Upload
enis-jasmina-latic
View
104
Download
9
Embed Size (px)
Citation preview
Predrag Kolarž Diplomski rad
2
1. Karakteristike sunevog zraenja
1.1. Sunce kao izvor zraenja
Sunce je udaljeno od Zemlje oko 149.5 miliona kilometara. Temperatura
sunevog jezgra iznosi oko 15⋅106 K, a srednja temperatura površine Sunca (fotosfere)
iznosi oko 6000 K. Elektromagnetna energija, koja ukljuuje X zrake, UV zraenje, IC
zraenje, vidljivo zraenje i radio talase, koja se svakog sekunda emituje sa Sunca
iznosi 3.8⋅1023 KW. Od te ogromne energije na Zemlju padne, u proseku svega oko 1.4
KW/m2 (ukoliko se Sunce ne nalazi pod uglom veim od 30o u odnosu na zenitnu osu).
Energija koju Sunce zrai ima svoj pik na 470 nm.
Zraenje Sunca se u velikoj meri podvrgava Stefan - Boltzmann-ovom zakonu
zraenja crnog tela, tj. praktino se i ponaša kao crno telo. Ono spada u zvezde sa
izrazito stabilnim režimom zraenja tako da se ono može smatrati konstantnim.
Snaga sunevog zraenja koja pristiže u gornje slojeve atmosfere, najveim
delom prodire kroz atmosferu (sa izuzetkom relativno malog dela koji se reflektuje ili
utroši na sekundarnu emisiju atmosfere i tako transformisan emituje prema slobodnom
prostoru ili tlu). U donjim slojevima atmosfere (troposferi) dolazi do znaajnih
promena u bilansu snaga zraenja, delimino usled apsorpcije zbog prisustva
aerozagaenja (aerosola), a delimino zbog refleksije sa površine oblaka i iz drugih
razloga.
Snaga zraenja na površini tla zavisi od položaja Sunca, tj. od ugla upada
Sunevih zraka na osvetljenu površinu i od karakteristika i stanja atmosfere u okolini
obuhvaenoj horizontom nad posmatranom takom na tlu.
Opšta toplotna ravnoteža Zemlje održava se zraenjem Zemlje u slobodni
prostor Vasione, tako da se može smatrati, za duže vremenske intervale, da se energija
koju Sunce preda Zemlji zraenjem vraa u Vasionu takoe zraenjem, ali u drugoj
spektralnoj oblasti.
Predrag Kolarž Diplomski rad
3
1.2. Sunev spektar
Vidljiva površina Sunca naziva se fotosfera i predstavlja oblike usijanih
gasova. Ona je glavni izvor sunevog zraenja, ima gustinu od oko 10-5 kg/m3 i
emituje kontinualni spektar. Najbliži fotosferi i najguši sloj naziva se hromosfera.
Ona ima crvenkastu boju. Trei, najvei i najrazreeniji sloj Suneve atmosfere naziva
se Suneva korona.
Elektromagnetni spektar Sunca se može prouavati raznim metodama:
ekstrapolacijom spektralnih merenja pri razliitim visinama iznad nivoa mora
(raunajui i iznad-atmosferska raketna merenja), indirektnim metodama, npr.
ispitivanjem položaja ozonskog sloja u stratosferi i razliitih slojeva jonosfere i
direktnim radio prijemom sa Sunca. Sunev spektar se obino deli na oblasti talasnih
dužina prikazanih u Tabeli 1.
Tabela 1. Spektralna raspodela globalnog sunevog zraenja, (1).
Zraenje Opseg %
<280 nm UV-C 0.0
280 nm - 315 nm UV-B 0.4
315 nm - 400 nm UV-A 5.9
400 nm - 480 nm 11.8
<480 nm - 600 nm 18.2
600 nm - 780 nm
vidljivo
22.1
<780 nm - 1400 nm 30.8
1400 nm - 3000 nm infracrveno
10.8
Sunevo zraenje koje pada na vrh Zemljine atmosfere zove se ekstraterestriko
sunevo zraenje. Oko 99 % sunevog, ili kratkotalasnog, zraenja se nalazi u opsegu
od 300 nm do 3000 nm dok se veina terestrikog zraenja, ili dugotalasnog, nalazi u
opsegu od 3500 do 50000 nm. Deo ekstraterestrikog zraenja prodire do Zemljine
površine, dok se deo rasipa i/ili ga apsorbuju molekuli gasa, estice aerosola, kapi
oblaka i kristali oblaka u atmosferi. Pri talasnim dužinama veim od 3000 nm u
infracrvenoj oblasti sva energija se veinom apsorbuje od strane vodene pare i ugljen
dioksida u atmosferi. U ultraljubiastoj oblasti postoji granina talasna dužina od
Predrag Kolarž Diplomski rad
4
približno 286 nm za zraenje koje dostiže nivo mora, a krae talasne dužine apsorbuje
ozonski sloj u atmosferi.
Terestriko zraenje je dugotalasna elektromagnetna energija koju emituje
Zemljina površina i koja se pomou gasova, aerosola i oblaka delimino apsorbuje u
atmosferi. Za temperaturu od 300 K, 99.9 % snage terestrikog zraenja ima talasne
dužine duže od 3000 nm, a 99 % duže od 5000 nm. Za niže temperature spektar se
pomera ka dužim talasnim dužinama.
Pošto se spektralna raspodela sunevog i terestrikog zraenja samo delimino
preklapa, one se vrlo esto mogu posmatrati kao razdvojene pri merenjima i raunanju.
U meteorologiji se suma oba zraenja zove ukupna radijacija.
1.3. Poreenje sunevog zraenja i zraenja crnog tela
Površina Zemlje u proseku primi oko 17 % svoje toplote direktno od Sunca, 15
% od sunevog zraenja rasutog na oblacima (difuznog zraenja) i 68 % apsorpcijom
IC zraenja emitovanog od atmosfere. Najvei deo energije apsorbuje površina, a od
apsorbovane energije 79 % se vraa u atmosferu u obliku zraenja, sa spektralnim
svojstvima odreenim lokalnom temperaturom tla. Preostali deo, od 21 %, se
transmituje u atmosferu kondukcijom i ciklusom razmene vode. Površina se može
hladiti isparavanjem vode, a toplota se transmituje u vazduh kao para koja se
kondenzuje formirajui oblak i ili kišu ili sneg.
Sunev spektar na vidljivom talasnom podruju je isti kao i kod crnog tela koje
zrai na temperaturi od 5785 K, temperaturi fotosfere sa koje se najvei deo sunevog
zraenja emituje (Slika 1,2).
Zraenje na talasnim dužinama UV i X zraenja se emituje iz spoljašnjih slojeva
suneve atmosfere, hromosfere i korone.
Predrag Kolarž Diplomski rad
5
Talasna du`ina u mikronima
Plankova kriva
6000 KSunce
253 KZemlja
Grafik 2. Sunev spektar zraenja u poreenju sa energijom koju emituje crno telo na
5785 K, (2).
Daemo ukratko pregled zakona zraenja. Prvi je Kirhofov zakon zraenja koji
kaže da je odnos emitovane i apsorbovane energije nekog tela funkcija samo
temperature tela T i talasne dužine. Prema tome:
Eem / Eaps = f (λ,T),
gde je Eem vrednost energije emitovane po jedinici površine u jedinici vremena, a Eaps
je deo upadne energije koja je apsorbovana, tj. nije ni reflektovana ni transmitovana.
Crno telo apsorbuje svu energiju koja na njega pada. Ono poseduje najveu emisivnost
Grafik 1: Spektar zraenja Zemlje posmatran iz svemira prikazuje razliku izme|u reflektovanog Sunevog zraenja i zraenja planeta. Za zemlju se pretpostavlja da emituje energiju kao crno telo na 253 K, (2).
Predrag Kolarž Diplomski rad
6
pri svim talasnim dužinama u poreenju sa drugim telima. Zraenje koje ono emituje
naziva se zraenje crnog tela.
Drugi Planckov zakon bavi se spektralnom energetskom raspodelom zraenja
crnog tela. Prema tom zakonu je:
1Tkch
e
dcos5
2ch
dE
−⋅λ⋅⋅
λ⋅θ⋅λ⋅
=λλ
gde je Eλ⋅dλ vrednost linearno polarizovane energije emitovne sa jedinine površine u
oblast talasnih dužina λ, λ+dλ u jedinici vremena u jedinini prostorni ugao, od strane
crnog tela u termikoj ravnoteži sa svojom okolinom, θ je ugao u odnosu na normalu
na emitujuu površinu, h je Planckova konstanta (6.626⋅10-34 Js), k je Boltzmannova
konstanta (1.3807⋅10-23 J/K), a c je brzina svetlosti (3⋅108 m/s).
Iz Planckovog zakona može se dobiti Wienov zakon pomeranja, koji glasi:
λmax=b/T
"Talasna dužina koja odgovara maksimalnoj energiji u spektru crnog tela obrnuto je
proporcionalna odgovarajuoj apsolutnoj temperaturi". Konstanta b iznosi:
b=2.8972⋅103 mK.
Ukupna energija emitovana po jedinici površine u jedinici vremena od strane
crnog tela data je Stefan-Boltzmannovim zakonom:
Eem =σ⋅T4
gde je σ=5.672⋅10-8 W/m2K4.
Temperatura crnog tela se može odrediti pomou jednog od ovih zakona.
Telo koje emituje zraenje iji je intenzitet manji nego intenzitet zraenja crnog
tela pri istim uslovima i talasnim dužinama naziva se sivo telo.
Temperatura izvedena za sivo telo po Stefan-Boltzmannovom zakonu je niža od
"realne" temperature. Temperatura odreena na ovaj nain naziva se crnom,
efektivnom ili temperaturom zraenja. Druga vrednost koja se koristi za nebeska tela
je temperatura boje i definiše se kao temperatura realnog tela na kojoj crno telo ima
odnos spektralnih gustina zraenja jednak odosu spektralnih gustina zraenja na
stvarnoj temperaturi.
Predrag Kolarž Diplomski rad
7
Postoje izvesne razlike u odreivanju temperature Sunca i temperatura datih
zakonima zraenja:
• Razliite spektralne oblasti podudaraju se za razliite temperature. Npr. u
oblasti blizu 2.4 µm Sunce zrai kao sivo telo na temperaturi od 6000 K sa
emisivnošu 0.999. Izmeu 0.1 i 0.2 µm ono se ponaša kao crno telo na 4500 K, a
izmeu 4 i 10 nm zraenje odgovara crnom telu na 500000 K.
• Na Sunevom disku postoji promena temperature, vidljiva sa Zemlje.
• Sunevo zraenje se emituje istovremeno iz slojeva promenljivih debljina,
temperatura i fizikih osobina.
1.4. Koordinatni sistem Sunca kao nebeskog tela
Za bilo kakva merenja sunevog zraenja (posebno se odnosi na direktno
sunevo zraenje) ili bilo koje komponente zraenja bitno je znati položaj Sunca u
odnosu na Zemlju tj. posmatraa na Zemlji. Položaj take (Sunca) na nebeskoj sferi
odreuje se sfernim koordinatama i može se prikazati pomou horizontskog ili
ekvatorskog koordinatnog sistema. U svakom od ovih sistema položaj take odreuje
se dvema koordinatama, od kojih je jedna ugaono rastojanje u odnosu na ravan nekog
osnovnog kruga (geografska širina), a druga se rauna duž tog osnovnog kruga od
njegove odreene take (geografska dužina).
Horizontske koordinate nebeskog tela neprestano se menjaju sa vremenom, i
zavise od položaja posmatraa na Zemlji. To je zbog toga što se u odnosu na vasionu
ravan horizonta za neko mesto na Zemlji obre zajedno sa njom. U horizontskom
sistemu položaj Sunca je odreen zenitnim rastojanjem (ili njegovim komplementom -
visinom Sunca) i azimutom.
Ekvatorske koordinate su rektascenzija i deklinacija (α,δ). Ugaono rastojanje
nebeskih tela od nebeskog ekvatora naziva se deklinacija (na južnoj polovini nebeske
sfere smatra se negativnom).
Na nebeskoj sferi se za drugu koordinatu uzima rektascenzija - ugao izmeu
ravni polukruga povuenog iz svetskog pola kroz nebesko telo (deklinacija polukruga)
i ravni polukruga povuenog iz svetskog pola kroz taku prolene ravnodnevnice, koja
leži na ekvatoru (poetnog deklinacijskog polukruga). Ova taka se naziva po tome što
Predrag Kolarž Diplomski rad
8
se Sunce u njoj nalazi 21. marta, kada je dan jednak noi. Rektascenzija se obeležava
slovom α i rauna se od take prolene ravnodnevnice suprotno smeru okretanja
skazaljke na asovniku, tj. u susret prividnom dnevnom obrtanju neba.
Geografsku dužinu (ugao izmeu ravni meridijana datog mesta i ravni poetnog
meridijana) i rektascenziju zgodnije je izražunavati ne u stepenima, ve u vremenskim
jedinicama, koristei se time što Zemlja i prividna nebeska sfera za 24 asa naine
jedan pun obrt od 360o. Odatle sledi:
360o=24 h; 15o=1h; 1o=4m; 15'=1m; 15''=1s
Odreenog datuma i trenutka položaj Sunca je odreen visinom i azimutom.
Visinu Sunca u nekom trenutu kada je asovni ugao jednak τ, dobijamo iz izraza:
sinh = sinφ⋅sinδ+cosφ⋅cosδ⋅cosτ
gde je:
φ - geografska širina mesta osmatraa
h - ugao visine Sunca
τ - asovni ugao sunca u datom trenutku: τ=15o⋅(PSV-12),
U trenutku gornje kulminacije Sunca, a to je u podne, kada se ono nalazi u
meridijanu i kada je τ=0 gornji izraz dobija oblik:
h=90o-φ+δ.
Azimut Sunca se izraunava pomou izraza
sinAo=cosδ⋅sinτ/cosh.
Sva merenja zraenja odnose se na lokalno vreme (Lokal Apparent Time, LAT),
odnosno "pravo sunevo vreme" (PSV, True Solar Time, TST), koje se dobija tako što
se službenom vremenu (SEV) doda popravka u minutima. Popravka zavisi od datuma i
od geografske dužine.
Intenzitet direktnog (I) zraenja na površinu normalnu na pravac prostiranja
sunevih zraka raunamo iz formule:
I=Ih/sinh.
Predrag Kolarž Diplomski rad
9
1.5. Uticaj atmosfere na smanjenje snage sunevog zraenja koje pada na površinu Zemlje
Zraenje sa Sunca se pri prolasku kroz Zemljinu atmosferu menja kroz sledee
procese:
• rasejanje na molekulima vazduha i esticama mnogo manjim od talasne dužine
svetlosti Rayleigh-evo rasejanje;
• selektivna apsorpcija od strane atmosferskih gasova, posebno kiseonika, ozona,
ugljen dioksida i vodene pare;
• rasejanje i apsorpcija od oblaka
• rasejanje i difuzna refleksija na esticama reda veliine ili veih veliina od talasne
dužine svetlosti
Atmosfera kiseonikom i ozonom apsorbuje gotovo sve talasne dužine ispod 290
nm. Vidljivi deo spektra se selektivno vrlo malo apsorbuje od strane ozona, kiseonika i
vodene pare, ali se zato neselektivno apsorbuje u veoj meri prašinom i dimom tj.
atmosferskim aerosolima.
1.6. Solarna konstanta
Definiše se kao fluks energije Sunevog zraenja kroz jedininu površinu
normalnu na Sunev zrak pri srednjem rastojanju Sunce - Zemlja. Njena vrednost
iznosi oko 1380 W/m2 ili 1.98 cal/cm2/min ili 137 ergs/m2/sec i tokom vremena se ne
menja više od 0.1 %.
1.7. Standardna skala zraenja: definicija Svetske radiometrijske reference (WRR)
U prošlosti meteorolozi su koristili nekoliko radijacionih referenci ili skala:
Angstrom-ovu skalu 1905, Smithson-ovu skalu 1913, i Internacionalnu
Pirheliometrijsku skalu 1956 (IPS). Sa razvojem apsolutne radiometrije, zadnjih
godina se jako poboljšala preciznost radijacionih merenja. Koristei rezultate
uporeivanja 15 individualniih apsolutnih pirheliometara, 10 razliitih tipova,
definisana je WRR. Stare skale su transformisane u novu koristei sledee faktore:
WRR/Angstrom-ova skala=1.026
WRR/Smithson-ova skala=0.977
Predrag Kolarž Diplomski rad
10
WRR/IPS1956=1.022
WRR je prihvaena da predstavlja fiziku jedinicu ukupnog ozraivanja sa
greškom manjom od ±0.3% RMS (root-mean-square, tj. koren kvadrata) merene
vrednosti.
2. Merenje Sunevog zraenja
2.1. Vrste Sunevog zraenja
Prolazei kroz atmosferu Zemlje, intenzitet Sunevih zraka slabi, a njihov
spektralni sastav se menja. Energija Sunevih zraka koja dopire do Zemljinog tla
naziva se prizemno direktno Sunevo zraenje. Ono postoji samo danju i kada ne
postoje prepreke (oblaci, aerosoli..) na putu prostiranja Sunevih zraka. Pored
direktnog Sunevog zraenja postoji i difuzno, ili rasuto Sunevo zraenje, koje dolazi
sa svih delova nebeskog svoda (vedrog neba i oblaka). Pored stanja atmosfere, difuzno
zraenje zavisi i od albeda, tj. reflektivne sposobnosti površine Zemlje. Ukoliko je
albedo veliki (npr. kada je tlo prekriveno svežim snegom), tada se sa tla odbija
nekoliko puta više Sunevog zraenja nego u obinim prilikama i rasejano od
atmosfere, ponovo se vraa na površinu Zemlje. Ukupno zraenje koje potie od
direktnog i od difuznog zraenja, i predstavlja njihov zbir, naziva se globalno Sunevo
zraenje.
Fluksevi zraenja su: Sunevo zraenje (dolazi neposredno od Sunca) i
terestriko zraenje (dolazi sa zemlje i iz atmosfere). Zbir ova dva zraenja naziva se
ukupno zraenje, fluks obe komponente koji prolazi kroz horizontalnu ravan naziva se
bilans zraenja.
Merenje flukseva zraenja koji stižu do zemljine površine deli se na 6 glavnih
kategorija:
1. direktno zraenje Sunca koje pada na ravan normalnu na pravac prostiranja
Sunevih zraka;
2. globalno zraenje koje pada na horizontalnu površinu, a koje predstavlja zbir
direktnog i difuznog zraenja u atmosferi;
Predrag Kolarž Diplomski rad
11
3. difuzno zraenje, tj. zraenje rasuto u atmosferi;
4. odbijeno zraenje o površinu zemlje;
5. direktno, difuzno i globalno zraenje u odreenim spektralnim podrujima,
ova grupa sadrži kao specijalni sluaj merenje dnevne osvetljenosti;
6. cirkumglobalno zraenje, tj. zraenje koje pada na sfernu prijemnu površinu
da bi se prouili uslovi pod kojima Sunevo zraenje dostiže do izolovanog predmeta
ije granine površine nisu ravne (npr. drvo ili plod);
Dok se meteorološki instrumenti za zraenje klasifikuju na sledei nain:
Tabela 2. Klasifikacija meteoroloških instrumenata za zraenje (WMO, 1996, GUIDE, N06).
Klasifikacija instrumenta Parametri koji se mere Glavna upotreba Ugao prijema [rad]
Apsolutni pirheliometri Direktno Sunevo zraenje Primarni etalon 5x10-3
(oko 2.50 poluugao)
Pirheliometar Direktno Sunevo zraenje Sekundarni etalon
za kalibraciju Mreža
5x10-3 do 2.5x10-2
Spektralni pirheliometar
Direktno Sunevo zra. u širokim spektralnim trakama (sa OG530, RG 630,..filterima)
Mreža 5x10-3 do 2.5x10-2
Sunev fotometar
Direktno Sunevo zra u narandžastim spekt. Trakama (500±2.5 nm)
Standard Mreža
1x10-3 do 1x10-2 (oko 2.30 punog ugla)
Piranometar (difuzometri)
Globalno zraenje Nebesko zraenje Reflektovano sunevo zraenje
Radni standard Mreža
2π
Spektralni piranometar
Globalno zaenje u širokopojasnim spektralnim oblastima (OG 530, RG 630…)
Mreža 2π
Net piranometar Net globalno zraenje Radni standard
Mreža 4π
Pirgeometar
Odlazee dugotalasno zraenje (gledano odozdo) Dolazee dugotalasno zraenje (gledano odozgo)
Mreža 2π
Piradiometar Ukupno zraenje Radni standard 2π Net
piradiometar Net zraenje Mreža 4π
3. UV zraenje
UV zraenje nastaje na visokotemperaturnim površinama, kao što je Sunce, u
kontinualnom spektru i atomskim ekscitacijama pri pražnjenju gasova u cevima kao
diskretan spektar talasnih dužina. Najvei deo Sunevog UV zraenja apsorbuje
kiseonik u zemljinoj atmosferi, koji formira ozonski omota u nižoj stratosferi.
Predrag Kolarž Diplomski rad
12
Osim toga što je neophodan uslov za stvaranje i opstanak živog sveta na Zemlji,
danas, osim pozitivnih efekata na prirodu i oveka, ono ima i mnogo negativnh
efekata koji mogu biti vrlo ozbiljni. Ti negativini efekti nastaju kada ozonski omota
postane suviše tanak, pa ne može da apsorbuje dovoljno UV-B zraenja koje pada na
površinu Zemlje i postaje štetno za žive organizme.
Najkrai talasi koji u optimalnim uslovima dopiru do tla su dužine 290 nm, tako
da se prizemno Sunevo UV zraenje nalazi u spektralnoj oblasti od 290 - 380 nm.
UV zraenje je podeljeno na tri podopsega:
UV-A (315 nm do 380 nm), nije bitno za biološku aktivnost, a ni koliina mu se
ne menja sa koncentracijom ozona.
UV-B (280 nm do 315 nm), biološki je aktivno i njegov intenzitet na Zemljinoj
površini zavisi od koliine ozona u atmosferi. UV-B zraenje iznosi 3 - 4 %
integralnog fluksa UV zraenja ili oko 0.1 % ukupnog fluksa globalnog Sunevog
zraenja. Male promene u ozonu mogu dovesti do velikih promena onog dela UV-B
zraenja koje dolazi do površine Zemlje.
UV-C (10 nm do 280 nm), se kompletno apsorbuje u atmosferi i praktino se ne
opaža na površini Zemlje, taj opseg se esto zove i sterilišue zraenje.
Od ukupnog Sunevog elektromagnetnog zraenja, koje stiže na gornju granicu
atmosfere, UV zraenje ini približno 7 %. Taj procenat se smanjuje prolaskom
Sunevih zraka kroz Zemljinu atmosferu.
Iako je UV zraenje koje dopire do površine Zemlje slabo, ono je ipak od velike
praktine važnosti, jer izaziva hemijske, elektrine, biološke i druge procese.
Fotohemijske reakcije, koje ono izaziva na gasovima u atmosferi, dovode do stvaranja
jonosferskih slojeva, zatim do pretvaranja O2 u O3 i stvaranja ozonoskog omotaa, a
pri Zemlji na organskoj materiji dovode do razliitih bioloških procesa. U zelenom
biljnom tkivu UV zraenje omoguava fotosintezu. Kod oveka UV zraenje izaziva
ozbiljne promene i ošteenja na koži i oima. UV zraenje usporava rast planktona i
nekih nižih vrsta vodenih organizama, bakterija i virusa, a takoe ubrzava degradaciju
materijala kao što su: plastine mase, izvesne boje, gume, papir...
Predrag Kolarž Diplomski rad
13
3.1. Biološki efekat UV zraenja i njegovo dejstvo na ljude
Biološki efekat delovanja svetlosnog zraenja, nastaje kao rezultat apsorpcije
energije od strane tkiva. Elektromagnetni zraci, prolazei kroz tkivo, izazivaju njegovo
zagrevanje. Pri tome je najznaajnija apsorpcija energije zraenja, koja je izazvana
rezonantnim oscilacijama molekula, atoma i njihovih delova. Ako se frekvencija
elektromagnetnog talasa podudari sa frekvencijom rezonatora (molekula, atoma), tada
se energija elektromagnetnog talasa apsorbuje od strane rezonatora. Apsorpcija IC
zraenja (koje imaja slinu frekvencu kao molekuli tkiva) daje izraženi toplotni efekat,
što može dovesti do toplotnog ošteenja tkiva. UV zraenje se karakteriše kraim
talasnim dužinama i njihova frekvenca odgovara frekvenci delova molekula ili atoma.
Uveanje energije molekula, kao rezultat apsorpcije UV kvantova, predstavlja uzrok
fotohemijskog efekta, dovodei tako do fotohemijskog i abiotskog ošteenja tkiva. Što
se tie svetlosti vidljivog dela spektra, ona biva apsorbovana u pigmentnim
strukturama uz izdvajanje toplote i isto tako može biti uzrok abiotskog ošteenja tkiva.
Biološki efekat svetlosne energije u optikom dijapazonu, zavisi od fizikih i
hemijskih osobina tkiva. Stepen ošteenja tkiva zavisi kako od doze zraenja, tako i od
postojanja brzine reparacionih procesa u tkivu.
Radijaciono ošteenje tkiva se ne ispoljava odjednom, ve ima kumulativno
dejstvo. Dužina latentnog perioda zavisi ne samo od doze, nego i od talasne dužine
dejstvujuih zraka. Latentni period se meri minutima za infracrvene, satima za
ultravioletne, a nedeljama i mesecima za jonizujue zraenje.
UV zraenje u zavisnosti od talasne dužine može da izazove opekotine na koži
(oko 295 nm i krai od 270 nm), vrši pigmentaciju kože i stvara vitamin D (270 nm do
280 nm), spreava rast tkiva (260 nm do 280 nm), zgrušavanje belanevina (260 nm),
na bakterije i viruse najjae deluju talasne dužine od oko 255 nm.
Biološko dejstvo svetlosti na oveiji organizam zavisi od apsorpcione moi
kože i oka. Dugi talasi raspolažu relativno malom energijom i slobodno prolaze kroz
tkivo. Dugotalasni segment IC zraenja u potpunosti biva apsorbovan površinskim
delom kože. Sa smanjenjem talasne dužine penetrantna sposobnost zraenja raste,
dostižui maksimum u zoni crvene boje vidljivog dela spektra (talasna dužina 700
nm). Zatim se penetrantna sposobnost svetosti smanjuje dostižui minimum u
Predrag Kolarž Diplomski rad
14
srednjem delu UV spektra (talasna dužina 290 nm), gde svega 2 % energjie prolazi
kroz epiderm na dubinu od 0.1 mm. U zoni rentgen i gama zraka, penetrantna
sposobnost elektromagnetnog zraenja se ponovo poveava.
3.1.1. Dejstvo UV zraenja na oi
Kod organa vida rožnjaa i soivo u velikoj meri apsorbuju prirodnu i veštaku
UV radijaciju. Pri tome rožnjaa upija zrake talasne dužine do 300 nm, a soivo talase
od 295 do 400 nm. Prednje-komorna tenost je praktino prolazna za UV zraenje i ne
štiti soivo.
Rožnjaa je relativno otporna na UV zraenje i u prirodnim uslovima ne strada.
Izuzetak predstavlja "snežno slepilo" (ophthalmia nivea), koje naroito nastaje u
planinama sa veitim snegom gde je nivo Suneve radijacije neobino velik.
Eksperimentalno je utvreno da prag traumatske doze za rožnjau zavisi od talasne
dužine.
Najopasnije je ošteenje endotela rožnjae zbog toga što endotelijalne elije kod
oveka ne raspolažu regenerativnom sposobnošu (starenjem se njihov broj regresivno
smanjuje).
Profesionalno ošteenje soiva izazvano višegodišnjom akumulacijom povreda
UV zracima kod lica koja se svakodnevno izlažu produženom dejstvu prirodnog ili
veštakog zraenja (mornari, zemljoradnici, radnici koji rade na planinma) nije teško
spreiti nošenjem specijalnih naoara, koje upijaju ili odbijaju UV zrake. Danas su
naoare sa UV filterima osnovni uslov po svim svetskim standardima, i svi
proizvoai naoara ih se strogo pridržavaju.
3.1.2. Dejstvo UV zraenja na kožu
U ovekovoj koži se najvei deo zraenja apsorbuje u epidermu, tj. u
površinskom sloju kože, stoga ošteenje koje je prouzrokovano UV zraenjem zavisi
ne samo od energije zraenja, nego i od propustljivosti epiderma. Dejstvo na kožu
sastoji se u pojavi eritema (crvenilo kože) i edema (otok na koži), posle nekoliko sati
od zraenja. Izvesno vreme nakon poetne upale kože ili pojave eritema, poveava se
Predrag Kolarž Diplomski rad
15
koliina kožnog pigmenta ili melanina, koji služi kao zaštitini sloj protiv UV zraenja.
Koža tada potamni.
Osetljivost kože na Sunce zavisi od njene pigmentacije, tj. od koliine melanina
u epidermu. Ta osetljivost se naziva fotobiološki tip kože, postoji ukupno 6
fotobioloških tipova kože. Na našem podneblju fotobiološki tip kože je izmeu 3 i 4.
Za nastanak Sunevih opekotina presudna je dilatacija krvnih sudova koji se nalaze
upravo ispod tog površinskog sloja i ta dilatacija se manifestuje kao crvenilo kože ili
eritem.
Da bi se na prosenoj koži oveka dobila minimalna primetna eritemska reakcija,
potrebno je izložiti UV-B zraenju od 20 - 70 mJ/cm2, što je u medicini poznato kao
minimalna doza eritema (minimal erythema dose, MED). Zanimljivo je da, ukoliko bi
smo takav efekat hteli da proizvedemo sa UV-A zraenjem, trebala bi nam 600 do
1000 puta vea energija zraenja. Tabela (2) je bazirana na izlaganju od 3 MED-a
nepotamnele kože oveka, koja nije izlagana Suncu, i u njoj su dati opisi fototipova
kože i njeno ponašanje pri osunavanju.
Tabela 3. Fototipovi ljudske kože i njihova reakcija na Sunce, (3).
Fototip kože
Neizložena boja kože
MED opseg (mJ/cm2)
Osetljivost na UV zraenje Pregorevanje ili tamnjenje
I bela 15 - 30 vrlo osetljiva Uvek lako pregori, nikad ne potamni
II bela 25 - 40 vrlo osetljiva Uvek lako pregori, potamni malo uz teškoe
III bela 30 - 50 osetljiva Minimalno pregoreva, tamni postepeno i uniformno
IV svetlo braon 40 - 60 umereno osetljiva
Minimalno pregoreva, uvek dobro potamni
V braon 60 - 90 minimalno osetljiva
Retko pregoreva, obimno tamni (tamno braon)
VI tamno braon ili crna 90 - 150 neosetljiva ili
jedva osetljiva Nikad ne pregoreva, obilno tamni (crna)
Predrag Kolarž Diplomski rad
16
4. Jedinice kojiima se izražava UV zraenje, javni saveti o UV zraenju i potreba njegovog merenja
Postoji više naina na koje nadležne službe pokušavaju stanovništvu, koje živi na
podruijima sa visokim stepenom UV ozraivanja, da ukažu na stepen opasnosti koji
trenutno postoji. U nekim zemljama se daju javni saveti o dužini dnevnog izlaganja
Suncu, zatim šta obui da bi se zaklonili od UV zraenja, koje zaštitne faktore da
koriste, i sl. Dugoroni cilj savetovanja o UV zaenju je da pojedinci mogu da
procene šta ta vrednost ili indeks znai za njih na isti nain kao što procenjuju
temperaturu, i da se u skladu sa tim ponašaju.
U skorije vreme mnoge zemlje su poele da obezbeuju stanovništvu podatke o
UV zraenju. Nažalost, upotrebljavani su mnogi razliiti, ponekad i konfliktni podaci.
WMO (World Meteorological Organisation) je 1994. godine preporuila da se sve
zemlje prilagode standardizovanom UV indeksu. To je bilo bazirano na kalkulaciji
vremenskog izlaganja Suncu. Izlaganje Suncu je proraunato za isto nebo i varira u
odnosu na doba dana i godišnje doba
Sunev UV indeks (Tabela 4.) je vrednost proporcionalana sunevom zraenju u
podne podeljeno sa relativnom svetlosnom efikasnošu na kožu, ukupno po svim
talasnim dužinama u oblasti UV zraenja. Izraunava se prema uputstvu koje je
preporuila WMO. Model za izraunavanje indeksa uzima u obzir sledee ulazne
parametre: totalni sadržaj ozona, oblani pokriva, nadmorska visina, dnevno i
godišnje kretanje Sunca. UV indeks je bezdimenziona skala, pomou koje osobe sa
razliitm tipovima kože i osetljivosti, mogu da uspostave odnos UV indeksa i
individualne reakcije svoje kože. Prognoze i objavljivanje dnevnih vrednosti UV
indeksa daje stanovništvu mogunost da individualno ponašanje u odnosu na Sunce
prilagodi predvienom UV intenzitetu, ime se smanjuje rizik od neželjenih posledica
sunevog (UV) zraenja.
INDEKS STEPEN IZLAGANJA 0 - 2 minimalan 3 - 4 nizak 5 - 6 umeren 7 - 9 visok 10 + ekstremno visok
Tabela 4. UV indeks i stepen izlaganja (5).
Predrag Kolarž Diplomski rad
17
Problem sa konceptom vremena osunavanja je taj što je konverzioni faktor za
energiju vremena osunavanja loše definisan, i varijacije tipa kože znae da
individualno vreme osunavanja može varirati. Preporueni indeksi su bazirani na
standardima, i dati su u eritemalnim težinama ili vremenima izlaganja UV zraenju u
podne.
Jedan Wat UV zraenja po m2 (W/m2) površine na talasnoj dužini od 297 nm
naziva se "er". To je energija izražena u eritemnim jedinicama. Dejstvo UV zraenja
na kožu (doze ozraivanja) izražavaju se u milier asovima po m2 (mer⋅h/m2). Radi
dobijanja praga eritema normalne kože doza UV zraenja (biodoza) iznosi oko 80
mer⋅h⋅m-2. Ova jedinica se upotrebljava prilikom korišenja eritemnih sijalica (talasnih
dužina ispod 320 nm, koriste se u solarijumima, pri leenju nekih kožnih bolesti...)
koje deluju na ljudski organizam skoro kao i UV zraenje Sunca. Za ostale potrebe
koriste se jedinice J/cm2 ili W/m2.
5. Meusobno dejstvo UV zraenja i ozona
Zemljina atmosfera se sastoji iz nekoliko slojeva. Oblast u kojoj se atmosfera
dodiruje sa zemljom naziva se "troposfera". Njena debljina, zbog zavisnosti od
temperature, iznosi do 18 km iznad ekvatora, a iznad polova, 6 - 8 km i ona sadrži 3/4
ukupne mase atmosfere. Ovaj sloj je uzrok svih vremenskih promena kojima smo
izloženi.
Iznad troposfere, do 50 km visine, nalazi se "stratosfera". Odlikuje se
razreenim vazduhom, niskim vazdušnim pritiskom i niskim temperaturama (-40 oC
do -80 oC) do visine 25 - 30 km, a zatim visokim (+80 oC) u pojasu ozona (90 %
ukupnog ozona u atmosferi) ija apsorpcija UV zraenja dovodi do porasta
temperature. Na veim visinama, pri prelasku u stratopauzu tj. mezosferu, temperatura
opada. U tom sloju su prisutna velika vazdušna kretanja. Na veim visinama su
karakteristina razna fotohemijska dejstva na strukturu atmosfere, kao i na
temperaturu, pa dolazi do disocijacije i rekombinacije molekula i atoma, kao i do
jonizacije molekula kiseonika, azota i drugih.
Predrag Kolarž Diplomski rad
18
Kiseonik u stratosferi apsorbuje srazmerno velike koliine UV zraenja. Pri tome
dolazi do disocijacije molekula kiseonika O2 (na talasnim dužinama kraim od 242
nm) na dva atoma kiseonika koji se spajaju sa molekulima O2 u molekule ozona (O3: 3
oksidni atomi).
O2+hν-→O+O
O+O2-→O3
Oni se dalje pod uticajem UV zraenja nešto veih talasnih dužina (kraih od 300
nm) ponovo dekomponuju (O3 se raspada na O2 i O):
O3-→O2+O
što dovodi do hemijske ravnoteže na tim visinama. Ozon u stratosferi formira
pokriva, koji je tanji nad tropima (oko ekvatora) i zbijeniji prema polovima.
Proporcionalno se najvea koliina ozona nalazi u stratosferi (oko 90 %) sa
maksimumom na oko 23 km nad morem na srednjoj geografskoj širini. Samo se oko
10 % atmosferskog ozona nalazi u troposferi (na visini od 0 - 10 km).
Koliina ozona iznad neke take na Zemlji meri se u Dobsonovim jedinicama
(DU).
Slika 3. Ozon iznad izvesne oblasti komprimovan na STP.
Ukupan ozon se definiše tako da bude jednak koliini ozona koja se sadrži u
vertikalnoj stubu (koloni) baze 1 cm2 na standardnoj temperaturi i pritisku (STP,
"standard temperature and pressure", što predstavlja temperatura od 00C i pritisak od 1
Predrag Kolarž Diplomski rad
19
atmosfere). Može se izraziti u jedinicama pritiska, a tipina vrednost je oko 3
atmosferska centimetra. Frekventniji izraz je miliatmosferski centimetar, koji je
takoe poznat kao Dobsonova jedinica (Dobson Unit, DU). Jedna Dobsonova jedinica
odgovara prosenoj atmosferskoj koncentraciji od oko milijarditog dela zapremine (1
ppbv, part per billion by volume) ozona. Prosena koliina ozona je u opsegu od 230
do 500 Dobsonovih jedinica, sa svetskim prosekom od oko 300 DU, mada ozon nije
ravnomerno rasporeen po vertikalnoj koloni.
Jedinica se naziva po G.M.B. Dobsonu, jednom od prvih naunika koji su
istraživali atmosferski ozon (1920-1960). On je konstruisao "Dobsonov spektrometar"
- standardni instrument koji se koristi za merenje ozona sa Zemlje.
Koliina ozona koji štiti Zemlju od UV zraenja opada u proseku oko 3 % tokom
svake dekade. Ovo opadanje ne može biti opravdano prirodnim fenomenima kao što
su: kruženje Sunca, vulkanske aktivnosti ili atmosferska cirkulacija. Trošenje ozona je
primarno prouzrokovano hlorom (Cl) sadržanim u CFC-u (hlorom i fluorom potpuno
supstituisani ugljovodonici, poznatiji kao hlorofluorougljenici), sintetikim
hemikalijama koje se kao posledica industrijalizacije intenzivnije puštaju u atmosferu
poevši od 1940. godine. Te hemikalije imaju vrlo dug život u atmosferi, i kad preu u
stratosferu mogu se fotodisocirati pomou Sunevog zraenja i otpuštati hlor. Postoji
više vrsta CFC-a od kojih su najznaajniji CCl3F (CFC11), CCl2F2 (CFC12), C2Cl3F3
(CFC113), C2Cl2F4 (CFC114) i C2ClF5 (CFC115)... Ovi atomi Cl reaguju katalitiki sa
ozonom u procesu koji regeneriše Cl, tako da svaki atom može da uništi desetine od
hiljada molekula ozona (slika 4).
Predrag Kolarž Diplomski rad
20
Slika 4. Šematski prikaz uništavanja ozona Cl-om otpuštenim iz CFC molekula
Svakih 1 % smanjenja ozona rezultira poveanjem od oko 1.3 % do 1.8 % UV-B
zraenja koje stiže na površinu Zemlje. Zbog toga se smatra da je stanjivanje ozonskog
sloja do sada prouzrokovalo relativno malo poveanje UV-B zraenja (280 - 320 nm)
koje stiže na Zemlju, ne raunajui oblast troposfere.
Od kraja 50 ih godina ovoga veka došlo je do poveavanja troposferskog ozona.
To poveanje je uzrokovano antropogenim emisijama kao što su azotovi oksidi i
hidrokarboni (fotohemijske reakcije). Ipak, ovo prizemno poveanje ozona ne može da
kompenzuje gubitak ozona u stratosferi.
Treba napomenuti da se atmofsera iz godine u godinu ponaša drugaije. ak iako
se isti proces koji dovodi do stanjivnja ozonskog omotaa ponavlja svake godine,
efekat koji on ima na ozon je uslovljen meteorologijom atmosfere, posebno iznad
Antarktika. Ovo je poznato kao varijabilnost atmosfere. Varijabilnost dovodi do
promena u koliini osiromašenog ozona, i vremenu kada to osiromašenje (stanjivanje)
Predrag Kolarž Diplomski rad
21
poinje i kada se završava, što dodatno otežava merenja i praenje ukupnog stanja
ozona u stratosferi.
5.1. Merenje ozona i UV zraenja satelitski nošenim TOMS instrumentom
TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) je spektrometar koji se merenja vrši
iz satelita i koristi se za poboljšanje globalne slike nivoa ozona, UV zraenja i aerosola
u atmosferi. TOMS instrumenti se nalaze na više satelita (Nimbus 7, Meteor 3,
ADEOS, Earth Probe) koji se nalaze na razliitim visinama u orbiti, tako da u skladu
sa atmosferskim kretanjima, mogu da vrše razliita merenja i monitoring sa mnogo
veim razlaganjem nego spektrometri koji merenja vrše sa zemljine površine.
TOMS/Earth Probe meri celokupan ozon tako što meri dolazee zraenje sa
Sunca i povratno rasuto Sunevo zraenje, posebno u UV intervalu. Povratno rasuto
sunevo zraenje dolazi do Zemljine niže atmosfere i onda se na molekulima vazduha
i oblaka rasipa i vraa kroz stratosferu do senzora satelita. Duž puta deo UV zraenja
apsorbuje ozon. Mereni opsezi talasnih dužina su centrirani na 312.5, 317.5, 331.3,
339.9, 360.0 i 380.0 nm. Prve etiri talasne dužine u veoj ili manjoj meri apsorbuje
ozon, a zadnje dve se koriste za procenu reflektivnosti. Raunati nivoi ozona se zovu
“stubovi ozona” (izraženi u DU). Poreenjem koliine rasutog zraenja u odnosu na
dolazee zraenje na identinim talasnim dužinama, naunici mogu da izraunaju
Zemljin albedo. Iz promene reflektivnosti, na odabranim talasnim dužinama, može se
izraunati koliina ozona.
5.2. Šta je uinjeno do sada
Globalni sporazum o smanjenju CFC-a usledio je Bekom konvencijom za
zaštitu ozonskog omotaa, Montrealskim Protokolom (Montreal,1987) u koji je
obuhvatio 5 vrsta CFC-a (11,12,113, 114, 115) njegovim revizijama (London, 1990)
koja je obuhvatila još 10 vrsta CFC-a i zadnja u Kopenhagenu (1992).
Postignut je dogovor o kontroli industrijske proizvodnje mnogih halokarbona do
2030. godine. Posle 1995. godine zemlje potpisnice više nee proizvoditi glavninu
CFC-a, osim ograniine koliine za elementarne potrebe, kao što su medicinski
sprejevi.
Predrag Kolarž Diplomski rad
22
Zemlje Evropske zajednice su usvojile još strože mere nego što su one tražene
Montrealskim protokolom. Prepoznajui svoju odgovornost ka globalnom okruženju
one su se složile da zaustave produkciju glavnine CFC-a do poetka 1995. godine.
Usvojeni su i stroži kriterijumi za upotrebu ostalih komponenti koje uzrokuju
stanjivanje ozonskog omotaa.
Takoe, postignuti su brojni sporazumi kroz Globalno atmosfersko bdenje
(Global Atmosphere Watch, GAW) istraživanja ozona i aktivnosti monitoringa, kao i
na Okvirnoj konvenciji o promeni klime (Framework Convetion on Climate Change),
Konvenciji o transgraninom prenosu zagaenja vazduha (Convention on Long - range
Transboundary Air Pollution) i ostalim konvencijama za zaštitu okoline korišenjem
rezultata projekata GAW-a.
Svetska meteorološka organizacija je procenila do 2045. godine, propisana
ogranienja i aktivnosti, treba da dovedu do oporavka ozonskog omotaa, ali skorašnja
istraživanja su pokazala da je problem mnogo vei nego što je predviano.
6. Svrha merenja UV zraenja
Razliiti fluksevi zraenja ka i od površine Zemlje su meu najvažnijim
promenljivim u toplotnom bilansu Zemlje kao celine i svakog dela njene površine ili
atmosfere posebno. Merenje zraenja se radi u sledee svrhe:
a) Za izuavanje transformacije energije unutar sistema Zemljine atmosfere i
njegove varijacije u vremenu i prostoru.
b) Analiza svojstava i raspodele atmosfere sa osvrtom na njene konstituente kao
što su aerosoli, vodena para, ozon, itd.
c) Izuavanje raspodele i promena dolazee, odlazee i ukupne radijacije.
d) Zadovoljavanje potreba biologa, lekara, agronoma, arhitektonskih i
industrijsih aktivnosti u pogledu zraenja
e) Verifikacija satelitskih merenja radijacije
Predrag Kolarž Diplomski rad
23
6.1. Jedinice i skale
U meteorološkoj praksi jedinice za zraenje usklaene su sa meunarodnim
sistemom jedinica (Si) datim u tabeli (4.a.) i (4.b.)
Tabela 4.a. Fotometrijske veliine, (8).
Ime Simbol Jedinica Koliina svetlosti Qv 1 m⋅s Fluks svetlosti Φv lm Ekscitacija svetlosti Mv lm⋅m-2
Iluminacija Ev lm⋅m-2 = lx Izlagaje svetlosti Hv lm⋅m-2⋅s = lx⋅s Intenzitet svetlosti Iv lm⋅sr-2 = cd Osvetljenje Lv lm⋅m-2sr-1=cd⋅m-2
Intenzitet zraenja (Mv;Ev) Lm⋅m-2
Tabela 4.b. Radiometriske veliine, (8).
Ime Simbol Jedinica Relacija Primedba Energija zraenja (W) J = W⋅s Fluks zraenja (P) J = W/s Φ = dQ/dt Snaga
Intenzitet fluksa zraenja
(M), (E) W/m2 dΦ/dA=d2Q/(dAdt)
Fluks zraenja bilo kog porekla koji prolazi kroz element površine
Pobuda zraenja M W/m2 M = dΦ/dA Fluks zraenja bilo kog porekla koji izlazi sa elementa površine
Ozraivanje E W/m2 E = dΦ/dA Fluks zraenja bilo kog porekla koji pada na element površine
Zraenje L W/m2sr L=(d2Φ/dΩ)⋅dA⋅cosθ Zraenje je konzervativna veliina u optikom sistemu
Izlaganje zraenju H J/m2 H=dQ/dA = 2
1
t
t
Edt Može se koristiti za dnevnu sumu globalnog zraenja, itd.
Intenzitet zraenja I W/sr I = dΦ/dΩ Može se koristiti samo za odlazee zraenje iz takastih izvora
6.2. Meteorološki zahtevi za merenje Sunevog zraenja po preporukama WMO
6.2.1 Podaci za akviziciju
Ozraivanje i izlaganje zraenju su naješe veliine koje treba sakupiti i
arhivirati. Postoji potreba za mnogim podacima i u kraim vremenskim periodima,
Predrag Kolarž Diplomski rad
24
manje od minuta ili 10 sekundi (za neke energetske primene), a esto se koriste i
dnevne ukupne sume zraenja.
Za merenja zraenja uopšte, posebno je važno da se zabeleže i naprave
dostupne informacije o uslovima osmatranja. Ovo ukluuje tip instrumenta, njegovu
istoriju i njegovu lokaciju, izlagajne i održavanje instrumenta.
Zahtevana tanost se najbolje postiže ako se merenja vrše svakog minuta, ak i
ako se krajnji podaci integrišu za period od jednoga sata ili više. Prednost se daje
sistemima sa digitalnim zapisom podataka. Grafiki prikupljeni podaci i druge vrste
integratora su mnogo manje praktini i sa njima je teško održavati adekvatan nivo
preciznosti oitavanja.
6.2.2. Vreme merenja
U svetskoj mreži za merenje zraenja, važno je da podaci budu homogeni ne
samo za kalibraciju, nego i za vremena merenja. Zbog toga sva merenja zraenja treba
da budu usklaena sa “pravim Sunevim vremenom”. Ipak, standardno ili univerzalno
vreme je zgodnije za automatske sisteme zato što je lakše za korišenje, ali je
prihvatljivo samo ukoliko preraunavanje na pravo sunevo vreme ne vodi znaajnom
gubitku podataka.
6.3. Klasifikacija i izbor instrumenata za merenje UV zraenja
Meteorološki instrumenti za zraenje su klasifikovani po raznim
kriterijumima: po tipu parametara koji se mere, oblasti koju instrument vidi,
spektralnom odzivu, glavnoj nameni. Apsolutni instrumenti su samokalibrišui,
zraenje koje pada na senzor zamenjuje se elektrinim signalom, koji može biti
precizno meren. Ta zamena, ipak, ne može biti apsolutno savršena; devijacija od
idealnog sluaja odreuje grešku merenja zraenja.
Ipak, veina instrumenata za zraenje nisu apsolutni i moraju se kalibrisati
pomou apsolutnih instrumenata. Preciznost merenja, zatim, zavisi od prateih faktora,
koji za dobro kalibrisane instrumente treba da budu poznati:
a) Rezolucija, najmanja promena u koliini zraenja koju instrument može da
detektuje;
Predrag Kolarž Diplomski rad
25
b) Dugovremenski poremeaj osetljivosti (stepen izlaznog elektrinog signala
za primenjeno ozraivanje) maksimalna mogua promena za, recimo, godinu dana;
c) Promena osetljivosti u zavisnosti od promene spoljašnjih parametara, kao
što su: temperatura, vlaga, pritisak, vetar,…;
d) Nelinearnost odziva, promene osetljivosti u zavisnosti od promena
ozraivanja.
e) Devijacija spektralnog odziva od zadatog, crnilo prijemne površine,…;
f) Devijacija direktnog odziva od zadatog, kosinusni odziv;
g) Vremenska konstanata instrumenta ili mernog sistema;
h) Nesigurnosti (izvori greške) u dodatnoj opremi;
Instrumenti treba da budu izabrani prema njihovoj krajnjoj upotrebi.
7. Merenje UV zraenja
Intenzitet globalnog sunevog UV zraenja koje dopire do Zemljine površine
zavisi od visine Sunca, sadržaja ozona u atmosferi, albeda površine, oblanosti i
zamuenosti atmosfere. Svi ovi faktori mogu u znatnoj meri da utiu na dnevni i
godišnji hod intenziteta UV sunevog zraenja, a samim tim i na njegovo merenje.
Merenje UV zraenja je teško zbog koliine zraenja koje dospeva na površinu
Zemlje i zavisnosti koju odreuju promene u stratosferskim ozonskim nivoima, i
naglim poveanjem opsega fluksa sa poveanjem talasne dužine. Grafik 4. ilustruje
promene fluksa izmeu 290 nm i 325 nm na vrhu atmosfere i na površini Zemlje u
Wm2/nm.
Predrag Kolarž Diplomski rad
26
Grafik 4. Efekat poveanja nivoa ozona na transmisiju UV-B zraenja kroz atmosferu.
(8)
UV zraenje je pod uticajem takvih atmosferskih pojava kao što su oblaci ili
aerosoli. Znaajan je i uticaj okolne sredine zbog višestrukog rasipanja. Ovo je
pogotovo izraženo na površinama koje su prekrivene snegom.
Teškoe u standardizaciji merenja UV zraenja potiu od promenljivosti namene
zbog koje se merenje vrši. Za razliku od veliine meteoroloških merenja, standardi
bazirani na globalnim potrebama još nisu uspostavljeni. U mnogim zemljama, merenja
UV zraenja ne rade samo meteorološki zavodi, nego i zavodi za zaštitu zdravlja, pa
usaglašavanje rada ovih službi dovodi do teškoa u standardizaciji instrumenata i
metoda osmatranja.
Do ovog trenutka, WMO nije uspostavila standarde koji bi upravljali merenjem
UV zraenja, ni u pogledu karakteristika instrumenata, ni u pogledu metoda merenja.
Zahtevi koji su stavljeni pred WMO Globalni projekat za istraživanje i monitoring
ozona (Global Ozone Reasearch and Monitoring Project) su:
Predrag Kolarž Diplomski rad
27
Tabela 5. Zahtevi za UV-B merenja (WMO, 1996, GUIDE, N06)
UV - B 1. Rezolucija talasne dužine - 1.0 nm ili bolje 2. Vremenska rezolucija - 10 minuta ili bolje 3. Ugaoni smer - razdvajanje u direktnu i difuznu komponentu ili bolje 4. Precizna kalibraciona strategija
Pomoni podaci:
a) Apsolutno neophodno 1. Totalna kolona ozona (u okviru100 km) 2. Optika dubina aerosola 3. Zemljin albedo 4. Oblani pokrov b) Vrlo preporuljivo: 5. Aerosoli, lidarski profil 6. Vertikalna raspodela ozona 7. Kratkotalasno izraivanje (globalana sunana radijacija) 8. Polarizacija zenitnog zraenja 9. Vodena para
8. Instrumenti za merenje UV zraenja
Za merenje UV zraenja postoje tri vrste komercijalnih instrumenata. Instrumenti
prve klase koriste širokopojasne filtere. Ovi instrumenti integrišu zraenje preko celog
UV-B ili UV-A spektra ili cele UV oblasti koja može da utie na ovekovo zdravlje.
Instrumenti druge klase koriste jedan ili više interferentnih filtera da bi integrisali uske
oblasti UV-A ili UV-B spektra. Trea klasa instrumenata su spektrometri koji koriste
unapred definisane delove UV spektra koristei fiksirane propusne opsege.
Predrag Kolarž Diplomski rad
28
8.1. Instrumenti koji koriste širokopojasne senzore
Veina instrunenata koji koriste širokopojasne senzore su dizajnirani tako da
mere UV spektar koji je meren eritemalnom funkcijom koju su predložili Mc Kinlay
and Diffey i prikazan je na Grafiku 5. (Guide, 1996).
Da bi dobili eritemalnu meru potrebno je da na instrumentu prvo isfiltriramo
skoro sve vidljive talasne dužine svetlosti koristei UV - propusno crno kvarcno staklo
kao filter. Ostatak radijacije tada pogaa UV osetljivi fosfor. Zatim se zelena svetlost
koju emituje fosfor filtrira korišenjem obojenog stakla da bi se otklonila ne zelena
vidljiva svetlost pre nego što padne na galijum-arsenid-fosfornu diodu. Kvalitet
instrumenta zavisi od faktora kao što su kvalitet spoljašnje zaštitne kvarcne kupole,
kosinusnog odziva instrumenta, temperaturne stabilnosti i sposobnosti prizvoaa da
usaglasi eritemalnu krivu sa kombinacijom karakteristika stakla i diode. Najvažnija je
temperaturna stabilnost instrumenta, kao i elektronike i reakcije fosfora na inicijalno
UV zraenje. Efikasnost fosfora opada 0.5 % K-1 i kriva odziva talasne dužine se
pomera za oko 1 nm duž svakih 10 K. Ovaj pratei efekat je važan zbog nagiba
radijacione krive na ovim talasnim dužinama.
U skorije vreme, instrumenti se razvijaju tako da mere eritemalnu težinu UV
zraenja koristei interferencioni filter od tankog metalnog filma i specijalno razvijene
Diffey (8) Grafik 5. Eritemalne funkcije koje su dali Parrish, Jeanicke, Anderson,McCinlay.
Predrag Kolarž Diplomski rad
29
silikonske fotodiode. Ova metoda ima puno problema u vezi sa niskim nivoom signala
iz fotodiode.
Ostali širokopojasni instrumenti koriste jednu ili više mernih tehnologija za
merenje kompletnog spektra koristei kombinacije staklenih i interferentnih filtera.
Propusni pojas ide od uskog, 20 nm pune širine polumaksimuma (Full With Half
Maximum, FWHM), do širokog, 80 nm FWHM za instrumente koji mere kombinaciju
UV-A i UV-B zraenja. Neki proizvoai ove opreme obezbeuju jednostavne
algoritme za aproksimaciju eritemnih doza za integralna merenja. Da bi pravilno
održavali ove instrumente treba da budemo sigurni da su kupole iste, da je instrument
nivelisan, isušivai aktivni i da grejno-rashladni sistem radi dobro (ukoliko je
instrument njime opremljen). Inae održavanje je slino održavanju kod piranometra.
Jedan od najkvalitetnijih i najrasprostranjenijih instrumenata ovog tipa je
Eppley-ev UV radiometar, sa više razliitih propusnih opsega filtera.
8.1.1. Eppley-evtotalni UV radiometar
Totalni UV radiometar je robustan, relativno jednostavan
detektor za merenje UV zraenja (Slika 4).
Instrument koristi hermetiki zatvorenu eliju sa
selenijumom koji je zaštien kvarcnim prozorom. On radi pri
niskim nivoima svetlosti i pod uslovima minimalne potrošnje
struje, u želji da obezbedi stabilne performanse kroz duže
periode izlaganja. Specijalno dizajnirani teflonski difuzor ne
samo da smanjuje fluks zraenja na prihvatljiv nivo nego
takoe obezbeuje blisko slaganje sa kosinusnim zakonom.
Uskopojasni interferentni filter ograniava spektralni odziv fotoelije na opseg
talasnih dužina od 295 do 385 nm sa neznatnom sekundarnom transmisijom. Telo
instrumenta je konstruisano od mesinga sa šrafovima za nivelaciju i libelom.
Kalibracioni sertifikat se može dobiti u Nacionalnom Institutu za Standarde i
Tehnologiju (NIST)
Slika 4. Eppley-ev UV mera.
Predrag Kolarž Diplomski rad
30
8.2. Instrumenti koji koriste uskopojasne senzore
Definicija uskopojasnosti za ovu klasu instrumenata je neodreena. Najvea
širina trake za instrumente ove kategorije je 10 nm FWHM. Najuža traka koja je u
ovom trenutku dostupna za komercijalne instrumente je 2 nm FWHM. Ovi senzori
koriste jedan ili više interferentnih filtera za dobijanje informacija o porcijama UV
spektra. Najjednostavniji instrumenti sastoje se od jednog filtera, obino na onoj
talasnoj dužini koja može biti merena UV diodom dobrog pojaanja. Talasne dužine
blizu 305 nm su tipine za ovakve instrumente. Odbacivanje signala koji su van oblasti
ovih filtera treba da bude jednako ili vee od 10-5 ili bolje, kroz osetljivu oblast
detektora. Kvalitetniji instrumenti ovog tipa koriste hladnjake da bi održali konstantnu
temperaturu (oko 20 oC) ili koriste grejae da bi povisili temperaturu iznad normalne
(oko 40 oC). Ovo poslednje znaajno smanjuje život interferentnog filtera.
Modifikacija ovog tipa instrumenta koristi fotomultiplikator umesto fotodiode. Ovo
dozvoljava tanije merenje energije za krae talasne dužine i niže intenzitete na svim
merenim talasnim dužinama.
Konstrukcija instrumenata mora biti takva da zraenje prolazi kroz filter pod
uglom blizu normale da bi se izbeglo pomeranje talasnih dužina ka kraim talasnim
dužinama. Na primer, 100 razlike od normale prouzrokuje talasno pomeranje od 1.5
nm u zavisnosti od indeksa refrakcije filtera. Temperaturni efekat takoe može biti
znaajan u menjanju centralne talasne dužine za oko 0.012 nm/K za vrlo uske filtere (<
1 nm).
Održavanje za jednostavne jednofilterne instrumente je slino kao za
širokopojasne instrumente. Za one instrumente koji imaju više filtera na pokretnom
toku, održavanje podrazumeva odreivanje da li je toak dobro centriran. Preporuuje
se takoe i provera visokonaponskog napajanja za instrumente koji imaju
fotomultiplikatore kao i provera kvaliteta filtera.
8.3. Spektrometri
Najbolji komercijalni instrumenti su oni koji koriste ili klasinu ili holografsku
rešetku za disperziju mogue energije u spektar. Niska energija UV zraenja u
poreenju sa onom u vidljiviom spektru primorava na odbacivanje talasnih dužina koje
Predrag Kolarž Diplomski rad
31
su van granine oblasti. To se postiže upotrebom duplog monohromatora ili
blokirajuih filtera koji propuštaju samo UV zraenje u spoju sa jednim
monohromatorom. Neki manje skupi instrumenti koriste fotodiode. Ovi instrumenti ne
mogu da mere energije na kraim talasnim dužinama od UV-B zraenja i imaju više
problema sa rasutim svetlom.
Instrumenti za monitoring se sada mogu nabaviti sa nekoliko
samoproveravajuih karakteristika. Elektronski testovi ukljuuju proveru rada
fotomultiplikatora i AD konvertora. Testovi koji odreuju da li optika instrumenata
pravilno funkcioniše ukljuuju testiranje instrumenata korišenjem unutrašnje živine
lampe i standardne kvarc-halogene lampe. Iako ovi testovi ne daju apsolutne
kalibracione podatke, oni daju korisniku podatke o stabilnosti instrumenta i u odnosu
na spektralno izjednaenje i u odnosu na intenzitet.
Komercijalni instrumenti su konstruisani da obezbede mogunost merenja od oko
290 nm do dužine vidljivih talasa, u zavisnosti od njihove konstrukcije i konfiguracije.
Širina mernog opsega je obino oko 0.5 i 2.0 nm. Vreme koje je potrebno da bi se
izvršilo puno skeniranje zavisi od rezolucije talasane dužine i od ukupnog merenog
spektra, ali je po pravilu potrebno od 1 do 10 sekundi za jedan korak talasne dužine.
Rutinski monitoring UV zraenja zahteva da instrument bude bilo zaštien od
uticaja sredine ili konstruisan na takav nain, da se energija koja pada na površinu
prijemnika prenosi na spektrometar koji se nalazi u klimatizovanom kuištu. U oba
sluaja mora se voditi rauna o razvoju optike tako da se pravilna osetljivost održava
na niskim nivoima zraenja.
Jedan od naješe korišenih spektrometara u svetskim mrežama za merenje UV
zraenja i ozona je Brewerov spektrometrar firme Kipp & Zonen.
8.3.1 Brewer-ov spektrofotometar
Brewer-ov spektrofotometar je dizajniran tako da može potpuno
automatizovano da vrši merenja celokupne koliine ozona i UV zraenja. Instrument
po potrebi može da meri i NO2. Na kraju dana formira izveštaj, koji se sastoji iz
koliine ozona i UV doza.
Predrag Kolarž Diplomski rad
32
Brewer koristi sunevo UV zraejne za odreivanje sadržaja ozona u atmosferi.
Taj sadržaj ozona se odreuje do 50 km visine. Razdvajanje parametara modela,
koncentracije ozona prema visini, je matematika operacija koju radi PC. Operacija se
zove "Umkehr".
Svetlost putuje kroz prednju optiku i i filtere koji se nalaze na tokiima (Slika
5). Spektrometar uzrokuje difrakciju unutar talasnog opsega koji nas interesuje.
Fotomultiplikator meri svetlost. Softver automatski radi samokalibrciju i merenja O3,
SO2, NO2, UV i prikuplja podatke koji se mogu koristiti za generisaje "Umkehr"
profila.
Sam instrument je postavljen na ureaj za automatsko praenje Sunca (tzv. "Sun-
tracker") koji pod kontrolom PC-a prati azimut Sunca. Visina Sunca je podešena
sredinom vertikalne pokretne prizme. Takoe je mogue meriti unutrašnje kalibracione
lampe kao i UV-B globalno zraenje hemisfere (kroz kupolu od kvarcnog stakla sa
teflonskim difuzorom ispod). U svim sluajevima dolazee zraenje ulazi u
spektrometar kroz ulaznu optiku i dijafragmu, filtere i ulazni prorez.
Brewer ili tzv. Eberth-ov spektrometar koristi pokretnu holografsku difrakcionu
rešetku sa 1800 linija/mm kao disperzivni element, ogledalo i masku opera sa
nekoliko proreza u zahtevanom opsegu talasnih dužina. Zraenje konano dolazi do
fotomultiplikatorakroz izlazne proreze i NiSO4 filter. Transmitivnost ovog filtera naglo
opada od 315 nm (gornja granica štetnog UV-B zraenja). On služi kao filter rasute
svetlosti da bi se smanjio deo rasute svetlosti sa dužim talasnim dužinama >320 nm na
podnošljiv nivo.
Predrag Kolarž Diplomski rad
33
Direktno SunceZenit neba
Obrtna prizma
Kvarcna kupola sateflonskim difuzorom
UVB prizma
UVB
Kalibrac. lampa
@iva
Halogen
Iris
Kvarcni difuzorObrtni disk sa prigunim filterima
Polarizujua prizma
Ulazni prorez
Pokretna reetka
Maska ~operaIzlazni prorezi
Cut off filter
Fotomultiplikatorkacev
Slika 5. Šematski prikaz Brewer-ovog spektrometra (10).
U toku merenja ozona, rešetka ostaje u fiksnoj poziciji, a maska opera bira
jednu za drugom pet talasnih dužina u nekoliko ciklusa. Dolazee zraenje se meri
fotomultiplikatorom u modu za brojanje fotona, a taj signal se prenosi vezom za
podatke do kontrolnog PC-a. Vrednost ozona se rauna i arhivira odmah po završetku
osmatranja.
Tokom UV osmatranja maska opera se drži u fiksnoj poziciji, a rešetku
pokree step motor da bi dobili željeni interval spektra duž fiksiranog proreza. Prema
tome spektar može biti meren izmeu 285 i 325 nm sa fleksibilnim korakom koji
obino iznosi 0.5 nm. Poluširina korišenog izlaznog proreza je 0.63 nm i njegova
funkcija transmisije je skoro ekvivalentna Gausovoj funkciji.
Integrisane test lampe su velika prednost Brever-a. One su ugraene unutar
rotabilne prizme i mogu se potpuno automatski meriti. Živina lampa (spektralna linija
na 302.5 nm) se koristi za korekciju postavljanja talasne dužine (bolje od 0.1 nm), dok
strujno i naponski stabilisana standardna lampa (kvarcno - halogena) omoguuje
Predrag Kolarž Diplomski rad
34
proveru spektralne osetljivosti. Stabilnost ove lampe se može kontrolisati korišenjem
eksterne standardne lampe. Ova lampa se obino koristi za proveru Dobsonovih
instrumenata.
8.4. Kalibracija instrumenata za UV zraenje
Kalibracija svih instrumenata za UV-B zraenje je teška. Za razliku od
piranometara koji se mogu pozivati na standardne setove instrumenata koji su
povezani sa Svetskom radiometriskom referencom (World Radiometric Reference,
WRR), ovi senzori se moraju kalibrisati ili pomou standardnih svetlosnih izvora ili
pomou filter detektora. Ovaj drugi nain, iako puno obeava u dugotrajnoj kalibraciji
uskooblasnih filter instrumenata, još uvek nije lako dostupan. Zbog toga, korišenje
standardnih lampi, koje se mogu nai u nacionalnim laboratorijama za standarde,
ostaje naješi nain za kalibrisanje senzora za merenje UV-B zraenja. Mnoge zemlje
nemaju laboratorije za odreivanje karakteristika lampi UV spektra. U tim zemljama
lampe se obino šalju u National Institute for Standards and Tehnology (NIST) u SAD
ili u Physikalish Tehnische Bundesanstalt (PTB) u Nemakoj.
Procenjuje se da merna nesigurnost od 5 % pri merenjima dela opsega oko 300
nm može biti postignuta samo pod strogim uslovima. Merenje eritemalne aktivnosti e
imati tanost u tipinom rangu od 5 do 20 %, u zavisnosti od broja faktora koji utiu
na kvalitet procedure i opreme. Izvori greške su dati u sledeem paragrafu i oni
ukljuuju:
a) Nesigurnosti vezane za standarde lampi;
b) Stabilnost instrumenta, ukljuujui stabilnost spektralnog filtera i (kod starijih
instrumenata) temperaturni koeficijent;
c) Kosinusni efekat;
d) injenicu da kalibracija instrumenta varira sa talasnom dužinom;
e) Spektar standardnih lampi nije isti kao spektar koji se meri;
f) Spektar UV-B zraenja koji se meri jako varira sa vremenom;
Korišenje standardnih lampi kao kalibracionih izvora dovodi do velikih
nesigurnosti pri kraim talasnim dužinama ak i kad je transfer kalibracije odlian.
Tako je, na primer, greška na 250 nm vezana za standardno izraivanje reda veliine
od oko 2.2 %. Kad se prenosi na standardnu lampu dodaje se još 1 % nesigurnosti. Na
Predrag Kolarž Diplomski rad
35
350 nm ovaj procenat nesigurnosti opada na oko 1.3 i 0.7 %. Mora se takoe voditi
rauna o postavljanju i upravljanju standardnom lampom. ak i varijacije od samo 1 %
u struji pri napajanju standardne lampe, na primer, dovode do greške UV fluksa od 10
% ili više na kratkim talasnim dužinama. Netano merenje dužine izmeu lampe i
instrumenta koji se kalibriše može takoe dovesti do greške reda oko 1 % što je
inverzna kvadratna zavisnost kada se primeni na kalibraciju.
9. Ureaj za merenje UV zraenja
Pravljen je po ugledu na Totalni Ultravioletni Radiometar, proizvodnje "EPLAB", koji
koristi selenski senzor zaštien kvarcnim staklom.
Sastoji se iz sledeih delova:
Aluminijumski tubus sa donjim poklopcem - služi kao fizika i svetlosna zaštita i kao
kuište celog sistema. Napravljen je u "Institutu za fiziku - Zemun". Unutrašnjost
tubusa je nivelisana i ofarbana crnim mat lakom, da bi se izbegla mogunost da do
fotodiode dopre zraenje koje nije prošlo kroz UV filter, a spoljašnjost je ispolirana da
bi uticaj temperature na karakteristiku odziva fotodiode i pratee elektronike bio što
manji.
Širokopojasni propusni filter, izraen je od kvarcnog stakla koji ograniava spektralni
odziv fotodiode na talasne dužine od 310 nm do 280 nm sa neznatnom sekundarnom
emisijom, takozvani interferentni filter. Koristimo ga ukoliko nas zanima globalno UV
zraenje. Mogu se koristiti i uskopojasni filteri koji omoguavaju merenje i nižih
komponenti UV spektra u oblastima od 310 nm do 330 nm i od 360 nm do 380 nm.
Difuzor - teflonski disk, debljine 1 mm, koji ne samo da smanjuje fluks zraenja na
prihvatljiv nivo, nego takoe omoguuje vezu sa Lamberovim kosinusnim zakonom.
Difuzor obezbedjuje da se veliina signala ne menja znaajno do 30o od normale na
diodu.
Drveno postolje i aluminijumski drža tubusa su sa promenljivim uglom što
omoguuje merenje direktne komponente UV zraenja u bilo koje doba dana, odnosno
za bilo koji položaj Sunca.
Pojaava signala UV osetljive fotodiode - pojaava signal po zakonu:
Vout=Idiode⋅R
Predrag Kolarž Diplomski rad
36
9.1. Karakteristike silikonske UV fotodiode za precizna fotometrijska merenja, oznake S1337-16QB (sa keramikim kuištem)
Spektralni odziv. Fotostruja proizvedena za dati nivo svetlosnog pobuivanja varira sa
talasnom dužinom. Ovaj odnos talasne dužine i odziva poznat je kao karakteristika
spektralnog odziva i izražava se kao osetljivost na zraenje, stepen iskorišenja,
detektibilnost.
Osetljivost na zraenje (A/W). Ovo merenje osetljivosti je odnos energije zraenja
izražene u vatima i fotostruje izražene u amperima. Osetljivost na zraenje se nalazi
unutar 5% vrednosti pika.
NEP (ekvivalentna snaga šuma). To je koliina svetlosti ekvivalentna nivou
unutrašnjeg šuma ureaja. NEP je jedan od naina izražavanja spektralnog odziva.
Pošto je nivo šuma proporcionalan kvadratnom korenu širine opsega, NEP se izražava
u W/Hz1/2
NEP=struja šuma (A/Hz1/2)/osetljivost na zraenje na piku (A/W)
D* Detektibilnost. D je inverzna od NEP-a i koristi se kao mera detekcione osetljivosti
ureaja. Pošto je šum proporcionalan kvadratnom korenu fotoosetljive površine, što je
manja fotoosetljiva površina, bolji su i NEP i detektibilnost. Da bi uzeli u obzir
materijalna svojstva, detektibilnost D pomnožimo kvadratnim korenom površine i
dobijemo D*, izraženo u jedinicama cmHz1/2
Struja kratkog spoja ISH. Struja kratkog spoja je struja koja tee kada je otpor
optereenja nula i kada je proporcionalan fotoosetljivoj površini ureaja.
Struja mraka (ISH) i otpor šanta (RSH). Struja mraka je mala struja koja tee kada
reversni napon primenimo na fotodiodu dok je ona u mraku. Za posmatranje struje
mraka postoje dva metoda: posmatranje odnosa V/I u oblasti od 0 V ili posmatranje
struje u stvarnim primenjenim uslovima. RSH=10 (mV)/struja mraka pri VR=10 mV (A)
Kapacitet spoja (Cj). Stvarni kondenzator je formiran p-n spojem fotodiode. Njegov
kapacitet odreuje brzinu reakcije fotodiode
Vreme uspona (tR) - ovo je brzina odziva fotodiode pri naglom osvetljavanju diode.
To je vreme potrebno za prolazak 10% do 90% od normalne izlazne vrednosti najvišeg
nivoa. Brzina reakcije je funkcija talasne dužine upadnog svetla, otpornosti
optereenja, a obrnuto proporcionalan kapacitetu spoja.
Granina frekvencija (fc) - je granina mera odziva diode na upadnu svetlost sinusnog
oblika i esto se koristi na PIN fotodiodama. Definiše se kao frekvenca na kojoj
Predrag Kolarž Diplomski rad
37
izlazna struja opada za 3 dB za niskofrekventne reakcije (na otpornosti od 50 Ω)
Maksimalan reversni napon (VRmax) - korišenje reversnog napona na fotodiodama
može prouzrokovati uništenje ili deformaciju osobina diode. Zato reversni napon treba
da bude niži od maksimalne propisane vrednosti, VRmax, ak i za trenutno primenjene
reverzne napone polarizacije.
9.1.1. EKVIVALENTNO KOLO DIODE
Šema br. 1: Ekvivalentna šema fotodiode (Selection guide, "Hamamatsu").
IL - struja generisana upadnim svetlom (proporcionalna koliini sveta)
ID - diodna struja, CJ - kapacitet spoja, RSH - otpor šanta
RS - serijska otpornost, I - struja otpora šanta
VD - napon kroz diodu, Io - izlazna struja
Io=IL-ID-I
V0 – izlazni napon, IS - reversna struja zasienja fotodiode
e - naelektrisanje elektrona
T - apsolutna temperatura fotodiode
K - Boltzmann-ova konstanta
VOP - napon otvorenog kola je izlazni napon kada Io teži 0
VOP= (K⋅T/e)⋅ln(IL-I/IS+1)
IS logaritamski raste sa porastom temperature okoline, VOP je inverzno proporcionalno
okolnoj temperaturi
ISH=IL-IS⋅(exp⋅e⋅(ISH)/KT-1)- ISH⋅RS/RSH - izlazna struja kada je ulazni otpor jednak nuli i
Vo jednako nuli.
9.1.2. Karakteristike fotodiode
Kada na zamraenu diodu primenimo neki napon, karakteristika dobijene krive bie
slina kao i kod ispravljake diode (1). Kada diodu pogodi svetlost, kriva (1) prelazi u krivu
Predrag Kolarž Diplomski rad
38
(2) i daljim poveanjem koliine svetlosti prelazi u krivu (3) koja se pomera paralelno sa
poveanjem svetlosnog intenziteta.
Grafik 6. Strujno naponska karakteristika diode u zavisnosti od koliine upadne
svetlosti (Selection guide, "Hamamatsu").
Struja kratkog spoja ISH je izuzetno linearna sa poveanjem koliine upadne svetlosti.
Opseg linearnosti dostiže 6 do 8 redova veliine, u zavisnosti od tipa fotodiode i kola koje se
koristi. VOP varira logaritamski sa poveanjem koliine upadne svetlosti i vrlo je zavistan od
promena temperature, inei ih nepogodnima za merenje intenziteta svetlosti.
Šema 2. Radni ciklus fotodiode sa operacionim pojaavaem.
Šema br.8 nam pokazuje metod merenja svetla merenjem struje ISH. Ukoliko se koristi
operacioni pojaava, i karakteristika povratne sprege, tako da je otpornost ekvivalentnog
ulaza nekoliko redova veliine manja nego Rf, što omoguuje gotovo idealno merenje ISH.
Predrag Kolarž Diplomski rad
39
Vrednost Rf se može podešavati tako da omogui merenje u širokom opsegu. Izlazni napon
Vout se dobija iz:
Vout=-(ISHxRF)
Struja mraka je linearna u naponskom opsegu oko ±10 mV. Nagib krive je definisan
otporom šanta RSH.
9.1.3. Karakteristika spektralnog odziva
Ukoliko je talasna dužina apsorbovanih fotona manja od λ=1240/EG [nm] fotonaponski
efekat se ne opaža. Što je tanji difuzni sloj i P-N spoj bliži površini, vea je osetljivost, tako
da je za UV diode osetljivost ispod 190 nm. Granina talasna dužina odreena je unutrašnjim
osobinama fotodiode, ali takoe i spektralnom transmitivnošu prozorskog materijala. Za
talasne dužine ispod 300 nm za prozorsko staklo se koristi "sinterovano staklo".
Grafik 7. Karakteristika spektralnog odziva (Selection guide, "Hamamatsu").
9.1.4. Karakteristike šuma
Donja granica detekcije svetlosti za fotodiode je definisana karakteristikama šuma u
ureaju. Šum fotodiode (in) je suma termalnog šuma (ij) prouzrokovanog otporom šanta (RSH)
i šuma (iS) koji je posledica struje mraka i fotostruje:
in=(ij2+iS
2)1/2
Kada se dioda koristi u kolu sa operacionim pojaavaem, pošto je primenjeni napon
ofset napon operacionog pojaavaa, struja mraka se može zanemariti, pa sledi da je:
in=ij=(4kTB/RSH)
Predrag Kolarž Diplomski rad
40
gde je: k - Bolcmanova konstanta, T - apsolutna temperatura fotodiode, B - opseg šuma.
Donja granica osetljivosti za fotodiodu se obino izražava kao intenzitet upadne
svetlosti potreban da bi ona generisala struju jednaku struji šuma, što predstavlja ekvivalentnu
snagu šuma (NEP)
NEP=im/S [W/Hz1/2],
gde je: in - šum, S - pik osetljivosti zraenja.
9.1.5. Brzina odziva
Brzina odziva fotodiode je mera vremena potrebnog da bi akumulisano punjenje postalo
spoljnja struja i uopšte se izražava kao vreme odziva tr, što predstavlja vreme potrebno za
odziv 10% do 90% normalne izlazne vrednosti. Definisano je sledeim faktorima:
vremenskom konstantom τ1, koja je definisana krajnjim kapacitetom fotodiode Ct i
ulaznm otpornošu RL
τ2 vremnom stvaranja nosilaca generisanih van osiromašenog sloja
Grafik 8. Primer talasnog oblika fotodiodnog odziva (Selection guide, "Hamamatsu").
9.1.6. Temperaturne karakteristike
Varijacije temperature okoline jako pogaaju osetljivost fotodiode i struju mraka.
Razlog ove zavisnosti je taj što je koeficijent apsorpcije svetlosti povezan sa temperaturom.
Za duže talasne dužine osetljivost raste sa porastom temperature, i ovaj rast postaje znaajan
na talasnim dužinama veim od od talasne dužine pika. Za krae talasne dužine on opada.
Pošto su ultravioletne diode konstruisane tako da imaju nisku apsorpciju na nižim talasnim
dužinama, temperaturski koeficijent je ekstremno mali za talasne dužine krae od pika talasne
dužine.
τ >>τ1 2
τ <<τ1 2
Predrag Kolarž Diplomski rad
41
Grafik 9. Primer karakteristike zavisnosti odziva silicijumske diode od temperature
(Selection guide, "Hamamatsu").
9.1.7. Rad sa operacionim pojaavaima
Struja pobude: s obzirom na to da stvarna ulazna impendanca nije konana, postoji neka
struja pobuenja koja ulazi u krajeve pojaavaa ili izlazi iz njih. Ovo može rezultirati
greškom koja zavisi od veliine detektovane struje.
Kao što je sluaj sa ofset naponom, naponska greška koja nastaje zbog struje pobude
može se regulisati potenciometrom vezanim za krajeve za podešavanje ofseta. Štaviše, curenje
struje na štampanoj ploi može biti vee nego struja pobude operacionog pojaivaa. Mora se
obratiti posebna pažnja na arhitekturu i dizajn kola i njegovih delova. Takoe je važan i izbor
kvaliteta i karakteristika operacionog pojaavaa.
9.1.8. Pouzdanost
Ako se koristi unutar odreenih operativnih odnosa, fotodioda nee pokazati bitan
gubitak osetljivosti. Gubitak osetljivosti može esto biti pripisan pakovanju, voenju ili lošem
filteru. Curenje pakovanja na visokim temperaturama i vlazi, naroito esto prouzrokuju
slabljenje otpota šanta. Zbog toga keramika pakovanja fotodioda imaju ogranienje na
temperaturu i vlažnost. Fotodiode sa filterima su esto pogoene prisustvom otprora filtera
zbog okolnih uslova. Svi ovi faktori se moraju uzimati u obzir pri odabiranju i korišenju
fotodioda.
Predrag Kolarž Diplomski rad
42
9.2. Pojaavaka elektronika sa napajanjem
Pojaava sadrži: silicijumsku UV fotodiodu proizvoaa "Hamamatsu", oznake S1337-
16QB sa keramikim kuištem, trim potenciometar od 10 KΩ za podešavanje "offseta"
operacionog pojaavaa, višeobrtni trim potenciometar od 1 KΩ za podešavanje struje mraka i
kondenzator koji odreuje vreme integracije signala iz fotodiode. Konstanta integracije služi
za spreavanje visoko-frekventnih oscilacija i formira niskopropusni filter sa vremenskom
konstantom vrednosti: CfxRf. Struja mraka je šum koji se javlja kada fotodioda nije izložena
zraenju i ona predstavlja najvei problem celog ureaja, jer varira sa vremenom. Te
varijacije nastaju zbog promena temperature, vlage itd. Da bi postigli stabilan rad operacionog
pojaava, napon smo stabilisali sa stabiliatorima: LM79L12 i LM78L12. Oni se nalaze u
okviru same elektronike koja se nalazi unutar tubusa zajedno sa UV fotodiodom, da bi se
izbegle eventualne smetnje na vodovima. Kao novina u odnosu na prethodni model meraa
UV zraenja, radi poveanja stabilnosti, korišena je referentna dioda LT1009. To je
naponska referentna dioda visokih performansi koju karakteriše garantovana temperaturna
stabilnost (opseg radne temperature je od -55 oC do 125 oC) i veliki operativni strujni opseg.
Šema 3. Pojaavaka elektronika sa stabilisanim naponom.
Kao operacioni pojaava za probna merenja korišeno je kolo sa FET (tranzistor sa
efektom polja) ulazima LF 13741. Ovaj operacioni pojaava je vee stabilnosti, zbog
izuzetno velike (5⋅1011 Ω) ulazne, a male izlazne impedance i koja je opšta karakteristika FET
operacionih pojaavaa. Otpor povratne sprege (10 MΩ) je odreen strujom signala diode i
željenim izlaznim naponom, koji je podešen tako da, kada se stavi teflonski difuzor, signal
Predrag Kolarž Diplomski rad
43
bude od 0 do 1 V.
Ispravlja za napajanje operacionog pojaavaa: (12 V DC ) sadrži: transformator (2 x
15 V), 4 diode, dva elektrolita (1000 µF, 25 V), 2 stabilizatora od 12 V, 2 tantala (1 µF).
Šema 4. Konfiguracija pinova operacionih pojaavaa 13741 i referentne diode
LT1009.
Kao merni instrument naponskog signala može da se koristi digitalni voltmetar ili
osciloskop. Pri spoljašnjim merenjima treba koristiti temperaturno stabilisani voltmetar.
10. Ispitivanje karakteristika meraa UV zraenja
Da bismo odredili karakteristiku meraa UV zraenja, t.j. da bi smo mogli da odredimo
snagu upadnog zraenja, koje pri prolasku kroz kvarcni filter pada na površinu diode, kao
izvor smo iskoristili standardnu lampu koja je sekundarni standard u oblasti pirometrije. To je
standardna volframska lampa sa trakom: OSRAM Wi 17/G, N0 897. Lampa je specijalnog
oblika da bi se eliminisala reflektovana svetlost, a na prednjoj strani lampe nalazi se prozor od
optikog kvarca koji propušta oko 80 % zraenja u intervalu od 200 nm do 2500 nm.
Temperatura sjaja volframove lampe, odnosno trake, zavisi od jaine struje koja prolazi kroz
nju. Podatak zavisnosti temperature sjaja TS od struje grejanja dobili smo kalibracijom u
odnosu na primarni etalon. Lampa se napaja strujnim izvodom "HARRISON 6282 A DC
POWER SUPPLY" koji je izuzetno stabilan (0.1 %), a struja je kontrolisana merenjem pada
napona pomou digitalnog voltmetra koji je redno vezan sa lampom. Korišeni etalonski
otpornik izraen je od mangana. Negova vrednost na temperaturi T=20 0C, iznosi R=0.09985
Ω sa greškom ±0.02 %.
Predrag Kolarž Diplomski rad
44
Plankov zakon nam daje vezu izmeu spektralne radijancije i temperature:
N(λ,T)=C1⋅[λ5⋅(exp(C2/λ⋅T)-1)]-1
gde je: C1=2⋅h⋅c/Ω0=1.1919 10-16 Wm2/Sr
prva, a:
C2=h⋅c⋅N0/R0=1.4388 10-2 mK
druga radijaciona konstanta, koje se definišu atomskim konstantama.
N(λ,T)=C1/λ5⋅exp(C2/λ⋅T)-1
gde je:
C1=2h⋅c/Ω0=1.1919 10-16 Wm2/sr prva,
C2=hcN0/R0=1.4388 10-2 mK druga radijaciona konstanta, a
h=6.625 10-34J⋅s - Plankova konstanta,
c=2.997 108 m/s - brzina svetlosti,
k=1.38 10-23 J/K - Bolcmanova konstanta
N0=6.02⋅1023 mol-1 - Avogadrov broj
Ω0=1 steradijan - jedinini prostorni ugao
R0=8.314 J/mol⋅K - univerzalna gasna konstanta
Veza izmeu spektralne radijancije proizvoljnog tela na temperaturi T i spektralne
radijancije crnog tela na istoj temperaturi, data je preko koeficijenata emisivnosti ε(T,λ), koji
predstavlja odnos izmeu radijancije crnog tela NC(T,λ) i radijancije stvarnog tela NS(T,λ).
NS(T,λ)= ε(T,λ)⋅NC(T,λ)
Koeficijent emisivnosti je bezdimenziona veliina sa vrednošu izmeu 0 i 1.
Zavisnost temperature sjaja TS volframske lampe OSRAM Wi 17/g, N0 897, od struje
grejanja volframske trake data je relacijom polinoma etvrtog stepena:
TS=-3571.41924+1754.5543⋅I-236.53382⋅I2+15.2472⋅I3-0.37155⋅I4
Odreivanje spektralne radijancije volframske trake na temperaturi TW, i talasnoj dužini
λ, vrši se preko relacije koja je poznata kao Kirhofov zakon;
NW(TW,λ)=ε (TW,λ)⋅NC(TW,λ)
ε (TW,λ) - emisivnost volframa data u tablicama De Vosa
NC(TW,λ) - spektralna radijancija crnog tela data prema Plankovom zakonu
TW - prava temperatura volframske trake
Temperatura volframske trake TW odreuje se preko temperature sjaja TS. Temperatura
sjaja (TS) je temperatura koju bi imalo ono crno telo koje ima istu spektralnu radijanciju kao i
volframska traka na temperaturi TW i talasnoj dužini od 900 nm.
Predrag Kolarž Diplomski rad
45
NS(TS,900)= ε(TW,900)⋅NC(TW,900)
Temperatura TW se izraunava korišenjem tablica zraenja crnog tela i podataka o
emisivnosti volframa metodom iteracije, a zatim se odreuje spektralna radijancija
volframove lampe na datoj temperaturi TW za proizvoljnu talasnu dužinu λ..
Predrag Kolarž Diplomski rad
46
Šema 5. Optika šema aparature za kalibraciju UV meraa.
Predrag Kolarž Diplomski rad
47
10.1. Optika aparatura
Mera UV zraenja je zajedno sa standardnom lampom i kvarcnim soivom postavljen
na optiku klupu. Pošto je žižna daljina kvacnog soiva koje preslikava volframsku nit u
odnosu 1:1 na površinu fotodiode f=15 cm, kvarcno soivo je postavljeno na 30 cm rastojanja
od površine fotodiode, sa jedne, i volframske trake standardne lampe sa druge strane. sloja
volframske trake je 2 mm).
površina koju osvetlljava standardna lampa jednaka Projekcija lika koji pada na
osetljivu površinu fotodiode je nomalan na nju, tako da je 2 mm2 (širina fotodiode je 1.1 mm,
a širina emisionog sloja volframske trake je 2 mm.
11. Rezultati merenja i njihova obrada
U cilju dobijanja intenziteta zraenja pojedininoj površini i jedininom uglu prvo
smo izraunali temperaturu sjaja TS, zatim smo iz Plankovog zakona izraunali spektralnu
radijanciju na temperaturi sjaja TS za talasnu dužinu od 900 nm (zato što je standardna lampa
kalibrisana na 900 nm) Za datu temperaturu sjaja TS, iz tablica De Vosa smo dobili spektralnu
emisivnost za talasnu dužinu od 900 nm. Zatim smo spektralnu radijanciju stvarnog tela našli
iz:
NS(TW,900) = NC(TS,900)/ε(TW,900)
Za dato NS smo iz tablica zraenja crnog tela ("Tabels of Blackbody Radiation
Function, Mc Milan Co, New York, 1961" M. Pivovonsky, M. Nagel) dobili smo stvarnu
temperaturu volframske niti TW. Za datu talasnu dužinu filtera i za dato TW izraunali smo
spektralnu emisivnost volframa za svaki filter ponaosob.
Efektivni prostorni ugao Ωe odredili smo odnosom efektivne površine soiva i
kvadratom rastojanja od soiva do izvora:
Ω=r2π/S2=π(0.019)2/(0.30)2=0.01260128 st
Karakteristike filtera su snimljene u Laboratoriji za ispitivanje materijala prof dr
Milene Napijalo. Pomou zavisnosti transmitivnosti filtera od talasne dužine koju smo, za
Predrag Kolarž Diplomski rad
48
svaki filter ponaosob, dobili u obliku krive na grafiku, koristei funkciju krive Gausove
raspodele, odredili smo intenzitet zraenja koje pada na površinu diode (2.2 mm2).
)x(f2
xx,e2
1)x(f 2
2
2)xx(
⋅π⋅=σ
=⋅π⋅σ
= σ⋅−−
,
gde je:
σ - standardna devijacija,
f(x) - nalazimo kao maksimum krive karakteristike filtera
Grafik 10. Karakteristike filtera, zavisnost transparantnosti filtera (%) od talasne
dužine, za dva širokopojasna filtera i dva interferentna filtera od 320 nm i 370 nm.
Intenzitete zraenja dobili smo iz jednaine:
λ⋅λ⋅λε⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅π= d)T,(N)T,(TpS
)f2(r
I WCW
b
aF2
2
gde je:
f=150 mm - žižna daljina
S=2.2 mm2 - površina diode koju osvetljava standardna lampa
p=0.85 - transmitivnost kvarcnog soiva
a,b - opseg talasnih dužina koje obuhvata filter koji koristimo
TW - iz tabele br. 7, ε(λ,TW) - tabela br. 7
NC(λ,TW) - tabela br.7
Predrag Kolarž Diplomski rad
49
( ) λλ⋅
⋅σ
⋅ε⋅⋅⋅⋅⋅=ε−
⋅λ
−σ
γ−λ−
d
e
Ce
192.0102.29.00126.0b,a,t,,TI
1T
01438.0
512
)(b
a
6
W
2
2
Jednainu smo rešavali pomou programa "MathCad" menjajui samo promenljive u
zagradi: T - temperatura sjaja, ε - emisivnost, t - transmitivnost filtera, a,b - granine talasne
dužine filtera
Tabela 6. Izlazni naponi i intenziteti zraenja za dva uskopojasna (320 nm, 370 nm) i širokopojasni filter (310-370 nm).
I [A] 320 [mV] 370 [mV] BB2 [mV] 10 0.93 599.1 29.38 11 2.8 968.5 88.53 12 8.56 1464 233.4 13 22.45 2103 547.5
13.5 34.6 2469 813.2 14 48.05 2894 1168
14.5 73.3 3341 1655 15 1703.3 3910 2299
15.5 146 4475 3130 16 200.8 5231 4220
Tabela 7. Temperatura sjaja TS[K], spektralna radijancija crnog tela NC(TS,900), emisivnost na (TW,900), radijancija stvarnog tela NS(TW,900), stvarna temperatura
volframske niti TW[K], intenziteti zraenja za filtere [320, 370, broad band]. Ts [K] Nc (λ,T) Nc (λ,T) ε (Tσ,900) Ns (Tw,900) Tw [K] I [320] I [370] I [BB] 1830 3.245 3.25E+10 0.394 8.236E+10 2047 0.00212 0.01694 0.02043 1937 5.257 5.26E+10 0.391 1.345E+11 2184 0.0083 0.05517 0.09713 2033 7.764 7.76E+10 0.389 1.996E+11 2309 0.0251 0.14353 0.19612 2124 10.876 1.09E+11 0.386 2.818E+11 2430 0.065 0.32875 0.47278 2167 12.629 1.26E+11 0.386 3.272E+11 2486.5 0.099 0.4725 0.69506 2209 14.532 1.45E+11 0.385 3.775E+11 2543 0.148 0.66656 1.00219 2250 16.582 1.66E+11 0.384 4.318E+11 2598.5 0.215 0.92095 1.41378 2290 18.775 1.88E+11 0.383 4.902E+11 2653 0.305 1.24834 1.95464 2331 21.231 2.12E+11 0.382 5.558E+11 2709 0.431 1.68468 2.69035 2370 23.77 2.38E+11 0.381 6.239E+11 2763.5 0.596 2.22885 3.62614
Predrag Kolarž Diplomski rad
50
020406080
100120140160180200220
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6I [W/m2 ]
U [m
V]
G rafik 11. Zavisnost naponskog signala fotodiode od snage zraenja standardne lampe za interferentni filter od 320 nm
0500
10001500200025003000350040004500
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4I [W/m2 ]
U [m
V]
Grafik 12. Zavisnost naponskog signala fotodiode od snage zraenja standardne lampe za širokopojasni filter BB2
12. Zakljuak
Tema specijalistikog rada je projektovanje, izrada i ispitivanje karakteristika meraa
UV zraenja. Mera UV zraenja je projektovan kao mera UV zraenja sa fotodiodom. Za
razliku od ostalih meraa UV zraenja sa fotodiodom elektronika pojaavaa signala iz
Predrag Kolarž Diplomski rad
51
fotodiode integrisana je u samo kuište što ga ini neosetljivim na spoljašnje smetnje, što je
važno ukoliko se ima u vidu da je signal iz fotodiode jako mali, pa zahteva veliko pojaanje.
Za razliku od prethodnih ispitivanja struja koja je propuštana kroz standardnu lampu
bila je skoro 50 % vea (16 A), a samim tim i zraenje u UV oblasti tako da su dobijene
vrednosti približne sunevom zraenju u atmosferskim uslovima.
Filteri koji su korišeni u merenjima pokazali su veliku linearnost u radu. Filteri od
320 nm (uskopojasni), BB1 (širokopojasni od 330 do 370 nm), a filter od 370 nm se pokazao
kao izuzetno nelinearan. To je najverovatnije zato što nije snimljen u celom spektru, pa se ne
vidi da još negde propušta neke druge talasne dužine, koje sadrži spektar standardne lampe,
koje tu nelinearnost izazivaju.
Pri merenju sunevog zraenja u atmosferskim uslovima neophodno je korišenje
teflonskog difuzora, ije je ispitivanje pokazalo da on prigušuje zraenje oko 30 % što izlazni
naponski signal svodi na vrednost od 0 do 1 V. Ukoliko se merenje vrši bez difuzora (direktno
UV zraenje) dolazi do zasienja diode, pa je merenje onemogueno.
U sluaju da je mereni naponski signal vei od maksimalne vrednosti na grafiku,
vrednost intenziteta zraenja je mogue dobiti aproksimativno, s obzirom da je grafik
linearan.
Rezultati koje smo dobili pomou meraa UV zraenja su se pokazali kao jako dobri
ne samo u pogledu linearnoasti izlaznog signala sa poveanjem intenziteta zraenja nego i u
pogledu malih odstupanja pojaavaa od nule tkzv. struje mraka (±0.05 mV) što inae
predstavlja najvei problem ureaja ovoga tipa.
Jedna od primena meraa bila je za vreme deliminog pomraenja Sunca 1999. godine
nad Beogradom kada je korišen za rad: "Komparativno posmatranje promena sunevog
zraenja pre i za vreme pomraenja Sunca", koji je objavljen na XII Nacionalnoj konferenciji
astronoma održanoj u Beogradu, a u ovom radu objavljen u Prilogu u skraenoj verziji .
Predrag Kolarž Diplomski rad
52
13. Prilog
Komparativno posmatranje promena Sunevog zraenja pre i za vreme pomraenja Sunca
Tema istraživanja bila je merenje fizikih parametara koji karakterišu Sunevo zraenje
(temperatura, pritisak, vlažnost vazduha, direktno Sunevo zraenje i UV zraenje Sunca na
podruju Beograda) sa ciljem komparacije vrednosti datih parametara za pojavu pomraenja
Sunca sa vrednostima za zraenje nezaklonjenog Sunca u uslovima istog neba. Merenja su
vršena dana 10. i 11.08.1999. godine na klimatološkoj stanici Saveznog hidrometeorološkog
zavoda "Zeleno brdo" u Beogradu (geografska širina 44032', geografska dužina 20032',
nadmorska visina 243 mnm).
Na podruju Beograda pomraenje je poelo u 11:32:54, a maksimum (97.7%) je
dostiglo u 12:56:23. Pomraenje je završeno u 14:19:54, a trajalo je 2 h 49 min.
Istovremeno su vršena merenja direktnog, UV Sunevog zraenja i ostalih navedenih
meteoroloških parametara (temperatura, pritisak i vlažnost vazduha). Oblano nebo i kiša pre
poetka pomraenja onemoguili su merenja komponenti Sunevog zraenja na poetku
pomraenja, da bi se tek pred kraj pomraenja vreme razvedrilo i omoguilo preciznija
merenja. (napomena: merenje Sunevog zraenja ima smisla samo u uslovima vedrog neba).
Vrednost vazdušnog pritiska za vreme merenja: 986±0.5 hPa mereno staninim
barometrom.
Na graficima su prikazane promene temperature i vlažnosti vazduha, kao i promene
direktnog i UV Sunevog zraenja pre i za vreme pomraenja Sunca. Merenja su vršena
pomou: pirheliometra (subetalon za merenje direktne komponente Sunevog zraenja)
"Linke Feussner" G1033, meraa UV zraenja, staninog termografa, barometra i higrografa.
Zbog prodora hladnog fronta i vremenske nestabilnosti tamperaturska varijacija nije bila
kao što se oekivalo, iako je skretanje sa uzlazne putanje dnevnog porasta temperature
oigledno, za oko 2 oC. Slino temperaturi, vlažnost vazduha se poveala samo za nekoliko
procenata, verovatno zbog kratkotrajnosti dogaaja, inertnosti vlage kao i loših vremenskih
uslova tokom merenja.
Predrag Kolarž Diplomski rad
53
21.5
22
22.5
23
23.5
24
24.5
25
25.5
26
26.5
9:36 10:04 10:33 11:02 11:31 12:00 12:28 12:57 13:26 13:55 14:24 14:52 15:21 15:50 16:19vreme
tem
pera
tura
(C)
70
72
74
76
78
80
82
84
86
88
10:30 10:51 11:13 11:34 11:56 12:18 12:39 13:01 13:22 13:44 14:06 14:27 14:49 15:10vreme
vla`
nost
(%)
Grafik I. Temperatura merena dana
11.08.1999. godine na stanici Zeleno brdo. Grafik II. Vlažnost merena dana 11.08.1999.
godine na stanici Zeleno brdo.
400
450
500
550
600
650
700
11:02 11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 13:40 13:55
vreme
snag
a di
rekt
nog
Sun
~evo
g zr
a~en
ja (W
/m2)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
10:33 10:59 11:25 11:51 12:17 12:43 13:09 13:35 14:00 14:26 14:52
vreme
snag
a di
rekt
nog
Sun
~evo
g zr
a~en
ja (W
/m2)
Grafik III. Snaga direktnog Sunevog
zraenja merena dana 11.08.199. godine na stanici Zeleno brdo.
Grafik IV. Snaga direktnog Sunevog zraenja merena dana 10.08.1999. godine na
stanici Zeleno brdo.
1.161.181.2
1.221.241.261.281.3
1.321.341.361.38
11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12 13:26 13:40 13:55vreme
napo
n (V
)
00.150.3
0.450.6
0.750.9
1.051.2
1.351.5
1.65
11:16 11:34 11:51 12:08 12:25 12:43 13:00 13:17 13:35 13:52 14:09 14:26vreme
napo
n [V
]
Grafik V. UV Sunevo zraenje izraženo u Voltima mereno 10.08.1999. godine na
stanici Zeleno brdo.
Grafik VI. UV Sunevo zraenje izraženo u Voltimab mereno 11.08.1999. godine na
stanici Zeleno brdo.
Sa grafika IV i VI se jasno može videti da su opadanje intenziteta UV zraenja i
intenziteta direktnog Sunevog zraenja, pad temperature i porast vlažnosti bili simultani sa
stepenom pomraenja Sunca, dok na graficima III i V vidimo kako se ti parametri menjaju
tokom vedrog, sunanog dana.
Intenzitet UV zraenja opada malo sporije nego intenzitet direktnog Sunevog zraenja,
ali oni istovremeno dostižu minimum u trenutku najveeg stepena zaklonjenosti Sunca
Mesecom. Takoe, lokalni pikovi UV zraenja, nastali zbog velike oblanosti, su manji od
Predrag Kolarž Diplomski rad
54
lokalnih pikova direktnog Sunevog zraenja. Ove pojave se mogu objasniti na sledei nain:
fluks globalnog UV Sunevog zraenja se sastoji od dve komponente: fluksa direktnog
Sunevog zraenja i fluksa difuznog Sunevog zraenja. Tokom dana difuzna komponenta
UV zraenja nadmašuje direktnu komponentu u zavisnosti od visine Sunca i atmosferske
zamuenosti. Analizom maksimuma posle pomraenja na grafiku IV i dnevnog maksimuma
dan pre pomraenja na grafiku III, vidimo da je optika zamuenost na dan pomraenja manja
nego prethodnog dana, pa je i intenzitet direktnog Sunevog zraenja vei.
Astronomski prorauni pokazuju da je stepen zaklonjenosti Sunca Mesecom bio 97.7
%, ali na žalost, pomou fizikih parametara koji su dobijeni merenjima, možemo samo da
zakljuimo da je pomraenje na podruju Beograda bilo skoro potpuno, ali ne i koliko. Da su
vremenski uslovi bili idealni (nebo bez oblaka, mala optika zamuenost..) stepen
zaklonjenosti Sunca bi verovatno mogao biti precizno procenjen na osnovu izmerenih
parametara Sunevog zraenja.
Predrag Kolarž Diplomski rad
55
14. Litratura:
(1) Kinsell, C., 1975, Solar and Terrestrial Radiation, Academic Press, New York, 1975
(2) ENCYCLOPEDIA BRITANNICA, 1997.
(3) Miovi, V., 1997, Ona traumatologija, Beograd.
(4) Pathak, M. and Fitzpatric, T., 1993, Dermatology in general medicine, Vol. 1(2),
ch.137,: "Preventive Treatment of Sunburn Dermatoheliosis, and Skin Cancer with Sun
Protective Agents", McGraw Hill.
(5) Internet sajt: Institute of Medical Physics University of Veterinary Medicine Vienna.
(6) WMO (World Meteorological Organisation), 1992, WMO and the Ozone Issue,
Geneva.
(7) WMO (World Meteorological Organisation), 1996, GUIDE to Meteorological
Instruments and Methods of Observation, No6, Geneva.
(8) Centre for Atmospheric Science, 1998, Ozone, Cambridge University, UK (skinuto sa
sajta WMO).
(9) WMO (World Meteorological Organisation), 1999, THE FIFTH WMO LONG - TERM
PLAN (2000 - 2009).
(10) Kohler, U., Vandersee, W., Winkler, P., Gantner L., 1998,: Spectral and Integral
Observations of UV-B Radiation and Ozone Measurements, Deutscher Wetterdienst, 1998.
(11) Pivovonsky, M. and Nagel, M., 1961, Tabels of Blackbody Radiation Function, New
York, 1961.