Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Fizyczne podstawy badań środowiska Wykład II Krzysztof M. Markowicz.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Fizyczne podstawy badań środowiska Wykład II Krzysztof M. Markowicz."— Zapis prezentacji:

1 Fizyczne podstawy badań środowiska Wykład II Krzysztof M. Markowicz

2 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Pomiary promieniowania Terminy WMO (World Meteorological Organization) Radiometr – przyrząd do pomiaru promieniowania. Promieniowanie krótkofalowe (słoneczne) <4  m obejmuje promieniowanie ultrafioletowe <0.4  m widzialne 0.4< <0.7  m bliska i środkowa podczerwień 0.7< <4  m Promieniowanie długofalowe (ziemskie) 5< <50  m

3 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Podział promieniowania słonecznego Promieniowanie bezpośrednie – promieniowanie pochodzące z obszaru tarczy słonecznej mierzone na powierzchni prostopadłej do kierunku jego propagacji. Promieniowanie bezpośrednie dochodzące do powierzchni ziemi stanowi część promieniowania, która przeszła przez atmosferę bez oddziaływania lub została rozproszona dokładnie w kierunku do przodu. Promieniowanie rozproszone –promieniowanie pochodzące z obszaru całego nieba i związane jest z procesami rozpraszania w atmosferze. Promieniowanie całkowite –suma promieniowania bezpośredniego oraz rozproszonego.

4 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Podstawowe wielkości radiacyjne Radiancja- ilość energii mierzonej w określonym kierunku w jednostce czasu dt na jednostkę powierzchni poziomej dA, kąta bryłowego d  oraz w wąskim przedziale spektralnym d. Strumień promieniowania- ilość energii na jednostkę czasu przechodzącej przez jednostkową powierzchni dA dla wąskiego przedziału spektralnego d promieniowania elektromagnetycznego. I( ,  ) detektor dyfuzor  d 

5 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Stała słoneczna – natężenie promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery padającego na jednostkowa powierzchnie ustawiona prostopadle do padania promieniowania. Wynosi ona 1368 Wm 2 i zmienia się  3.3% w ciągu roku. Uśredniona po całym globie wartość stałej słonecznej wynosi 342 Wm 2. Maksimum energii promieniowania słonecznego przypada zgodnie z prawem przesunięć Wien’a na długość fali około 0.55  m (światło zielone) 38% promieniowania słonecznego przypada na obszar widzialny, 9% na promieniowanie UV oraz 53% na bliska podczerwień.

6 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Promieniowanie ziemskie (podczerwone) określone jest przez temperaturę powierzchni ziemi i w przypadku ciała doskonale czarnego wynosi zgodnie z prawem Stefana Boltzmanna F=  T 4, gdzie  jest stała Stefana Boltzmanna i wynosi 5.67x Odstępstwo powierzchni ziemi od modelu ciała doskonale czarnego definiuje się przez zdolność emisyjna  ). Jeśli zdolność emisyjna nie zależy od długości fali (ciało doskonale szare) wówczas wzór S. Boltzmanna przyjmuje postać F =   T 4. Średnia wartość zmienności emisyjnej powierzchni Ziemi zmienia się w przedziale dla promieniowania długofalowego.

7 4/22/2015 Krzysztof Markowicz czujnikiem jest tu termopara której jeden koniec jest poczerniony a drugi połączony jest z obudową czułość przyrządu wynosi około 10  V/Wm -2 stała czasowa około 10 s. Pomiar promieniowania słonecznego całkowitego przy użyciu Pyranometeru. Pomiary względne

8 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Pomiar promieniowania na płaszczyźnie prostopadłej do Słońca. Pyrheliometr umieszcza się na specjalnym urządzeniu (sun tracker) które podąża za słońcem umożliwiając w ten sposób ustawienie przyrządu w kierunku tarczy słońca. Pomiar absolutny dokonuje się przy użyciu pyrheliometru Angstrema. Przyrząd ten zbudowany jest z dwóch wyczernionymi czujnikami bolometrycznymi, których temperatury porównywane są za pomocą termopary. Wyrównanie temperatur wstążki ogrzewanej słońcem i prądem elektrycznym pozwala zapisać: S=KI 2 gdzie: K - stała przyrządu, I - natężenie prądu grzejącego czujnik zacieniony. Pomiar promieniowania bezpośredniego – pyrheliometr. Pomiary bezwzględne

9 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Pyrheliometr Abota (pomiar temperatury przepływającej przez przyrząd wody) Pyrheliometr mechaniczny – pyranograf. Służy do rejestracji natężenie promieniowania wykorzystując bimetal z jednym końcem poczernionym a drugim białym odbijającym promieniowanie

10 4/22/2015 Krzysztof Markowicz

11 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Pomiar promieniowania rozproszonego Pomiar wykonywany przy użyciu pyranometru zainstalowanego w środku pierścienia który rzuca cień na detektor przyrządu lub umieszcza się go na sun trackerze.

12 4/22/2015 Krzysztof Markowicz

13 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Pomiar promieniowania długofalowego - pyrgeometry Odcięcie fal krótkich możliwe jest po zasłonięciu czujników czarną folią polietylenową lub specjalną kopułą krzemową z napylonym od wewnątrz filtrem interferencyjnym.

14 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Fundamentalne równanie pyrgeometru R = Af Vac +  Tsensor 4 + Bf  ( Tsensor 4 – Tdome 4 ) (1)(2) (3) (4)(5) (1) Padające na pyrgeometr promieniowanie długofalowe (2) Promieniowanie Netto (3) Emitowane przez pyrgeometr promieniowanie długofalowe (4) i (5) czynnik związany z różnicą temperatury czarnej termopary oraz obudowy (kopuła) Vac – napięcie na termoparze wynikająca z różnicy temperatur pomiędzy ciałem czarnym (termopara) a jej chłodnym końcem na kopule pyrgeometru. Tsensor – temperatura radiacyjna termopary detektora Tdome – temperatura radiacyjna kopuły  = 5.67x10 -8 Wm -2 K -4 (Stefan-Boltzmann constant), Af – czułość termopary (sensitivity Wm -2 per microvolt) Bf – stosunek zdolności emisyjnej do transmisji kopuły pyrgeometru

15 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Albedomierz – pomiar albeda powierzchni ziemi

16 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Bilansomierze pomiar bilansu promieniowania słonecznego oraz ziemskiego

17 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Pomiar spektralny promieniowania bezpośredniego – Sun Fotometry Detektor: spektrometry, fotodiody krzemowe z filtrami interferencyjnymi Zakres spektralny: nm Stosuje się do pomiaru ozonu, pary wodnej oraz aerozolu atmosferycznego

18 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Spektrofotometr Dobsona Pomiar promieniowania UV oraz całkowitej zawartość ozonu w pionowej atmosferze

19 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Pomiar promieniowania na 2 długościach fal ( 1, 2 ) w obszarze UV gdzie 1 długość fali dla której promieniowanie jest silnie pochłaniane przez ozon 2 długość fali poza pasmem absorpcyjnym

20 4/22/2015 Krzysztof Markowicz DOBSON Jednostką używaną do określenia całkowitej zawartości ozonu w atmosferze jest Dobson (1 Dobson [DU]= 0.01mm O3, warunki normalne: 1013hPa, 0 o C) Odpowiada on grubość ozonu jaka otrzymamy po sprężeniu ozonu do ciśnienia panującego przy powierzchni ziemi i wynosi około 300 DU

21 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Robertson-Berger pomiar UVB ( m) luminofor zielony filtr fotopowielacz Filtr przepuszczający UV Promieniowanie erytemalne- promieniowanie z przedziału ( m) Powoduje opalanie skory oraz powstawanie witaminy B

22 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Spektrofotometr Brewer’a Pomiar bezpośredniego promieniowania słonecznego przez tracking słońca Specification Accuracy ±1 % ( For Direct-sun total ozone) Resolution 0.6 nm at 302.2, 302.3, 310.1, 313.5, 316.8, nm Wavelength Stability ± 0.01 nm (Over operating temperature) Wavelength Precision ± nm step-1 Wavelength Range to 363 nm Detector Low Noise Photo Mulitplier Tube (PMT) Azimuth Tracking resolution, 0.02º step-1 Zenith Tracking resolution, 0.13º step-1 Operating Temprature 0 ºC to +40 ºC (Without Insultated Cold Cover Option)

23 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Nasłonecznienie- czas operacji Słońca- Heliograf

24 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Obserwatorium wysokogórskie Mauna Loa na Hawajach Kalibracje radiometrów oraz pomiary stałej słonecznej

25 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Bilans promieniowania na górnej granicy atmosfery (100 km) B=S o -AS o -F OLR Gdzie S o – Stała słoneczna A – albedo planetarne F OLR - długofalowe promieniowanie ziemskie uciekające w przestrzeń kosmiczna =0 ze względu na równowagę radiacyjna

26 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Bilans promieniowania na powierzchni Ziemi B=S+D+F a -(R z +F z ) Gdzie S - krótkofalowe promieniowanie bezpośrednie docierające do powierzchni ziemi D – krótkofalowe promieniowanie rozproszone R z - krótkofalowe promieniowanie odbite od powierzchni ziemi. R z =A z (S+D) A z - albedo powierzchni ziemi F z – długofalowe promieniowanie ziemskie F a - długofalowe promieniowanie zwrotne atmosfery F z -F a – nosi nazwę promieniowania efektywnego  0 gdyż nie są to bilans energii a jedynie promieniowania

27 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Bilans promieniowania i energii w atmosferze

28 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Pomiary budżetu energetycznego na szczycie atmosfery- The Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) Pomiary przychodzącego oraz odbijanego przez Ziemie promieniowania słonecznego oraz wychodzącego z atmosfery promieniowania ziemskiego (OLR) ERBE instrument na satelitach NOAA 9 (1984) oraz NOAA 10 (1986) CERES udoskonalony następca ERBE na satelitach TRMM (1997) oraz TERRA (1999) oraz AQUA (2002)

29 4/22/2015 Krzysztof Markowicz OLR Albedo

30 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Teledetekcja satelitarna W satelitarnych pomiarach zdalnych wykorzystuje się pomiary widma promieniowania wychodzącego z atmosfery. Jeśli przez S oznaczymy sygnał rejestrowany przez detektor na satelicie, T opisuje obiekt w atmosferze to zachodzi związek S=F(T), gdzie F jest funkcją określoną przez procesy radiacyjne w atmosferze oraz na powierzchni ziemi. W metodach teledetekcyjnych poszukujemy funkcji F -1 która opisuje nam własności obiektu czy też samej atmosfery T=F -1 (S). Zagadnienie to nosi nazwę problemu odwrotnego i większości przypadków funkcji F -1 nie można jednoznacznie wyznaczyć.

31 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Aktywna i pasywna teledetekcja

32 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Rodzaje satelitów meteorologicznych Geostacjonarne Polarne Meteorologiczne satelity geostacjonarne (METEOSAT, GOES,INSAT) znajdują się nad równikiem dlatego najlepiej widoczne są przez nie obszary ziemi do 45 równoleżnika. Ich ogromną zaletą jest to że nieprzerwanie umożliwiają obserwacje atmosfery nad zadanym punktem. Wada tego typu rozwiązania jest to że potrzeba ich wiele aby pokryć całą powierzchnie ziemi.

33 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Satelity polarne (np. NOAA 14,17, MODIS) umożliwiają obserwacje również w wyższych szerokościach geograficznych. Ich olbrzymia zaleta jest fakt, ze jeden satelita zdolny jest do pomiarów całej powierzchni ziemi jednak w różnych momentach czasu. Satelita wykonuje dwa przyloty nad danym rejonem w ciągu doby a zatem nie umożliwia ciągłych pomiarów jak w przypadku satelity geostacjonarnego.

34 4/22/2015 Krzysztof Markowicz

35 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Typy skanów wykonywanych przez detektory umieszczonych na satelitach polarnych

36 MODIS na AQUA

37 4/22/2015 Krzysztof Markowicz CERES na TERRA

38 4/22/2015 Krzysztof Markowicz MISR

39 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Chmury METEOSAT 7 VIS IR Na zdjęciu IR chmury jaśniejsze odpowiadają niższej temperaturze a więc wyższej wysokości

40 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Temperatura powierzchni (SST) Mierzona na podstawie pomiarów promieniowania podczerwonego Ziemi (w oknie atmosferycznym) – teledetekcja pasywna ale również w obszarze mikrofalowym SR (Scanning Radiometer), NOAA od 1970 AVHRR (Advance Very High Resolution Radiometer), od 1978 NOAA-6 zaś od 1988 NOAA-11. Pomiary możliwe jedynie przy braku chmur Pomiary SST oceanu są uzupełniane przez dane ze statków, platform oraz boi i dryfterów.

41 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Pomiary poziomu oceanu

42 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Topex Poseidon

43 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Kolor Oceanu- albedo powierzchni oceanu Koncentracja chlorofilu, SeaWIFS Sep 2004 Albedo planetarne Ziemi 30 % Albedo samej powierzchni ziemi 7 % Pozostały wkład pochodzi od atmosfery (chmury, aerozolowe)

44 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Co można mierzyć za pomocą radarów? Prędkość i kierunek wiatru (dokładność 2 m/s oraz 20 stopni, rozdzielczość 25km). Odbiciowość (wielkość związana silną zależnością z promieniem kropelek wody czy kryształków lodu). Możliwość oszacowania wielkości opadu. Temperatura powietrza oraz powierzchni Ziemi. Wysokość powierzchni oceanu

45 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Zanieczyszczenia atmosfery

46 4/22/2015 Krzysztof Markowicz TOMS Aerosol INDEX

47 4/22/2015 Krzysztof Markowicz

48 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Grubość optyczna aerozolu

49 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Skanowanie metodą LIMB Pomiarów gazów śladowych: CO, NO, N2O, ClO. Możliwe pomiary profili pionowych !

50 4/22/2015 Krzysztof Markowicz Nowe projekty badawcze Satellite Train (PARSOL,AQUA,CALIPSO,CLOUDSAT) 2004


Pobierz ppt "Fizyczne podstawy badań środowiska Wykład II Krzysztof M. Markowicz."

Podobne prezentacje


Reklamy Google