SEZONOWE ZMIANY STOPNIA ZAPYLENIA ATMOSFERY W REJONIE UPRZEMYSŁOWIONYM NA PODSTAWIE OBSERWACJI WIELOLETNICH TARCZYŃSKI Lesław Wydział Budownictwa, Politechnika Opolska SEASONAL FLUCTUATIONS OF THE ATMOSPHERE TURBIDITY IN THE INDUSTRIAL REGION ON THE BASIS OF LONG-TERM MEASUREMENTS Results of measurements of atmosphere turbidity in the industrial region are presented. The Ångström s turbidity coefficient is used as reference parameter. The value of this parameter is determined on the basis of measurement of the intensity of solar direct radiation component and other necessary values of selected parameterised model of solar beam transmittance in the earth s atmosphere. The presented results are obtained on the bases of ten-year measurements carried out in the Opole region. STRESZCZENIE W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań stopnia zapylenia atmosfery w rejonie uprzemysłowionym. Jako wielkość porównawczą przyjęto współczynnik zapylenia Ångströma. Wartość tego współczynnika wyznaczono pośrednio, na podstawie wyników pomiarów natężenia promieniowania słonecznego bezpośredniego oraz pozostałych parametrów zastosowanego modelu transmisji promieniowania słonecznego w atmosferze ziemskiej. Przedstawiono rezultaty badań przeprowadzonych w okresie 10 lat w rejonie miasta Opola. 1. WSTĘP Energia promieniowania słonecznego jest pochłaniana oraz rozpraszana w atmosferze ziemskiej przez cząsteczki gazów, parę wodną oraz pyły i mikroskopijne kropelki cieczy o średnicy w przedziale 10-3 µm φ 10 2 µm nazywane aerosolami. Większość modeli teoretycznych opisujących transmisję promieniowania słonecznego w atmosferze ziemskiej uwzględnia wpływ poszczególnych składników atmosfery w tzw. ujęciu parametrycznym [1]. W modelu tym rozróżnia się pochłanianie i rozpraszanie przez gazy, parę wodną i aerosole. Stężenie takich gazów jak O 2, CO 2 i N 2 w atmosferze podlega stosunkowo niewielkim zmianom w zależności od lokalizacji i pory roku. Nieco większe fluktuacje stężenia można zaobserwować w przypadku ozonu, zarówno po wysokości, jak i w zależności od szerokości geograficznej i pory roku. Dane dotyczące zawartości ozonu w atmosferze są dostępne w literaturze [1]. Z kolei zawartość pary wodnej w znacznym stopniu zależy od chwilowych warunków lokalnych, lecz może być wyznaczona drogą pośrednią na podstawie pomiarów temperatury powietrza i wilgotności względnej [1]. Natomiast największą zmiennością charakteryzuje się stężenie aerosoli. Wyznaczenie 323
liczbowej miary wpływu koncentracji aerosoli na pochłanianie i rozpraszanie energii promieniowania słonecznego przeprowadza się m.in. poprzez wyznaczenie współczynników α i β w tzw. formule Ångströma [1]: k aλ = β λ -α (1) gdzie: k aλ - monochromatyczny współczynnik osłabienia promieniowania słonecznego przez aerosole, λ - długość fali promieniowania słonecznego. W praktyce przyjmuje się stałą wartość współczynnika α, (α = 1,3), co zapewnia wystarczającą dokładność dla większości występujących typów aerosoli [1]. Pozostaje wtedy wyznaczenie współczynnika β równania (1). Stosując wystarczająco dokładne modele parametryczne transmisji promieniowania słonecznego w atmosferze ziemskiej, opisane m.in. w pracy [1], można wyznaczyć współczynnik β równania (1) dla całego zakresu spektrum promieniowania na podstawie pomiaru natężenia promieniowania słonecznego i eliminując wpływ pozostałych parametrów poprzez wykorzystanie dostępnych zależności empirycznych. Taki sposób wyznaczania tego współczynnika zaprezentowano m.in. w pracy [2]. W niniejszej pracy wyznaczono przebiegi wartości współczynnika zapylenia Ångströma β na podstawie własnych pomiarów natężenia promieniowania słonecznego bezpośredniego oraz wykorzystując zależności przedstawione w pracy [2]. Zależności te zostały wyprowadzone korzystając z założeń modelu parametrycznego transmisji promieniowania słonecznego bezpośredniego określonego jako model C w pracy [1]. Pozostałe parametry niezbędne do wyznaczenia składowych tego modelu (temperatura powietrza atmosferycznego, wilgotność względna oraz ciśnienie atmosferyczne) uzyskano drogą pomiarów własnych. W poprzedniej pracy autora [3] przedstawiono wyniki obliczeń współczynnika β wykorzystując pomierzone wartości natężenia promieniowania słonecznego bezpośredniego z okresu tylko 1 roku, dla różnych godzin poszczególnych dni, wybieranych na podstawie kryterium stabilności odczytu (4.1). Ten sposób umożliwia maksymalne wykorzystanie bazy danych pomiarowych, lecz ze względu na różne pory dnia, z których pochodzą wtedy wartości Idir, należy liczyć się z wpływem dodatkowych czynników zakłócających. W niniejszej pracy użyto oprogramowania wybierającego w sposób automatyczny doby spełniające warunek stabilności odczytów, ale tylko w przedziale czasu 11:30-12:30 (słońce w położeniu zenitalnym). W ten sposób zmniejszono wpływ czynników zakłócających kosztem liczby otrzymanych wartości β. Badania prowadzono przez okres 10 lat, w rejonie miasta Opola. Otrzymane wyniki mogą służyć jako wielkości porównawcze dla analiz zapylenia atmosfery prowadzonych w innych rejonach kraju. 2. MODEL TEORETYCZNY Do obliczeń współczynnika zapylenia Ångströma β wybrano wieloparametrowy model transmisji promieniowania słonecznego w atmosferze ziemskiej określony jako 324
model C [1]. W modelu tym wartość natężenia promieniowania słonecznego bezpośredniego na poziomie terenu dla bezchmurnego nieba wyznacza się z następujących zależności: I dir = 0,9751 I o τ r τ o τ g τ w τ a (2.1) gdzie: I o - stała słoneczna, τ r - współczynnik przeźroczystości atmosfery (rozpraszanie wg. modelu Rayleigh a), τ o - współczynnik uwzględniający wpływ warstwy ozonu, τ g współczynnik uwzględniający wpływ jednorodnej mieszaniny gazów (głównie CO 2, O 3, N 2 O, CO, O 2, CH 4 i N 2 ), τ w - współczynnik uwzględniający wpływ zawartości pary wodnej, τ a - współczynnik uwzględniający pochłanianie i rozpraszanie przez aerosole. Ponieważ wartości parametrów τ r, τ o, τ g i τ w można wyznaczyć na podstawie pomierzonych lub dostępnych w literaturze danych, a wartości I dir otrzymano z pomiarów własnych, wartość parametru τ a można wyznaczyć przekształcając zależność (2.1): I dir τ a =. (2.2) 0,975 Io τr τo τg τ w Uwzględniając zależność [2]: gdzie: τ a βma ( 0,5123+ 1,089 α) ( 1,003 0,125 α) e = 0,0162 + 0,12445 α +, (2.3) α, β - współczynniki w formule Ångströma (1) otrzymamy: 1 1,003 0,125 α β = ln. (2.4) m a ( 0,5123 + 1,089 α) Idir + 0,0162 0,12445 α 0,975 Io τr τo τg τ w Dla dowolnych wartości ciśnienia atmosferycznego można wyznaczyć lokalną wartość względnej masy optycznej wg. zależności [1]: gdzie: m a = m r (p/1013,25) (2.5) 1,253 [ cosθz + 0,15( 93, θz ) ] m r = ρds / ρdh 885, (2.6) 0 0 p - ciśnienie atmosferyczne [hpa], ρ - gęstość atmosfery, 1 325
s, h - droga optyczna promieni słonecznych odpowiednio dla kąta rzeczywistego oraz kąta zenitalnego θ z = 0. Szczegółowe wyrażenia do obliczeń wartości parametrów I o, τ r, τ o, τ g, τ w podano w pracy [3]. Przyjmując α = 1,3 [2] wyznaczono wartości współczynnika β formuły Ångströma, reprezentującego liczbową miarę stopnia nasycenia atmosfery aerosolami, na podstawie pomierzonych wartości I dir oraz wyznaczonych na podstawie pomiaru pozostałych wielkości po prawej stronie zależności (2.4). 3. APARATURA POMIAROWA Do pomiaru natężenia promieniowania słonecznego bezpośredniego użyto aktynometru NIP firmy Eppley Laboratories, o dokładności ± 0,5%. Fot.1. Aktynometr (Eppley Laboratories) na stanowisku badawczym. Pic.1. Normal Incidence Pyrheliometer (Eppley Laboratories) at the measurement site. Pomiar temperatury i wilgotności względnej przeprowadzono za pomocą zintegrowanego czujnika RAH2 firmy Delta-T (dokładność pomiaru temperatury ± 0,3 0 C, dokładność pomiaru wilgotności względnej ± 2%). Ciśnienie atmosferyczne mierzono za pomocą barometru typu BS3 firmy Delta-T o dokładności pomiaru ± 0,8 hpa. 326
Fot.2. Zespolony czujnik temperatury powietrza atmosferycznego i wilgotności względnej (Delta-T) na stanowisku badawczym. Pic.2. Integrated sensor of ambient air temperature and air relative humidity(delta-t) at the measurement site. 4. WARTOŚCI WSPÓŁCZYNNIKA ZAPYLENIA ATMOSFERY OTRZYMANE NA PODSTAWIE POMIARÓW Analizę przeprowadzono dla okresu 10 lat. W pierwszej kolejności wyszukano w bazie danych pomiarowych doby, w czasie których wystąpiły bezchmurne okresy w godzinach 11:30-12:30 (czas zimowy) i spełniające założone kryterium stabilności odczytów natężenia promieniowania słonecznego bezpośredniego Idir. Kryterium stabilności odczytów przyjęto w postaci: {Idir,średnie(11:30-12:30)-Idir,i}/Idir, średnie(11:30-12:30) <= eps, eps = 0,05. (4.1) Kryterium to zostało spełnione w okresie 10 lat przez 135 dób. W następnej kolejności dla tak wyselekcjonowanych dób obliczono wartości współczynnika β formuły Ångströma, wg algorytmu zamieszczonego w p.2. W obliczeniach wykorzystano pomiary własne wartości natężenia promieniowania słonecznego bezpośredniego, temperatury powietrza atmosferycznego, wilgotności względnej oraz ciśnienia atmosferycznego. Na tej podstawie wyznaczono dla tego okresu ekstremalne wartości współczynnika β, uśrednione dla przedziału czasu 11:30-12:30: β min,sr = 0,022, β max,sr = 0,200. 327
Rys.1. Pomierzony dobowy przebieg natężenia promieniowania słonecznego bezpośredniego I dir [kw/m 2 ] w dniu wystąpienia maksymalnego stężenia aerosoli w okresie 10 lat (pomiary własne). Fig.1. Measured diurnal plot of direct solar radiation intensity I dir [kw/m 2 ]representing the case of extreme value of aerosol concentration during the 10-year period (author s data). Rys.2. Pomierzony dobowy przebieg natężenia promieniowania słonecznego bezpośredniego I dir [kw/m 2 ] w dniu wystąpienia minimalnego stężenia aerosoli w okresie 10 lat (pomiary własne). Fig.2. Measured diurnal plot of direct solar radiation intensity I dir [kw/m 2 ] representing the case of minimal value of aerosol concentration during the 10-year period (author s data). Na Rys.1. oraz na Rys.2. pokazano pomierzone wartości natężenia promieniowania słonecznego bezpośredniego odpowiadające maksymalnej i minimalnej wartości współczynnika β (reprezentujące odpowiednio maksymalne i minimalne stężenie aerosoli). 328
Rys.3. Obliczone na podstawie pomiarów własnych wartości współczynnika zapylenia β w rejonie miasta Opola w okresie 10 lat (kolejne wartości oznaczone + połączono odcinkami prostych, natomiast linią oznaczoną = pokazano wynik aproksymacji tego przebiegu funkcją liniową). Fig.3. Calculated values of the turbidity coefficient β at the Opole region during the 10- year period (obtained values signed + are connected with straight lines, the line = represents linear approximation). Rys.4. Obliczone na podstawie pomiarów własnych wartości współczynnika zapylenia β w rejonie miasta Opola w okresie 10 lat ( + ), w ujęciu średnich miesięcznych ( S ), łącznie z ekstremalnymi wartościami miesięcznymi(obwiednia, D, G ). Fig.4. Average monthly values ( S ) and extreme monthly values (max: (G), min: (D)) of the turbidity coefficient β obtained during the 10-year period at the Opole region. Na Rys.3. pokazano uśrednione (godzinowe) wartości współczynnika zapylenia obliczone dla wyselekcjonowanych zgodnie z kryterium (4.1) przedziałów czasu analizowanego okresu 10 lat (135 dób). Przebieg ten aproksymowano funkcją liniową, stosując metodę najmniejszych kwadratów. Z dokładnością do przyjętego modelu teoretycznego można przyjąć, że w okresie 10-letniej obserwacji średnie stężenie aerosoli było w przybliżeniu ustabilizowane. 329
Z kolei na Rys.4. pokazano średnie miesięczne wartości współczynnika zapylenia oraz miesięczne wartości ekstremalne (obwiednię) dla tego samego co poprzednio okresu 10 lat. Otrzymane wartości średnich miesięcznych mieszczą się w granicach od 0.05 do 0.075. Największe wartości średnich miesięcznych występowały w II i III kwartałach. Również największe wahania stężenia aerosoli występowały w II i III kwartałach analizowanego okresu 10-letniego, z tendencją do stabilizacji w okresie jesienno-zimowym. 5. PODSUMOWANIE Użyta w niniejszej pracy metoda wyznaczania liczbowej miary stopnia zapylenia atmosfery w postaci współczynnika β w formule Ångströma [1],[2] umożliwia wykonanie niezbędnych obliczeń z wykorzystaniem pomiarów kilku parametrów meteorologicznych (temperatura powietrza, wilgotność względna, ciśnienie atmosferyczne, natężenie promieniowania słonecznego). Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i obliczeń dla okresu 10 lat wynika, że średni stopień zapylenia atmosfery w tym rejonie Polski (Opole) reprezentowany przez współczynnik β utrzymuje się w przybliżeniu na ustabilizowanym poziomie. Natomiast w okresie poszczególnych lat największe wartości oraz największe wahania stężenia aerosoli mają miejsce w drugim i trzecim kwartale, z tendencją do stabilizacji w okresie jesienno-zimowym. 6. LITERATURA [1] IQBAL M.: An Introduction to Solar Radiation, Academic Press, 1983. [2] LOUCHE A., MAUREL M., SIMMONT G., PERI G., IQBAL M.: Determination of Ångström s turbidity coefficient from direct solar irradiance measurements, Solar Energy, Vol 38, No 2, 1987, 89-96. [3] TARCZYŃSKI L.: Ocena stopnia zapylenia atmosfery miejsko przemysłowej na podstawie pomiaru natężenia promieniowania słonecznego, IX Konferencja Naukowo- Techniczna Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, Materiały Konferencyjne, Łódź 2003, 664-671. dr inż. Lesław Tarczyński, Politechnika Opolska, Wydział Budownictwa. Tematyka zainteresowań: obciążenie budowli temperaturą, metodyka badań konstrukcji w skali naturalnej, komputerowe wspomaganie eksperymentu. 330