Mierzymy grubość optyczną aerozoli Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

Transkrypt

1 Mierzymy grubość optyczną aerozoli Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Wyział Fizyki, Uniwersytet Warszawski Czas trwania: 0 minut Czas obserwacji: owolny w ciągu nia Wymagane warunki meteorologiczne: bezchmurnie lub brak chmur w okolicach tarczy słonecznej Częstotliwość wykonania: 1-5 raz w ciągu nia Poziom szkoły: postawowa, gimnazjum, liceum Materiały i przyrząy: fotometr słoneczny 1. Wstęp Aerozole atmosferyczne pełnia barzo ważną role w systemie klimatycznym. Ich obecność w atmosferze prowazi o reukcji promieniowania słonecznego ochozącego o powierzchni ziemi, co skutkuje niższą temperaturą powietrza. Aerozole, ponieważ chłozą klimat zmieszają ogrzewanie poprzez stale rosnący efekt cieplarniany. Z tego powou ich obecność w atmosferze jest pozytywna. Niestety znaczna cześć aerozoli nie jest obojętna la naszego zrowia. Te robne cząstki zanieczyszczeń wnikają o róg oechowych prowaząc o wielu schorzeń. Z tego powou pojęto starania o reukcję emisji aerozoli i poprawę, jakości powietrza. Aerozole również mają znaczenie w obiegu woy na naszej planecie. Przy ich uziale mogą tworzyć się chmury i powstawać opay. Gyby w atmosferze w ogólnie nie było aerozoli, (co nam raczej nie grozi, bo aerozole emitowane są również ze źróeł antropogenicznych) nie obserwowalibyśmy praktycznie żanych chmur na nieboskłonie i nie oświaczalibyśmy opaów eszczu czy śniegu. Postawową wielkością mówiąca o ilości aerozoli w atmosferze jest ich grubość optyczna. Wielkość ta określa zawartość aerozoli w pionowej kolumnie powietrza i może być wyznaczona przy użyciu fotometru słonecznego. Fotometr słoneczny jest przyrząem służącym o pomiaru bezpośreniego promieniowania słonecznego, czyli promieniowania pochozącego z obszaru tarczy słonecznej. Promieniowanie słoneczne przechoząc przez atmosferę jest stopniowo osłabiane 1

2 wskutek procesów absorpcji i rozpraszania. Zjawiska ta występują na molekułach gazów atmosferycznych (głownie tlenu azotu i pary wonej), chmurach oraz na aerozolach. W przypaku braku chmur w okolicach tarczy słonecznej natężenie promieniowania bezpośreniego ocierające o powierzchni Ziemi jest tym silniejsze im mniej zanieczyszczeń zawiera pionowa kolumna atmosfery (powietrze jest barziej przezroczyste). Relacje te opisuje prawo Lamberta-Beera w postaci I( ) Io ( )exp( m ( )) (1) gzie I( ) jest natężeniem promieniowania słonecznego ochozącego o fotometru, I o ( ) jest natężeniem promieniowania słonecznego ochozącego o górnych granic atmosfery (spektralna stała słoneczna), m oznacza masę optyczną atmosfery, zaś grubość optyczną atmosfery, zaś oznacza ługość fali w nm. Ze wzglęu na fakt, że stałą słoneczna zależy o chwilowej oległości Ziemia Słońce wprowaza się pojęcie stałej słonecznej I o ( ) la śreniej oległości Ziemia-Słonce o wówczas prawo Lamberta-Beera przyjmuje postać I( ) o Io ( ) exp( m ( )) () Stosunek kwaratów śreniej o chwilowej oległości Ziemia-Słońce wyraża się przybliżonym wzorem: o cos ay 365 gzie ay oznacza zień roku. Masa optyczna atmosfery jest wielkością bezwymiarową zefiniowana przez stosunek całkowitej masy kolumny powietrza (o jenostkowej powierzchni) nachylonej w kierunku Słońca o masy pionowej kolumny powietrza. Uwzglęnia ona zmianę rogi, jaką pokonuje promieniowanie w atmosferze w zależności o kąta elewacyjnego Słońca. W przypaku, gy kąt elewacyjny Słońca jest większy o 30 o masa optyczna atmosfery może być wyznaczana z przybliżenia płasko- równoległego i wynosi m 1 sin( ). (4) (3)

3 W przypaku, gy Słonce znajuje się na horyzoncie masa optyczna wynosi, około 38, co oznacza, że promieniowanie przechozi 38 krotnie łuższą rogę niż gyby Słońce było w zenicie. Nic, więc ziwnego, że tarcza słoneczna przybiera kolor pomarańczowy i czerwony poczas wschoy czy zachou Słońca. Wynika to z faktu, że promieniowanie z zakresu niebieskiego, żółtego czy zielonego zostało pochłonięte i rozproszone w atmosferze. Dochozi o nas jeynie słabiej oziaływujące z atmosfera promieniowanie z zakresu czerwonego. Wzór 1 opisuje tzw. całkowitą grubość optyczną gyż nie tylko aerozole osłabiają promieniowanie ocierające o powierzchni ziemi. Całkowita grubości optyczna atmosfery może być wyrażona poprzez sumę grubości optycznej związanej z aerozolami AOT, molekułami powietrza (rozpraszanie Rayleigh) RAY, parą woną HO i innymi gazami ślaowymi (ozon) g AOT RAY HO O3. (5) Grubość optyczna związana z molekułami powietrza jest opowiezialna za błękitny kolor nieboskłonu. Wielkość ta zmniejsza się z ługością fali jak -4 co oznacza, że fale najkrótsze (niebieskie) są najsilniej rozpraszane w atmosferze. Sprawia to, że nieboskłon pozbawiony chmur ma kolor niebieski. Molekularne grubości optycznej wynoszą opowienio 0.61, 014, la ługości fali 350, 500 oraz 1000 nm. W celu wyznaczenia grubości optycznej związanej z rozpraszaniem na molekułach powietrza stosuje się następujący wzór p (A B C 6 RAY ) (6) po gzie p jest ciśnieniem atmosferycznym w [hpa], ługością fali w [ m] a pozostałe stałe przyjmują następujące wartości: p o =1013 hpa, A= m 4, B= m 5, C= m 6. W przypaku promieniowania słonecznego w zakresie wizialnym i bliskiej poczerwieni wpływ pary wonej i ozonu jest na ogół zaniebywanie mały. W tym przypaku grubość optyczna aerozoli może być 3

4 więc wyznaczona na postawie pomiarów promieniowania bezpośreniego ze wzoru AOT 1 m Io ln I ln 0 RAY (7). Przyrząy pomiarowe Jenym z przyrząów, który bęzie wykorzystany poczas obserwacji jest fotometr słoneczny. Przyrzą ten służy o pomiaru promieniowanie bezpośreniego ocierającego o powierzchni ziemi. Energia słoneczna mierzona jest przez fotoioy w różnych zakresach spektralnych, co umożliwia nie tylko wyznaczenie grubości optycznej aerozoli, ale również szacowanie rozmiarów cząstek. Stosowany bęzie prosty fotometr słoneczny wyposażony wa kanały (green oraz re). Przyrzą wyposażony jest w celownik umożliwiający ustawianie czujników w kierunku tarczy słonecznej. 3. Przeprowazenie obserwacji Pomiary wykonujemy tylko w pogony zień tylko, gy okolice tarczy słonecznej pozbawione są całkowicie chmur (nawet cienkich słabo wiocznych gołym okiem). Proceura pomiarowa bęzie skłaała się z wóch etapów. Pierwszego związanego z obserwacją nieboskłonu oraz rugiego wiązanego z pomiarami fotometrem słonecznym. Uwagi: Przynajmniej raz miesiącu sprawzamy baterie w fotometrze. W tym celu okręcamy 4 śruby w obuowie i mierzyny napięcie baterii. Jeśli jest po niżej 7.5V to baterie wymieniany na nową. Każego nia sprawzamy ustawienie naszego zegarka. Jeśli różnica jest większa niż 30 sek. okonujemy synchronizacji wzglęem owolnego wzorca (raio, TV lub internet) W okresie letnim należy zwrócić szczególną uwagę, aby fotometr nie nagrzał się o wysokiej temperatury. Wychoząc na zewnętrz szkoły należy trzymać fotometr w cieniu a jeynie poczas pomiaru wystawiać go na 4

5 ziałanie promieniowania słonecznego. W okresie zimowy natomiast należy zabać o to, aby fotometr nie wychoził się. Pomiary można wykonywać przez okno, ale po jego wcześniejszym otworzeniu. Proceura pomiarowa 1. Obserwuj okolice tarczy słonecznej poprzez przyciemnione okulary. Jeśli nie wizisz chmur to kontynuujemy proceurę pomiarową, jeśli stwierzisz obecność chmur nie wykonujemy alszych punktów. Połączyć woltomierz o fotometru słonecznego. 3. Włączyć fotometr oraz woltomierz i ustawić go na zakres 0-V lub 0-0V DC 4. Włączyć kanał zielony (GRN) 5. Ustawić się twarzą w kierunku Słońca i nastawić fotometr okłanie na Słońce przy użyciu celownika. Gy wybierzemy kanał GRN plamka słońca powinna zakrywać zieloną plamkę celownika, a w przypaku kanału RED słonce powinno paać na plamkę czerwoną. 6. Manewrując lekko położeniem fotometru obserwujemy maksymalne wskazania woltomierza. Po 15-0 sekunach zapisujemy maksymalne napięcie w [V] oraz okłany czas pomiaru. 7. Zakrywamy palcem wlot światła o fotometru i zapisujemy napięcie (napięcie ciemne). 8. Wybieramy kanał czerwony (RED) i powtarzamy kroki Cały cykl pomiarowy powtarzamy trzy krotnie. 10. Wyłączamy fotometr oraz woltomierz. 11. Zapisujemy zachmurzenie oraz rozaj chmur. 1. Mierzymy temperaturę, ciśnienie oraz wilgotność powietrza. 13. Szacujemy kierunek wiatru 14. Wypełniamy o końca protokół. 4. Protokół wyników Wypełnij tabele w karcie pracy wpisując atę oraz gozinę, minutę, sekunę każego pomiaru w czasie uniwersalnym (ojąć goziny la czasu letniego lub ojąć 1 gozinę la czasu zimowego). Po powrocie o kasy wyniki 5

6 pomiarów wpisujemy o Excela w zakłace Fotometr Słoneczny. Po wpisaniu wszystkich pół program automatycznie obliczy nam grubość optyczną aerozoli w kanale zielonym oraz czerwonym. ata pomiaru gozina pomiaru [UTC] zachmurzenie [%] rozaj chmur chmury blisko słońca temperatura wilgotność [%] ciśnienie [hpa] kierunek wiatru napięcie w słońcu [V] napięcie ciemne [V] Kanał GRN Kanał RED I II III śrenia I II III śrenia x x 5. Analiza wyników Grubość optyczna w kanale zielonym po niżej 0,1 wskazuje na czystą masę powietrza, w zakresie 0,1-0, na słabo zanieczyszczoną, w zakresie 0,-0,3 na umiarkowanie zanieczyszczoną, w zakresie 0,3-0,5 na silnie zanieczyszczoną, zaś powyżej 0,5 na barzo silnie zanieczyszczoną. Wyniki pomiarów grubości optycznej porównujemy z pomiarami koloru nieboskłonu oraz wizialności. Grubość optyczna w kanale czarownym jest na ogół mniejsza niż w zielonym. Im większa różnica grubości optycznej pomięzy kanałem zielonym a czerwonym tym mniejsze cząstki występują w atmosferze. W przypaku, gy różnica, jeśli mała lub równa zero oznacza to obecność użych aerozoli (np. pył pustynny lub aerozol morski). 6. Literatura [1] Markowicz, K., Amatorskie pomiary meteorologiczne: fotometr słoneczny, Delta, 04/010 pomiary.pf 6