Fizyczne podstawy badań środowiska Wykład II Krzysztof M. 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 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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. 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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.  d I(,) detektor dyfuzor 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Stała słoneczna – natężenie promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery padającego na jednostkowa powierzchnie ustawiona prostopadle do padania promieniowania. Wynosi ona 1368 Wm2 i zmienia się 3.3% w ciągu roku. Uśredniona po całym globie wartość stałej słonecznej wynosi 342 Wm2. 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. 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Promieniowanie ziemskie (podczerwone) określone jest przez temperaturę powierzchni ziemi i w przypadku ciała doskonale czarnego wynosi zgodnie z prawem Stefana Boltzmanna F=T4, gdzie  jest stała Stefana Boltzmanna i wynosi 5.67x10-8. 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 =  T4. Średnia wartość zmienności emisyjnej powierzchni Ziemi zmienia się w przedziale 0.93-0.99 dla promieniowania długofalowego. 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Pomiar promieniowania słonecznego całkowitego przy użyciu Pyranometeru. Pomiary względne 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. 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Pomiar promieniowania bezpośredniego – pyrheliometr. Pomiary bezwzględne 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=KI2 gdzie: K - stała przyrządu, I - natężenie prądu grzejącego czujnik zacieniony. 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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. 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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. 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Fundamentalne równanie pyrgeometru R = Af Vac +  Tsensor4 + Bf  ( Tsensor4 – Tdome4 ) (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-2K-4 (Stefan-Boltzmann constant), Af – czułość termopary (sensitivity Wm-2 per microvolt) Bf – stosunek zdolności emisyjnej do transmisji kopuły pyrgeometru 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Albedomierz – pomiar albeda powierzchni ziemi 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Bilansomierze pomiar bilansu promieniowania słonecznego oraz ziemskiego 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Pomiar spektralny promieniowania bezpośredniego – Sun Fotometry Detektor: spektrometry, fotodiody krzemowe z filtrami interferencyjnymi Zakres spektralny: 300-1100 nm Stosuje się do pomiaru ozonu, pary wodnej oraz aerozolu atmosferycznego 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Spektrofotometr Dobsona Pomiar promieniowania UV oraz całkowitej zawartość ozonu w pionowej atmosferze 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl DOBSON Jednostką używaną do określenia całkowitej zawartości ozonu w atmosferze jest Dobson (1 Dobson [DU]= 0.01mm O3, warunki normalne: 1013hPa, 0oC) Odpowiada on grubość ozonu jaka otrzymamy po sprężeniu ozonu do ciśnienia panującego przy powierzchni ziemi i wynosi około 300 DU 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Robertson-Berger pomiar UVB (0.28-0.32 m) Promieniowanie erytemalne- promieniowanie z przedziału (0.28-0.32 m) Powoduje opalanie skory oraz powstawanie witaminy B luminofor zielony filtr fotopowielacz Filtr przepuszczający UV 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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, 320.1 nm Wavelength Stability ± 0.01 nm (Over operating temperature) Wavelength Precision 0.006 ± 0.002 nm step-1 Wavelength Range 286.5 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) 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Nasłonecznienie- czas operacji Słońca- Heliograf 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Obserwatorium wysokogórskie Mauna Loa na Hawajach Kalibracje radiometrów oraz pomiary stałej słonecznej 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Bilans promieniowania na górnej granicy atmosfery (100 km) B=So-ASo-FOLR Gdzie So – Stała słoneczna A – albedo planetarne FOLR - długofalowe promieniowanie ziemskie uciekające w przestrzeń kosmiczna <B>=0 ze względu na równowagę radiacyjna 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Bilans promieniowania na powierzchni Ziemi B=S+D+Fa-(Rz+Fz) Gdzie S - krótkofalowe promieniowanie bezpośrednie docierające do powierzchni ziemi D – krótkofalowe promieniowanie rozproszone Rz - krótkofalowe promieniowanie odbite od powierzchni ziemi. Rz =Az(S+D) Az - albedo powierzchni ziemi Fz – długofalowe promieniowanie ziemskie Fa - długofalowe promieniowanie zwrotne atmosfery Fz-Fa – nosi nazwę promieniowania efektywnego <B>0 gdyż nie są to bilans energii a jedynie promieniowania 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Bilans promieniowania i energii w atmosferze 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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) 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Albedo OLR 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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. 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Aktywna i pasywna teledetekcja 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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. 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 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. 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Typy skanów wykonywanych przez detektory umieszczonych na satelitach polarnych 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

MODIS na AQUA

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl CERES na TERRA 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl MISR 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Chmury METEOSAT 7 VIS Na zdjęciu IR chmury jaśniejsze odpowiadają niższej temperaturze a więc wyższej wysokości IR 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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. 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Pomiary poziomu oceanu 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Topex Poseidon 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Kolor Oceanu- albedo powierzchni oceanu Albedo planetarne Ziemi 30 % Albedo samej powierzchni ziemi 7 % Pozostały wkład pochodzi od atmosfery (chmury, aerozolowe) Koncentracja chlorofilu, SeaWIFS Sep 2004 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

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 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Zanieczyszczenia atmosfery 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl TOMS Aerosol INDEX 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Grubość optyczna aerozolu 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Skanowanie metodą LIMB Pomiarów gazów śladowych: CO, NO, N2O, ClO. Możliwe pomiary profili pionowych ! 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Nowe projekty badawcze Satellite Train (PARSOL,AQUA,CALIPSO,CLOUDSAT) 2004 4/14/2017 Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl