρο του κύκλου που ορίζει η ταινία, έτσι ώστε ένα τμήμα της ταινίας να παρεμβάλλεται συνεχώς μεταξύ του οργάνου και του ήλιου. Με τον τρόπο αυτό αποκόπτεται η άμεση συνιστώσα αλλά και ένα μικρό ποσό της διάχυτης το οποίο όμως μπορεί να εκτιμηθεί και να ληφθεί υπόψη ως διορθωτικός παράγοντας.είναι όμως γνωστό ότι η γωνία της εκλειπτικής μεταβάλλεται μέσα στο χρόνο κατά περί που 46 ο από τη χειμερινή μέχρι τη θερινή τροπή και για αυτό απαιτείται κατά διαστήματα (συνήθως κάθε εβδομάδα) διόρθωση της θέσης του σκιαδίου ώστε να συμπί πτει πάντα με το επί πεδο της εκλειπτικής. Επιπλέον, με κατάλληλη επιλογή του φθορίζοντος φωσφόρου περιορίζουμε το φάσμα της ακτινοβολίας που ανταποκρίνεται το όργανο στην UVB. Γι' αυτό και μόνο ο υπότιτλος του μοντέλου είναι erythe m al detector. Το μοντέλο προσπαθεί να προσομοιώσει τη βιολογική ευαισθησία του ανθρώπινου δέρματος στην υπεριώδη UVB. Δηλαδή στην πρόκληση ερυθήματος (κοκκίνισμα) στο δέρμα. Η έξοδος του οργάνου είναι η τάση της φωτοδιόδου η οποία με κατάλληλη βαθμονόμηση μετατρέπεται σε ροή ακτινοβολίας (mw/m 2 ). Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η βαθμονόμηση ενός τέτοιου πυρανόμετρου. 20

2.3.3 Χρήσεις πυρανόμετρων Τα πυρανόμετρα μπορούν να μας δίνουν συνεχώς μετρήσεις, είναι σχετικά φτηνά και εύκολα στη χρήση. Είναι η πρώτη επιλογή σε εφαρμογές που χρειάζονται μέτρηση ηλιακής ακτινοβολίας. Η κύρια χρήση τους είναι στη μετεωρολογία. Επειδή δεν έχουν υψηλές απαιτήσεις ενέργειας και δε χρειάζονται συχνά συντήρηση μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε απομακρυσμένους σταθμούς, αερόστατα, δορυφόρουςκτλ. Α πό τις μετρήσεις των οργάνων αυτών μπορούμε να πάρουμε πληροφορίες για την ύπαρξη νεφών, το πάχος του στρώματος του όζοντος και τη μεταβολή στην ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σε διάφορες κλίμακες χρόνου. Το μόνο τους μειονέκτημα είναι ότι δεν έχουν τη δυνατότητα να μας δώσουν πληροφορία για το φάσμα της ακτινοβολίας που μετρούν. Ο μόνος τρόπος για να περιορίσουμε το εύρος του φάσματος και να πάρουμε μετρήσεις για συγκεκριμένες συχνότητες ακτινοβολίας είναι με τη χρήση φίλτρων, τα οποία όμως αλλοιώνουν την ακτινοβολία και επηρεάζουν σημαντικά τις μετρήσεις. 2.4 Φασματοφωτόμετρο Τα φασματοφωτόμετρα σε αντίθεση με τα ακτινόμετρα, προσφέρουν τη δυνατότητα λεπτομερών μετρήσεων της ηλιακής ακτινοβολίας σε διάφορες φασματικές περιοχές (όχι τόσο στην υπεριώδη) 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 διάδοσηςτης ακτινοβολίας και η μελέτη φωτοχημικών διεργασιών στην ατμόσφαιρα. Εξελιγμένα φασματοφωτόμετρα μπορούν να δώσουν μετρήσεις ακριβείας για την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σε κάθε μήκος κύματος. Από τις μετρήσεις αυτές μπορούν να υπολογιστούν η στήλη του όζοντος και του διοξειδίου του θείου, όπως επίσης και να εκτιμηθεί η κατακόρυφη δομή του όζοντος στην ατμόσφαιρα. 21

2.5 Βαθμονόμηση Η διαδικασία βαθμονόμησης των ακτινομέτρων είναι παρόμοια με τη διαδικασία που ακολουθούμε σε οποιοδήποτε αισθητήρα. Το τελικό ζητούμενο είναι να μετατρέψουμε την τάση εξόδου που μας δίνει το όργανο σε μονάδες ροής ακτινοβολίας (ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας). Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι πρέπει να βρούμε τη συνάρτηση (γραμμική ή άλλη) που συνδέει τα δύο μεγέθη. Αυτό θα πρέπει να γίνει για την περιοχή του φάσματος που μας ενδιαφέρει και για τις εξωτερικές συνθήκες που αναμένουμε να επικρατούν κατά τη διάρκεια λειτουργίας της συσκευής. Οι δύο γενικές μέθοδοι βαθμονόμησης ισχύουν και στην περίπτωσή μας. 2.5. 1 Βαθμονόμηση με πρότυπα όργανα Για να βαθμονομήσουμε ένα καινούργιο όργανο αρκεί να συγκρίνουμε την έξοδό του με ένα άλλο που είναι ήδη βαθμονομημένο. Το βαθμονομημένο όργανο είναι το πρότυπο και πρέπει να φυλάσσεται σε συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας που να εξασφαλίζουν την ακρίβεια των μετρήσεών του για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Ανά διαστήματα τα πρότυπα όργανα πρέπει να συγκρίνονται μεταξύ τους και να διορθώνονται τυχόν αποκλίσεις. Η έξοδος του πρότυπου οργάνου είναι συνήθως στις μονάδες που μας ενδιαφέρουν ενώ του νέου οργάνου που βαθμονομούμε σε μονάδες της φυσικής του εξόδου (συνήθως τάση ή ένταση ρεύματος). Εφόσον τα δύο όργανα λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο, στηρίζονται δηλαδή στο ίδιο φυσικό φαινόμενο και έχουν την ίδια ανταπόκριση στο εξωτερικό αίτιο που μετράμε, θα πρέπει οι έξοδοι των δύο οργάνων να είναι ανάλογες. Θεωρητικά λοιπόν, αρκεί μία μέτρηση ή το πολύ δύο, για να γίνει η βαθμονόμηση. Στην πραγματικότητα βέβαια οι μετρήσεις των δύο οργάνων απέχουν πολύ από τον χαρακτηρισμό ανάλογες μεταξύ τους. Για διάφορους λόγους (εξωτερικούς παράγοντες μέσα στις ή εσωτερικούς συσκευές) οι μετρήσεις αποκλίνουν από την 22 Εικόνα 1 3: Ευθεία ελαχίστων τετραγώνων. Το Χ είναι η έξοδος του αισθητήρα και το Υ το μέγεθος που θέλουμε να μετρήσουμε (η έξοδος του προτύπου οργάνου)

απλή αναλογία. Στην περίπτωση αυτή πρέπει να πάρουμε μια σειρά μετρήσεων (όσο περισσότερες τόσο καλύτερα) σε όσο το δυνατόν ιδανικές συνθήκες και να χρησιμοποιήσουμε παλινδρόμηση για να βρούμε τη σχέση μεταξύ τους. Στην περίπτωση που η σχέση είναι γραμμική εφαρμόζουμε τη γραμμική παλινδρόμηση, βρίσκοντας την ευθεία ελαχίστων τετραγώνων. Μετά απ' αυτό μπορούμε από την κλίση της ευθείας να βρούμε την τιμή του μετρούμενου μεγέθους μετρώντας μόνο την έξοδο του αισθητήρα. Αν τα δύο όργανα δουλεύουν στηριζόμενα σε διαφορετικό φυσικό φαινόμενο, τότε μπορούμε να περιμένουμε διαφορετική συμπεριφορά από τη γραμμικότητα. Παρόλα αυτά θα πρέπει να υπάρχει κάποια αναλυτική συνάρτηση που να συνδέει τα δύο μεγέθη και έτσι μπορούμε να εφαρμόσουμε πολυωνυμική παλινδρόμηση, προσπαθώντας να προσεγγίσουμε τη συνάρτηση με ένα πολυώνυμο. Α πό κει και πέρα η βαθμονόμηση γίνεται με τον ίδιο τρόπο όπως και στη γραμμική σχέση. Η βαθμονόμιση με πρότυπο όργανο είναι φτηνή, απλή και αξιόπιστη και γι' αυτό είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος. Στην περίπτωση της εργασίας αυτής έχουμε να βαθμονομήσουμε ένα πυρανόμετρο YES-UVB1 που μετρά διάχυτη ερυθυματογόνο ακτινοβολία, με αυτή τη μέθοδο βαθμονόμησης που μόλις αναφέραμε. Σαν πρότυπο όργανο χρησιμοποιούμε ένα ήδη βαθμονομημένο όργανο στην μέτρηση της ολικής ερυθυματογόνου (άμεσης και διάχυτης). Το πρότυπο όργανο μας δίνει τις τιμές που μετρά απευθείας σε ροή ακτινοβολίας (mw/m 2 ) ενώ το βαθμονομούμενο όργανο μας δίνει την τάση του αισθητήρα σε Volt. Επειδή το πρότυπο όργανο μετρά την ολική ακτινοβολία και εμείς θέλουμε τιμές μόνο της διάχυτης, επιλέγουμε να παίρνουμε μετρήσεις ακτινοβολίας μόνο τις συννεφιασμένες ημέρες με σταθερή νέφωση. Έτσι εξασφαλίζουμε ότι τα δύο όργανα μετρούν μόνο διάχυτη ακτινοβολία. Ακόμη επειδή τα δύο όργανα είναι πανομοιότυπα, περιμένουμε γραμμική σχέση μεταξύ των δύο εξόδων και δεν έχουμε πρόβλημα με την φασματική απόκριση μεταξύ τους αφού οι αισθητήρες τους είναι όμοιοι και έχουν την ίδια απόκριση σε όλο το φάσμα. 23

2.5.2 Βαθμονόμηση με γνωστές πηγές ακτινοβολίας Εκτός από τη συνηθισμένη μέθοδο με πρότυπο όργανο υπάρχει και η μέθοδος με πρότυπη πηγή ακτινοβολίας ή οποιαδήποτε άλλη πηγή αν δεν έχουμε ακτινοβολία. Στην περίπτωση αυτή πρέπει να έχουμε δύο τουλάχιστον πηγές γνωστής ροής ακτινοβολίας τις οποίες μετράμε με το νέο όργανο και καθορίζουμε τη γραμμική σχέση μεταξύ εξόδου του αισθητήρα και μετρούμενου μεγέθους. Αυτό βέβαια προϋποθέτει ότι ισχύει πράγματι η γραμμική σχέση στο εύρος των τιμών που θέλουμε να μετρήσουμε. Στην πράξη βέβαια χρειάζονται πολύ περισσότερες πηγές για να έχουμε αξιόπιστη βαθμονόμηση. Λόγω σφαλμάτων στην όλη διαδικασία είναι σίγουρο ότι θα έχουμε απόκλιση από τη γραμμικότητα κι έτσι θα χρειαστούμε κι εδώ γραμμική παλινδρόμηση (αν και τώρα σε πολύ λιγότερες μετρήσεις). Οι πρότυπες πηγές ακτινοβολίας είναι συνήθως λάμπες υπεριώδους (ή άλλου φάσματος αν έχουμε βαθμονόμηση σε άλλη περιοχή ακτινοβολίας) που συνοδεύονται από κάποιο πιστοποιητικό εργαστηρίου. Οι λάμπες τοποθετούνται στις προκαθορισμένες αποστάσεις που αναφέρονται στο πιστοποιητικό για να μας δώσουν τη γνωστή ροή ακτινοβολίας. Το σφάλμα που μπορεί να προκύψει εδώ είναι λόγω της διαφορετικής φασματικής απόκρισης του αισθητήρα που θέλουμε να βαθμονομήσουμε. Ενδεχομένως μπορεί η λάμπα να παράγει ακτινοβολία έξω από την περιοχή που μπορεί να μετρήσει ο αισθητήρας κι έτσι, να θεωρούμε λανθασμένα ότι έχουμε μεγαλύτερη ροή απ' την πραγματική. Γι' αυτό το σωστότερο είναι να υπολογίσουμε το συνολικό εμβαδό του γινομένου του φάσματος που εκπέμπει η λάμπα με τη σχετική φασματική απόκριση του αισθητήρα. Τα δύο αυτά μεγέθη είναι γνωστά από τον κατασκευαστή του κάθε οργάνου. Σε μια παραλλαγή αυτής της μεθόδου μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το φυσικό ηλιακό φως και ένα φασματοφωτόμετρο για τη βαθμονόμιση. Το φασματοφωτόμετρο θεωρείται όργανο ακριβείας που μπορεί να μας δώσει τη ροή μονοχρωματικής ακτινοβολίας κάθε χρονική στιγμή, οπότε από τη σχετική φασματική απόκριση του αισθητήρα μπορούμε να υπολογίσουμε την τιμή της ροής που πρέπει να μετρά ο 24

αισθητήρας. Η όλη διαδικασία μοιάζει πολύ με βαθμονόμηση με πρότυπο όργανο, αφού χρησιμοποιούμε τεχνικές και από τις δύο μεθόδους. Γενικά η βαθμονόμηση με γνωστές ακτινοβολίες είναι περισσότερο δύσκολη και περιορίζεται μόνο στην αρχική βαθμονόμηση των πρότυπων οργάνων ή στον έλεγχό τους ανά διαστήματα για λόγους συντήρησης. 25

3. Επεξεργασία των μετρήσεων Οι μετρήσεις που μου δόθηκαν αφορούσαν τα έτη 200 0 έως 200 5. Ήταν μοιρασμένες σε τρία διαφορετικά αρχεία. Στα αρχεία που βρίσκονται στο φάκελλο flg_sky περιέχονται τα δεδομένα από τις μετρήσεις της ολικής ακτινοβολίας. Ένα δείγμα του αρχείου φαίνεται στην εικόνα 14. Tim e SZAFlg CV% 1.3167 110.8 0 3-999 1.3333 110.7 0 3-999 1.35 110.6 0 3-999 1.3667 110.4 0 3-999 1.3833 110.3 0 3-999 1.4 110.1 0 3-999 1.4167 110 0 3-999 1.4333 109.9 0 3-999 1.45 109.7.005 3 420 1.4667 109.6.119 3 41.17647 1.4833 109.5.193 3 24.87047 1.5 109.3.223 3 25.11211 1.5167 109.2.264 3 9.848485 1.5333 109.279 3 20.07169 1.55 108.9.214 3 13.08411 Εικόνα 14: Δείγμα αρχείου flg_sky Οι στήλες που μας ενδιαφέρουν σ' αυτό το αρχείο είναι η πρώτη και οι δύο τελευταίες. Η πρώτη αφορά το χρόνο και μετριέται σε ώρες της κάθε ημέρας, από 0 έως 24 (σε δεκαδικά, όχι εξηκοστά).οι μετρήσεις παίρνονται κάθε λεπτό. Η επόμενη αφορά τη ζενίθια γωνία και οι δύο τελευταίες τη νέφωση και τη μεταβλητότητα του συντελεστή ολικής ηλιακής ακτινοβολίας. Συγκεκριμένα η προτελευταία στήλη είναι ένας δείκτης(flag) που δείχνει την κατάσταση του ηλιακού δίσκου λόγω νεφών κατά τη διάρκεια των μετρήσεων. Οι τιμές που μπορεί να πάρει είναι : 26

0 καθαρός ουρανός (ο ηλιακός δίσκος δεν είναι καλυμμένος) 1 σταθερή νέφωση (ο ηλιακός δίσκος είναι καλυμμένος και οι συνθήκες είναι σταθερές) 2 μεταβλητές συνθήκες 3 μη διαθέσιμη πληροφορία (δεν υπάρχει πληροφορία είτε γιατί είναι βραδινές μετρήσεις είτε γιατί το πυρανόμετρο ήταν εκτός λειτουργίας). Η τελευταία στήλη,όπως προανέφερα,αποτελεί το συντελεστή μεταβλητότητας της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας για το διάστημα των 8 λεπτών και δείχνει ότι δεν έχουμε αξιόπιστη μέτρηση για αυτό και οι γραμμές αυτές πρέπει να αγνοηθούν. Επίσης επειδή ενδιαφερόμαστε μόνο για τη διάχυτη ακτινοβολία θα πρέπει να αγνοήσουμε τις μετρήσεις εκείνες που αναφέρονται σε οτιδήποτε άλλο εκτός από σταθερή νέφωση. Δεκτές λοιπόν γίνονται μόνο οι μετρήσεις που έχουν τιμή δείκτη ίση με τη μονάδα. Η παραπάνω μέθοδος σύμφωνα με την οποία γίνεται χρήση ενός δείκτη για τις συνθήκες νέφωσης ονομάζεται μέθοδος LAP και αναπτύχθηκε στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο. Σύμφωνα με αυτή, χρησιμοποιείται η μεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας μικρών μηκών κύματος που προκαλείται σε αντιστοιχία με τη μεταβολή των συνθηκών νέφωσης. Θεωρείται ότι οι αλλαγές στις συνθήκες νέφωσης έχουν επίδραση στην ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει τελικά στο έδαφος, η οποία μπορεί να μετρηθεί από τα πυρανόμετρα. Υποθέτοντας ότι η αραίωση των νεφών είναι ανεξάρτητη του μήκους κύματος της ακτινοβολίας, τότε η μεταβολή της συνιστώσας(ολική, άμεση ή διάχυτη) της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια φασματικών μετρήσεων μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρονική πληροφορία από μια σειρά μετρήσεων από πυρανόμετρο. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ως βάση των μετρήσεων η ακτινοβολία που προέρχεται απ' τον ήλιο για καθαρό ουρανό συναρτήσει της ζενίθιας γωνίας. Προέκυψε λοιπόν μια συνάρτηση που δίνει την εξίσωση ακτινοβολίας για τη βάση της μεθόδου. Προστέθηκε επίσης ένας διορθωτικός παράγοντας που προήλθε από τη μεταβολή στην απόσταση ηλίου-γης. Λόγω των διαφορών που υπήρχαν στις μετρήσεις ακτινοβολίας μικρών μηκών κύματος και στο συντελεστή μεταβλητότητας, ορίστηκαν τελικώς οι τέσσερις τιμές ενός δείκτη (flag):0,1, 2, 3. Η τιμή 1 για την οποία παίρνουμε τις μετρήσεις μας ορίζει σταθερές συνθήκες νέφωσης και έχει οριστεί όταν η μέση ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος 27

είναι μικρότερη κατά 80 % από την αντίστοιχη που έχουμε θέσει ως βάση, αλλά ο συντελεστής ματαβλητότητας εξακολουθεί να παραμένει μικρότερος από 0,75 %. Ουσιαστικά η τιμή αυτή αντιπροσωπεύει ομογενείς συνθήκες νέφωσης για τις οποίες οι φασματικές μετρήσεις δε διαστρεβλώνονται. Στο φάκελλο yes_lap.glb υπάρχουν οι μετρήσεις υπεριώδους που δίνει το πυρανόμετρο και αφορούν την ολική ερυθυματογόνο ακτινοβολία (άμεση και διάχυτη και βαθμονομημένη). Οι μετρήσεις παίρνονται ανά λεπτό, όπως και στα προηγούμενα αρχεία. Ένα δείγμα των αρχείων φαίνεται στην Εικόνα 15 TIME_UT SZA [mw.m-2] st.dev 5.7833 91.3 0.0000 0.0000 5.8000 91.2 0.0000 0.0000 5.8167 91.0 0.0019 0.0009 5.8333 90.8 0.0463 0.0139 5.8500 90.7 0.0914 0.0278 5.8667 89.9 0.2601 0.0965 5.8833 89.8 0.2581 0.2264 5.9000 89.6 0.3011 0.0773 5.9167 89.5 0.3452 0.0925 5.9333 89.4 0.3624 0.0686 5.9500 89.2 0.3569 0.2607 5.9667 89.1 0.4235 0.0752 Εικόνα 15: Δείγμα αρχείου yes_lap.glb Η πρώτη στήλη είναι ο χρόνος που έγινε η μέτρηση σε ώρες της ημέρας από 0 έως 24, όπως και στα αρχεία flg. Η δεύτερη στήλη είναι η ζενίθια γωνία και η τρίτη η ολική πυκνότητα ροής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια του ενός λεπτού (σε mw/m 2 ). Η τέταρτη στήλη μας δίνει την τυπική απόκλιση για το διάστημα του ενός λεπτού. Οι γραμμές εκείνες που έχουμε -9 ταυτόχρονα στην τιμή της ακτινοβολίας και στην τυπική απόκλιση, πρέπει να αγνοηθούν, επειδή δεν υπήρχε μέτρηση. 28

Τέλος στο φάκελλο yes_lap.dif υπάρχουν οι μετρήσεις της διάχυτης ερυθυματογόνου ακτινοβολίας του ακτινομέτρου YES-UVB1 οι οποίες γίνονται ταυτόχρονα με τις προηγούμενες. Ένα δείγμα των αρχείων φαίνεται στην εικόνα 16. Το αρχείο μας δίνει μετρήσεις τις ίδιες χρονικές στιγμές με τα άλλα δύο αρχεία, με μόνη διαφορά τη μέτρηση του χρόνου. Τώρα ο χρόνος μετριέται σε λεπτά της ημέρας, από 1 έως 144 0 (60x24). Η δεύτερη στήλη είναι και πάλι η ζενίθια γωνία και η τρίτη η τάση εξόδου του οργάνου. Στην τελευταία παίρνουμε την τυπική απόκλιση για το διάστημα του ενός λεπτού. TIME_UT SZA [Volt] st.dev 931 93.2 0 0 932 93.4 0 0 933 93.6 0 0 934 93.7 0 0 935 93.9 1.565856E-05 3.523109E-04 936 94.1 8.152414E-05 3.615622E-04 937 94.2 3.812683E-05 4.358092E-04 Εικόνα 16: Δείγμα αρχείου yes_lap.dif Σκοπός μας είναι να χρησιμοποιήσουμε τις μετρήσεις του ακτινομέτρου (CIE),όταν μετρά μόνο διάχυτη ακτινοβολία,για να βαθμονομήσουμε τις μετρήσεις του ακτινόμετρου (DIF), έτσι ώστε στην έξοδο των Volt που μας δίνει, να αντιστοιχεί μια τιμή mw/m 2 για τη διάχυτη ερυθυματογόνο ακτινοβολία. 3.1 Επιλογή και συγχώνευση των μετρήσεων Το πρώτο βήμα είναι να επιλέξουμε από τα τρία αρχεία τις γραμμές εκείνες που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για παραπέρα επεξεργασία. Η επιλογή θα γίνει με βάση τις γραμμές του πρώτου αρχείου flg_sky. Θα πρέπει να εξαιρεθούν οι γραμμές εκείνες που δεν είχαμε σταθερή νέφωση, επειδή στην περί πτωση αυτή το πυρανόμετρο μας δίνει τη συνολική ερυθυματογόνο και όχι τη διάχυτη που μας ενδιαφέρει. 29

Ακόμη κι αν έχουμε τη σωστή τιμή δείκτη στο αρχείο flg_sky θα πρέπει να ελέγξουμε τις τιμές ακτινοβολίας και τάσης στα δύο επόμενα αρχεία ώστε να μην έχουν τιμή -9 γιατί τότε θα πρέπει να αποκλειστούν οι αντίστοιχες παρατηρήσεις. Η συγχώνευση έγινε με μικρό πρόγραμμα σε java. Επειδή υπάρχει πλήρης αντιστοιχία μεταξύ των γραμμών των τριών αρχείων (κάθε γραμμή του ενός αντιστοιχεί στον ίδιο ακριβώς χρόνο με την ίδια γραμμή στα άλλα δύο) η συγχώνευση είναι σχετικά εύκολη. Απλώς ανοίγουμε τα τρία αρχεία και διαβάζουμε την ίδια σειρά και από τα τρία. Κάνουμε τους ελέγχους για το δείκτη και την τιμή της ροής ακτινοβολίας και τάσης και κρατάμε μόνο τις γραμμές που θέλουμε. Αυτές που περνάν τον έλεγχο συγκεντρώνονται και αποθηκεύονται σε ένα ενιαίο αρχείο για κάθε έτος. Ο χρόνος τροποποιείται τώρα σε λεπτά μέσα στο έτος, από 1 έως 525.6 0 0 (60x24x3 6 5) ή 527.040 (60x24x3 6 6) για τα δίσεκτα έτη. Ένα δείγμα των αρχείων φαίνεται παρακάτω 30

TIMESTAMP SZA CIE DIF 144774 45.2 28.5742.8749537 144775 45.4 28.3510.871296 144776 45.5 28.1923.8680633 144777 45.7 28.2038.8658164 144778 45.8 28.3809.8642988 144779 46.0 28.6783.8634382 144780 46.1 29.0281.8628782 144781 46.3 29.3792.8622447 144782 46.5 29.7111.8618042 144783 46.6 30.0486.8613869 144784 46.8 30.4089.8610354 144785 46.9 30.7921.8609219 144786 47.1 31.2783.860925 144787 47.3 31.7803.8611184 144788 47.4 32.2497.8609992 144789 47.6 32.6868.8606547 144790 47.7 32.9411.859661 144791 47.9 33.0815.8582076 144792 48.1 33.1081.8563775 Εικόνα 17: Δείγμα αρχείου εξόδου, μετά την συγχώνευσητων τριών αρχείων εισόδου flg_sky, yes_lap.glb και yes_lap.dif. Στο παράρτημα Ι υπάρχει ολόκληρο το πρόγραμμα με το οποίο έγινε η συγχώνευση, σε πηγαίο κώδικα και εκτελέσιμο. 3.2 Διαγράμματα για τις αρχικές μετρήσεις Τα έξι συνολικά αρχεία που προέκυψαν από τη συγχώνευση των μετρήσεων έγιναν διαγράμματα με την βοήθεια του προγράμματος QTIplot. Τα διαγράμματα φαίνονται στις Εικόνες 18 έως 23. 31

Εικόνα 18: Αρχικό διάγραμμα έτους 200 0 Εικόνα 19: Αρχικό διάγραμμα έτους 200 1 32

Εικόνα 20: Αρχικό διάγραμμα έτους 200 2 Εικόνα 2 1: Αρχικό διάγραμμα έτους 200 3 33

Εικόνα 22: Αρχικό διάγραμμα έτους 2004 Εικόνα 23: Αρχικό διάγραμμα έτους 200 5 34

Στα μισά απ' τα διαγράμματα φαίνεται ότι έχουμε γραμμική σχέση μεταξύ CIE και DIF. Στα έτη 200 0 και 200 1 τα διαγράμματα δεν είναι ικανοποιητικά και στο 2004 εμφανίζεται διπλή γραμμική σχέση λόγω του ότι τον Ιούνιο του ίδιου έτους έγινε αλλαγή στο σύστημα σύνδεσης και ενίσχυσης των οργάνων. Παρόλα αυτά είναι φανερό ότι υπάρχει γραμμική εξάρτηση μεταξύ των δύο μεγεθών τουλάχιστον μέχρι την τιμή των 60 με 80 mw/m 2 για το πυρανόμετρο. Με τη βοήθεια του QTIplot μπορούμε να πάρουμε διαγράμματα για ένα υποσύνολο των σημείων. Έτσι ταξινομώντας τις μετρήσεις ως προς τη γωνία πήραμε μια σειρά διαγραμμάτων για ομάδες γωνιών που ήταν κοντά η μία με την άλλη και επίσης για ακριβώς ίσες γωνίες. Αυτό έγινε για τα έτη που είχαμε διαγράμματα διαφορετικά από το αναμενόμενο, με την ελπίδα ότι για διαφορετικές γωνίες μπορεί να αποκαλυφθεί μια πιο ισχυρή σχέση μεταξύ των δύο μεγεθών. Δυστυχώς η αναντιστοιχία εμφανίζεται για όλες τις γωνίες και το μόνο που φαίνεται να επηρεάζει τις μετρήσεις είναι η ημέρα που αυτές πάρθηκαν. 3.3 Μετρήσεις ανά πεντάλεπτο Λόγω της εμφάνισης διαγραμμάτων που αποκλίνουν από τα αναμενόμενα στις μετρήσεις ανά λεπτό, δοκιμάζουμε για τα ίδια έτη και με τα ίδια όργανα, αλλά με μετρήσεις ανά πεντάλεπτο. Είναι λογικό να έχουμε κάποιες μετρήσεις που αποκλίνουν αρκετά από τις καμπύλες των διαγραμμάτων εφόσον το σκιάδιο δε μετατοπίζεται αυτόματα. Η αλλαγή στη θέση του γίνεται ανα δεκαήμερο περίπου. Αν δε γίνει τότε το όργανο που μετρά διάχυτη, μετρά και τμήμα της άμεσης ακτινοβολίας. Τα νέα λοιπόν αρχεία έχουν την ίδια δομή και ονόματα όπως πριν με μικρές διαφοροποιήσεις οι οποίες δεν επηρεάζουν τον τρόπο συγχώνευσης που ακολουθήθηκε στην προηγούμενη παράγραφο. Η μόνη πρακτική διαφορά είναι ότι τώρα στα αρχεία εξόδου περιλαμβάνουμε και την ημέρα, το λεπτό κατά τη διάρκεια της ημέρας αλλά και το λεπτό του έτους, ώστε να μπορούμε να δούμε την εξέλιξη των μετρήσεων σε ολόκληρο το χρόνο. Ένα δείγμα των αρχείων εξόδου φαίνεται στην Εικόνα 24. 35

year day min_day min_year SZA CIE DIF 2005 20 506 27866 68.5 10.1504 0.058182 2005 20 511 27871 67.9 9.9059 0.058174 2005 20 516 27876 67.4 9.1142 0.053838 2005 20 531 27891 66.0 7.6549 0.047453 2005 20 536 27896 65.5 8.6814 0.053825 2005 20 546 27906 64.7 11.7891 0.074624 2005 21 406 29206 81.6 2.4601 0.011980 2005 21 436 29236 77.2 2.7674 0.015086 2005 21 456 29256 74.4 5.4370 0.031271 2005 21 461 29261 73.7 6.7037 0.038925 2005 21 466 29266 73.1 7.6997 0.044973 2005 21 471 29271 72.4 8.4273 0.049919 2005 21 476 29276 71.8 8.5803 0.051358 Εικόνα 24: Δείγμα αρχείου συγχώνευσηςτων τριών αρχείων εισόδου flg_sky, yes_lap.glb και yes_lap.dif με μετρήσεις ανά π εντάλεπ το. Όπως και με τις προηγούμενες μετρήσεις έτσι και τώρα κατασκευάζουμε τα διαγράμματα για κάθε έτος. Τα διαγράμματα φαίνονται στις Εικόνες 25 έως 30 36

Εικόνα 25: Διάγραμμα μετρήσεων ανά πεντάλεπτο έτους 200 0 Εικόνα 26: Διάγραμμα μετρήσεων ανά πεντάλεπτο έτους 200 1 37

Εικόνα 27: Διάγραμμα μετρήσεων ανά πεντάλεπτο έτους 200 2 Εικόνα 28: Διάγραμμα μετρήσεων ανά πεντάλεπτο έτους 200 3 38

Εικόνα 29: Διάγραμμα μετρήσεων ανά πεντάλεπτο έτους 2004 Εικόνα 30: Διάγραμμα μετρήσεων ανά πεντάλεπτο έτους 200 5 39

Τα διαγράμματα που παίρνουμε είναι πολύ καλύτερα από την προηγούμενη φορά. Αυτά που αντιστοιχούν στις χρονιές 200 0, 200 1 και 2004 και που αρχικά δεν έδωσαν τα αναμενόμενα αποτελέσματα, τώρα είναι π ιο αποδεκτά. Η συνολική εικόνα είναι ότι έχουμε μια γραμμική συσχέτιση μεταξύ CIE και DIF, τουλάχιστον μέχρι την τιμή των 80 mw/m 2 ή 0.45Volt για το ακτινόμετρο. Μετά απ' αυτή την τιμή επέρχεται κορεσμός και η τάση εξόδου δεν μπορεί να παρακολουθήσει την αύξηση της ροής ακτινοβολίας. Μεγαλύτερες τιμές από 80 mw/m 2 έχουμε μόνο τους καλοκαιρινούς μήνες με ζενίθια γωνία μικρότερη από 45 ο. 3.3. 1 Έλεγχος με βάση τη ζενίθια γωνία ή την ημέρα του έτους Παρόλη τη βελτίωση εξακολουθούμε να έχουμε αποκλίσεις. Για να γίνει πιο φανερό το πώς προκύπτει η απόκλιση από τη γραμμική συσχέτιση, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε σαν τρίτη μεταβλητή την ημέρα ή τη ζενίθια γωνία. Βάζοντας στον άξονα z'z τη γωνία δεν προκύπτει καμία συσχέτιση, πέρα από την προφανή ότι κατά τους καλοκαιρινούς μήνες, που οι γωνίες πέφτουν κάτω από 45 o, έχουμε ισχυρότερη ακτινοβολία. Αν όμως χρησιμοποιήσουμε το χρόνο σαν τρίτη μεταβλητή, τότε τα γραφήματα γίνονται αποκαλυπτικά. Έτσι, αντί να σχεδιάσουμε μια καμπύλη για κάθε ημέρα, σχεδιάζουμε τρισδιάστατο γράφημα για όλο το έτος, θέτοντας στον άξονα z'z την ημέρα. Παίρνουμε λοιπόν μια γραφική παράσταση για κάθε ημέρα, τη μία πάνω στην άλλη. Τα δισδιάστατα διαγράμματα που είχαμε πριν, είναι στην πραγματικότητα η προβολή των τρισδιάστατων στο επί πεδο xy. Οι επιφάνειες που σχηματίζονται είναι επί πεδα που περνάν από τον άξονα z'z. Ακόμη και για το έτος 200 0 που έχουμε μεγάλες αποκλίσεις, ξεχωρίζει το επί πεδο που σχηματίζουν οι μετρήσεις. Τα διαγράμματα αυτά φαίνονται στις Εικόνες 3 1 40 έως 36.